基于數(shù)字信號(hào)處理器的有源濾波裝置研究new

1、基于數(shù)字信號(hào)處理器的電力有源濾波裝置研究摘要：論文分析了諧波引起的原因及補(bǔ)償方法，然后介紹了有源電力濾波器的工作原理。在此基礎(chǔ)上，給出了基于數(shù)字信號(hào)處理器的電力有源濾波器裝置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制算法，最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了方案的可行性。關(guān)鍵詞：電力有源濾波器；數(shù)字信號(hào)處理器；瞬時(shí)無(wú)功功率Power Active Filter Device Research Based on Digital Abstract: The paper analyzes the causes and compensation methods of harmonic, and introduces working princi

2、ple of active power filter. On the basis, The paper provides system construction and control algorithm of power active filter device based on digital signal processor. Finally, We validate feasibility of the program by experiment.Keywords: Power Active Filter; Digital Signal Processor; Instantaneous

3、 Reactive Power.一、 概述隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，大量非線性電力電子設(shè)備在現(xiàn)代工業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用，這些設(shè)備的運(yùn)行使得電網(wǎng)中電壓和電流波形畸變?cè)絹?lái)越嚴(yán)重。在能源日益緊張、環(huán)境日益被重視的今天，如何抑制電量波形畸變，通過(guò)抑制與補(bǔ)償優(yōu)化電量波形，從而提高電能質(zhì)量、降低電能損耗是目前供用電系統(tǒng)的客觀需要。解決電能質(zhì)量問(wèn)題，補(bǔ)償系統(tǒng)無(wú)功和抑制諧波的主要設(shè)備是無(wú)源濾波器（PF）和有源濾波器（APF），雖然無(wú)源濾波器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)備投資少和運(yùn)行費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，但是只能濾除特定諧波、濾波效果受電網(wǎng)參數(shù)影響、容易與系統(tǒng)阻抗發(fā)生串并聯(lián)諧振、消耗大量金屬、占地面積大。與無(wú)源濾波器相比，有源濾波器補(bǔ)

4、償特性和濾波性能不受系統(tǒng)阻抗和電網(wǎng)頻率偏移影響、能夠進(jìn)行動(dòng)態(tài)治理、具備多種補(bǔ)償功能、可對(duì)多個(gè)諧波源進(jìn)行集中治理、不發(fā)生串并聯(lián)諧振、濾波和補(bǔ)償性能和效果好，是一項(xiàng)值得極力推廣的實(shí)用技術(shù)。傳統(tǒng)的有源電力濾波器的控制系統(tǒng)主要是模擬控制系統(tǒng)、其缺點(diǎn)是參數(shù)容易變動(dòng)，補(bǔ)償效果會(huì)隨系統(tǒng)參數(shù)變化而變差。近年來(lái)隨著微電子技術(shù)的快速發(fā)展，各種數(shù)字處理芯片的性能大大提高，因此有源電力濾波器的控制系統(tǒng)逐步由模擬控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為純數(shù)字控制系統(tǒng)?；诖耍疚膶⒒跀?shù)字信號(hào)處理器的電力有源濾波裝置進(jìn)行分析與研究。二、 有源電力濾波器工作原理針對(duì)無(wú)源電力濾波器中的不足，有源電力濾波器APF（Active Power Filte

5、r）便應(yīng)運(yùn)而生，這種濾波器能對(duì)頻率和幅值都變化的諧波電流和諧波電壓進(jìn)行動(dòng)態(tài)的跟蹤補(bǔ)償。即通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)負(fù)載電流中的諧波和無(wú)功分量，控制PWM變流器，產(chǎn)生與負(fù)載諧波和無(wú)功分量大小相等、方向相反的電流注入供電系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)濾除諧波，動(dòng)態(tài)補(bǔ)償無(wú)功、抑制諧振、提高功率因數(shù)等功能，其補(bǔ)償示意圖如圖1所示。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和脈寬調(diào)制技術(shù)的成熟，奠定了有源濾波器在電力系統(tǒng)進(jìn)行諧波治理的基礎(chǔ)，尤其是1983年日本的H.Akagi1等人提出的“三相電路瞬時(shí)無(wú)功功率理論”，以該理論為基礎(chǔ)的諧波和無(wú)功電流檢測(cè)方法在三相有源電力濾波器中得到了成功的應(yīng)用，極大地促進(jìn)了有源濾波技術(shù)的發(fā)展。圖1 有源濾波器的原理圖圖1中

