摘要：本文首先介紹了有源電力濾波器(APF)的拓撲結(jié)構(gòu)，選擇了三相三線制并聯(lián)型結(jié)構(gòu)為研究對象，構(gòu)建了數(shù)學(xué)模型并對其工作原理作了闡述。準確的無功和諧波電流檢測是實現(xiàn)有源濾波功能的前提，本文介紹了相關(guān)的電流檢測方法，對基于無功功率理論和同步坐標變換理論的檢測法進行了詳細的推導(dǎo)并利用數(shù)學(xué)變換得到一種新的檢測方法。數(shù)字化控制是未來有源濾波技術(shù)發(fā)展的趨勢之一，因而本文以MC56F8346為核心設(shè)計了對整個電力有源濾波系統(tǒng)進行了軟、硬件設(shè)計。分別對主要環(huán)節(jié)搭建了硬件測試電路，進行了實驗研究。結(jié)合控制系統(tǒng)軟件流程，編制了諧波電流檢測、SVPWM等主要中斷程序。最后在MATLAB/Simulink環(huán)境下，本文對有源濾波器各部分搭建了仿真模型。對負載電流檢測模塊和補償電流控制模塊實施仿真，且仿真結(jié)果表明搭建的模型符合系統(tǒng)補償無功和抑制諧波的要求，可以實現(xiàn)良好的補償功能。

關(guān)鍵詞：諧波抑制，并聯(lián)電壓型有源電力濾波器，瞬時無功，數(shù)字處理芯片（MC56F8346）

1引言

無論在工業(yè)生產(chǎn)還是日常生活中，電能已經(jīng)成為人類社會應(yīng)用最廣泛的能源，其應(yīng)用程度是衡量一個國家發(fā)展水平的主要標志。隨著科學(xué)的進步，特別是電力電子技術(shù)的發(fā)展，電力電子裝置等非線性負載廣泛地應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域，從而使電能得到了更加充分的利用。然而，由于這些負載的非線性、沖擊性和不平衡用電性給電網(wǎng)造成了嚴重的諧波污染，電力電子裝置已取代變壓器成為電網(wǎng)中主要的諧波源。總體而言，無功電流和諧波電流的注入使電網(wǎng)的安全運行和電氣設(shè)備的正常使用受到威脅。與此同時，現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和民用用戶的用電設(shè)備對電能質(zhì)量非常敏感，要求獲得較高的供電質(zhì)量。另外，無功補償和諧波抑制的意義，更可以上升到從治理環(huán)境污染、保護綠色環(huán)境的角度來認識?？梢哉f，對無功與諧波電流進行補償和抑制越來越受到人們重視，研究電力變換裝置對電網(wǎng)諧波和功率因數(shù)影響有著十分重要的意義，因而已成為電力電子技術(shù)、電力系統(tǒng)等領(lǐng)域中的熱點課題。為解決這一問題，國內(nèi)外學(xué)者提出了多種辦法，而從目前的研究和使用情況來看，利用有源電力濾波器(APF)對無功電流和諧波電流進行補償與抑制是一種可行的方法也是今后一個重要的發(fā)展趨勢。

2APF的基本結(jié)構(gòu)

APF主要有兩個部分組成：主電路和控制電路。APF結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

當電網(wǎng)向直流側(cè)儲能元件充電時，APF的主電路作為整流器工作；當產(chǎn)生補償電流時，主電路作為逆變器工作。控制電路主要實現(xiàn)計算無功和諧波指令電流、生成脈沖控制信號以及產(chǎn)生補償電流。指令電流運算電路完成對負載電流的檢測，即主要根據(jù)相關(guān)的檢測理論從補償對象的電流中分離出需要補償?shù)臒o功和諧波電流分量；補償電流發(fā)生電路的作用則是以由指令電流運算電路得到的補償電流作為參考信號，通過一定的控制方式，產(chǎn)生驅(qū)動電力電子器件工作的脈沖信號

