有源電力濾波器(Active Power Filter，APF)作為一種用于動(dòng)態(tài)抑制諧波的電力電子裝置，其能夠同時(shí)補(bǔ)償多次諧波電流，能實(shí)時(shí)控制、自動(dòng)跟蹤非線(xiàn)性電流并加以控制，有較快的動(dòng)態(tài) 響應(yīng)速度，且具有改善三相不平衡度的優(yōu)點(diǎn)。

一、無(wú)差拍 SVPWM 的有源濾波器設(shè)計(jì)

有源電力濾波器作為一種用于動(dòng)態(tài)抑制諧波的電力電子裝置，其能夠同時(shí)補(bǔ)償多次諧波電流，能實(shí)時(shí)控制、自動(dòng)跟蹤非線(xiàn)性電流并加以控制，有較快的動(dòng)態(tài) 響應(yīng)速度，且具有改善三相不平衡度的優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于有源濾波器諧波電流檢測(cè)與補(bǔ)償電流的發(fā)生是其極為關(guān)鍵的技術(shù)。

有源電力濾波器的電流控制一般采用PWM(PulseWidth Modulation)模式，目前常用的 PWM控制方式有滯環(huán)電流控制(Current Follow Pulse Width Modulation，CFPWM)、三角波電流控制(ΔPulse Width Modulation，ΔPWM) 和 電 壓 空 間 矢 量 脈 寬 調(diào) 制 (Space Vector PulseWidthModulation，SVPWM)三種技術(shù)。對(duì)于 SVPWM 其控制方法的優(yōu)點(diǎn)主要在于：提高逆變器直流側(cè)電壓的利用率，減小開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)頻率以及減少諧波成分，而且此方法更易實(shí)現(xiàn)數(shù)字化。因此，逆變電路控制常采 用此種方法。在 APF 的應(yīng)用中，SVPWM 常與滯環(huán)比較，PI調(diào)節(jié)器以及無(wú)差拍等結(jié)合應(yīng)用。本文采用無(wú)差拍 SVP-WM 控制策略，對(duì) APF 的電流進(jìn)行補(bǔ)償控制，以獲得較好的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償效果。

1 .電力有源濾波器諧波檢測(cè)方法

有源濾波器的諧波電流檢測(cè)方法由時(shí)域和頻域檢測(cè)法構(gòu)成。時(shí)域檢測(cè)法主要分為：有功電流分離法和基于瞬時(shí)無(wú)功功率原理的 p-q 法，ip-iq 法以及 d-q 法等。頻域檢測(cè)法主要有 FFT法和諧波濾波器法等。

對(duì)于本文研究主要是采用 ip-iq 法來(lái)對(duì)電力有源濾波器進(jìn)行分析研究，由圖1可看出其原理。圖中虛線(xiàn)框內(nèi)為直流側(cè)電壓反饋控制部分，正余弦信號(hào) sin ωt 和-cos ωt 由鎖相環(huán) PLL 發(fā)生電路產(chǎn)生。其中 sin ωt 與 a 相輸入電壓 ua 同相;逆變電路直流側(cè)電壓的給定值為 Ucr，Ucf 是反饋值，將這兩路信號(hào)之差經(jīng)過(guò) PI 調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié)，所得到的Δip 疊加到瞬時(shí)有功電流的直流分量中，經(jīng)過(guò)運(yùn)算得出指令電流 ih 中所含基波有功電流，從而令 APF 直流側(cè)與交流側(cè)進(jìn)行能量互換，從而將 Uc 調(diào)整到給定值。對(duì)于電力有源濾波器而言，濾波器逆變器直流側(cè)信號(hào)與交流側(cè)信號(hào)的 能量交換是本文研究的關(guān)鍵。

2. 無(wú)差拍控制簡(jiǎn)介

SVPWM 控制是用指令電流 ic*(k) 代替補(bǔ)償電流 ic*(k+1)使 k 時(shí)刻的補(bǔ)償電流在 k+1時(shí)刻完全跟蹤上指令電流，但這樣會(huì)存在一拍的滯后。而基于 SVPWM 的無(wú)差拍控制則在 k 時(shí)刻預(yù)測(cè)出 k+1時(shí)刻的指令電流值，并以此代替補(bǔ)償電流，最后通過(guò) SVPWM 控制算法產(chǎn)生PWM 脈沖信號(hào)以控制變流器開(kāi)關(guān)器件的通斷，從而使每一時(shí)刻輸出的補(bǔ)償電流等于其指令電流，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)控制。無(wú)差拍 SVPWM 的控制原理如圖2所示。

