一种有源滤波器中电流传感器噪声抑制电路设计

概述：有源电力滤波器实际运行过程中存在大量实际的噪音干扰，这些干扰严重影响滤波器的工作效果。给出对于有源电力滤波器电流采样回路的分析，分析在高频干扰下可能出现的干扰现象；分析源电力滤波器对于普通并网逆变器的不同点，提出采样回路中低通滤波器设计的重要性和特殊性。并针对这些分析提供了一套切实可行的降低电流采样回路干扰的解决方案，在实际应用中取得了明显的效果改善。

    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：

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：

    当忽略系统内阻时(2)式可写为：

    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。

    各部作用如下：
    (1)传感器。采集电力设备中的各个信号，使之转化为计算机系统所能识别的信号。传感器一般要求精度较高，线性度较好，温漂尽可能小。对于电力系统中的传感器通常对于不同被测目标做如下选型：通常使用变压器(PT)做交流电压信号输入；使用电流互感器或者霍尔传感器做电流输入。
    (2)传输线路。将传感器(互感器)输出的电信号传递给低通滤波电路．一般为导线即可。
    (3)低通滤波器。电力系统中的电压电流信号一般不能直接送到A／D转换器的输入端，同时PWM调制使得逆变器输出中存在调制频率附近的电流信号。这些信号也会被传感器(互感器)送回采样调理回路，而这些高频谐波是应该尽量避免的，因此调理回路当中加入低通滤波器将这些高次谐波滤除并对信号做适当缩放。

3 设 计
    为了使信号能够尽可能地少受到噪音的干扰．需要对以上分析的三个环节做充分的设计。电流互感器和霍尔型电流传感器的选择，电流互感器遵循电磁感应定律只能传递交变信号。而霍尔传感器利用霍尔效应可以传递各类电流信号，由于有源电力滤波器有滤除电流不平衡度的需求，因此需要采集直流分量信号，所以选择霍尔传感器。霍尔传感器按输出方式分为电压和电流型。电压型输出有利于后级运放电路处理，但由于前文所述的噪声信号在导线中体现为电压噪声信号，因此，电压输出型传感器的抗干扰能力很弱。经过试验比较，选择了电流输出型的闭环电流传感器。
    传输线路使用屏蔽线或者双绞线，尽可能使干扰减小．如果使用屏蔽线，屏蔽层要接地(或设备箱体)；如果是双绞线缠绕要均匀，多股线先双绞在相互缠绕，尽可能在结构上使得感应电动势相互抵消。另外，走线尽可能的短，尽量远离电感，走线短是为了减少导线分布电感．远离电感是因为电感是电磁场发生的主要来源，远离电感使得电磁场尽可能小，从而使得在传输线路当中的噪声电动势减小。
    采样调理回路的选择是另一个重点。电流信号中存在着大量PWM调制产生的高次谐波，这些谐波会影响运算，因此这些波形需要被滤除。通用的方法是添加低通滤波器去除谐波。可以选择相应的滤波器的结构，使得幅频特性符合滤波需求。但是对于有源电力滤波器，需要生成的电流不是单一次数的谐波，而是含有不同次数谐波的复合波形。为了真实地复现所需要的波形，必须真实的获得采样信号，但是由于低通滤波器的存在，信号的群延时往往不同，这就使得信号在通过低通滤波器前后不同频率的谐波的延时不同．信号发生了畸变．最终的输出必然会有误差，这个延时可由相频特性反映。但是对于通常的低通滤波电路，考虑的都是滤波器的相频特性，很少提及幅频特性，更不用说群延时。但是在实际的有源电力滤波器中，相频特性同样很重要。相频特性反映到时域中直接体现出滤波器对不同频率信号的延时影响；另外从群延时角度分析相频特性，还需要延时尽可能的低。但是对于低通滤波器而言，幅频特性好意味着截止频率低或者滤波阶数高，但同时延时必然会加大，因此，如何权衡这二者关系是设计的一个问题。延时不单是由电容的增加产生的，还与电路中的分布电容有关。滤波电容的固定之后，需要进一步减小或消除分布电容对电路的影响；分布电容是由元器件的排列引起的。因此合理排列元器件可以尽可能消除分布电容，但是，这是件很难做到的事，故选择一个集成的滤波器对此是最好的选择。本样机选择MAXIM公司集成滤波器MAX275构造滤波电路。
    MAX275是美国MAXIM公司生产的通用型有源滤波器。它内含两个独立的二阶有源滤波电路，可分别同时进行低通和带通滤波，也可通过级联实现四阶有源滤波，中心频率／截止频率可达300 kHz。MAX275无需时钟电路，因此与开关电容滤波器相比，其噪声更低，动态特性更好，能广泛应用于各种精密测试设备、通信设备、医疗仪器和数据采集系统。
    该集成滤波器内部含有电容和电阻，中心频率、品质因素和放大倍数的改变只需改变外围的R1～R4四个电阻就能完成，并且有着很好的相频特性。MAX275集成滤波器内部结构及外部连接如图3所示，其中虚线框内为MAX内部部件，外部为需选择部件。同时MAXIM公司针对MAX275提供了专用设计软件。用户只需输入要求，即可获得相应的电阻阻值选择。

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。

    在此尽力排好信号线，做好屏蔽，缩短信号线，信号线紧密缠绕，并且换了电流输出型霍尔传感器，更改了调理回路，运行有源电力滤波器，补偿效果如图6所示。图6中可明显看到电流波形变的光滑，对称性提高很多，使用仪器分析，发现5次和7次谐波明显下降，同时没有出现其他次数的谐波。因此证明所做改动成功。为使用闭环电流输出型霍尔电流传感器补偿效果。

    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。