多重化大功率有源电力滤波器的控制系统研究

1、第 23卷 第 1期2004年 1月电 工 电 能 新 技 术Vol. 23, No. 1Jan. 2004 收稿日期 :2003207202基金项目 :国家自然科学基金重点资助项目 (59737140作者简介 :李红雨 (19782 , 男 , 山东籍 , 博士生 , 研究方向为谐波抑制和电能质量改善 ;王兆安 (19452 , 男 , 山西籍 , 教授 , 博导 , 研究方向为电力电子技术 、 谐波抑制等 。多重化大功率有源电力滤波器的控制系统研究李红雨 , 卓 放 , 雷万钧 , 吴隆辉 , 王兆安(西安交通大学 , 陕西 西安 710049摘要 :分析讨论了多模块化 PW M 变流器实

2、现的多重化大功率有源电力滤波器的结构 、 原理以及对控制系统的要求 , 根据其特点设计了基于双 DSP 的数模混合控制系统 , 给出了控制系统硬件结构 以及软件实现 , 采用软件锁相和硬件锁相相结合的方式有效地解决了同步问题 , 并针对有源滤波 器应用中的一些具体问题给出了软件解决方案 。最后给出了采用该控制方案的二重化有源电力 滤波器的实验结果 。 实验结果表明 , 基于该控制系统的有源电力滤波器具有很好的补偿效果 。 关键词 :多重化 ; 大功率有源电力滤波器 ; 数模混合控制系统 ; 硬件锁相 ; 软件锁相中图分类号 :T M461 文献标识码 :A 文章编号 :100323076(20

3、04 01200252041 引言非线性负载在配电系统中应用的不断增加 , 使 供电系统的电能质量问题正变得越来越严峻 。 与此 同时 , 精密设备 , 1何抑制电网谐波 , 热点 。 补偿特性 , 展 2。如何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 327。 本文研制的 100kVA 有源电 力滤波器 , 主电路由两个模块化 PW M 变流器单元组合实现 8, 并可以十分方便地扩展成由更多模块 组成的多重化大容量有源电力滤波器 。 其控制部分采用双 DSP 为核心的模数混合控制方案 9; 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

4、偿目的 。 采 用软件锁相和硬件锁相技术相结合的方式有效地消 除了因采样以及正 、 余弦信号不同步所造成的检测 误差 , 同时也解决了电网电压负序存在时的同步问 题 。 电流跟踪控制由模拟电路完成 , 各模块的补偿 电流指令相同 , 而载波相差一定角度 , 从而成倍提高 等效开关频率 , 有效地改善了补偿效果 。2 、 原理及对图 1 多重化有源电力滤波器基本结构Fig. 1 C on figuration of multiple active power filter主电路由 n 个 PW M 变流器模块并联组成 。这些 PW M 变流器模块直流侧并联在一起 , 公用一组 直流电容器 。 各

5、个模块的交流侧通过各自的进线电 抗后接在一起 , 再经过一个高通滤波器滤除开关纹 波后接入电网 。 有源电力滤波器工作时 , 各组 PW M 变流器根据来自控制电路计算出的电流指令 , 通过 各自的电流跟踪环节控制 , 产生补偿电流 , 注入电网 以抵消负载产生的谐波和无功 。为了获得良好的补偿效果 , 提高有源电力滤波器的可靠性 , 控制系统应当满足的基本要求是 :1. 能够快速 、 准确地从负载电流中检测出谐波及无功 成分 ;2. 能够控制各个 PW M 变流器模块产生补偿 电流 ;3. 能够在各 PW M 变流器模块间进行补偿容 量分配 。 能否解决好这些问题 , 就成为一个控制方 案成

6、败的关键 。 按以上要求 , 在下面两节给出了控 制方案及其软硬件实现 。图 2 多重化有源电力滤波器控制方法框图Fig. 2 C ontrol diagram of APF3 控制方法和控制系统硬件结构图 2面按模块分别进行介绍 。 311 准确 、 10212, 本系统采用了改进的基于时域的电流检测算法 , 该电流检测算法具有物理意义明确 、 快速 、 准确 、 灵活的特点 (该算法 在作者的另一篇文章中有详细描述 , 因尚未正式发 表 , 暂无法给出参考文献 。由图 2可以看出 , 电流检测环节需要一个与电 网电压同步的正 、 余弦信号 , 同时电流采样时刻也应 与该正 、 余弦信号完全

