智能型有源濾波器的研究與設(shè)計(jì)＊

陳子珍，薛莉英，李效農(nóng)

（1.寧波職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江寧波315800；2.上海久創(chuàng)電氣自動(dòng)化設(shè)備有限公司，上海201190）

1 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，各種功率開(kāi)關(guān)器件和其它非線性負(fù)載被廣泛應(yīng)用，大量的高次諧波被注入電網(wǎng)，使電網(wǎng)電壓和電流發(fā)生畸變，電力質(zhì)量變壞，引起用電設(shè)備產(chǎn)生附加的諧波損耗，嚴(yán)重時(shí)甚至損毀設(shè)備，給安全生產(chǎn)帶來(lái)巨大隱患，所以補(bǔ)償電網(wǎng)諧波以改善電能質(zhì)量已經(jīng)成為電力系統(tǒng)領(lǐng)域的緊迫課題。傳統(tǒng)的解決方法是采用電力電容器等無(wú)源器件構(gòu)成無(wú)源濾波器，用以吸收電力系統(tǒng)中的諧波與無(wú)功電力成分。但是無(wú)源濾波器補(bǔ)償精度低，僅能適用靜態(tài)電力系統(tǒng)，對(duì)變化的非線性負(fù)載不能進(jìn)行實(shí)時(shí)的精確補(bǔ)償，當(dāng)供電電路運(yùn)行條件發(fā)生變化時(shí)，其濾波性能就大打折扣。而有源電力濾波器彌補(bǔ)了這方面的缺陷，能動(dòng)態(tài)跟蹤電力系統(tǒng)與負(fù)載變化情況，動(dòng)態(tài)抑制與補(bǔ)償電力系統(tǒng)的諧波與無(wú)功電力。

2 有源濾波器的結(jié)構(gòu)性能

有源電力濾波器是一種用于動(dòng)態(tài)抑制諧波、補(bǔ)償無(wú)功的新型電力電子裝置，它能對(duì)大小和頻率都變化的諧波以及變化的無(wú)功進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償，其應(yīng)用可克服LC濾波器等傳統(tǒng)的諧波抑制和無(wú)功補(bǔ)償?shù)娜秉c(diǎn)。

圖1 并聯(lián)有源濾波器系統(tǒng)構(gòu)成

如圖1所示為一種基本的有源濾波器系統(tǒng)構(gòu)成原理圖。其中AC是系統(tǒng)交流電源，諧波源是負(fù)載，它產(chǎn)生諧波并消耗無(wú)功，APF即是有源濾波器。

有源濾波器基本原理是：有源濾波器（APF）從電網(wǎng)中實(shí)時(shí)檢測(cè)電壓電流信號(hào)，計(jì)算得到相應(yīng)諧波信號(hào)，根據(jù)此諧波信號(hào)得到相應(yīng)的指令控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)逆變電路，產(chǎn)生實(shí)際的補(bǔ)償電流以“吸收”電網(wǎng)中的諧波信號(hào)，從而達(dá)到濾除電網(wǎng)諧波信號(hào)的目的。補(bǔ)償效果不會(huì)因系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行而下降，并且自動(dòng)根據(jù)負(fù)載諧波的變化而產(chǎn)生不一樣的補(bǔ)償信號(hào)，做到對(duì)任意諧波信號(hào)都能進(jìn)行補(bǔ)償。

有源濾波器功能分為兩部分，即指令電流運(yùn)算電路和補(bǔ)償電流發(fā)生電路。指令電流運(yùn)算電路通常包括信號(hào)采樣、信號(hào)計(jì)算、控制信號(hào)輸出三個(gè)部分。補(bǔ)償電流發(fā)生電路通常包括驅(qū)動(dòng)電路、逆變電路。信號(hào)采樣、信號(hào)計(jì)算、控制信號(hào)輸出三個(gè)部分可以用一塊DSP芯片實(shí)現(xiàn)，而逆變電路用一塊IPM模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3 單獨(dú)使用并聯(lián)型有源濾波器的研究與仿真

單獨(dú)使用的并聯(lián)型有源濾波器基本原理結(jié)構(gòu)如圖2所示，其基本原理是檢測(cè)補(bǔ)償對(duì)象的電壓和電流，經(jīng)指令電流運(yùn)算電路計(jì)算得出補(bǔ)償電流的指令信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)補(bǔ)償電流發(fā)生電路放大，得到補(bǔ)償電流，補(bǔ)償電流與負(fù)載電流中要補(bǔ)償?shù)闹C波及無(wú)功等電流抵消，最終得到期望的電源電流。單獨(dú)使用的并聯(lián)型有源濾波器單相等效電路如圖3所示。

