基于DSP的混合型有源電力濾波器的設(shè)計

隨著工業(yè)電力電子技術(shù)的發(fā)展，電力系統(tǒng)的諧波抑制和無功補(bǔ)償問題越來越受到人們的廣泛關(guān)注。傳統(tǒng)的諧波抑制手段是在電網(wǎng)中加裝無源電力濾波器PPF(Passive Power Filter),利用電感、電容的諧振特性，在阻抗分流回路中形成低阻抗支路，從而減小非線性負(fù)載向電網(wǎng)注入諧波電流。但無源濾波支路的存在只能對特定次諧波進(jìn)行濾除、易與電網(wǎng)發(fā)生串聯(lián)諧振等缺點(diǎn)，因而逐漸被有源電力濾波器APF(Active Power Filter)所取代^[1]。有源電力濾波器雖能克服無源電力濾波器存在的缺陷，但其安裝容量受開關(guān)器件容量的限制，當(dāng)所需處理的諧波和無功電流較大時，由逆變器實(shí)現(xiàn)的技術(shù)難度和成本都將增加，從而限制了有源電力濾波器在大型供配電系統(tǒng)中的應(yīng)用。

基于無源濾波器和有源濾波器的優(yōu)點(diǎn)，將LC無源濾波器和有源濾波器結(jié)合起來形成一種混合型有源電力濾波器HAPF(Hybrid Active Power Filter),取兩者之長、補(bǔ)其之短，把無功補(bǔ)償和諧波抑制融為一體是一種完美的構(gòu)想。但目前人們所提出的混合型有源電力濾波器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)仍有不足之處。本文即針對目前常見的一種混合型有源電力濾波器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)。

1 主電路結(jié)構(gòu)和原理

1．1 主電路結(jié)構(gòu)

目前常用的一種混合型濾波器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其工作原理可參考文獻(xiàn)[2]。

該電路拓?fù)淇赏ㄟ^控制晶閘管的開通和關(guān)閉來調(diào)整晶閘管投切濾波器TSF（thyristor switched filter）的結(jié)構(gòu)，使得能量較大的低次諧波和無功功率主要由TSF補(bǔ)償，APF主要作用是抑制剩余諧波，并改善TSF的濾波器特性。實(shí)際上，采用如圖1所示的有源電力濾波器，將由于變壓器的耦合作用，使所有的基波無功電流都流過有源電力濾波器。這樣就迫使逆變器所需求的容量大大增加，必然增加逆變器實(shí)現(xiàn)的技術(shù)難度和成本，從而限制了有源電力濾波器在大型供配電系統(tǒng)中的應(yīng)用。

為了進(jìn)一步降低有源電力濾波器的容量，可以在并聯(lián)混合型有源電力濾波器的基礎(chǔ)上結(jié)合它的注入電路方式將主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)加以改進(jìn)，改進(jìn)后的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。它將逆變器的輸出電壓通過變壓器耦合到無源濾波器的3次、5次、7次濾波支路的電感和電容兩端。因?yàn)楦鶕?jù)大量諧波源的頻譜分析可知，諧波源能量主要集中在較低次諧波頻率上，電力系統(tǒng)中諧波電流主要是由5次、7次的諧波濾波器來配置，其次是3次、11次、13次的諧波濾波器^[3]，故本文TSF部分的電感和電容參數(shù)的選擇按照無功功率補(bǔ)償?shù)男枰?，?次、5次和7次諧波濾波器來配置，可以組成多級補(bǔ)償狀態(tài)，根據(jù)負(fù)荷無功電流的大小，由晶閘管投切來達(dá)到分級補(bǔ)償?shù)哪康?。這樣，TSF在工頻狀態(tài)時為無功補(bǔ)償狀態(tài)，全諧振和脫諧時為濾波狀態(tài)，既可以補(bǔ)償又可以濾除諧波。 圖2中，C₃₁、C₃₂和L₃組成的LC濾波支路調(diào)諧在3次諧波頻率，而L₃和C₃₂調(diào)諧在基波頻率。這樣，利用L₃和C₃₂對基波諧振的特性，使有源電力濾波器既不承受基波電壓也不承受基波電流，從而極大地減小了有源電力濾波器的容量，降低了有源諧波補(bǔ)償系統(tǒng)的投資，提高性能價格比，達(dá)到APF實(shí)用化的目的。5次和7次諧振支路的補(bǔ)償原理與3次諧振支路相同。

1．2 濾波原理分析

圖2中的并聯(lián)混合型有源電力濾波器的單相等效電路如圖3(a)所示。這里假設(shè)有源電力濾波器是一個理想的受控電壓源,諧波源被看作一個電流源I_L。圖中,C₃₁、C₃₂和L₃分別為無源濾波器3次支路上的電容和電感。圖3(b)為只考慮電網(wǎng)諧波電流分量時的單相等效電路圖。Z_S、Z_FC、Z_FL、Z_L分別為電網(wǎng)阻抗、電容C₃₁的阻抗、C₃₂和L₃的串聯(lián)阻抗（呈感性）、5次和7次濾波支路總的等效阻抗（對高次諧波呈感性）。由圖3(b)并根據(jù)基爾霍夫定律可寫出如下方程：

