1、基于RCP的混合型電力濾波器設計基于RCP的混合型電力濾波器設計類別：汽車電子摘要：為了解決電力系統(tǒng)諧波治理中，數字化控制器設計周期長、投資成本高等問題，在研究傳統(tǒng)電力濾波器的基礎上設計出了一種快速控制模型。在傳統(tǒng)濾波器結構基礎上增加一個有源電力濾波器，同時運用計算機輔助軟件Simulink 和TI公司DSP開發(fā)環(huán)境CCS，對混合型有源電力濾波器進行在線調試，精確地降低了諧波成分。仿真結果表明，通過濾波器后，電網電壓畸變因數降至1.88%（低于IEEE-519-1992標準）。該裝置已在武鋼電弧爐35 kV電網運行，運行結果表明該裝置可靠性高、濾波效果顯著，具有良好的工程應用價值。 目前，電力

2、濾波器多采用數字化控制器實現，需要工程師有較高的軟件編程能力。這樣，濾波器設計周期的絕大部分時間將用于程序的編寫以及優(yōu)化上。考慮到數學模型的建立、算法的設計、離線調試，整個開發(fā)時間將非常長，成本將相應增加。 快速控制模型（Rapid Control Prototyping，RCP）的設計降低了設計周期，利用Simulink的圖形化編程方法，不再需要進行復雜的程序編寫：對于硬件工程師而言，改變模型參數就可以實現現場調試；對于理論研究人員而言，只需要考慮算法的快速性和實用性。 小波變換是一種分析非穩(wěn)態(tài)電壓和電流波形的快速而有效的方法。同FFT一樣，小波變換將信號分解成頻率分量。但是，離散小波變換（

3、DWT）具有可變的頻率分辨率，可以有效地解決負載突變所引起的電網電壓閃變，而且能夠實時跟蹤問諧波。這是用來分析瞬態(tài)信號的一個有用特性。另外，小波分析不需要在整個頻域范圍內同時進行，將計算量集中在某一頻率范圍，減小了計算量，加快了分析速度。 本文基于Simulink軟件對混合型有源電力濾波器（Hvbrid Active Power Filter，HAPF）進行建模，利用Wavelet工具箱進行諧波分析并仿真，由MATLABSimulinkEmbedded Target for TI C2000生成DSP代碼，最終在TMS320F2812進行硬件實現。 1 快速控制模型（RCP） RCP由兩部分組

4、成：計算機輔助設計軟件Simulink和帶有實時操作系統(tǒng)的專有硬件TMS320F2812，如圖1所示。這種圖形化編程方法取代了傳統(tǒng)程序的編寫，只要求工程師將注意力集中在功能和性能的優(yōu)化上。本文提出的完整系統(tǒng)在仿真環(huán)境下進行。 圖1 RCP的組成部分 Embedded Target for TI C2000連接軟件和硬件，Simulink工具箱提供本文所需的各種模型，為通用DSP上設計、仿真和實現嵌入式控制系統(tǒng)提供了集成平臺。圖2為設計流程。 圖2 設計流程圖 利用Embedded Target，能夠通過CCS（Cede Composer Studio）產生高效的DSP代碼，通過主機與DSP的接

5、口將二者連接起來，就可以對DSP進行在線控制與優(yōu)化。對于需要進行循環(huán)計算的復雜算法，RCP的快速執(zhí)行功能將體現出極大的優(yōu)越性。鑒于小波變換分析電力系統(tǒng)諧波的前景，以及建模的便利，本濾波器的有源部分控制算法利用小波變換來分析電網諧波。 2 小波分析 2.1 多分辨分解法 小波分析的實現通常采用信號的多分辨分解法（Multiresolution Signl Decomposition，MSD），高通濾波器h和低通濾波器g分別通過小波函數來構成，如圖3所示。 圖3 小波分析的信號多分辨分解法實現 圖3中的尺度1包含了從奈奎斯特頻率到14采樣頻率的信息，尺度2包含了從14到18采樣頻率的信息，其他尺度

6、包含的信息以此類推。小波的分解可以在任意尺度上終止，最后的平滑輸出包含了所有剩余尺度的信息。但是，信號的分解層數不是任意的。長度為N的信號最多只能分解成log2N層。 2.2 小波變換 連續(xù)信號f（t）的小波變換定義為： 其中，為母小波，a為伸縮因子，b為平移因子。在時域中是拉伸還是收縮取決于a。 在離散小波變換中，給出了一些小波系數m和n，這些系數取決于伸縮因子和平移因子的次數。則離散小波系數可表示為： 雖然這一變換是時間上連續(xù)的，但小波形式是離散的。離散小波逆變換如下： 式（3）：K=（A+B）2，A和B分別是a和b的最大值（框架值）。 針對不同的問題，母小波的選擇是不同的，并且母小波的選

