DSP技術應用于雙重化有源電力濾波器

馮德仁，姚兆虎，羅進，牛孝如

（安徽工業大學電氣信息學院，馬鞍山243032）

DSP技術應用于雙重化有源電力濾波器

馮德仁，姚兆虎，羅進，牛孝如

（安徽工業大學電氣信息學院，馬鞍山243032）

介紹了并聯型有源電力濾波器（APF）的基本原理，雙重化的主電路結構和SPWM多重化原理，以及APF的諧波提取及其控制策略。為了提高有源電力濾波器的容量及其諧波補償效果，采用了載波移相雙重化技術，在不提高逆變橋的開關頻率與保持主電路拓撲結構的前提下獲得高的等效開關頻率，還可減少系統輸出的高次諧波含量。實驗結果表明：基于DSP的雙重化有源電力濾波器具有很好的補償效果。

有源電力濾波器；載波移相；雙重化技術；鎖相；諧波

近年來，隨著電力電子技術的迅速發展，越來越多的電力電子裝置被應用到各個領域，例如：整流裝置、電弧爐、電力變壓器和家用電器等，使得大量的無功電流和諧波電流注入電網，產生的諧波對電網的影響和危害也日益嚴重，若不加以控制，會嚴重影響整個電網經濟、安全的運行，尤其是近年來因諧波引發的事故增多，迫使電力系統更加重視諧波污染對現代電能質量的影響，因此對電力諧波的實時補償變得越來越重要[1]。

有源電力濾波器APF（active power filter）是一種新型的諧波及無功動態補償裝置[2]，有源電力濾波技術最早于上個世紀60年代提出，應用是在20世紀90年代后從日本、美國等國開始，并主要集中在并聯型APF。有源電力濾波器與傳統的無源電力濾波器PPF（passive power filter）相比較，具有響應速度快、補償效果好和動態補償的優點。實現大功率有源電力濾波器的方法已取得了不少的研究成果[3]，本文研制的150 kVA有源電力濾波器，主電路由2個模塊化脈沖寬度調制PWM（pulse width modulation）變流器單元組合實現，控制部分采用數字信號處理DSP（digital signal processing）為核心的控制方案，諧波電流的檢測采用了改進的基于時域的電流檢測算法，以獲得良好的動態響應性能和靈活的補償目的。

1 并聯型有源電力濾波器的基本原理

三相有源電力濾波器是用來補償三相負載的諧波和無功。并聯型APF系統由主電路和控制電路2大部分組成，其中控制部分由諧波電流檢測部分和電流跟蹤補償部分組成。主電路采用PWM變流器，作為主電路的PWM變流器，在產生補償電流時，主要工作于逆變狀態；但它并不僅僅是作為逆變器而工作的，在電網向有源電力濾波器直流側貯能元件充電時，它工作在整流狀態。也就是說，它既工作于逆變狀態，也工作于整流狀態，且2種工作狀態無法嚴格區分。并聯型APF的基本工作原理是通過檢測電路檢測負載電流，經指令運算電路計算得出補償電流的指令信號，然后由補償電流發生電路產生補償電流，補償電流與負載電流中需要補償的部分相抵消，最終得到期望的電網電流。并聯型三相有源電力濾波器的原理如圖1所示。

圖1 并聯型APF的原理Fig.1Schematic diagram of parallel APF

圖1 中，us為電網電壓，is和il分別為電網側電流和負載電流，ic為APF輸出的補償電流。由智能功率模塊IPM（intelligent power module）構成的電壓型逆變器作為PWM生成電路。APF系統通過電流檢測電路對負載電流進行檢測，采用相應的方法提取負載電流中的諧波和無功分量，以此作為電流的輸出指令，通過控制電路和驅動電路送逆變器產生相應的PWM輸出，通過濾波電感得到的輸出電流即為負載中的諧波和無功電流。APF承擔了負載中的諧波和無功電流分量，實現了網側電流的無功補償和諧波濾除。

2 雙重化

2.1 雙重化的主電路結構

采用雙重化主電路，可以實現有源電力濾波器的大容量，還可以提高有源電力濾波器的等效開關頻率，從而改善補償電流的跟隨特性。另外，由于等效開關頻率的提高，可以降低單個器件的工作頻率，這樣既可以降低對器件工作頻率的要求，又可減少器件的開關損耗。雙重化的三相四線制主電路結構如圖2所示。

