DSP技术应用于双重化有源电力滤波器

冯德仁，姚兆虎，罗进，牛孝如

（安徽工业大学电气信息学院，马鞍山243032）

DSP技术应用于双重化有源电力滤波器

冯德仁，姚兆虎，罗进，牛孝如

（安徽工业大学电气信息学院，马鞍山243032）

介绍了并联型有源电力滤波器（APF）的基本原理，双重化的主电路结构和SPWM多重化原理，以及APF的谐波提取及其控制策略。为了提高有源电力滤波器的容量及其谐波补偿效果，采用了载波移相双重化技术，在不提高逆变桥的开关频率与保持主电路拓扑结构的前提下获得高的等效开关频率，还可减少系统输出的高次谐波含量。实验结果表明：基于DSP的双重化有源电力滤波器具有很好的补偿效果。

有源电力滤波器；载波移相；双重化技术；锁相；谐波

近年来，随着电力电子技术的迅速发展，越来越多的电力电子装置被应用到各个领域，例如：整流装置、电弧炉、电力变压器和家用电器等，使得大量的无功电流和谐波电流注入电网，产生的谐波对电网的影响和危害也日益严重，若不加以控制，会严重影响整个电网经济、安全的运行，尤其是近年来因谐波引发的事故增多，迫使电力系统更加重视谐波污染对现代电能质量的影响，因此对电力谐波的实时补偿变得越来越重要[1]。

有源电力滤波器APF（active power filter）是一种新型的谐波及无功动态补偿装置[2]，有源电力滤波技术最早于上个世纪60年代提出，应用是在20世纪90年代后从日本、美国等国开始，并主要集中在并联型APF。有源电力滤波器与传统的无源电力滤波器PPF（passive power filter）相比较，具有响应速度快、补偿效果好和动态补偿的优点。实现大功率有源电力滤波器的方法已取得了不少的研究成果[3]，本文研制的150 kVA有源电力滤波器，主电路由2个模块化脉冲宽度调制PWM（pulse width modulation）变流器单元组合实现，控制部分采用数字信号处理DSP（digital signal processing）为核心的控制方案，谐波电流的检测采用了改进的基于时域的电流检测算法，以获得良好的动态响应性能和灵活的补偿目的。

1 并联型有源电力滤波器的基本原理

三相有源电力滤波器是用来补偿三相负载的谐波和无功。并联型APF系统由主电路和控制电路2大部分组成，其中控制部分由谐波电流检测部分和电流跟踪补偿部分组成。主电路采用PWM变流器，作为主电路的PWM变流器，在产生补偿电流时，主要工作于逆变状态；但它并不仅仅是作为逆变器而工作的，在电网向有源电力滤波器直流侧贮能元件充电时，它工作在整流状态。也就是说，它既工作于逆变状态，也工作于整流状态，且2种工作状态无法严格区分。并联型APF的基本工作原理是通过检测电路检测负载电流，经指令运算电路计算得出补偿电流的指令信号，然后由补偿电流发生电路产生补偿电流，补偿电流与负载电流中需要补偿的部分相抵消，最终得到期望的电网电流。并联型三相有源电力滤波器的原理如图1所示。

图1 并联型APF的原理Fig.1Schematic diagram of parallel APF

图1 中，us为电网电压，is和il分别为电网侧电流和负载电流，ic为APF输出的补偿电流。由智能功率模块IPM（intelligent power module）构成的电压型逆变器作为PWM生成电路。APF系统通过电流检测电路对负载电流进行检测，采用相应的方法提取负载电流中的谐波和无功分量，以此作为电流的输出指令，通过控制电路和驱动电路送逆变器产生相应的PWM输出，通过滤波电感得到的输出电流即为负载中的谐波和无功电流。APF承担了负载中的谐波和无功电流分量，实现了网侧电流的无功补偿和谐波滤除。

2 双重化

2.1 双重化的主电路结构

采用双重化主电路，可以实现有源电力滤波器的大容量，还可以提高有源电力滤波器的等效开关频率，从而改善补偿电流的跟随特性。另外，由于等效开关频率的提高，可以降低单个器件的工作频率，这样既可以降低对器件工作频率的要求，又可减少器件的开关损耗。双重化的三相四线制主电路结构如图2所示。