使器件導(dǎo)通或截止從而控制主電路生成實際的補償電流。

圖1APF結(jié)構(gòu)框圖

3電壓型有源濾波器原理

有源電力濾波器的主電路有兩種類型,即電流型PWM逆變電路和電壓型PWM逆變電路。它的作用是產(chǎn)生非正弦電流來補償非線性負荷產(chǎn)生的諧波電流。電流型有源電力濾波器雖具有較高的可靠性，但卻有較高的損耗并且在交流側(cè)需要并聯(lián)體積較大的電感，因此在一般場合下使用較少。電壓型PWM變流器在它的直流側(cè)有一個大電容，由于其輕便且特性較好，所以應(yīng)用較為廣泛。本文采用的電壓型結(jié)構(gòu)，其原理如圖2所示。

圖2并聯(lián)型APF系統(tǒng)原理圖

電路中非線性負載的存在導(dǎo)致電源電流波形發(fā)生畸變，使得負載電流中包含無功電流分量和諧波電流分量。APF的無功和諧波電流檢測部分對負載電流iL進行檢測，檢測到無功電流分量iLfq和諧波電流分量Lhi，將兩者作為控制生成補償電流的指令信號ic*，經(jīng)過恰當?shù)目刂坪笥葾PF補償發(fā)生電路產(chǎn)生與指令電流信號大小相等方向相反的補償電流ic，將其注入到電路中抵消無功和諧波電流分量從而使電源電流is中只含有基波分量iLf。

4并聯(lián)型APF的數(shù)學(xué)模型

對每個橋臂來說，上下兩個開關(guān)器件不能同時導(dǎo)通，因此只存在兩種狀態(tài)，即上橋臂導(dǎo)通，下橋臂關(guān)斷；上橋臂關(guān)斷，下橋臂導(dǎo)通。以圖3所示的APF結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，建立數(shù)學(xué)模型如下：

圖3三相三線制并聯(lián)型APF結(jié)構(gòu)圖

得到并聯(lián)型APF的數(shù)學(xué)模型為：

4瞬時無功理論的諧波檢測算法

基于Akagi三相瞬時無功理論的檢測方法，這一檢測方法在有源電力濾波器的發(fā)展過程中起到了巨大的推動作用，是目前APF中應(yīng)用最廣的一種檢測方法。該方法將三相電氣矢量變換到α、β坐標，并重新定義瞬時有功、瞬時無功等，再將這些功率逆變?yōu)槿嘌a償電流。當電源電壓和負載電流均畸變時，ip、iq運算方式仍能準確檢測出諧波電流，而p、q運算方式就存在誤差。當三相電壓或三相電流不對稱時，直接應(yīng)用ip、iq運算方式或p、q運算方式都存在檢測誤差。α-β坐標系下的電壓和電流矢量如圖4所示。

圖4α-β坐標系下的電壓和電流矢量

5基于同步坐標變換理論的電流檢測方法

同步坐標變換的方法常用于簡化電機的數(shù)學(xué)模型中，將靜止坐標系下旋轉(zhuǎn)變化的量變換為旋轉(zhuǎn)坐標系下靜止的量，從而方便模型的分析和控制。同樣的，可以將這一方法應(yīng)用于APF中負載電流的檢測，而且這種方法還適用于三相電壓畸變或不對稱的情況。經(jīng)過d-q變換后得到：

變換后在d軸和q軸上的電流的正序和負序分量的形式可知，原電流第n次正序分量變換后成為第n－1次正序分量，原電流第n次負序分量變換后成為第n+1次負序分量；原電流基波正序分量變換后成為直流量，最低次諧波正序分量的頻率兩倍于工頻。通過低通濾波器后即可得到基波正序分量，進而可分離出無功和諧波電流分量。該檢測方式的原理如圖5所示。

圖5d-q運算方式原理圖

針對補償電流的控制，本文采用電壓跟蹤控制方法實現(xiàn)。

電壓空間矢量控制是電壓跟蹤控制的一種方法?？臻g矢量控制最初僅僅應(yīng)用于電機控制的場合，是基于電機磁場理論而出現(xiàn)的一種控制策略。這種方法基本思想在于把三相電路作為一個整體來考慮，將三相電壓狀態(tài)轉(zhuǎn)換成兩相電壓矢量，使空間旋轉(zhuǎn)矢量由有限的靜止矢量來合成和跟蹤。將該法從電機控制領(lǐng)域進行拓展，不考慮電機控制中的物理概念，這就使其發(fā)展成為一種能普遍使用的PWM技術(shù)。同樣的，空間矢量控制也適用APF的控制。對并聯(lián)型APF來說，該法的特點包括：開關(guān)頻率可以固定，采用合理的矢量控制順序可以降低開關(guān)損耗，能夠提高直流電壓的使用率，具有較好的實時性，易于實現(xiàn)數(shù)字化控制。

