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        基于快速控制模型的混合型電力濾波器設(shè)計(jì)

        2011-01-27 07:15:18吳玉輝劉惠康
        電子設(shè)計(jì)工程 2011年2期
        關(guān)鍵詞:基波有源諧波

        吳玉輝,劉惠康,陳 瑜

        (武漢科技大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院,湖北 武漢 430081)

        目前,電力濾波器多采用數(shù)字化控制器實(shí)現(xiàn),需要工程師有較高的軟件編程能力。這樣,濾波器設(shè)計(jì)周期的絕大部分時(shí)間將用于程序的編寫(xiě)以及優(yōu)化上??紤]到數(shù)學(xué)模型的建立、算法的設(shè)計(jì)、離線調(diào)試,整個(gè)開(kāi)發(fā)時(shí)間將非常長(zhǎng),成本將相應(yīng)增加。

        快速控制模型(Rapid Control Prototyping,RCP)的設(shè)計(jì)降低了設(shè)計(jì)周期,利用Simulink的圖形化編程方法,不再需要進(jìn)行復(fù)雜的程序編寫(xiě):對(duì)于硬件工程師而言,改變模型參數(shù)就可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試;對(duì)于理論研究人員而言,只需要考慮算法的快速性和實(shí)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F(xiàn)FT一樣,小波變換將信號(hào)分解成頻率分量。但是,離散小波變換(DWT)具有可變的頻率分辨率,可以有效地解決負(fù)載突變所引起的電網(wǎng)電壓閃變,而且能夠?qū)崟r(shí)跟蹤間諧波。這是用來(lái)分析瞬態(tài)信號(hào)的一個(gè)有用特性。另外,小波分析不需要在整個(gè)頻域范圍內(nèi)同時(shí)進(jìn)行,將計(jì)算量集中在某一頻率范圍,減小了計(jì)算量,加快了分析速度。

        本文基于Simulink軟件對(duì)混合型有源電力濾波器[1-2](Hybrid Active Power Filter,HAPF)進(jìn)行建模,利用Wavelet工具箱進(jìn)行諧波分析并仿真,由MATLAB/Simulink/Embedded Target for TI C2000生成DSP代碼,最終在TMS320F2812進(jìn)行硬件實(shí)現(xiàn)。

        1 快速控制模型(RCP)

        RCP由兩部分組成:計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件Simulink和帶有實(shí)時(shí)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(xiě),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(jìn)行。

        圖1 RCP的組成部分Fig.1 Architecture of RCP system

        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(shè)計(jì)、仿真和實(shí)現(xiàn)嵌入式控制系統(tǒng)提供了集成平臺(tái)。圖2為設(shè)計(jì)流程。

        圖2 設(shè)計(jì)流程圖Fig.2 Flow chart of design

        利用Embedded Target,能夠通過(guò)CCS(Code Composer Studio)產(chǎn)生高效的DSP代碼,通過(guò)主機(jī)與DSP的接口將二者連接起來(lái),就可以對(duì)DSP進(jìn)行在線控制與優(yōu)化。對(duì)于需要進(jìn)行循環(huán)計(jì)算的復(fù)雜算法,RCP的快速執(zhí)行功能將體現(xiàn)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(lái)分析電網(wǎng)諧波。

        2 小波分析

        2.1 多分辨分解法

        小波分析[3]的實(shí)現(xiàn)通常采用信號(hào)的多分辨分解法(Multiresolution Signal Decomposition,MSD),高通濾波器h和低通濾波器g分別通過(guò)小波函數(shù)來(lái)構(gòu)成,如圖3所示。

        圖3 小波分析的信號(hào)多分辨分解實(shí)現(xiàn)Fig.3 Implementation of the MSD

        圖3中的尺度1包含了從奈奎斯特頻率到1/4采樣頻率的信息,尺度2包含了從1/4到1/8采樣頻率的信息,其他尺度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(hào)的分解層數(shù)不是任意的。長(zhǎng)度為N的信號(hào)最多只能分解成log2N層。

        2.2 小波變換

        連續(xù)信號(hào)f(t)的小波變換定義為:

        在離散小波變換中,給出了一些小波系數(shù)m和n,這些系數(shù)取決于伸縮因子和平移因子的次數(shù)。則離散小波系數(shù)可表示為:

        雖然這一變換是時(shí)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(duì)不同的問(wèn)題,母小波的選擇是不同的,并且母小波的選取對(duì)于得到的結(jié)構(gòu)有較大影響。正交小波確保信號(hào)可以從其變換系數(shù)重構(gòu),具有對(duì)稱濾波器系數(shù)的小波能夠產(chǎn)生線性相移,由Daubechies推導(dǎo)出的小波組覆蓋了正交小波領(lǐng)域。

        2.3 控制算法的模型實(shí)現(xiàn)

        Simulink工具箱提供了豐富的數(shù)學(xué)模型,從中選取C28x ADC、C28x PWM、F2812 eZdsp(若無(wú)該模塊則無(wú)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Fig.4 Control algorithm model contains wavelet