图2 双重化的三相四线制主电路结构Fig.2Main circuit of dual three-phase four-wire system

2.2SPWM的多重化原理

为了能在不改变载波频率的同时进一步降低SPWM的谐波含量，可以采用相移载波的PWM方法，该方法原理是：采用同一个调制波，而对载波进行相移[4]，例如1个m电平的变换器，每相采用m-1个具有相同频率和相同峰值的三角载波与同1个调制波相比较；m-1个三角载波之间依次相移360°/（m-1）。由于相邻的载波之间有一个相移，这一相移使得所产生的正弦脉冲宽度调制SPWM（sinusoidal pulse width modulation）脉冲在相位上错开，在叠加输出的SPWM波等效开关频率提高到原来的m-1倍，因此可以在不提高开关频率的条件下，大大减小输出谐波。PWM逆变电路多重化联接方式有变压器方式和电抗器方式，由图2可知本文采用的是电抗器联接实现二重PWM逆变。电路的输出是经过2个电抗器后联结于一点，再经过LC滤波后输出。在此结构中需将载波相互错开180°，双重化载波信号见图3。

图3 双重化的载波信号Fig.3Dual carrier signal

3 谐波提取及其控制策略

3.1 三相软件锁相环

三相软件锁相环PLL（phase locked loop）的基本结构框图如图4所示。图中虚线框内的坐标变换为鉴相器，Cpll为比列积分环节，积分环节1/s为压控振荡器，ωff为压控振荡器的固有频率，此处ωff=100 π（电网额定频率），各项功能都由DSP完成。电网电压经坐标变换后得到usq，使之与usq*=0逼近，再经过环路滤波器后改变压控振荡器的振荡频率。在用DSP实现时，一般采用DSP内部定时器的循环计数来产生同步信号、实现压控振荡器和分频器的功能，因此可通过改变定时器的周期或最大循环计数值的方法来改变同步信号的频率和相位。

图4 三相软件PLL结构框图Fig.4Structure diagram of PLL

3.2 基于瞬时无功功率理论的谐波检测法

上述基于同步旋转Park变换的电流ip-iq法，该方法应用于补偿三相四线制负载的有源电力滤波器，是从实用的角度来进行设计的，所以对于实际的产品有更为广阔的应用空间。优点就是通过一系列的计算就可以检测出除基波以外的任意次谐波，方便快捷，而且通过软件编程的方式也很容易实现。

本文采用基于瞬时无功功率理论的电流ip-iq法计算谐波和无功指令电流，电流ip-iq法的框图如图5所示。

图5 谐波电流提取流程Fig.5Flow chart of harmonic current extraction

3.3 直流侧电压稳压控制策略

由瞬时无功功率理论可知，以三相电网相位为参考，逆变器输出基波电流在d轴上的分量为正，则电容能量流向电网，电容电压下降；反之则电网电能流向电容，电容电压升高。这为直流侧电压控制提供了依据。另外，如果流出电容中性点的电流为正，电容中点电势将会下降；反之则电容中点电势将会升高，这为电容中点电压控制提供了依据。本文针对稳定直流侧电压和进行零序电流补偿，提出的控制结构如图6所示，电网相位角来自电网电压锁相环输出，直流电压经过PI调节后得到一个用于补偿直流电压波动的基波电流补偿分量Ia1、Ib1、Ic1。负载补偿电流给定Ia′*、Ib′*、Ic′*是来自谐波检测环节的输出，用于补偿负载侧谐波电流。中点电压波动经过一个2 V宽度的滞环调节器后经P调节控制输出，得到一个抑制中点电压波动过量的零序电流补偿量。由于逆变器需要对高次谐波有较快的补偿，为此加入电流信号微分前馈以提高系统的快速反应性。由于电容电压变化速率比电感电流慢很多，为了使系统更加稳定，同时减小直流电压尖峰引起的系统性干扰，工程上直流电压环的调节速度为电流环速度的10倍[5]。

图6 直流侧电压优化控制结构Fig.6Control structure of voltage optimization on DC side

3.4 直流侧电压的低通滤波器设计

由于开关器件的固有特性，直流侧电压往往存在电压尖峰，给直流电压控制较大带来干扰，甚至带来更大的尖峰，为此参与控制的电压UPO和UOD都是来自低通滤波器的输出。本文采用巴特沃斯二阶低通滤波器，采样频率为10 kHz，截止频率设为500 Hz。其z域传递函数为

化为差方分方程

3.5 给定电流微分前馈

给定电流微分前馈来补偿输出电感势，用于加快系统的反应速度。简单的微分前馈有可能给系统带来潜在的振荡风险，所以考虑在微分的基础上再加上1个时间常数较大的一阶惯性环节，如果控周期为T=0.000 1 s，设计一阶惯性环节的时间常为100 T。以a相为例。其给定电流微分前馈传递函数为

以双线性变换方式离散化后，得

化为差分方程

4 控制系统的设计

本系统以DSP为控制核心，选用TI公司TMS320F2812控制芯片，实现电流与电压的采样、软件锁相、谐波指令电流的计算以及系统的过压过流保护等，程序主流程如图7所示。

