基于DSP的混合型有源电力滤波器的设计方法

　　滤波器是一种选频装置，可以使信号中特定的频率成分通过，而极大地衰减其它频率成分。在测试装置中，利用滤波器的这种选频作用，可以滤除干扰噪声或进行频谱分析。广义地讲，任何一种信息传输的通道（媒质）都可视为是一种滤波器。因为，任何装置的响应特性都是激励频率的函数，都可用频域函数描述其传输特性。因此，构成测试系统的任何一个环节，诸如机械系统、电气网络、仪器仪表甚至连接导线等等，都将在一定频率范围内，按其频域特性，对所通过的信号进行变换与处理。

　　随着电力电子技术的迅猛发展，电力系统中非线性负荷大量增加，各种非线性和时变性电子装置如逆变器、整流器及各种开关电源的应用越来越广泛，由此带来的谐波和无功问题日益严重。采用电力滤波装置就近吸收非线性负载所产生的谐波和无功电流，是抑制谐波和无功污染的有效措施。目前大量采用并聪型无源电力滤波器（PPF）来抑制谐波，PPF具有投资少、效率高、结构简单、运行可靠及维护方便等优点，但是其本身固有的缺陷限制了其发展。与PPF相比，有源电力滤波器（APF）具有高度的可控性和快速响应性，其特点是不仅能够补偿各次谐波，还可以抑制闪变、补偿无功；不受系统阻抗特性的影响，可消除与系统阻抗发生并联谐振的危险；具有自适应能力，可自动跟踪补偿变化着的谐波。

　　基于无源滤波器和有源滤波器的优点，将LC无源滤波器和有源滤波器结合起来形成一种混合型有源电力滤波器HAPF（Hybrid Active Power Filter），取两者之长、补其之短，把无功补偿和谐波抑制融为一体是一种完美的构想。但目前人们所提出的混合型有源电力滤波器的拓扑结构仍有不足之处。本文即针对目前常见的一种混合型有源电力滤波器结构进行了改进。

　　1 主电路结构和原理

　　1.1 主电路结构

　　目前常用的一种混合型滤波器的结构如图1所示。

　　该电路拓扑可通过控制晶闸管的开通和关闭来调整晶闸管投切滤波器TSF（thyristor switched filter）的结构，使得能量较大的低次谐波和无功功率主要由TSF补偿，APF主要作用是抑制剩余谐波，并改善TSF的滤波器特性。实际上，采用如图1所示的有源电力滤波器，将由于变压器的耦合作用，使所有的基波无功电流都流过有源电力滤波器。这样就迫使逆变器所需求的容量大大增加，必然增加逆变器实现的技术难度和成本，从而限制了有源电力滤波器在大型供配电系统中的应用。

　　为了进一步降低有源电力滤波器的容量，可以在并联混合型有源电力滤波器的基础上结合它的注入电路方式将主电路的拓扑结构加以改进，改进后的系统结构如图2所示。它将逆变器的输出电压通过变压器耦合到无源滤波器的3次、5次、7次滤波支路的电感和电容两端。本文TSF部分的电感和电容参数的选择按照无功功率补偿的需要，以3次、5次和7次谐波滤波器来配置，可以组成多级补偿状态，根据负荷无功电流的大小，由晶闸管投切来达到分级补偿的目的。这样，TSF在工频状态时为无功补偿状态，全谐振和脱谐时为滤波状态，既可以补偿又可以滤除谐波。 图2中，C31、C32和L3组成的LC滤波支路调谐在3次谐波频率，而L3和C32调谐在基波频率。这样，利用L3和C32对基波谐振的特性，使有源电力滤波器既不承受基波电压也不承受基波电流，从而极大地减小了有源电力滤波器的容量，降低了有源谐波补偿系统的投资，提高性能价格比，达到APF实用化的目的。5次和7次谐振支路的补偿原理与3次谐振支路相同。