7、取對于得到的結構有較大影響。正交小波確保信號可以從其變換系數重構，具有對稱濾波器系數的小波能夠產生線性相移，由Daubechies推導出的小波組覆蓋了正交小波領域。 2.3 控制算法的模型實現 Simulink工具箱提供了豐富的數學模型，從中選取C28xADC、C28x PWM、F2812 eZdsp（若無該模塊則無法生成DSP代碼）、DWT和IDWT等模塊，組成如圖4所示的模型。 圖4 包含小波變換的控制算法模型 其中，在Wavelet子系統(tǒng)中集成了Environment ControRer、Buffer、DWT和IDWT等模塊對采樣量化后的信號進行諧波分析，并產生補償電壓指令信號，繼而通過

8、PWM輸出信號控制IGBT的關斷，達到減少諧波和無功補償的目的。仿真過程中，根據需要實時調節(jié)C28x PWM的占空比，以產生合適的輸出波形。 3 混合型有源電力濾波器建模 3.1 混合型有源電力濾波器 對高壓大容量諧波目前主要是采用LC諧振型無源濾波器（Passive Power Filter，PPF），這些濾波器兼有無功補償功能。盡管PPF具有初期投資小，運行效率高等優(yōu)點，但PPF的濾波效果受電力系統(tǒng)阻抗的影響較大，且只能消除特定次數的諧波，對于諧波次數經常變化的負載濾波效果并不好。 還可能與系統(tǒng)發(fā)生諧振，使LC濾波器過載甚至燒毀。有源電力濾波器（Acfiire Power Filter，A

9、PF）相當于可變電阻，對基波阻抗為0，對諧波卻呈現高阻態(tài)，APF雖能克服PPF存在的缺陷，但其安裝容量受開關器件容量的限制。 將無源濾波器和有源濾波器相結合構成混合型有源電力濾波器（HAPF），有源電力濾波器僅用來改善無源濾波器的濾波效果和抑制可能發(fā)生的諧振。這種方式中，有源電力濾波器不承受交流電源的基波電壓，因此裝置容量極大減少，通常只需要非線性負荷總容量的110左右，從而使有源電力濾波器能應用于大功率場合。 大型的供、配電站通常希望在濾除諧波的同時進行無功功率補償，必然增加逆變器實現的技術難度和成本，從而限制了有源電力濾波器在大型變電站的應用。通過將逆變器輸出電壓經變壓器耦合到無源濾波器的

10、濾波支路的電感和電容兩端，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。 3.2 控制系統(tǒng)結構 以往有源電力濾波器的控制部分由工控機和單片機構成，工控機實現諧波檢測、分析以及控制信號計算等，單片機則產生控制信號。限于單片機的處理速度，本文將信號采樣、諧波分析以及PWM脈寬信號的產生均集成在TMS320F2812中完成，充分發(fā)揮32位DSP的計算效率。其控制電路結構如圖5所示。 圖5 控制電路結構 選取A相電壓過零點為初始值，將初始時刻后三相電流is用霍爾傳感器測量后，將測量值送入DSP，經過高速AD轉換后得到采樣值，然后將采樣值進行離散小波變換，得到三

11、相電流的基波值is1，分別將三相電流的采樣值減去基波值，即得到有源電力濾波器需要補償的三相諧波電流值ish，就可得到有源電力濾波器輸出補償電壓的指令信號U=KIsh。再通過DSP的PWM模塊控制逆變器，就能得到期望的電壓波形。 3.3 混合型有源電力濾波器仿真模型 強大的Simulink工具箱包含了本文涉及的C2000 DSP系列的所有算法和外圍設備，這將無疑為控制器的仿真設計提供便利的條件。混合型有源電力濾波器模型如圖6所示。 圖6 混合型有源電力濾波器模型 三相交流電壓源35 kV，50 Hz，500 kVA模擬電網，通過變壓器降壓為400V，50Hz。有源濾波器的逆變器輸出電壓經變壓器耦

12、合到無源濾波器的濾波支路的電感和電容兩端，以減小有源電力濾波器的容量，如圖7所示。B1、B2分別為測量儀器，非線性負載由非對稱整流器組成。 圖7 有源濾波器模型 4 實驗結果 直流總線電容： 其中，電容額定電壓Vn=Vc1.83，配電線路視在功率Sn=Sn/0.087，Sn為電容器在f=50 Hz的功率。 最小濾波電容： 式中，為n次諧波的電流標么值，為電壓基波標么值。 再根據公式（6）求得濾波電感： s為某一確定次角頻率。由上述公式，得出本仿真系統(tǒng)參數值如表1所示。 表1 系統(tǒng)參數值 電流補償前后波形如圖8所示。從波形圖可以得出，經過無源濾波和補償電流的作用，得到了較為精確的三相正弦電流波形。 圖8 電流補償前后波形 經過小波分析工具箱對諧波的計算、分析，通過混合有源電力濾波