基于在線識別技術的有源電力濾波器的設計?

王 飛黃 琛

（1.海裝沈陽局大連地區第一軍事代表室 大連 116001）（2.電磁兼容性國防科技重點實驗室 武漢 430064）

1 引言

有源電力濾波（APF）技術已應用于電力電子領域的諧波抑制和無功補償。許多APF設計用于三相交流電源濾波［1～4］。目前，船用直流電源中的整流諧波越來越受到關注，因為它們容易對LF/VLF敏感電子設備產生干擾［5～6］。

與所需的DC電壓/電流幅度相比，DC電源產生的諧波通常具有非常低的幅度。與交流電網中存在的頻率相比，它們具有相對較高的頻率［7］。因此，在設計直流APF時，諧波檢測和實時補償存在挑戰［8］。

本文設計并開發了某船舶直流電網的APF［9］。該APF利用信道特征技術的在線識別來避免傳統產品中可能存在的潛在振蕩問題［10～11］。

2 工作原理

該APF系統由諧波傳感器，諧波補償計算器，逆變器和電流注入單元組成［12］。系統關鍵部分是諧波補償值計算模塊。APF和電網一起構成反饋回路。

諧波補償值計算模塊的輸入是實時諧波波形。該單元計算輸出電流的幅度，并驅動逆變器向電網注入補償電流。該單元能夠識別信號獲取到當前注入的路徑的相移特性。識別功能由數字FIR濾波器實現，其參數周期性更新。參數更新的標準是LMS理論。該理論如圖1所示。

信號d（n）是由圖1中所示的電流傳感器測量的原始信號（實時諧波信號），并且信號u（n）是與諧波具有相同頻率的參考信號。P（z）是表示u（n）和d（n）之間未知關系的傳遞函數。單元S（z）表示諧波傳感器，逆變器，電流注入單元和APF系統中的電纜的傳輸特性。如果成功識別P（z）和S（z），則APF的輸出y'（n）非常接近-d（n）。因此，抑制了諧波。

圖1 諧波補償計算模塊算法示意圖

此外，如果可以連續識別P（z）和S（z），那么盡管電網或放大器阻抗變化會引起P（z）和S（z）的變化，APF系統仍然可以穩定地工作。

3 系統設計

根據上面討論的理論，開發了APF系統。系統框圖如圖2所示。

該系統由APF主機，前置放大器和兩個諧波傳感器組成。APF主機包括系統控制器，系統保護單元，功率放大器和電流注入單元。系統控制器有兩個功能:一個是監視系統運行狀態，驅動系統保護單元在輸出功率，電壓或電流超過閾值時關閉功率放大器?？刂破鞯牧硪粋€功能是通過LMS方法計算諧波補償參數，并產生PWM脈沖以驅動功率放大器?？刂破髦杏腥齻€LMS軟件塊（塊的數量是可擴展的），構成三個通道，每個通道處理一定頻率的諧波。為了實驗目的，三個通道的工作頻率分別設置為2400Hz，4800Hz和7200Hz。

圖2 研制的APF系統示意圖

電流注入單元由無源帶通網絡構建。該裝置能夠將APF與直流電源隔離，但將交流補償電流傳輸到電網。

兩個諧波傳感器用作系統輸入。其中一個諧波傳感器（傳感器2#）用于測量補償電流注入時諧波的殘余誤差；另一個諧波傳感器（傳感器1#）用于測量實時諧波頻率。兩個Rogowski線圈用作諧波傳感器。來自這兩個傳感器的信號首先被發送到前置放大器以改善SNR。開發的系統采用400mm×300mm×200mm尺寸的機柜包裝。

4 諧波抑制試驗

本文搭建實驗環境來驗證系統性能。采用商用信號發生器和線性功率放大器構成諧波源。用0.5Ω電阻（R1）模擬源電阻，另一個0.5Ω電阻（R2）模擬負載電阻。實驗設置如圖3所示。通過在禁用/啟用APF時測量R2的諧波幅度來實現定量評估。

圖3 試驗設置示意圖

信號發生器產生復合信號，其包括一系列頻率分量:2400Hz，4800Hz和 7200Hz。應用/未應用APF時的諧波幅度的時域比較可見圖4（a），頻域比較可見圖4（b）。

圖4 使用和不使用APF時的比較

5 結語

從圖4我們可以看出，研制的APF能夠抑制諧波。諧波抑制性能如表1。

表1 諧波抑制性能表現

可以看到，2400Hz和7200Hz諧波抑制了近50dB，4800Hz諧波抑制了大概15dB。我們認為APF能夠精確地跟蹤目標諧波并有效抑制它們。

我們同時注意到4800Hz諧波未達到高諧波抑制性能。這可能是由APF輸出級的低通濾波器引起的。開發的APF可以處理133dBuA/2400Hz諧波或116dBuA/7200Hz諧波，但不能完全處理130dBuA/4800Hz諧波。為了提高性能，應優化輸出級，例如:減少低通濾波器的并聯電容。