三相混合有源电力滤波器系统设计.pdf

2 0 1 4年第 2期 工业仪表与自动化装置 5 1 三 相 混合 有 源 电力滤 波器 系统 设 计 史常胜 ， 何军红 ， 尹旭佳 ( 西北工业大学 航 海学院， 西安 7 1 0 0 7 2 ) 摘要： 为改善 电能质量 ， 消除谐波 ， 介绍了由无源滤波器和有源滤波器组合构成的三相混合电 力滤波器及其工作原理和控制方案。该 系统运用快速傅立叶检测算法， 采用双 D S P芯片为控制核 心实现 系统控制 ， 提 高补偿精度和运算能力。对 比滤波前后的波形， 客观地评估 分析 实际应用效 果 ， 验证 了有 源电力滤波器的可行性和有效性。 关键词 ： 有源电力滤波器； P I D； 谐波抑制 中图分类号 ： T M7 3 3 文献标志码 ： B 文章编号 ： 1 0 0 0 0 6 8 2 ( 2 0 1 4 ) 0 2 0 0 5 1 0 2 Sy s t e m d e s i g n o f t h r e e- - ph a s e h y br i d a c t i v e po we r fil t e r S H I C h a n g s h e n g ， H E J u n h o n g ， Y I N X u j i a ( N o r t h w e s t e r n P o l y t e c h n i c a l U n i v e r s i t y ， X i a n 7 1 0 0 7 2， C h i n a ) Abs t r a c t： I n o r d e r t o i mp r o v e p o we r q ua l i t y a n d e l i mi n a t e h a r mo n i c，a t hr e e p h a s e h y b rid po we r fil t e r c o mp o s e d o f a p a s s i v e fil t e r a n d a n a c t i v e p o we r fil t e r ，a n d t he c o r r e s p o n d ba s i c prin c i pl e s a n d c o n t r o l s c h e me a r e i n t r o d u c e d Th e s y s t e m us e s FF rI 1 t h e o r y a n d d o ub l e DS P c o n t r o l s y s t e m a s c o n t r o l c o r e whi c h i n c r e a s e t h e c o mp e ns a t i o n a n d t he o p e r a t i o n a l c a p a bi l i t y Co mp a r e d b e f o r e a n d a f t e r t h e fi l t e rin g e f f e c t o f wa v e f o rm ，t o a s s e s s t he e f f e c t o f i t s a n a l y s i s o f t h e pr a c t i c a l a p p l i c a t i o n De mo n s t r a t e t h e f e a s i - b i l i t y a nd e f f e c t i v e ne s s o f AP F Ke y w o r d s ： a c t i v e p o w e r fi l t e r ( A P F ) ； P I D； h a r m o n i c s u p p r e s s i o n 0 引言 目前电力系统中非线性负荷尤其是电力 电子装 置产生的动态谐波和动态无功严重影 响着供、 用 电 设备 的安全 经 济运 行。有 源 电力 滤波 器 ( A c t i v e P o w e r F i h e r ， A P F ) 通过 向电网注入补偿 电流来抵消 负载所产生的谐波电流和无功 电流 ， 既可补偿非线 性负载产生的各次谐 波和动态无功 ， 又能 自动适应 电网阻抗和频率的快速变化 ， 具有可靠性 高和反应 快的特点 。