DSP技术应用于双重化有源电力滤波器.pdf

第 2 6卷第 9期 2 0 1 4年 9月 电 力 系 统 及 其 自动 化 学 报 P r o ce e d i n g s o f t h e C S U- E P S A Vo 1 2 6 No 9 Se p 2 01 4 DS P技术应用于双重化有源电力滤波器 冯德仁，姚兆虎 ，罗进，牛孝如 ( 安徽工业大学电气信息学院，马鞍山 2 4 3 0 3 2 ) 摘要：介绍了并联型有源电力滤波器( A P F) 的基本原理 ，双重化的主电路结构和 S P WM多重化原理 ，以及 A P F的谐波提取及其控制策略。为了提高有源电力滤波器的容量及其谐波补偿效果，采用了载波移相双重化 技术，在不提高逆变桥的开关频率与保持主电路拓扑结构的前提下获得高的等效开关频率 ，还可减少系统输 出的高次谐波含量。实验结果表明：基于 D S P的双重化有源电力滤波器具有很好的补偿效果。 关键词：有源电力滤波器； 载波移相； 双重化技术 ； 锁相； 谐波 中图分类号：T N 7 1 3 文献标志码：A 文章编号：1 0 0 3 8 9 3 0 ( 2 0 1 4 ) 0 9 0 0 7 1 0 5 App l ica t io n o f DS P Te ch no l o g y o n Dua l Act iv e Po we r Fil t e r F E NG De r e n，YA0 Z h a o h u ，L UO J in， NI U Xi a o 一 1 3 1 ( S ch o o l o f E l e ct r i ca l E n g in e e r in g &I n f o r ma t i o n T e ch n o l o g y ， A n h u i U n iv e r s it y o f T e ch n o l o g y ， Ma a n s h a n 2 4 3 0 3 2 ， C h in a ) Ab s t r a ct ： T h i s p a p e r in t r o d u ce d t h e f u n d a m e n t a l o f t h e s h u n t a ct i v e p o w e r fil t e r ( A P F ) 。 t h e m a in cir cu it t o p o l o g y o f t h e d u a l p o w e r fi l t e r ，t h e p r in ci p l e o f mu l t i p l e - S P WM ，t h e h a r mo n ic e x t r a ct i o n o f AP F a n d i t s r e l e v a n t co n t r o l l in g s t r a t e g y T o e n h a n ce t h e ca p a cit y o f t h e a ct iv e p o we r fil t e r a s we l l a s t h e h a r mo n ic co mp e n s a t io n e ff e ct s ， t h is p a p e r u t i- l iz e s t h e d u a l t e ch n o l o gy o f ca r r ie r wa v e s h ift in g ，a n d t h is me a s u r e ca n o b t a in in cr e a s e d e q u iv a l e n t s wit ch f r e q u e n cy wit h o u t t h e a l t e r a t io n in ma in cir cu it t o p o l o gy a n d a u g me n t a t io n in t h e s wi t ch f r e q u e n cy o f t h e in v e r t e r b r id g e，w h ich a l s o ca n cu r t a i l t h e u l t r a - h a r mo n ics o f t h e s y s t e m o u t p u t Th e e x p e r i me n t al r e s u l t