　　1.2 滤波原理分析

　　图2中的并联混合型有源电力滤波器的单相等效电路如图3（a）所示。这里假设有源电力滤波器是一个理想的受控电压源，谐波源被看作一个电流源IL。图中，C31、C32和L3分别为无源滤波器3次支路上的电容和电感。图3（b）为只考虑电网谐波电流分量时的单相等效电路图。ZS、ZFC、ZFL、ZL分别为电网阻抗、电容C31的阻抗、C32和L3的串联阻抗（呈感性）、5次和7次滤波支路总的等效阻抗（对高次谐波呈感性）。由图3（b）并根据基尔霍夫定律可写出如下方程：

　　从（6）式可以看出，当ILh、USh为定值时，如果K增大，ISh将减小。当K值足够大时，大部分负载谐波将流入无源滤波器，达到了很好的滤波效果。而且，当不考虑系统电压畸变引起的谐波电流时，即USh=0时，从式（7）可以看出，对于ISh而言，图3（a）和图3（c）是等效的。由图3（c）可以看出，这相当于在电网支路中串联了一个纯电阻K，因此，必然有更多的谐波电流流入无源滤波器。如果K》|ZFC|，则由负载产生的谐波电流将流入LC滤波器；如果K》|Z′S|，则滤波特性由K决定。此外，K还起到阻尼Z′S和ZF并联谐振的作用。

　　2 基于DSP的检测与控制系统

　　2.1 谐波及无功电流的检测

　　一般电网电流的组成可描述如下：

　　式中，ispf为瞬时基波有功电流；isqf为瞬时基波无功电流；ish为瞬时总谐波电流。除ispf外，isqf和ish应设法消除。如果能检测出is和ispf，则isqf与ish之和可以由isqf+ish=is-ispf算出。

　　按照瞬时无功功率理论，ip、iq和三相电流ia、ib、ic有如下关系：

　　经低通滤波器后得到基波电流ipf、iqf，经过逆运算得出三相基波电流iaf、ibf、icf：

　　再与ia，ib，ic相减，即可得到谐波电流iah、ibh、ich。其算法原理如图4所示。

　　图中，

　　同时检测出谐波和无功时，只需断开图4中计算iq的通道即可。这样，由ipf就可计算出iapf、ibpf、icpf，进而计算出ia、ib、ic的谐波分量和基波无功分量之和iad、ibd、icd。

　　2.2 控制系统的硬件组成及原理

　　该混合型有源电力滤波器的检测控制部分硬件主要由以下几部分组成：（1）电流电压采样电路；（2）带通滤波器；（3）过零比较中断发生部分；（4）DSP计算控制器。其原理图如图5所示。

　　将由电流电压采样电路采集得到的信号输入带通滤波器以滤除检测电流电压时出现的噪声和畸变。带通滤波器的输出分为两路，一路经A/D转换后送入数字信号处理器DSP进行FFT分析，然后存储到一片公用的RAM中，再分析计算控制对象的谐波和无功情况并产生控制信号；另一路则送入过零比较中断发生电路，该电路用来每间隔60°产生一个中断信号。每来一个中断，公共连接点处的电压电流就被检测，这样就满足了控制系统实时性的要求。DSP的输出控制TSF和APF的动作。

　　2.3 控制系统软件设计

　　控制系统软件设计图如图6所示。

　　3  仿真实验结果

　　在MATLAB/SIMULINK中利用Power Systems工具箱并结合S-Function等模块构建仿真模型对上述设计进行了仿真实验。仿真所得a相电流波形如图7所示。图7（a）是未投入滤波器时网侧电流波形，从图中可以看出波形畸变严重；图7（b）是只投入TSF后的网侧电流波形，从图中可以看出谐波明显减少，但仍存在少量畸变，滤波效果不佳；图7（c）是有源滤波器输出的补偿电流波形；图7（d）是同时投入TSF和APF后的网侧电流波形，由图可以看出，此时网侧电流波形已经接近于正弦波，取得了良好的补偿效果。

　　本文对目前常见的有源滤波器与无源滤波器串联构成的混合型有源电力滤波器的拓扑结构存在的不足做了改进，详述了改进后的滤波器的工作原理。并针对文中的设计思想构建了仿真模型，仿真实验结果证明，改进后的滤波器具有更好的滤波性能、有源部分承受的容量大大减小，适于用在大型供、配电系统中，具有良好的工程推广价值。

  

参考文献:

[1]. TSF datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/TSF_1174962.html.