6系統(tǒng)硬件電路

并聯(lián)型APF包括主電路和控制電路兩大部分。主電路與非線性負載并聯(lián)在電源上，用來提供補償電流；控制電路主要包括信號采集與調(diào)理電路、DSP控制電路以及驅(qū)動控制電路，作用是通過一系列的控制產(chǎn)生驅(qū)動主電路功率器件工作的PWM脈沖信號。指令電流的運算及補償電流的跟蹤控制均在DSP中實現(xiàn)。本文采用三相三線制電壓源形式的主電路結(jié)構(gòu)。

在設(shè)計三相三線制APF時要根據(jù)裝置的容量、電壓和電流等級，選擇合理的開關(guān)器件及合適的變流器輸出電壓等級。由于APF與非線性負載并聯(lián)連接，故與負載所接的交流電壓是近似一致的，如果只需要補償諧波，則要求濾波器的補償電流與負載電流的諧波分量大小相等方向相反，在這種情況下，可以認為濾波器的容量取決于負載電流中諧波電流的大小。

本文設(shè)計選用智能功率模塊(IPM)。它把功率開關(guān)器件、驅(qū)動電路、故障檢測和保護電路等集成在一起，且可以將檢測信號送到DSP中作中斷處理。APF的容量為8KVA，交流側(cè)線電壓取400V，APF的補償電流為12A。

6.1主電路直流側(cè)電壓的控制

對直流側(cè)電容電壓的控制只要通過對主電路瞬時有功電流的控制即可實現(xiàn)。對APF來說，直流側(cè)電壓至關(guān)重要，因為其大小直接影響濾波器補償電流的跟蹤能力。電壓越高，補償電流的變化率越大，變化越快，跟蹤性能越好，從這一角度來說，應(yīng)使電壓盡量大，但是考慮到電容容量和耐壓要求，又需要使電壓盡量小。因此，設(shè)計時考慮在滿足容量和耐壓要求的前提下采用較大的直流側(cè)電壓。

6.2主電路電感和電容的選擇

電感的選擇需折衷考慮。選擇電感時，需要考慮兩方面的因素：一方面，應(yīng)使補償電流的變化率大于指令電流變化率的最大可能值，以便保證跟蹤性能及滿足不同非線性負載的要求。另一方面，應(yīng)為電感設(shè)置一個下限范圍，以便滿足對補償電流紋波的要求。電感選取采用的計算公式為：

其中，i*cmax為無功和諧波指令電流的最大值，通常情況下為負載電流的70%；

tc為一個周期內(nèi)的采樣間隔；λ是系數(shù)取0.3~0.4。在補償無功和諧波電流時，若取三相整流橋的最大觸發(fā)角為30°，根據(jù)得到的Ic=12A，則負載電流為IL=43.2A,i*cmax=30.2A，當采樣頻率為12.8kHz時，采樣周期為tc=78.1μs，Udc≥3Um=1000V，得到L=3mL。

主電路直流側(cè)電容的作用在于：變流器工作在整流狀態(tài)時，電容做儲能元件；變流器做逆變器運行時，電容可以提供穩(wěn)定的直流電壓，緩沖由于交流側(cè)電感儲能及高次諧波造成的能量脈動。為防止直流電壓的波動，應(yīng)使電容盡量大，還需要考慮諧波引起的電容電壓波動。計算時采用如下公式：

其中，I-m是補償電流中負序電流分量峰值，一般取補償電流值的60%；ε是直流側(cè)電壓的脈動率，常取0.01；ω是電網(wǎng)基波角頻率。將各數(shù)據(jù)代入上式，得到C=1000μF。

7控制電路設(shè)計

控制系統(tǒng)是實現(xiàn)無功補償和諧波抑制的核心部分。控制部分的結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。

