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有源濾波�
閱讀�16011時間�2010-11-13 08:49:18

  有源濾波�是一種用于動�(tài)抑制諧波、補償無功的新型電力電子裝置,它能對大小和頻率都變化的諧波以及變化的無功進行補償,它可以克服LC濾波�等傳�(tǒng)的諧波抑制和無功補償方法的缺�,獲得比無源濾波�更好的補償特�,控制精度高、治理效果好,已逐漸成為諧波治理的重要技�(shù)手段和今后諧波治理領(lǐng)域的�(fā)展方��

性能及參�(shù)

  取樣電流A�0�5A(CT二次電流);

  單次電流諧波限值:�2[%]�

  溫升:電感≤40K;模塊≤20K;高頻濾波器�5K�

  總電流諧波畸變率限值:�4[%]THD�

  單模塊電流峰值限制:�84A�

  動態(tài)響應:≤20ms�

  防護等級:IP20�

  噪音:≤30dB�

  自動限流,不�(fā)生過載;

  保證不與系統(tǒng)�(fā)生諧��

  可根�(jù)需要設(shè)置為:只補償諧波、只補償無功、同時補償諧波和無功�

  采用智能型IGBT模塊,內(nèi)置保護有:短�、過�、過�、驅(qū)動欠�、直流母線過�,可靠性極��

  �(zhí)行IEEE-519標準(國際標準)、GB/T1459-93和GB/Z 17625.6-2003

�(yōu)�

  模塊化結(jié)�(gòu),集成度高�

  無需�(xiàn)場檢測數(shù)�(jù),即裝即用;

  容量擴展容易,只需直接并聯(lián)即可�

  采用電力級接插件,支持熱拔插,安裝和售后服務(wù)方便,只需直接更換損壞的模塊即��

  多模塊并�(lián)時不存在主從�(guān)�,不會因主模塊故障而陷入癱瘓;

  適合快速變動的負載情況,以及其他無源濾波無法治理的場合�

  在特殊情況下還可作為性能�(yōu)異的動態(tài)無功補償裝置�

�(shè)計步�

  在設(shè)計有源濾波器�,一般遵從以下設(shè)計步��

  1.傳遞函數(shù)的設(shè)�

  根據(jù)對濾波器特性的要求,設(shè)計某種類型的屁階傳遞函數(shù),再將n階傳遞函�(shù)分解為幾個低階(如一階、二階或三階)傳遞函�(shù)乘積的形��

  在設(shè)計低�、高�、帶�、帶阻濾波器�,通常采用頻率歸一化的方法,先�(shè)計低通原形傳遞函�(shù)。若要求�(shè)計低通濾波器�,再將低通原形傳遞函�(shù)變換為低通目標傳遞函�(shù);若要求�(shè)計高通濾波器�,再將低通原型傳遞函�(shù)變換為高通目標傳遞函�(shù);若要求�(shè)計帶通濾波器�,再將低通原型傳遞函�(shù)變換為帶通目標傳遞函�(shù);若要求�(shè)計帶阻濾波器�,再將低通原型傳遞函�(shù)變換為帶阻目標傳遞函�(shù)�

  2.電路設(shè)�

  按各個低階傳遞函�(shù)的設(shè)計要求,�(shè)計和計算有源濾波器電路的基本節(jié)。先選擇好電路形式,再根�(jù)所�(shè)計的傳遞函數(shù),設(shè)計和計算相應的元件參�(shù)值。根�(jù)�(shè)計要�,對各電路元件提出具體的要求�

  3.電路裝配和�(diào)�

  先設(shè)計和裝配好各個低階濾波器電路,再將各個低階電路級�(lián)起來,組成整個濾波器電路。對整個濾波器電路進行相應的調(diào)整和性能測試,并檢驗�(shè)計結(jié)��

控制器的�(shè)�

  飛速發(fā)展的電力電子技�(shù)使各種電力電子裝置在工業(yè)、交通運輸及家庭中的應用日益廣泛,而這些非線性負荷帶來的諧波危害也日益嚴�。諧波使電網(wǎng)中元件產(chǎn)生諧波損�、設(shè)備效率和功率因數(shù)降低,甚至損害電力設(shè)備如電容器等;諧波影響精密儀器和臨近的通信系統(tǒng),使其無法正常工��

  電力系統(tǒng)中諧波次�(shù)和大小隨系統(tǒng)負荷狀況而變化,采用傳統(tǒng)的LC靜態(tài)濾波器無法滿足要�,而采用電力有源濾波器可以對大小和頻率都變化的諧波及變化的無功進行動態(tài)補償,因此有源濾波器的研究和應用越來越受到人們的重視。有源濾波器的基本原理是:先從補償對象中檢測出諧波電流,再由補償裝置�(chǎn)生一個與該諧波電流大小相等而相位相反的補償電流,兩者相互抵消而使電網(wǎng)電流中只含有基波分量??刂破魇怯性礊V波器的核心部�,它通過�(chǎn)生并控制�(qū)動開�(guān)器件的脈沖來控制有源濾波器的行為,完成動�(tài)補償諧波和無功的功能�

  2 控制系統(tǒng)的結(jié)�(gòu)與基本功�

  有源濾波器的主電路采用三單相橋式電壓型變流器,通過變壓器與系統(tǒng)耦合,其�(jié)�(gòu)如圖1所�。采用三單相橋結(jié)�(gòu)是因為三單相橋的控制可以相互解�,同時還可用于消除零序分量及其諧波電�,實�(xiàn)不對稱控��

有源濾波器控制器結(jié)構(gòu)圖

  該有源濾波器的控制系�(tǒng)采用雙DSP�(jié)�(gòu),其中一個DSP處理器用來完成數(shù)�(jù)處理、控制與高層保護功能;另一個DSP處理器用來產(chǎn)生高精度PWM脈沖??刂破髦饕幸韵鹿δ�?/FONT>

  (1) 控制有源濾波器的行為

  根據(jù)檢測出的負荷電流的諧波和無功電流分量控制逆變器的輸出電壓,使有源濾波器輸出的補償電流與負荷諧波電流和無功電流之和相互抵消,從而使系統(tǒng)電流為基波正序有功電��

  (2) �(chǎn)生觸�(fā)脈沖

  �(jīng)�(qū)動電路控制IGBT的導通和�(guān)斷產(chǎn)生PWM觸發(fā)脈沖,使有源濾波器能輸出正確的諧波補償電��

  (3) 脈沖同步

  根據(jù)從電�(wǎng)取回的同步脈�,產(chǎn)生出與電�(wǎng)電壓同步的脈沖信號,使有源濾波器輸出的電壓與電網(wǎng)電壓保持同步�

  (4) 自我容錯功能

  一旦控制器自身有些元件出現(xiàn)錯誤(如電壓互感器(PT)斷線等),控制器能立即�(fā)�(xiàn)錯誤并報�,同時不使裝置退出運�,故障修復后可以容易地恢��

 ?�?)保護功�

  當有源濾波器運行在過載或其他不正常狀�(tài)�,而電流又沒有超過保護動作的整定值時,控制器能通過保護功能使有源濾波器回到正常工作狀�(tài),避免其底層保護動作,從而保證了有源濾波器能夠連續(xù)正常工作�

  3 有源濾波器控制器的實�(xiàn)

  有源濾波器控制器的原理框圖如�2所��

有源濾波器控制器的原理框圖

  控制器以60×50Hz(或更高)的采樣頻率對負荷電�、裝置輸出的補償電流及系�(tǒng)電壓進行采樣和A/D�(zhuǎn)換。利用諧波分離算法如dq分解法或ab分解法及其它方法對采樣電流進行分解,濾除基波有功分�,保留用作補償所需的諧波電�。然后采用控制算法據(jù)電路參數(shù)計算出逆變器應�(chǎn)生的諧波電壓。將諧波電壓瞬時值送至DSP脈沖�(fā)生器,讓脈沖�(fā)生器根據(jù)諧波電壓瞬時值采用SPWM算法決定逆變器開�(guān)元件的動作。脈沖發(fā)生器根據(jù)電壓瞬時值進行SPWM脈沖計算以產(chǎn)生驅(qū)動脈��

  下面分別介紹控制器的各項功能�

  3.1 控制算法

  本系�(tǒng)的控制算法由諧波和無功電流的檢測及電流跟蹤控制兩部分組成。其中諧波和無功電流的計算是基于三相電路瞬時無功功率理論[3],如�3所��

補償電流檢測

  由于本文的有源濾波器要對直流�(cè)的電壓進行控制,因此在指令電流中需要包含一定的基波有功分量,以便有源濾波器的直流側(cè)與交流側(cè)交換能量,調(diào)節(jié)電容電壓至給定��

