滤波器（精选9篇）
l 音响电源滤波器不能接功放么？音响电源滤波器就一定有电感性元件，从而在有些时候会导致大功率器材效果“缩水”么？无感滤波和有感滤波有些什么区别？ l 电源的相位接反了，有什么影响？
l 音响电源滤波器一定要接地线才可以使用么？
（若您只是喜欢音乐，喜欢享受音乐生活而没有怎么烧，看看下面这段)l “告别拖线板时代”不仅是针对发烧友，更是对喜欢享受音乐享受生活的朋友而言的！
电源污染是指什么？我家不会被影响吧？为什么要使用滤波器？
打个简单的比方：对于电器来说，电源就像上游的水源：如果家里的水源被污染了，任您用什么样的高档厨具也去不掉饭菜里的污水味，同理，如果电源受到了污染，上游的任何污染都会随着电流带到每一个用电器，导致“任何好器材的质量都会被埋没”。引用一位资深发烧友的话：“这电供给我们的音响系统时，就像我们身体里的血液受到外物的污染会引致生病，试想在这情况下，组合又怎能会靓声呢？”
由于现今用电环境复杂，电源中的杂波干扰噪声可谓越来越多，无处不在：雷电会在电网里面造成尖脉冲；附近人家装修用的各种电钻、木材切割机、打钉器、电动设备工作等都会造成干扰，噪声都会随着输配电线进入我们家中；附近工厂的电动机的启停会引起电网干扰，家中电吹风、各种电器（抽油烟机，冰箱，电扇，空调等）电动机启停等都会在电网引起杂波干扰及噪声，这些杂波干扰及噪声会严重影响Hi-Fi、AV音响系统的视听效果（例如电源喇叭有“噼噼波波”的声音）。至于您家受不受影响，您想想上面说的跟您家周围环境是不是有些相符合，就知道了。举个最贴近的例子：我家就住在上海一个新式居民楼盘，入住一年旁边40余栋楼的邻居们没有断过装修，我把设备绕过滤波器直接接在插线板上试试，结果高音带刺，小提琴细节被拧干。有的发烧友认为音响跟其它电器分开拉的线就应该没有问题了：这种方法对于电网里面的污染就不能消除哦。
音响滤波器就是针对目前的Hi-Fi、AV器材，因为使用了「污染电源」,而无法将器材的功能完全发挥出来而设计开发的产品，它可以有效地消除电网中的共模、差模干扰及噪声（即所谓的「净化电源」。下面有使用滤波器前后所得到的对比图，可以看到滤波器完全滤去了电波上的高频干扰，电波曲线变得流畅没有毛刺，可以使抑制杂波电流好，动态内阻变化低，输出电流相应快—转换为用试听效果的词语来表达就是可以使Hi-Fi、AV音响系统的音色通透，解析力高，音质表现宽阔，背景层次清晰，细节丰富，低频动态延伸好，从而使您欣赏到完美的高保真音乐和清晰的图像（因为家里机器多，我用朋友实验室里的示波器对争先的几个机型都试了试，滤波效果以3000型的最为稳定，无感专利型的比有感的波形更平滑）。音响电源滤波器就一定有效果么？
往往刚刚接触产品不久的发烧友们，总是将信将疑地问我这个问题，网上也有些朋友说“听不出来嘛！”除了用上面滤波前后的效果图来给大家做个有利的参考之外，我还要问问大家一个问题：在你终于下决心升级一副上千元的线材时，当你到朋友家听着他那套几千元的装备打造出来的效果时，是不是有人觉得好得不得了，有人却觉得好像效果也就那么回事呢？
其实有时候发烧，一发的是听力，二发的是感觉，效果好还是一般，是置于环境和自身的两重影响下的才可以讨论的。我们常听有发烧友说“这次比上次升级前的听起来细节更丰富了”“背景层次更清晰了”，这个除了听力外还有长期听音乐培养出来的感觉。有的发烧友可能因为家中原来电污染得比较厉害，接上滤波器后有“脱胎换骨”的感觉；而对于一些极品的器材只要能提高些效果，其实又何尝不是有“画龙点睛”的意境呢？好多朋友一掷千金换一条线，换一个接头，不就是追求的是这个么？发烧美就美在能够不断地追求完美，如果音质效果有很大的提高，不就更是超值了么？
同时，从更理性的角度来说，只是花一副好线材十分之一可能都不到的价钱再增加一个音响电源滤波器，从而使得音响效果能够得到更进一步的提高，那么从成本收益来说，音响电源滤波器的投资回报率就要远远超过很多其他器材。
音响电源滤波器不能接功放么？音响电源滤波器就一定有电感性元件，从而在有些时候会导致大功率器材效果“缩水”么？无感滤波和有感滤波有些什么区别？
答案是：可以接；不是；区别蛮大
在说音响电源滤波器能不能接功放前我要先说说无感音响电源滤波器：其实无感的音响滤波器很早就问世了，争先牌无感音响电源滤波器就享有国家实用专利：它的原理完全革新了传统使用电感原件限制频宽而达到滤去高频杂音的技术，因为争先的无感滤波器是采用晶体管滤波技术，整个滤波器没有采用一个电感器件，就更不存在感抗。由于无感抗滤波器对大电流变化无阻碍，也无延缓等影响，所以功放完全可以放心地接在无感电源滤波器上---这样前后级都使用通过无感滤波的电流，比只是前级使用滤波更使得音质更上一个台阶，因为这种方式完全隔开了电源污染.有了上面这段铺垫，再来说功放其实可以接在一些音响电源滤波器上（注意，这里的“一些”代表的是“无感滤波器”）。在我说这一段时，特别是说起“音响滤波器都不能接功放”是一种误区时，很多朋友一开始都有点不屑：那为什么网络上甚至一些商品卖家和“资深”发烧友都不这么认为？其实可以理解：在早期的音响电源滤波器使用的原理均是电感滤波，就连国外古河这个有名的老牌子也不例外。同时网络这个载体有时也无法排除过时的信息，原来的评论和帖子现在还是可以被人们反复点击，再一一相传，这使得若要改变早期形成的概念需要一段时间，不过我一贯坚持那条真理：是金子，它早晚会发光的。