该文以陕西省某科技公 司的科研项 目“ 有源电力滤波器” 为背景 ， 以并联 电压型有源 电 力滤波器为研究对象 ， 系统地分析 了并联 型有源 电 力滤波器的系统结 构、 工作原 理、 谐波 电流检测方 法 、 补偿 电流控制策略等问题。 1 系统原理与结构 系统原理如图 1 所示。该系统为交流并联 A P F 收稿 日期 ： 2 0 1 3 0 61 8 作者简介 ： 史常胜 ( 1 9 8 7) ， 男 ， 山东烟 台人 ， 西北 工业 大学航 海 学 院硕士研究生。研究方向为嵌人式 系统 。 与并联 P F ( P a s s i v e F i l t e r ， 无 源滤波器 ) 混合型。有 源 电力滤波器与 L c滤波器均 与谐波源并联接人电 网， 两者共同承担补偿谐波 的任务 ， L C滤波器 主要 补偿较高次的谐波 ， 是一个高通滤波器 。这种混合 型滤波器一方面能消除补偿电流中因主电路 中器件 通断引起的谐波 ， 另一方面可滤除补偿对象 中较高 次的谐波 。 一一一一一一 L 一一 一一一 一 一 一一 一 一一 一一 一一 一 一- _ 一一 一一一 一一 P F AP F 图 1 系统原 理图 有源电力滤波器系统由两大部分组成 ， 即指令 电 流运算单元( 由从 D S P T Ms 3 2 0 C 6 7 1 3控制 ) 和补偿 电 流发生单元( 由电流跟踪控制电路、 驱动电路、 主电路 3部分构成 ， 由主 D S P T MS 3 2 0 F 2 8 3 3 5控制) 。 5 2- 工业仪表与 自动化装置 2 0 1 4年第2期 2 指令电流运算单元 指令电流检测是有源 电力滤波器的一个重要环 节 ， 主要方法是采用模拟带通( 或带阻) 滤波器 ， 基于 傅立叶变换( F F r ) 的谐波检测， 基于瞬时无功功率的 谐波检测等_ 5 j 。系统采用每周期采样 1 2 8点 的 F 兀 算法， 以 T M S 3 2 0 C 6 7 1 3高性能处理器为控制核心， 从 软硬件两方面提高系统的检测精度和运行速度。 利用 F F I 1 算法进行 数据处理时必须对 信号进 行同步采样 ， 采用锁相环 ( P L L ) 技术利用硬件实现 同步采样 ， 将前一时刻锁定 的电网频率作 为采样时 刻的电网频率， 倍频后作为采样频率， 以降低发生频 谱泄漏时 F F T r 算法的误差 。 三相电流电压 I 匾 ( MC B S P 0 ) l P L L H从 DS P T MS 3 2 0 C 6 7 1 3 ( MC B S P 0 ) l 指令电流信号 董 D S P T M$ 3 2 0 F 2 8 3 3 5 ( P WM)I 图 2 指令 电流 工作方式如图 2所示 ： 传感器获得的电网 3路电 流和电压信号经由 A D采样芯片 A D 7 6 5 6采样后 ， 通 过从 D S P芯片内部多通道缓冲串 口( MC B S P O ) 发送 给 T MS 3 2 0 C 6 7 1 3 ， 对所采集 到的数据进行快 速傅立 叶变换( F F T r ) ， 计算出瞬时谐波及无功电流分量值 ； 将要补偿 的指令 电流数 据 信息 传 给 主 D S P芯 片 T MS 3 2 0 F 2 8 3 3 5进行处理 ， 以驱动 I G B T模块。 3补偿 电流发生单元 补偿 电流发生 电路 由电压型 P WM变流器及其 相应的驱动电路 、 电流跟踪控制电路构成 。 电流跟踪控制电路是补偿 电流发生电路的首要 环节 。把希望输 出的电流或电压作 为指令信号 ， 把 实际输 出的电流或 电压波形作 为反馈信号 ， 通过两 者的瞬时值比较来决定功率开关器件的通断。 补偿 电流发生单元采用 P I D控制 ， 如图 3所示 ， 指令 电流 i b 通过线性 非线性算法 ( T D I) 产生 i 的 跟踪值 和微分值 ， 补偿 电流 i c 通过 T D 1 I 产生 的跟踪值 z 和微分值 Z ， V V 2 Z Z 产生误差 信号 e 。 、 e 、 e ， e 0 为 e 的积分， 各误差信号经过线性 或非线性组合， 生成控制信号 。