有源滤波器控制器的设计

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1、有源滤波器控制器的设计张剑辉，姜齐荣，赵地，严干贵(清华大学电机系，北京100084)摘要：文章介绍了有源滤波器控制器的结构和功能以及基于数字信号处理器(DSP)的主控制器和PWM脉冲发生器的基本原理、硬件构成与实现方法。数字仿真和试验装置的实验结果表明，该PWM脉冲发生器精度高、可靠性好，主控制器具有良好的性能。关键词：有源滤波器；控制器；脉冲发生器1引言飞速发展的电力电子技术使各种电力电子装置在工业、交通运输及家庭屮的应用日益广泛，而这些非线性负荷带来的谐波危害也口益严重。谐波使电网中元件产生谐波损耗、设备效率和功率因数降低，甚至

2、损害电力设备如电容器等；谐波影响精密仪器和临近的通信系统，使其无法正常工作⑴。电力系统中谐波次数和大小随系统负荷状况而变化，采用传统的LC静态滤波器无法满足要求，而采用电力有源滤波器可以对大小和频率都变化的谐波及变化的无功进行•动态补偿，因此有源滤波器的研究和应用越来越受到人们的重视。有源滤波器的基本原理是：先从补偿对彖屮检测出谐波电流，再由补偿装置产生一个与该谐波电流大小和等而和位相反的补偿电流，两者相互抵消而使电网电流屮只含有基波分量。控制器是有源滤波器的核心部件，它通过产生并控制驱动开关器件的脉冲来控制有源滤波器的行为，完成动态

3、补偿谐波和无功的功能。2控制系统的结构与基本功能有源滤波器的主电路采用三单相桥式电压型变流器，通过变压器与系统耦合，其结构如图1所示。采用三单相桥结构是因为三单相桥的控制可以相互解耦，同时还可用于消除零序分量及其谐波电流，实现不对称控制。圈1有源滤波為揑制系线邛构93DuiKnimoftheactive

4、>ouerfiltrrconlrollcr该有源滤波器的控制系统釆用双DSP结构，其屮一个DSP处理器用来完成数据处理、控制与高层保护功能；另一个DSP处理器用来产生高精度PWM脉冲。控制器主要有以下功能：(1)控制有源滤波器的行为根

5、据检测出的负荷电流的谐波和无功电流分量控制逆变器的输出电压，使有源滤波器输出的补偿电流与负荷谐波电流和无功电流之和相互抵消，从而使系统电流为基波正序有功电流。(2)产生触发脉冲经驱动电路控制IGBT的导通和关断产生PWM触发脉冲,使有源滤波器能输出正确的谐波补偿电流。(3)脉冲同步根据从电网取回的同步脉冲，产生出与电网电压同步的脉冲信号，使有源滤波器输出的电压与电网电压保持同步。(4)自我容错功能一旦控制器白身有些元件出现错谋(如电压互感器(PT)断线等)，控制器能立即发现错误并报警，同时不使装置退出运行，故障修复后可以容易地恢复。(

6、5)保护功能当有源滤波器运行在过载或其他不正常状态下，而电流乂没有超过保护动作的整定值时，控制器能通过保护功能使有源滤波器冋到正常T作状态，避免具底层保护动作，从而保证了有源滤波器能够连续正常工作⑵。3有源滤波器控制器的实现有源滤波器控制器的原理框图如图2所示。图2有浪滤波逹控制器原理植图Fig.2Schematicdiagramoftheactivepoucrfillercontroller控制器以60X50IIz(或更高)的采样频率对负荷电流、装置输出的补偿电流及系统电压进行采样和A/D转换。利用谐波分离算法如dq分解法或ab分解

7、法及其它方法对采样电流进行分解，滤除基波有功分量，保留用作补偿所需的谐波电流。然后采用控制算法据电路参数计算出逆变器应产生的谐波电压。将谐波电压瞬时值送至DSP脉冲发生器，让脉冲发生器根据谐波电压瞬时值采用SPWM算法决定逆变器开关元件的动作。脉冲发生器根据电圧瞬时值进行SPWM脉冲计算以产生驱动脉冲。下面分别介绍控制器的各项功能。3.1控制算法本系统的控制算法由谐波和无功电流的检测及电流跟踪控制两部分组成。其屮谐波和无功电流的计算是基于三相电路瞬时无功功率理论⑶，如图3所示。•StABC■3・卜・电價的FHPTWdrirctkmof

8、compczUdcurrml瞬时仔功功率和无功功率包括胃流分I.J利交理分试浙部分通过低通池波器后得到直流分詁P'打分别对应F峯波有功9施波无功分生瞬时有功及无功功率的计算采用"分輦计算如卜•:q1"心％」曲于本文的有源滤波器要对直流侧的电压进行控制，因此在指令电流中需要包含一定的基波有功分量，以便有源滤波黠的直流侧与交流侧交换能量，调节电容电压至给定值。图4所示为电流跟踪控制框图。本系统的电流跟踪控制采用P1控制，输出控制量通过双口RAM送至脉冲发生器，脉冲发生器根据得到的波形信息产生触发脉冲，脉冲经隔离、整形后驱动主电路的IGBT

9、使逆变器输岀相应电压。补偿电流是曲逆变器的输出电压与交流侧电源电压的差值作用于电感而产生的。(£4补偿电流的垠除控制Hr-4Th