一種無鎖相環(huán)的有源電力濾波器的設(shè)計(jì)研究

荊鴻儒 簡(jiǎn)優(yōu)宗

(1.哈電集團(tuán)哈爾濱電站工程有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150040;2.哈爾濱理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

0 引言

隨著電力電子設(shè)備的廣泛應(yīng)用，非線性負(fù)載以及為了解決能源危機(jī)而新興的各種新能源并網(wǎng)裝置的增加，都對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生了一定程度的污染，使電網(wǎng)中混入了大量的諧波分量和無功功率，而這些污染又嚴(yán)重的沖擊了接在電網(wǎng)上的其它用電設(shè)備、降低了設(shè)備的使用壽命，并且降低了輸電線路的有效利用率，因此有源電力濾波器(APF)的推廣有著十分重要的意義［1－10］。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

有源電力濾波器的系統(tǒng)構(gòu)成如圖(1)所示，其工作原理是檢測(cè)出非線性負(fù)載所產(chǎn)生的諧波電流，通過PWM變流器產(chǎn)生大小相同、方向相反的電流，注入電網(wǎng)來抵消非線性負(fù)載所產(chǎn)生的諧波電流［2］。

系統(tǒng)主要由電流指令運(yùn)算電路、電流跟蹤控制電路、驅(qū)動(dòng)電路和主功率電路組成。電流指令運(yùn)算電路是通過檢測(cè)出電網(wǎng)電流的諧波電流，通過一系列的軟硬件電路的處理得到所需要的向電網(wǎng)注入電流的信號(hào)，包括了作信號(hào)處理時(shí)所需要的電壓同步信號(hào)和正余弦值，和為了維持主功率電路電容電壓穩(wěn)定而注入的一個(gè)電流信號(hào)。電流跟蹤控制電路是一個(gè)將電流給定信號(hào)和反饋的實(shí)際輸出電流信號(hào)相比較產(chǎn)生PWM控制信號(hào)的閉環(huán)電路，其目的是為了保證實(shí)際輸出電流信號(hào)跟蹤電流給定信號(hào)，在保證跟蹤速度的前提下還要保證輸出的精度，本文中采用限制最高頻率的滯環(huán)比較法。驅(qū)動(dòng)電路是為了隔離控制電路和主功率電路，并進(jìn)行信號(hào)功率的放大。主功率電路采用電壓型PWM變流器結(jié)構(gòu)，如圖(2)所示。

圖1 有源電力濾波器的系統(tǒng)框圖

2 控制電路設(shè)計(jì)

圖2 電壓型PWM變流器主電路

諧波電流的檢測(cè)與運(yùn)算是有源電力濾波器的一個(gè)核心環(huán)節(jié)，檢測(cè)的速度和精度直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的濾波性能［7－8－9］。本文采用日本學(xué)者赤木泰文提出的基于無功功率理論的ip－iq諧波電流檢測(cè)法。將實(shí)時(shí)采集到的三相畸變電流進(jìn)行坐標(biāo)變換，畸變電流中的基波分量對(duì)應(yīng)于變換后的直流分量，畸變電流中的諧波分量對(duì)應(yīng)于變換后的交流分量。用低通濾波器對(duì)變換后的量進(jìn)行濾波，得到變換后的直流分量，就對(duì)應(yīng)于畸變電流中的基波分量。從畸變電流中減去基波分量，就得到其諧波分量，也就是系統(tǒng)所要消除的目標(biāo)分量。

2.1 諧波電流檢測(cè)

圖(3)是基于瞬時(shí)無功功率理論的ip－iq諧波電流檢測(cè)法，其變換矩陣

圖3 基于瞬時(shí)無功功率理論的ip－iq諧波電流檢測(cè)

其原理是將負(fù)載電流ia、ib、ic經(jīng)坐標(biāo)變換后基波分量部分變換為直流量，諧波分量部分變換為交流分量，通過低通濾波器將交流量濾去剩下直流分量，即是負(fù)載電流的基波分量，用總的負(fù)載電流減去其基波分量，即得到諧波分量［3］。即

由于在檢測(cè)過程中只利用了電網(wǎng)電壓的同步信號(hào)，在運(yùn)算過程中沒有用到電網(wǎng)電壓，所以不會(huì)受到電網(wǎng)電壓畸變的影響，從而保證了運(yùn)算的精度和準(zhǔn)確性。