6、，負(fù)載電流，其中基波有功分，基波無(wú)功分量，高次諧波電流分，因此，由圖1，式中的為電源電流，為負(fù)載電流，為APF提供的補(bǔ)償電流。若采用適當(dāng)?shù)姆绞娇刂艫PF的輸出電流，使得，則有，該式說(shuō)明電源僅僅給負(fù)載提供有功基波電流，從而達(dá)到消除電網(wǎng)側(cè)諧波的功能，提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性和效率。本質(zhì)上，APF可以看成為一個(gè)諧波電流發(fā)生裝置，可以根據(jù)負(fù)載中的諧波電流變化實(shí)時(shí)的跟蹤補(bǔ)償，從而抑制諧波，其基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖2 有源濾波器的基本結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖其中的諧波檢測(cè)電路主要根據(jù)負(fù)載電流檢測(cè)出所需的諧波電流信號(hào)，PWM控制電路根據(jù)檢測(cè)出的諧波電流信號(hào)，產(chǎn)生相應(yīng)的PWM控制信號(hào)，控制逆變器開(kāi)關(guān)元件的工作狀態(tài)，使得逆變器輸出相應(yīng)

7、的補(bǔ)償電流。與無(wú)源濾波器相比，有源濾波器是一種主動(dòng)型的補(bǔ)償裝置，具有良好的動(dòng)態(tài)性能；濾波性能不受系統(tǒng)阻抗的影響；不僅能抑制諧波，還可以抑制閃變、補(bǔ)償無(wú)功功率和負(fù)序電流等；具有自適應(yīng)功能，補(bǔ)償特性不受電網(wǎng)頻率變化的影響；可以對(duì)多個(gè)諧波源進(jìn)行集中治理。三、 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制算法3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖3所示為有源電力濾波器的控制系統(tǒng)框圖，由于APF指令信號(hào)能否實(shí)時(shí)、有效、精確的獲取，補(bǔ)償電流如何動(dòng)態(tài)的跟蹤，是影響諧波治理和補(bǔ)償效果的關(guān)鍵。所以控制系統(tǒng)主要包括兩個(gè)部分：諧波電流信號(hào)（）的控制和補(bǔ)償電流的跟蹤控制。其中基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的Ip-Iq諧波和基波無(wú)功電流檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用，是諧波電流有效、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確獲

8、得的重要保障。補(bǔ)償電流的動(dòng)態(tài)跟蹤采用基于空間電壓矢量技術(shù)（SVPWM）的控制方法。3.2 基于諧波和基波無(wú)功電流檢測(cè)法為了提高有源電力濾波器的工作性能，對(duì)電網(wǎng)諧波電流的快速、準(zhǔn)確檢測(cè)顯得至關(guān)重要。本文采用基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論諧波檢測(cè)法，其中檢測(cè)是現(xiàn)階段應(yīng)用較為廣泛的諧波檢測(cè)方法。圖3 有源電力濾波器的控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖根據(jù)圖3所示三相電流檢測(cè)原理有三相瞬時(shí)無(wú)功電流和三相瞬時(shí)有功電流為 (6)將分解為直流分量和交流分量有 (7)其中在三相電壓無(wú)畸變的情況下，對(duì)應(yīng)于基波正序有功電流，對(duì)應(yīng)于基波正序無(wú)功電流，和則對(duì)應(yīng)于負(fù)序和諧波電流。所得電流通過(guò)數(shù)字低通濾波器（LPF）處理后得直流電流和。所以基波電流為：

9、 (8)利用MATLAB軟件編程分析了基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的諧波和基波無(wú)功電流檢測(cè)法。其檢測(cè)信號(hào)為圖5 諧波電流的檢測(cè)原理 LPF采用三階Elliptic濾波器，其中采樣頻率為6.4KHZ，截止頻率為30HZ ，采樣時(shí)間為0.4S。在t=0.15S時(shí)，檢測(cè)信號(hào)突變?yōu)?圖6表示基波有功電流和無(wú)功電流的輸出波形，圖7表示基波電流和諧波電流。由圖可知在0.15S時(shí)檢測(cè)信號(hào)突變下，有功電流、無(wú)功電流、基波電流在0.05S內(nèi)能夠快速的跟蹤信號(hào)的變化，并且在電流突變時(shí)電流信號(hào)中不存在突變波紋，在有功電流和無(wú)功電流中幾乎沒(méi)有交流信號(hào)的存在，為諧波電流參考信號(hào)的獲得和控制器的穩(wěn)定運(yùn)行提供保障。圖6 基波有功電

