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基于DSP实现的有源电力滤波器简单控制方法

来源：东饰资讯网

第24卷　第3期

2009年5月

内蒙古民族大学学报(自然科学版)

JournalofInnerMongoliaUniversityforNationalities

Vol.24　No.3May2009

基于DSP实现的有源

电力滤波器简单控制方法

陈伟学

(广州本田汽车有限公司,广东广州　510700)

〔摘　要〕针对电压源型有源电力滤波器提出了一种简单的控制方法.该控制方法利用d_q变换将三相交流系统变换到旋转的正交坐标系,在此坐标系下利用PI调节器控制有源电力滤波器的补偿电流,使其跟踪其参考电流.文中给出了理论分析和实验装置设计,并基于DSP2407设计制作了一套三相三线制并联有源滤波器的实验装置.讨论了并联型有源电力滤波器的主要硬件结构和软件设计流程,阐述了新型数字处理技术芯片

TMS320LF2407的功能.仿真和实验结果验证了所提出控制方法的可行性和有效性.

〔关键词〕有源电力滤波器;谐波;d_q变换

〔中图分类号〕TM　　〔文献标识码〕A　　〔文章编号〕1671-0185(2009)03-0301-04

SimpleControlofBasedonShuntActivePowerfilTer

CHENWei-xue

(GuangzhouHondaAatomobileLimitedCompany,Guangzhou510700,China)

Abstract:Thispaperpresentsasimplecontrolmethodbasedonvoltagesourceshuntactivepowerfilter.Bytheabc/dqtransformation,the3-phaseacsystemistransformedintoarotatingorthogonalcoordination,inwhichthePIcon2trollerisusedtoadjusttheinjectedharmoniccurrentsbytheactivepowerfiltertothereferencecurrent.Thepaperiscomposedofthetheoreticalanalysisandsimulatedresults,andbasedonDSP2407devisesasetofexperimentale2quipmentofthethree-phaseshuntactivepowerfilter.ControlandfunctionofthenewtypeDSPTMS320LF2407usedinthepowerfilter,suchasthelogicsoftwarefunctionanditsdesign,arediscussed.Thesimulationandexperi2mentresultshavetestedthefeasibilityandavailabilityofthecontrollingmethod.Keywords:Activepowerfilter;Harmonics;D_qtransformation

1　引言

随着近年来配电网中整流器、变频调速装置、电气化铁路以及各种电力电子设备的增加,导致电网受到了严重的污染,其所引起的谐波问题已经引起了越来越广泛的关注〔1～16〕.有源电力滤波器可以有效补偿谐波,特别是并联电压源型有源电力滤波器,以其优良的电气特性成为研究热点,现阶段对有源电力滤波器研究多集中在谐波检测算法和电流的控制方法〔5～16〕.并联电压源型有源电力滤波器,是通过接入电感将电压源型逆变器并联接入系统.其工作原理是控制电压源型逆变器的输出电压以调节流过接入电感的电流,使其跟踪非线性负载中的谐波和无功电流,以保证系统电流中只含有基波有功电流.

有源电力滤波器的补偿性能取决于所采取的控制方法.根据有源电力滤波器指令电流生成的不同方式可以将其分为:检测负载电流、检测电源电流.基本的控制方式是检测负载电流,计算出其中的谐波和无功电流,反极性后作为逆变器指令电流信号.较常采用的谐波检测方法是建立在瞬时无功理论基础上的id_iq谐波检测方法,即将负载电流变换到旋转的正交

3收稿日期:2009-02-15

作者简介:陈伟学(1973-),男,内蒙古通辽人,工程师,主要从事电气设备方面的研究.

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坐标系,经过滤波器后再反变换到abc坐标系,得到谐波参考电流.有源电力滤波器补偿电流控制常采用的方法有〔7-10〕:滞环比较、三角载波调制和无差拍电流控制.如此建立的控制系统较复杂,稳定性较低.

本文基于三相三线制并联有源电力滤波器提出了一种简单控制方法,该方法是在旋转的正交坐标系中,利用瞬时无功理论调节有源电力滤波器的输出电流.该控制方法将d轴和q轴电流的相互耦合关系和系统电源电压作为扰动信号处理,所以控制系统无需解耦.使用PI调节器直接对其d轴电流和q轴电流控制.该控制方法与传统的控制方法相比,其控制系统简单,其最大的特点是只需要一个d_q变换模块,便可生成控制信号.控制系统的稳定性较高,对系统电压波动有较好的抑制能力.文中给出了详细的理论推导,并通过实验结果验证了所提出控制方法的正确性和有效性.

2　简单电流控制方法

图1所示为三相三线制电压源型并联有源电力滤波器的主电路结构图.图1中isa、isb和isc分别为A相、B相和C相系统电流;ila、ilb和ilc分别为A相、B相和C相非线性负载电流,负载电流中包含基波有功电流、谐波和无功电流.电压源型逆变器通过连接电感Lf并联接入系统.ifa、ifb和ifc分别为A相、B相和C相的补偿电流.通过适当的控制,使补偿电流等于非线性负载中的谐波和无功电流,保证系统电流中只含有基波有功电流.有源电力滤波器直流侧以电容作为储能元件来维持直流电压恒定.由图1所示可知:

vaM=LfvbM=LfvcM=Lf

difadtdifbdtdifcdt

+ea+vNM+eb+vNM+ec+vNM

(1)

式(1)中vaM、vbM和vcM分别为A、B和C相逆变器的输出电压(相对于点M);ea、eb和ec分别为A、B和C相系统的接入电压,假设三相系统对称,即ea+eb+ec=0、

ifa+ifb+ifc=0.

