有源濾波技術(shù)現(xiàn)狀及其發(fā)展.doc

安康學院學年論文（設計） 有源濾波技術(shù)現(xiàn)狀及其發(fā)展 【摘要】 集成電路發(fā)展至今，濾波器已經(jīng)成為系統(tǒng)中不可或缺、很常用的一個單元。本文首先對濾波器作一簡單概述。然后，著重對濾波器的一個分支模擬濾波器中的有源濾波器進行介紹。特別是對有源濾波技術(shù)現(xiàn)狀及其發(fā)展重點介紹。 Active filtering technology and its development Abstract IC development so far, the filter has become an integral part of the system used a single unit. Firstly, for a brief overview of the filter. Then, on the active filter in the filter is a branch of the analog filters are introduced. In particular, the introduction of active filtering technology and its development priorities.一、概述1.1 濾波器的產(chǎn)生和發(fā)展 濾波器是一種專用的選頻網(wǎng)絡，由于真實的世界中有各種各樣需要或者不需要的信息，所以它可以以某種規(guī)定的方式將輸入信號根據(jù)需要變換成系統(tǒng)要求的輸出信號，讓某些頻率成分的信號通過而使其它頻率成分的信號受到阻塞或者衰減。它是一種應用非常廣泛的信號處理系統(tǒng)，在通信、航天、自動控制、傳感器等領(lǐng)域起著重要的作用。事實上，任何電子系統(tǒng)，從簡單的放大器到復雜的數(shù)字信號處理(D樹tal SignalProcessing)系統(tǒng)都需要濾波器。由于在實際生活中，所有的模擬系統(tǒng)，都不可避免的要與噪聲與外界干擾打交道，這樣，濾波器就常被用來消除不必要的噪聲以及抑制外界對自身系統(tǒng)的干擾等。 從20世紀20年代到20世紀60年代，濾波器的設計主要是由無源器件，如電阻、電容和電感組成。而其中，又以無源LC梯形網(wǎng)絡更為實用，這主要得益于它對元件的變化不太敏感。但長期以來，低品質(zhì)的電感始終限制了無源濾波器的發(fā)展。20世紀50年代人們發(fā)現(xiàn)，用專門的有源電路來代替體積大且價格昂貴的電感則可以極大地減小電路的規(guī)模和成本。與此同時，伴隨著進入20世紀60年代中期，分立元件中高性能有源器件如運算放大器開始出現(xiàn)，極大地發(fā)展了有源濾波器的設計。在進入20世紀70年代中期，分立的有源RC濾波器開始流行，同時，半導體技術(shù)又正在如火如荼的展開，因此人們這時又開始考慮需要將濾波器進行集成，以滿足整個工業(yè)發(fā)展的需要。 隨著航天航空、現(xiàn)代通信和控制技術(shù)的發(fā)展，系統(tǒng)對模塊集成化的要求也越來越高。全集成濾波器是單片集成的，與由分立有源元件構(gòu)成的濾波器相比，主要有以下優(yōu)點： 1集成電路是專用的，設計中都是針對性考慮并設計，所以集成后的濾波器有著分立元件設計的濾波器無可比擬的面積和功耗優(yōu)勢。 2 工藝的特殊性，雖然很難做到器件的絕對值穩(wěn)定，但是在芯片內(nèi)，元件之間的匹配可以做得很好，這樣也極大地改善濾波器的性能，尤其是線性度。 3 針對工藝的絕對值不穩(wěn)的特點，自動調(diào)諧電路則能夠很好地克服因工藝和溫度變化所帶來的誤差。4與分立無源濾波器相比，集成濾波器大大地減少了寄生電容。這主要得益于芯片內(nèi)部，各種尺寸間距的減小等。 