圖6APF控制部分結(jié)構(gòu)框圖

控制電路需完成無功與諧波指令電流計算以及產(chǎn)生SVPWM所需的控制信號，通過檢測非線性負載電流計算得到指令運算電流，經(jīng)過控制運算產(chǎn)生SVPWM控制信號，驅(qū)動開關(guān)器件動作實現(xiàn)對濾波器的通斷控制從而生成相應(yīng)的補償電流，用以消除線路中無功諧波分量?？刂撇糠种饕ǎ篋SP控制芯片、輸入信號的檢測與調(diào)理電路、電壓同步過零信號產(chǎn)生電路。

利用MC56F8346進行控制數(shù)據(jù)采集，從網(wǎng)側(cè)電流和負載側(cè)電壓中實時的分離出諧波分量，控制PWM變流器產(chǎn)生與諧波電流大小相等方向相反的電流注入系統(tǒng)中，來抵消系統(tǒng)的諧波電流，達到消除諧波的目的。為了提高補償效果，控制周期要盡可能的小，采用MC56F8346高運算速度的MCU。

7.1鎖相環(huán)及倍頻電路

鎖相環(huán)及倍頻電路可以解決不易準確控制采樣周期的問題，對于電網(wǎng)頻率能實時動態(tài)調(diào)整采樣時間?？梢詫相電壓信號128倍頻，倍頻后的信號接入DSP的外部中斷XINT1引腳，在中斷程序中進行查表，從而實現(xiàn)了正弦表的準確定位。

鎖相的意義是相位同步的自動控制，能夠完成兩個電信號相位同步的自動控制閉環(huán)系統(tǒng)叫做鎖相環(huán)，簡稱PLL。它廣泛應(yīng)用于廣播通信、頻率合成、自動控制及時鐘同步等技術(shù)領(lǐng)域。鎖相環(huán)主要由相位比較器（PC）、壓控振蕩器（VCO）。低通濾波器三部分組成，如圖7所示。

圖7鎖相環(huán)原理框圖

本文采用典型MC4046作為鎖相環(huán)芯片和12位二進制計數(shù)器MC4040來實現(xiàn)對工頻方波的倍頻，電路如圖8所示，C1，R1，C2，R2一起組成外部振蕩電路，MC4046的輸出作為MC4040的輸入，通過MC4040的7分頻，反饋給MC4046，當鎖相完成后，MC4046第4的輸出信號頻率為第14腳輸入信號頻率的128倍，即實現(xiàn)了倍頻功能。

圖8鎖相環(huán)及倍頻電路圖

7.2電壓過零比較電路

過零信號產(chǎn)生電路如圖9所示。A相電網(wǎng)電壓相對于芯片來說過高，不能直接采用，需要進行處理?？上韧ㄟ^降壓變壓器將其降為電壓值較小的信號，將該信號經(jīng)過由運放和電阻構(gòu)成的過零比較電路得到一個方波信號，再通過與門和二極管得到符合MC56F8346要求的較理想的電壓同步過零的方波信號。與門的作用是將電平不理想的方波信號轉(zhuǎn)變?yōu)槔硐胄盘?；二極管則是保證方波信號的高電平值滿足MC56F8346的要求。

圖9電壓過零比較電路

7.3信號采集和調(diào)理電路

本文采用霍爾傳感器對電流和電壓信號進行采集。MC56F8346本身設(shè)置了能夠?qū)⑼獠磕M信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號的ADC模塊，簡化了外部硬件電路的設(shè)計。由于MC56F8346內(nèi)的ADC模塊參考電壓為3.3V，并且只能處理正的模擬信號，而經(jīng)霍爾傳感器采集后的信號有正有負，所以模擬信號在被送入MC56F8346之前必須做相應(yīng)的處理以便能達到MC56F8346的要求。信號處理的過程通過調(diào)理電路完成。信號調(diào)理電路，主要負責(zé)電流、電壓等模擬信號的轉(zhuǎn)換等處理。

交流電流及電壓信號的調(diào)理電路如圖10所示。通過霍爾傳感器采集到的電壓或電流信號經(jīng)電阻的采樣后轉(zhuǎn)化為與原信號成比例的電壓信號，然后將其送入到低通濾波器濾除高頻成分，再經(jīng)過電平偏移電路將雙極性信號轉(zhuǎn)化為單極性信號，通過二級管的限幅作用確保信號電壓符合MC56F8346的要求，最終將其送入DSP的ADC模塊。