对于有感和无感滤波器的差别：由于无感滤波原理的不同，无感滤波器可以使得抑制杂波电流更好，动态内阻变化更低，输出电流相应更快，音质表现更加宽阔，背景层次更清晰，细节更丰富，低频动态延伸更好。若滤波器内部有独立的直流稳压电源作为滤波供给，它可为晶体管滤波电路提供稳定的静态工作点，这可以使得滤波更加稳定，而这种技术在争先专利旗舰型3000型上也得以了实现（这跟外国顶级品牌比都是领先的，国内机子能够做到这样的技术领先，这一直使我很自豪。国产的机子又在价格上占有无可匹敌的优势：仅为外国同器材的六到十分之一，而且国内机在工艺也日趋完善，做工精细，这使得国产滤波器成为了我不二选择。再补充几句无感和有感在音质上影响的和选购上的区别：对于一些高烧族，配置好，喜欢音乐音域宽，功放推喇叭的要求高因而功率大，使用有电感原件的滤波器会在某些时候会感觉造成“缩水”，音质失真，那么你如果已经选择了有感的滤波器，就请只让音源过滤波，后级直接通墙上插头就可以解决--对于您们还是建议最好选用无感的滤波器，这样不仅可以完全不用担心影响，而且可以有更好的音质。对于很多只是想听听音乐，特别是只是想唱唱卡拉ok，偶尔放放碟的朋友们，若您对音域范围的要求不是非常之阔，或者功率后级及超低音消耗不是非常大，有感滤波方式滤波效果是不错的，选用有感的滤波器也没有网上说得那么玄乎：更何况唱卡拉ok本身还要一些延迟呢—不过使用无感的滤波器也不失为一种很好的选择，因为其实从价格上来说无感有感差别并不大，无感的滤波器不仅带来更不错的音质，更是为以后的升级留下了足够的空间。
关于上文提到的无感滤波器，主要是指这个专利：99241521.7，采用了Y电容和X电容滤波，没有用到电感。原理图如文中最后所附，电路其实很简单。采用了大量Y电容和一些X电容，对共模和差模干扰应该是有一些效果的，因为没有电感，对功放的瞬态供电是比较好的。但总体来仅仅只适合做功放滤波，因为没电感，滤波的性能是很差的，对其他产品就不大合适。APC的AV Surge由于需要过UL1449，LN对地漏电流不得超过0.5mA，因此不能加很多Y电容滤共模信号，主要靠MOV的寄生电容和共模电感。电源的相位接反了，有什么影响？
影响大大地！有的滤波器装有自动检测墙上电源相位是否接反的装置，一旦反了就会亮红灯，直到调整好为止---因为争先的滤波器就有自动检测电源相位的功能，很多买家（在没有开网店之前也经常遇见）被它弄得不耐烦----对于这方面请您一定要耐心一点点，因为电源的相位对音质有着至关重要的影响----这个你可以去网上淘淘看：有多少人在叫自己顶级设备音质怎么好像反而还没有一般的一套器材好，有的甚至非常的不怎么地。结果是反复拆装，请专家看，最后发现原因是出在自家电源相位是接反了。有一些办法可以检验自家墙壁上的插头相位有没有接反：可以参照李哥的有关电源的文章，上面教了很多办法，不过因为要用到电工的器材，像我这种只会换换保险丝的菜鸟，这些咚咚一般家中是不大有的，所以我对于可以自己检测相位的装备非常地满意----音响滤波的同时可以检测到相位是否正确，这对于性价比已经非常好的机子无疑是锦上添花。音响电源滤波器一定要接地线才可以使用么？
曾经在一个论坛上看到有发烧友说“音响电源滤波器一定要接地线才可以使用，否则就去搞个隔离变压器，阻抗反而小”，于是乎研究了一下滤波原理：不接地线不是不能使用，但是对于发烧友来说，音响电源滤波器接地使用的效果最好。因为电流对于音响的干扰分为两种：一种是共模干扰，一种是差模干扰。滤波时共模干扰是通过地线走掉的，而差模干扰则是通过电感原件（对于有感滤波器）或者晶体管（对于无感滤波器）滤掉的，在这两种干扰中差模干扰是主要干扰。隔离变压器相对来说的阻抗是蛮高的，效果反而要差些，选购时应该多比较内部设计图才是。“告别拖线板时代”不仅是针对发烧友，更是对喜欢享受音乐享受生活的朋友而言的！
关键词：APF,LCL滤波器,电容电流反馈,谐振
0 引言
近年来,随着电力电子技术的快速发展,大量非线性负载不断投入电力系统,造成电能质量[1]问题日益严重。有源电力滤波器(Active Power Filter,APF)[2]作为1种消除谐波的有效设备,目前已得到广泛使用。但APF一般采用高频的SPWM调制,导致大量的开关次谐波流入电网,对电网中其他的敏感设备产生干扰。
考虑到LCL型滤波器能够在较低的开关频率下,获得比L和LC型滤波器更优异的性能,且可明显降低电感值,本文选择LCL型滤波器作为开关频率较低、具有较大容量的并联型有源滤波器APF输出滤波器。但单纯的LCL滤波器是1个谐振电路,极易对某次谐波造成放大作用,导致系统不稳定。文献[3]详细分析了简单LCL滤波器直接输出电流控制时,无论采用P、PI、还是PID控制,系统均不稳定的原因。为抑制滤波器的谐振,传统的解决方法为增加无源阻尼,此法虽设计简单,但势必增加功率损耗,对于大功率系统更是不允许的。
针对以上问题,本文采用了引入电容电流反馈的有源阻尼控制策略,等效地增加了LCL滤波器的阻尼作用,从而有效地抑制了低频谐振尖峰,避免了系统的不稳定[4,5]。最后通过PSCAD仿真对比了采用有源阻尼和无源阻尼的LCL型滤波器的APF补偿效果,仿真结果证明本文所述的LCL滤波器有源阻尼设计方法是可行的,且其应用于APF具有较好的滤波效果。
1 LCL滤波器的APF数学模型
图1为并联型有源滤波器系统结构框图。它主要由电压型三相桥式逆变器和输出LCL滤波器组成。其中,LCL滤波器如图1中虚框所示。
谐波补偿时,APF首先将检测到的系统谐波电流,形成补偿电流指令信号,然后经控制策略及逆变器变换生成补偿电流,再通过输出滤波器送入电网,实现谐波补偿目的。考虑到并联型APF主要用于补偿2次直至25次低次谐波电流含量,且补偿电流含有开关频率及其整数倍次的谐波分量[6],故APF要求其输出滤波器对中低频具有较宽的通频带,而对高频具有很强的抑制作用,且需满足APF的瞬态电流跟踪能力及最大纹波指标要求。本文选取参数见表1。
图2为LCL滤波器在高次谐波下的单相等效电路模型。
