一种无锁相环的有源电力滤波器的设计研究

荆鸿儒 简优宗

(1.哈电集团哈尔滨电站工程有限责任公司，黑龙江 哈尔滨 150040;2.哈尔滨理工大学电气与电子工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

0 引言

随着电力电子设备的广泛应用，非线性负载以及为了解决能源危机而新兴的各种新能源并网装置的增加，都对电网产生了一定程度的污染，使电网中混入了大量的谐波分量和无功功率，而这些污染又严重的冲击了接在电网上的其它用电设备、降低了设备的使用寿命，并且降低了输电线路的有效利用率，因此有源电力滤波器(APF)的推广有着十分重要的意义［1－10］。

1 系统组成及工作原理

有源电力滤波器的系统构成如图(1)所示，其工作原理是检测出非线性负载所产生的谐波电流，通过PWM变流器产生大小相同、方向相反的电流，注入电网来抵消非线性负载所产生的谐波电流［2］。

系统主要由电流指令运算电路、电流跟踪控制电路、驱动电路和主功率电路组成。电流指令运算电路是通过检测出电网电流的谐波电流，通过一系列的软硬件电路的处理得到所需要的向电网注入电流的信号，包括了作信号处理时所需要的电压同步信号和正余弦值，和为了维持主功率电路电容电压稳定而注入的一个电流信号。电流跟踪控制电路是一个将电流给定信号和反馈的实际输出电流信号相比较产生PWM控制信号的闭环电路，其目的是为了保证实际输出电流信号跟踪电流给定信号，在保证跟踪速度的前提下还要保证输出的精度，本文中采用限制最高频率的滞环比较法。驱动电路是为了隔离控制电路和主功率电路，并进行信号功率的放大。主功率电路采用电压型PWM变流器结构，如图(2)所示。

图1 有源电力滤波器的系统框图

2 控制电路设计

图2 电压型PWM变流器主电路

谐波电流的检测与运算是有源电力滤波器的一个核心环节，检测的速度和精度直接影响着整个系统的滤波性能［7－8－9］。本文采用日本学者赤木泰文提出的基于无功功率理论的ip－iq谐波电流检测法。将实时采集到的三相畸变电流进行坐标变换，畸变电流中的基波分量对应于变换后的直流分量，畸变电流中的谐波分量对应于变换后的交流分量。用低通滤波器对变换后的量进行滤波，得到变换后的直流分量，就对应于畸变电流中的基波分量。从畸变电流中减去基波分量，就得到其谐波分量，也就是系统所要消除的目标分量。

2.1 谐波电流检测

图(3)是基于瞬时无功功率理论的ip－iq谐波电流检测法，其变换矩阵

图3 基于瞬时无功功率理论的ip－iq谐波电流检测

其原理是将负载电流ia、ib、ic经坐标变换后基波分量部分变换为直流量，谐波分量部分变换为交流分量，通过低通滤波器将交流量滤去剩下直流分量，即是负载电流的基波分量，用总的负载电流减去其基波分量，即得到谐波分量［3］。即

由于在检测过程中只利用了电网电压的同步信号，在运算过程中没有用到电网电压，所以不会受到电网电压畸变的影响，从而保证了运算的精度和准确性。

2.2 无锁相环同步电路的实现

同步信号的获取是通过同步变压器得到一个与A相电网电压波形一致的低电压信号，利用过零比较器得到与电网电压同步的方波信号，在DSP捕获口捕获到该方波信号的上跳沿时开始查储能在DSP里的正弦表值，同时启动定时器，在方波下跳沿时停止定时器，定时器的值即半个电网电压周期的值，将电网电压周期值除以正余弦表的个数即是查正弦表的周期，通过这种方法每周期校正一次查表频率，就是校正了系统输出频率，使其准确的跟踪电网电压频率的波动，这种用软件跟踪的方法，简化了电路设计，降低了硬件成本。同步信号检测电路如图(4)所示，其中LM324是电压跟随器，进行阻抗隔离，D1二极管起嵌位作用，将低电平嵌位在 －0.7V，保护比较器 LM393的输入端，由于LM393是OC门输出，所以加了R2上拉电阻，将输出高低电平控制在0－3.3V之内。C2是滤波电容，滤出尖脉冲干扰。

