基于數(shù)字信號處理器TMS320F2812實(shí)現(xiàn)混合型有源電力濾波器的改進(jìn)設(shè)計(jì)

隨著工業(yè)電力電子技術(shù)的發(fā)展，電力系統(tǒng)的諧波抑制和無功補(bǔ)償問題越來越受到人們的廣泛關(guān)注。傳統(tǒng)的諧波抑制手段是在電網(wǎng)中加裝無源電力濾波器PPF（Passive Power Filter），利用電感、電容的諧振特性，在阻抗分流回路中形成低阻抗支路，從而減小非線性負(fù)載向電網(wǎng)注入諧波電流。但無源濾波支路的存在只能對特定次諧波進(jìn)行濾除、易與電網(wǎng)發(fā)生串聯(lián)諧振等缺點(diǎn)，因而逐漸被有源電力濾波器APF（Active Power Filter）所取代［1］。有源電力濾波器雖能克服無源電力濾波器存在的缺陷，但其安裝容量受開關(guān)器件容量的限制，當(dāng)所需處理的諧波和無功電流較大時(shí)，由逆變器實(shí)現(xiàn)的技術(shù)難度和成本都將增加，從而限制了有源電力濾波器在大型供配電系統(tǒng)中的應(yīng)用。

基于無源濾波器和有源濾波器的優(yōu)點(diǎn)，將LC無源濾波器和有源濾波器結(jié)合起來形成一種混合型有源電力濾波器HAPF（Hybrid Active Power Filter），取兩者之長、補(bǔ)其之短，把無功補(bǔ)償和諧波抑制融為一體是一種完美的構(gòu)想。但目前人們所提出的混合型有源電力濾波器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)仍有不足之處。本文即針對目前常見的一種混合型有源電力濾波器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)。

1 主電路結(jié)構(gòu)和原理

1．1 主電路結(jié)構(gòu)

目前常用的一種混合型濾波器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其工作原理可參考文獻(xiàn)［2］。

該電路拓?fù)淇赏ㄟ^控制晶閘管的開通和關(guān)閉來調(diào)整晶閘管投切濾波器TSF（thyristor switched filter）的結(jié)構(gòu)，使得能量較大的低次諧波和無功功率主要由TSF補(bǔ)償，APF主要作用是抑制剩余諧波，并改善TSF的濾波器特性。實(shí)際上，采用如圖1所示的有源電力濾波器，將由于變壓器的耦合作用，使所有的基波無功電流都流過有源電力濾波器。這樣就迫使逆變器所需求的容量大大增加，必然增加逆變器實(shí)現(xiàn)的技術(shù)難度和成本，從而限制了有源電力濾波器在大型供配電系統(tǒng)中的應(yīng)用。

為了進(jìn)一步降低有源電力濾波器的容量，可以在并聯(lián)混合型有源電力濾波器的基礎(chǔ)上結(jié)合它的注入電路方式將主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)加以改進(jìn)，改進(jìn)后的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。它將逆變器的輸出電壓通過變壓器耦合到無源濾波器的3次、5次、7次濾波支路的電感和電容兩端。因?yàn)楦鶕?jù)大量諧波源的頻譜分析可知，諧波源能量主要集中在較低次諧波頻率上，電力系統(tǒng)中諧波電流主要是由5次、7次的諧波濾波器來配置，其次是3次、11次、13次的諧波濾波器［3］，故本文TSF部分的電感和電容參數(shù)的選擇按照無功功率補(bǔ)償?shù)男枰?，?次、5次和7次諧波濾波器來配置，可以組成多級補(bǔ)償狀態(tài)，根據(jù)負(fù)荷無功電流的大小，由晶閘管投切來達(dá)到分級補(bǔ)償?shù)哪康?。這樣，TSF在工頻狀態(tài)時(shí)為無功補(bǔ)償狀態(tài)，全諧振和脫諧時(shí)為濾波狀態(tài)，既可以補(bǔ)償又可以濾除諧波。 圖2中，C31、C32和L3組成的LC濾波支路調(diào)諧在3次諧波頻率，而L3和C32調(diào)諧在基波頻率。這樣，利用L3和C32對基波諧振的特性，使有源電力濾波器既不承受基波電壓也不承受基波電流，從而極大地減小了有源電力濾波器的容量，降低了有源諧波補(bǔ)償系統(tǒng)的投資，提高性能價(jià)格比，達(dá)到APF實(shí)用化的目的。5次和7次諧振支路的補(bǔ)償原理與3次諧振支路相同。

1．2 濾波原理分析

圖2中的并聯(lián)混合型有源電力濾波器的單相等效電路如圖3（a）所示。這里假設(shè)有源電力濾波器是一個(gè)理想的受控電壓源，諧波源被看作一個(gè)電流源IL。圖中，C31、C32和L3分別為無源濾波器3次支路上的電容和電感。圖3（b）為只考慮電網(wǎng)諧波電流分量時(shí)的單相等效電路圖。ZS、ZFC、ZFL、ZL分別為電網(wǎng)阻抗、電容C31的阻抗、C32和L3的串聯(lián)阻抗（呈感性）、5次和7次濾波支路總的等效阻抗（對高次諧波呈感性）。由圖3（b）并根據(jù)基爾霍夫定律可寫出如下方程：

從（6）式可以看出，當(dāng)ILh、USh為定值時(shí)，如果K增大，ISh將減小。當(dāng)K值足夠大時(shí)，大部分負(fù)載諧波將流入無源濾波器，達(dá)到了很好的濾波效果。而且，當(dāng)不考慮系統(tǒng)電壓畸變引起的諧波電流時(shí)，即USh=0時(shí)，從式（7）可以看出，對于ISh而言，圖3（a）和圖3（c）是等效的。由圖3（c）可以看出，這相當(dāng)于在電網(wǎng)支路中串聯(lián)了一個(gè)純電阻K，因此，必然有更多的諧波電流流入無源濾波器。如果K》》|ZFC|，則由負(fù)載產(chǎn)生的諧波電流將流入LC濾波器；如果K》》|Z′S|，則濾波特性由K決定。此外，K還起到阻尼Z′S和ZF并聯(lián)諧振的作用。

2 基于DSP的檢測與控制系統(tǒng)

2.1 諧波及無功電流的檢測

一般電網(wǎng)電流的組成可描述如下：