s d e n o t e d t h a t t h e d u al AP F b a s e d o n t h e DS P co n t r o l l e r ca n g e n e r a t e s ig n ifi ca n t l y co mp e n s a t o r y e f f e ct K e y wo r d s ： a ct i v e p o w e r f i h e r ( A P F ) ； ca r r ie r w a v e s h i ft i n g ； d u al t e ch n o l o gy； p h a s e l o ck i n g ； h a r m o n i c w a v e 近年来 ， 随着电力 电子技术 的迅速发展 ， 越来 越多的电力 电子装置被应用到各个领域 ， 例 如 ： 整 流装置 、 电弧炉 、 电力变压器和家用 电器等 ， 使得 大量的无 功电流和谐波 电流注入 电网，产生 的谐 波对 电网的影响和危害也 日益严重 ，若不加 以控 制， 会严重影响整个电网经济、 安全的运行 ， 尤其 是近年来因谐波引发 的事故增多 ， 迫使 电力系统更 加重视谐 波污染对现代 电能质量 的影响 ，因此对 电力谐波 的实时补偿变得越来越重要【 “ 。 有源电力滤波器 A P F ( a ct i v e p o w e r f i l t e r ) 是一 种新型的谐波及无功动态补偿装置2 1 ， 有源电力滤 波技术最早于上个世纪 6 0 年代提出， 应用是在 2 0 世纪 9 0 年代后从 日 本 、 美国等国开始 ， 并主要集 中在并联型 A P F 。有源 电力滤波器 与传统的无源 收稿日期： 2 0 1 2 0 7 2 3 ； 修回日 期 ： 2 0 1 2 0 9 1 3 电力滤波器 P P F ( p a s s i v e p o w e r f il t e r ) 相 比较 ， 具有 响应速度快、 补偿效果好和动态补偿的优点。实现 大功率有源电力滤波器 的方法 已取得了不少 的研 究成果 3 1 ， 本文研制的 1 5 0 k V A有源 电力滤波器 ， 主 电路 由 2个 模块化 脉 冲宽度 调制 P WM( p u l s e w i d t h m o d u l a t i o n ) 变流器单元组合实现， 控制部分 采用数字信号处理 D S P( d ig i t a l s ig n a l p r o ce s s i n g ) 为核心 的控制方案 ，谐波电流 的检测采用了改进 的基于时域 的电流检测算法 ，以获得 良好的动态 响应性能和灵活的补偿 目的。 1 并联型有源电力滤波器的基本原理 三相有源 电力滤波器是用来补偿三相负载的 谐波和无功 。并联型 A P F系统由主电路和控制电 7 2 电 力 系 统 及 其 自动 化 学 报 第 2 6 卷 路 2 大部分组成，其中控制部分由谐波电流检测 部分和电流跟踪补偿部分组成。主电路采用 P WM 变流器 ， 作为主 电路 的 P WM变流器 ， 在产生补偿 电流时 ， 主要工作于逆变状态 ； 但 它并不仅仅是作 为逆变器而工作的，在电网向有源电力滤波器直 流侧贮能元件充电时 ， 它工作在整流状态。也就是 说， 它既工作于逆变状态， 也工作于整流状态， 且 2 种工作状态无法严格区分。并联型 A P F的基本工 作原理是通过检测电路检测负载电流，经指令运 算电路计算得出补偿电流的指令信号，然后由补 偿电流发生电路产生补偿电流，补偿电流与负载 电流中需要补偿的部分相抵消 ，最终得到期望 的 电网电流。并联型三相有源电力滤波器的原理如 图 1 所示 。 图 1 并联型 AP F的原理 Fig 1 S ch e ma t ic d ia g r a m o f p a r a l l e l APF 图 1中 ， 为 电网电压 ， i 和 i 分别 为电网侧 电流和负载电流， i 为 A P F 输出的补偿电流。由智 能功率模块 I P M( in t e l l ig e n t p o w e r m o d u l e ) 构成 的 电压型逆变器作为 P WM生成 电路。 A P F系统通过 电流检测电路对负载电流进行检测 ，采用相应的 方法提取负载电流 中的谐波和无功分量 ，以此作 为电流的输 出指令 ，通过控制电路和驱动 电路送 逆变器产生相应的 P WM输出， 通过滤波电感得到 的输 出电流 即为负载 中的谐波和无功 电流 。