单相有源滤波器DSP电路设计

摘?? 要 根据离散傅立叶变换原理，计算出基波有功电流幅值，从而计算出需要补偿的谐波和无功电流。该方法具有计算量非常小、实时性好、检测精度高等特点，是一种具有应用前景的有源电力滤波器单相电路谐波电流实时检测方法。 关键词:源电力滤波器;谐波电流;有功电流;无功电流 1、 引言 电力电子变换装置由于具有良好的可控性和节能效果，已得到广泛应用，但是当其与电力系统连接时存在如下问题： （1）?? 由于功率器件的非线形工作引起了波形失真，因此，他成了谐波电流的发生源。 （2）?? 由于系统电压波形发生畸变，使功率因数下降，因此，他又是无功功率的发生源。 波形失真会引起电力装置过热、烧损、误动作及对通信干扰等故障。功率因数下降会引起输电损耗的增加和系统电压的波动。因此，有必要考虑减小波形失真，改善功率因数，以往的方法是采用交流LC滤波器抑制，但这样做会因系统阻抗而使抑制效果不稳定。当谐波频率变化时，抑制能力会变差；当系统过载时，甚至会使滤波器烧毁。半导体电力变换器由于具有良好的性能，可以克服LC滤波器的上述缺点，时电流波形里的谐波成分被消除掉。如今的可关断电力电子器件及PWM控制技术都很成熟，利用半导体变换技术完全可以实现谐波电流补偿。这种装置就是有源电力滤波器。 随着电力电子技术的飞速发展，在工业生产、交通运输、办公与民用建筑等系统中，相当一部份负荷具有非线性或具有时变特性，造成了非线性、冲击性和不平衡用电特性，使现代电力系统中暂态冲击、无功功率、高次谐波及三相不平衡问题日趋严重，给公用电网的供电质量造成严重污染。传统的谐波抑制和无功功率补偿的方法是电力无源滤波技术，即使用电力电容器等无源器件构成无源滤波器，与需补偿的非线性负载并联，为谐波提供一个低阻通路，同时提供负载所需的无功功率。无源滤波器的主要缺点是：1）滤波效果与负载有关，即滤波特性受系统参数影响较大，且只能抑制固定的几次谐波，滤波特性较差。2）只能补偿固定的无功功率，对变化的无功功率不能进行精确的补偿。电力有源滤波器（Action Power Filter，简称APF）作为抑制电网谐波和补偿无功功率，改善电网供电质量的最有希望的一种电力装置，与无源电力滤波器相比，APF 具有高度可控制和快速响应特性，并能跟踪补偿各次谐波，自动产生所需要的变化的无功功率，其特性不受系统影响，无谐波放大的危险，相对体积小重量轻等突出优点。因而已成为电力谐波抑制和无功补偿的重要手段。 本文研究了单相有源电力滤波器、电源及非线性负载三者之间能量交换机理，在此基础上得出了直流侧电容电压稳定调节的方法；提出了一种单相电压型有源滤波器的数字控制方法。该方法只需检测电源侧电流和变流器直流侧电容电压，据此实时计算各开关在每个开关周期内的占空比，形成开关的控制信号。计算机仿真结果验证了该方法的可行性。 2、电力有源滤波器的基本工作原理 有源电力滤波器工作原理是：用电流互感器采集直流线路上的电流，经A/D采样，将所得的电流信号进行谐波分离算法的处理，得到谐波参考信号，作为PWM的调制信号，与三角波相比，从而得到开关信号，用此开关信号去控制IGBT单相桥，根据PWM技术的原理，将上下桥臂的开关信号反接，就可得到与线上谐波信号大小相等、方向相反的谐波电流，将线上的谐波电流抵消掉。这是前馈控制部分。再将有源滤波器接入点后的线上电流的谐波分量反馈回来，作为调节器的输入，调整前馈控制的误差。 单相有源电力滤波器中的关键技术也是实时检测负载电流中的谐波及无功电流分量，以得到补偿电流指令信号，其检测结果直接关系到整个有源电力滤波器系统的补偿特性。 有源电力滤波器必须实时检测、计算补偿对象的谐波电流。基于频域运算的模拟带通滤波方法需要采用锐截止的高阶带通滤波器，对电网频率波动和电路元件参数较敏感。基于快速付里叶变换为基础的全数字频域滤波方法，根据采集到的一个电周期的电流值进行计算，得到该电流所包含的谐波次数。其缺点是需要一定的时间采样并且要进行两次变换，计算量大、存在较大时延、实时性较差、补偿效果不好等问题。 （1）补偿容量的确定 　　有源电力滤波器中最基本的是并联型，其容量取决于与母线电压有效值与补偿电流有效值的乘积。只补偿谐波时，有源电力滤波器的补偿电流与负载电流的谐波分量大小相等而方向相反。如果要求同时补偿谐波和无功，则装置容量由要求的谐波组成及要求补偿的无功程度共同决定。 　　（2）功率电子器件的选用 　　大部分中小容量的有源电力滤波器中，主回路采用的器件基本为IGBT，只有当容量达到MW级的大容量装置才使用GTO。在APF装置中选用IGBT，有以下的优点：驱动电路简单；模块开关频率高，相对交流滤波电感可小；反应速度快，适合于快速反馈、快速控制。 　　（3）控制电路采用的方式 　　工程化的有源电力滤波器很多是采用模拟和数字相结合的控制方式，实践证明当涉及到电流反馈控制的时候，模拟方式总是优于数字方式，DSP芯片的出现，使得人们有可能对以往的控制电路进行优化。但应用于APF，目前的DSP芯片的性能有许多限制，很多国外产品都是采用模拟和数字相结合的控制电路，补偿速度和补偿精度都较满意。 （4）谐波电流的检测方法 　　谐波的检测方法可以有负载电流检测、电源电流检测、电源电压检测等方法，工程实践中用负载电流的检测方法与用电源电流的检测方法之比为10：1。负载电流检测，是一个前馈系统；电源电流检测，可以组成一个闭环系统。从实际使用效果来看，检测电源电流方式进行补偿的结果比只检测负载电流方式的补偿效果好。同时，应用电压检测方法的比例也有所增加，设置检测电压的目的在于补偿闪变。