基于DSP的混合型有源电力滤波器
作者：范 鹏， 王建华， 徐荣青, 李
要: 针对大型供、需要在滤除谐波的同时进行无功功率补偿的工程要求，改进了目前已有的有源滤波器与串联构成的的拓扑结构，提出了一种新颖的谐波注入式电路，减小了有源滤波部分的容量，达到了工程应用的目的。仿真实验结果证明，改进后的滤波器具有更好的滤波性能、有源部分承受的容量大大减小，更适合于应用在大型供、配电系统中，具有良好的工程推广价值。
关键词： 谐波抑制； 无功补偿； 有源电力滤波器； TSF; DSP
随着工业电力电子技术的发展，电力系统的谐波抑制和无功补偿问题越来越受到人们的广泛关注。传统的谐波抑制手段是在电网中加装无源电力滤波器PPF(Passive Power Filter),利用电感、电容的谐振特性，在阻抗分流回路中形成低阻抗支路，从而减小非线性负载向电网注入。但无源滤波支路的存在只能对特定次谐波进行滤除、易与电网发生串联谐振等缺点，因而逐渐被有源电力滤波器APF(Active Power Filter)所取代[1]。有源电力滤波器虽能克服无源电力滤波器存在的缺陷，但其安装容量受开关器件容量的限制，当所需处理的谐波和无功电流较大时，由逆变器实现的技术难度和成本都将增加，从而限制了有源电力滤波器在大型供配电系统中的应用。
基于无源滤波器和有源滤波器的优点，将LC无源滤波器和有源滤波器结合起来形成一种混合型有源电力滤波器HAPF(Hybrid Active Power Filter),取两者之长、补其之短，把无功补偿和谐波抑制融为一体是一种完美的构想。但目前人们所提出的混合型有源电力滤波器的拓扑结构仍有不足之处。本文即针对目前常见的一种混合型有源电力滤波器结构进行了改进。
1 主电路结构和原理
1．1 主电路结构
目前常用的一种混合型滤波器的结构如图1所示，其工作原理可参考文献[2]。
该电路拓扑可通过控制晶闸管的开通和关闭来调整晶闸管投切滤波器TSF（thyristor switched filter）的结构，使得能量较大的低次谐波和无功功率主要由TSF补偿，APF主要作用是抑制剩余谐波，并改善TSF的滤波器特性。实际上，采用如图1所示的有源电力滤波器，将由于变压器的耦合作用，使所有的基波无功电流都流过有源电力滤波器。这样就迫使逆变器所需求的容量大大增加，必然增加逆变器实现的技术难度和成本，从而限制了有源电力滤波器在大型供配电系统中的应用。
为了进一步降低有源电力滤波器的容量，可以在并联混合型有源电力滤波器的基础上结合它的注入电路方式将主电路的拓扑结构加以改进，改进后的系统结构如图2所示。它将逆变器的输出电压通过变压器耦合到无源滤波器的3次、5次、7次滤波支路的电感和电容两端。因为根据大量谐波源的频谱分析可知，谐波源能量主要集中在较低次谐波频率上，电力系统中谐波电流主要是由5次、7次的谐波滤波器来配置，其次是3次、11次、13次的谐波滤波器[3]，故本文TSF部分的电感和电容参数的选择按照无功功率补偿的需要，以3次、5次和7次谐波滤波器来配置，可以组成多级补偿状态，根据负荷无功电流的大小，由晶闸管投切来达到分级补偿的目的。这样，TSF在工频状态时为无功补偿状态，全谐振和脱谐时为滤波状态，既可以补偿又可以滤除谐波。 图2中，C31、C32和L3组成的LC滤波支路调谐在3次谐波频率，而L3和C32调谐在基波频率。这样，利用L3和C32对基波谐振的特性，使有源电力滤波器既不承受基波电压也不承受基波电流，从而极大地减小了有源电力滤波器的容量，降低了有源谐波补偿系统的投资，提高性能价格比，达到APF实用化的目的。5次和7次谐振支路的补偿原理与3次谐振支路相同。
1．2 滤波原理分析
图2中的并联混合型有源电力滤波器的单相等效电路如图3(a)所示。这里假设有源电力滤波器是一个理想的受控电压源,谐波源被看作一个电流源IL。图中,C31、C32和L3分别为无源滤波器3次支路上的电容和电感。图3(b)为只考虑电网谐波电流分量时的单相等效电路图。ZS、ZFC、ZFL、ZL分别为电网阻抗、电容C31的阻抗、C32和L3的串联阻抗（呈感性）、5次和7次滤波支路总的等效阻抗（对高次谐波呈感性）。由图3(b)并根据基尔霍夫定律可写出如下方程：
从(6)式可以看出，当ILh、USh为定值时，如果K增大，ISh将减小。当K值足够大时，大部分负载谐波将流入无源滤波器，达到了很好的滤波效果。而且，当不考虑系统电压畸变引起的谐波电流时，即USh=0时，从式(7)可以看出，对于ISh而言，图3(a)和图3(c)是等效的。由图3(c)可以看出，这相当于在电网支路中串联了一个纯电阻K，因此，必然有更多的谐波电流流入无源滤波器。如果K>>|ZFC|，则由负载产生的谐波电流将流入LC滤波器；如果K>>|Z′S|，则滤波特性由K决定。此外，K还起到阻尼Z′S和ZF并联谐振的作用。
