三相四線并聯(lián)有源電力濾波器的數(shù)字控制課件

1、三相四線并聯(lián)有源電力濾波器的數(shù)字控制 Digital control of Three-Phase Four-wire Shunt Active Power Filter陳 仲，徐迎春，王磊，徐德鴻浙江大學(xué) 電氣工程學(xué)院（310027） , xdhdj2003.11第1頁，共27頁。主要內(nèi)容：有源濾波技術(shù)應(yīng)用背景 / 數(shù)字控制的優(yōu)勢;APF系統(tǒng)構(gòu)成和工作原理介紹；控制器硬件設(shè)計(jì)；軟件設(shè)計(jì)；實(shí)驗(yàn)結(jié)果結(jié)論三相四線并聯(lián)有源電力濾波器的數(shù)字控制2003 (上海) 15th 電源學(xué)會(huì)年會(huì)第2頁，共27頁。 . 有源濾波技術(shù)應(yīng)用背景 / 數(shù)字控制的優(yōu)勢信息電力和柔性輸配電技術(shù)；有源濾波技術(shù)的先進(jìn)性和必要性

2、；模擬控制的缺陷 / 數(shù)字控制的優(yōu)勢第3頁，共27頁。 一. 信息電力和柔性輸配電技術(shù)信息電力的特征即使系統(tǒng)處于非穩(wěn)態(tài)，也仍需要保證可靠、恒定的優(yōu)質(zhì)電力供應(yīng)；電能質(zhì)量問題包括：電流波形畸變；穩(wěn)態(tài)電壓質(zhì)量問題；電能的可靠可使用性問題；動(dòng)態(tài)電能質(zhì)量問題動(dòng)態(tài)電能質(zhì)量問題：主要包括電壓脈沖（impulse）、浪涌（surge）、電壓跌落（sages）、瞬時(shí)供電中斷（outage）等； -是近幾年隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展而暴露出來的！ 8.14美加大停電給我們的啟示：新時(shí)期的電力電子技術(shù)將在電力系統(tǒng)中大有作為第4頁，共27頁。FACTS & DFACTS技術(shù)柔性交流輸電系統(tǒng)（FACTS）基于電力電子技術(shù)，

3、通過控制電力系統(tǒng)的基本參數(shù)來靈活控制系統(tǒng)潮流、突破靜穩(wěn)瓶頸、提高輸電系統(tǒng)輸送容量的有效措施；主要的FACTS裝置：靜止無功補(bǔ)償器（STATCOM）、晶閘管控制的串聯(lián)投切電容器（TSSC）、可控串聯(lián)補(bǔ)償電容器（TCSC）、統(tǒng)一潮流控制器（UPFC）等；DFACTS技術(shù)（又稱Customer Power技術(shù)）作為FACTS技術(shù)在配電系統(tǒng)應(yīng)用的延伸，已成為改善電能質(zhì)量的有力工具。該技術(shù)的核心器件為IGBT，因此裝置具有更快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。主要的DFACTS裝置有：有源濾波器（APF）、動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器（DVR）、配電系統(tǒng)用靜止無功補(bǔ)償器（D_STATCOM）、固態(tài)斷路器（SSTS）等；第5頁，共27頁。二

4、. 有源濾波技術(shù)的先進(jìn)性和必要性解決諧波和無功問題的兩種思路：主動(dòng)式解決方案（多重化技術(shù)、PWM整流和有源功率因數(shù)校正技術(shù)）和被動(dòng)式解決方案，即有源濾波技術(shù)；眾所周知：傳統(tǒng)的無源濾波技術(shù)存在固有缺陷：如諧波標(biāo)準(zhǔn)勢在必行： 國家技術(shù)監(jiān)督局 電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波，即GB/T14594-93作為DFACTS的重要組件，有源濾波器的優(yōu)勢： 補(bǔ)償諧波頻帶寬、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、補(bǔ)償特性不受電網(wǎng)阻抗影響、不存在過載問題；可同時(shí)補(bǔ)償無功、不對(duì)稱，且可消除電壓閃變、調(diào)節(jié)和平衡電壓等功能；第6頁，共27頁。三. 模擬控制的缺陷 / 數(shù)字控制的優(yōu)勢傳統(tǒng)的模擬控制缺陷：系統(tǒng)復(fù)雜、諧波檢測需要多個(gè)乘法器（成本高）、易受溫漂