高次谐波下LCL滤波器的传递函数为:
式中:s为拉普拉斯算子。
由式(1)可得到系统谐振频率阻尼比ξr=0。此时对应的LCL滤波器波特图如图3所示。
从图3中可看出LCL滤波器出现谐振,谐振频率为2 240 r/s附近,约3 559 Hz。且放大增益非常大,约为127 dB,故对系统稳定性有很大影响。
2 有源阻尼控制策略
对于APF输出LCL滤波器谐振电路,当开关频率较低时,其谐振频率取值也较低,难免会使低次谐波产生畸变,因此为改善其对系统稳定性的影响,通常需要引入阻尼作用[7]。传统的方法为加入无源阻尼。文献[2]针对阻尼电阻的3种可能串联位置,深入分析了电阻大小与稳定裕度之间的内在联系,最后证明采用电容串联方案时,所需电阻最小,且电阻越小,系统越不稳定。故本文在简单分析电容串联电阻的无源阻尼基础上,对比论证了有源阻尼控制策略的优越性。
3.1 无源阻尼
图4为电容上串联阻尼的LCL滤波器拓扑图。
其传递函数为:
故在谐振频率处电容阻抗为:
通常情况下,阻尼电阻取值为谐振点电容阻抗的三分之一[9],即R=Zr=0.496 7Ω,此时阻尼系数,故对谐振处的抑制作用较弱。图5为采用电容上串联电阻的无源阻尼LCL滤波器波特图。
3.2 引入电容电流反馈的有源阻尼
无源阻尼方法虽然简单,但其对谐振的抑制效果有限且电阻的增加必然增加系统损耗。故本文采用了1种引入电容电流反馈的有源阻尼控制策略[8,9,10,11,12,13],其在保证谐振频率不变的情况下,增加了阻尼作用,有效地抑制了低次谐波的震荡[4]。
图6为APF的控制结构框图,右侧为直流母线电压控制,左侧为电流双环控制[14,15,16],Kc为电容电流的反馈控制系数。图7为详细的电流双环控制原理图,为桥路PWM等效增益。将APF实际输出电流与检测到的补偿谐波含量指令信号相比形成误差量,经重复学习控制策略输出作为电容电流内环指令信号。考虑到开关频率较大,可忽略时间常数τ且假设KPWM为1时的电容电流内环控制原理图如图8所示。
由图8可得,忽略电压扰动时,电容电流的内环传递函数为:
故对于图7中双环结构,假设不考虑重复学习控制策略,即为单位传递时,可绘出关于KC的广义根轨迹,如图9。同时由式(4)可知系统谐振频率保持不变。谐波含量却明显增多,其中70次谐波含量为0.003 840 7 kA。
由图9可知KC的稳定范围从0.668 5到8.125 7。倘若取阻尼系数时,可求出最佳反馈控制系数KC=6.323 6。
对比KC分别为4、5、6、6.323 6、7、8时的LCL波特图,如图10(a)、(b)。图10(b)为图10(a)的放大图。
对比图5、图10可看出,有源阻尼对于谐振峰的抑制作用比无源阻尼更显著。且此法不改变谐振频率,只增加了系统阻尼,并不增加功率损耗。
4 仿真效果图
图11为APF仿真结构图。为验证本文所设计的电容电流反馈的有源阻尼LCL滤波器有效性,本文采用PSCAD/EMTDC工具,对三相并联型有源电力滤波器APF进行了仿真,主要研究采用有源阻尼LCL滤波器的APF补偿效果及谐振频率处谐波含量。仿真系统中负载为带阻感负载的三相桥式不控整流器,负载侧输出电感为0.05 mH。系统电流开始0.2 s内含有谐波,并在0.2 s时,投入APF进行谐波补偿,得到的仿真波形如图12所示。
图12(a)为A相负载电流波形,图12(b)为A相负载电流中基波、2次到25次谐波含有量分布图。
图13 (a)、(b)、(c)、(d)分别为采用有源阻尼LCL滤波器的APF补偿效果图、局部放大图、低次谐波含量及谐振频率附近谐波含量分布图。
从图13可知,系统电流补偿前亦即负载电流,低次谐波含量很高,以5次谐波为例,约为0.044 kA。经有源阻尼LCL滤波器下的APF补偿后降为0.003 8 kA。显然,低次谐波含量已大大减少,基本满足国家要求。且谐振频率附近谐波含量也非常微小,以70次为例,仅为0.000 602 24 kA。
为证明有源阻尼LCL滤波器的优越性,本文对采用无源阻尼的APF也做了仿真,其补偿效果如图14所示。图14(a)、(b)、(c)、(d)分别为采用无源阻尼时APF的补偿效果图、局部放大图、低次谐波含量及谐振频率附近谐波含量分布图。
如图14所示,无源阻尼下的APF补偿后系统电流5次谐波含量降为0.001 271 9 kA,但其谐振频率附近谐波含量却明显增多,其中70次谐波含量为0.003 840 7 kA。
综上可知,本文所设计的基于电容电流反馈的有源阻尼LCL滤波器应用于并联型有源滤波器是可行的、有效的,且相对于无源阻尼,其对于谐振的抑制效果更加显著。
5 结论
关键词：LCL滤波器；电流谐振；阻尼电阻；有源电力滤波器
中图分类号：G712文献标识码：A文章编号：1005-1422（2014）10-0132-03 一、引言
随着电力电子技术的快速发展，各种非线性功率器件的广泛应用，大量谐波和无功功率注入电网，造成系统效率降低，功率因素变差，严重影响电网和用电设备的安全运行[1]。有源电力滤波器（Active Power Filter，APF）通过向电网注入与原有谐波和无功电流大小相等方向相反的补偿电流，可以补偿电网的谐波和无功功率、提高电能质量、增强电网的可靠性和稳定性，其良好的滤波性能在国内外引起了广泛关注。[2]
为了滤除开关谐波，通常将L或LC滤波器引入APF中[3]。由于电网阻抗的不确定，L或LC滤波器有时难以获得理想的滤波效果。使用LCL滤波器能够克服由于电网阻抗的不确定性而影响滤波效果这一缺点，可以在较低的开关频率下，获得比L和LC滤波器更优异的性能。同LC滤波器一样，由于LCL滤波器是谐振电路，对系统的稳定性有很大影响，通常需要引入阻尼作用[4]。本文基于电流最大允许脉动、逆变器开关频率和阻尼特性要求，提出了应用在三相并联有源电力滤波器中的LCL滤波器的设计方法，并在详细介绍设计过程的基础上，给出了一个设计实例。通过实验，证明了所设计的LCL滤波器和采用的控制策略的可行性和性能优越性。