基于DSP的检测与控制系统
2.1 谐波及无功电流的检测
一般电网电流的组成可描述如下：
式中,ispf为瞬时基波有功电流；isqf为瞬时基波无功电流；ish为瞬时总谐波电流。除ispf外，isqf和ish应设法消除。如果能检测出is和ispf，则isqf与ish之和可以由isqf+ish=is-ispf算出[3]。
按照瞬时无功功率理论，ip、iq和三相电流ia、ib、ic有如下关系：
经低通滤波器后得到基波电流ipf、iqf，经过逆运算得出三相基波电流iaf、ibf、icf：
再与ia，ib，ic相减，即可得到谐波电流iah、ibh、ich。其算法原理如图4所示。
同时检测出谐波和无功时，只需断开图4中计算iq的通道即可。这样，由ipf就可计算出iapf、ibpf、icpf，进而计算出ia、ib、ic的谐波分量和基波无功分量之和iad、ibd、icd[2]。
2.2 控制系统的硬件组成及原理
该混合型有源电力滤波器的检测控制部分硬件主要由以下几部分组成：(1)电流电压采样电路；(2)带通滤波器；(3)过零比较中断发生部分；(4)DSP计算控制器。其原理图如图5所示。
将由电流电压采样电路采集得到的信号输入带通滤波器以滤除检测电流电压时出现的噪声和畸变。带通滤波器的中心频率设置在50Hz，它是AF系统在公共连接点处存在电压扰动（畸变、开关纹波和频率漂移等）时仍能正常工作所必需的。带通滤波器的输出分为两路，一路经A/D转换后送入数字信号处理器DSP进行FFT分析，然后存储到一片公用的RAM中，再分析计算控制对象的谐波和无功情况并产生控制信号；另一路则送入过零比较中断发生电路，该电路用来每间隔60°产生一个中断信号。因此，在公共连接点电压的一个周期内将有六个间隔60°的一个脉冲序列从该电路输入到DSP系统作为中断信号。每来一个中断，公共连接点处的电压电流就被检测一次，这样就满足了控制系统实时性的要求。DSP（采用内含PWM产生电路的TMS320F2812）的输出控制TSF和APF的动作。
2.3 控制系统软件设计
控制系统软件设计图如图6所示。
仿真实验结果
在MATLAB/SIMULINK中利用Power Systems工具箱并结合S-Function等模块构建仿真模型对上述设计进行了仿真实验。仿真所得a相电流波形如图7所示。图7（a）是未投入滤波器时网侧电流波形，从图中可以看出波形畸变严重；图7(b)是只投入TSF后的网侧电流波形，从图中可以看出谐波明显减少，但仍存在少量畸变，滤波效果不佳；图7（c）是有源滤波器输出的补偿电流波形；图7（d）是同时投入TSF和APF后的网侧电流波形，由图可以看出，此时网侧电流波形已经接近于正弦波，取得了良好的补偿效果。
本文对目前常见的有源滤波器与无源滤波器串联构成的混合型有源电力滤波器的拓扑结构存在的不足做了改进，详述了改进后的滤波器的工作原理。并针对文中的设计思想构建了仿真模型，仿真实验结果证明，改进后的滤波器具有更好的滤波性能、有源部分承受的容量大大减小，更适合于应用在大型供、配电系统中，具有良好的工程推广价值。
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并联型有源电力滤波器仿真及其设计
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3秒自动关闭窗口混合有源电力滤波器在电铁谐波抑制中的应用与仿真研究--《西南交通大学》2011年硕士论文
混合有源电力滤波器在电铁谐波抑制中的应用与仿真研究
【摘要】：论文以电气化铁道交-直型电力机车为研究对象,采用并联混合型有源电力滤波器对其产生的谐波进行治理。主要工作是谐波检测算法的研究选取及控制系统的仿真分析,该研究工作对于电铁谐波抑制具有一定的参考价值。
论文首先分析电气化铁路谐波的治理现状,并就交-直型电力机车(SS4改进型电力机车)建模,给出机车在一定工况下的谐波特点。分析有源电力滤波器的拓扑结构,通过比较串联、并联和混合型有源滤波器的拓扑特点,针对电力机车电流源型谐波源特性,设计并联混合型有源电力滤波器(PHAPF)的拓扑结构,系统由有源电力滤波器(APF)经耦合变压器串联无源电力滤波器(PF)接入牵引供电网。有源电力滤波器能克服无源电力滤波器滤波能力不足,可能发生谐振等缺点能有效的抑制谐波,并给出了基于最小电容安装法的混合电力滤波器主电路参数模型。
