1、三相四线并联有源电力滤波器三相四线并联有源电力滤波器的数字控制的数字控制 Digital control of Three-Phase Four-wire Shunt Active Power Filter陈陈 仲，徐迎春，王磊，徐德鸿仲，徐迎春，王磊，徐德鸿浙江大学 电气工程学院（310027）,2003.11主要内容：主要内容：n有源滤波技术应用背景有源滤波技术应用背景/数字控制的优势数字控制的优势;nAPF系统构成和工作原理介绍；系统构成和工作原理介绍；n控制器硬件设计；控制器硬件设计；n软件设计；软件设计；n实验结果实验结果n结论结论三相四线并联有源电力滤波器的数字控制三相四线并联有源
2、电力滤波器的数字控制2003(上海上海)15th 电源学会年会电源学会年会2003(上海上海)15th 电源学会年会电源学会年会 .有源滤波技术应用背景有源滤波技术应用背景/数数字控制的优势字控制的优势n信息电力和柔性输配电技术；n有源滤波技术的先进性和必要性；n模拟控制的缺陷/数字控制的优势2003(上海上海)15th 电源学会年会电源学会年会 一一.信息电力和柔性输配电技术信息电力和柔性输配电技术v信息电力的特征即使系统处于非稳态，也仍需要保证可靠、恒定的优质电力供应；v电能质量问题包括：电流波形畸变；稳态电压质量问题；电能的可靠可使用性问题；动态电能质量问题v动态电能质量问题：主要包括电
3、压脉冲（impulse）、浪涌（surge）、电压跌落（sages）、瞬时供电中断（outage）等；-是近几年随着信息技术的飞速发展而暴露出来的！v 8.14美加大停电给我们的启示：新时期的电力电子技术将在电力系统中大有作为2003(上海上海)15th 电源学会年会电源学会年会 FACTS&DFACTS技术v柔性交流输电系统（柔性交流输电系统（FACTS）基于电力电子技术，通过控制电力系统的基本参数来灵活控制系统潮流、突破静稳瓶颈、提高输电系统输送容量的有效措施；v主要的主要的FACTS装置装置：静止无功补偿器（STATCOM）、晶闸管控制的串联投切电容器（TSSC）、可控串联补偿电容器（T
4、CSC）、统一潮流控制器（UPFC）等；vDFACTS技术（又称技术（又称Customer Power技术技术）作为FACTS技术在配电系统应用的延伸，已成为改善电能质量的有力工具。v该技术的核心器件为IGBT，因此装置具有更快的动态响应。主要的DFACTS装置有：有源滤波器（有源滤波器（APF）、动态电压恢复器（DVR）、配电系统用静止无功补偿器（D_STATCOM）、固态断路器（SSTS）等；2003(上海上海)15th 电源学会年会电源学会年会 二二.有源滤波技术的先进性和必要性有源滤波技术的先进性和必要性u解决谐波和无功问题的两种思路：主动式解决方案（多重化技术、PWM整流和有源功率因
5、数校正技术）和被动式解决方案，即有源滤波技术；u众所周知：传统的无源滤波技术存在固有缺陷：如u谐波标准势在必行：国家技术监督局 电能质量 公用电网谐波，即GB/T14594-93u作为DFACTS的重要组件，有源滤波器的优势：补偿谐波频带宽、动态响应快、补偿特性不受电网阻抗影响、不存在过载问题；可同时补偿无功、不对称，且可消除电压闪变、调节和平衡电压等功能；2003(上海上海)15th 电源学会年会电源学会年会 三三.模拟控制的缺陷模拟控制的缺陷/数字控制的优势数字控制的优势u传统的模拟控制缺陷：系统复杂、谐波检测需要多个乘法器（成本高）、易受温漂影响，精度低、抗干扰能力弱等；u近年来，基于数
6、字信号处理器（DSP）、微控制器（MCU）和可编程逻辑器件（PLD）等实现的数字化控制在实际系统中受到更多的欢迎；u本文应用DSP芯片TMS320F240为核心实现了并联型有源滤波器的谐波检测和控制，针对数字控制的硬/软件设计将作详细介绍。2003(上海上海)15th 电源学会年会电源学会年会 .并联型有源电力滤波器系统并联型有源电力滤波器系统构成和工作原理构成和工作原理n主电路拓扑结构；n谐波电流检测策略：2003(上海上海)15th 电源学会年会电源学会年会 一一.主电路拓扑主电路拓扑u三桥臂电压源变流器（VSI）+电容中点式，开关器件采用IGBT；采用滞环电流控制策略，u适用于三相四线制
