瞬时检测谐波及无功电流的单相有源滤波器研究

瞬时检测谐波及无功电流的单相

有源滤波器研究

付振宇　刘觉民　张彦林

湖南大学

　　摘要:为了实现对电力系统谐波的实时和精确补偿,提出了一种瞬时谐波及无功电流实时检测单相混合有源滤波器的方案,这种单相滤波器可根据用户的选择对谐波和无功电流同时进行补偿或对谐波单独进行补偿,并有LCD实时显示运行参数。对该滤波器的系统框架,控制电路,谐波检测方法,数字低通滤波等都作了较为详细的介绍。

关键词:单相有源滤波　谐波　基波电流　数字低通滤波

ResearchofaSingle-phaseActivePowerFilterwithMeasureHarmonicandReactiveCurrentInstantaneously

FuZhenyu　LiuJuemin　ZhangYanlin

Abstract:Inordertoachievereal2timeandprecisecompensationofharmonicofelectricpowersystem,thispapergivesaschemeofasingle2phasehybridactivepowerfilterwhichcanmeasureharmonicandreac2tivecurrentinstantaneously.Thissinglephasehybridactivepowerfiltercancompensateharmonicandreac2tivecurrentorcompensateharmoniconly,whichischosebyuser,andLCDcantimelydisplaytheworkpa2.Thispaperdetailedlyintroducestheframeofsystem,controllcircuit,thedetectionwayofhar2rameters

monicanddigitlowpassfilterandsoon.

Keywords:asingle2phaseactivepowerfilter　harmonic　fundamentalcurrent　digitlowpassfilter

1　前言

由于电力电子设备的广泛应用,电网的谐波

污染问题越来越严重,有源滤波器由于有极快的跟踪度、极好的补偿性能,是进行电网的谐波抑制与动态无功补偿的最佳选择。现在的三相有源滤波器得到了广泛的研究,已有一些较为成熟的产品问世,相对而言单相有源滤波器的研究较少,在谐波检测方面还没有一种公认成熟的方法。本文提出了一种瞬时谐波及无功电流实时检测单相混合有源滤波器方案,具有良好的滤波效果,并可以广泛地使用在低压电网、电气化铁道及直流输电系统中[1]。

3次、5次单调谐波滤波器和高通滤波器,它们承担

大部分电网电压,利用电感、电容元件的谐振特性,形成对负载特性谐波低阻抗支路,从而减少流向电网的谐波电流,同时起到补偿固定无功的作用,承担大部分的滤波工作;L1和C1构成基波谐振支路,用以分流基波无功电流,使得流入有源滤波器的电流进一步减少;逆变电路输出的电压起拾漏补缺的作用,它只承担小部分的滤波工作,所需的功率比较小,逆变器起有源部分的电压、电流等级与无源部分匹配并且起到电气隔离作用。

2　单相混合有源滤波器系统简介

单相有源滤波器的主电路如图1所示,包括无

源滤波器、PWM逆变电路和逆变变压器,无源滤波器由L3和C3,L5和C5,Lh及Ch和Rh组成,分别构成

图1　单相混合滤波器的主电路图

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　电气传动　2006年　第36卷　第3期瞬时检测谐波及无功电流的单相有源滤波器研究　

3　控制电路

图2示出控制的基本框架图,单片机80C196控制电路用于完成按键输入处理、液晶显示和上位机的通信,DSPTMS320LF2407用于完成系统电压电流信号采集、处理,PWM脉冲生成及输出信号的保护等。单片机80C196与DSPTMS3202LF2407之间通过双端口RAM进行数据交换。用于数据处理的DSPTMS320LF2407是美国德州仪器(IT)公司专门针对电机、逆变器、机器人、数控机床等控制而设计的一种单片DSP控制器。其显著优点是高速AD采样(最快达500ns),使系统控制周期仅25Λs,这意味着电流采样频率达40kHz。单周期指令执行时间为50ns。该处理器具有便于数字信号处理的特殊指令系统,保证了控制电路工作的实时性。

将式(2)两边同时乘以2sinΞt得

　2is(t)sinΞt=2Ipsin2Ξt+2IqcosΞtsinΞt+

∞

　22insin(nΞt+Ηn)sinΞtn=2=Ip-Ipcos2Ξt+Iqsin2Ξt+

∞

　2in{cos[(n-1)Ξt+Ηn]-n=2　cos[(n+1)Ξt+Ηn]}

同理,在式(2)两边乘以2cosΞt得

　　2is(t)cosΞt=Iq+Iqcos2Ξt+Ipsin2Ξt+

n=2

n]+2in{sin[(n+1)Ξt+Η

(3)

∞

sin[(n-1)Ξt+Ηn]}(4)

　　由式(3)、式(4)可知,采用截止频率低于2倍

电流基波频率的低通滤波器(LPF)可得到Ip和Iq,采用锁相环(PLL)产生与电源电压同步的标准sinΞt和cosΞt函数,可得到ip和iq。这样电源滤波器就可以根据用户的选择,对谐波和无功电流同时进行补偿或只对谐波进行补偿。如果对谐波和无功电流同时进行补偿,则只需分离出基波有功

