基于DSP的諧振注入式有源濾波器數(shù)字雙環(huán)控制方法

張書紅

（合肥財(cái)經(jīng)職業(yè)學(xué)院 機(jī)械工程系，合肥 230000）

目前，各類電子設(shè)備得到廣泛的應(yīng)用，從重工業(yè)領(lǐng)域到日常工業(yè)生產(chǎn)都離不開電子設(shè)備。電能質(zhì)量的好壞直接影響著人們的日常生活及生產(chǎn)工作，因此，電子設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行效果，受到了人們的高度關(guān)注[1]。諧振注入式有源濾波器是一種用于抑制諧波的新型電力電子產(chǎn)品，其主要運(yùn)行原理是通過檢測(cè)電流當(dāng)中的諧波負(fù)載，實(shí)現(xiàn)對(duì)電流諧波分量的計(jì)算，從而控制電路整體的開關(guān)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)對(duì)電流補(bǔ)償。

有關(guān)諧振注入式有源濾波器控制研究較多，文獻(xiàn)[2]提出混合型并聯(lián)有源濾波器控制方法，分析采用瞬時(shí)無功功率理論的諧波電流檢測(cè)法，推導(dǎo)出檢測(cè)負(fù)荷諧波和基波無功電流方法，通過有源和無源濾波器相結(jié)合，利用雙滯環(huán)矢量控制方法，控制無源濾波器組數(shù)，實(shí)現(xiàn)精確補(bǔ)償負(fù)荷諧波和基波無功電流。該方法能夠有效減小線損與電壓損失，文獻(xiàn)[3]提出級(jí)聯(lián)H 橋有源電力濾波器直流側(cè)電壓失衡分層控制方法，首層是均衡有功指令電流跟蹤和相間電壓，底層是控制相內(nèi)各H 橋模塊電壓均衡，實(shí)現(xiàn)相間和相內(nèi)電壓均衡控制。該方法能夠有效實(shí)現(xiàn)均衡控制，但現(xiàn)有技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中存在相互干擾嚴(yán)重、控制誤差大、響應(yīng)慢等問題。DSP 是一種數(shù)字信息處理技術(shù)，利用DSP 技術(shù)制備的數(shù)字信號(hào)處理器，具有可編程性，并且比其他處理器的速度更快。同時(shí)，DSP 本質(zhì)上屬于微處理器，其主要用于對(duì)數(shù)字信號(hào)的有效處理，DSP 是數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)與實(shí)際應(yīng)用的結(jié)合產(chǎn)物，進(jìn)一步推動(dòng)了數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)發(fā)展的同時(shí)，還拓展了數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，由于其具有數(shù)字信號(hào)處理效率、精度高等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域中。因此，在對(duì)諧振注入式有源濾波器數(shù)字雙環(huán)控制方法進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，引入DSP 技術(shù)，針對(duì)現(xiàn)用控制問題提出優(yōu)化后的控制方法。

1 諧振注入式有源濾波器應(yīng)用原理

諧振注入式有源濾波器通常采用基波分壓或電流旁路的方式，將串聯(lián)在注入支路當(dāng)中的濾波器不會(huì)承受基波電壓以及基波電流，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)濾波器容量的降低效果。諧振注入式有源濾波器中，有源部分分別與基波諧振支路以串聯(lián)或并聯(lián)的形式連接，其基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 中L0表示為平波電路；A 表示為逆變器；B 表示為注入電容；C 表示為注入支路；D 表示為基波諧振支路。從圖1 諧振注入式有源濾波器的整體結(jié)構(gòu)可以看出，該裝置在實(shí)際應(yīng)用中，既可以實(shí)現(xiàn)對(duì)諧波的治理，同時(shí)又可以根據(jù)情況進(jìn)行無功功率的補(bǔ)償，保證電力設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。

諧振注入式有源濾波器的控制方式主要是通過對(duì)逆變器的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)，通常情況下逆變器可以將其等效為一個(gè)電壓電源[4]。在濾波器裝置中存在多個(gè)電感、電容等無源元件，而通過無源元件的引入，可以有效提升濾波器的整體階數(shù)，從而使得對(duì)其進(jìn)行控制時(shí)難度進(jìn)一步提升，控制參數(shù)無法確定。

