（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp的有源电力滤波器控制系统的设计与研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t ：a c t i v e1 ) o w c r 啪c o m p e n s a t eh a r m o n i co fw h i c hf r e q u e n c ya n d a m p l i t u d ei s v a r i a b l ea n dl h ec o m p e n s a t i n gc h a r a c t e ri sf r e eo fi n f e c t i o no ft h e r e s i s t a n c ei nt h ee l e e l r i e a ln e t w o r k n 坼g o o df i l t e rc h a r a c t e ro fa p f 啪s a t i s f yt h e l l c e d so f c o m p e n s a t i o n 响ep r i n c i p l ea n ds t r u e t t u eo f a p fi sf i r s tp r o p o s e d a n d p u t sf o r w a r dad e s i g no f s h u n ta e t i v cp o w a rf i l t e rb a s e do nd s pc o n t r o l , 谢ms p e c i a la t t e n t i o no nt h ec o n t r o l s t r a t e g ya n dh a r d w a r ed e s i g n h a r m o n i cc z t r r c n td e t e c t i o nm e t h o da n dc o m p e n s a t i o nc t u r c n tc o n t r o ls t r a t e g y 锄 t h et w ok e yi s s u e st oi m p a c tt h ep e r f o r m a n c eo fa p f n e y 玳a l s ot h ef o c u so ft l a c s t u d yo na c t i v ep o w e r f i l t e r s t or e a l i z et h ee o n l x o lo f a p f , t h et h e s i su s eam e t h o do f b a m l o l l i c ：d e t c e t i o l lb a s e d 伽一a d e a d b e a tc o n t r o ls t r a t e g yw h i c hc o u l dm i n i m i z et h co v e r a l lc u n e l l t 洲i s p r o p o s e dt h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h et o p o l o g yo ft l a c3 - p h a s e3 - w i r ev o l t a g ea p f n i m p r o v et h ct r a c k i n gp ，蟹c i s i o n o fr e f e r e n c e c t l a r c n t s ) a n dg o o de o m p e m a t i w a p c r f o r m 跹e ci s a t t a i n e d e o m e q u c n t l y t h es i m u l a t i o n o fa p fs y s t e mb a s e do n m a t l a bi se s t a b l i s h e da n ds i m u l a t i o ni sc a r r i e do u tu n d e rv a r i o u sc o n d i t i o n s t or e a l i z et h ea l g o r i t h m sp r o p o s e di nt h ep a p e ra n ds a t i s 黟t h er e q u i r e m e n to ft h e a p f p r o t o t y p es y s t e m , b a s e do nt h ec o r eo ft m s 3 