7、同步 , 否则就会造成一定检测 误差 。 本文中用硬件锁相来保证每个工频周期内的 采样点数相同且均布在整个周期 , 硬件锁相技术已 经比较成熟 , 这里就不介绍了 。系统中用软件锁相 来确定各采样点的准确相位13, 其原理见图 3。当 给定 u 3q 等于 0时 , 所得到的 sin 3、 cos 3就完全与 电网电压基波正序同步 , 当给定u 3q不为 0时 , 得到的 3与电网电压相位相差一定角度 , 但不会影响谐 波检测的正确性 , 从而可以方便地实现对位移因数的控制 。 根据 3也就可以确定各采样点对应的相 位信息 , 从而既消除了因采样以及正 、 余弦信号不同 步所造成的误差 , 又

8、解决了因电网电压负序所带来 的同步问题 。图 3 软件锁相控制图Fig. 3 C ontrol diagram of the phase locked loop312 电流跟踪控制为了增大有源电力滤波器的容量 , 本系统采用了多重化的主电路结构 , 这就存在各模块间均流的 问题 , 为了实现各 PW M 变流器模块间均流 , 将补偿 电流指令均分后作为各模块的补偿电流给定 。 采用 了三角波比较的跟踪型 PW M 控制方式 , 而各模块三角波载波依次相差 n, 也即通过载波移相方式达到多重化提高等效开关频率的目的 。 313 控制电路硬件根据控制方案的特点 , 设计了以双 DSP 为核心的数模

9、混合控制系统 , 谐波电流的检测采用数字电 路实现 , 而电流跟踪采用模拟电路实现 。两片 DSP 分别是 TI 公司的 T MS320C32和 T MS320F240。其中 浮点 DSP 2T MS320C32完成数据运算处理和通讯功 能 ; 而 T MS320F240主要是完成数据采集 、 谐波电流 指令的输出以及实现软件锁相 。两片 DSP 通过一62 电 工 电 能 新 技 术 第 23卷片 16K ×16bit 的双口 RAM (I DT7026 进行数据交换 。 为了协调系统内部的逻辑 , 本系统采用了一片 CP LD (EPM7128ST100 。 DSP 控制板检测出

10、的谐波电流指 令信号经 D A 送至模拟跟踪电路部分 , 指令电流信 号与各模块的电流反馈信号的误差经过一个比例放 大环节 , 然后经各模块的三角载波调制生成驱动信 号 , 送至驱动电路 , 控制各逆变器模块产生所希望的 电流 。由此组成了图 4所示的控制系统的硬件 结构 。图 4 Fig. 44 软件设计数字控制电路的主要任务分别由两片 DSP 来 完成 。 T MS320C32主要负责电流指令的运算以及接 受用户参数设定 , 而 T MS320F240主要负责数据采 集 、 电流指令的输出以及软件锁相 。为了提高控制 的实时性 , 两个 DSP 中的软件设计都是基于中断 的 。 下面按不同

11、功能模块分别进行介绍 。F240部分软件包括主程序 、 A D 转换中断服务程序以及软件锁相子程序 。 其主程序完成系统初始 化后即进入循环等待状态 。 外部的硬件锁相电路启 动 A D 转换 ,A D 转换结束触发 A D 中断 , 中断服务 程序首先从双口 RAM 中读取补偿电流指令 , 经 D A 转换送给各模块的电流跟踪控制电路 , 然后读取负 载电流 、 直流母线电压 、 三相交流电压的 A D 转换 结果 , 最后根据锁相子程序确定的该点相位信息将 数据送入双口 RAM 中的相应位置 。锁相子程序主 要是用来确定电网电压的基波正序 , 并据此确定当 前采样时刻所代表的相位信息 ,

12、从而确定指向数据 存储区内各指针的位置 。C32部分软件主要包括主程序 、 通讯中断服务程序 、 数据更新中断服务程序 、 电流指令计算子程 序 。 其主程序完成系统初始化即进入循环等待状 态 。 通讯中断服务程序用来接收来自用户的参数设 定并进行校验 。数据更新中断由 F240在采到新的 数据后触发 , 在其中断服务程序中调用电流指令计 算子程序对新数据进行运算 , 并根据用户设定的参 数计算出补偿电流指令 , 并将指令存放在双口 RAM 中供 F240读取 。5 软件的特殊设计为了保证电流检测的快速性 、 准确性 , 特别针对 检测环节的低通滤波器进行了设计 , 在检测基波电 流分量时采用