图2　控制电路的框架图电流作为补偿电流,这时的算法更简单。框图如图3所示。实际此时的锁相环可以去掉,而通过控制

4　谐波及无功电流检测原理在三相系统中基于瞬时功率理论的p,q和ip,

iq检测方法得到了广泛的应用,有文章提出在单

电路产生与电网电压频率的正余弦信号,相位可以任意[2]。在实现时,让控制系统内部自己产生的与电网电压同频的正余弦信号参与计算,这样实现起来更加简单。

相谐波检测时先构造三相电流再利用三相瞬时功率理论来检测谐波,但是算法相对来说比较复杂[2]。因此本文采用一种新的单相谐波检测方法。

设电网电压没发生畸变,则

us(t)=UsinΞt电流为

∞

图3　谐波和无功电流同时进行补偿谐波检测框架图

(1)

　　如果只对谐波进行补偿,那么就要将有功电流和无功电流全部计算出来。框图如图4所示。

)+2insin(nΞt+Ηn)is(t)=i1(sinΞt+Η

n=2

=i1cosΗsinΞt+i1sinΗcosΞt+

　2insin(nΞt+Ηn)n=2

∞

∞

=IpsinΞt+IqcosΞt+2insin(nΞt+Ηn)

n=2=ip+iq+ih

(2)

图4　谐波电流补偿谐波检测框架图

式中:ip为瞬时基波有功电流,ip=IpsinΞt=

i1cosΗsinΞt;iq为瞬时基波无功电流,iq=IqcosΞt=

∞

5　数字低通滤波

由于这种方法在计算电流的无功及谐波分量时需要采用有很小延时的低通滤波器,该低通滤

波器在DSP技术中通常采用无限冲击响应(IIR)数字滤波方案实现,且采用频率变换法进行设计。

i1sinΗcosΞt;ih为瞬时谐波电流,ih=

n=2

2in×

sin(nΞt+Ηn)。30

　瞬时检测谐波及无功电流的单相有源滤波器研究电气传动　2006年　第36卷　第3期　

采样频率为fs,截止频率为fc,n阶模拟归一的LPF原型系统函数可表示为

H(s)=[(

sns)+an-1()n-1+fcfc

s)+a0]-fc

1

++a1(

经双线性变换

(5)

2(1-z-1)s=-1

Ts(1+z)

(6)

式中:Ts为LPF的采样周期,Ts=f-s1。

将式(6)代入式(5)得H(z)的离散表达式为

H(z)=

(fcTs)n(1+z-1)n

k=0

22

n

n-k

an-k(fcTs)(1-z

k-1k

　an=1(7)

)

可以看到,滤波器的增益与(fcTs)n成正比。因fc是一定值,故分子的系数完全由Ts决定。若f

s

很高或阶数过高时,分子的系数比分母的小,以至于超过16位定点DSP的表示范围,DSP虽可通过移位、加法等方法来实现32位算术运算,但将会增加很大的计算量,无法满足APF的实时性要求。为了解决这一矛盾,在对电流检测信号进行采样前对高频分量进行衰减,主要保留20次以下低次谐波。根据采样定理,选择fs=2kHz。选用3阶契比雪夫󰂪型LPF能较好地满足要求[3,4]。

图5　电流仿真波形

6　仿真试验结果与结论

根据上述的控制算法和结构图,在MAT2LAB6.5󰃗Simulink下进行仿真,其波形如图5所

参考文献

1　王兆安,杨君,刘进军.谐波抑制和无功功率补偿[M].

示。仿真条件为基波电流频率为50Hz,基波幅值为100A,初相角为30°;3次谐波幅值为30A,初相位角为20°;5次谐波幅值为10A,初相位角为10°;7次谐波幅值为6A,初相位角为6°;9次谐波

北京:机械工业出版社,1998

2　戴瑜兴,张义兵,陈际达.检测单相系统谐波电流和无

功电流的一种新方法.电工技术学报,2004,19(2):93～97

3　陈仲,徐德鸿.一种基于DSP的高精度谐波检测改进

幅值为1A,初相位角为3°;仿真时间为8个基波周期(0.16s)。由波形可以看出,加入滤波器后的波形得到了明显的改善。

由图5仿真测试结果可得出以下结论:

1)本文中所提出的单相有源滤波器的理论及控制策略是可行的;

2)可以做到瞬时谐波及无功电流实时检测,达到理想的补偿效果;

3)可以根据用户的选择,对谐波和无功电流同时进行补偿或只对谐波进行补偿。

方案设计.电力电子技术,2004,38(6):53～55

4　HsuCY,WuHY.ANewSingle2phaseActivePow2erFilterwithReducedEnergy2storageCapacity.IEEProc.Electron.PowerApplicat,1996,143(1):25～30

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6　将斌,颜钢锋,赵光宙.一种单相谐波电流检测法的研

究.电工技术学报,2000,15(6):65～69

收稿日期:2005204214修改稿日期:2005212206

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