2 0 f 2 8 1 2 a n dt m s 3 2 0 f v c 3 3 t h e l a i g h - s p c e c ld i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gc o n t r o lp l a t f o r mi se s t a b l i s h e d b a s e d o nt h e e o n l r o lp l a t f o r m , t h es y 龇1 c l ne o n l r o lc i r e i f i ti sd e s i g n e d , a n di t sh a r d w a r ed e s i g na r e i n t r o d u c e di nd e t a i l t h e nt h ch a r m o n i ce o m p e m a t i o ne x p e r i m e n ti sr e a l i z e d 傩t h el a b o r a t o r y p r o t o t y p co fa p f 豇坞r e s u l to ft h ee x p e r i m e n td e m o n s t r a t e st h ec o r r e c t n e s s a n d f e a s i b i l i t yo f t h ea l g o r i t h m k e y w o r i o $ ：a c t i v ep o w e rf i l t e r ；, h a r m o n i c ；d s p ；m a t l a b c l a s s n o - 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：务刃 签字眺硼钆月卅日 导师签名： 彳、司鼋 签字日期：p 1 年，；月别日 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：乙貂 柳期：川 月j 日 致谢 在论文完成之际，我要衷心的感谢我的导师曾国宏教授。本论文是在曾老师 的悉心指导下完成的。曾老师教授渊博的学问、活跃的思想、严谨的态度以及宽 厚的为人使我获益匪浅，他严谨求实的治学态度对我目前的研究工作以至今后的 工作和学习影响深远。另外，曾老师在科研及生活上给予我的关怀令我深受感动、 难以忘怀。他为我创造了一个良好的科研条件以及许多难得的锻炼机会，他不断 的鼓励增添了我的信心，使我敢于直面困难，在科研的道路上逐步成熟起来。硕 士学业即将完成之际，在此衷心感谢三年来曾老师对我的关心和指导。 在实验室工作及撰写论文期间，刘斌、张佳、张瑛博、许菁晶和王春光等同 学对我的科研工作和论文完成给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情 另外也感谢我的父亲母亲和女朋友王瑶，他们的理解和支持使我能够在学校 专心完成我的学业 最后，承蒙各位专家、教授的评阅和评议，你们提出的宝贵意见将使作者受 益匪浅谢谢! 1 1引言 1 1 1电力系统的谐波问题 1 绪论 随着现代工业的发展。电力系统中非线性负荷大量增加，各种非线性和时变 性电子装置如逆变器、整流器及各种开关电源大规模的应用，其负面效应也日益 明显。电力电子装置的开关动作向电网中注入了大量的谐波和次谐波分量，导致 了交流电网中电压和电流波形的严重失真，从而代替了传统的变压器等铁磁材料 的非线性装置引起的谐波，成为最主要的谐波源。同时办公自动化和家用电器的 日益普及，民用和商业用电在城市中的比例日益增大，并且工作同时性强，所以 逐渐成为配电网谐波污染的主要来源。电能质量的下降严重影响着供、用电设备 的安全经济运行，降低了人们的生活质量嘲。 谐波污染是影响电能质量的重要因素之一，谐波对电力系统和其他用电设备 带来了非常严重的影响，主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 谐波使得电能的生产、传输和利用效率降低。谐波电流一方面会在输电线 路上产生谐波压降，另一方面增加了输电线路上的电流有效值，从而引起附加输 电损耗。同时，由于涡流、集肤效应和邻近效应等的关系，谐波还会增加旋转电 机和变压器的附加损耗。 ( 2 ) 谐波使电器设备因电流中高频成分增加导致产生的涡流损耗增加，从而弓i 起设备过热，并使绝缘老化，使用寿命缩短，甚至发生故障或烧毁。 ( 3 ) 谐波可引起电力系统中局部并联谐振或串联谐振，使谐波含量放大，造成 电容等设备烧毁。 ( 4 ) 谐波对临近的通讯系统会产生严重干扰。