13、具有滑动窗的积分法作为低通滤波 器 , 以消除谐波电流分量造成的影响 。对指定次谐 波进行检测时 , 很小的相位延时相对较高次谐波周 期来说都不能忽略不计 , 所以在检测谐波电流时针 计 。, 有源电力滤波器正 , 如果直, 就会在投入时刻产生 较大的冲击电流 , 给整个系统的正常运行以及周围 用电设备的安全运行造成很大影响 , 所以在初始投 入时刻 , 直流侧闭环电压给定采用逐步增至最后给 定的方式 , 同时对 PI 调节器进行了防积分饱和以及 最大输出值限幅 , 虽然延长了充电时间 , 但却使冲击 电流大大减小 。 针对直流侧电压建立过程与正常工 作时的不同 , 对 PI 调节器进行了变参

14、数设计 , 以保 证建立直流侧电压时过冲小 , 而在正常工作时又具 有快速调节性 。6 实验结果采用本文提出的控制系统 , 研制了一台容量为 100kVA 的二重化并联型有源电力滤波器并进行了实验研究 , 实验条件 :三相三线系统 ,380V , 负载为 三相二极管整流桥带电阻性负载 。图 5给出了未补偿时电网侧电流波形 、 频谱 。 记录采用的是 T ektronix 公司的 T DS3052B 示波器 。 各次谐波含量的测量采用的是 HI OKI 公司的 3193功率分析仪 。 补偿前 TH D =29119%,5次谐波相对 含量 22188%。 谐波全补偿后流入电网的电流波形 及其频谱如

15、图 6所示 , 补偿后 TH D =3145%。图 7所示为只补偿 5次谐波后流入电网的电流波形及其72第 1期 李红雨 , 等 :多重化大功率有源电力滤波器的控制系统研究 图 5 未补偿时网侧电流波形及频谱Fig. 5 S ource current waveform and its spectrumbefore compensation图 6 Fig. 6 S ource compensationand the instruction current图 7 补偿 5次谐波后网侧电流波形及电流指令波形Fig. 7 S ource current waveform and the instru

16、ction currentwhen only 5thharm onic current is compensated频谱 , 补偿后 5次谐波含量减小为 0131%, 而 TH D =18116%。7 结论针对大容量有源电力滤波器的实现问题 , 本文 设计了由两个模块化 PW M 主电路实现的大容量有源电力滤波器 , 并根据其特点 , 设计了基于双 DSP的数模混合控制系统 , 采取了相应的控制策略 , 并进 行了相应的软硬件设计 。实验结果表明 , 该数模混 合控制系统实现了对二重化有源电力滤波器的有效 控制 , 基于该控制系统的有源电力滤波器具有很好 的补偿效果 。 参考文献 (Refer

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23、cited single phase induction generatorwith self 2regulation by series capacitorS UN Y u 2ping , LI G uang 2y ou , ZH ANGJin(Electrical Engineering Institute of Shandong University , Jinan 250061, China Abstract :With the development and application of the s ource of regenerated energy and rapid grow

24、th of independent electric power stations , the self 2excited power technology of induction generators is attracting m ore and m ore attention and has been researched considerably owing to its distinguishing feature. In view of large variation of output v oltage of self 2ex 2cited single phase induc

25、tion generator , the paper presents an approach of self 2regulation of v oltage by series capacitor. The operation of self 2excited single phase generation of three phase induction generator is analyzed by symmetrical com po 2nent method , and the fundamental equations and equivalent circuit are der

26、ived. Then the formula for calculation of the generator performance and principle of selection of capacitors are given. The experiments of a sam ple generator verify the validity of the analysis.K ey w ords :induction generator ; single 2phase operating ; self 2excitation by capacitor(上接第 28页 , cont

27、. from p. 28 2001, 20(3 :124.10何益宏 , 卓放 , 周新 , 等 (He Y ihong , Zhuo Fang , ZhouX in , et al. . 离散滤波方法 (A discrete f harm detection based on J.of E Eng. &Ener 2gy , 2002, 21(41315.11王群 , 姚为正 , 王兆安 (Wang Qun , Y ao Weizheng , WangZhao 2an . 高通和低通滤波器对谐波检测电路检测效果的影响研究 (A atudy about in fluence of hig

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