基于DSP的混合型有源電力濾波器的設(shè)計(jì)

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(duì)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(shí)，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(duì)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(jí)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(jí)補(bǔ)償?shù)哪康?。這樣，TSF在工頻狀態(tài)時(shí)為無功補(bǔ)償狀態(tài)，全諧振和脫諧時(shí)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(duì)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(jià)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(gè)理想的受控電壓源,諧波源被看作一個(gè)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(shí)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(duì)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(shí)，如果K增大，I_Sh將減小。當(dāng)K值足夠大時(shí)，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(shí)，即U_Sh=0時(shí)，從式(7)可以看出，對(duì)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(gè)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(cè)與控制系統(tǒng)

2.1 諧波及無功電流的檢測(cè)

一般電網(wǎng)電流的組成可描述如下：

式中,i_spf為瞬時(shí)基波有功電流；i_sqf為瞬時(shí)基波無功電流；i_sh為瞬時(shí)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(cè)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(shí)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(shí)檢測(cè)出諧波和無功時(shí)，只需斷開圖4中計(jì)算i_q的通道即可。這樣，由i_pf就可計(jì)算出i_apf、i_bpf、i_cpf，進(jìn)而計(jì)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(cè)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(jì)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(hào)輸入帶通濾波器以濾除檢測(cè)電流電壓時(shí)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(dòng)（畸變、開關(guān)紋波和頻率漂移等）時(shí)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(hào)處理器DSP進(jìn)行FFT分析，然后存儲(chǔ)到一片公用的RAM中，再分析計(jì)算控制對(duì)象的諧波和無功情況并產(chǎn)生控制信號(hào)；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(gè)中斷信號(hào)。因此，在公共連接點(diǎn)電壓的一個(gè)周期內(nèi)將有六個(gè)間隔60°的一個(gè)脈沖序列從該電路輸入到DSP系統(tǒng)作為中斷信號(hào)。每來一個(gè)中斷，公共連接點(diǎn)處的電壓電流就被檢測(cè)一次，這樣就滿足了控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)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(dòng)作。

2.3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)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(duì)上述設(shè)計(jì)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(shí)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(shí)投入TSF和APF后的網(wǎng)側(cè)電流波形，由圖可以看出，此時(shí)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(duì)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(duì)文中的設(shè)計(jì)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(jià)值。