如电力载波通信、远动装置信号 以及与架空线平行的通信线路，轻者产生噪声，降低通信质量：重者导致信息丢 失，使通信系统无法正常工作。 ( 5 ) 谐波可引起继电保护和自动装置误动作。 ( 6 ) 谐波引起电能计量的误差。测量仪表是在纯正弦波情况下进行校验的，如 果供电的波形发生畸变，仪表则容易产生误差。i i 】 基于以上原因，电力系统的谐波问题引起了世界各国的关注。国际上召开了 多次谐波问题的学术会议，很多国家和国际学术组织都制定了限制电力系统谐波 和用电设备谐波的标准和规定。国际电工委员会( m c ) 为统一各国电气标准和规 范，正陆续制定电磁兼容( e m c ) 6 1 0 0 0 系列标准，该系列标准中涉及低频扰动范 围的就有电力谐波。1 9 9 3 年我国也推出了国家谐波标准g b t 1 4 5 4 - - 9 3 电能质量 一公用电网谐波圈。这些标准和规定的制定对解决电力系统谐波危害和影响起 到了很大作用。 1 1 2谐波的治理 谐波治理的意义，还在于其对电力电子技术自身发展的影响。电力电子技术 是未来科学技术发展的重要支柱，然而，电力电子装置所产生的谐波污染已成为 阻碍电力电子技术发展的重大障碍。有效地抑制谐波，可以推动电力电子技术发 展，同时，电力电子技术的进步，也会促使谐波抑制技术提高。 谐波治理的意义，更可以上升到从治理环境污染、维护“绿色电网”的高度 来认识对于电力系统这个环境来说，无谐波就是“绿色”的主要标志之一提 高电能利用率、降低电力系统中谐波污染已成为电工技术界所必须解决的问题【1 1 1 谐波治理的措施主要有两种：一是对电力电子装置本身进行改造，使其不产 生谐波，这是一种主动谐波抑制途径。如增加整流相数；多重化方式；改进的p w m ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 技术另一种就是采用谐波补偿装置来补偿谐波。如采 用无源滤波器p p f ( p a s s i v ep o w e rf i l t e r ) 、有源滤波器a p f ( a c t i v ep o w e rf i l t e r ) 或混合型电力滤波器h p f ( h y b r i d p o w e r f i l t e r ) ，补偿或滤除电网中谐波前者只 适用于作为主要谐波源的电力电子装置，而后者对各种谐波源都是适用的 装设l c 调谐无源滤波器是滤除谐波的传统方法这种方法既可以补偿谐波， 又可以补偿无功功率，而且结构简单，一直被广泛使用这种方法的主要缺点是 补偿特性受电网阻抗参数和运行状态影响，易和系统发生并联谐振，导致谐波放 大，使l c 滤波器过载甚至烧毁。此外，它只能补偿固定频率的谐波，补偿效果也 不甚理想。尽管如此，l c 滤波器当前仍然是补偿谐波的最主要手段。 目前，谐波治理的一个重要趋势是采用有源电力滤波器( a c t i v e p o w e r f i l t e r ， 简称a p f ) 。有源电力滤波器的基本思想形成于上个世纪六七十年代，它是一种用 于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置。在谐波源附近和公用网结点装 设并联型或串联型a p f ，可以有效地起到补偿或隔离谐波的作用，并联型a p f 还 可以进行无功功率的补偿。与传统的l c 无源滤波器相比，a p f 具有以下一些优点： ( 1 ) 滤波效果受电源系统阻抗影响较小；不会与系统阻抗发生串联或并联 谐振； ( 2 ) 实现了动态治理，能够迅速响应谐波的频率和幅值发生的变化； 2 ( 3 ) 由于装置本身设计了输出功率限制，因此即使谐波含量增大也不会过 载； ( 4 不仅能够补偿谐波，而且还可同时补偿或吸收无功功率，且无功大小 可调； ( 5 ) 谐波补偿特性不受电网频率变化的影响； ( 6 ) 可以对多个谐波源进行集中治理。 但a p f 也有其自身的缺点，比如补偿容量小，硬件成本较高，而且控制系统 设计复杂，系统可靠性要求高，这是当前制约有源滤波器大量应用的重要原因之 一。随着电子技术进步，计算机控制技术提高，以及电力电子器件成本不断降低， 有源滤波器成本也将不断下降，这为有源滤波器的应用和推广刨造有利条件。 此外混合型有源电力滤波器h a p f ( h y b r i da c t i v ep o w e rr i l t 廿) t h 于其兼具无 源补偿器补偿容量大、成本低廉和有源滤波器性能优越的优点。也是电力滤波器 的一个发展方向 1 2有源滤波器的发展及现状 早在1 9 世纪7 0 年代初期，日本学者就提出了有源电力滤波器( a c t i v ep o w e r f i l t e r 简记为a p f ) 的概念，其工作原理就是根据所检测到的负载谐波电流分量来 控制a p f ，使其发出一个相反的谐波电流进行抵消，从而起到实时补偿谐波电流 的目的。