圖10信號調(diào)理電路

8DSP控制

本文采用基于飛思卡爾公司生產(chǎn)的MC56F8346型DSP芯片是基于56800E內(nèi)核的16位混合控制器，具有單片機MCU和數(shù)字信號處理器DSP的功能，片內(nèi)資源豐富，使用成本低，處理速度快，功能強大，簡化了外圍硬件電路的設(shè)計。

DSP控制部分主要完成：通過ADC模塊對采集到的電流和電壓信號進行A/D轉(zhuǎn)化；根據(jù)基于同步坐標變換的d-q法，檢測出負載電流中的無功成分和諧波成分，將其作為指令運算電流；采用PI控制方法控制主電路直流側(cè)電容電壓使其基本維持在一個恒定的值；采用空間矢量的控制方法生成PWM信號，驅(qū)動主電路功率器件工作從而產(chǎn)生補償電流。

9APF系統(tǒng)仿真與分析

為了驗證有源電力濾波器濾波效果控制策略的可行性，應(yīng)用MATLAB仿真軟件建立了有源電力濾波器的數(shù)學(xué)模型，對有源濾波器的控制策略算法和系統(tǒng)參數(shù)進行了仿真研究。由于實際試驗系統(tǒng)采用全數(shù)字化控制，因此，仿真模型也進行了離散化處理。

一般來說時域檢測方法響應(yīng)速度快，同時也可以實現(xiàn)選擇性諧波檢測方法(此種檢測方法會耗費很多的計算時間進行dq0變換，即5次，7次等等，因此并不適用)，目前大部分采用瞬時無功理論來進行諧波檢測。而頻域檢測具有同時適用于單相和三相系統(tǒng)，雖然具有較大的時間延遲，但對周期性負載諧波檢測具有較大優(yōu)勢，同時可以較好的檢測特定諧波，靈活性較大。在本仿真中，我們采用離散傅立葉變換（DFT）來進行諧波檢測。如圖11所示。

圖11三相非線性平衡負載仿真波形

圖12是利用任意指定次數(shù)諧波檢測算法檢測檢測總諧波電流后進行完全補償。第一個是補償前電流波形，第二個是總諧波電流波形，第三個是用SVPWM跟蹤補償后波形。由圖可以看出，補償后電流波形基本為正弦波，且在一個半周期后基本穩(wěn)定，補償效果滿足要求。

圖12總諧波電流進行跟蹤補償結(jié)果

從仿真結(jié)果可以看出,經(jīng)過濾波之后的相電壓在幅值和相位上都很好地跟蹤了原始的參考電壓波形。結(jié)果表明,該算法能精確的跟蹤輸入信號，可以產(chǎn)生同樣波形的信號，跟蹤精度高，動態(tài)性能好。

10結(jié)束語

電力電子變換裝置的大規(guī)模應(yīng)用在增加電網(wǎng)諧波污染的同時消耗了大量的無功功率，這些裝置降低了電網(wǎng)的利用效率和電能質(zhì)量，需要對其進行治理。APF正是在此基礎(chǔ)上對無功補償和諧波抑制進行了綜合研究。

本文選擇并聯(lián)型APF作為研究載體，對負載電流的實時和準確地檢測是實現(xiàn)有源濾波功能的關(guān)鍵之一。本文在介紹無功和諧波電流檢測的各種方法基礎(chǔ)上，分析了基于瞬時無功功率理論和同步坐標變換理論設(shè)計采用了d-q的運算方式進行相應(yīng)仿真，仿真結(jié)果驗證了其可行性?？刂撇糠謩t以飛思卡爾公司的MC56f8346DSP為核心進行設(shè)計，還包括電壓過零信號和采樣信號產(chǎn)生、電壓和電流信號的采集與調(diào)理設(shè)計。最后在MATLAB/Simulink環(huán)境下實現(xiàn)了整個系統(tǒng)的仿真。

作者簡介

王磊（1984-）女碩士研究生，現(xiàn)任職于哈爾濱九洲電氣股份有限公司，中級工程師，主要從事電站直流系統(tǒng)、電網(wǎng)智能系統(tǒng)設(shè)計、一體化電源設(shè)計與研發(fā)工作。

周家琪（1983-）男碩士研究生，現(xiàn)任職于哈爾濱九洲電氣股份有限公司，中級工程師，主要從事新能源發(fā)電技術(shù)和無功功率補償技術(shù)的研發(fā)工作。