A P F 承担 了负载中的谐波和无功电流分量 ，实现 了网 侧电流的无功补偿和谐波滤除。 2 双重化 2 1 双重化的主电路结构 采用双重化主 电路 ，可以实现有源电力滤波 器 的大容量 ，还可 以提高有源电力滤波器 的等效 开关频率， 从而改善补偿电流的跟随特性。另外， 由于等效开关频率的提高，可以降低单个器件的 工作频率，这样既可以降低对器件工作频率的要 求， 又可减少器件的开关损耗。双重化的三相四线 制主电路结构如图 2 所示。 图 2 双重化的三相四线 制主 电路结构 Fig 2 M a in cir cu it o f d u a l t h r e e - p h a s e f o u r - wir e s y s t e m 2 2 S P WM 的多重化原理 为了能在不改变载波频率的同时进一步降低 S P WM 的谐波含量 ， 可以采用相移载波的 P WM方 法 ， 该方法 原理是 ： 采用同一个调制波 ， 而对载波 进行相移 ， 例如 1 个 m电平的变换器 ， 每相采用 m 一 1 个具有相同频率和相同峰值的三角载波与同 1 个调制波相 比较 ； m一 1 个三角载波之间依次相移 3 6 0 。 ( m一 1 ) 。由于相邻 的载波之间有一个相移 ， 这 一 相 移使得 所产生 的正 弦脉 冲宽度 调制 S P WM ( s in u s o id a l p u l s e w id t h mo d u l a t i o n ) 脉冲在相位上错 开，在叠加输出的S P WM波等效开关频率提高到 原来 的 m一 1 倍 ，因此可以在不提高开关频率 的条 件下 ， 大大减小输出谐波 。 P WM逆变电路多重化联 接方式有变压器方式和电抗器方式 ，由图 2可知 本文采用的是电抗器联接实现二重 P WM逆变 。 电 路的输 出是经过 2个 电抗器后联结于一点 ，再经 过 L C滤波后输出。 在此结构中需将载波相互错开 1 8 0 。 ， 双重化载波信号见图 3 。 图 3 双重化 的载波信号 F ig 3 Du al ca r r ie r s ig n a l 第 9 期 冯德仁等：D S P技术应用于双重化有源电力滤波器 7 3 3 谐波提取及其控制策略 3 1 三相软件锁相环 三相软件锁相 环 P L L ( p h a s e l o ck e d l o o p ) 的基 本结构框图如图4所示。图中虚线框内的坐标变 换为鉴相器， 为 L Y ,J 积分环节， 积分环节 1 s 为 压控振荡器 ， 为压控振荡器的固有频率 ，此处 ( c =1 0 0 1 T ( 电网额定频率 ) ， 各项功能都 由 D S P完 成。电网电压经坐标变换后得到 ， 使之与tt sq = 0 逼近 ，再经过环路滤波器后改变压控振荡器的振 荡频率。 在用 D S P 实现时， 一般采用 D S P内部定时 器的循环计数来产生同步信号、实现压控振荡器 和分频器的功能 ，因此可通过改变定时器 的周期 或最大循环计数值的方法来改变同步信号的频率 和相位。 图4 三相软件 P L L结构框图 F ig 4 S t r u ct u r e d ia g r a m o f PL L 3 2 基于瞬时无功功率理论的谐波检测法 上述基 于同步旋转 P a r k变换 的电流 ip - i 法 ， 该方法应用于补偿三相四线制负载的有源电力滤 波器 ， 是从实用的角度来进行设计的 ， 所以对于实 际的产 品有更为广阔的应用空间。优点就是 通过 一 系列的计算就可以检测出除基波以外的任意次 谐波 ， 方便快捷 ， 而且通过软件编程的方式也很容 易实现。 本文采用基于瞬时无功功率理论 的电流 ip - i。 法计算谐波和无功指令电流，电流 i p - i 法的框图 如图 5所示。 图 5 谐波 电流提取流程 Fi g 5 F l o w ch a r t o f h a r mo n ic cu r r e n t e x t r a ct io n 3 3 直流侧 电压稳压控制策略 由瞬时无功功率理论可知 ，以三相 电网相位 为参考 ，逆变器输出基波电流在 d轴上 的分量为 正 ， 则 电容能量流向电网 ， 电容 电压下降 ； 反 之则 电网电能流向电容 ， 电容电压升高。这为直流侧电 压控制提供了依据。另外 ， 如果流出电容中性点的 电流为正 ， 电容中点 电势将会下降 ； 反之则 电容中 点 电势将会升高 ，这为 电容中点 电压控制提供了 依据。