圖2 雙重化的三相四線制主電路結構Fig.2Main circuit of dual three-phase four-wire system

2.2SPWM的多重化原理

為了能在不改變載波頻率的同時進一步降低SPWM的諧波含量，可以采用相移載波的PWM方法，該方法原理是：采用同一個調制波，而對載波進行相移[4]，例如1個m電平的變換器，每相采用m-1個具有相同頻率和相同峰值的三角載波與同1個調制波相比較；m-1個三角載波之間依次相移360°/（m-1）。由于相鄰的載波之間有一個相移，這一相移使得所產生的正弦脈沖寬度調制SPWM（sinusoidal pulse width modulation）脈沖在相位上錯開，在疊加輸出的SPWM波等效開關頻率提高到原來的m-1倍，因此可以在不提高開關頻率的條件下，大大減小輸出諧波。PWM逆變電路多重化聯接方式有變壓器方式和電抗器方式，由圖2可知本文采用的是電抗器聯接實現二重PWM逆變。電路的輸出是經過2個電抗器后聯結于一點，再經過LC濾波后輸出。在此結構中需將載波相互錯開180°，雙重化載波信號見圖3。

圖3 雙重化的載波信號Fig.3Dual carrier signal

3 諧波提取及其控制策略

3.1 三相軟件鎖相環

三相軟件鎖相環PLL（phase locked loop）的基本結構框圖如圖4所示。圖中虛線框內的坐標變換為鑒相器，Cpll為比列積分環節，積分環節1/s為壓控振蕩器，ωff為壓控振蕩器的固有頻率，此處ωff=100 π（電網額定頻率），各項功能都由DSP完成。電網電壓經坐標變換后得到usq，使之與usq*=0逼近，再經過環路濾波器后改變壓控振蕩器的振蕩頻率。在用DSP實現時，一般采用DSP內部定時器的循環計數來產生同步信號、實現壓控振蕩器和分頻器的功能，因此可通過改變定時器的周期或最大循環計數值的方法來改變同步信號的頻率和相位。

圖4 三相軟件PLL結構框圖Fig.4Structure diagram of PLL

3.2 基于瞬時無功功率理論的諧波檢測法

上述基于同步旋轉Park變換的電流ip-iq法，該方法應用于補償三相四線制負載的有源電力濾波器，是從實用的角度來進行設計的，所以對于實際的產品有更為廣闊的應用空間。優點就是通過一系列的計算就可以檢測出除基波以外的任意次諧波，方便快捷，而且通過軟件編程的方式也很容易實現。

本文采用基于瞬時無功功率理論的電流ip-iq法計算諧波和無功指令電流，電流ip-iq法的框圖如圖5所示。

圖5 諧波電流提取流程Fig.5Flow chart of harmonic current extraction

3.3 直流側電壓穩壓控制策略

由瞬時無功功率理論可知，以三相電網相位為參考，逆變器輸出基波電流在d軸上的分量為正，則電容能量流向電網，電容電壓下降；反之則電網電能流向電容，電容電壓升高。這為直流側電壓控制提供了依據。另外，如果流出電容中性點的電流為正，電容中點電勢將會下降；反之則電容中點電勢將會升高，這為電容中點電壓控制提供了依據。本文針對穩定直流側電壓和進行零序電流補償，提出的控制結構如圖6所示，電網相位角來自電網電壓鎖相環輸出，直流電壓經過PI調節后得到一個用于補償直流電壓波動的基波電流補償分量Ia1、Ib1、Ic1。負載補償電流給定Ia′*、Ib′*、Ic′*是來自諧波檢測環節的輸出，用于補償負載側諧波電流。中點電壓波動經過一個2 V寬度的滯環調節器后經P調節控制輸出，得到一個抑制中點電壓波動過量的零序電流補償量。由于逆變器需要對高次諧波有較快的補償，為此加入電流信號微分前饋以提高系統的快速反應性。由于電容電壓變化速率比電感電流慢很多，為了使系統更加穩定，同時減小直流電壓尖峰引起的系統性干擾，工程上直流電壓環的調節速度為電流環速度的10倍[5]。

圖6 直流側電壓優化控制結構Fig.6Control structure of voltage optimization on DC side

3.4 直流側電壓的低通濾波器設計

由于開關器件的固有特性，直流側電壓往往存在電壓尖峰，給直流電壓控制較大帶來干擾，甚至帶來更大的尖峰，為此參與控制的電壓UPO和UOD都是來自低通濾波器的輸出。本文采用巴特沃斯二階低通濾波器，采樣頻率為10 kHz，截止頻率設為500 Hz。其z域傳遞函數為

