基于DSP＋CPLD的有源电力滤波器控制系统的设计.pdf

自 动 化 技 术 与 应 用 2 0 1 0 年 第2 9 卷 第8 期 电 气 传 动 El e c t r ic aI Dr i v e s 基于 D S P + C P L D的有源 电力滤波器 控 制系统 的设计 吴硕 ， 杨林 ( 1 辽宁装备制造职业技术学院自动控制系， 辽宁 沈阳 1 1 0 1 6 1 ； 2 辽宁省电力有限公司锦州培训中心， 辽宁 锦州1 2 1 0 0 1 ) 摘 要： 为了解决三相四线制电网中谐波、无功功率和三相不平衡等电能质量问题， 本文采用基于 DS P +C P L D全数字控制的并联型 有源电力滤波器( A P F ) 来实现补偿。 本文介绍了A P F的系统结构及工作原理 ， 并进行控制系统的优化设计。电流检测部分， 采 用先提取零序电流分量， 然后利用基于瞬时无功理论的检测法 ； 补偿电流跟踪控制部分采用定时滞环比较法； 直流侧电压采用 动态滞环控制法等。通过MAT L AB仿真结果表明， 采用这种方案， 可以对三相四线制系统中的谐波、无功、负序、零序等电 流分量进行有效补偿， 具有良好的动态补偿效果。 关键词： 谐波； 有源电力滤波器； 瞬时无功理论 ； MAT L AB 中图分类号： T M4 8 文献标识码： B 文章编号： 1 0 0 3 7 2 4 1 ( 2 0 1 0 ) 0 8 0 0 8 2 0 4 Ba s e d o n DSP a n d CPL D W U S h u o ， YANG Li n ( 1 Li a o n i n g E q u i p me n t ma n u f a c t u r i n g C o rt e g e ， S h e n y a n g 1 1 0 1 6 1 Ch i n a ； 2 J i n z h o u T r a i n i n g C e n t e r o f L i a o n i n g P r o v i n c i a l E l e c t r i c P o we r C o L t d J i l l z h o u 1 2 1 0 0 1 Ch i n a ) Abs t r a c t ：T o s o l v e p o we r q u a l i t y i s s u e s u c h a s ha r m o n i c 、 r e a c t i v e p o we r 、 c u r r e n t i mb a l a n c e i n t h r e e p ha s e ， a f u l l y d i g i t a l c o n t r o l l e d s h u n t a c t i v e p o we r f i l t e r b a s e d o n DS P a n d CP LD f o r t h r e e p h a s e fo u r wi r e p o we r s y s t e m i S s t u d i e d a n d d e s i g n e d i n t h i s p a p e r Th e d e t e c t i n g a n d c o n t r o l s y s t e m a r e s t u d i e d a n d d e s i g n e d I n t h e c u r r e n t d e t e c t i n g p a r t ， b e c a u s e o f t h e e x i s t o f t h e n e u t r a l wi r e ， i t s e p a r a t e s z e r o s e q u e n c e c u r r e n t a t f i r s t 。 t h e n d e t e c t s t h e t h r e e p h a s e c u r r e n t b a s e d o n i n s t a n t a n e o u s r e a c t i v e p o we r t h e o r y I n the c o mp e n s a t i o n c u r r e n t c o n t r o l p a r t ， a d y n a mi c h y s t e r e s i s - b a n d c u r r e n t PW M c o n t r o 1 a r i t h me t i c i S a d o p t e d Th e s i mu l a t i o n r e s u l t s s h o w t