有源濾波器設計步驟

　在設計有源濾波器時，一般遵從以下設計步驟。

　　1.傳遞函數的設計

　　根據對濾波器特性的要求，設計某種類型的屁階傳遞函數，再將n階傳遞函數分解為幾個低階(如一階、二階或三階)傳遞函數乘積的形式。

　　在設計低通、高通、帶通、帶阻濾波器時，通常采用頻率歸一化的方法，先設計低通原形傳遞函數。若要求設計低通濾波器時，再將低通原形傳遞函數變換為低通目標傳遞函數;若要求設計高通濾波器時，再將低通原型傳遞函數變換為高通目標傳遞函數;若要求設計帶通濾波器時，再將低通原型傳遞函數變換為帶通目標傳遞函數;若要求設計帶阻濾波器時，再將低通原型傳遞函數變換為帶阻目標傳遞函數。

　　2.電路設計

　　按各個低階傳遞函數的設計要求，設計和計算有源濾波器電路的基本節。先選擇好電路形式，再根據所設計的傳遞函數，設計和計算相應的元件參數值。根據設計要求，對各電路元件提出具體的要求。

　　3.電路裝配和調試

　　先設計和裝配好各個低階濾波器電路，再將各個低階電路級聯起來，組成整個濾波器電路。對整個濾波器電路進行相應的調整和性能測試，并檢驗設計結果。

　　有源濾波器控制器的設計

　　飛速發展的電力電子技術使各種電力電子裝置在工業、交通運輸及家庭中的應用日益廣泛，而這些非線性負荷帶來的諧波危害也日益嚴重。諧波使電網中元件產生諧波損耗、設備效率和功率因數降低，甚至損害電力設備如電容器等;諧波影響精密儀器和臨近的通信系統，使其無法正常工作。

　　電力系統中諧波次數和大小隨系統負荷狀況而變化，采用傳統的LC靜態濾波器無法滿足要求，而采用電力有源濾波器可以對大小和頻率都變化的諧波及變化的無功進行動態補償，因此有源濾波器的研究和應用越來越受到人們的重視。有源濾波器的基本原理是：先從補償對象中檢測出諧波電流，再由補償裝置產生一個與該諧波電流大小相等而相位相反的補償電流，兩者相互抵消而使電網電流中只含有基波分量。控制器是有源濾波器的核心部件，它通過產生并控制驅動開關器件的脈沖來控制有源濾波器的行為，完成動態補償諧波和無功的功能。

　　2 控制系統的結構與基本功能

　　有源濾波器的主電路采用三單相橋式電壓型變流器，通過變壓器與系統耦合，其結構如圖1所示。采用三單相橋結構是因為三單相橋的控制可以相互解耦，同時還可用于消除零序分量及其諧波電流，實現不對稱控制。

 

　　該有源濾波器的控制系統采用雙DSP結構，其中一個DSP處理器用來完成數據處理、控制與高層保護功能;另一個DSP處理器用來產生高精度PWM脈沖。控制器主要有以下功能：

　　(1) 控制有源濾波器的行為

　　根據檢測出的負荷電流的諧波和無功電流分量控制逆變器的輸出電壓，使有源濾波器輸出的補償電流與負荷諧波電流和無功電流之和相互抵消，從而使系統電流為基波正序有功電流。

　　(2) 產生觸發脈沖

　　經驅動電路控制IGBT的導通和關斷產生PWM觸發脈沖，使有源濾波器能輸出正確的諧波補償電流。

　　(3) 脈沖同步

　　根據從電網取回的同步脈沖，產生出與電網電壓同步的脈沖信號，使有源濾波器輸出的電壓與電網電壓保持同步。

　　(4) 自我容錯功能

　　一旦控制器自身有些元件出現錯誤(如電壓互感器(PT)斷線等)，控制器能立即發現錯誤并報警，同時不使裝置退出運行，故障修復后可以容易地恢復。

　　(5)保護功能

　　當有源濾波器運行在過載或其他不正常狀態下，而電流又沒有超過保護動作的整定值時，控制器能通過保護功能使有源濾波器回到正常工作狀態，避免其底層保護動作，從而保證了有源濾波器能夠連續正常工作。