5、影響，精度低、抗干擾能力弱等；近年來，基于數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）、微控制器（MCU）和可編程邏輯器件（PLD）等實(shí)現(xiàn)的數(shù)字化控制在實(shí)際系統(tǒng)中受到更多的歡迎 ；本文應(yīng)用DSP芯片TMS320F240為核心實(shí)現(xiàn)了并聯(lián)型有源濾波器的諧波檢測和控制，針對(duì)數(shù)字控制的硬/軟件設(shè)計(jì)將作詳細(xì)介紹。第7頁，共27頁。 . 并聯(lián)型有源電力濾波器系統(tǒng)構(gòu)成和工作原理主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；諧波電流檢測策略：第8頁，共27頁。一. 主電路拓?fù)淙龢虮垭妷涸醋兞髌鳎╒SI）+電容中點(diǎn)式，開關(guān)器件采用IGBT；采用滯環(huán)電流控制策略，適用于三相四線制系統(tǒng)，拓?fù)浜唵危揖哂胁粚?duì)稱補(bǔ)償能力； 并聯(lián)型有源電力濾波器的原理是向電網(wǎng)注入大小相

6、等、方向 相反的負(fù)載諧波以達(dá)到補(bǔ)償目的，其相當(dāng)于一個(gè)受控電流源。 圖1. 主電路結(jié)構(gòu)第9頁，共27頁。二. 諧波電流檢測策略 對(duì)APF控制設(shè)計(jì)而言，高精度、實(shí)時(shí)性的諧波檢測以及合理的電流控制方法，直接影響著補(bǔ)償性能； 本系統(tǒng)采用基于同步參考坐標(biāo)系（Synchronous Reference Frame, 簡稱SRF）的諧波檢測策略； 特點(diǎn)：具有計(jì)算量少、檢測精度不受電網(wǎng)電壓畸變和不對(duì)稱等因素影響，性能優(yōu)異，且易于數(shù)字實(shí)現(xiàn)；算法中的坐標(biāo)變換需使用正余弦信號(hào)。對(duì)此采用“查表法”，即事先計(jì)算出正余弦值，各為256個(gè)點(diǎn)，放置于存儲(chǔ)器中。在運(yùn)算時(shí)直接調(diào)出使用，以此減少了程序處理時(shí)間。第10頁，共27頁。

7、圖2. 基于SRF的諧波檢測原理坐標(biāo)變換矩陣和反變換矩陣 ：第11頁，共27頁。. 控制器硬件設(shè)計(jì)硬件配置 ；信號(hào)檢測環(huán)節(jié)中的濾波器設(shè)計(jì)； 基于PLL的同步采樣/控制信號(hào)； 直流側(cè)電壓和均壓控制 設(shè)計(jì)原則： 影響APF系統(tǒng)補(bǔ)償精度的主要因素除了主電路系統(tǒng)參數(shù)的選取外；就控制而言，采用數(shù)字控制相應(yīng)帶來的時(shí)間/相位延遲是需要在設(shè)計(jì)中給予針對(duì)性考慮的因素。 第12頁，共27頁。DSP芯片內(nèi)置A/D，轉(zhuǎn)換時(shí)間； D/A器件：MAX526，12位并行輸入； 鎖相環(huán)芯片：CD4046，配合以計(jì)數(shù)器CD4040實(shí)現(xiàn)信號(hào)倍頻。電流和電壓/均壓調(diào)節(jié)量的A/D轉(zhuǎn)換；諧波檢測計(jì)算；D/A轉(zhuǎn)換等都在單個(gè)控制周期中完成

8、的，因此數(shù)字控制造成的時(shí)間延遲最大不超過個(gè)控制周期。圖3. DSP控制框圖第13頁，共27頁。二. 信號(hào)檢測環(huán)節(jié)中的濾波器設(shè)計(jì)（1）三相負(fù)載電流檢測： 為了避免數(shù)字采樣中的混疊現(xiàn)象，必須設(shè)置抗混疊低通濾波器進(jìn)行濾波；此外，再通過電平偏移等調(diào)理電路，使之變成單極性信號(hào)后，方能由同步采樣/保持器保持送至DSP的A/D端口。 由于采樣頻率選擇為12.8kHz，被采樣信號(hào)中的最高次分量頻率應(yīng)小于等于采樣頻率的一半，實(shí)際的抗混疊低通濾波器的截止頻率選擇為6kHz （香農(nóng)定理） 。 （2）三相補(bǔ)償電流檢測： 在檢測含有開關(guān)紋波分量的三相實(shí)際補(bǔ)償電流時(shí)，采用二階巴特沃斯低通濾波器 。第14頁，共27頁。 截

9、止頻率的選取原則應(yīng)該接近于開關(guān)頻率。就中小功率的變流器而言，開關(guān)頻率一般為1025KHz。實(shí)際選擇該低通濾波器截止頻率為15kHz。 圖4. 電流滯環(huán)比較控制 負(fù)載電流檢測中的LPF設(shè)計(jì)：如果截止頻率過低（低于開關(guān)頻率），將不能反映電流的微小變化率，勢必限制住開關(guān)頻率，影響系統(tǒng)補(bǔ)償性能， 第15頁，共27頁。三. 基于PLL的同步采樣/控制信號(hào) 圖5. 數(shù)字控制時(shí)序電網(wǎng)電壓的過零同步信號(hào)及其經(jīng)鎖相環(huán)（PLL）256倍頻的輸出信號(hào)送入DSP，分別作為正弦表指針的復(fù)位信號(hào)與控制周期的起始信號(hào)；諧波檢測算法與A相電網(wǎng)電壓同步；數(shù)字控制系統(tǒng)的采樣和控制周期一致第16頁，共27頁。四. 直流側(cè)電壓和均壓