当控制信号 “ 用 于谐波补偿控制 ， 可直接将控制信号 u转换成 P WM 输 出， 控制主电路 向电网中注入与谐波波形大小相 等方向相反的信号 ； 当 u用于直流侧 电压控制 ， 将控 制信号与电网电压的三相基波的反向值相乘 ， 作为谐 波 P I D算法指令信号的一部分 ， 通过 P WM外设输出。 4 主 电路 图 3 P I D原理图 由于 T MS 3 2 0 F 2 8 3 3 5输 出的 P WM信号不足 以 驱动 I G B T ， 同时还需对 I G B T进行进一步的保护 ， 因 此需要设计图 4所示 I G B T的驱动和保护电路 。 1 3 5 二g 二 二8 =三 2 4 6 i L 】 1 5l 图 4主电路 驱动 控制 芯片采用 的是 耐压 高 、 过 流快速 的 I R 2 2 1 4 1 半桥门驱动控制芯片 ， 具体工作过程是 ， 经 过逻辑变换后 的 P WM 信号通过光耦隔离送至 I R 2 2 1 4 1的输人端 ， I R 2 2 1 4 1 将输入端输入 的信号的 高低电平分别转换成 +l 5 V和 一1 5 V的驱动信号 ， 从而来驱动 I G B T的导通 和关断 ， 以控制直 流侧 电 容的充放 电， 实现对负载的谐波补偿。 系统 中， 直流侧电容由三相全桥整流电路供电， 直流侧的储能电容正极与 I G B T管 Q 。 、 Q ， 、 Q 的集电 极相连 ， 负极与 I G B T管 Q 、 Q 、 Q 的发射极相连 ， 三 相全桥整流电路将 2 2 0 V的交流电转变为直流 电并 保持直流侧 电压始终稳定在某一范围之 中。这种结 构 的直流侧 电源不会 因 A P F输 出功率 的变化而产 生电压波动 ， 这样就为 A P F提供 了一个稳定 的直流 工作电压， 提高了 A P F输出的稳定性和准确性。 5 运行结果分析与结论 由图 5 、 图 6可 以看 出， 有源电力滤波器投 入电 网后 ， 带有周期性谐波的电网电流， 经过该并联型滤 波器补偿系统， 大部分谐波都被补偿掉， 电流信号变 得光滑 ， 补偿后 电源 电流谐波含量 大大减少 。表明 有源 电力滤波器取得很好的滤波效果 。 ( 下转第 5 5页) 2 0 1 4年第 2期 工业仪表与自动化装置 5 5 字符设备 ， 驱动程序 的写法和一般 的字符设 备驱动 类似。第 2种就是帧缓冲设备 的驱动程序 的编写。 第 1 种方法不规范， 而且实现功能有限， 故不提倡。 下面用与字符驱动程序类 比的方法介绍如何编写帧 缓冲驱动程序。 字符驱动程序用 函数 r e g i s t e r c h r d e v向内核注 册设备。r e g i s t e r _ c h r d e v 需要 3个参数， 参数 1是主 设备号 ， 参数 2是对应于参数一主设备号的驱动程 序名 ； 参数 3用来登记驱动程序实际执行操作的函 数指钊 ， 它指向 s t r u c t fi l e o p e r a t i o n 。编写字符驱动 程序的主要 1 = 作就是编写各个子 函数并 填写 fi l e o p e r a t i o n各个域。当用户进程利用系统调用对设备 文件进行操作时， 系统通过设备文件 的主设备号找 到相应的设备驱动程序。然后读取这个数据结构相 应的操作函数指针 ， 接着就把控制权交给这个 函数 。 这就是 L i n u x 驱动程序l丁作原理。 帧缓冲没备驱动程序 与此类似 ， 其调用 r e g i s t e r f r a m e b u ff e r 注册 一 个 f r a me b u ff e r 设 备 。它 只 有一 个参数就是前而介绍的 s t r u c t f b i n f o ，其 内部定义 了结构成员 f 1 ) 一 o p s 。编写帧缓冲驱动程序主要就是 编写 f b o p s 各个成员 函数。与字符驱动设 备不 同 的是帧缓冲驱动程序并不实现 i o c t l 调用。帧缓 冲 驱动程 序的初始 化 函数 在 l i n u x d r i v e r s v i d e o f b m e re c中髓记。所有 的帧缓冲驱动程序的 i o c t 调用 由 f b m e m c统一实现。由 f b me m e根据 当前 正在 丁作的帧缓冲设备提供 i o e t l 调用 。 