圖1 諧振注入式有源濾波器基本結(jié)構(gòu)圖

2 基于DSP 的諧振注入式有源濾波器數(shù)字雙環(huán)控制方法

2.1 諧振注入式有源濾波器最大功率點(diǎn)跟蹤

由于在不同運(yùn)行環(huán)境下，電力設(shè)備的輸出電壓工作條件不同，因此諧振注入式有源濾波器的控制量存在較大差異。在對(duì)諧振注入式有源濾波器數(shù)字雙環(huán)控制前，應(yīng)當(dāng)明確其最大功率點(diǎn)，并對(duì)其最大功率點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)的跟蹤[5]。當(dāng)控制到某一固定位置時(shí)，濾波器才能在允許條件下，實(shí)現(xiàn)對(duì)電力設(shè)備的電源最大輸出功率，即最大功率點(diǎn)。通過對(duì)最大功率點(diǎn)的跟蹤，可初步實(shí)現(xiàn)對(duì)諧振注入式有源濾波器的協(xié)調(diào)控制。本文采用擾動(dòng)法對(duì)最大功率點(diǎn)進(jìn)行追蹤。首先，對(duì)諧振注入式有源濾波器電源的輸入電壓實(shí)施一個(gè)變化的量，并在輸入電壓變化過程中測(cè)量電源的電壓與電流[6]。其次，根據(jù)實(shí)際測(cè)量得到的數(shù)據(jù)對(duì)電源的輸出功率進(jìn)行計(jì)算，將新的輸出功率與變化之前的輸出功率測(cè)量值進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)對(duì)比結(jié)構(gòu)完成對(duì)濾波器工作點(diǎn)的控制調(diào)節(jié)。

通常情況下，在電力設(shè)備運(yùn)行過程中，電網(wǎng)當(dāng)中的電力設(shè)備需要在短時(shí)間內(nèi)處于孤島運(yùn)行狀態(tài)，濾波器此時(shí)不對(duì)直流母線電壓進(jìn)行控制。由于電網(wǎng)通常采用直流負(fù)載額定電壓為440 V，而直流母線電壓為500 V，結(jié)合最大功率點(diǎn)跟蹤結(jié)果[7]。在對(duì)諧振注入式有源濾波器控制前，首先應(yīng)當(dāng)對(duì)直流母線電壓進(jìn)行處理，待直流負(fù)載額定電壓降低到440 V 后，再轉(zhuǎn)換為恒壓數(shù)字雙環(huán)控制。

2.2 基于DSP 的離散化數(shù)字雙環(huán)控制信號(hào)采集與處理

在對(duì)諧振注入式有源濾波器控制信號(hào)進(jìn)行采集時(shí)，由于監(jiān)測(cè)頻帶較寬，需要?jiǎng)澐执罅康淖訋?，?dǎo)致通道之間存在不匹配問題[8]。因此，本文結(jié)合小波的采集方法，對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行采集和處理。首先利用計(jì)算機(jī)處理測(cè)量到的連續(xù)時(shí)間信號(hào)，離散處理連續(xù)時(shí)間信號(hào)，轉(zhuǎn)化為以離散形式表現(xiàn)的時(shí)間信號(hào)，再利用YI數(shù)字編程軟件將離散信號(hào)量化、編碼成數(shù)字信號(hào)，以此獲得的數(shù)字信號(hào)可以通過衛(wèi)星通道、光纖、電纜、微波干線等數(shù)字線路進(jìn)行傳送，將一個(gè)低速率信號(hào)采樣指令分配到每一個(gè)子帶，利用子帶換取動(dòng)態(tài)范圍的提升，提高小信號(hào)采集的量化精度。

完成對(duì)濾波器離散化數(shù)字雙環(huán)控制信號(hào)采集后，結(jié)合DSP 技術(shù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。根據(jù)濾波器特定的濾除工作和功能，處理過程中主要涉及的設(shè)備及裝置包括：?jiǎn)纹瑱C(jī)、D/A 轉(zhuǎn)換器、自動(dòng)增益控制電路等，其具體組成形式如圖2 所示。

利用DSP 技術(shù)將信號(hào)連續(xù)降半分割到相應(yīng)的層上，將濾波器看作一個(gè)半帶濾波裝置，把測(cè)量到的距離結(jié)果以4～20 mA 模擬電流的形式傳送到電腦控制界面,根據(jù)該電流的大小判斷所測(cè)的距離結(jié)果。再利用D/A 轉(zhuǎn)換器將測(cè)量結(jié)果的數(shù)字碼轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，并通過D/A 轉(zhuǎn)換器生成對(duì)應(yīng)12～24 mA 范圍內(nèi)的模擬電流，并將該數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)的控制界面當(dāng)中[9]。通常情況下，電網(wǎng)電流具有較大的變化率，有源濾波器的補(bǔ)償誤差最大和最小之間形成脈動(dòng)。通過上述分析得出，諧振注入式有源濾波器輸出的補(bǔ)償電流平均滯后時(shí)間計(jì)算公式為

圖2 離散化數(shù)字雙環(huán)控制信號(hào)處理流程圖

式(1)中， Td_max表示為補(bǔ)償電流平均滯后時(shí)間； Tp表示為最大延遲時(shí)間； Tb表示為最小延遲時(shí)間。根據(jù)公式計(jì)算得出，當(dāng)離散化數(shù)字雙環(huán)控制信號(hào)采集頻率為15.5 kHz，并且信號(hào)采樣與信號(hào)處理的時(shí)間為42 μs，Tp取值為100 μs， Tb取值為42 μs，其平均延時(shí)可達(dá)到71 μs。而當(dāng)DSP 數(shù)字信號(hào)處理器的采集頻率進(jìn)一步降低時(shí)，平均延時(shí)將會(huì)不斷增加，因此，延時(shí)越長(zhǎng)，平均補(bǔ)償誤差越大。