二、LCL滤波器设计
（一）并联型APF系统
三相三线制并联型 APF 主电路如图 1 所示。图中，Us为三相电源电压，Ui为逆变器输出电压，is为三相电源电流，iL是由非线性负载引起的负载电流，i2为补偿电流，Cdc和Udc分别表示逆变器直流侧电容的容值与电压值。非线性负载为三相不控整流桥带纯电阻RL负载。L1为逆变桥侧滤波电感，L2是电网侧滤波电感，Cf为滤波电容。
图1三相三线制并联型 APF 系统主电路
下面以我们设计的三相三线制并联型有源电力滤波器样机为例，设计输出LCL滤波器。设计所涉及的系统具体参数如下：系统的额定功率P=66kW；电网基波频率f=50Hz；电网线电压有效值UN=269V；主电路直流侧电容电压Udc=700V；额定输出电流Im=100A；主电路开关管的开关频率fsw=9600HZ；APF需要补偿的谐波次数N=60。根据以上的推导和代入相关参数，设计LCL滤波器参数如下。
（二）设计输出总电感值
并联型APF的补偿性能主要决定于输出补偿电流对于参考电流的跟踪能力，而APF的输出电感值决定了补偿电流的跟踪速度，对其性能有很大影响。在一定的直流母线电压和交流电压条件下，电感值越大，电流的纹波越小，但电感的电流变化率会变小，导致电流跟踪能力减弱，同时电感值的增大也会造成设备成本的增加；反之，电感值越小，电感中电流变化率就越大，APF的动态响应速度就越快，但电流的变化也越剧烈，容易造成系统振荡冲击，工作不稳定。实际应用中，通常在保证补偿性能的前提下，尽量选择较小的电感值。因此，根据补偿电流最大允许纹波条件决定逆变器总电感的取值为：
L总Udc8fswimax=Udc8fsw·20%Im=7008×0.2×9600×100
=0.45mH
其中，imax为开关频率处谐波电流允许的最大脉动，一般取20%的额定输出电流Im。
（三）确定逆变器侧电感L1和网侧电感L2的电感量
·问题探讨·并联型有源电力滤波器输出LCL滤波器的设计已有论文证明，若L1和L2均分总滤波电感量，则滤波器有最佳的滤波效果。考虑到逆变桥纹波电流由L1决定，较高的纹波电流将导致功率模块和电感较大的损耗；而电网侧电感L2过大，会降低APF的动态性能。因此，在谐振频率和无功要求都满足时，L2取值应尽量小。所以，L1比L2应适当取大。通常，为总滤波电感量的60%～70%是较为合理的。综合考虑滤波效果和纹波电流影响，我们取L1和L2的电感量分别为：
L1=0.6L总=0.6×0.45=0.27mH
L2=0.4L总=0.4×0.45=0.18mH
（四）确定滤波电容Cf
电容Cf支路对基波和低频谐波呈现出高阻抗，但是对于高频谐波呈现低阻抗，高次谐波流经电容支路会产生无功电流，注入的无功电流与电容值成正比，导致系统侧功率因数下降；系统的谐波电流衰减比与电容值成反比，电容值越大系统的谐波衰减比越小，但是电容值的增大带来的负面影响是不可忽略的，减小谐波衰减比可以利用其他的参数配置来实现。选取电容的原则是电容值应该选择地尽量小，以保证它带来的影响可以完全忽略。电容的选择与系统的额定功率有关，通常经验上将系统额定功率的百分之五作为滤波电容引起的无功功率的阈值，不超过该阈值即可：
Cf5%P3×2∏fU2N=0.05×660003×2×3.14×50×2692
=48μF
其中，P为系统的额定功率；f为电网基波频率；UN为电网线电压有效值。
另外，滤波电容Cf的取值将影响整个LCL滤波器的谐振频率fres。一方面，要使LCL滤波器取得一定的高频衰减特性，谐振频率fres应足够低，即当总滤波电感一定时，滤波电容Cf在满足无功要求时，应尽量大。另一方面，经过LCL滤波器除了有高频开关谐波外还包括补偿的低次谐波。当fres过小时，低次谐波电流将通过LCL滤波器得以放大，使补偿效果变差。为避免电网电流畸变，fres应该尽量取高值。对于其他场合应用的LCL滤波器，一般要求谐振频率位于10倍基频和一半开关频率之间。但在APF中，这个设计规则显然需要修改，要求谐振频率位于APF补偿的最大谐波频率和一半开关频率之间，谐振频率应尽量靠近开关频率的一半，以保证在高频衰减的同时，避免低次谐波被放大。
Nf=3000Hzfres=12∏L1+L2L1L2Cffres2=4800Hz
其中，N为APF需要补偿的谐波次数；f为电网基波频率；fres为APF开关频率。
由式可得滤波电容Cf的取值范围为10.19μFCf26.08μF。
综上所述，滤波电容取为Cf=15μF。
（五）确定阻尼电阻Rd
当总电感和滤波电容确定之后，LCL滤波器的谐振频率可以确定：
fres=12∏L1+L2L1L2Cf
=16.28×0.45×10-30.27×10-3×0.18×10-3×15×10-6
=4131Hz
阻尼电阻Rd加入滤波电容支路是为了衰减 LCL 滤波器的谐振峰值，降低谐振对系统性能的影响。如果Rd选择过小，抑制系统谐振的能力不足，主要体现在衰减谐振峰值的能力，而且导致系统损耗上升；增大电阻Rd，虽然可以一定程度上减小系统的损耗，但是却带来了对高频段谐波衰减能力降低的弊端，同时也降低了开关谐波的衰减比。一般将Rd选取为谐振频率处电容阻抗：
Rd=12∏fresCf=12×3.14×4131×15×10-6=2.57Ω
根据计算，可将阻尼电阻取值为Rd=2.5Ω。
三、实验结果