但在7 0 年代，由于受半导体功率器件研制水平的限制，a p f 的研究没有 取得重大突破。进入2 0 世纪8 0 年代以来，随着大功率开关器件的迅速发展，p w m 技术的发展。尤其是1 9 8 3 年日本的赤木泰文( h i r o f u m i a k a g i ) 等人提出了。三相 电路瞬时无功功率理论”，1 2 5 】以该理论为基础的谐波和无功电流检测方法在三相有 源电力滤波器中得到了成功的应用，极大地促进了有源电力滤波器的发展，使之 开始进入工业应用阶段。 有源电力滤波器经过二十多年的发展，其技术已经日益成熟。目前，有源电 力滤波技术己在日本、美国、德国等少数工业发达国家得到了广泛应用。a p f 的 应用以单独使用为主，并联型a p f 比较成熟。在日本，己有5 0 0 多台a p f 投入实 际运行，绝大部分为并联型a p f ，容量范围由5 0 k v a 到6 0 m v a 。有源电力滤波器 已广泛应用于工业、商业和机关团体的配电网中。如变频调速装置、证券交易供 电系统、电气化铁路、电信电源系统、医疗成像系统、机场港口备用电源、精密 电子企业等。 国内对于a p f 的研究尚处在起步阶段，武汉大学、电力部电力科学研究院、 清华大学、西安交通大学、东北大学、重庆大学、北京交通大学、华北电力大学 3 等单位正积极进行这方面的相关研究，部分单位已经研制出样机并投入试运行， 但是大多处于仿真和小容量实验室样机研究阶段。工业上只有少数几台样机投入 试运行，但电压等级低，滤波器容量小，而且谐波补偿效果还不尽人意，距离工 业应用产品要求尚有一定差距 从近年来的研究和应用中可以看出a p f 的发展趋势如下： ( 1 ) 采用多重化、多电平等技术提高开关器件等效开关频率，弥补大容量电力 电子器件开关频率和耐压水平不足的缺点。对于大功率装置而言，由于功率器件 的开关频率有限，则p w m 调制与多重化并用成为提高等效开关颏率的一条重要途 径。 ( 2 ) 大功率补偿装置从经济角度考虑，采用有源滤波器与l c 滤波器混合使用 的方法，以减少有源滤波器的容量。达到降低成本、提高效率的目的 ( 3 ) 研究先进的谐波检测方法和控制策略。近年来，日本投入运行的a p f 中控 制装置大多基于瞬时空问矢量理论。但由于电力系统及补偿器具有非线性、多变 量等特点，因此研究具有鲁棒性的谐波检测方法和控制策略成为今后有源滤波器 研究的重点之一 ( 4 ) 提出新的有源滤波器拓扑结构，提高有源滤波系统补偿性能，简化控制系 统结构，降低有源滤波器成本 ( 5 ) 补偿装置数字化、智能化、多功能化提高系统集成度和可靠性，增加滤 波器功能，使其除能补偿谐波电流外。通过在控制电路上加以改造还可以补偿基 波无功电流，抑制电压闪变以及电压不平衡等，具备综合补偿功能【1 1 3 本文主要工作 本文首先阐述了有源电力滤波器的工作原理。对有源滤波器谐波检测方法和 控制策略进行研究。谐波检测方法采用基于瞬时无功理论的f 一毛法该方法能够 在电网电压存在畸交和不对称情况下可以较好的检测电两中谐波电流；控制策略 采用基于三相电流的综合误差最小的无差拍控制策略，提高了控制精度、改善动 态响应性能 建立有源电力滤波器系统数字仿真模型，在理想电压源和非理想电压源的条 件下进行仿真试验，验证本论文中所提谐波检测方法和补偿电流控制策略的正确 性和可行性 设计了有源电力滤波器的控制平台，该控制平台采用了t i 公司的高性能数字 信号处理器( d s p ) t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 和t m s 3 2 0 v c 3 3 作为控制核心，由于其优越的 数字信号处理和计算性能，使系统的补偿精度和动态性能得到了很大改善，提高 4 了系统的补偿质量和补偿效率。采用c 言语开发2 8 1 2 的应用程序，编译简单，易 于修改。 在实验样机上进行实验，以三相全控桥为负载，进一步验证本论文所采用的 谐波检测方法和补偿电流控制策略的正确性和可行性。 5 2 有源电力滤波器的基本原理及拓扑结构 2 1有源电力滤波器的基本原理 有源电力滤波器根据其与电网连接的方式不同，分为并联型和串联型两种， 并联型滤波器在实际中应用较广由于本文采用的是并联型有源滤波器，下面就 以并联型有源滤波器为例，介绍其工作原理。