单相有源电力滤波器控制系统

【摘 要】现代电力电子技术的飞速发展在为用户提供高质量电能的同时,其大量的电力电子装置所产生的谐波污染对电网及其它设备造成了很大的危害.所以,对谐波问题进行更为有效的研究和滤波显得尤为重要.与此同时,有源电力滤波器凭借其优点已逐步取代传统的无源滤波器.

【关键字】有源滤波器；谐波；FFT

由于工业规模的快速的扩大使得非线性负载的比例大大的增高,使得电流和电压波形发生畸变,对电网造成了严重的污染.另外,现代工业和普通用户的用电设备制作精度较高对供电的稳定性和可靠性的要求更为苛刻和严格.由于现代控制技术的计算机化,负荷对电力质量的波动更为敏感.因此,如何减少对电网的谐波污染,提高电能质量,已成为电力领域内的重要课题.

1电力系统谐波问题

谐波（Harmonics）是指电流中所含有的频率为基波的整数倍的电量,一般是指对周期性的非正弦电量进行傅里叶级数分解,其余大于基波频率的电流产生的电量.谐波的大量产生主要跟非线性和时变类的电子装置的广泛使用有关.由于电力电子器件的开关动作会在电网中产生大量谐波,使电网中的电压波形失真严重.这对公用电网电能质量造成严重的污染,缩短了电子设备的寿命,干扰了其他电子设备的正常运转.所以,怎样抑制供电电网的谐波和无功功率的有效补偿,提高供电质量变得日益紧迫.

2有源滤波器

无源滤波技术的工作原理是通过在谐波源四周安装几个滤波支路来将谐波过滤掉.该装置主要是由电容器、电抗器和电阻器适当组合而成,它不仅可以有效的抑制电网中的谐波,而且能够补偿无功功率,提高电网功率因数.但在通带内,该装置导致信号的能量损失较多,负载效应明显.另外,在和感性设备同时使用时电磁感应很明显,需要的滤波器的体积和重量都很大.而在在低频域不适用.

有源电力滤波器（APF）基于对补偿的对象的连接方式分为串联和并联型两种,在实际的应用中并行模式具有明显的优势.该系统由指令运算电路和补偿电流发生电路两部分组成.前者的主要任务是对电路中的谐波的大小和无功功率的大小进行检测.补偿电路则是根据指令电流的大小经过电路的数学运算,向实际的电路中发出相应的补偿电流.主电路均采用PWM变流器.

当产生补偿电流时主电路的PWM变换器为逆变器.为了使直流侧电压基本稳定,需要电网提供有功电流,当电网对直流侧的电容充电时,主电路的PWM工作在整流状态.换言之,PWM即可以在作为整流器,又可以在作为逆变器.

如图1并联型有源滤波器的系统结构,其工作过程是：首先由检测模块检测补偿对象的谐波的电压和电流的大小,将检测到的信号输入到指令运算电路中去,然后,指令运算电路根据检测信号的大小计算出需要补偿电流大小,最后由主电路将补偿电流的信号根据相应的数学关系放大到补偿对象需要的大小,将补偿电流输入到对象中,减小谐波和无功电流对电网的影响,最后稳定电压和电流的大小.

图1并联型有源滤波器的系统结构

3谐波电流检测方法

快速傅立叶变换FFT由于其在信号特性提取方面有其独特的优势被广泛的应用.其谐波检测原理是：先将模拟信号通过模数转换器将其离散化,转换为数字量,再经快速傅立叶变换（FFT）进行处理,得到各种谐波幅值和相位系数,信号经过低通滤波器的处理就可以提取出所需要的信号.最后,对低通滤波器的信号作快速傅里叶反变换就可得补偿电流信号.快速傅里叶算法是一种比较成熟的信号特征提取方法,可以快速检测出各种谐波.

4控制系统软件设计

该控制系统主要由系统的主程序和中断处理程序组成.主程序的主要作用是对系统进行初始化包括对各寄存器、全局变量初始化等等,首先要对所有的中断标志位清零,禁止所有中断,然后对各个模块进行初始化,下一步是封锁PWM脉冲,随后系统将开放所有的中断等待发出的中断信号.

中断系统是软件系统的核心,对谐波信号的采集和分析都是在中断程序中进行,在中断程序中,首先要读取信号传感器提取的数字信号,并计算出谐波电流,本文选用的是瞬时值比较的方式来计算PWM脉冲,在计算出PWM的值后,通过改变与事件相关的寄存器的值来输出PWM脉冲,最后通过脉冲来把数据发送到主程序中,计算出结果.

5结论

综上所述,单相有源电力滤波器采用了先进的DSP信号处理系统能对谐波电流、电压信号有较高的采集精度,同时所采用的快速傅里叶算法可以很好的提取采集的信号的特征值.该系统是消除电网谐波,提高电网电能质量的一个非常有效的电力电子装置,具有较大的发展前景和市场需求.

注：项目支撑：广东电网公司茂名供电局项目项目编号：JG2014-0734

项目名称：小水电流域群多点计算技术的自适应式配电线路重合闸关键技术研究及应用