有源滤波器控制器的设计

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、交通运输及家庭中的应用日益广泛，而这些非线性负荷带来的谐波危害也日益严重。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[1]。

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：先从补偿对象中检测出谐波电流，再由补偿装置产生一个与该谐波电流大小相等而相位相反的补偿电流，两者相互抵消而使电网电流中只含有基波分量。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。


该有源滤波器的控制系统采用双DSP结构，其中一个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

一旦控制器自身有些元件出现错误（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。

（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，而电流又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回到正常工作状态，避免其底层保护动作，从而保证了有源滤波器能够连续正常工作[2]。

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。


控制器以60×50Hz（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。脉冲发生器根据电压瞬时值进行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。其中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[3]，如图3所示。

由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，以便有源滤波器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PI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使逆变器输出相应电压。补偿电流是由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。

　
图5是用该有源滤波器对三相6脉冲整流负载产生的谐波进行补偿的A相数字仿真结果图，仿真软件采用PSCAD。由图可知补偿后的系统电流与系统电压同相位，电流波形得到大大改善，但比较负荷电流和系统电流可知，在负荷电流变化较快瞬间（对应于整流桥的换相）补偿效果差一些，这是因为要补偿快速变化的电流要求APF产生很高的谐波电压，这一方面要求有源滤波器有很快的响应速度，另一方面要求直流侧产生高压，这在实际装置中是较难实现的，因此在负载电流变化非常快时，APF的补偿能力较差。有关系统不对称对APF的影响及其对零序电流的补偿等问题仍在进一步的研究中。图6为A相系统电流的谐波分析，负载电流的谐波总畸变率THD为20.1%，补偿后的系统电流总畸变率为9.4%，5、7、9、11次谐波电流的含有率均小于5%。