從(6)式可以看出，當(dāng)I_Lh、U_Sh為定值時，如果K增大，I_Sh將減小。當(dāng)K值足夠大時，大部分負(fù)載諧波將流入無源濾波器，達(dá)到了很好的濾波效果。而且，當(dāng)不考慮系統(tǒng)電壓畸變引起的諧波電流時，即U_Sh=0時，從式(7)可以看出，對于I_Sh而言，圖3(a)和圖3(c)是等效的。由圖3(c)可以看出，這相當(dāng)于在電網(wǎng)支路中串聯(lián)了一個純電阻K，因此，必然有更多的諧波電流流入無源濾波器。如果K>>|Z_FC|，則由負(fù)載產(chǎn)生的諧波電流將流入LC濾波器；如果K>>|Z^′_S|，則濾波特性由K決定。此外，K還起到阻尼Z^′_S和Z_F并聯(lián)諧振的作用。

2 基于DSP的檢測與控制系統(tǒng)

2.1 諧波及無功電流的檢測

一般電網(wǎng)電流的組成可描述如下：

式中,i_spf為瞬時基波有功電流；i_sqf為瞬時基波無功電流；i_sh為瞬時總諧波電流。除i_spf外，i_sqf和i_sh應(yīng)設(shè)法消除。如果能檢測出i_s和i_spf，則i_sqf與i_sh之和可以由i_sqf+i_sh=i_s-i_spf算出^[3]。

按照瞬時無功功率理論，i_p、i_q和三相電流i_a、i_b、i_c有如下關(guān)系：

經(jīng)低通濾波器后得到基波電流i_pf、i_qf，經(jīng)過逆運(yùn)算得出三相基波電流i_af、i_bf、i_cf：

再與i_a，i_b，i_c相減，即可得到諧波電流i_ah、i_bh、i_ch。其算法原理如圖4所示。

圖中，

同時檢測出諧波和無功時，只需斷開圖4中計算i_q的通道即可。這樣，由i_pf就可計算出i_apf、i_bpf、i_cpf，進(jìn)而計算出i_a、i_b、i_c的諧波分量和基波無功分量之和i_ad、i_bd、i_cd^[2]。

2.2 控制系統(tǒng)的硬件組成及原理

該混合型有源電力濾波器的檢測控制部分硬件主要由以下幾部分組成：(1)電流電壓采樣電路；(2)帶通濾波器；(3)過零比較中斷發(fā)生部分；(4)DSP計算控制器。其原理圖如圖5所示。

將由電流電壓采樣電路采集得到的信號輸入帶通濾波器以濾除檢測電流電壓時出現(xiàn)的噪聲和畸變。帶通濾波器的中心頻率設(shè)置在50Hz，它是AF系統(tǒng)在公共連接點(diǎn)處存在電壓擾動（畸變、開關(guān)紋波和頻率漂移等）時仍能正常工作所必需的。帶通濾波器的輸出分為兩路，一路經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送入數(shù)字信號處理器DSP進(jìn)行FFT分析，然后存儲到一片公用的RAM中，再分析計算控制對象的諧波和無功情況并產(chǎn)生控制信號；另一路則送入過零比較中斷發(fā)生電路，該電路用來每間隔60°產(chǎn)生一個中斷信號。因此，在公共連接點(diǎn)電壓的一個周期內(nèi)將有六個間隔60°的一個脈沖序列從該電路輸入到DSP系統(tǒng)作為中斷信號。每來一個中斷，公共連接點(diǎn)處的電壓電流就被檢測一次，這樣就滿足了控制系統(tǒng)實(shí)時性的要求。DSP（采用內(nèi)含PWM產(chǎn)生電路的TMS320F2812）的輸出控制TSF和APF的動作。

2.3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

控制系統(tǒng)軟件設(shè)計圖如圖6所示。

3 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在MATLAB/SIMULINK中利用Power Systems工具箱并結(jié)合S-Function等模塊構(gòu)建仿真模型對上述設(shè)計進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。仿真所得a相電流波形如圖7所示。圖7（a）是未投入濾波器時網(wǎng)側(cè)電流波形，從圖中可以看出波形畸變嚴(yán)重；圖7(b)是只投入TSF后的網(wǎng)側(cè)電流波形，從圖中可以看出諧波明顯減少，但仍存在少量畸變，濾波效果不佳；圖7（c）是有源濾波器輸出的補(bǔ)償電流波形；圖7（d）是同時投入TSF和APF后的網(wǎng)側(cè)電流波形，由圖可以看出，此時網(wǎng)側(cè)電流波形已經(jīng)接近于正弦波，取得了良好的補(bǔ)償效果。

本文對目前常見的有源濾波器與無源濾波器串聯(lián)構(gòu)成的混合型有源電力濾波器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)存在的不足做了改進(jìn)，詳述了改進(jìn)后的濾波器的工作原理。并針對文中的設(shè)計思想構(gòu)建了仿真模型，仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，改進(jìn)后的濾波器具有更好的濾波性能、有源部分承受的容量大大減小，更適合于應(yīng)用在大型供、配電系統(tǒng)中，具有良好的工程推廣價值。