为了验证设计的LCL滤波器的有效性，进行了实验研究，系统参数与设计中的一致。非线性负载为三相不控整流桥带纯电阻RL=20Ω负载，直流电压参考值设为700V。APF谐波检测方法为传统瞬时无功功率法，直流侧电压环采用 PI 控制，电流控制采用基于 PI 的SVPWM调制控制策略。[5][6]
图2为未接入 APF 进行谐波补偿时电源电流波形。由图可知，补偿前电源电流发生严重畸变，为非正弦波形，含有大量谐波分量，总的谐波畸变率（THD）为 29.45%。从波形上看，符合三相不控整流带电阻负载的特征。
图2补偿前电源电流波形图3为投入 APF 后稳态时系统的电压和电流波形。由图可看出，APF 直流测电压控制环和电流控制环均能正常工作，APF 直流侧电压很好的稳定在预设的700V，波动很小。APF 输出的补偿电流很好地补偿了系统谐波，电源电流经补偿后接近正弦波，其 THD 值由 29.45% 降至 4.95% ，改善了电源电流质量，达到国标标准。实验结果证明，采用本文所提出的LCL滤波器设计方法和控制策略，APF 能输出谐波补偿电流，同时对开关谐波有很好的滤除效果，使 APF 取得理想的补偿效果。
（a）稳态时负载电流和 APF 直流侧电压（b） 稳态时 APF 输出补偿电流和补偿后的电源电流
图3 稳态时系统的电压和电流实验波形
四、结论
LCL滤波器是一种滤除逆变器开关谐波的有效手段，为了避免LCL滤波器发生电流谐振，通常需要加入阻尼电阻。本文基于电流最大允许脉动、逆变器开关频率和阻尼特性要求，提出了应用在三相并联有源电力滤波器中的LCL滤波器的设计方法，并结合实例详细介绍了设计过程。实验结果证明了所设计的LCL滤波器能有效的抑制开关谐波，保证了APF 的补偿效果。
参考文献：
[1]李战鹰，任震，杨泽明.有源滤波装置及其应用研究综述[J].电网技术，2004，28（22）：40-43.
[2]顾建军，徐殿国，刘汉奎，公茂忠.有源滤波技术现状及其发展[J].电机与控制学报，2003，7（2）：126-132.
[3]武健，何娜，徐殿国. 重复控制在并联有源滤波器中的应用[J].中国电机工程学报，2008，28（18）： 66-72.
[4]雷一，赵争鸣，鲁思兆.LCL滤波的光伏并网逆变器有源阻尼与无源阻尼混合控制[J].电力自动化设备，2012，32（11）：23-27.
[5]王志平，谢运祥，王裕. 基于反馈控制的矩阵整流器研究[J].自动化与信息工程，2013， 34（1）： 34-40.
[6]乐江源，谢运祥，张志，陈林. 三相有源电力滤波器精确反馈线性化空间矢量PWM复合控制[J].中国电机工程学报，2010， 30（15）： 32-39.
Nf=3000Hzfres=12∏L1+L2L1L2Cffres2=4800Hz
其中，N为APF需要补偿的谐波次数；f为电网基波频率；fres为APF开关频率。
由式可得滤波电容Cf的取值范围为10.19μFCf26.08μF。
综上所述，滤波电容取为Cf=15μF。
（五）确定阻尼电阻Rd
当总电感和滤波电容确定之后，LCL滤波器的谐振频率可以确定：
fres=12∏L1+L2L1L2Cf
=16.28×0.45×10-30.27×10-3×0.18×10-3×15×10-6
=4131Hz
阻尼电阻Rd加入滤波电容支路是为了衰减 LCL 滤波器的谐振峰值，降低谐振对系统性能的影响。如果Rd选择过小，抑制系统谐振的能力不足，主要体现在衰减谐振峰值的能力，而且导致系统损耗上升；增大电阻Rd，虽然可以一定程度上减小系统的损耗，但是却带来了对高频段谐波衰减能力降低的弊端，同时也降低了开关谐波的衰减比。一般将Rd选取为谐振频率处电容阻抗：
Rd=12∏fresCf=12×3.14×4131×15×10-6=2.57Ω
根据计算，可将阻尼电阻取值为Rd=2.5Ω。
三、实验结果
为了验证设计的LCL滤波器的有效性，进行了实验研究，系统参数与设计中的一致。非线性负载为三相不控整流桥带纯电阻RL=20Ω负载，直流电压参考值设为700V。APF谐波检测方法为传统瞬时无功功率法，直流侧电压环采用 PI 控制，电流控制采用基于 PI 的SVPWM调制控制策略。[5][6]
图2为未接入 APF 进行谐波补偿时电源电流波形。由图可知，补偿前电源电流发生严重畸变，为非正弦波形，含有大量谐波分量，总的谐波畸变率（THD）为 29.45%。从波形上看，符合三相不控整流带电阻负载的特征。
图2补偿前电源电流波形图3为投入 APF 后稳态时系统的电压和电流波形。由图可看出，APF 直流测电压控制环和电流控制环均能正常工作，APF 直流侧电压很好的稳定在预设的700V，波动很小。APF 输出的补偿电流很好地补偿了系统谐波，电源电流经补偿后接近正弦波，其 THD 值由 29.45% 降至 4.95% ，改善了电源电流质量，达到国标标准。实验结果证明，采用本文所提出的LCL滤波器设计方法和控制策略，APF 能输出谐波补偿电流，同时对开关谐波有很好的滤除效果，使 APF 取得理想的补偿效果。
（a）稳态时负载电流和 APF 直流侧电压（b） 稳态时 APF 输出补偿电流和补偿后的电源电流
图3 稳态时系统的电压和电流实验波形
四、结论
LCL滤波器是一种滤除逆变器开关谐波的有效手段，为了避免LCL滤波器发生电流谐振，通常需要加入阻尼电阻。本文基于电流最大允许脉动、逆变器开关频率和阻尼特性要求，提出了应用在三相并联有源电力滤波器中的LCL滤波器的设计方法，并结合实例详细介绍了设计过程。实验结果证明了所设计的LCL滤波器能有效的抑制开关谐波，保证了APF 的补偿效果。
参考文献：
[1]李战鹰，任震，杨泽明.有源滤波装置及其应用研究综述[J].电网技术，2004，28（22）：40-43.
