三相四线并联有源电力滤波器的数字控制.ppt

三相四线并联有源电力滤波器的数字控制 Digital control of Three-Phase Four-wire Shunt Active Power Filter,陈 仲，徐迎春，王磊，徐德鸿 浙江大学 电气工程学院（310027） , 2003.11,主要内容：,有源滤波技术应用背景 / 数字控制的优势; APF系统构成和工作原理介绍； 控制器硬件设计； 软件设计； 实验结果 结论,. 有源滤波技术应用背景 / 数字控制的优势,信息电力和柔性输配电技术； 有源滤波技术的先进性和必要性； 模拟控制的缺陷 / 数字控制的优势,一. 信息电力和柔性输配电技术,信息电力的特征即使系统处于非稳态，也仍需要保证可靠、恒定的优质电力供应； 电能质量问题包括：电流波形畸变；稳态电压质量问题；电能的可靠可使用性问题；动态电能质量问题 动态电能质量问题：主要包括电压脉冲（impulse）、浪涌（surge）、电压跌落（sages）、瞬时供电中断（outage）等； -是近几年随着信息技术的飞速发展而暴露出来的！ 8.14美加大停电给我们的启示：新时期的电力电子技术将在电力系统中大有作为,FACTS & DFACTS技术,柔性交流输电系统（FACTS）基于电力电子技术，通过控制电力系统的基本参数来灵活控制系统潮流、突破静稳瓶颈、提高输电系统输送容量的有效措施； 主要的FACTS装置：静止无功补偿器（STATCOM）、晶闸管控制的串联投切电容器（TSSC）、可控串联补偿电容器（TCSC）、统一潮流控制器（UPFC）等； DFACTS技术（又称Customer Power技术）作为FACTS技术在配电系统应用的延伸，已成为改善电能质量的有力工具。 该技术的核心器件为IGBT，因此装置具有更快的动态响应。主要的DFACTS装置有：有源滤波器（APF）、动态电压恢复器（DVR）、配电系统用静止无功补偿器（D_STATCOM）、固态断路器（SSTS）等；,二. 有源滤波技术的先进性和必要性,解决谐波和无功问题的两种思路：主动式解决方案（多重化技术、PWM整流和有源功率因数校正技术）和被动式解决方案，即有源滤波技术； 众所周知：传统的无源滤波技术存在固有缺陷：如 谐波标准势在必行： 国家技术监督局 电能质量 公用电网谐波，即GB/T14594-93 作为DFACTS的重要组件，有源滤波器的优势： 补偿谐波频带宽、动态响应快、补偿特性不受电网阻抗影响、不存在过载问题；可同时补偿无功、不对称，且可消除电压闪变、调节和平衡电压等功能；,三. 模拟控制的缺陷 / 数字控制的优势,传统的模拟控制缺陷：系统复杂、谐波检测需要多个乘法器（成本高）、易受温漂影响，精度低、抗干扰能力弱等； 近年来，基于数字信号处理器（DSP）、微控制器（MCU）和可编程逻辑器件（PLD）等实现的数字化控制在实际系统中受到更多的欢迎 ； 本文应用DSP芯片TMS320F240为核心实现了并联型有源滤波器的谐波检测和控制，针对数字控制的硬/软件设计将作详细介绍。,. 并联型有源电力滤波器系统构成和工作原理,主电路拓扑结构； 谐波电流检测策略：,一. 主电路拓扑,三桥臂电压源变流器（VSI）+电容中点式，开关器件采用IGBT；采用滞环电流控制策略， 适用于三相四线制系统，拓扑简单，且具有不对称补偿能力；,并联型有源电力滤波器的原理是向电网注入大小相等、方向 相反的负载谐波以达到补偿目的，其相当于一个受控电流源。,图1. 主电路结构,二. 谐波电流检测策略,对APF控制设计而言，高精度、实时性的谐波检测以及合理的电流控制方法，直接影响着补偿性能； 本系统采用基于同步参考坐标系（Synchronous Reference Frame, 简称SRF）的谐波检测策略； 特点：具有计算量少、检测精度不受电网电压畸变和不对称等因素影响，性能优异，且易于数字实现； 算法中的坐标变换需使用正余弦信号。对此采用“查表法”，即事先计算出正余弦值，各为256个点，放置于存储器中。在运算时直接调出使用，以此减少了程序处理时间。,图2. 基于SRF的谐波检测原理,坐标变换矩阵和反变换矩阵 ：,. 控制器硬件设计,硬件配置 ； 信号检测环节中的滤波器设计； 基于PLL的同步采样/控制信号； 直流侧电压和均压控制,设计原则： 影响APF系统补偿精度的主要因素除了主电路 系统参数的选取外；就控制而言，采用数字控制相应带来的 时间/相位延迟是需要在设计中给予针对性考虑的因素。