控制系统采样频率为10 kHz，由DSP的事务管理模块EVA（event management A）与EVB（event management B）同时实现2组PWM波的输出，EVA与EVB的三角载波相差180°，从而可以得到图3所示的双重化载波信号。

图7 APF主程序的流程Fig.7Flow chart of APF main program

5 样机的研制

系统选择了2块三凌智能功率模块（IPM），型号为PM300PLA120，设计了1台容量150 kVA的有源电力滤波器。滤波电感值0.3 mH，电容参数为4 700 μF/450 V，用6个电容采用两串三并的结构，同时给每个电容上并1个旁路电阻，33 kΩ/10 W，给定直流母线电压730 V，输入为380 V三相四线制交流电。三相四线制负载（三相四线制负载结构如图8所示，由3个单相不控整流器组成，每个整流器输出接串联的0.6 mH电感和2 Ω电阻。）的总谐波失真THD（total harmonic distortion）为27%左右，总电流大小为600 A。补偿前电网侧三相电流波形如图9所示，用FLUCK435测得的补偿前电网侧三相电流柱状图如图10所示。补偿后的电流波形基本上为正弦波，THD为2.8%，电网侧三相电流波形如图11所示，电网侧三相电流柱状图如图12所示，效果比较显著。

图8 三相四线制负载结构Fig.8Three-phase four-wire load structure

图9 补偿前网侧电流波形Fig.9Current waveforms on grid side without compensation

图10 补偿前网侧电流柱状图Fig.10Current bar chart of without compensation

图11 补偿后网侧电流波形Fig.11Current waveforms on grid side with compensation

图12 补偿后网侧电流柱状图Fig.12Current bar chart with compensation

6 结语

针对大容量有源电力滤波器的实现问题，本文利用2个模块化的PWM主电路实现有源电力滤波器容量的扩充。采用了载波移相双重化技术，在不提高逆变桥的开关频率与保持主电路拓扑结构的前提下获得高等效开关频率，还能减少系统输出的高次谐波含量。实验结果表明，基于DSP的控制系统实现了对双重化有源电力滤波器的有效控制，基于该系统的有源电力滤波器具有很好的补偿效果。

[1]王兆安，杨君，刘进军.谐波抑制与无功功率补偿[M].北京：机械工业出版社，1998.

[2]陈国柱，吕征宇，钱照明（Chen Guozhu，Lü Zhengyu，Qian Zhaoming）.有源电力滤波器的一般原理及应用（The general principle of active filter and its application）[J].中国电机工程学报（Proceedings of the CSEE），2000，20（9）：17-21.

[3]李琼林，刘会金，孙建军，等（Li Qionglin，Liu Huijin，Sun Jianjun，et al）.大容量有源滤波器的拓扑结构分析（Topology analysis of the active power filter with large capacity）[J].高电压技术（High Voltage Engineering），2006，32（2）：70-74，77.

[4]张仲超，张劲东（Zhang Zhongchao，Zhang Jindong）.特大功率组合变流器的相移SPWM技术（Phase-shift SPWM technique in multi-converter）[J].电工技术学报（Transactions of China Eelectrotechnical Society），1997，12（2）：27-31.

[5]常鹏飞，王彤，曾继伦（Chang Pengfei，Wang Tong，Zeng Jilun）.三相四线有源电力滤波器控制算法仿真研究（Simulation research on control method of three-phase four-wire active power filters）[J].继电器（Relay），2005，33（9）：43-49.

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Application of DSP Technology on Dual Active Power Filter

FENG De-ren，YAO Zhao-hu，LUO Jin，NIU Xiao-ru
（School of Electrical Engineering&Information Technology，Anhui University of Technology，Maanshan 243032，China）

This paper introduced the fundamental of the shunt active power filter（APF），the main circuit topology of the dual power filter，the principle of multiple-SPWM，the harmonic extraction of APF and its relevant controlling strategy.To enhance the capacity of the active power filter as well as the harmonic compensation effects，this paper utilizes the dual technology of carrier wave shifting，and this measure can obtain increased equivalent switch frequency without the alteration in main circuit topology and augmentation in the switch frequency of the inverter bridge，which also can curtail the ultra-harmonics of the system output.The experimental results denoted that the dual APF based on the DSP controller can generate significantly compensatory effect.

active power filter（APF）；carrier wave shifting；dual technology；phase locking；harmonic wave

TN713

A

1003-8930（2014）09-0071-05

冯德仁（1967—），男，博士，副教授，研究方向为高压脉冲功率技术及电力电子技术。Emial：fdr@ustc.edu.cn

2012-07-23；

2012-09-13

姚兆虎（1988—），男，硕士研究生，研究方向为电力电子变换技术。Email：yzh19880916@126.com

罗进（1984—），男，硕士研究生，研究方向为电力电子变换技术。Email：9402537@qq.com