[2]顾建军，徐殿国，刘汉奎，公茂忠.有源滤波技术现状及其发展[J].电机与控制学报，2003，7（2）：126-132.
[3]武健，何娜，徐殿国. 重复控制在并联有源滤波器中的应用[J].中国电机工程学报，2008，28（18）： 66-72.
[4]雷一，赵争鸣，鲁思兆.LCL滤波的光伏并网逆变器有源阻尼与无源阻尼混合控制[J].电力自动化设备，2012，32（11）：23-27.
[5]王志平，谢运祥，王裕. 基于反馈控制的矩阵整流器研究[J].自动化与信息工程，2013， 34（1）： 34-40.
[6]乐江源，谢运祥，张志，陈林. 三相有源电力滤波器精确反馈线性化空间矢量PWM复合控制[J].中国电机工程学报，2010， 30（15）： 32-39.
Nf=3000Hzfres=12∏L1+L2L1L2Cffres2=4800Hz
其中，N为APF需要补偿的谐波次数；f为电网基波频率；fres为APF开关频率。
由式可得滤波电容Cf的取值范围为10.19μFCf26.08μF。
综上所述，滤波电容取为Cf=15μF。
（五）确定阻尼电阻Rd
当总电感和滤波电容确定之后，LCL滤波器的谐振频率可以确定：
fres=12∏L1+L2L1L2Cf
=16.28×0.45×10-30.27×10-3×0.18×10-3×15×10-6
=4131Hz
阻尼电阻Rd加入滤波电容支路是为了衰减 LCL 滤波器的谐振峰值，降低谐振对系统性能的影响。如果Rd选择过小，抑制系统谐振的能力不足，主要体现在衰减谐振峰值的能力，而且导致系统损耗上升；增大电阻Rd，虽然可以一定程度上减小系统的损耗，但是却带来了对高频段谐波衰减能力降低的弊端，同时也降低了开关谐波的衰减比。一般将Rd选取为谐振频率处电容阻抗：
Rd=12∏fresCf=12×3.14×4131×15×10-6=2.57Ω
根据计算，可将阻尼电阻取值为Rd=2.5Ω。
三、实验结果
为了验证设计的LCL滤波器的有效性，进行了实验研究，系统参数与设计中的一致。非线性负载为三相不控整流桥带纯电阻RL=20Ω负载，直流电压参考值设为700V。APF谐波检测方法为传统瞬时无功功率法，直流侧电压环采用 PI 控制，电流控制采用基于 PI 的SVPWM调制控制策略。[5][6]
图2为未接入 APF 进行谐波补偿时电源电流波形。由图可知，补偿前电源电流发生严重畸变，为非正弦波形，含有大量谐波分量，总的谐波畸变率（THD）为 29.45%。从波形上看，符合三相不控整流带电阻负载的特征。
图2补偿前电源电流波形图3为投入 APF 后稳态时系统的电压和电流波形。由图可看出，APF 直流测电压控制环和电流控制环均能正常工作，APF 直流侧电压很好的稳定在预设的700V，波动很小。APF 输出的补偿电流很好地补偿了系统谐波，电源电流经补偿后接近正弦波，其 THD 值由 29.45% 降至 4.95% ，改善了电源电流质量，达到国标标准。实验结果证明，采用本文所提出的LCL滤波器设计方法和控制策略，APF 能输出谐波补偿电流，同时对开关谐波有很好的滤除效果，使 APF 取得理想的补偿效果。
（a）稳态时负载电流和 APF 直流侧电压（b） 稳态时 APF 输出补偿电流和补偿后的电源电流
图3 稳态时系统的电压和电流实验波形
四、结论
LCL滤波器是一种滤除逆变器开关谐波的有效手段，为了避免LCL滤波器发生电流谐振，通常需要加入阻尼电阻。本文基于电流最大允许脉动、逆变器开关频率和阻尼特性要求，提出了应用在三相并联有源电力滤波器中的LCL滤波器的设计方法，并结合实例详细介绍了设计过程。实验结果证明了所设计的LCL滤波器能有效的抑制开关谐波，保证了APF 的补偿效果。
参考文献：
[1]李战鹰，任震，杨泽明.有源滤波装置及其应用研究综述[J].电网技术，2004，28（22）：40-43.
[2]顾建军，徐殿国，刘汉奎，公茂忠.有源滤波技术现状及其发展[J].电机与控制学报，2003，7（2）：126-132.
[3]武健，何娜，徐殿国. 重复控制在并联有源滤波器中的应用[J].中国电机工程学报，2008，28（18）： 66-72.
[4]雷一，赵争鸣，鲁思兆.LCL滤波的光伏并网逆变器有源阻尼与无源阻尼混合控制[J].电力自动化设备，2012，32（11）：23-27.
[5]王志平，谢运祥，王裕. 基于反馈控制的矩阵整流器研究[J].自动化与信息工程，2013， 34（1）： 34-40.
本次模电课程设计基本上完成了，虽然很累，但我们感到很满足。刚开始的时候，由于我们当时对于滤波电路的理解不是非常的深入，这使得我们在一开始就遇到了一个比较棘手的问题，后来我们终于跳出了思维的枷锁，完全摆脱了这个问题，后来我们也遇到了其他的一些问题，但经过我们长时间的努力，并在老师的指导下终于算是比较圆满的完成了本次模电课程设计。通过本次模电课程设计，我们进一步掌握了有源滤波器，示波器在测试时的主要事项及操作规范，与此同时，了解了滤波器的参数估算方法，掌握了其电路的调试方法，并加深了有源滤波器在实际生活中的实际应用。以multisim为平台分析有源滤波器的电路，使用虚拟示波器等虚拟原件，采用交流分析方法和参数扫描分析方法仿真分析了有源滤波器电路的工作特性，及各元件参数对输入输出特性的影响，并演示了multisim中虚拟仪器及各种分析方法的使用。
经过本次的课程设计，我们解决了许多在实际过程中的问题，同时也学到了很多。我们不仅弄懂了很多以前不太了解的东西，还让我们体会到人与人之间的沟通，团队成员的协作的乐趣，团队需要个人，个人也离不开团队，必须发扬团队协作的精神。除此之外，它让我们明白只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合，从理论中得到结论，才能真正提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。
参考文献
1.《电子线路设计·实验·测试》华中科技大学出版社。
2.《模拟电子技术基础》 康华光 高等教育出版社。
用调制传递函数评价和优化维纳滤波器
为了正确评价维纳滤波器的质量并实现优化,以便获得好的.重构图像,提出采用调制传递函数(MTF)来评价和优化维纳滤波器,得到很好的效果.