,DSP芯片内置A/D，转换时间； D/A器件：MAX526，12位并行输入； 锁相环芯片：CD4046，配合以计数器CD4040实现信号倍频。 电流和电压/均压调节量的A/D转换；谐波检测计算；D/A转换等都在单个控制周期中完成的，因此数字控制造成的时间延迟最大不超过个控制周期。,图3. DSP控制框图,二. 信号检测环节中的滤波器设计,（1）三相负载电流检测： 为了避免数字采样中的混叠现象，必须设置抗混叠低通滤波器进行滤波；此外，再通过电平偏移等调理电路，使之变成单极性信号后，方能由同步采样/保持器保持送至DSP的A/D端口。 由于采样频率选择为12.8kHz，被采样信号中的最高次分量频率应小于等于采样频率的一半，实际的抗混叠低通滤波器的截止频率选择为6kHz （香农定理） 。 （2）三相补偿电流检测： 在检测含有开关纹波分量的三相实际补偿电流时，采用二阶巴特沃斯低通滤波器 。,截止频率的选取原则应该接近于开关频率。就中小功率的变流器而言，开关频率一般为1025KHz。实际选择该低通滤波器截止频率为15kHz。,图4. 电流滞环比较控制,负载电流检测中的LPF设计： 如果截止频率过低 （低于开关频率），将不能反映电流的微小变化率，势必限制住开关频率，影响系统补偿性能，,三. 基于PLL的同步采样/控制信号,图5. 数字控制时序,电网电压的过零同步信号及其经锁相环（PLL）256倍频的输出信号送入DSP，分别作为正弦表指针的复位信号与控制周期的起始信号； 谐波检测算法与A相电网电压同步； 数字控制系统的采样和控制周期一致,四. 直流侧电压和均压控制,总电压调节的原理是通过产生一个基波有功电流分量，由电网和APF间基波有功功率的流动来调节APF直流侧电容电压大小；而均压调节则是在补偿电流指令中叠加一个零序分量，通过上下电容的充放电调节上下电容电压差。 电压/均压控制环不需要太高的控制周期，实际取为20ms 调节器比例系数和积分系数应受限制，不能取的过大，否则变化过快的电压/均压调节量叠加到指令电流上，将会引起振荡现象，使系统补偿性能恶化。,. 软 件 设 计,数字低通滤波器设计； 软件抗干扰和软启动策略；,一. 数字低通滤波器设计,要求：滤去直流以外的各次谐波，对相位要求不高，故决定采用IIR滤波器。由于非线性负载电流中典型的5次与7次谐波经变换后在d-q坐标系中分别为4次与6次交变量，故将该滤波器截止频率设计在200Hz以下。但若截止频率选的太低，则响应速度变慢， 综合考虑，选择二阶低通数字巴特沃思型滤波器，其截止频率为120Hz，频率200Hz时幅度已衰减至-20dB。数字滤波器计算频率选为3.2KHz。滤波器方程如下：,（1）在DSP中电网电压的过零同步信号的上升沿检测非常重要。实验中：当主电路功率较大时，DSP工作易受到干扰。 为了避免误检测，每次CAP3口检测到上升沿后，将CAP3口设置为I/O口（IOPC6），进行电平检测， 后再次进行检测，如两次均为高电平，则判定CAP3口检测到的上升沿是真实的，正弦表和余弦表的指针复位；否则判定该上升沿是虚假的。如此提高了DSP的抗干扰能力。,二. 软件抗干扰和软启动策略,图6. 软启动喇叭口策略,图7. 软启动算法流程,(2) 在启动过程（10秒左右）中使直流侧电压基准值从600VDC平稳增大到800VDC；同时DSP送出的电流指令采用了喇叭口策略 通过如此精心的软启动设计，实验证明能够保证APF系统启动时电压上升平稳，无过冲现象。,. 实 验 结 果,主电路参数： 容量：15KVA； 器件：IGBT （1200V/45A）； 直流侧电容 2200UF 交流滤波电感 3mH; 滞环电流宽度 0.8A; 工作条件： 电网线电压380V； 直流侧电容电压780； 三相整流带阻性负载,图8. 实验电路示意图,启动过程中的补偿电流指令，其幅值由零逐步增大 至正常输出,时间t(0.2s/div) 指令电流ic(1.6A/div) 图9. 启动时指令电流波形,整流器直流侧电流为20A，可见补偿前负载电流畸变严 重，补偿后基本为一良好的正弦波形，补偿效果较好,（a）A相负载电流 （b）补偿后A相电源电流 （c）APF的A相补偿电流 图10. 稳态下实验波形,负载由7.5A突变至1