有源濾波�是一種用于動(dòng)�(tài)抑制諧波、補(bǔ)償無(wú)功的新型電力電子裝置,它能對(duì)大小和頻率都變化的諧波以及變化的�(wú)功�(jìn)行補(bǔ)償,它可以克�LC濾波�等傳�(tǒng)的諧波抑制和�(wú)功補(bǔ)�方法的缺�(diǎn),獲得比�(wú)源濾波器更好的補(bǔ)償特性,控制精度�、治理效果好,已逐漸成為諧波治理的重要技�(shù)手段和今后諧波治理領(lǐng)域的�(fā)展方向�
取樣電流A�0�5A(CT二次電流��
單次電流諧波限值:�2[%]�
溫升:電感≤40K;模塊≤20K;高頻濾波器�5K�
總電流諧波畸變率限值:�4[%]THD�
單模塊電流峰值限制:�84A�
�(dòng)�(tài)響應(yīng):≤20ms�
防護(hù)等級(jí):IP20�
噪音:≤30dB�
自動(dòng)限流,不�(fā)生過(guò)��
保證不與系統(tǒng)�(fā)生諧��
可根�(jù)需要設(shè)置為:只�(bǔ)償諧�、只�(bǔ)償無(wú)�、同�(shí)�(bǔ)償諧波和�(wú)功;
采用智能型IGBT模塊,內(nèi)置保�(hù)有:短路、過(guò)�、過(guò)熱、驅(qū)�(dòng)欠壓、直流母線過(guò)�,可靠性極高;
�(zhí)行IEEE-519�(biāo)�(zhǔn)(國(guó)際標(biāo)�(zhǔn)�、GB/T1459-93和GB/Z 17625.6-2003
模塊化結(jié)�(gòu),集成度高�
�(wú)需�(xiàn)�(chǎng)檢測(cè)�(shù)�(jù),即裝即��
容量�(kuò)展容�,只需直接并聯(lián)即可�
采用電力�(jí)接插�,支持熱拔插,安裝和售后服務(wù)方便,只需直接更換損壞的模塊即��
多模塊并�(lián)�(shí)不存在主從關(guān)�,不�(huì)因主模塊故障而陷入癱��
適合快速變�(dòng)的負(fù)載情況,以及其他�(wú)源濾波無(wú)法治理的�(chǎng)��
在特殊情況下還可作為性能�(yōu)異的�(dòng)�(tài)�(wú)功補(bǔ)償裝��
在設(shè)�(jì)有源濾波器時(shí),一般遵從以下設(shè)�(jì)步驟�
1.傳遞函數(shù)的設(shè)�(jì)
根據(jù)�(duì)濾波器特性的要求,設(shè)�(jì)某種類型的屁階傳遞函�(shù),再將n階傳遞函�(shù)分解為幾�(gè)低階(如一�、二階或三階)傳遞函�(shù)乘積的形��
在設(shè)�(jì)低�、高�、帶通、帶阻濾波器�(shí),通常采用頻率歸一化的方法,先�(shè)�(jì)低通原形傳遞函�(shù)。若要求�(shè)�(jì)低通濾波器�(shí),再將低通原形傳遞函�(shù)變換為低通目�(biāo)傳遞函數(shù);若要求�(shè)�(jì)高通濾波器�(shí),再將低通原型傳遞函�(shù)變換為高通目�(biāo)傳遞函數(shù);若要求�(shè)�(jì)帶通濾波器�(shí),再將低通原型傳遞函�(shù)變換為帶通目�(biāo)傳遞函數(shù);若要求�(shè)�(jì)帶阻濾波器時(shí),再將低通原型傳遞函�(shù)變換為帶阻目�(biāo)傳遞函數(shù)�
2.電路設(shè)�(jì)
按各�(gè)低階傳遞函數(shù)的設(shè)�(jì)要求,設(shè)�(jì)和計(jì)算有源濾波器電路的基本節(jié)。先選擇好電路形�,再根據(jù)所�(shè)�(jì)的傳遞函�(shù),設(shè)�(jì)和計(jì)算相�(yīng)的元件參�(shù)�。根�(jù)�(shè)�(jì)要求,對(duì)各電路元件提出具體的要求�
3.電路裝配和�(diào)�
先設(shè)�(jì)和裝配好各�(gè)低階濾波器電�,再將各�(gè)低階電路�(jí)�(lián)起來(lái),組成整�(gè)濾波器電�。對(duì)整�(gè)濾波器電路�(jìn)行相�(yīng)的調(diào)整和性能�(cè)�,并檢驗(yàn)�(shè)�(jì)�(jié)果�
飛速發(fā)展的電力電子技�(shù)使各種電力電子裝置在工業(yè)、交通運(yùn)輸及家庭中的�(yīng)用日益廣泛,而這些非線性負(fù)荷帶�(lái)的諧波危害也日益�(yán)�。諧波使電網(wǎng)中元件產(chǎn)生諧波損耗、設(shè)備效率和功率因數(shù)降低,甚至損害電力設(shè)備如電容器等;諧波影響精密儀器和臨近的通信系統(tǒng),使其無(wú)法正常工��
電力系統(tǒng)中諧波次�(shù)和大小隨系統(tǒng)�(fù)荷狀況而變化,采用傳統(tǒng)的LC靜態(tài)濾波器無(wú)法滿足要�,而采用電力有源濾波器可以�(duì)大小和頻率都變化的諧波及變化的無(wú)功�(jìn)行動(dòng)�(tài)�(bǔ)�,因此有源濾波器的研究和�(yīng)用越�(lái)越受到人們的重視。有源濾波器的基本原理是:先從補(bǔ)償對(duì)象中檢測(cè)出諧波電�,再由補(bǔ)償裝置產(chǎn)生一�(gè)與該諧波電流大小相等而相位相反的�(bǔ)償電�,兩者相互抵消而使電網(wǎng)電流中只含有基波分量??刂破魇怯性礊V波器的核心部�,它通過(guò)�(chǎn)生并控制�(qū)�(dòng)�(kāi)�(guān)器件的脈沖來(lái)控制有源濾波器的行為,完成動(dòng)�(tài)�(bǔ)償諧波和�(wú)功的功能�
2 控制系統(tǒng)的結(jié)�(gòu)與基本功�
有源濾波器的主電路采用三單相橋式電壓型變流器,通過(guò)變壓器與系統(tǒng)耦合,其�(jié)�(gòu)如圖1所�。采用三單相橋結(jié)�(gòu)是因?yàn)槿龁蜗鄻虻目刂瓶梢韵嗷ソ�?,同�(shí)還可用于消除零序分量及其諧波電流,實(shí)�(xiàn)不對(duì)稱控��
該有源濾波器的控制系�(tǒng)采用雙DSP�(jié)�(gòu),其中一�(gè)DSP處理器用�(lái)完成�(shù)�(jù)處理、控制與高層保護(hù)功能;另一�(gè)DSP處理器用�(lái)�(chǎn)生高精度PWM脈沖??刂破髦饕幸韵鹿δ�?/FONT>
(1) 控制有源濾波器的行為
根據(jù)檢測(cè)出的�(fù)荷電流的諧波和無(wú)功電流分量控制逆變器的輸出電壓,使有源濾波器輸出的�(bǔ)償電流與�(fù)荷諧波電流和�(wú)功電流之和相互抵�,從而使系統(tǒng)電流為基波正序有功電��
(2) �(chǎn)生觸�(fā)脈沖
�(jīng)�(qū)�(dòng)電路控制IGBT的導(dǎo)通和�(guān)斷產(chǎn)生PWM觸發(fā)脈沖,使有源濾波器能輸出正確的諧波補(bǔ)償電��
(3) 脈沖同步
根據(jù)從電�(wǎng)取回的同步脈�,產(chǎn)生出與電�(wǎng)電壓同步的脈沖信�(hào),使有源濾波器輸出的電壓與電�(wǎng)電壓保持同步�
(4) 自我容錯(cuò)功能
一旦控制器自身有些元件出現(xiàn)�(cuò)誤(如電壓互感器(PT)斷線等�,控制器能立即發(fā)�(xiàn)�(cuò)誤并�(bào)警,同時(shí)不使裝置退出運(yùn)�,故障修�(fù)后可以容易地恢復(fù)�
?�?)保�(hù)功能
�(dāng)有源濾波器運(yùn)行在�(guò)載或其他不正常狀�(tài)下,而電流又�(méi)有超�(guò)保護(hù)�(dòng)作的整定值時(shí),控制器能通過(guò)保護(hù)功能使有源濾波器回到正常工作狀�(tài),避免其底層保護(hù)�(dòng)�,從而保證了有源濾波器能夠連續(xù)正常工作�
3 有源濾波器控制器的實(shí)�(xiàn)
有源濾波器控制器的原理框圖如�2所示�
控制器以60×50Hz(或更高)的采樣頻率�(duì)�(fù)荷電�、裝置輸出的�(bǔ)償電流及系統(tǒng)電壓�(jìn)行采樣和A/D�(zhuǎn)換。利用諧波分離算法如dq分解法或ab分解法及其它方法�(duì)采樣電流�(jìn)行分�,濾除基波有功分�,保留用作補(bǔ)償所需的諧波電�。然后采用控制算法據(jù)電路參數(shù)�(jì)算出逆變器應(yīng)�(chǎn)生的諧波電壓。將諧波電壓瞬時(shí)值送至DSP脈沖�(fā)生器,讓脈沖�(fā)生器根據(jù)諧波電壓瞬時(shí)值采用SPWM算法決定逆變器開(kāi)�(guān)元件的動(dòng)�。脈沖發(fā)生器根據(jù)電壓瞬時(shí)值�(jìn)行SPWM脈沖�(jì)算以�(chǎn)生驅(qū)�(dòng)脈沖�
下面分別介紹控制器的各項(xiàng)功能�
3.1 控制算法
本系�(tǒng)的控制算法由諧波和無(wú)功電流的檢測(cè)及電流跟蹤控制兩部分組成。其中諧波和�(wú)功電流的�(jì)算是基于三相電路瞬時(shí)�(wú)功功率理論[3],如�3所��
由于本文的有源濾波器要對(duì)直流�(cè)的電壓�(jìn)行控制,因此在指令電流中需要包含一定的基波有功分量,以便有源濾波器的直流側(cè)與交流側(cè)交換能量,調(diào)節(jié)電容電壓至給定��
�4 所示為電流跟蹤控制框圖。本系統(tǒng)的電流跟蹤控制采用PI控制,輸出控制量通過(guò)雙口RAM送至脈沖�(fā)生器,脈沖發(fā)生器根據(jù)得到的波形信息產(chǎn)生觸�(fā)脈沖,脈沖經(jīng)隔離、整形后�(qū)�(dòng)主電路的IGBT使逆變器輸出相�(yīng)電壓。補(bǔ)償電流是由逆變器的輸出電壓與交流側(cè)電源電壓的差值作用于電感而產(chǎn)生的�
�5是用該有源濾波器�(duì)三相6脈沖整流�(fù)載產(chǎn)生的諧波�(jìn)行補(bǔ)�?shù)腁相�(shù)字仿真結(jié)果圖,仿真軟件采用PSCAD。由圖可知補(bǔ)償后的系�(tǒng)電流與系�(tǒng)電壓同相�,電流波形得到大大改�,但比較�(fù)荷電流和系統(tǒng)電流可知,在�(fù)荷電流變化較快瞬間(�(duì)�(yīng)于整流橋的換相)�(bǔ)償效果差一�,這是�?yàn)橐a(bǔ)償快速變化的電流要求APF�(chǎn)生很高的諧波電壓,這一方面要求有源濾波器有很快的響�(yīng)速度,另一方面要求直流�(cè)�(chǎn)生高�,這在�(shí)際裝置中是較難實(shí)�(xiàn)�,因此在�(fù)載電流變化非??鞎r(shí),APF的補(bǔ)償能力較�。有�(guān)系統(tǒng)不對(duì)稱對(duì)APF的影響及其對(duì)零序電流的補(bǔ)�?shù)�?wèn)題仍在�(jìn)一步的研究�。圖6為A相系�(tǒng)電流的諧波分析,�(fù)載電流的諧波總畸變率THD�20.1[%],補(bǔ)償后的系�(tǒng)電流總畸變率�9.4[%]�5�7�9�11次諧波電流的含有率均小于5[%]�
3.2 �(shù)�(jù)采樣與處�
該DSP 處理器對(duì)�(fù)荷側(cè)的三相電�、電壓信�(hào)以及有源濾波器輸出的電流信號(hào)�(jìn)行同步采樣,然后�(jìn)行數(shù)�(jù)處理。根�(jù)�(fù)荷側(cè)的電流與電壓值計(jì)算出瞬時(shí)有功、瞬�(shí)�(wú)功功�,再�(jīng)�(guò)諧波檢測(cè)與分離算法計(jì)算出�(bǔ)償電流的參考�,該值與有源濾波器實(shí)際補(bǔ)償電流的差值通過(guò)PI控制�(huán)節(jié)得到相應(yīng)的控制信�(hào)�
3.3 控制器的高層保護(hù)與復(fù)位功�
一旦有源濾波器�(guò)流或者過(guò)�,保�(hù)裝置�(dòng)作將IGBT封鎖使有源濾波器處于封鎖狀�(tài)。此�(shí)控制器將根據(jù)系統(tǒng)狀�(tài)和有源濾波器本身的狀�(tài)�(jìn)行判�,如果二者均恢復(fù)正常則控制器�(huì)選擇適當(dāng)?shù)臅r(shí)�(jī)�(duì)有源濾波器�(jìn)行復(fù)�,使其恢�(fù)到正常運(yùn)行狀�(tài)[2]�
4 高精度脈沖發(fā)生器
�(guò)去基于單片機(jī)的脈寬調(diào)制的�(shí)�(xiàn)方案中,由于處理器的指令�(zhí)行時(shí)間較�(zhǎng),而難以保證脈沖精�,且受相位抖�(dòng)的影響也較顯著[4]。數(shù)字信�(hào)處理器快速的�(yùn)算能力使得我們有可能采用微處理器�(jié)�(gòu)�(shí)�(xiàn)高精度的脈沖�(fā)生器,該方法修改脈沖�(fā)生部分的程序即可�(chǎn)生各種類型的PWM脈沖,簡(jiǎn)單靈活,有較好的通用性[5]�
4.1 變流器脈沖信�(hào)之間的關(guān)�
�7(a)�7(b)是基于IGBT的單相橋電壓型逆變器的�(jié)�(gòu)圖和工作原理示意�。假定圖中半�(dǎo)體開(kāi)�(guān)為理想開(kāi)�(guān),則同一橋臂的兩�(gè)�(kāi)�(guān)的導(dǎo)通與�(guān)斷是互補(bǔ)的(�?yàn)橥粯虮鄣膬蓚€(gè)�(kāi)�(guān)不能同時(shí)�(dǎo)�,否則將�(huì)因橋臂直通而導(dǎo)致直流電源短路)。假定上部開(kāi)�(guān)(圖(a)中的SL和SR)導(dǎo)通而下部開(kāi)�(guān)(圖(a)中的SL′和SR′)�(guān)斷時(shí)�(kāi)�(guān)狀�(tài)�1,反之為0。如果任一�(shí)刻都有兩只管子導(dǎo)�,則單相橋IGBT�(kāi)�(guān)狀�(tài)的可能組合只�10�01兩種,輸出電壓分別對(duì)�(yīng)+Ed和-Ed�
這樣,利用一�(gè)6位的狀�(tài)字即可表征三單相全橋逆變器的輸出電壓,如100110B表示此時(shí)輸出電壓為A相+Ed,B相-Ed,C相+Ed�
4.2 脈沖�(fā)生器軟、硬件體系結(jié)�(gòu)與實(shí)�(xiàn)
本系�(tǒng)采用SPWM方式將載波與參考波的幅值�(jìn)行比�,根�(jù)比較�(jié)果確定輸出開(kāi)�(guān)的狀�(tài)。本有源濾波器系�(tǒng)的設(shè)�(jì)目標(biāo)是消�25次(1.25 kHz)以下的諧波,即參考波的頻率為1.25kHz。由采樣定理可知采樣頻率必須大于或等于原信號(hào)頻率�2倍才能保持原信號(hào)的全部信息,因此本系�(tǒng)中載波(三角波)的頻率應(yīng)該是2.5 kHz。考慮到提高調(diào)制波的頻率使功率元件的開(kāi)�(guān)頻率提高,損耗變�,因而本系統(tǒng)中三角波的頻率采�2.5kHz。由于采用數(shù)字離散化方式比較載波和參考波,因而兩�(gè)信號(hào)的抽樣頻率越高誤差就越小??紤]�(shù)字信�(hào)處理器的�(shí)�(shí)處理能力,本系統(tǒng)采用每隔0.3°比較一次的方法,即抽樣頻率�60 kHz。由于周期三角波頻率�2.5kHz,所以只需�24�(diǎn)幅值信息即可以滿足要求。在�(shí)際應(yīng)用時(shí),程序中�(gòu)造兩張表,一張為24�(diǎn)的調(diào)制三角波幅值表,另一張為參考波幅值表,即0°�360°之間間隔0.3°�1200�(diǎn)的參考波幅�,參考波幅值由另外一�(gè)控制芯片提供,通過(guò)雙口RAM提供本系�(tǒng)�(shù)字接��
脈沖�(fā)生器的硬件結(jié)�(gòu)如圖8。圖中的控制器由另外一�(gè)DSP芯片(TMS320C31)實(shí)�(xiàn),輸出的控制變量為逆變器輸出電壓的參考�,兩�(gè)DSP芯片之間通過(guò)雙口RAM交換�(shù)�(jù)。同步信�(hào)�(fā)生電路完成對(duì)電網(wǎng)電壓信號(hào)的濾波和整形處理,在正弦信號(hào)的每�(gè)�(fù)向過(guò)零點(diǎn)�(chǎn)生向DSP 申請(qǐng)外部中斷的窄脈沖。載波值表存儲(chǔ)于片�(nèi)RAM�,每�(gè)中斷周期�(jìn)行刷新變址寄存器中的數(shù)值來(lái)更新�(dāng)前所指表中數(shù)�(jù)的位�,以便和雙口RAM中的參考波的幅值�(jìn)行比�。定�(shí)�0由外部同步脈沖觸�(fā)并將角度信息值轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的時(shí)鐘周期數(shù)加載到定�(shí)�1以及串口�(jì)�(shù)器的周期�(jì)�(shù)器中,用于觸�(fā)�(jì)�(shù)�1和串口中斷程��
與硬件結(jié)�(gòu)相應(yīng)的軟件結(jié)�(gòu)如圖9。系�(tǒng)初始化包括寫(xiě)控制�、變量賦值、確定存�(chǔ)地址�。在外部中斷服務(wù)程序中啟�(dòng)定時(shí)器O,即�(zhí)行系�(tǒng)的主程序。以連續(xù)兩�(gè)�(fù)向過(guò)零點(diǎn)之間的時(shí)間間隔為周期�(jì)算出同步信號(hào)的頻�,并將其�(zhuǎn)化為相應(yīng)的時(shí)鐘周期數(shù)。定�(shí)器中斷程序主要用�(lái)保持觸發(fā)脈沖的同步和初始化查表用的變址寄存�,并保存上一次的角度信息。串口中斷程序用�(lái)比較參考波與調(diào)制波的幅值大�,每次用于比較的參考波為三相幅�,根�(jù)比較�(jié)果來(lái)確定�(fā)出的狀�(tài)字相�(yīng)位是1還是0。由于主電路采用三單相橋�(jié)�(gòu)需�6路觸�(fā)脈沖,因此狀�(tài)字為6�,根�(jù)比較�(jié)果實(shí)�(shí)刷新?tīng)顟B(tài)�,狀�(tài)字經(jīng)輸出鎖存器鎖存后即形成連續(xù)脈沖�
4.3 試驗(yàn)�(jié)�
�10為利用FLUKE 41B型諧波分析儀�(shí)�(cè)的調(diào)制波為基波正弦疊�11�13次諧波時(shí)的A相PWM脈沖的諧波分析圖,其�11�13次諧波的幅值均為基波幅值的1/4�
5 �(jié)�
本文利用了數(shù)字信�(hào)處理器運(yùn)算速度�、計(jì)算精度高、定�(shí)�(zhǔn)確的�(yōu)�(diǎn)�(shè)�(jì)了基于TMS320C31 DSP的脈沖發(fā)生器和控制器。詳�(xì)地介紹了有源濾波器控制器的特�(diǎn)、結(jié)�(gòu)、控制方法和主要功能以及脈沖�(fā)生器的設(shè)�(jì)、軟硬件�(jié)�(gòu)和現(xiàn)�(chǎng)試驗(yàn)�(jié)�?,F(xiàn)�(chǎng)試驗(yàn)和數(shù)字仿真結(jié)果表�,脈沖發(fā)生器精度高、穩(wěn)定性好,控制器的性能符合�(shè)�(jì)要求