作 者：胡家升 田晓东 作者单位：大连理工大学电子与信息工程学院,辽宁,大连,116023刊 名：光电子・激光 ISTIC EI PKU英文刊名：JOURNAL OF OPTOELECTRONICS・LASER年，卷(期)：14(7)分类号：O438关键词：编码孔径 调制传递函数(MTF) 维纳滤波
采用传统速率陀螺稳定平台的导引头角跟踪系统可以直接提取用于比例导引的惯性视线角速率,而采用捷联稳定方案后,天线平台的角跟踪系统失去了直接测定视线角速率的能力,视线角速率需要通过数字计算的方法来提取.同时由于视线的旋转,实际的`角跟踪系统方位和俯仰两个通道之间存在交叉耦合,与速度跟踪系统之间也具有参数耦合关系.针对上述问题,提出双通道耦合目标跟踪滤波器的设计方法,并在考虑与捷联稳定控制系统及速度跟踪系统信息相互融合的情况下,对整个角跟踪系统进行了闭环仿真,对捷联式天线平台角跟踪系统的性能进行了系统的分析.结果表明:角跟踪系统方位与俯仰通道滤波值能很好跟踪真值,提出的设计方法在捷联式天线平台角跟踪系统中的应用是有效的.
作 者：周瑞青 王伟 ZHOU Rui-qing WANG Wei 作者单位：周瑞青,ZHOU Rui-qing(北京航空航天大学电子信息工程学院,北京,100083)
王伟,WANG Wei(北京无线电计量测试研究所,北京,100854)
一有源交流电力滤波器结构
根据接入电网方式分类的各种交流有源滤波器, 见图1。
并联型表现出电流源特性, 向电网注入补偿电流, 抵消谐波源产生的电流谐波, 使电源电流成为正弦波。主要用于补偿电流型谐波源, 如直流侧为阻感负载的整流电路, 也可以补偿三相不对称电流和供电点电压波动。
串联型有源滤波器作为受控电压源输出补偿电压, 用来补偿电压型谐波源 (如电容滤波型整流电路) 或抑制电源电压畸变, 使供电点电压变为理想正弦工频电压。
并联混合型有两种形式:其一是用APF滤除低次谐波, 将无源滤波器选为高通滤波器来补偿较高次谐波, 从而使APF主电路中的器件开关频率降低。由于无源滤波器只补偿了少部分谐波, 所以其对降低APF容量的作用并不明显。其二是用无源滤波器滤除大部分谐波, 用APF改善整个系统的性能, 因此APF的容量很小。
二有源交流电力滤波器工作原理
并联型有源电力滤波器的系统构成框图, 见图2。电源为三相交流电网电源, 非线性负载产生谐波并吸收无功功率。其中is为电源电流, iL为负载电流, iF为补偿电流。并联型有源电力滤波器主要由两部分组成, 即指令电流计算部分和补偿电流发生部分 (电流跟踪控制电路、驱动电路、功率主电路) 。假设电源电压为:
上式中, Us-电源电压有效值流过负载的非正弦电流可以用傅立叶级数展开表示为:
上式中, iL-负载电流瞬时值, I1-基波电流有效值Inn次谐波电流有效值, i1-基波电流瞬时值, ik-谐波电流瞬时值。
关键词：有源电力滤波器 谐波检测 DSP
中图分类号：TN713 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）08（a）-0146-03
随着我国电力电子技术的快速发展，电机、电弧炉、荧光灯、轨道交通设备等各种电力电子装置的应用越来越广泛，导致供电设施和用电设备运行状况恶化，功率因数降低，损耗增加，电能浪费。为了避免谐波的危害，保证较高的供电质量，行之有效的方案就是采用无源电力滤波器和有源电力滤波器对电力系统进行补偿。但由于传统的LC滤波器本身的缺陷，以及有源电力滤波技术的优势和快速发展，使得有源电力滤波器在谐波抑制中的作用越来越明显。与传统LC滤波器相比，APF具有如下优点：动态补偿、响应速度快以及平衡负载等。因此有源电力滤波器能够获得更好的滤波效果，为此该文设计了一种以TMS320F2812 DSP为控制核心的有源电力滤波器装置对电网中的谐波进行动态补偿。
1 系统原理及硬件结构设计
有源电力滤波器的基本原理如图1所示，其基本原理是：首先利用电流互感器检测出电网中的谐波电流，然后根据得到的谐波分量发出PWM信号给IGBT，实时调整IGBT的导通与关断，主电路受驱动电路控制产生与负载中的谐波一致的谐波，对负载产生的谐波进行补偿，从而通过电网电流的谐波分量与补偿电流之间的相互抵消来达到净化电网、节省电能的目的。
本系统主要由控制系统模块和主电路模块组成。
1.1 控制系统模块
控制系统是有源电力滤波器的核心部分，它直接决定了有源电力滤波器的补偿性能的好坏。为了满足有源电力滤波器控制系统实时性和准确性的要求，该文采用了DSP+FPGA为核心的数字化控制系统。该控制系统硬件电路主要由数据采集模块、核心控制模块、通信模块、驱动模块以及保护电路模块等辅助电路组成。该系统的电路框图如图2所示。
数字采集模块的作用是采集电网中的电压、电流等模拟信号。为了提高采样精度，该系统并未采用TMS320F2812内部集成的12位ADC，而是使用了TI公司的ADS8555芯片进行采样。该芯片包含一个6通道、16位逐次逼近型模数转换器，每个通道都包含一个能够完成同步高速多通道采样的采样保持电路。在信号转换中，各个通道是相互独立的，各个通道的转换结果的状态互不影响。6个通道的转换受片内时序控制器控制，每个通道的采样保持放大电路的输出从1至6通道依次进行转换，当所有通道全部转换完成后，系统将产生一个中断信号，对RD引脚依次施加读脉冲信号，以读出内部数据。