图4 同步信号检测电路

2.3 电压型变流器直流侧电压的控制

电压型变流器正常工作需要给电容端提供一个稳定的电压，如果设计另外一套电路给电容充电，维持电容电压的稳定，就增加了电路的复杂性。而通过对变流器给定电流值的适当控制，则可以通过变流器给电容充电，维持电容电压的稳定［4，5］。原理如图(5)所示:Ucg是电容电压的给定值，Uc是电容电压的实际值，给定值和实际值之间的差值经PI调节后与基波有功电流叠加，经过坐标变换、与负载电流做差后作为谐波信号，该信号的幅值相等、方向相反的信号即是所需要的指令电流信号。

图5 变流器直流侧电压的控制

2.4 电流跟踪控制电路

电流跟踪控制电路常见的方法是三角波比较的方法、滞环方法、无差拍方法［6］。三角波控制方法要用到PI环节处理实际电流和指令电流之间的偏差，所以响应速度慢，无差拍方法计算尤其复杂，本文中采用了滞环比较方法，其优点是电流响应很快，但缺点是开关管的开关频率是变化的，如果设置环宽很小而误差变化很大的时候会造成开关管的频繁通断，损耗剧增，造成开关管过热烧毁。因此本文采用了一种限制最高开关频率的滞环比较方法，在定时器T2中断子程序里进行滞环比较，这样就保证了滞环比较的输出信号周期大于等于T2的定时值，从而限制了开关管的的最高开关频率。

2.5 驱动电路的设计

本文采用光耦隔离的方式进行功率电路与控制电路的隔离，图(6)以一个桥臂为例，说明这种隔离方式的优点，其中W01和W02是5.1 V稳压管，在PWM1信号为高时光耦关断，GE端电压为14.9 V，IGBT导通，在PWM1信号为低时光耦导通，GE端电压为－5.1 V，加快了IGBT的关断。

图6 一个桥臂的驱动电路

2.6 软件的实现

在系统的主程序里主要完成系统初始化、模块初始化和显示任务。采样信号的处理和PWM信号的生成在中断里进行，捕获口捕获到同步信号的上跳沿时开始查正余弦表，同时触发定时器T1计同步信号高电平时间，定时器得到的周期值除以正余弦表个数得到查表的间隔，用以校正电流给定的频率跟踪电网电压频率。主程序流程图如图(7)所示:

图7 主程序流程图

图8 AD中断服务程序流程图

图9 PI调节子程序流程图

在AD中断程序里，调用 PI子程序做电容电压的PI闭环调节，读出负载电流采样值，计算电流指令给定信号幅值。在定时器中断里读取实际补偿电流采样值，与补偿电流给定值进行滞环调节，调用PWM生成程序，产生PWM信号，经隔离放大后驱动开关管。AD中断子程序的流程图如图(8)所示。

PI调节用来维持变流器中电容二端电压不变，其程序流程图如图(9)所示。

3 实验结果

按照上述方法，进行了样机的设计，结果证明这种方法是可行的。图(10)为A相电压的同步信号，图(11)和图(12)为负载为二极管整流滤波电路时各实验波形:其中A为负载电流，B为滤波器的电流，C为接入滤波器后的源侧电流。由此可见经系统滤波后的波形具有很好的正弦性，且谐波含量明显很低。

图12 整流滤波负载时的负载电流和滤波后源侧电流波形

4 结束语

本文设计了一种低成本高可靠性的有源电力滤波器，采用无锁相环技术，通过软件方法跟踪电网频率，有效的避免了电网频率的波动，简化了硬件电路设计，降低了成本。利用ip－iq方法检测电网谐波电流，避免了电网电压畸变的影响，利用限制最高开关频率的方法加快了电流的跟踪速度。通过样机实验证明了该方案的可行性。

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