2025-B题国一-单相有源电力滤波实验装置

一、团队介绍

我来自武汉理工大学力学系，另外两个队友来自机电学院和信息学院。虽然我们来自不同的学院，但都对电子设计与实践充满热情。这是我们第一次参加电赛，有幸获得2025年全国大学生电子设计竞赛B题的国家一等奖。

二、题目要求

要求

• 基本要求1：设计并制作如图2所示非线性负载电路。要求在 K_D、K_C 不同状态下，输出直流电流 I_O 的最大值均 ≥2A。（测试条件：K_F1、K_F2 断开，K_LF 闭合，APF 不接入）

• 基本要求2：装置能够检测变压器副边电压 u_S 及 K_D、K_C 不同状态下的负载电流 i_L，并能同步显示 u_S 和 i_L 的波形；能够测量并显示 i_L 的有效值 I_LRMS，测量相对误差 ≤5%。（测试时 I_O=2A）

• 基本要求3：装置能够测量 K_D、K_C 不同状态下负载电流 i_L 的谐波含有率 H_i（i 为谐波次数），并显示 H₂~H₅（保留 1 位小数）；其中含量最高的谐波含有率 H_mL 测量误差绝对值 ≤3%。（测试时 I_O=2A）

• 发挥部分1：APF 上电，K_F1、K_F2 保持断开，K_LF 闭合。在 K_D、K_C 不同状态下，要求 i_F 的有效值 I_FRMS ≥0.1A，且 f_F 与 i_L 中含量最高谐波的频率 f_m 偏差 ≤1Hz。（测试时 I_O=2A）

• 发挥部分2：K_F1、K_F2 合上，K_LF 断开，接入 APF。在 K_D、K_C 断开条件下，要求 i_S 中对应 i_L 含量最高的谐波含有率 H_mS ≤5%。

• 发挥部分3：K_F1、K_F2 合上，K_LF 断开，接入 APF。在 K_D、K_C 闭合条件下，要求 i_S 中对应 i_L 含量最高的谐波含有率 H_mS ≤5%。

• 发挥部分4：K_F1、K_F2 合上，K_LF 断开，接入 APF。在 K_D、K_C 闭合条件下，要求 i_S 的总谐波畸变率 THD ≤5%。

• 发挥部分5：其他。

三、设计摘要

本系统以 STM32G474 单片机为控制核心，采用基于自适应重复控制算法的单相并联型有源电力滤波器（APF）设计。前级通过霍尔传感器与信号调理电路将电网电流变换至 STM32 片内 ADC 采集范围，利用 ADC 对负载电流及 APF 电流进行采样；自适应RC 控制器在离散域内以基波周期为延迟单元，实现对所有整数次谐波的无静差跟踪。实验结果表明，在电网电压 24 V/50 Hz、二极管半波整流以及二极管-电容全波整流负载，的条件下，系统可在快速建立稳态补偿。本系统实现了负载电压电流波形显示、负载电流有效值测量、负载电流谐波含有率测量、以及 APF 有源滤波的功能。各项指标符合设计要求。

四、题目分析

通过对题目的分析，注意到最难实现的APF被放在了发挥部分，而基本要求的中主要是完成2、3问。在电压电流绘制以及谐波电流的测量时，由于电流可能存在直流分量，电流测量不能使用电流互感器，同时为了测量高次谐波，电流传感器的带宽也有一定要求。总的来说基础部分的几问还是比较好拿分的。发挥部分的谐波电流补偿，本质上是把输入侧本应输出的谐波分量转由给APF输出，这样输入部分只用输出基波，达到滤除谐波的目的。不难猜到，发挥部分基波电流的目标值来自基本要求中对电流基波分量的测量，也是环环相扣了。

对于电流闭环控制器的设计，为了对各阶的谐波电流进行零静差的跟踪，需要控制器对反馈的误差电流有无穷大增益（先不考虑相位问题引起的振荡）。常见的PI控制器对直流误差有无穷大增益，准PR控制器在谐振点有可观增益。并联多个谐振器的多谐比例控制器，理论上在并联足够多谐振器的情况下可以满足我们的需求，但实际使用时我们发现MCU有点算不过来了，只好寻求他法。重复控制RC相当于有无穷个谐振器的MPR，器谐振点正好是控制周期的整数倍，能比较好的契合我们的需求，于是我们选择了它。实际使用中电网频率波动也会影响重复控制的效果，需要实时测量电网频率调整控制周期。为了抑制相位问题产生的高频振荡，需要设计合适的补偿器，个人认为这是发挥部分最关键的地方。