7、系统，拓扑简单，且具有不对称补偿能力；u并联型有源电力滤波器的原理是向电网注入大小相等、方向 相反的负载谐波以达到补偿目的，其相当于一个受控电流源。图图1.主电路结构主电路结构2003(上海上海)15th 电源学会年会电源学会年会 二二.谐波电流检测策略谐波电流检测策略u 对APF控制设计而言，高精度、实时性的谐波检测以及合理的电流控制方法，直接影响着补偿性能；u 本系统采用基于同步参考坐标系（Synchronous Reference Frame,简称SRF）的谐波检测策略；u 特点：具有计算量少、检测精度不受电网电压畸变和不对称等因素影响，性能优异，且易于数字实现；u算法中的坐标变换需使用
8、正余弦信号。对此采用“查表法”，即事先计算出正余弦值，各为256个点，放置于存储器中。在运算时直接调出使用，以此减少了程序处理时间。2003(上海上海)15th 电源学会年会电源学会年会 图图2.基于基于SRF的谐波检测原理的谐波检测原理22coscoscos332T322sinsinsin331cossin222cossin33322cossin33T坐标变换矩阵和反变换矩阵：2003(上海上海)15th 电源学会年会电源学会年会.控制器硬件设计控制器硬件设计n硬件配置硬件配置；n信号检测环节中的滤波器设计；信号检测环节中的滤波器设计；n基于基于PLL的同步采样的同步采样/控制信号；控制信号
9、；n直流侧电压和均压控制直流侧电压和均压控制 设计原则：影响APF系统补偿精度的主要因素除了主电路系统参数的选取外；就控制而言，采用数字控制相应带来的时间/相位延迟是需要在设计中给予针对性考虑的因素。2003(上海上海)15th 电源学会年会电源学会年会 nDSP芯片内置A/D，转换时间；D/A器件：MAX526，12位并行输入；锁相环芯片：CD4046，配合以计数器CD4040实现信号倍频。n电流和电压/均压调节量的A/D转换；谐波检测计算；D/A转换等都在单个控制周期中完成的，因此数字控制造成的时间延迟最大不超过个控制周期。图图3.DSP控制框图控制框图6.6 s2003(上海上海)15t
10、h 电源学会年会电源学会年会 二二.信号检测环节中的滤波器设计信号检测环节中的滤波器设计（1）三相负载电流检测三相负载电流检测：为了避免数字采样中的混叠现象，必须设置抗混叠低通滤波器进行滤波；此外，再通过电平偏移等调理电路，使之变成单极性信号后，方能由同步采样/保持器保持送至DSP的A/D端口。由于采样频率选择为12.8kHz，被采样信号中的最高次分量频率应小于等于采样频率的一半，实际的抗混叠低通滤波器的截止频率选择为6kHz（香农定理）。（2）三相补偿电流检测三相补偿电流检测：在检测含有开关纹波分量的三相实际补偿电流时，采用二阶巴特沃斯低通滤波器。2003(上海上海)15th 电源学会年会电
11、源学会年会 截止频率的选取原则应该接近于开关频率。就中小功率的变流器而言，开关频率一般为1025KHz。实际选择该低通滤波器截止频率为15kHz。图图4.电流滞环比较控制电流滞环比较控制 负载电流检测中的负载电流检测中的LPF设计：设计：如果截止频率过低（低于开关频率），将不能反映电流的微小变化率，势必限制住开关频率，影响系统补偿性能，2003(上海上海)15th 电源学会年会电源学会年会 三三.基于基于PLL的同步采样的同步采样/控制信号控制信号 图图5.数字控制时序数字控制时序电网电压的过零同步信号及其经锁相环（PLL）256倍频的输出信号送入DSP，分别作为正弦表指针的复位信号与控制周期