则由式(1)可以得到:

vNM=(vaM+vbM+vcM)/3

(2)

图1　主电路结构图

Figure1　Diagramofthemaincircuit

通过变换矩阵〔1〕T2/3和Tdq可以将三相系统中的变标系变换到旋转坐标系,其表达式分别为:

T2/3=Tdq=

量变换到正交的旋转坐标系中.T2/3为变换矩阵,可以将三相系统变换到正交的静止坐标系,变换矩阵Tdq可以将静止的坐

1　　-1/2　　-1/20　　3/2　　-3/2(4)

(3)

cos(ωt)　　sin(ωt)-sin(ωt)　cos(ωt)xa

=TdqT2/3

xbxc三相电路中的变量通过变换矩阵T2/3和Tdq,存在变换关系式:

xdxq

(5)

其中[xa　xb　xc]′为电路在A、B、C坐标系下的变量,[xd　xq]′为电路在旋转坐标系下的变量,其可以是电压、电流或是逆变器的控制变量.由式(5)可以将式(1)表示的数学关系变换到d_q坐标系,则式(1)可以表示为:

vd=Lfvq=Lf

difddtdifqdt

+Lfωifq+ed

(6)

-Lfωifd+ed

式(6)中ifd、ifq为d_q坐标系下有源电力滤波器的输出电流;ed和eq为d_q坐标系下的系统电压;vd和vq为d_q坐标的逆变器输出电压,其可以用开关函数dd和dq表示,为

vd=dd・vdcvq=dq・vdc

(7)

第3期陈伟学:基于DSP实现的有源电力滤波器简单控制方法

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　　上式中的vdc为电压源型逆变器的输出电压,dd和dq分别为有源电力滤波器在d轴和q轴的开关函数.负载电流变换到d_q坐标中,其可以表示为:ild=ild+ild,ilq=ild+ild.其中ild为负载电流在d轴中的直流成分,根据瞬时无功理论,其为负载基波有功电流幅值.ilq为负载电流在q轴中的直流成分,其为负载电流的基波无功电流幅值.

～

---

～-～-

～

ild和ilq为负载电流

～

在d轴和q轴中的交流成分,由瞬时无功理论知其为负载电流中的谐波电流成分.当有源电力滤波器同时补偿谐波和无功

3电流时,其d轴电流参考值和q轴电流参考值就分别为i3fd=ild,ifq=ilq+ild,所以将负载的d轴电流滤波后就可以得到有

源电力滤波器在旋转坐标系中的参考电流.

有源电力滤波器的控制系统根据检测到的参考电流对电压源型逆变器进行PWM控制,使其产生的补偿电流跟踪其参3考值i3fd和ifq.式(6)所示为有源电流滤波器在旋转d_q坐标系下的数学描述.由该式可知,有源电力滤波器d轴输出电流

ifd和q轴输出电流ifq之间存在耦合关系.并且其输出电流与系统电压有关.忽略开关频率附近的高频谐波,则可以认为KAPF=vdc,GPI(s)为PI调节器在频域的传递函数,其可以表示为:

GPI(s)=kp+

kis(8)

式(8)中的kp和ki分别为PI调节器的比例系数和积分系数.这两个值决定了电流闭环系统的动态性能.为了使有源电力滤波器正常工作,其直流电压要高于其电源电压的峰值.由于KAPF较大,可以近似忽略其前向通道上的扰动ed・q和±

LfωIfd・q.

3　实验装置组成及实验结果

有源电力滤波器主电路的逆变器采用富士通公司生产的6MBP20RH060智能功率模块.该模块是先进的混合集成功率器件,由高速低功耗的IGBT芯片、优选的门极驱动及保护电路构成.为了防止IPM的损坏和误动作,需要将DSP和

IPM之间进行光耦隔离,可以采用安捷伦公司生产的高速光耦HCPL4504作为输

入信号的隔离器件.控制电路的主要控制芯片采用德州仪器公司开发的第三代数字处理芯片(DigitalSignalProcessor)TMS320LF240,该系列具有16位高速定点运算功能.该控制芯片具有两个事件管理器.每个事件管理器具有两个16位的通用定时器,8个16位的脉冲宽度调制(PWM)通道,可以实现三相反相器控制、

PWM的中心或边缘校正及当外部引脚PDPINTx出现低电平时快速关闭PWM通

道;防止击穿故障的可编程的PWM死区控制;对外部事件进行定时捕获的3个捕获通道.基于TMS320LF240系列可以方便的实现有源电力滤波器的控制功能.

有源电力滤波器的控制软件主要包括以下几个部分:系统初始化、中断处理程序,其中中断处理程序是有源电力滤波器软件系统的主要组成部分.图2和图

3给出了程序流程图.

图2　中断服务程序

Figure2　Experimentalresults

图3　主程序流程图

有源电力滤波器的连接电感为,有源电力滤波器直流侧电容为12000μF,Figure3　Flowchartofmainprogrammer

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开关频率为9600Hz.图4(a)为补偿后的系统电流,由图可以看出,系统电流基本为正弦,存在的尖脉冲是由于有源电力滤波器对突变参考跟踪误差造成的.

　　　　　(a)补偿后的系统电流图4　实验结果

Figure4　Experimentalresults

(b)有源电力滤波器输出电流

4　结论

本文提出了一种简单的并联有源电力滤波器控制方法.该电流控制方法是在旋转的正交坐标系中,利用PI调节器分别控制其有功电流和无功电流.该控制方法无需解耦,控制系统简单.对系统电压波动有较好的抑制效果.仿真结果证明了控制系统的有效性.由于该控制系统简单,并且稳定性高,不需要确切知道系统的参数,有较高的实用价值.

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〔责任编辑　齐　广〕

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