基于源滤波器中电流传感器噪声抑制电路设计

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                    　　随着用电设备类型的日益增多，出现了很多非线性负载，此类负载在运行过程中，产生大量的高次谐波，这些谐波对于电网中的电力设备有着很强的危害，因此供电部门对于谐波的注入量有着严格的限制。有源滤波器的设计思路是向电路注入除基波电流以外的电流，从而抵消系统中原有的谐波电流，使得系统电流中只有需要的基波电流。不同于并网逆变器，有源电力滤波器本身发出的电流为非正弦波形，这就意味着应用传统的数字信号处理算法消除噪音的方法在这里不完全适用，而实际应用中来自外部的干扰极大地影响了系统的运行。在此重点讨论电流传感器的选择和采样调理电路的设计，从而使得由于这两者的非理想性对系统的影响最小。
　　1 有源电力工作原理简介
　　有源滤波电路如图1所示。其中两组电流传感器分别用来检测负载电流Iload以及滤波器的实发补偿电流Icom。信号变压器传递三相系统交流电压Usys，而直流电压传感器负责传递直流端电容电压Udc。
　　负载电流被DSP读入之后，经过运算，可以获得三相负载电流当中的正序有功电流，而补偿的目的是使得系统端电流只含有正序有功电流。获得了负载电流的正序有功基波电流之后，将负载电流与基波有功正序电流之差看作是有源滤波器输出的指令，使得有源滤波器输出该电流，系统端电流即为正序有功电流。
　　如何发出指令所需的电流是补偿效果的关键。可以将有源滤波器视为一个逆变电流源，调制电压经过连接电抗在电路中形成相应的电流，遵循公式如下：
　　Uout=L(dIcom／dt)+Usys+IcomR??? (1)
　　式中：Uout为逆变器发出的电压；Usys为三相系统的电压；R为系统等效电阻，初次调试可视为零；L为连接电抗电感值；Icom为有源电力滤波器实际发出的三相电流；在离散系统下dIcom／dt可视为△I／△T，△I可以为期望的指令电流Iinst(指令电流为经过计算的需要补偿的电流)和实际补偿电流Icom的差值，及△I=Iinst-Icom，△T是离散系统的采样周期，式(1)可写为：
　　Uout=L(Iinst-Icom)／△T+Usys+IcomR??? (2)
　　当忽略系统内阻时(2)式可写为：
　　Uout=L(Iinst-Icom)／△T+Usys??? (3)
　　从式(3)可看出，为了让有源电力滤波器发出与Iinst指令电流相同的实际电流，只需控制IGBT发出Uout电压，即可获得期望电流，而为了获得Uout指令，必须知道式(3)中其余参数。其中L，△T，Usys均为已知量，因此只需知道Iinst和Icom即可求得Uout，从而在连接电感中获得所需电流。因此精确地补偿电流和精确的指令电流是补偿精度的关键，而指令电流又是由负载电流经过运算获得的，因此准确地获得负载和补偿电流是关键所在。
　　2 分? 析
　　逆变器电路在工作时会产生许多高频电流谐波，这些高频谐波会产生高频电磁场，这些空间分布的高频电磁场会在采样电路中产生很多干扰，会在信号传输线路当中产生很多电压干扰信号，由于导线分布参数的复杂和非线性特征。这些干扰的电压信号往往体现为噪音信号，噪声是不能够被信号滤波器完整滤除的，通过低通滤波之后，其截止频率以下的噪音信号任然保留，而这些噪音信号将参与整个系统的运算，最终影响发出，使得有源电力滤波器的实际的效果大打折扣。电流采样回路框图如图2所示。





　　4 样机运行结果及分析
　　实验分别对开环电压输出型霍尔电流型传感器和闭环电流输出型霍尔电流传感器做比较分析，运行样机，得出以下不同的补偿效果。图4为可控硅整流柜开启时的负载电流Iload，其中横坐标为时间，单位为秒，纵坐标为电流，单位为安培，可以看出该电流含有大量非基波成分，经过专业仪器分析，该电流含有大量的5次和7次谐波，这也印证了可控硅电路的谐波含有特点。为样机安装电压输出型霍尔电流传感器，测量Isys对可控硅整流柜的补偿效果如图5所示，可见结果中电流趋于正弦，但仍含有很多毛刺，经过专业工具分析，发现电路中虽然5次和7次谐波明显降低，但是出现了部分偶次谐波，而这些待补偿电流中原来没有，说明这些电流是由有源滤波器发出的，而发出这些电流的原因归咎于信号传递过程中的干扰，这些噪声信号通过低通滤波器后仍然留有部分频率较低信号，参与运算后得到了这样的结果。





　　表1为两种补偿效果做的对比结果。





　　说明：以上实验样机额定电流为相电流200 A补偿能力，谐波挑选了大于1 A的电流列表，当样机补偿对象基波为150 A电流时，总畸变率可降低至5％以下。
　　5 结 语
　　这里通过对有源滤波器工作原理的分析，找出可能影响滤波器工作效果的因素，信号传递的失真是影响效果的最主要因素，而对于传感器，传递线路，低通滤波器的合理选择和处理可以最大程度的减小信号的失真度，从而使得有源滤波器工作效果得到明显的改善，使得样机具有工程实际应用意义。