图2 1 为最基本的并联型有源电力滤 波器系统结构图从结构上来看，有源电力滤波器主要由两大部分组成，即指令 电流运算电路和补偿电流发生电路( 由电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路三 个部分组成) 其中指令电流运算电路的作用是检测出被补偿对象中的谐波和无功 电流分量补偿电流发生电路的作用是根据指令电流发出补偿电流的指令信号， 控制逆变主电路产生补偿电流，并注入到电网中，以达到消除谐波和无功电流的 目的 图2 1 有源电力滤波器原理框图 f i 9 2 1p r i n c i p l e b l o c k d a g r a m o f a c t i v e p o w e l - f i l t e r 如图2 1 所示并联型有源滤波器的基本工作原理是：通过电压和电流传感器检 测补偿对象( 非线性负载) 的电压和电流信号，然后经指令电流运算单元计算出 补偿电流的指令信号，再经p w m 控制信号单元将其转换为p w m 指令，控制逆变 器输出与负载中所产生的谐波或无功电流大小相等，相位相反的补偿电流，最终 得到期望的电源电流。 如图2 1 所示，电源电流由负载电流和有源滤波器的输出电流t 共同组成。 = f ，+ ( 2 1 ) 负载电流又可分解为基波分量0 和谐波分量之和。而基波分量又可分为基 波有功分量锄和基波无功分量之和这样负载电流可表示为基波有功分量、 基波无功分量瑶和谐波分量缸之和。上述原理的公式描述如下：。 6 习 。一卤由萋 螺 i | = i f + i 溉i 旷= i 睁+ i 晌i l = i 睁+ t 晌+ i q 萄 如果控制有源滤波器的输出电流使 = ( 2 3 ) 那么电源电流中就只剩下基波电流了，既有 = + = 0 ( 2 4 ) 这样就达到了抑制谐波的目的。简言之，并联型有源滤波器相当于并联在电 网上的受控电流源，它实时检测负载电流中的谐波电流，并产生与之大小相等而 方向相反的补偿电流，使流入电网的谐波电流基本为零。 如果要求有源滤波器在补偿谐波的同时，补偿无功功率，则只需要在补偿谐 波电流的指令信号中增加与负载电流基波无功分量反极性分量即可，使得补偿电 流与负载电流中的谐波及无功分量相互抵消，电源电流等于负载电流的基波有功 分量。公式表达如下： = 弋+ 珏)= + = 0 ( 2 5 ) 2 2有源电力滤波器的分类及拓扑结构 2 2 1根据系统连接方式划分 根据与补偿对象连接的方式，以及是否与无源电力滤波器混合使用，a p f 可 分为并联型、串联型和混合型三种基本类型3 i 具体划分如图2 2 所示不同类型 的a p f 适合于不同的补偿对象。串联型a p f 适合补偿电压型谐波源负载，即直流 侧含有大电容滤波的整流电路。并联型和混合型a p f 适合补偿电流型谐波源负载， 即直流侧含有大电感滤波的整流电路。每一种类型的有源电力滤波器结构不同， 因而其工作原理和特性也各不相同 7 ，一单独使用方式 i，与无源滤波器并联 i 并联混合型 广并联型l l 与无源滤波器串联 厂串联谐振式 注入回路方式 m a x ( 缸卿 ( 2 1 0 ) d t 。 设计基波最大补偿电流1 5 0 a ，因此可以得出l 的最大值为： 工 4 驱动电路l ， 反向嚣 图3 5 采用滞环比较器的瞬时值比较方式 f i g3 5h y s t e r e s i s l o o pi n s t a n t a n e o u sc o m p a r a t o ro p e r a t i o n 渐一善 2 三角波控制 三角波控制是最简单的一种控制方法，其原理如图3 7 所示，它是将指令电流 e 与补偿电流的偏差v t 经放大i l i a 后再与三角波比较，所得到的矩形脉冲作为 变流器各开关元件的控制信号，从而在变流器输出端获得所需的波形放大器彳 往往采用比例放大器或比例积分放大器。这样组成的一个控制系统是基于把w 控 制为最小来进行设计的，该方法较适合模拟电路控制。该方法的优点是动态响应 好，开关频率固定，实现电路简单，缺点是输出波形中含有与三角载波相同频率 的谐波，跟随误差较大，开关损耗较大且开关频率固定，在大功率应用中受到限 制。例 非门 图3 7 三角波比较方式 f i g 3 7s c h e m a t i co f t r i a n g u l a rw s v cc o m p a r a t o rm e t h o d 3 无差拍控制 无差拍控制( d e a d b e a tc o n t r 0 1 ) 是一种在电流滞环比较控制基础上发展起来的 全数字化控制技术，实际上是一种预测控制方案。该方法基本思想是利用前一时 刻的补偿电流参考值和实际值，计算出下一时刻的电流参考值及各种开关状态下 变流器电流输出值。选择使电流误差最小的开关模式作为下一时刻的开关状态。 该方法的优点是能够快速响应电流的突然变化，特别适合快速暂态控制。缺点是 计算量大，而且对系统参数依赖性较大。