流跟蹤控制框圖

  �4 所示為電流跟蹤控制框圖。本系統(tǒng)的電流跟蹤控制采用PI控制,輸出控制量通過雙口RAM送至脈沖�(fā)生器,脈沖發(fā)生器根據(jù)得到的波形信息產(chǎn)生觸�(fā)脈沖,脈沖經(jīng)隔離、整形后�(qū)動主電路的IGBT使逆變器輸出相應電�。補償電流是由逆變器的輸出電壓與交流側(cè)電源電壓的差值作用于電感而產(chǎn)生的�

諧波進行補償?shù)腁相數(shù)字仿真結(jié)果圖

  �5是用該有源濾波器對三�6脈沖整流負載�(chǎn)生的諧波進行補償?shù)腁相�(shù)字仿真結(jié)果圖,仿真軟件采用PSCAD。由圖可知補償后的系�(tǒng)電流與系�(tǒng)電壓同相�,電流波形得到大大改�,但比較負荷電流和系�(tǒng)電流可知,在負荷電流變化較快瞬間(對應于整流橋的換相)補償效果差一些,這是因為要補償快速變化的電流要求APF�(chǎn)生很高的諧波電壓,這一方面要求有源濾波器有很快的響應速度,另一方面要求直流�(cè)�(chǎn)生高�,這在實際裝置中是較難實現(xiàn)的,因此在負載電流變化非??鞎r,APF的補償能力較�。有�(guān)系統(tǒng)不對稱對APF的影響及其對零序電流的補�?shù)葐栴}仍在進一步的研究中。圖6為A相系�(tǒng)電流的諧波分�,負載電流的諧波總畸變率THD�20.1[%],補償后的系�(tǒng)電流總畸變率�9.4[%]�5�7�9�11次諧波電流的含有率均小于5[%]�

  3.2 �(shù)�(jù)采樣與處�

  該DSP 處理器對負荷�(cè)的三相電�、電壓信號以及有源濾波器輸出的電流信號進行同步采樣,然后進行�(shù)�(jù)處理。根�(jù)負荷�(cè)的電流與電壓值計算出瞬時有功、瞬時無功功率,再經(jīng)過諧波檢測與分離算法計算出補償電流的參考�,該值與有源濾波器實際補償電流的差值通過PI控制�(huán)節(jié)得到相應的控制信��

  3.3 控制器的高層保護與復位功�

  一旦有源濾波器過流或者過�,保護裝置動作將IGBT封鎖使有源濾波器處于封鎖狀�(tài)。此時控制器將根�(jù)系統(tǒng)狀�(tài)和有源濾波器本身的狀�(tài)進行判斷,如果二者均恢復正常則控制器會選擇適�?shù)臅r機對有源濾波器進行復位,使其恢復到正常運行狀�(tài)[2]�

  4 高精度脈沖發(fā)生器

  過去基于單片機的脈寬�(diào)制的實現(xiàn)方案�,由于處理器的指令執(zhí)行時間較�,而難以保證脈沖精�,且受相位抖動的影響也較顯著[4]。數(shù)字信號處理器快速的運算能力使得我們有可能采用微處理器�(jié)�(gòu)實現(xiàn)高精度的脈沖�(fā)生器,該方法修改脈沖�(fā)生部分的程序即可�(chǎn)生各種類型的PWM脈沖,簡單靈活,有較好的通用性[5]�

  4.1 變流器脈沖信號之間的�(guān)�

  �7(a)�7(b)是基于IGBT的單相橋電壓型逆變器的�(jié)�(gòu)圖和工作原理示意�。假定圖中半導體開關(guān)為理想開�(guān),則同一橋臂的兩個開�(guān)的導通與�(guān)斷是互補的(因為同一橋臂的兩個開�(guān)不能同時導�,否則將會因橋臂直通而導致直流電源短路)。假定上部開�(guān)(圖(a)中的SL和SR)導通而下部開�(guān)(圖(a)中的SL′和SR′)�(guān)斷時開關(guān)狀�(tài)�1,反之為0。如果任一時刻都有兩只管子導�,則單相橋IGBT開關(guān)狀�(tài)的可能組合只�10�01兩種,輸出電壓分別對應+Ed和-Ed�

逆變器的結(jié)構(gòu)圖

  這樣,利用一�6位的狀�(tài)字即可表征三單相全橋逆變器的輸出電壓,如100110B表示此時輸出電壓為A相+Ed,B相-Ed,C相+Ed�

  4.2 脈沖�(fā)生器�、硬件體系結(jié)�(gòu)與實�(xiàn)