化為差方分方程

3.5 給定電流微分前饋

給定電流微分前饋來補償輸出電感勢，用于加快系統的反應速度。簡單的微分前饋有可能給系統帶來潛在的振蕩風險，所以考慮在微分的基礎上再加上1個時間常數較大的一階慣性環節，如果控周期為T=0.000 1 s，設計一階慣性環節的時間常為100 T。以a相為例。其給定電流微分前饋傳遞函數為

以雙線性變換方式離散化后，得

化為差分方程

4 控制系統的設計

本系統以DSP為控制核心，選用TI公司TMS320F2812控制芯片，實現電流與電壓的采樣、軟件鎖相、諧波指令電流的計算以及系統的過壓過流保護等，程序主流程如圖7所示。

控制系統采樣頻率為10 kHz，由DSP的事務管理模塊EVA（event management A）與EVB（event management B）同時實現2組PWM波的輸出，EVA與EVB的三角載波相差180°，從而可以得到圖3所示的雙重化載波信號。

圖7 APF主程序的流程Fig.7Flow chart of APF main program

5 樣機的研制

系統選擇了2塊三凌智能功率模塊（IPM），型號為PM300PLA120，設計了1臺容量150 kVA的有源電力濾波器。濾波電感值0.3 mH，電容參數為4 700 μF/450 V，用6個電容采用兩串三并的結構，同時給每個電容上并1個旁路電阻，33 kΩ/10 W，給定直流母線電壓730 V，輸入為380 V三相四線制交流電。三相四線制負載（三相四線制負載結構如圖8所示，由3個單相不控整流器組成，每個整流器輸出接串聯的0.6 mH電感和2 Ω電阻。）的總諧波失真THD（total harmonic distortion）為27%左右，總電流大小為600 A。補償前電網側三相電流波形如圖9所示，用FLUCK435測得的補償前電網側三相電流柱狀圖如圖10所示。補償后的電流波形基本上為正弦波，THD為2.8%，電網側三相電流波形如圖11所示，電網側三相電流柱狀圖如圖12所示，效果比較顯著。

圖8 三相四線制負載結構Fig.8Three-phase four-wire load structure

圖9 補償前網側電流波形Fig.9Current waveforms on grid side without compensation

圖10 補償前網側電流柱狀圖Fig.10Current bar chart of without compensation

圖11 補償后網側電流波形Fig.11Current waveforms on grid side with compensation

圖12 補償后網側電流柱狀圖Fig.12Current bar chart with compensation

6 結語

針對大容量有源電力濾波器的實現問題，本文利用2個模塊化的PWM主電路實現有源電力濾波器容量的擴充。采用了載波移相雙重化技術，在不提高逆變橋的開關頻率與保持主電路拓撲結構的前提下獲得高等效開關頻率，還能減少系統輸出的高次諧波含量。實驗結果表明，基于DSP的控制系統實現了對雙重化有源電力濾波器的有效控制，基于該系統的有源電力濾波器具有很好的補償效果。

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Application of DSP Technology on Dual Active Power Filter

FENG De-ren，YAO Zhao-hu，LUO Jin，NIU Xiao-ru
（School of Electrical Engineering&Information Technology，Anhui University of Technology，Maanshan 243032，China）

This paper introduced the fundamental of the shunt active power filter（APF），the main circuit topology of the dual power filter，the principle of multiple-SPWM，the harmonic extraction of APF and its relevant controlling strategy.To enhance the capacity of the active power filter as well as the harmonic compensation effects，this paper utilizes the dual technology of carrier wave shifting，and this measure can obtain increased equivalent switch frequency without the alteration in main circuit topology and augmentation in the switch frequency of the inverter bridge，which also can curtail the ultra-harmonics of the system output.The experimental results denoted that the dual APF based on the DSP controller can generate significantly compensatory effect.

active power filter（APF）；carrier wave shifting；dual technology；phase locking；harmonic wave

TN713

A

1003-8930（2014）09-0071-05

馮德仁（1967—），男，博士，副教授，研究方向為高壓脈沖功率技術及電力電子技術。Emial：fdr@ustc.edu.cn

2012-07-23；

2012-09-13

姚兆虎（1988—），男，碩士研究生，研究方向為電力電子變換技術。Email：yzh19880916@126.com

羅進（1984—），男，碩士研究生，研究方向為電力電子變換技術。Email：9402537@qq.com