大容量有源電力濾波器的研究與設(shè)計(jì)

孫曙光， 王秋萌， 杜太行， 金少華

(1.河北工業(yè)大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院，天津300130；2.河北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院，天津300130)

大容量有源電力濾波器的研究與設(shè)計(jì)

孫曙光1， 王秋萌1， 杜太行1， 金少華2

(1.河北工業(yè)大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院，天津300130；2.河北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院，天津300130)

針對(duì)大容量有源電力濾波器(APF)的研究與設(shè)計(jì)，首先基于自適應(yīng)原理的諧波檢測(cè)方法，提出采取一種新的變步長(zhǎng)LMS諧波檢測(cè)算法，仿真結(jié)果證明該檢測(cè)方法不僅具有很快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，還具有很好的精度；在此基礎(chǔ)上繼而對(duì)APF的關(guān)鍵硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，并闡述了大容量APF主電路功率器件的選擇以及主電路的布局設(shè)計(jì)；最后根據(jù)實(shí)際需要基于LabVIEW設(shè)計(jì)了APF的遠(yuǎn)程控制軟件，實(shí)現(xiàn)了APF整機(jī)的研究與設(shè)計(jì)。實(shí)際補(bǔ)償效果測(cè)試也證明了有源電力濾波器軟件算法與關(guān)鍵硬件部分設(shè)計(jì)的合理性。

有源電力濾波器；變步長(zhǎng)；主電路；LabVIEW

有源電力濾波器(APF)作為抑制諧波和補(bǔ)償無(wú)功的新型電力電子裝置，有效改善了電網(wǎng)的電能質(zhì)量，是一種比較理想的濾波裝置，目前已經(jīng)進(jìn)入工業(yè)應(yīng)用階段[1-3]。

對(duì)于有源電力濾波器來(lái)說(shuō)諧波電流檢測(cè)和電流跟蹤控制一直是影響其性能的兩個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，本文即基于自適應(yīng)檢測(cè)方法[4]，力求找到一種算法既有較高的檢測(cè)精度，又具有很快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。

有源電力濾波器主控制器外圍信號(hào)處理電路、同步電路、驅(qū)動(dòng)電路等對(duì)其運(yùn)行以及補(bǔ)償效果是很關(guān)鍵的，尤其是針對(duì)大功率有源電力濾波器其主電路功率器件的選擇以及主電路的布局也是非常關(guān)鍵的，所以本文結(jié)合上述內(nèi)容對(duì)100 kVA有源電力濾波器進(jìn)行研究與設(shè)計(jì)，并根據(jù)實(shí)際需要開(kāi)發(fā)了遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。

圖1 APF系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1 有源電力濾波器構(gòu)成方案

所研制的并聯(lián)型三相三線制有源電力濾波器組成如圖1所示，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的主控芯片為T(mén)MS320F2812DSP芯片，完成檢測(cè)與補(bǔ)償控制功能。外圍電路實(shí)現(xiàn)信號(hào)調(diào)理、同步觸發(fā)、光纖隔離與IGBT驅(qū)動(dòng)、故障保護(hù)等功能，電力參數(shù)儀配合實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償前后系統(tǒng)參數(shù)監(jiān)測(cè)，觸摸屏實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)顯示與參數(shù)設(shè)置，遠(yuǎn)程監(jiān)控主機(jī)采取RS485通信方式，實(shí)現(xiàn)與電力參數(shù)檢測(cè)儀以及DSP數(shù)據(jù)傳輸，完成遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。

2 有源電力濾波器檢測(cè)方法研究

基于自適應(yīng)干擾對(duì)消原理[5]，三相有源電力濾波器諧波檢測(cè)原理如圖2所示。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，以A相為例，其余兩相原理相同，在圖2中，sin(2 π)與cos(2 π)是與A相電源電壓同相和正交的單位正余弦信號(hào)，根據(jù)正弦函數(shù)的正交特性，二者分別與()中的有功與無(wú)功電流相關(guān)，而與()不相關(guān)，通過(guò)如式(2)的LMS自適應(yīng)算法，可以提取負(fù)載電流的有功分量和無(wú)功分量，把這兩個(gè)分量從負(fù)載電流中減去，得到諧波分量。