10、控制 總電壓調(diào)節(jié)的原理是通過產(chǎn)生一個(gè)基波有功電流分量，由電網(wǎng)和APF間基波有功功率的流動(dòng)來調(diào)節(jié)APF直流側(cè)電容電壓大?。欢鶋赫{(diào)節(jié)則是在補(bǔ)償電流指令中疊加一個(gè)零序分量，通過上下電容的充放電調(diào)節(jié)上下電容電壓差。電壓/均壓控制環(huán)不需要太高的控制周期，實(shí)際取為20ms 調(diào)節(jié)器比例系數(shù)和積分系數(shù)應(yīng)受限制，不能取的過大，否則變化過快的電壓/均壓調(diào)節(jié)量疊加到指令電流上，將會(huì)引起振蕩現(xiàn)象，使系統(tǒng)補(bǔ)償性能惡化。第17頁，共27頁。. 軟 件 設(shè) 計(jì)數(shù)字低通濾波器設(shè)計(jì)；軟件抗干擾和軟啟動(dòng)策略；第18頁，共27頁。一. 數(shù)字低通濾波器設(shè)計(jì)要求：濾去直流以外的各次諧波，對(duì)相位要求不高，故決定采用IIR濾波器。由于非

11、線性負(fù)載電流中典型的5次與7次諧波經(jīng)變換后在d-q坐標(biāo)系中分別為4次與6次交變量，故將該濾波器截止頻率設(shè)計(jì)在200Hz以下。但若截止頻率選的太低，則響應(yīng)速度變慢，綜合考慮，選擇二階低通數(shù)字巴特沃思型濾波器，其截止頻率為120Hz，頻率200Hz時(shí)幅度已衰減至-20dB。數(shù)字濾波器計(jì)算頻率選為3.2KHz。濾波器方程如下： 第19頁，共27頁。（1）在DSP中電網(wǎng)電壓的過零同步信號(hào)的上升沿檢測非常重要。實(shí)驗(yàn)中：當(dāng)主電路功率較大時(shí)，DSP工作易受到干擾。 為了避免誤檢測，每次CAP3口檢測到上升沿后，將CAP3口設(shè)置為I/O口（IOPC6），進(jìn)行電平檢測， 后再次進(jìn)行檢測，如兩次均為高電平，則判定

12、CAP3口檢測到的上升沿是真實(shí)的，正弦表和余弦表的指針復(fù)位；否則判定該上升沿是虛假的。如此提高了DSP的抗干擾能力。 二. 軟件抗干擾和軟啟動(dòng)策略第20頁，共27頁。圖6. 軟啟動(dòng)喇叭口策略圖7. 軟啟動(dòng)算法流程(2) 在啟動(dòng)過程（10秒左右）中使直流側(cè)電壓基準(zhǔn)值從600VDC平穩(wěn)增大到800VDC；同時(shí)DSP送出的電流指令采用了喇叭口策略 通過如此精心的軟啟動(dòng)設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)證明能夠保證APF系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)電壓上升平穩(wěn)，無過沖現(xiàn)象。第21頁，共27頁。. 實(shí) 驗(yàn) 結(jié) 果主電路參數(shù)：容量：15KVA；器件：IGBT （1200V/45A）；直流側(cè)電容 2200UF交流濾波電感 3mH;滯環(huán)電流寬度 0.8A;工作條件：電網(wǎng)線電壓380V；直流側(cè)電容電壓780；三相整流帶阻性負(fù)載圖8. 實(shí)驗(yàn)電路示意圖第22頁，共27頁。 啟動(dòng)過程中的補(bǔ)償電流指令，其幅值由零逐步增大至正常輸出時(shí)間t(0.2s/div) 指令電流ic(1.6A/div)圖9. 啟動(dòng)時(shí)指令電流波形 第23頁，共27頁。 整流器直流側(cè)電流為20A，可見補(bǔ)償前負(fù)載電流畸變嚴(yán)重，補(bǔ)償后基本為一良好的正弦波形，補(bǔ)償效果較好（a）A相負(fù)載電流 （b）補(bǔ)償后A相電源電流 （c）APF的A相補(bǔ)償電流圖10. 穩(wěn)態(tài)下實(shí)驗(yàn)波形第24頁，共27頁。 負(fù)載由7.5A突變至15A時(shí)系統(tǒng)工作各波形?？梢钥吹?/p>