1.2濾波器的概述 針對目前所常用的濾波器的設計方法，單片集成有源濾波器的分類如圖11所示：圖1 單片集成有源濾波器的分類二、有源濾波技術(shù)的歷史發(fā)展和現(xiàn)狀 七十年代初有源濾波器的基本原理和電路拓撲結(jié)構(gòu)就已確定，但由于受到當時功率半導體器件水平以及控制策略的限制，有源電力濾波器的研制一直處于試驗研究階段直到進入八十年代以來，隨著新型電力半導體器件的不斷發(fā)展、脈寬調(diào)制技術(shù)的不斷進步以及基于瞬時無功功率理論的諧波電流瞬時檢測方法的提出，使有源電力濾波器得到迅速完善和發(fā)展日。 自1982年世界第一臺APF(800kVA)在日本研制成功而被正式投入使用以來m，經(jīng)過20多年的研究和探索，APF技術(shù)得到了長足的發(fā)展，越來越多的APF投入了運行，不論從實現(xiàn)功能還是運行功率上都有明顯改善。其中在日本，已投入使用的APF從50kVA到60MVA功率范圍越來越寬，從諧波補償?shù)揭种崎W變和電壓調(diào)節(jié)應用功能越來越豐富目前，有源濾波器已用在提高電能質(zhì)量，解決蘭相電力系統(tǒng)中終端電壓調(diào)節(jié)、電壓波動抑制、電壓平衡改善以及諧波消除和無功補償?shù)葐栴}上。三、有源濾波器的分類目前投入使用的APF種類繁多，其分類方法也多種多樣。圖2從不同的角度對APF進行了分類。根據(jù)應用場合的不同，舡F可分為有源直流濾波器和有源交流濾波器兩大類前者主要用來消除高壓直流系統(tǒng)中換流器直流側(cè)的電壓；后者則應用于交流電力系統(tǒng)。圖2 有源濾波器的分類 根據(jù)逆變電路的儲能元件不同，有源濾波器分為電流型和電壓型兩種電壓型濾波裝置效率高、初期投資小，可任意并聯(lián)擴容，易于單機小型化，經(jīng)濟，適用于電網(wǎng)級諧波補償。目前實用裝置90%以上為電壓型，技術(shù)相對成熟。電流型濾波裝置作為非正弦電流來源來滿足非線性負載的諧波電流要求，其結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠，但損耗較大，不適用于大容量系統(tǒng)。從與電網(wǎng)的連接方式看，有源濾波器可分為：并聯(lián)和串聯(lián)型 。圖3（a）為并聯(lián)型APF，他是最基本的方式。由于并聯(lián)型APF并聯(lián)接入電網(wǎng)，相當于一個受控電流源，可消除負載引起的諧波電流，也可補償無功和平衡三相電流。其適用于感性電流源型負載的諧波無功補償，優(yōu)點是它只流過補償電流和小部分基波有功電流，另外并聯(lián)型APF可以并聯(lián)使用以提供大的電流。但由于APF和被補償?shù)闹C波負載并聯(lián)在電網(wǎng)上，須承受電網(wǎng)基波電壓，這使其容量很大。而構(gòu)成APF主電路的PWM逆變器的容量和動態(tài)成反比，很難是APF在具有很大容量的同時還能具有良好的動態(tài)特性和較低的開關(guān)耗損。串聯(lián)APF如圖3（b）所示。它的逆變器結(jié)構(gòu)主電路不需要電流控制電路，APF通過變壓器串聯(lián)在電網(wǎng)和負載之間，相當于一個受控電壓源。其主要用于消除帶電容二極管整流電路等電壓源型諧波源負載對系統(tǒng)的影響。主要優(yōu)點是能補償電網(wǎng)諧波電壓和三相不平衡的電壓，對電壓敏感性負載尤為適用。但與并聯(lián)有源濾波器相比，主要缺點是流過很高的負載電流，使得變壓器額定參數(shù)上升，體積變大，耗損大；此外串聯(lián)APF投切、故障后的退出及各種保護也較為復雜。目前，并聯(lián)型占了大多數(shù)。雖然SPF能實現(xiàn)大容量和低耗損以及多功能。但由于受開關(guān)器件的限制，容量增大往往有限，而且造價隨之增大。