h a t i n t h r e e p h a s e fo u r - wi r e p o we r s y s t e m t h e h a r mon i c r e a c t i v e p o we r ， z e r o s e q u e n c e a n d n e g a t i v e s e q u e n c e c u r r e n t s c a n b e c o mp e n s a t e d e ffi c i e n t l y b y t h i s s y s t e m Ke y wo r d s ：h a r mo n i c ； a c t i v e p o we r fil t e r ； i n s t a n t a n e o u s r e a c t i v e p o we r t h e o ry ； M ATLAB 1 引言 进入二十世纪后半叶以来 ， 电力系统中非线性、冲击 性和单相负载都大量增加， 由此产生的谐波、无功功率和 三相不平衡等问题给电力系统和用户造成了严重的影响。 它们增加电力系统设备的容量 ， 增加电能损耗 ， 降低其使 用效率 ； 增加电压损失和电压偏移， 危及到电气设备的正 收稿 日期： 2 0 1 0 0 3 2 5 常工作 ； 影响到计量仪表的准确性 ； 引起继电保护和 自动 装置发生误动作或拒动作 ， 引发事故， 谐波甚至会引起电 力系统中局部的并联谐振和串联谐振， 造成谐波放大等现 象； 谐波还会对邻近的通信系统产生干扰等问题。 因此 ， 在 电力系统运行中， 研究怎样进行谐波污染 抑制和无功功率补偿 ， 来改善 电能质量 、提高功率因数 和减少电能损耗 已成为 电力系统中的一个重要研究课 题。本文正是针对大量存在 的三相 四线制系统而进行 电 气 传 动 El e c t r i c a 1 D r iv es 自动化技术与 应用2 0 l 0年第 2 9卷第 8期 设计的高性能动态补偿装置 ， 并联型三相四线制有源电 力滤波器( A P F ) ， 它能对大小和频率都变化的谐波和无功 进行 快速 补偿 ， 具有 重大 的现 实和 研究 意义 。 2 有源 电力滤波器的工作原理和结构 有源 电力滤波器主要 由主 电路 ， 信号 检测 电路 ， 基于 T Ms 3 2 0 F 2 4 0 7 D s P的控制系统， 驱动电路和键盘显示部 分等组成。三相四线制有源电力滤波器有两种不同的主 电路结构及 其控制方法 ， 即 3桥臂 Pw M 变流器 和 4桥 臂 P WM 变流器 ， 从经济成本角度考虑， 本文采用 3桥臂 P WM 变流器方案【 。系统原理图如图 1 所示， 主电路为 电压型 PWM 变流器， 它的主要作用是根据控制系统得 到的 P WM 信号 ， 产生所需要的补偿电流。负载为污染 源， 产生谐波、无功及三相不平衡 电流等有害分量。控 制系统包括检测环节 ， 指令 电流运算环节、补偿 电流跟 踪控制环节、直流侧 电压控制环节 ， 驱动保护环节等。 图 1 三相四线制并联型有源 电力滤波器的 系统 结构 图 有源 滤波器 的基本 工作 原理是 ： 检测 补偿对 象 的 电 压和电流信号 ， 然后经指令电流运算单元计算出补偿电 流的指令信号 ， 该信号经补偿电流发生电路放大 ， 得出补 偿 电流 ， 从而使补偿 电流与被补偿对象的谐波、无功、 负序 等有害 电流相互 抵消 ， 最 终得到 期望 的正弦 电源 电 流 。即经有源 电力滤 波器 补偿 后 ， 电网侧三相 电流为对 称正弦波 ， 零线电流为 0， 实现改善 电能质量的 目的。 3 控 制系统设计 本文设计的并联型有源电力滤波器主要由二部分构 成 ： 三相 PWM 变流主电路和全数字控制系统 。控制系 统部分主要是以D S P和 C P L D为核心， 完成数据采集、相 位跟踪、指令 电流运算、补偿电流跟踪控制、电压调节、 系统保护、显示等功能， C P L D部分实现 P WM 驱动信号 控制 ， 可以提高系统抗干扰性 ， 使补偿装置更可靠。而影 响补偿性能的关键环节主要有三个 ， 即指令 电流运算环 节 、补偿 电流跟踪控制环节、直流侧 电压调节环节。 3 1 指令 电流运算部分 三相四线制系统与三相三线制系统的主要区别在 于存在零线， 有零序 电流通道。因而用于三相四线制系 统 中的有 源 电力 滤波器 与用于 三相 三线制 中的相 比 ， 根 本区别在于对三相 电流 中零序电流分量的处理 。综合 考虑各种检测算法 的准确性 ， 实时性和复杂性 ， 本文采 用改进的瞬时无功功率理论进行指令 电流运算 3 1 。 