圖2 諧波檢測(cè)原理圖

實(shí)際檢測(cè)中為提高檢測(cè)性能與效果，采取變步長(zhǎng)因子，表1中分別總結(jié)了目前的一些常用的變步長(zhǎng)算法[6-8]。本文所提出的變步長(zhǎng)算法，如方法4所示。

表1 變步長(zhǎng)算法

研究發(fā)現(xiàn)方法1易受噪聲的干擾，對(duì)于諧波檢測(cè)干擾噪聲所占的比例大，故應(yīng)用此方法效果不是很好。對(duì)于方法2，在負(fù)載電流發(fā)生變化時(shí)，跟蹤效果較差[7]。

為此本文主要對(duì)方法3、方法4在有源電力濾波器諧波檢測(cè)中的效果進(jìn)行了對(duì)比分析。在Matlab/Simulink環(huán)境下建立仿真模型，仿真中采樣速率為10 kHz，min取0.005，max取0.2，α取0.9，β取0.99，γ取1×10-10，步長(zhǎng)初值為min，權(quán)值初值為0。電壓和電流的波形如圖3所示。

圖3 電壓電流波形

圖4與圖6中虛線為基波電流及權(quán)值的理論計(jì)算值，可以看出方法4的步長(zhǎng)在較大范圍內(nèi)跟隨負(fù)載電流的變化，并且權(quán)值收斂速度快，到達(dá)穩(wěn)態(tài)后波動(dòng)也很小，所以該算法檢測(cè)速度比方法3快，在半個(gè)周波內(nèi)使檢測(cè)值跟蹤上理論值。該算法編程簡(jiǎn)單，有利于DSP編程實(shí)現(xiàn)。

圖4 檢測(cè)結(jié)果

圖5 方法4步長(zhǎng)

圖6 方法4權(quán)值變化

3 有源電力濾波器硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 關(guān)鍵外圍硬件電路設(shè)計(jì)

(1)電流調(diào)理電路設(shè)計(jì)

電流調(diào)理電路設(shè)計(jì)如圖7所示。電流傳感器選用LT-308型霍爾電流傳感器。

圖7 電流調(diào)理電路原理圖

本調(diào)理電路分濾波、電壓偏置、跟隨器三部分。抗混疊濾波功能是濾除輸入信號(hào)可能攜帶的高頻干擾信號(hào)，本文中濾波器采用二階Butterworth低通濾波器，截止頻率約為7 kHz。

(2)同步觸發(fā)電路設(shè)計(jì)

有源電力濾波器正常工作，需要對(duì)電網(wǎng)信號(hào)進(jìn)行同步采樣，并獲取補(bǔ)償時(shí)基。該電路由電壓過(guò)零檢測(cè)電路和鎖相環(huán)電路等組成，電壓過(guò)零檢測(cè)電路如圖8所示，輸出接CD4046。

圖8 電壓過(guò)零檢測(cè)電路

本文采用軟件鎖相倍頻的方法，通過(guò)軟件檢測(cè)工頻信號(hào)的頻率，根據(jù)采樣點(diǎn)數(shù)，在DSP內(nèi)采用軟件定時(shí)中斷的形式啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換。可將CD4046的3腳和4腳直接相連，不接CD4040計(jì)數(shù)器。如圖9所示，信號(hào)由鎖相環(huán)電路輸出后，送給DSP的CAP口，在CAP中斷中可實(shí)現(xiàn)計(jì)算電源電壓的周期。CD4046使用鑒相器Ⅰ，相比于鑒相器Ⅱ，它更易于穩(wěn)定，可是常常會(huì)在輸入輸出之間產(chǎn)生一固定相位差，這個(gè)問(wèn)題可以通過(guò)調(diào)節(jié)低通濾波器減小，也可以在軟件中進(jìn)行修正。