2.2 無鎖相環(huán)同步電路的實(shí)現(xiàn)

同步信號(hào)的獲取是通過同步變壓器得到一個(gè)與A相電網(wǎng)電壓波形一致的低電壓信號(hào)，利用過零比較器得到與電網(wǎng)電壓同步的方波信號(hào)，在DSP捕獲口捕獲到該方波信號(hào)的上跳沿時(shí)開始查儲(chǔ)能在DSP里的正弦表值，同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器，在方波下跳沿時(shí)停止定時(shí)器，定時(shí)器的值即半個(gè)電網(wǎng)電壓周期的值，將電網(wǎng)電壓周期值除以正余弦表的個(gè)數(shù)即是查正弦表的周期，通過這種方法每周期校正一次查表頻率，就是校正了系統(tǒng)輸出頻率，使其準(zhǔn)確的跟蹤電網(wǎng)電壓頻率的波動(dòng)，這種用軟件跟蹤的方法，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)，降低了硬件成本。同步信號(hào)檢測(cè)電路如圖(4)所示，其中LM324是電壓跟隨器，進(jìn)行阻抗隔離，D1二極管起嵌位作用，將低電平嵌位在 －0.7V，保護(hù)比較器 LM393的輸入端，由于LM393是OC門輸出，所以加了R2上拉電阻，將輸出高低電平控制在0－3.3V之內(nèi)。C2是濾波電容，濾出尖脈沖干擾。

圖4 同步信號(hào)檢測(cè)電路

2.3 電壓型變流器直流側(cè)電壓的控制

電壓型變流器正常工作需要給電容端提供一個(gè)穩(wěn)定的電壓，如果設(shè)計(jì)另外一套電路給電容充電，維持電容電壓的穩(wěn)定，就增加了電路的復(fù)雜性。而通過對(duì)變流器給定電流值的適當(dāng)控制，則可以通過變流器給電容充電，維持電容電壓的穩(wěn)定［4，5］。原理如圖(5)所示:Ucg是電容電壓的給定值，Uc是電容電壓的實(shí)際值，給定值和實(shí)際值之間的差值經(jīng)PI調(diào)節(jié)后與基波有功電流疊加，經(jīng)過坐標(biāo)變換、與負(fù)載電流做差后作為諧波信號(hào)，該信號(hào)的幅值相等、方向相反的信號(hào)即是所需要的指令電流信號(hào)。

圖5 變流器直流側(cè)電壓的控制

2.4 電流跟蹤控制電路

電流跟蹤控制電路常見的方法是三角波比較的方法、滯環(huán)方法、無差拍方法［6］。三角波控制方法要用到PI環(huán)節(jié)處理實(shí)際電流和指令電流之間的偏差，所以響應(yīng)速度慢，無差拍方法計(jì)算尤其復(fù)雜，本文中采用了滯環(huán)比較方法，其優(yōu)點(diǎn)是電流響應(yīng)很快，但缺點(diǎn)是開關(guān)管的開關(guān)頻率是變化的，如果設(shè)置環(huán)寬很小而誤差變化很大的時(shí)候會(huì)造成開關(guān)管的頻繁通斷，損耗劇增，造成開關(guān)管過熱燒毀。因此本文采用了一種限制最高開關(guān)頻率的滯環(huán)比較方法，在定時(shí)器T2中斷子程序里進(jìn)行滯環(huán)比較，這樣就保證了滯環(huán)比較的輸出信號(hào)周期大于等于T2的定時(shí)值，從而限制了開關(guān)管的的最高開關(guān)頻率。

2.5 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

本文采用光耦隔離的方式進(jìn)行功率電路與控制電路的隔離，圖(6)以一個(gè)橋臂為例，說明這種隔離方式的優(yōu)點(diǎn)，其中W01和W02是5.1 V穩(wěn)壓管，在PWM1信號(hào)為高時(shí)光耦關(guān)斷，GE端電壓為14.9 V，IGBT導(dǎo)通，在PWM1信號(hào)為低時(shí)光耦導(dǎo)通，GE端電壓為－5.1 V，加快了IGBT的關(guān)斷。

圖6 一個(gè)橋臂的驅(qū)動(dòng)電路

2.6 軟件的實(shí)現(xiàn)