近年来随着微机控制技术的不断发展以 及数字信号处理器( d s p ) 运算速度的不断提高，无差拍控制法及其它快速优化控 制法在有源滤波器中得到迸一步的应用 3 2 2本文所采用的控制策略 本节首先分析了三相三线电压型有源滤波器的拓扑结构，建立系统等效电路， 然后在此基础上基于无差拍控制的思想提出了三相电流的综合误差最小的开关控 制策略，并从理论上说明了控制的基本方法和原理。该方法具有下列优点； 将变流器的状态作为控制的手段，能够实现各相之间的关联控制，便 于优化开关过程，提高开关动作的效率； 便于实现多个性能控制指标的融合与切换； 控制周期一定，即开关频率固定，减小脉动电流和开关噪声。 1 三相三线有源滤波器的拓扑结构 图3 8 ( a ) 为三相电压型有源滤波器电路结构图，它的主电路( 虚线部分) 是三 桥臂变流器，与负载并联接入电网中。通过控制功率开关t i t 6 的通断时间，可 以改变滤波器输出电流的大小与方向，从而达到补偿负载的谐波电流和无功电流 的目的。由于同一桥臂的上、下两个开关不可能同时导通，因此可以将t l 、t 3 、 t 5 所在桥臂的状态分别用、岛、表示。定义s ，= l 表示第个桥臂的桥臂导 通，下桥臂关断；s s = 0 表示第，个桥臂的下桥臂导通，上桥臂关断。采用这种 等效开关表示后，电路简化为图3 8 所示的形式。 t t 1 3t 5 厂弘一 。一峪。吐i 一电 i ? 1“ j 叔： jy z j 一 1 、y ：t l l 弘t过q 广广 i - l i 非线性负载l1 平1 ： i 2 t 4t 6 ( a ) ( c ) 图3 8 有源滤波器供电系统的电路结构 f i g u r e3 + 8c i r c u i ts t r u c t u r eo f t h ep o w e rs y s t e mo f a c t i v ep o w e rf i l t e r 主电路的工作情况是由主电路的6 组开关器件的通断组合所决定的，将特定 的开关组合所对应的工作情况称为开关模式。在实际控制中，由于存在电压闭环 的调节，直流侧电压可视为基本不变，在三相三线系统中存在吃+ 匕+ 匕= 0 ， 并根据该电路有+ + 乞= 0 ，可得出描述主电路工作情况的微分方程如下： 警2 & ( 3 2 2 ) 工鲁靠一 ( 3 2 3 ) 工鲁c 吒 ( 3 2 钔 式中丘【，出、岛【么、疋l 么为主电路各桥臂中点与电源中点之间的电压；e 、 瓦、疋为开关系数。将主电路各桥臂中点的输出电压用等效的电压源表示，就得 到等效电路图，如图3 8 ( c ) 所示 将( 3 2 2 ) 一( 3 2 4 ) 式左右两边分别相加，并根据条件吃+ 匕+ = 0 和 + + 乞= 0 ，可得到： e + 瓦+ 疋= 0( 3 2 5 ) 假设系统结构图中的第一桥臂中上桥臂导通，其它桥臂的下桥臂导通，即t l ， t 4 、t 6 、导通( s 女：1 0 0 ) ，在此工作模式下有：拖【么= 疋【么即： 瓦= 疋( 3 2 6 ) 此外，图3 8 ( a ) 中，x 、y 两点的电势差为直流侧电容的电压，则有： 丘一瓦= 0 即： 瓦一毛2 l ( 3 2 7 ) 由式( 3 2 5 ) 一o 2 7 ) 可解得：邑= 2 3 ，瓦- - - 1 3 ，疋= - 1 3 同理可以推出，其它 工作模式下的开关系数的值，如表3 1 所示。 交流器状态s趾瓦瓦 e 00 0 00o o l 0 0 11 31 32 3 20 1 01 32 31 3 30 1 12 3l 3l 3 4l o o2 3一l ，31 3 51 0 1l 32 31 3 6 1 l ol ，31 32 3 7 1 1 10oo 表3 1 开关表 t a b l e3 1s w i t c ht a b l e 式( 3 2 2 ) - - ( 3 2 4 ) 和表3 1 分别揭示了有源滤波器各相输出电流变化的独立性和 相关性，即：一方面，在变流器状态确定的前提下，各相电流的变化由各相的电 源电压及变流器的输出电压决定，与其它相的电压无关；另一方面，变流器各相 的输出电压由三桥臂的状态共同决定，任一桥臂的状态都不能单独决定某一相的 输出电压因此，在确定有源滤波器的控制策略时，既要利用各相的独立性所确 立的数值关系，又必须考虑并利用三桥臂之间的关联性。 2 无差拍的开关控制策略【1 7 】 系统的控制目标： 对基于电流控制的有源滤波器的控制目标就是使变流器各相的输出电流能跟 踪参考电流的变化，从而消除谐波电流 设电源第，相( ，= 珥6 c ) 的实际电流和指令电流分别为0 和，二者的差值e ， 定义为误差电流，即： e j = 一0 ( 3 2 8 ) 设系统当前时刻为f o ，采样周期为乙，将e ，在f o 、岛+ 气的值分别记为、 ，令m = 硎l ，| 1 ，k 1 ) ，则对应于变流器的8 个状态( 参见表3 1 ) ，m 有7 个数值，设其中的最小值为肘，对应的变流器状态为e 。