12、的起始信号；谐波检测算法与A相电网电压同步；数字控制系统的采样和控制周期一致2003(上海上海)15th 电源学会年会电源学会年会 四四.直流侧电压和均压控制直流侧电压和均压控制 v总电压调节的原理是通过产生一个基波有功电流分量，由电网和APF间基波有功功率的流动来调节APF直流侧电容电压大小；而均压调节则是在补偿电流指令中叠加一个零序分量，通过上下电容的充放电调节上下电容电压差。v电压/均压控制环不需要太高的控制周期，实际取为20ms v调节器比例系数和积分系数应受限制，不能取的过大，否则变化过快的电压/均压调节量叠加到指令电流上，将会引起振荡现象，使系统补偿性能恶化。2003(上海上海)1
13、5th 电源学会年会电源学会年会.软软 件件 设设 计计n数字低通滤波器设计；n软件抗干扰和软启动策略；2003(上海上海)15th 电源学会年会电源学会年会 一.数字低通滤波器设计v要求：滤去直流以外的各次谐波，对相位要求不高，故决定采用IIR滤波器。由于非线性负载电流中典型的5次与7次谐波经变换后在d-q坐标系中分别为4次与6次交变量，故将该滤波器截止频率设计在200Hz以下。但若截止频率选的太低，则响应速度变慢，v综合考虑，选择二阶低通数字巴特沃思型滤波器，其截止频率为120Hz，频率200Hz时幅度已衰减至-20dB。数字滤波器计算频率选为3.2KHz。滤波器方程如下：)2k(i97)
14、1k(i195)k(i97)2k(i5780)1k(i1367481921)k(idddddd2003(上海上海)15th 电源学会年会电源学会年会（1）在DSP中电网电压的过零同步信号的上升沿检测非常重要。实验中：当主电路功率较大时，DSP工作易受到干扰。为了避免误检测，每次CAP3口检测到上升沿后，将CAP3口设置为I/O口（IOPC6），进行电平检测，后再次进行检测，如两次均为高电平，则判定CAP3口检测到的上升沿是真实的，正弦表和余弦表的指针复位；否则判定该上升沿是虚假的。如此提高了DSP的抗干扰能力。二二.软件抗干扰和软启动策略10 s2003(上海上海)15th 电源学会年会电源学
15、会年会 图图6.软启动喇叭口策略软启动喇叭口策略图图7.软启动算法流程软启动算法流程(2)在启动过程（10秒左右）中使直流侧电压基准值从600VDC平稳增大到800VDC；同时DSP送出的电流指令采用了喇叭口策略 通过如此精心的软启动设计，实验证明能够保证APF系统启动时电压上升平稳，无过冲现象。2003(上海上海)15th 电源学会年会电源学会年会.实实 验验 结结 果果主电路参数：主电路参数：容量：15KVA；器件：IGBT （1200V/45A）；直流侧电容 2200UF交流滤波电感 3mH;滞环电流宽度 0.8A;工作条件：工作条件：电网线电压380V；直流侧电容电压780；三相整流带
16、阻性负载图图8.实验电路示意图实验电路示意图2003(上海上海)15th 电源学会年会电源学会年会 启动过程中的补偿电流指令，其幅值由零逐步增大至正常输出时间时间t(0.2s/div)指令电流指令电流ic(1.6A/div)图图9.启动时指令电流波形启动时指令电流波形 2003(上海上海)15th 电源学会年会电源学会年会 整流器直流侧电流为20A，可见补偿前负载电流畸变严重，补偿后基本为一良好的正弦波形，补偿效果较好（a）A相负载电流相负载电流 （b）补偿后补偿后A相电源电流相电源电流 （c）APF的的A相补偿电流相补偿电流图图10.稳态下实验波形稳态下实验波形2003(上海上海)15th 电源学会年会电源学会年会 负载由7.5A突变至15A时系统工作各波形。可以看到，动态下系统响应快，调节时间短（小于1/4个工频周期）。（a）A相负载电流相负载电流 （b）补偿后补偿后A相电源电流相电源电流 （c）APF的的A相补偿电流相补偿电流图图11.稳态下实验波形稳态下实验波形2003(上海上海)15th 电源学会年会电源学会年会 n 本文介绍了基于DSP的三相四线并联型有源滤波器数字控制的设计和实现；n 数字控制具有控制精度高、动态性能优良的特点，能够应用于实际的有源滤波装置中。.结结 论论2003(上海上海)15th 电源学会年会电源学会年会 (The End)Thanks!