在系統(tǒng)的主程序里主要完成系統(tǒng)初始化、模塊初始化和顯示任務(wù)。采樣信號(hào)的處理和PWM信號(hào)的生成在中斷里進(jìn)行，捕獲口捕獲到同步信號(hào)的上跳沿時(shí)開始查正余弦表，同時(shí)觸發(fā)定時(shí)器T1計(jì)同步信號(hào)高電平時(shí)間，定時(shí)器得到的周期值除以正余弦表個(gè)數(shù)得到查表的間隔，用以校正電流給定的頻率跟蹤電網(wǎng)電壓頻率。主程序流程圖如圖(7)所示:

圖7 主程序流程圖

圖8 AD中斷服務(wù)程序流程圖

圖9 PI調(diào)節(jié)子程序流程圖

在AD中斷程序里，調(diào)用 PI子程序做電容電壓的PI閉環(huán)調(diào)節(jié)，讀出負(fù)載電流采樣值，計(jì)算電流指令給定信號(hào)幅值。在定時(shí)器中斷里讀取實(shí)際補(bǔ)償電流采樣值，與補(bǔ)償電流給定值進(jìn)行滯環(huán)調(diào)節(jié)，調(diào)用PWM生成程序，產(chǎn)生PWM信號(hào)，經(jīng)隔離放大后驅(qū)動(dòng)開關(guān)管。AD中斷子程序的流程圖如圖(8)所示。

PI調(diào)節(jié)用來維持變流器中電容二端電壓不變，其程序流程圖如圖(9)所示。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

按照上述方法，進(jìn)行了樣機(jī)的設(shè)計(jì)，結(jié)果證明這種方法是可行的。圖(10)為A相電壓的同步信號(hào)，圖(11)和圖(12)為負(fù)載為二極管整流濾波電路時(shí)各實(shí)驗(yàn)波形:其中A為負(fù)載電流，B為濾波器的電流，C為接入濾波器后的源側(cè)電流。由此可見經(jīng)系統(tǒng)濾波后的波形具有很好的正弦性，且諧波含量明顯很低。

圖12 整流濾波負(fù)載時(shí)的負(fù)載電流和濾波后源側(cè)電流波形

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種低成本高可靠性的有源電力濾波器，采用無鎖相環(huán)技術(shù)，通過軟件方法跟蹤電網(wǎng)頻率，有效的避免了電網(wǎng)頻率的波動(dòng)，簡(jiǎn)化了硬件電路設(shè)計(jì)，降低了成本。利用ip－iq方法檢測(cè)電網(wǎng)諧波電流，避免了電網(wǎng)電壓畸變的影響，利用限制最高開關(guān)頻率的方法加快了電流的跟蹤速度。通過樣機(jī)實(shí)驗(yàn)證明了該方案的可行性。

［1］ Hirofumi Akagi.New Trends in Active Filter for Power Conditioning［J］.IEEE Trans Industry Application，1996，32(6):1312.

［2］ 王兆安，楊君，等.諧波抑制與無功功率補(bǔ)償(第二版)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2009:1－50.

［3］ 祖珍君，張志文，周臘吾.基于ip－iq運(yùn)算方式的雙濾波檢測(cè)方法及其數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)［J］.電氣應(yīng)用，2007，26(10):88－90.

［4］ 姜齊榮，謝小榮，陳建業(yè).電力系統(tǒng)并聯(lián)補(bǔ)償—結(jié)構(gòu)、原理、控制與應(yīng)用［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004:1－200.

［5］ 杜雄，周雒維，謝品芳.直流側(cè)APF主電路參數(shù)與補(bǔ)償性能的關(guān)系［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2004，24(11):39 －42.

［6］ 王昭，曾國(guó)宏.基于DSP的有源電力濾波器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究［J］.電力電容器.2007，28(5):25 －29.

［7］ 羅世國(guó)，陸治國(guó)，鄒言，等.一種新的諧波和無功電流實(shí)時(shí)檢測(cè)方法［J］.重慶大學(xué)學(xué)報(bào)，1991，14(6):28－31.

［8］ Peng FZ，Lai JS.Generalized instantaneous reactive power theory for three－phase power systems［J］.IEEE Trans.Instrum.Meas.，1996，45(1):293－297.

［9］ Akagi H.New trends in active filters for power conditioning［J］.IEEE Trans.Ind.Appl.，1996，32(13):1312 －1322.

［10］ 肖國(guó)春，劉進(jìn)軍，王兆安.電能質(zhì)量及其控制技術(shù)的研究進(jìn)展［J］.電力電子技術(shù)，2000，36(6):58－60.