按照上述的符号定义， 如果在t o 时刻开始选择状态，裁可以在“+ z 时刻保证电源三线电流的误差最大 值肘最小因此，可以将肘作为三线电流的综合误差。对于三相三线制的有源 滤波器，系统的控制目标也就是使电源电流的综合误差最小 参见图3 7 ( a ) 的标注，设三相( ，= 珥6 ，c ) 的负载电流和补偿电流分别为屯和， 由式( 3 2 8 ) 得 e j = 0 0 = 咯一一奶，歹= a , b ，c ( 3 2 9 ) 当乙很小时，可以认为在f o 和气+ 区段内，第_ ，相的指令电流白和负载 电流白都按线性变化，即 白( ) 5 0 。+ b 一，f e 【o 乙】 ( 3 3 0 ) 钝) 5 - 。+ 七# 一，f e 【o 乙1 ( 3 3 2 ) 其中，锄。和乇。分别表示白和白在f o 时刻的值；和分别表示锄和屯的变 化系数，可以由f 0 一及f o 时刻的采样值确定设。和0 分别表示锄和岛在 岛一乙时刻的值，则 2 ( 锄一o ) ( 3 3 3 ) 岛2 ( 锄一白一) 乙 ( 3 3 4 ) 由式( 3 2 2 ) - - ( 3 2 4 ) 可以求出变流器第_ ，相的输出电流： 渊帮华，。川 ( 3 3 5 ) 其中为在f o 时刻的值。 综合以上各式得 勺( o = ( 一神) + ( + 半一) f ，f 【o ，z 乙】( 3 3 6 1 其中，= 岛。一锄为岛在f o 时刻的值。 上式的时间起点是岛，等号右边的第一项实际上是当f = f o 时的勺值，即勺。j 当t = t o + 时，由上式可求出为 勺= ( 。一呻) + ( b + 半一b ) l ( 3 3 7 ) 巧是变流器状态s 的函数，则也是变流器状态s 的函数，且不同的s 对各 相电源电流在岛+ z 时刻误差值会产生不同的影响。因此，肘。与s 之间的关系 为： m m = m i n “e a 甜l + 甜l + b 甜i ， ( 3 3 8 ) 3 系统的控制策略： 系统的开关控制策略可以归结为：根据系统的控制且标，在f 。时刻利用电源 电流的参考值和实际值、负载电流的实际值及电源基波正序电压的实际值根据利 用式( 3 3 7 ) 计算出在各种开关状态下，三相电源电流误差在f 0 + 7 埘时刻的值，再根 据式( 3 3 8 ) 选择使三相电源电流综合误差最小的开关模式s 作为f o + 互。时刻的开 关状态来控制i g b t 这样，在f o 时刻，就把f o + z 时刻的控制状态发出去，达到 预测控制的目的。 4 有源滤波器控制系统的设计 4 1控制系统的硬件平台设计 控制系统用来完成电压、电流等信号的采集和处理、指令电流的计算、开关 策略的生成、p w m 信号的输出、系统对外通讯与系统保护等功能。控制系统是有 源滤波器的核心，它决定了有源电力滤波器系统的主要性能和指标 控制系统的结构框图如图4 1 所示本系统控制平台由电源板、两个d s p 控 制板、信号采集与调理板、i b g t 驱动板、按键和显示板组成。该控制平台作为一 个通用的d s p 数字控制实验平台不仅用于有源电力滤波器的控制系统，同样适用 于有大批数据处理的测控场合，如工业自动化控制、电力电子技术应用，智能化 仪器仪表及电机、马达伺服控制系统等。 图4 1 有源电力滤波器控制系统原理框图 f i g4 1f u n c t i o n a lb l o c kd i a g r a mo f a p f c o n t r o ls y s t e m 由于控制系统由多块控制板组成，需要不同的电源电压供电，如+ 5 v 、1 5 v 以及相互隔离的电源，因此，设计了单独的电源板向系统供电，以便于模块化管 理。被测电压和电流量经过霍尔l e m 传感器的采集，传至信号调理和捕获板，经 过信号调理电路使其符合d s p 控制板a d 输入端要求。 有源滤波器系统控制算法复杂，需要进行大量算术运算和控制逻辑处理，凭 借高性能处理器才能满足系统要求。本系统设计了基于德州仪器t i ( t e x a s i n s t r u m e n t ) 的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ( 以下简称2 8 1 2 ) 和基于t m s 3 2 0 v c 3 3 ( 下简称v c 3 3 ) 的两块d s p 控制板，在数据运算量大和对系统精度要求高的环境下，就需要两个 d s p 来进行协同工作，其中2 8 1 2 作为主控制器，负责数据采集、信号指示、故障 保护和p w m 信号产生等，v c 3 3 作为协处理器，主要完成实时数据计算，包括对 采样数据处理，提取畸变电流中谐波和无功分量，计算p w m 指令等。两块d s p 之间通过双口r a m 进行数据通信，并通过总线( 包括数据、地址、控制总线) 共享 控制板上的资源。