论文详细讨论了基于瞬时无功理论的谐波电流检测方法。着重分析ip-iq谐波电流检测法和改进型的ip-iq谐波电流检测法,并将两种算法仿真比较得到适合本系统的电流检测算法。在此基础上,分析并联混合型有源电力滤波器的控制方式,理论上对比分析检测网侧谐波电流控制方式和检测负载侧谐波电流控制方式的控制特性,并选取检测负载侧电流控制方式,能实现对电力机车谐波的理想补偿。控制量由递推PI算法产生,采用滞缓电流跟踪控制产生触发脉冲,针对直流侧电容电压波动的问题,设计了电容电压控制器以维持直流侧电压的恒定。
在Matlab/Simulink环境下对方案进行仿真验证,分别仿真分析了补偿前、PF单独作用和PHAPF作用下的网侧电流。结果很好的验证了本文谐波检测算法和控制系统的正确性、精确性和实时性,控制系统具有良好的鲁棒性和较快的动态响应。验证了本文设计的并联混合型有源电力滤波器具有良好的滤波能力,满足电气化铁道谐波抑制的需要。
【关键词】：
【学位授予单位】：西南交通大学【学位级别】：硕士【学位授予年份】：2011【分类号】：TN713.8;TM711【目录】：
摘要6-7Abstract7-10第1章 绪论10-17 1.1 谐波的基本概念10-13
1.1.1 谐波的定义10-11
1.1.2 谐波的危害11-12
1.1.3 谐波标准12-13 1.2 课题的提出和现状13-16
1.2.1 谐波源分析13-14
1.2.2 电气化铁路谐波治理现状14-15
1.2.3 谐波治理的发展方向15-16 1.3 本文研究的主要内容16-17第2章 混合有源电力滤波器研究17-32 2.1 有源电力滤波器的分类和工作原理17-21
2.1.1 并联有源电力滤波器17-19
2.1.2 串联型有源电力滤波器19-20
2.1.3 混合型有源电力滤波器20-21 2.2 混合有源电力滤波器主电路设计21-31
2.2.1 混合滤波器系统总体设计21-23
2.2.2 有源电力滤波器主电路设计23-27
2.2.3 无源滤波器设计27-31 2.3 小结31-32第3章 有源电力滤波器谐波电流检测方法32-45 3.1 谐波电流检测方法介绍32-33 3.2 瞬时无功功率理论33-36
3.2.1 坐标变换33-34
3.2.2 基于瞬时无功功率理论的谐波检测理论34-36 3.3 谐波电流检测方法仿真与选取36-44
3.3.1 韶山4改进型电力机车工作过程仿真分析36-37
3.3.2 构造机车谐波电流源模型37
3.3.3 i_p-i_q谐波电流检测方法的实现37-40
3.3.4 改进型的i_p-i_q谐波检测方法40-42
3.3.5 谐波电流方法的选取42-44 3.6 小结44-45第4章 并联混合有源电力滤波器控制方式研究45-54 4.1 混合有源滤波器等效电路模型45-47 4.2 混合有源电力滤波器的控制方式47-49
4.2.1 检测网侧电流控制方式47
4.2.2 检测负载侧电流控制方式47-48
4.2.3 复合控制方式48-49 4.3 有源电力滤波器直流侧电压控制方法49 4.4 混合有源电力滤波器电流跟踪控制49-51 4.5 递推积分PI控制算法51-53 4.6 小结53-54第5章 系统仿真分析54-65 5.1 系统仿真模块介绍54-56 5.2 系统控制性能分析56-58 5.3 谐波抑制仿真结果分析58-64
5.3.1 补偿前网侧电流波形及FFT分析58-60
5.3.2 只投入PF后网侧电流波形及FFT分析60-61
5.3.3 投入PHAPF后网侧电流波形及FFT分析61-64 5.4 小结64-65结论65-67致谢67-68参考文献68-71攻读学位期间发表的论文71
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3秒自动关闭窗口无源滤波器参数计算--《电力电容器》2006年06期
无源滤波器参数计算
【摘要】：串联混合型有源滤波器的设计是一个包含无源和系统参数在内的整体优化过程,介绍了一种新的系统整体优化设计方法,这种设计方法根据现有的设计经验,全面考虑设计的要求和约束条件,利用现代电力电子仿真软件计算各无源滤波支路和系统参数,以电容器的安装容量最小作为优化目标来选择参数。实例分析的结果证明了设计过程的合理性。
【作者单位】：
【关键词】：
【分类号】：TN713【正文快照】：
1引言基于基波磁通补偿的串联混合型有源滤波器是一种具有较好经济效益的滤波方式[1],滤波的任务主要由无源滤波器来实现,而有源滤波器用来提高无源滤波器的性能。其中串联变压器的参数和无源滤波支路参数的选择对系统的整体滤波性能起重要作用,参数选择实际上也是一个系统参
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