二、LTCC 低通濾波器的設(shè)計(jì)

LTCC 濾波器的設(shè)計(jì)通常是基于經(jīng)典濾波器設(shè)計(jì)理論，從結(jié)構(gòu)上講，主要有兩種結(jié)構(gòu)，一種是采用傳統(tǒng)的 LC 諧振單元結(jié)構(gòu)，諧振單元由集總參數(shù)的電容電 感組成，另一種是采用多層耦合帶狀線(xiàn)結(jié)構(gòu)。本文所設(shè)計(jì)的低通濾波器采用第一種集總參數(shù)形式，理想化低通濾波器電路原理圖如圖3所示。

本文設(shè)計(jì)的LTCC濾波器中的集總參數(shù)的電容和電感通過(guò) LTCC多層陶瓷集成在陶瓷基板內(nèi)部。LTCC 內(nèi)埋植電容的設(shè)計(jì)一般采用兩種方式：垂直交指 型(VIC)電容和金屬-介質(zhì)-金屬(MIM)電容。本文設(shè)計(jì)的濾波器的內(nèi)埋置電容元件采用垂直交指型(VIC)電容，在相同電容量的情況下，VIC 結(jié)構(gòu)電容相比 MIM 結(jié)構(gòu)電容能夠大大減小端電極面積，從而有效減小濾波器尺寸。

LTCC 內(nèi)埋電感有平面螺旋電感、堆棧螺旋電感、多層螺旋電感等方式，如圖 3所示，本文設(shè)計(jì)的低通濾波器內(nèi)埋植電感元件采用多層螺旋結(jié)構(gòu)的電感，在相同的有效電感值下此結(jié)構(gòu)比平面螺旋式、堆棧螺旋式等結(jié)構(gòu)具有更高的自諧振頻率和品質(zhì)因子。

模擬示波器與數(shù)字示波器的區(qū)別

示波器是一種用途十分廣泛的電子測(cè)量?jī)x器。它能把肉眼看不見(jiàn)的電信號(hào)變換成看得見(jiàn)的圖象，便于人們研究各種電現(xiàn)象的變化過(guò)程。利用示波器能觀(guān)察各種不同信號(hào)幅度隨時(shí)間變化的波形曲線(xiàn)，還可以用它測(cè)試各種不同的電量，如電壓、電流、頻率、相位差、調(diào)幅度等等。

示波器可以分為模擬示波器和數(shù)字示波器。

模擬示波器

模擬示波器的工作方式是直接測(cè)量信號(hào)電壓，并且通過(guò)從左到右穿過(guò)示波器屏幕的電子束在垂直方向描繪電壓。

數(shù)字示波器

數(shù)字示波器的工作方式是通過(guò)模擬轉(zhuǎn)換器(ADC)把被測(cè)電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息。數(shù)字示波器捕獲的是波形的一系列樣值，并對(duì)樣值進(jìn)行存儲(chǔ)，存儲(chǔ)限度是判斷累計(jì)的樣值是否能描繪出波形為止，隨后，數(shù)字示波器重構(gòu)波形。

一、模擬和數(shù)字，各有千秋

二十世紀(jì)四十年代是電子示波器興起的時(shí)代，雷達(dá)和電視的開(kāi)發(fā)需要性能良好的波形觀(guān)察工具，帶寬100MHz的同步示波器開(kāi)發(fā)成功，這是近代示波器的基礎(chǔ)。五十年代半導(dǎo)體和電子計(jì)算機(jī)的問(wèn)世，促進(jìn)電子示波器的帶寬達(dá)到100MHz。六十年代美國(guó)、日本、英國(guó)、法國(guó)在電子示波器開(kāi)發(fā)方面各有不同的貢獻(xiàn)，出現(xiàn)帶寬6GHz的取樣示波器、帶寬6GHz的多功能插件式示波器標(biāo)志著當(dāng)時(shí)科學(xué)技術(shù)的高水平，為測(cè)試數(shù)字電路又增添邏輯示波器和數(shù)字波形記錄器。模擬示波器從此沒(méi)有更大的進(jìn)展，開(kāi)始讓位于數(shù)字示波器，英國(guó)和法國(guó)甚至退出示波器市場(chǎng)，技術(shù)以美國(guó)領(lǐng)先，中低檔產(chǎn)品由日本生產(chǎn)。