圖9 鎖相環(huán)電路

(3)驅(qū)動(dòng)接口設(shè)計(jì)與驅(qū)動(dòng)模塊選取

由于TMS320F2812的PWM模塊發(fā)出的信號(hào)為幅值0～3 V的PWM波，而主電路功率開(kāi)關(guān)器件IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)為幅值0～15 V的PWM波，且前者是弱電信號(hào)，后者連接強(qiáng)電電路，光纖電路必不可少，可實(shí)現(xiàn)強(qiáng)弱電之間的隔離，保護(hù)控制電路，抑制高壓電路對(duì)控制電路的干擾。選用安捷侖(Agilent)公司的塑料光纖HFBR-1521光發(fā)送器與HFBR-2521光接收器，光纖連接如圖10所示，包含光發(fā)送器HFBR-1521、傳輸光纖、光接收器HFBR-2521三部分。

圖10 光纖連接圖

CD4093輸出接瑞士CT-Concept技術(shù)有限公司生產(chǎn)的高壓IGBT的專用集成驅(qū)動(dòng)器2SD315A驅(qū)動(dòng)電路。SCALE驅(qū)動(dòng)器2SD315A是一個(gè)用于功率MOSFET和IGBT的雙通道驅(qū)動(dòng)。2SD315A結(jié)合緊湊的機(jī)械尺寸和簡(jiǎn)潔的電氣界面，具有非常高的輸出電流、高的驅(qū)動(dòng)功率和高絕緣能力。

3.2 主電路選型與布局設(shè)計(jì)

(1)直流側(cè)電容值的選取

本文選擇EPCOS公司的電解電容，型號(hào)為B43310-A5688-M，容值6 800 μF，耐壓值450 V。為滿足補(bǔ)償容量和耐壓等級(jí)，選擇了6個(gè)電容，三個(gè)串聯(lián)再并聯(lián)后組成電容器組(4 500 μF/1 350 V)。

此外由于多個(gè)電容串聯(lián)，要進(jìn)行電容器均壓設(shè)計(jì)，加入均壓電阻，本文在電容器組里對(duì)每個(gè)電容都加均壓電阻，這樣雖然增加了成本，卻提高了系統(tǒng)可靠性和安全性。通過(guò)對(duì)均壓電阻的計(jì)算和市場(chǎng)上電阻的型號(hào)，選用8 kΩ的電阻，均壓電阻取得太大，起不到均壓作用，均壓電阻取得太小，電阻的功耗太大，所以要適當(dāng)選取。

(2)交流側(cè)電感設(shè)計(jì)

交流側(cè)電感參數(shù)一般由經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：

(3)主電路的布局設(shè)計(jì)

由于主電路寄生電感越大、IGBT過(guò)電壓越大。因此大功率電路要求母線電感、緩沖電路及其元件內(nèi)的雜散電感越小越好。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)，主電路疊層母排采用工字型。母排結(jié)構(gòu)外形美觀，器件布局緊湊，安裝空間減小；功率回路寄生的雜散電感也小，即保證了器件安全。

4 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)主要是通過(guò)工控機(jī)與APF控制器DSP以及電力參數(shù)監(jiān)測(cè)儀通信來(lái)實(shí)現(xiàn)。在工控機(jī)上采用現(xiàn)在非常流行的LabVIEW軟件來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)[10]。它們之間是通過(guò)485總線進(jìn)行連接的。工控機(jī)通過(guò)串口分別向電力參數(shù)監(jiān)測(cè)儀和DSP發(fā)送指令，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取和對(duì)DSP中參數(shù)的設(shè)置，如圖11中所示。

圖11 遠(yuǎn)程監(jiān)控界面

遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)可以顯示電壓、電流、頻率、功率、功率因數(shù)、諧波電流含有率、電流電壓畸變率和諧波電流含有率的柱狀圖，圖11給出了部分功能。

