基于DSP的并聯(lián)電力有源濾波器的仿真研究

1引言

近十年來(lái)，隨著(zhù)電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，電力有源濾波器(簡(jiǎn)稱(chēng)APF)逐步進(jìn)入成熟應用的階段。電力有源濾波器是一種基于脈寬調制、信號處理和大功率高速自關(guān)斷電力電子器件的電力電子設備(不排除利用多重化技術(shù)由低頻器件構成等效高頻拓撲結構方式和早期的強迫換流方式)，它通過(guò)向交流電力系統實(shí)時(shí)注入與系統諧波相位相反大小相等的補償諧波，達到消除系統諧波污染的目的。國內對電力有源濾波器的研究起步很早，所取得的理論成績(jì)也并不比國際水平低，但是由于國民經(jīng)濟實(shí)力的限制，造成資金和制造技術(shù)落后以及供求關(guān)系難以形成，這一先進(jìn)產(chǎn)品一直處于實(shí)驗室階段。

國外工程界已對有源濾波器進(jìn)行了多年的實(shí)踐，在電力電子設備的制造技術(shù)和運行方面積累了豐富的經(jīng)驗，目前已經(jīng)先后有ABB、西門(mén)子、梅蘭日蘭等幾家外國公司開(kāi)始在我國國內推銷(xiāo)該類(lèi)產(chǎn)品。在這種情況下，推動(dòng)國內電力有源濾波器的實(shí)用化研究具有迫切的現實(shí)意義。本文希望從工程應用的角度發(fā)表一些淺見(jiàn)。

2研究方案選擇

文獻[1]列舉了數百篇APF的相關(guān)文獻，對近年來(lái)的有源濾波器技術(shù)進(jìn)行了概括性的點(diǎn)評。串并聯(lián)合用的APF(又稱(chēng)UPQC)對電力系統的諧波抑制效果最佳，但成本最高，適用范圍受限；串聯(lián)型APF主要適合于抑制電壓型諧波和擾動(dòng)；并聯(lián)型APF做為最基本的、也是最早出現的系統形式，主要適合于抑制電流型諧波和擾動(dòng)。

文獻[2]將負載產(chǎn)生的諧波分為電流源型和電壓源型，認為并聯(lián)型APF對前者有較好的補償效果而對后者補償效果較差，串聯(lián)型APF則反之。雖然這樣的分析有重要的理論意義，但是從現場(chǎng)的實(shí)際情況來(lái)說(shuō)，文獻[2]中純粹的電容性整流型負載并不存在，即便在對蓄電池充電的場(chǎng)合，也會(huì )加裝直流側的平波電抗器，退一步說(shuō)，即便存在這類(lèi)負載，在交流側的隔離變壓器前也可使用并聯(lián)型APF對負載進(jìn)行補償。因此，可以說(shuō)并聯(lián)型APF的適用范圍要比串聯(lián)型APF大得多。另外，由于工業(yè)型的三相三線(xiàn)制APF技術(shù)改進(jìn)后即可用于民用的三相四線(xiàn)制情況，本文的仿真限于對工業(yè)型APF的研究，如圖1所示。

圖1有源濾波器示意圖

圖2同步dq坐標法的階躍響應

圖3同步dq坐標法的斜坡響應

APF技術(shù)的關(guān)鍵在于：

（1）指令電流分離技術(shù)；

（2）補償電流形成技術(shù)；

（3）整體系統的穩定控制。

對補償電流的形成，目前公認的適用于較大功率場(chǎng)合的方法如文獻[8]提供的固定頻率的空間矢量脈寬調制(SVPWM)技術(shù)，只要開(kāi)關(guān)頻率足夠高，逆變器就有足夠的響應速度；對于整體系統的穩定控制策略涉及復雜的數學(xué)推導，不在本文討論范圍內；指令電流分離技術(shù)的種類(lèi)繁多，而且這一部分性能的好壞直接影響APF整體性能優(yōu)劣，是本文討論的重點(diǎn)；另外由于近年來(lái)DSP技術(shù)的迅猛發(fā)展，使在A(yíng)PF設計過(guò)程中充分利用數字技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)并附加復雜功能的方式成為可能，因而在工程應用中用DSP實(shí)現具體算法是有意義的。

當前除直接使用模擬濾波器以外的幾乎所有指令電流分離技術(shù)都可以用DSP實(shí)現，其中比較適合的方式有：瞬時(shí)虛功率法、同步dq坐標法[3]、無(wú)差拍法[4][5]和檢測逆變器直流電容電壓換算的方法[6]。但是瞬時(shí)虛功率法在系統電壓出現畸變時(shí)不能準確檢測諧波電流(見(jiàn)文獻[9]第6章)。無(wú)差拍控制法基于零極點(diǎn)配置技術(shù)，對系統參數非常敏感，難以適用于實(shí)際工程應用，本身就還有待改進(jìn)。檢測直流電容電壓的方法[6]在極端情況下將會(huì )負擔一個(gè)周期的負載有功損耗[6]，因而僅適用于相對較小功率場(chǎng)合。同步dq坐標法對負載電流進(jìn)行旋轉Park變換后利用數字積分方法直接抽取對應于交流側電氣量基波成分的方法，再利用簡(jiǎn)單加減法獲得補償電流指令值，物理意義明確而且易于實(shí)現；文獻[3]在同步dq坐標軸上進(jìn)行積分的同時(shí)，以當前點(diǎn)的測量值為基準，根據坐標軸上各次諧波軌跡延伸預測下一點(diǎn)應產(chǎn)生的瞬時(shí)補償電流，具有很明確的物理意義和工程實(shí)用性，可用于大功率場(chǎng)合，是本文的首選方案。

3仿真結果

本文利用MATLAB對文獻[3]的方案進(jìn)行了仿真研究，利用電氣庫對一次部分進(jìn)行建模，利用SIMULINK的基本庫和S埠數構建具體的離散算法，并在NT工作站上進(jìn)行仿真。同步dq坐標法的動(dòng)態(tài)響應如圖2及圖3所示：(仿真頻率為50Hz)

圖2中，虛線(xiàn)為代表交流電流輸入值，幅值呈兩次上下階躍變化，實(shí)線(xiàn)為同步dq坐標法的計算輸出值，實(shí)線(xiàn)在第一個(gè)周期002s的上升過(guò)程是由于計算中數字積分的數組初始狀態(tài)為全零值，必須經(jīng)過(guò)一個(gè)周期才能精確跟上系統值的過(guò)程，這一過(guò)程會(huì )導致APF調制錯誤，在實(shí)際運用中可以利用封閉一個(gè)周期的逆變器控制脈沖的方法避過(guò)。由圖2可見(jiàn)，這一方法需要約一個(gè)周期時(shí)間做到精確跟隨輸入信號的變化，這也是任何一種方法都不可避免的；如果計及電源跟上負載變化有一定的延遲，當負載突然增加，電源供電能量增加之前，APF將為負載提供一部分能量；反之，APF將吸收一部分電源多提供的能量。這說(shuō)明在實(shí)際系統的變化過(guò)程中，APF將會(huì )在電源和負載之間起到一定的緩沖作用。實(shí)際工程設計中必須考慮到這種情況帶來(lái)的器件容量的選擇問(wèn)題。

圖3中第一個(gè)周期的情況同上。由圖3可見(jiàn)，同步dq坐標法的斜坡響應滯后于輸入信號的變化約半個(gè)周期，表明在負荷單調連續變化過(guò)程中，APF將

圖4負載電流波形及頻譜分析