  本系�(tǒng)采用SPWM方式將載波與參考波的幅值進行比較,根�(jù)比較�(jié)果確定輸出開�(guān)的狀�(tài)。本有源濾波器系�(tǒng)的設(shè)計目標是消除25次(1.25 kHz)以下的諧波,即參考波的頻率為1.25kHz。由采樣定理可知采樣頻率必須大于或等于原信號頻率�2倍才能保持原信號的全部信�,因此本系統(tǒng)中載波(三角波)的頻率應該是2.5 kHz??紤]到提高調(diào)制波的頻率使功率元件的開�(guān)頻率提高,損耗變�,因而本系統(tǒng)中三角波的頻率采�2.5kHz。由于采用數(shù)字離散化方式比較載波和參考波,因而兩個信號的抽樣頻率越高誤差就越�??紤]�(shù)字信號處理器的實時處理能力,本系�(tǒng)采用每隔0.3°比較一次的方法,即抽樣頻率�60 kHz。由于周期三角波頻率�2.5kHz,所以只需�24點幅值信息即可以滿足要求。在實際應用�,程序中�(gòu)造兩張表,一張為24點的�(diào)制三角波幅值表,另一張為參考波幅值表,即0°�360°之間間隔0.3°�1200點的參考波幅�,參考波幅值由另外一個控制芯片提�,通過雙口RAM提供本系�(tǒng)�(shù)字接��

  脈沖�(fā)生器的硬件結(jié)�(gòu)如圖8。圖中的控制器由另外一個DSP芯片(TMS320C31)實�(xiàn),輸出的控制變量為逆變器輸出電壓的參考�,兩個DSP芯片之間通過雙口RAM交換�(shù)�(jù)。同步信號發(fā)生電路完成對電網(wǎng)電壓信號的濾波和整形處理,在正弦信號的每個負向過零點�(chǎn)生向DSP 申請外部中斷的窄脈沖。載波值表存儲于片�(nèi)RAM上,每個中斷周期進行刷新變址寄存器中的數(shù)值來更新當前所指表中數(shù)�(jù)的位�,以便和雙口RAM中的參考波的幅值進行比較。定時器0由外部同步脈沖觸�(fā)并將角度信息值轉(zhuǎn)化為相應的時鐘周期數(shù)加載到定時器1以及串口計數(shù)器的周期計數(shù)器中,用于觸�(fā)計數(shù)�1和串口中斷程序�

  與硬件結(jié)�(gòu)相應的軟件結(jié)�(gòu)如圖9。系�(tǒng)初始化包括寫控制�、變量賦�、確定存儲地址�。在外部中斷服務(wù)程序中啟動定時器O,即�(zhí)行系�(tǒng)的主程序。以連續(xù)兩個負向過零點之間的時間間隔為周期計算出同步信號的頻率,并將其�(zhuǎn)化為相應的時鐘周期數(shù)。定時器中斷程序主要用來保持觸發(fā)脈沖的同步和初始化查表用的變址寄存�,并保存上一次的角度信息。串口中斷程序用來比較參考波與調(diào)制波的幅值大小,每次用于比較的參考波為三相幅�,根�(jù)比較�(jié)果來確定�(fā)出的狀�(tài)字相應位�1還是0。由于主電路采用三單相橋�(jié)�(gòu)需�6路觸�(fā)脈沖,因此狀�(tài)字為6位,根據(jù)比較�(jié)果實時刷新狀�(tài)�,狀�(tài)字經(jīng)輸出鎖存器鎖存后即形成連續(xù)脈沖�

  4.3 試驗�(jié)�

  �10為利用FLUKE 41B型諧波分析儀實測的調(diào)制波為基波正弦疊�11�13次諧波時的A相PWM脈沖的諧波分析圖,其�11�13次諧波的幅值均為基波幅值的1/4�

  5 �(jié)�

  本文利用了數(shù)字信號處理器運算速度�、計算精度高、定時準確的�(yōu)點設(shè)計了基于TMS320C31 DSP的脈沖發(fā)生器和控制器。詳細地介紹了有源濾波器控制器的特點、結(jié)�(gòu)、控制方法和主要功能以及脈沖�(fā)生器的設(shè)�、軟硬件�(jié)�(gòu)和現(xiàn)場試驗結(jié)果。現(xiàn)場試驗和�(shù)字仿真結(jié)果表�,脈沖發(fā)生器精度高、穩(wěn)定性好,控制器的性能符合�(shè)計要��

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