五、总体设计框图

六、硬件电路组成

1.电压电流采样电路

为此我们决定使用高带宽的霍尔电流传感器，不仅能测量直流分量，也满足隔离的需求。得益于电流传感器的精度，测量的数据即使不做任何处理，直接进行RMS、谐波分量的计算便可得到相当精准的结果。电压采样使用 ZMPT101B 电压互感器初级与次级绕组比位 1:1，通过调节分压电阻大小改变采样衰减；电流采样基于 CKSR 系列霍尔电流传感器（200kHz 带宽）采集电流，对比一般的电流互感器采集，其频率响应更加平坦，有效捕捉谐波信号，非常适合本系统。由于传感器输出电压信号范围为 0-5V，通过基于 OPA2350 搭建的差分放大器衰减至 0-3.3V 范围，给单片机采样。

2.半桥模块

本次 APF 使用全桥逆变拓扑，开关管选用 IPD082N10N3G，100V 耐压，优秀的通态电阻与较低的栅极电容。MOSFET 栅极驱动使用 UCC21520 隔离驱动，通过隔离模块供电，其通过外接二极管与电容可实现上管自举驱动。在40kHz开关频率下驱动功IPD082N10N3G绰绰有余。功率管并联 60V 的双向 TVS 二极管，吸收尖峰电压，保护开关管。考虑到 APF 工作原理，逆变器在一个工频周期内可能存在反向吸收电流的情况，为了防止电压倒灌，需要在母线上并联电容吸收倒灌电流。

栅极驱动的隔离电源是常见的海凌科隔离电源，参考图片如下购买链接给个参考：https://e.tb.cn/h.hzFeASSwpowLM2s?tk=To154KVAqfY MF937 「B0505S-1WR3海凌科电源隔离DCDC模块5V转3V5V12V24V直流SIP封装UL」模块很多地方能够购买，不必指定一家

这个是我们使用的APF使用的滤波电感，直接购买的成品2mH的链接： https://e.tb.cn/h.hzszlGZIrUWlxBi?tk=SmPN4KfA6PM CZ356 「27MM-1/2/3.5MH 10MH 270125铁硅铝环形电感 储能PFC SPWM滤波6A」。当然也可以自己购买磁环手绕，也是没有问题的

使用的无感吸收电容链接如下：https://e.tb.cn/h.hARmy0m7OLOP4PE?tk=dSTb4KfzU8I HU108 「无感吸收电容 MKP 100V10UF 100V106J 轴向 EACO加拿大 原装 进口」。由于吸收电容的工作特性，决定了电容是ESL越小越好，这里推荐尽量使用专用的无感吸收电容

3.辅助供电

使用LM5164芯片制作的宽输入电压（最高100V）的BUCK降压电路，完全能够应对本题从48V直流取电的场景。

4.MCU系统板

本次使用的MCU系统板分核心板与下板，由我们自己绘制，主控芯片为STM32G474。上下板连接器使用的NGFF M-Key插槽连接，仅仅使用了插槽的物理接口，请不要将其他使用该接口的硬盘或者其他设备插入底板，或者将核心板插入其他设备的接口，以免造成不必要的损失。

七、程序流程图

八、实物展示

主体电路（不含非线性负载）

背面走线

电压电流波形显示

九、注意事项

• 断开/接入APF时请切断供电
• 断开APF时请接上R_LF
• 选取开关器件请留出一定余量

十、演示视频

演示视频已上传附件
另外也可以看看我B站的分享视频https://www.bilibili.com/video/BV1QRYmzdEQQ/?vd_source=36980609bde39cf532aa8e2650fe0513

十一、附件内容

附件一：B题题目
附件二：B题源码
附件三：演示视频1
附件四：演示视频2