模擬示波器要提高帶寬，需要示波管、垂直放大和水平掃描全面推進(jìn)。數(shù)字示波器要改善帶寬只需要提高前端的A/D轉(zhuǎn)換器的性能，對(duì)示波管和掃描電路沒(méi)有特殊要求。加上數(shù)字示波管能充分利用記憶、存儲(chǔ)和處理，以及多種觸發(fā)和超前觸發(fā)能力。廿世紀(jì)八十年代數(shù)字示波器異軍突起，成果累累，大有全面取代模擬示波器之勢(shì)，模擬示波器的確從前臺(tái)退到后臺(tái)。

但是模擬示波器的某些特點(diǎn)，卻是數(shù)字示波器所不具備的：

操作簡(jiǎn)單——全部操作都在面板上，波形反應(yīng)及時(shí)，數(shù)字示波器往往要較長(zhǎng)處理時(shí)間。

垂直分辨率高——連續(xù)而且無(wú)限級(jí)，數(shù)字示波器分辨率一般只有8位至10位。

數(shù)據(jù)更新快——每秒捕捉幾十萬(wàn)波形，數(shù)字示波器每秒捕捉幾十個(gè)波形。

實(shí)時(shí)帶寬和實(shí)時(shí)顯示——連續(xù)波形與單次波形的帶寬相同，數(shù)字示波器的帶寬與取樣率密切相關(guān)，取樣率不高時(shí)需借助內(nèi)插計(jì)算，容易出現(xiàn)混淆波形。

簡(jiǎn)而言之，模擬示波器為工程技術(shù)人員提供眼見(jiàn)為實(shí)的波形，在規(guī)定的帶寬內(nèi)可非常放心進(jìn)行測(cè)試。人類(lèi)五官中眼睛視覺(jué)十分靈敏，屏幕波形瞬間反映至大腦作出判斷，微細(xì)變化都可感知。因此，模擬示波器深受使用者的歡迎。

二、數(shù)字示波器獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷

八十年代的數(shù)字示波器處在轉(zhuǎn)型階段，還有不少地方要改進(jìn)，美國(guó)的TEK公司和HP公司都對(duì)數(shù)字示波器的發(fā)展作出貢獻(xiàn)。它們后來(lái)甚至停產(chǎn)模擬示波器，并且只生產(chǎn)性能好的數(shù)字示波器。進(jìn)入九十年代，數(shù)字示波器除了提高帶寬到1GHz以上，更重要的是它的全面性能超越模擬示波器。出現(xiàn)所謂數(shù)字示波器模擬化的現(xiàn)象，換句話(huà)說(shuō)，盡量吸收模擬示波器的優(yōu)點(diǎn)，使數(shù)字示波器更好用。

數(shù)字示波器首先在取樣率上提高，從最初取樣率等于兩倍帶寬，提高至五倍甚至十倍，相應(yīng)對(duì)正弦波取樣引入的失真也從100%降低至3%甚至1%。帶寬1GHz的取樣率就是5GHz，甚至10GHz。

其次，提高數(shù)字示波器的更新率，達(dá)到模擬示波器相同的水平，最高可達(dá)每秒40萬(wàn)個(gè)波形，對(duì)觀(guān)察偶發(fā)信號(hào)和捕捉毛刺脈沖就方便多了。

對(duì)于大多數(shù)的電子應(yīng)用，無(wú)論模擬示波器和數(shù)字示波器都是可以勝任的，只是對(duì)于一些特定的應(yīng)用，由于模擬示波器和數(shù)字示波器所具備的不同特性，才會(huì)出現(xiàn)適合和不適合的地方。每一步示波器，都會(huì)有一定的特點(diǎn)，也有些不足之處，在選擇型號(hào)時(shí)應(yīng)留意對(duì)比。