在数据运算量不是很大且对系统实时性要求高的时候，可以只 用主控板的上的2 8 1 2 来进行数据处理和控制，并通过总线共享v c 3 3 控制板上的 资源。p w m 开关控制信号由2 8 1 2 主控板产生，经光耦隔离后送到i g b t 驱动板， 控制逆变桥工作。在试验过程中可以通过d a 转换电路观测试验结果和中间变量。 4 1 1基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 主控板设计 系统主控板的设计是基于美国德州仪器t i ( t e x a si n s t r u m e n t ) 的数字信号处理 ( d s p ) t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 2 8 1 2 是n 公司推出的一款3 2 位定点数字信号处理器，它具 有强大的事件管理能力和嵌入式控制功能，又具有丰富的片内外围设备，特别适 用于有大批数据处理的测控场合t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 主要性能和特征如下： 高性能静态c m o s 技术：时钟周期6 6 7 n s ( 1 5 0 m h z ) ；低功耗( 核心电压 1 8 v 。i o 口电压3 3 ；f l a s h 编程电压3 3 v ： 高性能的3 2 位中央处理器：1 6 x1 6 位和3 2 x 3 2 位乘法累加操作；1 6 x1 6 位的两个双累加器；哈佛总线结构；统一寻址模式；可达4 m b 的程序数据寻 址空间。 片内存储器；8 k * 1 6 位的f l a s h 存储器；l k * 1 6 位的o t p 型只读存储器； l o 和l h 两块4 k * 1 6 位的单口随机存储器( s a r a m ) ；h o ：一块8 k * 1 6 位的单 口随机存储器；m 0 和m 1 ：两块i k * 1 6 位的单口随机存储器。 外部存储器接口：多达i m b 的存储器扩展空间；可编程等待状态数；可 编程读写选通计数器；三个独立的片选端； 三个外部中断源，外部中断扩展( p i e ) 模块可支持9 6 个外部中断； 两个事件管理器( e v ) 模块：e v a 和e v b ，每一个模块都包含两个1 6 位 定时器，8 个1 6 位脉宽调制( p w m ) 通道，三个捕获单元； 2 8 通道的1 2 位a d c ，最小转换时问8 0 n s ： 具有u a r t 、c a n 、s c i 和s p i 通信接口； 3 个3 2 位的c p u 定时器。 最多有5 6 个独立的可编程、多用途通用输入输出( g p l 0 ) 引脚。 库资源丰富，浮点数运算库i q m a t h 省去了人为数字定标麻烦，并支持c 与c h 等编程语言，便于软件开发以及代码的更新与维护。 通过上面分析可以看出，t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 具有强大的数学运算和控制功能，可 满足控制系统实时控制要求t m s 3 2 0 f 2 8 x 的功能结构如图4 2 所示。 图4 2t m s 3 2 0 f 2 8 x 韵功能框图 f i g4 2f u n c t i o n a lb l o c kd i a g r a mo f t m s 3 2 0 f 2 8 x 以2 8 1 2 为核心，主控板的由电源管理单元、外扩r a m 、p w m 输出单元、通 信接口等组成。由于2 8 1 2 片内r a m 空间比较小( 1 8 k 字节的r a m ) ，所以外扩 一个2 5 6 k x1 6 的r a m 芯片i s 6 1 l v 2 5 6 1 6 ，在调试时，用作程序空问，避免每次 修改程序后都要烧写片内f l a s h ，也可用作数据空间，用来存储变量主控板功能 框图如图4 3 所示： i 电源管理单元 = o剑r a m l “盆蕊面嘉， t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 4 n 通信接口 广卅( c a n ，r s 2 3 2 ) 、厂一y 卜 a d w ? - ；置锁保护、p w m 输出 入 y y 图4 3t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 主控板结构框图 f i g 4 3f u n c t i o n a lb l o c kd i a g r a mo f c o n t r o ls y s t e mb a s e do 咀t m s 3 2 0 f 2 8 1