5 實(shí)際補(bǔ)償測(cè)試效果分析

為進(jìn)一步對(duì)整機(jī)性能進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)PROVA6800諧波分析儀對(duì)補(bǔ)償效果進(jìn)行測(cè)試。如圖12所示，(a)為負(fù)載電流波形，由頻譜分析看出，基波電流為46 A，主要含有5、7、11次諧波，TDH=25.9%，由(b)可以看到經(jīng)過(guò)APF補(bǔ)償后，電網(wǎng)電流基本上為標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，畸變率達(dá)到5%，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，基波電流為42 A，5次以上諧波基波消失。

圖12 補(bǔ)償效果分析

6 結(jié)論

仿真結(jié)果的波形數(shù)據(jù)證明所提出的變步長(zhǎng)LMS諧波檢測(cè)算法具有很快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，還具有很好的精度；同時(shí)諧波分析儀的測(cè)試數(shù)據(jù)也證明了所設(shè)計(jì)的有源電力濾波器對(duì)諧波補(bǔ)償?shù)挠行裕砻髁塑浖惴ㄅc關(guān)鍵硬件部分設(shè)計(jì)的合理性。在此基礎(chǔ)上，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的滿負(fù)荷運(yùn)行性能測(cè)試、有源電力濾波器工作效率分析、在已經(jīng)具備過(guò)壓、過(guò)流、過(guò)熱保護(hù)的基礎(chǔ)上針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的實(shí)際需要設(shè)計(jì)更加完善合理的故障保護(hù)措施是需要努力的方向。

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《太陽(yáng)能利用原理·技術(shù)·工程》

本書(shū)全面介紹了太陽(yáng)能利用技術(shù)，分為原理篇、技術(shù)篇、工程篇三部分，共15章。原理篇介紹太陽(yáng)能利用的基礎(chǔ)知識(shí)，以及太陽(yáng)能工程的光學(xué)設(shè)計(jì)原理和傳熱分析原理，這是一切太陽(yáng)能利用技術(shù)所共同需要的基礎(chǔ)；技術(shù)篇講述光熱轉(zhuǎn)換技術(shù)、光伏轉(zhuǎn)換技術(shù)、光化學(xué)制氫轉(zhuǎn)換技術(shù)、太陽(yáng)能表面技術(shù)、太陽(yáng)能材料、太陽(yáng)能儲(chǔ)存等，涵蓋了太陽(yáng)能利用的光熱、光伏和光化學(xué)制氫三大主題，目的是構(gòu)建太陽(yáng)能利用的工程技術(shù)基礎(chǔ)；工程篇講述太陽(yáng)能熱利用工程、溫室工程、熱動(dòng)力發(fā)電工程、光伏發(fā)電工程、生態(tài)工程等，詳細(xì)介紹各種太陽(yáng)能利用專項(xiàng)工程的設(shè)計(jì)與分析，最后收尾到工程經(jīng)濟(jì)分析。

Research and design of active power filter with large power

Aiming at the research and design of large power active power filter(APF),first of all,basing on the adaptive harmonic detection method,a new variable step size LMS harmonic detection algorithm was put forward. Simulation result shows that the method not only has fast dynamic response speed,but also has good precision.On the basis,the key hardware design of APF was analyzed,and the devices selection and layout design of main circuit were elaborated.According to the actual need,the remote control software basing on LabVIEW was designed. Finally the research and design of APF were completed. Actual compensation effect test also proves that the software algorithm and key part design of hardware are rational.

active power filter;variable step size;main circuit;LabVIEW

TM 464

A

1002-087 X(2015)10-2284-04

2015-03-27

河北省教育廳科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目(Z2008308)；河北工業(yè)大學(xué)博士科研啟動(dòng)費(fèi)資助項(xiàng)目

孫曙光(1979—)，男，河北省人，博士，副教授，主要研究方向?yàn)橹C波檢測(cè)與補(bǔ)償技術(shù)。

孫曙光