本文针对稳定直流侧 电压和进行零序电流 补偿 ， 提出的控制结构如图 6 所示 ， 电网相位角来 自电网电压锁相环输出，直流电压经过 P I 调节后 得到一个用于补偿直流 电压波动 的基波 电流补偿 分量 ， a 、 ， b 。 、 ， c 。负载补偿电流给定 、 、 是来 自 谐波检测环节的输出，用于补偿负载侧谐波电 流。 中点电压波动经过一个 2 V宽度的滞环调节器 后经 P 调节控制输出，得到一个抑制中点电压波 图6 直流侧电压优化控制结构 F ig 6 Co n t r o l s t r u ct u r e o f v o l t a g e o p t imiz a t io n o n DC s id e 7 4 电 力 系 统 及 其 自 动 化 学 报 第 2 6卷 动过量的零序电流补偿量。由于逆变器需要对高 次谐波有较快的补偿，为此加入电流信号微分前 馈以提高系统的快速反应性。由于电容电压变化 速率比电感电流慢很多， 为了使系统更加稳定 ， 同 时减小直流电压尖峰引起的系统性干扰，工程上 直流电压环的调节速度为电流环速度的 1 0倍5 1 。 3 4 直流侧 电压的低通滤波器设计 由于开关器件 的固有特性 ，直流侧电压往往 存在电压尖峰， 给直流电压控制较大带来干扰 ， 甚 至带来更大的尖峰，为此参与控制的电压 和 都是来 自 低通滤波器的输出。 本文采用巴特沃 斯二阶低通滤波器 ， 采样频率为 1 0 k H z ， 截止频率 设为5 0 0 H z 。其 z 域传递函数为 h (z ) = 弩 ( 1 ) 化为差方分方程 y ( k ) =0 0 2 00 8 x ( k ) + ( 尼一1 ) +x ( k一2 ) 1 + 1 5 6 1 y ( k一1 ) 一0 6 4 1 4 y ( 一2 ) ( 2 ) 3 5 给定电流微分前馈 给定 电流微分前馈来补偿输 出电感势 ，用于 加快系统的反应速度 。简单的微分前馈有可能给 系统带来潜在的振荡风险，所以考虑在微分的基 础上再加上 1 个时间常数较大的一阶限性环节， 如果控周期为 T：0 0 0 0 1 s ， 设计一阶 质性环节的 时间常为 1 0 0 T 。以 a 相为例。其给定电流微分前 馈传递函数为 ( ) ( 3 ) 以双线性变换方式离散化后 ， 得 h ( z ) = ( 4 ) 化为差分方程 y ( k ) =1 9 6 1 x ( k ) 一 x ( k 一1 ) 一 0 9 6 0 8 y ( 一1 ) ( 5 ) 4 控 制系统 的设计 本 系统 以 D S P为 控 制核 心 ，选 用 T I 公 司 T MS 3 2 0 F 2 8 1 2控制芯 片， 实现电流与电压的采样 、 软件锁相 、谐波指令 电流的计算以及系统的过压 过流保护等， 程序主流程如图7 所示。 控制系统采样频率为 1 0 k H z ，由 D S P的事务 管理模块 E V A ( e v e n t m a n a g e m e n t A ) 与 E V B ( e v e n t m a n a g e me n t B) 同时实现 2组 P WM波的输 出， E V A 与 E VB的三角载波相差 1 8 0 。 ，从而可以得到图 3 所示的双重化载波信号。 开始 上电重启 初始化系统寄存器 初始化通用 g O端 口 初始化外设中断 优先级 关全局中断使能 初始化外设中断向量 使能 定时中断和 P D P中断 初始化外设 定 时器 0 启动计 时 初始化系统 控制参数 使 能全局 中断 工 等待中断 图 7 A P F主程序 的流程 F ig 7 F l o w ch a r t o f AP F ma in p r o g r a m 5 样机的研制 系统选择了 2 块三凌智能功率模块( I P M) ， 型 号为 P M3 0 0 P L A1 2 0 ，设计了 1台容量 1 5 0 k V A的 有源电力滤波器。滤波电感值 0 3 mH， 电容参数为 4 7 0 0 Ix F 4 5 0 V， 用 6个电容采用两 串三并的结构 ， 同时给每个电容上并 1 个旁路电阻， 3 3 k l 1 0 W， 给定直流母线 电压 7 3 0 V， 输人为 3 8 0 V三相 四线 制交流电。三相 四线制负载( 三相四线制负载结构 如图 8 所示， 由3 个单相不控整流器组成 ， 每个整 流器输出接串联的0 6 m H电感和2 n电阻。 ) 的总 谐波失 真 T H D( t o t a l h a r m o n ic d is t o r t io n ) 为 2 7 左 右， 总电流大小为 6 0 0 A 。补偿前电网侧三相电流 波形如图 9所示 ，用 F L U C K 4 3 5测得 的补偿前 电 网侧三相 电流柱状图如图 1 0 所示 。补偿后的电流 波形基本上为正 弦波 ， T H D为 2 8 ，电网侧三相 电流波形如图 1 1 所示 ， 电网侧三相 电流柱状 图如 图 1 2所示 ， 效果 比较显著。 2n 2n 2n 图 8 三相四线制负载 结构 Fi g 8 Th r e e - p h a s e f o u r - wir e l o a d s t r u ct u r e 第 9期 冯德仁等：D S P技术应用于双重化有源电力滤波器 7 5 0 0 0 5 0 0 0 o0 0 o 0 5 o0 0 0 0 5 0 0 0 图 9 补偿前网侧电流波形 F ig 9 Cu r r e n t wa v e f o r ms o n g r id s id e wit h o u t co mp e n s a t io n 图 l 0 补偿前网侧电流柱状图 F ig 1 0 Cu r r e n t ba r ch a r t o f wit h o u t co mp e n s a t io n 0 0 0 5 0 o 0 0 0 00 0 5 o 0 0 0 0 50 0 O 图 1 1 补偿后 网侧 电流 波形 F ig 1 1 Cu r r e n t wa v e f o r ms o n g r id s id e wit h co mp e n s a t io n 图 1 2 补偿后网侧电流柱状图 F ig 1 2 Cu r r e n t b a r ch a r t 、 v it l l co mp e n s a ti o n 6 结语 针对大容量有源 电力滤波器 的实现 问题 ， 本 文利用 2个模块化的 P WM主电路实现有源电力 滤波器容量的扩充。采用了载波移相双重化技术， 在不提高逆变桥的开关频率与保持主电路拓扑结 构的前提下获得高等效开关频率，还能减少系统 输出的高次谐波含量。 实验结果表明 ， 基于 D S P的 控制系统实现了对双重化有源 电力滤波器的有效 控制 ，基于该 系统的有源电力滤波器具有很好的 补偿效果。 参考文献 ： 【 1 1 王兆安， 杨君 ， 刘进军， 谐波抑制与无功功率补偿 M 北京： 机械工业出版社， 1 9 9 8 2 】 陈国柱 ，吕征宇，钱照明 ( C h e n G u o z h u ， L t i Z h e n g y u ， Q i a n Z h a o m in g ) 有源 电力滤波器的一般原理及应用 ( T h e g e n e r a l p rin cip l e o f a ct i v e fil t e r a n d it s a p p l i ca t i o n ) J 1 中 国 电机 工 程 学 报( P r o ce e d i n g s o f t h e C S E E ) ， 2 0 0 0 ， 2 0 ( 9 ) ： 1 7 2 1 3 李琼林 ， 刘会金， 孙建军， 等( E l Q io n g l in ， L iu H u i j in ， S u n J i a n j u n ， e t a t ) 大容量有源滤 波器 的拓扑结构分析 ( T o p o l o g y a n a l y s is o f t h e a ct i v e p o w e r fil t e r wi t h l a r g e ca - p a ci t y ) 【 J J 高 电压技 术 ( Hi g h V o l t a g e E n g in e e ri n g ) ， 2 0 0 6 ， 3 2 ( 2 ) ： 7 0 7 4 ， 7 7 4 张仲超 ， 张劲东( Z h a n g Z h o n g ch a o ， Z h a n g J i n d o n g ) 特 大功率组合变流器的相移 S P WM技术 P h a s e s h i ft S P WM t e ch n i q u e i n mu l t i co n v e r t e r )