4 Mi c r o w i n d o w 架构 M i c r o w i n d o w是一种轻量级的 G U I ， 其特点是轻 型， 占用资源少， 可靠性高， 所以非常适合于工业控 制实时系统以及嵌入式系统的可定制 的、 小巧 的图 形用户界面支持系统。Mi c r o w i n d o w， 从结构上讲是 一 种分层设计 的架构 ， 最底层是一组屏幕 、 鼠标 触 摸屏 、 键盘的抽象接 口， 不依赖任何特殊 的硬件 ， 中 间层是可移植的图形引擎 ， 最高层是各种 A P I ， 供 图 形应用程序调用 ， 目前有两种 A P I ， 一种是 E C MA A P I W， 第二种是 N A N OX A P I S 。最高层的 A P I 与 Wi n 3 2和 X Wi n d o w系统基本上兼容 ， 使应用程 序移植非常容易。 在 u C l i n u x下 Mi c r o w i n d o w最 底层 的 S C R E E N 抽象 接 口建 立 在 l i n u x f r a m e b u f f e r设 备 基 础 上。 F r a me b u f f e r d e v i c e是对图形 显示 硬件设 备的抽象 ， 它代表视频硬件的帧缓存。 总之， 目前越来越多嵌入式系统要求图形显示 界面， 特别是在一些工业控制领域 。该系统 友好 的 人机界面大大降低 了操作难度 ， 简化了操作流程， 提 高了工作效率 。 参考文献 ： 1 陈莉君 L i n u x操作系统内核分析 M 北京： 人民邮 电出版社 ， 2 0 0 0 2 赵炯 L i n u x内核完全注释 M 北京： 机械工业 出版 社 ， 2 0 0 4 3 李 善 平 ， 刘 文 峰 ， 王 焕 龙 ， 等L i n u x与 嵌 入 式 系 统 M 北京 ： 清华大学出版社， 2 0 0 2 4 邹思轶 嵌入式 L i n u x设计与应用 M 北京： 清华大 学 出版社 ， 1 9 9 9 ( 上接第 5 2页) 皋 】 6 补偿 后的电网电流 、 补偿 电流 参考 文献 ： 1 F u j i t a H， Y a m a s a k i T， A k a g i HA h y b r i d a c t i v e p o w e r fi h e r f o r d a mp i n g o f h a r mo n i c r e s o n a n c e i n i n d u s t ri a l p o w e r s y s t e m J I E E E T r a n s o n P o w e r E l e c t r o n i c s ， 2 0 0 0， 1 5 ( 2 ) ： 2 1 5 2 2 2 2 Wa n g Z， Wa n g Q， Y a o W Z， e t a 1 A S e r i e s A c t i v e P o w e r F i l t e r A d o p t i n g H y b ri d C o n t r o l A p p r o a c h J I E E E T r a n s o n P o w e r E l e c t r o n i c s ， 2 0 0 1 ， 1 6 ( 3 ) ： 3 0 1 3 1 0 3 吴 竞昌 供电系统谐 波 M 北京： 中冈电力出版 社 ， 1 9 9 8 4 肖湘宁， 徐永海， 唐卓尧， 等 昆 合型有源电力补偿技术与 实验研究 J 电力系统 自动化， 2 0 0 2 ， 2 6( 3 ) ： 3 9 4 4 5 S e n i n i S ， Wo l f s P J A n y s i s a n d D e s i g n o f a Mu l t i p l e l o o p C o n t r o l S y s t e m f o r a H y b ri d A c t i v e F i l t e r J I E E E T r a n s o n I n d u s t fi E l e c t r o n i c s ， 2 0 0 2 ， 4 9 ( 6 ) ： 1 2 8 31 2 9 2