　　3 有源濾波器控制器的實現

　　有源濾波器控制器的原理框圖如圖2所示。

 

　　控制器以60×50Hz(或更高)的采樣頻率對負荷電流、裝置輸出的補償電流及系統電壓進行采樣和A/D轉換。利用諧波分離算法如dq分解法或ab分解法及其它方法對采樣電流進行分解，濾除基波有功分量，保留用作補償所需的諧波電流。然后采用控制算法據電路參數計算出逆變器應產生的諧波電壓。將諧波電壓瞬時值送至DSP脈沖發生器，讓脈沖發生器根據諧波電壓瞬時值采用SPWM算法決定逆變器開關元件的動作。脈沖發生器根據電壓瞬時值進行SPWM脈沖計算以產生驅動脈沖。

　　下面分別介紹控制器的各項功能。

　　3.1 控制算法

　　本系統的控制算法由諧波和無功電流的檢測及電流跟蹤控制兩部分組成。其中諧波和無功電流的計算是基于三相電路瞬時無功功率理論[3]，如圖3所示。

 

 

 

　　由于本文的有源濾波器要對直流側的電壓進行控制，因此在指令電流中需要包含一定的基波有功分量，以便有源濾波器的直流側與交流側交換能量，調節電容電壓至給定值。

 

　　圖4 所示為電流跟蹤控制框圖。本系統的電流跟蹤控制采用PI控制，輸出控制量通過雙口RAM送至脈沖發生器，脈沖發生器根據得到的波形信息產生觸發脈沖，脈沖經隔離、整形后驅動主電路的IGBT使逆變器輸出相應電壓。補償電流是由逆變器的輸出電壓與交流側電源電壓的差值作用于電感而產生的。

 

　　圖5是用該有源濾波器對三相6脈沖整流負載產生的諧波進行補償的A相數字仿真結果圖，仿真軟件采用PSCAD。由圖可知補償后的系統電流與系統電壓同相位，電流波形得到大大改善，但比較負荷電流和系統電流可知，在負荷電流變化較快瞬間(對應于整流橋的換相)補償效果差一些，這是因為要補償快速變化的電流要求APF產生很高的諧波電壓，這一方面要求有源濾波器有很快的響應速度，另一方面要求直流側產生高壓，這在實際裝置中是較難實現的，因此在負載電流變化非常快時，APF的補償能力較差。有關系統不對稱對APF的影響及其對零序電流的補償等問題仍在進一步的研究中。圖6為A相系統電流的諧波分析，負載電流的諧波總畸變率THD為20.1[%]，補償后的系統電流總畸變率為9.4[%]，5、7、9、11次諧波電流的含有率均小于5[%]。

 

　　3.2 數據采樣與處理

　　該DSP 處理器對負荷側的三相電流、電壓信號以及有源濾波器輸出的電流信號進行同步采樣，然后進行數據處理。根據負荷側的電流與電壓值計算出瞬時有功、瞬時無功功率，再經過諧波檢測與分離算法計算出補償電流的參考值，該值與有源濾波器實際補償電流的差值通過PI控制環節得到相應的控制信號。

　　3.3 控制器的高層保護與復位功能

　　一旦有源濾波器過流或者過壓，保護裝置動作將IGBT封鎖使有源濾波器處于封鎖狀態。此時控制器將根據系統狀態和有源濾波器本身的狀態進行判斷，如果二者均恢復正常則控制器會選擇適當的時機對有源濾波器進行復位，使其恢復到正常運行狀態[2]。

　　4 高精度脈沖發生器

　　過去基于單片機的脈寬調制的實現方案中，由于處理器的指令執行時間較長，而難以保證脈沖精度，且受相位抖動的影響也較顯著[4]。數字信號處理器快速的運算能力使得我們有可能采用微處理器結構實現高精度的脈沖發生器，該方法修改脈沖發生部分的程序即可產生各種類型的PWM脈沖，簡單靈活，有較好的通用性[5]。

