基于MATLAB的數字低通濾波器的諧波檢測系統研究

【摘? 要】針對現在有源電力濾波器中諧波檢測的缺陷，設計出一種數字低通濾波器。分析了i-i諧波電流檢測算法，并研制出諧波檢測電路。實驗結果驗證了諧波檢測的快速性和準確性，系統運行穩定可靠，有較好的應用前景。

【關鍵詞】低通濾波器;瞬時無功功率;諧波檢測

中圖分類號：TP1???? 文獻標識碼：A

Abstract：For the defects of harmonics detection of the active power filter，digital low pass filter is designed.The harmonic current detection method i-i is analyzed as well as the harmonics detection circuit is designed.Experimental results verify the speed and accuracy of the harmonic detection method.This system is steady and easy to run，showing a great prospect.

Key words：Digital low pass filter;Instantaneous reactive power;Harmonics detection

1 引言

在數字低通濾波器設計中，高精度及實時性的諧波檢測是高性能補償的關鍵，采用數字低通濾波器的諧波檢測電路與高通濾波器相比較無論從設計制造上還是從動態響應過程和檢測精度方面都有優勢。本文基于瞬時無功功率理論的i-i諧波檢測方法，對數字低通濾波器諧波檢測方法進行了仿真研究，針對仿真結果分析了數字低通濾波器對諧波檢測效果的影響，證明了這種方法的優越性。

2 基于瞬時無功功率理論的ip-iq諧波檢測方法

針對數字低通濾波器諧波電流檢測法實時性好，延時小，既能檢測諧波又能補償無功的特點，本文采用基于瞬時無功功率理論的i-i檢測法。瞬時無功功率理論是將三相電流變換到、坐標，大大地簡化了負載有功功率和無功功率的計算，在檢測三相

電路諧波及無功電流中得到了廣泛的應用。經坐標變換后，電網基波電流的瞬時無功功率和有功功率在、坐標系中已成為直流成分，因而只要用低通濾波器濾除交流成分，將直流成分逆變換后，就得到電網基波電流。這樣，電網電流減去已檢測出的基波電流，就得到電網的諧波電流。

基于i-i算法的諧波電流檢測方法原理圖如圖1所示。

該方法中用一個鎖相環和一個正弦、余弦發生電路得到與a相電網電壓e同相位的正弦信號sinωt和對應的余弦信號-cosωt，它們由鎖相環（PLL）和正余弦信號發生電路得到。利用這兩個信號和i、i、i一起計算出i、i，再經過LPF得出i、i的直流分量、，這里的、是由i、i、i產生的，因此由、就可以計算出i、i、i的基波分量i、i、i，然后將i、i、i與i、i、i相減，計算出諧波分量i、i、i。

3補償電流控制方式的確定

補償電流控制電路的作用是根據補償電流的指令信號和實際補償電流之間的相互關系，得出控制補償電流發生電路中主電路各個器件通斷的PWM信號，控制的結果應實時跟隨指令信號的變化。為了保證補償電流具有良好的實時性，電流控制應采用跟蹤型PWM控制方式。目前被證實實際運行、且效果較好的PWM控制方法主要有以下三種：無差拍控制方式、三角波比較方式和滯環比較方式。由于本文為數字化方案目標，故在設計中采用滯環控制方法實現對諧波電流的跟蹤。

如圖2所示為采用滯環比較器的瞬時值比較方式的原理圖。

在該方式中，把補償電流的指令信號i*和實際的補償電流信號i進行比較，兩者的偏差△i作為滯環比較器的輸入，通過滯環比較器產生控制主電路中開關通斷的PWM信號，該PWM信號經驅動電路來控制開關的通斷，從而控制補償電流i的變化。

4 系統硬件設計

諧波檢測電路由DSP外圍電路、模擬信號調理電路A/D采樣電路、過零檢測電路及鎖相倍頻電路等5部分組成。

5 系統軟件設計

控制系統的軟件實現主要是采樣與計算、PWM的發出。利用TMS320F2812 DSP來實現ip-iq算法。本模塊的軟件主要包括主程序、A/D采樣子程序、諧波電流指令計算子程序、存儲器數據讀寫子程序等三部分組成。

總程序流程圖如圖4所示。

6 諧波檢測方法的仿真

有源電力濾波器的仿真模塊主要分為兩個部分即i-i算法檢測模塊與滯環控制方式的PWM脈沖生成模塊。選取三相不可控整流橋為諧波源，對其發出的諧波電流進行檢測。圖5所示為諧波檢測系統的仿真模型。滯環比較控制的模型建立如圖6所示：低通濾波器選擇二階的Butterworth濾波器。

系統仿真算法：ode23t，相對誤差：1e-3。分別對系統滯環電流跟蹤效果、補償后系統電流、補償后系統電流與系統電壓相位比較進行了仿真分析，結果如下圖所示：

由圖7可以看出，滯環跟蹤控制方式電流響應很快，基本實現了實時控制方式，這與理論研究結果相符。

由圖8～圖10可以看出補償前電源電流與電源電壓之間存在相位差，而補償后的電源電流雖然仍然存在毛刺，但與電源電壓無相位差并且實現了正弦化，這說明系統功率因數很高。

研究結果表明，采用上述控制方法的數字低通濾波器對諧波電流具有較好的補償效果。

7 結語

本文利用Matlab仿真軟件對數字低通濾波器檢測系統進行了仿真研究，針對仿真結果分析了數字低通濾波器對諧波檢測效果的影響，證明了這種方法的優越性，為后續的研究工作提供了理論依據。

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作者簡介：

馮曉艷（1975-）女，黑龍江省拜泉縣人，碩士，研究方向：電力電子與電力傳動

（作者單位：廣東石油化工學院電信學院）