基于RCP的混合型电力滤波器设计

摘要：为了解决电力系统谐波治理中，数字化控制器设计周期长、投资成本高等问题，在研究传统电力滤波器的基础上设计出了一种快速控制模型。在传统滤波器结构基础上增加一个有源电力滤波器，同时运用计算机辅助软件Simulink 和TI公司DSP开发环境CCS，对混合型有源电力滤波器进行在线调试，精确地降低了谐波成分。仿真结果表明，通过滤波器后，电网电压畸变因数降至1.88%（低于IEEE-519-1992标准）。该装置已在武钢电弧炉35 kV电网运行，运行结果表明该装置可靠性高、滤波效果显着，具有良好的工程应用价值。

目前，电力滤波器多采用数字化控制器实现，需要工程师有较高的软件编程能力。这样，滤波器设计周期的绝大部分时间将用于程序的编写以及优化上。考虑到数学模型的建立、算法的设计、离线调试，整个开发时间将非常长，成本将相应增加。

快速控制模型（RapidControl Prototyping，RCP）的设计降低了设计周期，利用Simulink的图形化编程方法，不再需要进行复杂的程序编写：对于硬件工程师而言，改变模型参数就可以实现现场调试；对于理论研究人员而言，只需要考虑算法的快速性和实用性。

小波变换是一种分析非稳态电压和电流波形的快速而有效的方法。同FFT一样，小波变换将信号分解成频率分量。但是，离散小波变换（DWT）具有可变的频率分辨率，可以有效地解决负载突变所引起的电网电压闪变，而且能够实时跟踪问谐波。这是用来分析瞬态信号的一个有用特性。另外，小波分析不需要在整个频域范围内同时进行，将计算量集中在某一频率范围，减小了计算量，加快了分析速度。

本文基于Simulink软件对混合型有源电力滤波器（Hvbrid Active Power Filter，HAPF）进行建模，利用Wavelet工具箱进行谐波分析并仿真，由MATLAB／Simulink／Embedded Target for TI C2000生成DSP代码，最终在TMS320F2812进行硬件实现。
　　1 快速控制模型（RCP）

RCP由两部分组成：计算机辅助设计软件Simulink和带有实时操作系统的专有硬件TMS320F2812，如图1所示。这种图形化编程方法取代了传统程序的编写，只要求工程师将注意力集中在功能和性能的优化上。本文提出的完整系统在仿真环境下进行。

图1 RCP的组成部分

Embedded Target for TI C2000连接软件和硬件，Simulink工具箱提供本文所需的各种模型，为通用DSP上设计、仿真和实现嵌入式控制系统提供了集成平台。图2为设计流程。

图2 设计流程图

利用Embedded Target，能够通过CCS（Cede Composer Studio）产生高效的DSP代码，通过主机与DSP的接口将二者连接起来，就可以对DSP进行在线控制与优化。对于需要进行循环计算的复杂算法，RCP的快速执行功能将体现出极大的优越性。鉴于小波变换分析电力系统谐波的前景，以及建模的便利，本滤波器的有源部分控制算法利用小波变换来分析电网谐波。

2 小波分析

2.1 多分辨分解法

小波分析的实现通常采用信号的多分辨分解法（Multiresolution Signl Decomposition，MSD），高通滤波器h和低通滤波器g分别通过小波函数来构成，如图3所示。

图3 小波分析的信号多分辨分解法实现

图3中的尺度1包含了从奈奎斯特频率到1／4采样频率的信息，尺度2包含了从1／4到1／8采样频率的信息，其他尺度包含的信息以此类推。小波的分解可以在任意尺度上终止，最后的平滑输出包含了所有剩余尺度的信息。但是，信号的分解层数不是任意的。长度为N的信号最多只能分解成log2N层。

2.2 小波变换

连续信号f（t）的小波变换定义为：

其中，为母小波，a为伸缩因子，b为平移因子。在时域中是拉伸还是收缩取决于a。

在离散小波变换中，给出了一些小波系数m和n，这些系数取决于伸缩因子和平移因子的次数。则离散小波系数可表示为：

虽然这一变换是时间上连续的，但小波形式是离散的。离散小波逆变换如下：

式（3）：K=（A+B）／2，A和B分别是a和b的最大值（框架值）。

针对不同的问题，母小波的选择是不同的，并且母小波的选取对于得到的结构有较大影响。正交小波确保信号可以从其变换系数重构，具有对称滤波器系数的小波能够产生线性相移，由Daubechies推导出的小波组覆盖了正交小波领域。

2.3 控制算法的模型实现

Simulink工具箱提供了丰富的数学模型，从中选取C28xADC、C28x PWM、F2812 eZdsp（若无该模块则无法生成DSP代码）、DWT和IDWT等模块，组成如图4所示的模型。

图4 包含小波变换的控制算法模型

其中，在Wavelet子系统中集成了Environment ControRer、Buffer、DWT和IDWT等模块对采样量化后的信号进行谐波分析，并产生补偿电压指令信号，继而通过