而無源濾波器結(jié)構(gòu)簡單，造價低廉，所以人們選擇有源和無源相結(jié)合的混合型APF來減小APF的容量，提高裝置的經(jīng)濟性無源濾波器和串聯(lián)型有源濾波器也可以混臺使用，如圖3(c)所示圖3(d)和(e)所示分別為并聯(lián)APF和無源濾波器混合并聯(lián)以及混合串鞋的使用情況。另外為了充分發(fā)揮并聯(lián)有源濾波器和串聯(lián)有源濾波器各自的優(yōu)點，可以將二者組合起來使用，這就是統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器的基本結(jié)構(gòu)4T9】，如圖2(f)串聯(lián)有源濾波器通過變壓器接入主電路中，具有諧波隔離、電壓調(diào)節(jié)以及電壓閃變，不平衡的補償?shù)茸饔?，其變壓器容量取決于電壓調(diào)節(jié)范圍，容量很小并聯(lián)有源濾波器直接與主電路相連，起諧波和負序電流消除、無功電流補償和直流母線電壓調(diào)節(jié)作用這種結(jié)構(gòu)雖然功率開關(guān)較多，但開關(guān)應力較小。容量不大兩個有源濾波器都采用電壓型逆變器結(jié)構(gòu)公用直流乎波電容器，損耗低，效率高；系統(tǒng)輸入和輸出波形畸變?。浑妷赫{(diào)節(jié)動態(tài)響應時間短。范圍寬，精度高；能適用于各種用電負載，能抑制電網(wǎng)三相交流電壓不均衡這種電路結(jié)構(gòu)的控制方式改變后可以實現(xiàn)統(tǒng)一潮流控制器和交流電網(wǎng)移相器的功能對這種裝置電路結(jié)構(gòu)和控制方法研究是目前電力電子技術(shù)領(lǐng)域的一個研究熱點和發(fā)展方向。圖3 有源濾波器的各種拓撲結(jié)構(gòu)四、有源濾波器的檢測技術(shù) 有源濾波器控制的第一個環(huán)節(jié)是補償指令的獲取這一環(huán)節(jié)將直接影響到有源濾波器的性能，因為如果不能準確地得到指令信號，電流的控制將無從談起計算補償電流指令，酋先必須根據(jù)補償目的將諧波和無功電流分量或者正序、負序及零序等分量進行分離根據(jù)補償目標，可以對電流進行不同的分解例如，在補償所有高次諧波分量以及單位功率因數(shù)的條件下，只需檢測基波有功電流分量即可：如果只進行某些次諧波消除以及基波無功分量補償，則需要分別檢測出各次諧波分量以及基波無功分量五、源濾波器的控制技術(shù)有源電力濾波器的閉環(huán)控制策略中最常用的是模擬或數(shù)字PI控制，另外還有變結(jié)構(gòu)控制、模糊控制和人工神經(jīng)網(wǎng)控制等現(xiàn)代新型控制方法PI控制器一般用于逆變器贏流環(huán)節(jié)的控制，如控制電壓源型逆變器直流母線電壓或電流源型逆變器直流母線電流電壓源型電流跟蹤型有源濾波器直流母線電壓的穩(wěn)定就采用了PI控制器給定直流參考電壓與直流母線電壓的差作為PI的輸人信號，控制器的輸出信號作為穩(wěn)定逆變器直流母線電壓的有功電流峰值它與電網(wǎng)同步單位參考電壓的乘積即為PwM電流控制器的一部分輸入信號六、有源濾波器的發(fā)展前景 有源濾波器作為凈化電網(wǎng)污染、改善供電質(zhì)量的一種有效裝置，有著廣闊的應用前景從近年來的研究和應用可以看出有源濾波器具有如下的發(fā)展前景： 1)為了降低成本、提高效率和擴大容量，有源濾波器與LC無源濾波裝置組合的混和型有源濾波系統(tǒng)將得到廣泛的應用 2)為了適應有源濾波器多功能復雜控制的需要，在有源濾波器走向?qū)嵱没牡缆飞希恍┫冗M的控制策略包括變結(jié)構(gòu)和智能控制將得到真正的應用以獲得更好的控制性能和效果3) 通過PWM調(diào)制和可提高開關(guān)期間等效開關(guān)頻率的多重化技術(shù)，實現(xiàn)對高次諧波的有效補償當有源濾波器的容量不