设 三 相负 载 电流 f 、 、 i 中所含 的零 序分量 大小 相等方 向相 同 ， 根据 对称分 量法 可 知 ， 1 o ( z +I b +z J 3 ( 1 ) 将 此 零序分 量 从各相 电流 中剔 除 ， 即 则 i 、 、 。 中只含有正序分量和负序分量， 因此可 以检 测到 电流基 波正 序分 量 。 ： c ， 瞬时有功电流 i p， 瞬时无功电流 q 经L P F低通滤波 后， 可得到它的直流分量 ， 该直流分量对应 i 。、 i 6 、 i 中 的基波分量 。再 叠加直 流 电压 调节有功 分量 ， 断开 i q 通 道 ， 经反变换得到基波有功电流分量为 i b i += C2 3 C l 式 中 c = 历 - 1 ， - 1 2 2 I ， c = L Ic s i n 。 cot - co s co t j c 2 c c = c $ I c a Z 西 1 c c Z + Z + Z c ，+ ( 6 ) 、 ) Q 一 一 一 ： = = 自 动 化技 术 与 应 用 2 0 1 0 年 第2 9 卷 第8 期 电 气 传 动 El e c t r ic a Dr i v e s 该补偿电流的指令信号 中含有谐波 、负序、零序、 无功和少量正序 电流分量， 因此该方法可以实现对补偿 电流的实时、准确的检测 。 3 2 补偿 电流跟踪控制部分 补偿电流跟踪控制部分主要作用 ， 是根据补偿 电流 的指令信号和实际补偿 电流的关系 ， 得到控制补偿 电流 发生电路中各 I GBT通断的PWM 信号 ， 使主电路产生 所需要的补偿电流， 实现补偿功能。有源 电力滤波器要 求补偿 电流实时跟踪指令 电流信号的变化 ， 因此需要采 用 跟踪型 P W M 控制方式引 。 图2 定时滞环 P WM补偿 电流控制原理图 本文采用改进的瞬时值 比较法如图2所示， 即定时 滞环 比较的控制方法来产生 P W M 控制信号 。该方法 中， 把补偿电流的指令信号f ： 和实际的补偿电流信号f 进行比较， 两者的偏差 f 作为滞环比较器的输入， 并用 DS P内部的时钟定时器计时， 每隔一个计时周期对偏差 的比较结果进行判断， 产生 P WM 控制信号 ， 该信号 经驱动保护 电路来控制 I GBT的通断， 从而控制补偿电 流 的变化， 实现补偿功能。该改进方法具有电流跟随 误差小 ， 电流响应速 度快 ， 便 于软件实 现 ， 限制 开关器件 最高 工作 频 率等 优点 。 3 。 3 逆变器直流侧 电压的双闭环控制 AP E是否 有 良好的补偿效 果 ， 前提是谐 波 电流的快 速准确检测 ， 其中补偿电流能否很好地跟踪指令 电流是 关键问题 。但在实际情况中， 当负载电流有大突变时补 偿电流会产生很大的跟踪误差 ， 补偿后 电流有畸变。这 是 由于 实 际 电路 中补偿 电流 的上 升 率 是 由主 电路 电感 的取值、直流侧电压平均值及网侧电压共同决定的。而 AP E 自身损耗将使 AP E与 电网交换有功能量 ， 导 致直 流 侧电容 电压频繁波动。为了保证 AP F能安全可靠的运 行， 并具有 良好的电流跟踪补偿能力 ， 因此， 需要对 AP E 直流侧 电压的变化进行控制。 直流侧 电容电压调节器包含两个功能 ， 一是稳定直 流母线总电压 ； 二是稳定直流侧 电容中点电位。直流侧 电压 的变化 是 由有 源 电力滤 波 器 与 电网之 间 的能量 流 动和 自身损耗所决定的。为维持直流电容电压的恒定 ， 本文采用直流侧总 电压闭环控制和直流侧上下电容电 压 均 压 闭环控 制 。 4 仿真结果分析 在所研制的 l 5 0 k VA并联型有源电力滤波器装置 上， 进行了谐波补偿实验。实验系统主电路如图 1 所示 ， 实验主要参数为： 电源线电压为 3 8 0 V， 系统阻抗忽略不 计； 负载为三相全控整流桥 ， L d = 2 mH， Rd =1 5( ， 整流 桥触 发 角 =0； 连接 电抗 L一0 5 m H ； 直 流侧 电压 U c =8 3 0 V， 滤波电抗器 L =1 5 mH， 滞环宽度约为系统电 流峰值 l 。如 图 3所示 ， 图中分别为 应用 APE后 的补 偿 电流 、负载 电流和 电源 电流 ， 试 验结果 可 知 ， 补偿 装 置投入 后 ， 电网侧 高次谐 波含 量 明显 降低 。 图3 应用 AP F后的补偿 电流、负载电流和 电源 电 流 ( a ) 辛 接翦系统电流 c ) 补偿后系统电流 图 4 补偿前后系统 电流的对比分析 电 气 传 动 EIe ct r ic aI D r i v e s 自动 化技术 与应用2 01 0年第 2 9卷第 8期 图4 ( a ) 为补偿前负载电流波形， 图4 ( c ) 为有源电力滤 波器投入补偿后的 电源 电流波形 ， 其中横坐标为时问 ( 秒) ， 纵坐标为电流( 安) 。