　　4.1 變流器脈沖信號之間的關系

　　圖7(a)、7(b)是基于IGBT的單相橋電壓型逆變器的結構圖和工作原理示意圖。假定圖中半導體開關為理想開關，則同一橋臂的兩個開關的導通與關斷是互補的(因為同一橋臂的兩個開關不能同時導通，否則將會因橋臂直通而導致直流電源短路)。假定上部開關(圖(a)中的SL和SR)導通而下部開關(圖(a)中的SL′和SR′)關斷時開關狀態為1，反之為0。如果任一時刻都有兩只管子導通，則單相橋IGBT開關狀態的可能組合只有10和01兩種，輸出電壓分別對應+Ed和-Ed。

 

　　這樣，利用一個6位的狀態字即可表征三單相全橋逆變器的輸出電壓，如100110B表示此時輸出電壓為A相+Ed，B相-Ed，C相+Ed。

　　4.2 脈沖發生器軟、硬件體系結構與實現

　　本系統采用SPWM方式將載波與參考波的幅值進行比較，根據比較結果確定輸出開關的狀態。本有源濾波器系統的設計目標是消除25次(1.25 kHz)以下的諧波，即參考波的最高頻率為1.25kHz。由采樣定理可知采樣頻率必須大于或等于原信號頻率的2倍才能保持原信號的全部信息，因此本系統中載波(三角波)的最低頻率應該是2.5 kHz。考慮到提高調制波的頻率使功率元件的開關頻率提高，損耗變大，因而本系統中三角波的頻率采用2.5kHz。由于采用數字離散化方式比較載波和參考波，因而兩個信號的抽樣頻率越高誤差就越小。考慮數字信號處理器的實時處理能力，本系統采用每隔0.3°比較一次的方法，即抽樣頻率為60 kHz。由于周期三角波頻率為2.5kHz，所以只需要24點幅值信息即可以滿足要求。在實際應用時，程序中構造兩張表，一張為24點的調制三角波幅值表，另一張為參考波幅值表，即0°～360°之間間隔0.3°共1200點的參考波幅值，參考波幅值由另外一個控制芯片提供，通過雙口RAM提供本系統數字接口。

 

　　脈沖發生器的硬件結構如圖8。圖中的控制器由另外一個DSP芯片(TMS320C31)實現，輸出的控制變量為逆變器輸出電壓的參考值，兩個DSP芯片之間通過雙口RAM交換數據。同步信號發生電路完成對電網電壓信號的濾波和整形處理，在正弦信號的每個負向過零點產生向DSP 申請外部中斷的窄脈沖。載波值表存儲于片內RAM上，每個中斷周期進行刷新變址寄存器中的數值來更新當前所指表中數據的位置，以便和雙口RAM中的參考波的幅值進行比較。定時器0由外部同步脈沖觸發并將角度信息值轉化為相應的時鐘周期數加載到定時器1以及串口計數器的周期計數器中，用于觸發計數器1和串口中斷程序。

　　與硬件結構相應的軟件結構如圖9。系統初始化包括寫控制字、變量賦值、確定存儲地址等。在外部中斷服務程序中啟動定時器O，即執行系統的主程序。以連續兩個負向過零點之間的時間間隔為周期計算出同步信號的頻率，并將其轉化為相應的時鐘周期數。定時器中斷程序主要用來保持觸發脈沖的同步和初始化查表用的變址寄存器，并保存上一次的角度信息。串口中斷程序用來比較參考波與調制波的幅值大小，每次用于比較的參考波為三相幅值，根據比較結果來確定發出的狀態字相應位是1還是0。由于主電路采用三單相橋結構需要6路觸發脈沖，因此狀態字為6位，根據比較結果實時刷新狀態字，狀態字經輸出鎖存器鎖存后即形成連續脈沖。

　　4.3 試驗結果

　　圖10為利用FLUKE 41B型諧波分析儀實測的調制波為基波正弦疊加11及13次諧波時的A相PWM脈沖的諧波分析圖，其中11及13次諧波的幅值均為基波幅值的1/4。

　　5 結論

　　本文利用了數字信號處理器運算速度快、計算精度高、定時準確的優點設計了基于TMS320C31 DSP的脈沖發生器和控制器。詳細地介紹了有源濾波器控制器的特點、結構、控制方法和主要功能以及脈沖發生器的設計、軟硬件結構和現場試驗結果。現場試驗和數字仿真結果表明，脈沖發生器精度高、穩定性好，控制器的性能符合設計要求。