其中負(fù)載等效為一個(gè)諧波電流源IL，分為基波分量If和諧波分量Ih，即

圖2 單獨(dú)使用的并聯(lián)型有源濾波器

圖3 并聯(lián)型有源濾波器等效電路

控制有源濾波器為一電流源，使其與負(fù)載中諧波電流一致（以圖3中所示方向?yàn)闇?zhǔn)），則

故可得：

使得電源電流中只含基波分量，不含諧波。

單獨(dú)使用的并聯(lián)型有源濾波器仿真結(jié)果如圖4（a）、（b）、（c）所示。

4 諧波電流檢測(cè)方法

無(wú)功諧波電流即畸變電流的檢測(cè)方法，取決于非正弦條件下有功功率（電流）和無(wú)功功率（電流）的定義及理論分析。目前對(duì)非正弦條件下無(wú)功及諧波電流的檢測(cè)方法主要有以下幾種：①用模擬帶通濾波器檢測(cè)的方法；②基于Fryze時(shí)域分析的有功電流分離法；③基于FFT的數(shù)字化分析法；④基于小波變換檢測(cè)諧波的方法；⑤基于Akagi瞬時(shí)無(wú)功功率理論的檢測(cè)法。

目前在有源濾波器中使用的最廣泛的便是基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的檢測(cè)算法和基于FFT的檢測(cè)算法。

圖4 電流波形圖

5 本系統(tǒng)濾波器硬件結(jié)構(gòu)

整個(gè)電力濾波系統(tǒng)框圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)框圖

本系統(tǒng)使用的有源濾波器與混合型有源濾波器結(jié)構(gòu)類(lèi)似，但根據(jù)所補(bǔ)償對(duì)象的特點(diǎn)，對(duì)其做了進(jìn)一步改進(jìn)，不是補(bǔ)償所有次諧波，而是只補(bǔ)償特定次諧波，即3、5、7、11次。這樣一方面是根據(jù)負(fù)載的諧波特性作出的改變，另一方面也是對(duì)實(shí)際實(shí)現(xiàn)的簡(jiǎn)化。因?yàn)槿绻a(bǔ)償所有次諧波，那么IPM逆變的必然也是跟所有次諧波成比例的一個(gè)信號(hào)。但是由于所有次諧波疊加在一起，變化幅度極大，且非常迅速。而如果IPM逆變信號(hào)希望能夠很好地追隨諧波的變化，則其開(kāi)關(guān)的頻率必須相當(dāng)高。目前由于電力電子器件的限制，在較高的電壓水平上想要實(shí)現(xiàn)這種非常高的頻率是比較困難的。但是如果只是逆變出正弦信號(hào)則簡(jiǎn)單得多，特別是如后面的濾波電路設(shè)計(jì)合理，即使開(kāi)關(guān)頻率低一點(diǎn)也可以得到光滑的正弦波形。本系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖6所示（圖中只畫(huà)出單相）。

圖6 本系統(tǒng)使用的有源濾波器基本結(jié)構(gòu)

6 程序軟件結(jié)構(gòu)

整個(gè)系統(tǒng)軟件以中斷為基礎(chǔ)，可分為AD采樣模塊、FFT計(jì)算模塊、PWM輸出模塊、通訊模塊以及故障處理模塊共五大模塊。整個(gè)系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

DSP首先對(duì)電網(wǎng)信號(hào)模擬量進(jìn)行采樣，在獲得電網(wǎng)信號(hào)數(shù)據(jù)后進(jìn)行相關(guān)的計(jì)算，根據(jù)計(jì)算得到各次諧波的信息，一方面控制PWM信號(hào)輸出，另一方面將得到的諧波信息輸入到液晶顯示和上位機(jī)，供用戶(hù)觀察。同時(shí)DSP接收各種外部輸入中斷信號(hào)，如IPM故障信號(hào)、用戶(hù)鍵盤(pán)中斷信號(hào)等。整個(gè)程序以中斷為基準(zhǔn)，除了FFT計(jì)算，其余部分均是在中斷響應(yīng)中完成。因此整個(gè)程序并沒(méi)有一個(gè)順序執(zhí)行的概念，在編寫(xiě)程序時(shí)必須保證每個(gè)中斷能夠被快速響應(yīng)，這就要求每個(gè)中斷都能及時(shí)執(zhí)行完成，執(zhí)行時(shí)間不能過(guò)長(zhǎng)以免影響其他中斷的響應(yīng)。

圖8 補(bǔ)償前電力系統(tǒng)電壓波形與頻譜

圖9 加3、5、7、11次諧波補(bǔ)償?shù)碾妷翰ㄐ闻c頻譜

7 試驗(yàn)結(jié)果與結(jié)論

在實(shí)際的掛網(wǎng)實(shí)驗(yàn)中，電源電壓380V、50Hz，測(cè)試的波形如圖8、9所示。

從波形圖可以看出，補(bǔ)償前的電壓存在大量的諧波，經(jīng)過(guò)補(bǔ)償后，電壓波形已經(jīng)接近正弦，頻譜波形中明顯抑制了高次諧波，說(shuō)明有源濾波控制系統(tǒng)有著良好的濾波效果。

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