2.3 諧振頻率控制補(bǔ)償策略

在采用上述方法完成對(duì)控制信號(hào)的處理后，針對(duì)控制信號(hào)的變化提出相應(yīng)的諧振頻率控制補(bǔ)償策略。將上述離散后的控制信號(hào)引入到離散域傳遞函數(shù)當(dāng)中，其函數(shù)表達(dá)式為

式(2)中， g ( p) 表示為離散域傳遞函數(shù)；h 表示為諧波次數(shù)；nw 表示為基波角頻率；mw 表示為數(shù)字雙環(huán)輸出的電網(wǎng)電壓實(shí)際角頻率。由于濾波器的諧振頻率是隨著電網(wǎng)的實(shí)際運(yùn)行頻率發(fā)生不斷變化的，因此在電網(wǎng)頻率波動(dòng)的過程中仍然能夠保證一定的諧振控制效果[10]。通過將每一個(gè)諧振濾波器與數(shù)字鎖相環(huán)輸出的電網(wǎng)實(shí)際角頻率關(guān)聯(lián)，不斷更新控制極點(diǎn)的數(shù)值，使電網(wǎng)頻率始終能夠保證其與諧振的頻率匹配，達(dá)到對(duì)諧振頻率控制補(bǔ)償?shù)男Ч?，在兼顧控制效果的同時(shí)，提高控制方法的易用性，因此完成基于DSP 的諧振注入式有源濾波器數(shù)字雙環(huán)控制。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為進(jìn)一步驗(yàn)證本文提出的基于DSP 的諧振注入式有源濾波器數(shù)字雙環(huán)控制方法的可行性，進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)選擇某工業(yè)生產(chǎn)廠中常見的風(fēng)機(jī)作為濾波器進(jìn)行濾波操作的電力設(shè)備。風(fēng)機(jī)的功率大小為16.5 kW，光伏電池總功率大小為36 kW，儲(chǔ)能電池容量大小為20 kW，母線電壓為300 V。實(shí)驗(yàn)中分別將電力設(shè)備運(yùn)行功率加大5.50 , 6.00, 7.50, 8.00, 9.50, 12.50, 15.50, 17.50, 19.50, 25.50 kW，利用設(shè)備方法通過對(duì)有源濾波器數(shù)字雙環(huán)控制，控制電力設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)驗(yàn)過程中利用電子表格分別記錄文獻(xiàn)[2]、文獻(xiàn)[3]和本文控制方法應(yīng)用后，濾波器控制功率數(shù)值，將其與實(shí)際需求對(duì)比，計(jì)算出控制誤差，將其作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果，完成對(duì)比實(shí)驗(yàn)，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄如表1 所示。

表1 實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表

由表1 中的數(shù)據(jù)可以看出，本文控制方法在對(duì)諧振注入式有源濾波器進(jìn)行數(shù)字雙環(huán)控制后，得到的電源功率與實(shí)際需求功率相比，控制誤差在0.02～0.06 kW 之間，最大控制誤差僅為0.06 kW，平均控制誤差為0.03 kW；文獻(xiàn)[2]控制方法最小控制誤差為0.48 kW，最大控制誤差可達(dá)到1.03 kW，平均控制誤差為0.67 kW；而文獻(xiàn)[3]控制方法最小控制誤差為0.45 kW，最大控制誤差可達(dá)到1.16 kW，平均控制誤差為0.74 kW。根據(jù)研究過程得出，基于DSP 的諧振注入式有源濾波器數(shù)字雙環(huán)控制方法精度更高的原因?yàn)椋河捎谠趯?duì)濾波器進(jìn)行控制時(shí)，可根據(jù)控制結(jié)果對(duì)控制信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，充分保證有源濾波器數(shù)字雙環(huán)控制信號(hào)的平穩(wěn)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)的精度控制。因此，通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)證明，本文提出的基于DSP 的諧振注入式有源濾波器數(shù)字雙環(huán)控制方法控制精度更高，相比于當(dāng)前控制方法更適用于有源濾波器數(shù)字雙環(huán)控制，具有較高的可行度和可行性，能夠滿足電力企業(yè)各類電力設(shè)備的運(yùn)行需要，為電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供條件，實(shí)現(xiàn)對(duì)電力設(shè)備全天候高精度控制。

4 結(jié)束語

本文針對(duì)諧振注入式有源濾波器數(shù)字雙環(huán)控制方法進(jìn)行研究，提出基于DSP 的諧振注入式有源濾波器數(shù)字雙環(huán)控制方法，并通過實(shí)驗(yàn)證明了該方法的可行性。在實(shí)際應(yīng)用中，由于諧振注入式有源濾波器整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加之DSP 數(shù)字信號(hào)處理器的引入，使得控制難度增加，對(duì)于多諧振濾波器而言，該控制方法仍然存在一些問題。因此，在后續(xù)的研究中，還將針對(duì)多諧振類型的濾波器的控制對(duì)本文方法進(jìn)行優(yōu)化，從而提高本文方法的應(yīng)用與推廣。