智能型有源濾波器的研究與設計＊

陳子珍，薛莉英，李效農

（1.寧波職業技術學院，浙江寧波315800；2.上海久創電氣自動化設備有限公司，上海201190）

1 引言

隨著現代工業技術的發展，各種功率開關器件和其它非線性負載被廣泛應用，大量的高次諧波被注入電網，使電網電壓和電流發生畸變，電力質量變壞，引起用電設備產生附加的諧波損耗，嚴重時甚至損毀設備，給安全生產帶來巨大隱患，所以補償電網諧波以改善電能質量已經成為電力系統領域的緊迫課題。傳統的解決方法是采用電力電容器等無源器件構成無源濾波器，用以吸收電力系統中的諧波與無功電力成分。但是無源濾波器補償精度低，僅能適用靜態電力系統，對變化的非線性負載不能進行實時的精確補償，當供電電路運行條件發生變化時，其濾波性能就大打折扣。而有源電力濾波器彌補了這方面的缺陷，能動態跟蹤電力系統與負載變化情況，動態抑制與補償電力系統的諧波與無功電力。

2 有源濾波器的結構性能

有源電力濾波器是一種用于動態抑制諧波、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實時補償，其應用可克服LC濾波器等傳統的諧波抑制和無功補償的缺點。

圖1 并聯有源濾波器系統構成

如圖1所示為一種基本的有源濾波器系統構成原理圖。其中AC是系統交流電源，諧波源是負載，它產生諧波并消耗無功，APF即是有源濾波器。

有源濾波器基本原理是：有源濾波器（APF）從電網中實時檢測電壓電流信號，計算得到相應諧波信號，根據此諧波信號得到相應的指令控制信號驅動逆變電路，產生實際的補償電流以“吸收”電網中的諧波信號，從而達到濾除電網諧波信號的目的。補償效果不會因系統長時間運行而下降，并且自動根據負載諧波的變化而產生不一樣的補償信號，做到對任意諧波信號都能進行補償。

有源濾波器功能分為兩部分，即指令電流運算電路和補償電流發生電路。指令電流運算電路通常包括信號采樣、信號計算、控制信號輸出三個部分。補償電流發生電路通常包括驅動電路、逆變電路。信號采樣、信號計算、控制信號輸出三個部分可以用一塊DSP芯片實現，而逆變電路用一塊IPM模塊來實現。

3 單獨使用并聯型有源濾波器的研究與仿真

單獨使用的并聯型有源濾波器基本原理結構如圖2所示，其基本原理是檢測補償對象的電壓和電流，經指令電流運算電路計算得出補償電流的指令信號，該信號經補償電流發生電路放大，得到補償電流，補償電流與負載電流中要補償的諧波及無功等電流抵消，最終得到期望的電源電流。單獨使用的并聯型有源濾波器單相等效電路如圖3所示。

其中負載等效為一個諧波電流源IL，分為基波分量If和諧波分量Ih，即

圖2 單獨使用的并聯型有源濾波器

圖3 并聯型有源濾波器等效電路

控制有源濾波器為一電流源，使其與負載中諧波電流一致（以圖3中所示方向為準），則

故可得：

使得電源電流中只含基波分量，不含諧波。

單獨使用的并聯型有源濾波器仿真結果如圖4（a）、（b）、（c）所示。

4 諧波電流檢測方法

無功諧波電流即畸變電流的檢測方法，取決于非正弦條件下有功功率（電流）和無功功率（電流）的定義及理論分析。目前對非正弦條件下無功及諧波電流的檢測方法主要有以下幾種：①用模擬帶通濾波器檢測的方法；②基于Fryze時域分析的有功電流分離法；③基于FFT的數字化分析法；④基于小波變換檢測諧波的方法；⑤基于Akagi瞬時無功功率理論的檢測法。

目前在有源濾波器中使用的最廣泛的便是基于瞬時無功功率理論的檢測算法和基于FFT的檢測算法。

圖4 電流波形圖

5 本系統濾波器硬件結構

整個電力濾波系統框圖如圖5所示。

圖5 系統框圖

本系統使用的有源濾波器與混合型有源濾波器結構類似，但根據所補償對象的特點，對其做了進一步改進，不是補償所有次諧波，而是只補償特定次諧波，即3、5、7、11次。這樣一方面是根據負載的諧波特性作出的改變，另一方面也是對實際實現的簡化。因為如果要補償所有次諧波，那么IPM逆變的必然也是跟所有次諧波成比例的一個信號。但是由于所有次諧波疊加在一起，變化幅度極大，且非常迅速。而如果IPM逆變信號希望能夠很好地追隨諧波的變化，則其開關的頻率必須相當高。目前由于電力電子器件的限制，在較高的電壓水平上想要實現這種非常高的頻率是比較困難的。但是如果只是逆變出正弦信號則簡單得多，特別是如后面的濾波電路設計合理，即使開關頻率低一點也可以得到光滑的正弦波形。本系統基本結構如圖6所示（圖中只畫出單相）。

圖6 本系統使用的有源濾波器基本結構

6 程序軟件結構

整個系統軟件以中斷為基礎，可分為AD采樣模塊、FFT計算模塊、PWM輸出模塊、通訊模塊以及故障處理模塊共五大模塊。整個系統軟件結構如圖7所示。

圖7 系統軟件結構圖

DSP首先對電網信號模擬量進行采樣，在獲得電網信號數據后進行相關的計算，根據計算得到各次諧波的信息，一方面控制PWM信號輸出，另一方面將得到的諧波信息輸入到液晶顯示和上位機，供用戶觀察。同時DSP接收各種外部輸入中斷信號，如IPM故障信號、用戶鍵盤中斷信號等。整個程序以中斷為基準，除了FFT計算，其余部分均是在中斷響應中完成。因此整個程序并沒有一個順序執行的概念，在編寫程序時必須保證每個中斷能夠被快速響應，這就要求每個中斷都能及時執行完成，執行時間不能過長以免影響其他中斷的響應。

圖8 補償前電力系統電壓波形與頻譜

圖9 加3、5、7、11次諧波補償的電壓波形與頻譜

7 試驗結果與結論

在實際的掛網實驗中，電源電壓380V、50Hz，測試的波形如圖8、9所示。

從波形圖可以看出，補償前的電壓存在大量的諧波，經過補償后，電壓波形已經接近正弦，頻譜波形中明顯抑制了高次諧波，說明有源濾波控制系統有著良好的濾波效果。

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