核心控制系统模块，主要由一片高性能DSP芯片TMS320F2812和一片FPGA芯片EP3C10E144I8以及相关外围电路组成。其作用是将数据采集模块输出的电压、电流等模拟信号转换为可被计算机处理的数字信号，然后通过一定的控制算法得到补偿电流，接着生成IGBT驱动信号对主电路进行控制。并且其还要根据不同的故障状态产生不同的保护动作，协调系统内部的逻辑、扩展IO接口、简化外围电路等功能。
电流检测电路主要负责利用霍尔传感器对APF输出的补偿电流、负载电流转换到控制系统采样的范围。检测元件采用LEM公司生产的HAX 600-S电流霍尔传感器和LV25-1000电压霍尔传感器，把电网电压及线路电流变成弱电信号，通过调理电路输入ADS8555转换芯片。
隔离驱动模块的作用是将核心控制模块产生的光脉冲信号转换为电脉冲信号，同时经过功放处理后，最终输出PWM信号，实现对逆变主电路IGBT的驱动控制。
硬件保护电路，为了保证有源电力滤波器装置可靠稳定的运行，该装置需要有完善的保护系统。当其发生驱动板过压或欠压、驱动板超温、待补偿负载电流波动太大、IGBT短路等故障时，相应的检测电路检测到故障信号，经过处理后发出报警信号，进而控制有源电力滤波器停止工作，达到其保护作用。
1.2 主电路模块
主电路采用三相电压源型逆变器结构，逆变器输出端经滤波电感与电网连接。如图3所示，其中L1-L3为滤波电感，HAT1-HAT3为霍尔电流传感器，C1-C6为突波电容，C7-C12为直流母线电容，Rz为均压电阻，PT为霍尔电压传感器；由于直流侧电容的电容量较大，当直接合闸充电时，有可能烧坏IGBT开关管等器件，因此要通过并联限流电阻来抑制启动电流，实现对直流侧电容电压的缓慢充电。当直流母线电压达到设定的750V时，核心控制模块发出控制信号，将限流电阻支路短接，使系统进入正常运行状态。
2 软件设计
系统软件主要流程图如图4所示。系统软件主要由主程序和中断子程序组成。中断子程序又包括电流检测、PWM驱动控制、电网频率检测、数据采集等。
3 实验结果
完成系统的设计、搭建后，如图5所示，为对某公司进行谐波治理前后所获得的测试数据。在变压器低压400V母线负载侧并联安装有源电力滤波器，就地补偿光伏逆变器在运行过程中产生的谐波。从图5中可以看出，补偿前电网电流含有大量的谐波成分，经过APF补偿后，电网电流中的大部分谐波被抵消或减少，避免了负载大量的谐波电流注入到电网中，造成对电网电流的污染。
4 结论
该文以TMS320F2812 DSP为核心，搭建了有源电力滤波器系统的硬件结构，并编写了相应的软件程序，完成了谐波电流检测测试和补偿测试。并研究了并联型有源电力滤波系统对供电系统谐波抑制的效果。结果表明本装置具有良好的谐波抑制和无功补偿性能，可以实现谐波污染抑制功能。当前，该有源电力滤波器装置已在一些低压配电系统中投入运行，并取得了良好的运行效果。
参考文献
[1]苏奎峰，吕强.TMS320F2812原理与开发[M].北京：电子工业出版社，2005.
[2]曲学基，曲敬铠.电力电子滤波技术及其应用[M].北京：电子工业出版社，2008.
[3]罗安.电网谐波治理和无功补偿技术及装备[M].北京：中国电力出版社，2006.
[4]杨君，王兆安，邱关源.并联型电力有源滤波器直流侧电压的控制[J].电力电子技术，1996（4）：48-50.
图1有源电力滤波器样机总体结构
在直流侧有源电力滤波器的控制中，选用TI公司的DSP(TMS320C32)作为直流侧有源电力滤波器的控制器的核心，和以前的模拟控制及滤波的方式相比，算法灵活，结构易调整。
1有源电力滤波器原理
通常采用无源滤波器(PassiveFilter，PF)对谐波进行抑制，但无源滤波器存在一些难以克服的缺点：容易与电力系统发生谐振;补偿效果依赖于系统阻抗特性;受温度漂移、电网上谐波污染、滤波电容老化及非线性负荷变化的影响严重。
有源电力滤波器克服了传统的无源滤波器的缺点。由于大功率器件IGBT(InsolatedGateBipolarTransistor，绝缘栅双极型晶体管)的发展，有源电力滤波器和传统的无源滤波器构成的混合型滤波器已成为电力系统谐波补偿的主要手段。
有源电力滤波器和弱电领域的有源滤波器存在区别和联系。有源电力滤波器的作用是消除电力系统谐波，这和弱电领域用DSP或者运算放大器实现的滤波器的滤波功用类似，都是抑制一定频率范围的信号;但是它们消除谐波的途径完全不同，弱电应用中的有源滤波器一般通过对需要的频率分量形成通路，对其它频率分量产生很大的阻碍，起到选出需要的频率分量的作用。而有源电力滤波器是通过产生与电网中谐波成份大小相等、方向相反的谐波电流，注入电网，从而将电网中的谐波抵消掉。简而言之，有源电力滤波器以补偿的手段，达到了滤波的效果。这种结构与算法上的差异是由强电系统自身特别决定的。
有源电力滤波器工作原理是：用电流互感器采集直流线路上的电流，经A/D采样，将所得的电流信号进行谐波分离算法的处理，得到谐波参考信号，作为PWM的调制信号，与三角波相比，从而得到开关信号，用此开关信号去控制IGBT单相桥，根据PWM技术的原理，将上下桥臂的.开关信号反接，就可得到与线上谐波信号大小相等、方向相反的皮电流，将线上的谐波电流抵消掉。这是前馈控制部分。再将有源滤波器接入点后的线上电流的谐波分量反馈回来，作为调节器的输入，调整前馈控制的误差。
需要注意的是，我们前面所说的控制器，实质上具有分离谐波参考信号和对有源电力滤波器进行控制两方面的功能。