从波形图和频谱 图可以看出， 在 投入 有源 电力滤 波器后 ， 电源 电流波形得 到很大 的改 善 ， 基本上为正弦波 。经谐波分析 ， 电流总谐波畸变率 由补偿前的 2 1 6 降低到补偿后的 3 2 ， 取得 了令人 满 意的 补偿效 果 。 5 结束语 本 文介绍 了 3桥臂 的 三相 四线制 有 源 电力滤 波器 工作原 理和控 制系统 的设计 ， 电流检 测部分 采用基 于零 序 电流分离法 的改进 瞬 时功率理 论获 取补偿 指令 电流 ， 补偿 电流跟踪控制部分采用定时滞环 比较的方法来产 生 P WM 控制信号， 逆变器直流侧 电压采用双闭环控制， 最终实现动态跟踪补偿功能 ， 并有 良好的跟踪补偿特 性 。经 过理论和 仿真分析 可知 ， 通 过合理 选择 主 电路参 数和控制参数等， 本装置可以实现三相四线制电力系统 中的谐 波污染抑 制 ， 无功 功率补偿 和三相 不平衡 调整 等 功能 ， 因此 ， 最终可以实现改善系统 电能质量 、提高功 率因数和降低 电能损耗等 目的。 参考文献 ： 【 1 】王兆安， 杨君， 刘进军， 王跃等 谐波抑制和无功功率补 偿【 M 。 2版 北京： 机械工业出版社， 2 0 0 5 ， 1 0 2 】王兆安， 黄俊 电力电子技术 M】 5 版 北京 ： 机械工业出 版社 ， 2 0 0 9 【 3 】陈建业， 蒋晓华 电力电子技术在电力系统中的应用f M】 北京 ： 机械工业出版社 ， 2 0 0 7 ， 8 4 卓放， 王跃， 王兆安 三相四线制电路中的瞬时无功功率 及有源电力滤波器 J 1 电工技术杂志， 2 0 0 1 ， ( 4 ) ： 3 8 4 1 5 P J I NTAK0 S 0 NWI T， H FUJ I T A， a n d H AKAG I Co nt r d a nd Pe r f o r ma nc e o f a Fu l l y-Di g i t a l -Co nt r o l l e d S h u n t Ac t i v e Fil t e r f o r I n s t a 1 a t i o n o i l a Po we r Di s t r i b u- t i o n s y s t e mU 1 I E E E T r a n s c n P o we r E l e c t r o n i c s 2 0 0 2 ， 1 7 ( 1 ) ： 6 8 -7 2 作 者 简介 ：关硕 ( 1 9 8 2 一)，男， 硕 士研 究生 ， 助 教，研究 方向 电 力 电 子 及 电气 传 动 方 面 的 教 学 和 科 研 。 ( 上接第7 6 页) 信号 ； 若一致则播 报并显示该站对应 信息 ， 同时将该 指针 地址 加 l ( 可用单 片机 内部计数器实现 ) ， 指 向下一站编码 地址 ， 这样就可以区分同一车站往返两个方向上的站台 编码 ， 准 确播 报每站信 息 ， 且 只播 报一次 。 图8 主程序流程图 结束语 建立先进的公交信息服务系统是 中国发展智能交 通系统的重要组成部分， 本设计充分考虑到成本、实用 性和工作环境等因素 ， 具有性价比高、报站准确、易于 维护、节能环保等优点。本系统不仅可以为乘客提供实 时准确的交通信息， 提高公交系统的服务水平， 还可以 为人们构建方便和谐的乘车环境 ， 建立 良好的交通信息 系统 ， 从而满足未来发展的需要。 参考文献： 1 林 绿洲 ， 王力超 ， 陆起涌 基于 G P S 与 G P R S的公交智能 监控系统【 J 仪器仪表学报( 增刊) ， 2 0 0 6 ， ( 6 ) ： 5 6 1 -5 6 3 2 徐爱钧， 彭秀华 NRF 4 0 1 无线收发模块应用f M】 京： 电子工业 出版社 ， 2 0 0 1 3 】刘迮吉 I S D1 4 2 0 单片语音录放器件及电路实现f J 青岛 海洋大学学报， 2 0 0 3 ， ( 5 ) ： l 8 1 9 4 李维堤， 郭强 液晶显示应用技术 】 北京： 电子工业出 版社 ， 2 0 0 0 5 】范长城， 王勇 基于太阳能电池板的直流不间断电源设 计 电源 技术 应用 ， 2 0 0 8 ， ( 9 ) ： 2 5 2 8 6 】杨伟平， 刘剑飞等 基于-n R F 9 0 5 的公交车自动报站系统 通信技术 ， 2 0 0 9 ， ( 1 0 ) ： 1 3 4 -1 3 6 作者简介： 王娟 ( 1 9 8 1 一 ) ，女， 硕士学位， 讲师， 主要从事高 频 、通信 原理 移动通 信等专 业课程 的教 学及研 究_1 2 作。 Te c h n iq u e s o f A u t o ma t io n&A p p lic a tio n s I 8 5