基于MATLAB的數(shù)字低通濾波器的諧波檢測系統(tǒng)研究

【摘? 要】針對現(xiàn)在有源電力濾波器中諧波檢測的缺陷，設(shè)計(jì)出一種數(shù)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(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了諧波檢測的快速性和準(zhǔn)確性，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，有較好的應(yīng)用前景。

【關(guān)鍵詞】低通濾波器;瞬時(shí)無功功率;諧波檢測

中圖分類號：TP1???? 文獻(xiàn)標(biāo)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(shù)字低通濾波器設(shè)計(jì)中，高精度及實(shí)時(shí)性的諧波檢測是高性能補(bǔ)償?shù)年P(guān)鍵，采用數(shù)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(shè)計(jì)制造上還是從動態(tài)響應(yīng)過程和檢測精度方面都有優(yōu)勢。本文基于瞬時(shí)無功功率理論的i-i諧波檢測方法，對數(shù)字低通濾波器諧波檢測方法進(jìn)行了仿真研究，針對仿真結(jié)果分析了數(shù)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(yōu)越性。

2 基于瞬時(shí)無功功率理論的ip-iq諧波檢測方法

針對數(shù)字低通濾波器諧波電流檢測法實(shí)時(shí)性好，延時(shí)小，既能檢測諧波又能補(bǔ)償無功的特點(diǎn)，本文采用基于瞬時(shí)無功功率理論的i-i檢測法。瞬時(shí)無功功率理論是將三相電流變換到、坐標(biāo)，大大地簡化了負(fù)載有功功率和無功功率的計(jì)算，在檢測三相

電路諧波及無功電流中得到了廣泛的應(yīng)用。經(jīng)坐標(biāo)變換后，電網(wǎng)基波電流的瞬時(shí)無功功率和有功功率在、坐標(biāo)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(wǎng)基波電流。這樣，電網(wǎng)電流減去已檢測出的基波電流，就得到電網(wǎng)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(gè)鎖相環(huán)和一個(gè)正弦、余弦發(fā)生電路得到與a相電網(wǎng)電壓e同相位的正弦信號sinωt和對應(yīng)的余弦信號-cosωt，它們由鎖相環(huán)（PLL）和正余弦信號發(fā)生電路得到。利用這兩個(gè)信號和i、i、i一起計(jì)算出i、i，再經(jīng)過LPF得出i、i的直流分量、，這里的、是由i、i、i產(chǎn)生的，因此由、就可以計(jì)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(jì)算出諧波分量i、i、i。

3補(bǔ)償電流控制方式的確定

補(bǔ)償電流控制電路的作用是根據(jù)補(bǔ)償電流的指令信號和實(shí)際補(bǔ)償電流之間的相互關(guān)系，得出控制補(bǔ)償電流發(fā)生電路中主電路各個(gè)器件通斷的PWM信號，控制的結(jié)果應(yīng)實(shí)時(shí)跟隨指令信號的變化。為了保證補(bǔ)償電流具有良好的實(shí)時(shí)性，電流控制應(yīng)采用跟蹤型PWM控制方式。目前被證實(shí)實(shí)際運(yùn)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(huán)比較方式。由于本文為數(shù)字化方案目標(biāo)，故在設(shè)計(jì)中采用滯環(huán)控制方法實(shí)現(xiàn)對諧波電流的跟蹤。

如圖2所示為采用滯環(huán)比較器的瞬時(shí)值比較方式的原理圖。

在該方式中，把補(bǔ)償電流的指令信號i*和實(shí)際的補(bǔ)償電流信號i進(jìn)行比較，兩者的偏差△i作為滯環(huán)比較器的輸入，通過滯環(huán)比較器產(chǎn)生控制主電路中開關(guān)通斷的PWM信號，該P(yáng)WM信號經(jīng)驅(qū)動電路來控制開關(guān)的通斷，從而控制補(bǔ)償電流i的變化。

4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

諧波檢測電路由DSP外圍電路、模擬信號調(diào)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(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)主要是采樣與計(jì)算、PWM的發(fā)出。利用TMS320F2812 DSP來實(shí)現(xiàn)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(jì)算子程序、存儲器數(shù)據(jù)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(gè)部分即i-i算法檢測模塊與滯環(huán)控制方式的PWM脈沖生成模塊。選取三相不可控整流橋?yàn)橹C波源，對其發(fā)出的諧波電流進(jìn)行檢測。圖5所示為諧波檢測系統(tǒng)的仿真模型。滯環(huán)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(tǒng)仿真算法：ode23t，相對誤差：1e-3。分別對系統(tǒng)滯環(huán)電流跟蹤效果、補(bǔ)償后系統(tǒng)電流、補(bǔ)償后系統(tǒng)電流與系統(tǒng)電壓相位比較進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果如下圖所示：

由圖7可以看出，滯環(huán)跟蹤控制方式電流響應(yīng)很快，基本實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)控制方式，這與理論研究結(jié)果相符。

由圖8～圖10可以看出補(bǔ)償前電源電流與電源電壓之間存在相位差，而補(bǔ)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(shí)現(xiàn)了正弦化，這說明系統(tǒng)功率因數(shù)很高。

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

7 結(jié)語

本文利用Matlab仿真軟件對數(shù)字低通濾波器檢測系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究，針對仿真結(jié)果分析了數(shù)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(yōu)越性，為后續(xù)的研究工作提供了理論依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王兆安，楊君，劉進(jìn)軍.諧波抑制和無功功率補(bǔ)償[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社.2005.

[2] 童立青.有源電力濾波器電路拓?fù)溲芯烤C述[J].電力電子技術(shù)，2009，43（10）：2-4.

[3] 李承，鄒云屏.有源電力濾波器抑制諧波的機(jī)理分析[J].電力系統(tǒng)自動化，2003，27（20）：3l-34.

[4] 林海雪.公用電網(wǎng)諧波國標(biāo)中的幾個(gè)問題[J].電網(wǎng)技術(shù)，2003，27（1）：65-70.

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(xué)院電信學(xué)院）