        其中,在Wavelet子系統(tǒng)中集成了Environment Controller、Buffer、DWT和IDWT等模塊對(duì)采樣量化后的信號(hào)進(jìn)行諧波分析,并產(chǎn)生補(bǔ)償電壓指令信號(hào),繼而通過(guò)PWM輸出信號(hào)控制IGBT的關(guān)斷,達(dá)到減少諧波和無(wú)功補(bǔ)償?shù)哪康?。仿真過(guò)程中,根據(jù)需要實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)C28x PWM的占空比,以產(chǎn)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(duì)高壓大容量諧波目前主要是采用LC諧振型無(wú)源濾波器 (Passive Power Filter,PPF),這些濾波器兼有無(wú)功補(bǔ)償功能。盡管PPF具有初期投資小,運(yùn)行效率高等優(yōu)點(diǎn),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(shù)的諧波,對(duì)于諧波次數(shù)經(jīng)常變化的負(fù)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(guò)載甚至燒毀。有源電力濾波器(Active Power Filter,APF)相當(dāng)于可變電阻,對(duì)基波阻抗為0,對(duì)諧波卻呈現(xiàn)高阻態(tài),APF雖能克服PPF存在的缺陷,但其安裝容量受開(kāi)關(guān)器件容量的限制[4-5]。

        將無(wú)源濾波器和有源濾波器相結(jié)合構(gòu)成混合型有源電力濾波器(HAPF),有源電力濾波器僅用來(lái)改善無(wú)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(fù)荷總?cè)萘康?/10左右,從而使有源電力濾波器能應(yīng)用于大功率場(chǎng)合。

        大型的供、配電站通常希望在濾除諧波的同時(shí)進(jìn)行無(wú)功功率補(bǔ)償,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變電站的應(yīng)用。通過(guò)將逆變器輸出電壓經(jīng)變壓器耦合到無(wú)源濾波器的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[6]。

        3.2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

        以往有源電力濾波器的控制部分由工控機(jī)和單片機(jī)構(gòu)成,工控機(jī)實(shí)現(xiàn)諧波檢測(cè)、分析以及控制信號(hào)計(jì)算等,單片機(jī)則產(chǎn)生控制信號(hào)。限于單片機(jī)的處理速度,本文將信號(hào)采樣、諧波分析以及PWM脈寬信號(hào)的產(chǎn)生均集成在TMS320F2812中完成,充分發(fā)揮32位DSP的計(jì)算效率。其控制電路結(jié)構(gòu)如圖5所示。

        圖5 控制電路結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Diagram of the control circuit

        選取A相電壓過(guò)零點(diǎn)為初始值,將初始時(shí)刻后三相電流is用霍爾傳感器測(cè)量后,將測(cè)量值送入DSP,經(jīng)過(guò)高速A/D轉(zhuǎn)換后得到采樣值,然后將采樣值進(jìn)行離散小波變換,得到三相電流的基波值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(bǔ)償?shù)娜嘀C波電流值ish,就可得到有源電力濾波器輸出補(bǔ)償電壓的指令信號(hào)U=KIsh。再通過(guò)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(qiáng)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(shè)備,這將無(wú)疑為控制器的仿真設(shè)計(jì)提供便利的條件?;旌闲陀性措娏V波器模型如圖6所示。

        圖6 混合型有源電力濾波器模型Fig.6 Model of the HAPF

        三相交流電壓源35 kV,50 Hz,500 kVA模擬電網(wǎng),通過(guò)變壓器降壓為400 V,50 Hz。有源濾波器的逆變器輸出電壓經(jīng)變壓器耦合到無(wú)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(cè)量?jī)x器,非線性負(fù)載由非對(duì)稱整流器組成。

        圖7 有源濾波器模型Fig.7 Model of the APF

        4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

        直流總線電容:

        其中,電容額定電壓Vn=Vc/1.83,配電線路視在功率Sn=S*n/0.087,S*n為電容器在f=50 Hz的功率。

        最小濾波電容:

        式中,I*f(n)為n次諧波的電流標(biāo)么值,U(*1)為電壓基波標(biāo)么值。

        再根據(jù)公式(6)求得濾波電感:

        ωs為某一確定次角頻率。由上述公式,得出本仿真系統(tǒng)參數(shù)值如表1所示。

        表1 系統(tǒng)參數(shù)值Tab.1 Coefficients of system

        電流補(bǔ)償前后波形如圖8所示。從波形圖可以得出,經(jīng)過(guò)無(wú)源濾波和補(bǔ)償電流的作用,得到了較為精確的三相正弦電流波形。

        圖8 補(bǔ)償前后電流波形Fig.8 Simulated waveforms before and after current compensation

        經(jīng)過(guò)小波分析工具箱對(duì)諧波的計(jì)算、分析,通過(guò)混合有源電力濾波器后,畸變系數(shù)由22.50%降低到1.88%,符合IEEE-519-1992標(biāo)準(zhǔn),如圖9所示。

        圖9 濾波前后A相電壓的頻譜Fig.9 Spectrum of the A-phase voltage before and after filtering

        5 結(jié)論

        與傳統(tǒng)電力濾波器比較,快速控制模型設(shè)計(jì)周期短,投資成本低,濾波效果明顯。運(yùn)行結(jié)果表明,利用DSP作為控制器建立的快速模型,能夠精確的跟蹤負(fù)載突變?cè)斐傻碾娋W(wǎng)電壓閃變,從而進(jìn)行諧波補(bǔ)償。該設(shè)備可靠性高,抗干擾能力強(qiáng),具有很好的經(jīng)濟(jì)效益,適合工程應(yīng)用推廣。

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