10、流和無(wú)功電流的輸出波形圖7 基波和諧波電流四、 實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)所用諧波源負(fù)載為三相半波整流橋電感電阻負(fù)載，電網(wǎng)電壓為380V，通過(guò)DSP2407控制板采樣負(fù)載電流，如圖8所示為負(fù)載電流采樣值在DSP集成開(kāi)發(fā)環(huán)境CCS3.3中的圖形顯示，其采樣頻率為6.4kHz，采樣點(diǎn)數(shù)為1000，其中負(fù)載電流在在第300點(diǎn)突升為負(fù)載電流的8倍，在第600點(diǎn)突降為負(fù)載電流的4倍，在第900點(diǎn)突降為負(fù)載電流的1倍。采用基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的諧波提取算法，其電網(wǎng)電壓同步信號(hào)采用CAP口過(guò)零檢測(cè)的數(shù)字鎖相環(huán)方法，諧波檢測(cè)算法中低通濾波器采用二階巴特沃斯低通濾波器，其衰減頻率設(shè)計(jì)為70Hz。圖9為負(fù)載電流經(jīng)派克變換和旋轉(zhuǎn)

11、變換的、分量，其為負(fù)載電流各頻率分量幅值不變、次數(shù)減1后的量，含有直流分量和諧波分量，直流分量對(duì)應(yīng)于負(fù)載電流基波幅值。圖10為、分量經(jīng)二階巴特沃斯數(shù)字低通濾波器后的、分量，從圖中可以明顯看出該數(shù)字低通濾波器能動(dòng)態(tài)跟蹤負(fù)載電流的突升和突降，具有很好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力。圖11中從上到下依次為A相負(fù)載電流波形、A相諧波指令電流經(jīng)DA輸出的波形、A相電網(wǎng)電壓波形，其諧波指令電流波形可用于CPLD作滯環(huán)控制用，即可以實(shí)現(xiàn)有源電力濾波器補(bǔ)償負(fù)載諧波電流，使電網(wǎng)電流波形趨近于正弦波的目標(biāo)。圖8圖9圖10圖11五、結(jié)論 傳統(tǒng)的有源電力濾波器采用模擬控制系統(tǒng)，其控制效果及穩(wěn)定度容易受參數(shù)影響。近年來(lái)隨著微電子技術(shù)的

12、快速發(fā)展，各種數(shù)字處理芯片的性能大大提高，因此有源電力濾波器的控制系統(tǒng)逐步由模擬控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為純數(shù)字控制系統(tǒng)。本文基于數(shù)字信號(hào)處理器的有源濾波器不僅在算法上可行，其補(bǔ)償效果也比較理想。參考文獻(xiàn)1 姜齊榮, 趙東元, 陳建業(yè)主編. 有源電力濾波器-結(jié)構(gòu). 原理. 控制M. 北京: 科學(xué)出版社, 20052 羅安主編. 電網(wǎng)諧波治理和武功補(bǔ)償技術(shù)及裝備M. 北京: 中國(guó)電力出版社, 20063 王兆安, 楊君, 劉進(jìn)軍主編. 諧波抑制與無(wú)功功率補(bǔ)償M. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 19984 鄒江鋒, 劉滌塵, 譚子求. 基于FFT算法的分次諧波測(cè)量與分析J .高電壓技術(shù), 2003, 29(9): 29-315 李圣清, 朱英浩, 周有慶. 電網(wǎng)諧波檢測(cè)方法的綜述J. 高電壓技術(shù), 2004, 33(3): 39-426 蔣劍波, 劉賢興, 王德明. FFT和小波變換在電力系統(tǒng)諧波檢測(cè)中的應(yīng)用J. 高電壓技術(shù), 2005, 31(11): 85877 王群, 吳寧, 王兆安. 一種基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的諧波測(cè)量方法J. 電網(wǎng)技術(shù), 1999, 23(1): 29328 Darwin R,L