CN2779702Y - 一种基于混合型谐波检测的有源电力滤波器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于混合型谐波检测的有源电力滤波器，包括有源电力滤波器主电路和混合型谐波检测电路。其中混合型谐波检测电路有效整合了模拟和数字控制的优势，既避免了对含有高频分量信号的数字采样误差，同时简化数字信号处理器(DSP)功能为对负载电流基波分量的提取，使得数字控制引入的时间延迟影响仅仅局限于基频信号。在此基础上，通过在基于同步旋转坐标系的基波提取算法中引入了相位补偿策略，成功解决了数字控制引入的时间延迟问题，最终保证了高精度的谐波实时检测。本实用新型装置电路实现简单，成本低廉，易于应用于现有的数字化谐波检测系统改造，将能满足高质量的实时谐波补偿需求，实用价值高。

Description

一种基于混合型谐波检测的有源电力滤波器

技术领域

本实用新型涉及一种电力谐波滤波装置，进一步涉及一种基于混合型谐波检测的有源电力滤波器。

背景技术

电网谐波问题已经引起人们广泛重视，许多国家及地区制定了各自的谐波标准。我国也在1993年通过了《电能质量公用电网谐波》(GB/T-14594-93)，用以限制供电系统及用电设备的谐波污染。随着电力电子技术的发展，电力有源滤波器作为一种动态抑制谐波和补偿无功的电力电子装置，可对大小和频率都变化的谐波以及变化的无功进行补偿，能有效弥补传统无源滤波器的不足，是一种很有前途的谐波抑制装置，且已经步入了实用化阶段。其中，并联型有源滤波器是最基本的形式，并获得了最为广泛的应用。

有源电力滤波器包括主电路和谐波检测电路两部分，其中主电路包括电流控制环节、驱动环节、三相变流器和电感。影响有源滤波器补偿精度的因素，主要取决于谐波检测、电流控制和主电路参数设计等。其中，高精度、实时性谐波检测方法及其实现，将直接影响着补偿性能。传统的有源电力滤波器谐波检测电路都由模拟器件实现，需要多个乘法器，硬件成本高；且易受温漂和环境变化的影响，存在着精度低、抗干扰差以及电路复杂等缺陷。

近年来，基于数字信号处理器(DSP)、微控制器(MCU)和可编程逻辑器件(PLD)等实现的谐波检测和控制在实际系统中受到更多的欢迎。与传统模拟实现相比，数字控制克服了其固有的问题，易于实现先进控制，且降低了电路成本，易实现大规模产品生产。然而，尽管数字控制技术实时性不断提高，但其固有的时间延迟造成了谐波检测等重要环节的误差。数字控制的各个环节，主要包括前置滤波、模拟到数字转换(A/D)、基于特定方法的谐波检测数字算法运行、最后再经数字到模拟转换(D/A)等，这些环节将造成检测出的谐波信号存在一个延迟时间ΔT。

此外重要的是，被检测的非线性负载电流中含有较高的频率成分，其频谱丰富，对数字化谐波检测系统的实时检测其谐波成分提出了挑战。实践已经证明：该系统存在较大误差，其中一个主要因素就是对负载电流的采样信号的延迟和失真直接反映到谐波检测结果中，尤其是在负载电流突变过程处的反映非常明显。

显然，由于测量和数字计算等因素引起的时间延迟，必然会造成谐波检测的误差，进而影响整个有源电力滤波器系统的补偿性能。此外，采样频率的选取和字长效应等也影响着计算精度。

为了改善数字控制带来的时间延迟影响，一般采用速度更快的处理器芯片或者是采用多处理器芯片(如多DSP)的设计方案，通过增强数据采样和处理速率，以此弱化数字控制延迟影响，获得谐波检测精度的进一步提高。这些措施已经在国外商业化的有源滤波器产品中应用。但是这些方法带来了设计复杂和成本高的缺陷，给有源电力滤波器的进一步推广、特别是在国内的应用造成了障碍。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷或不足，本实用新型的目的旨在提供一种价格低、结构简单、实用性强的基于混合型谐波检测的有源电力滤波器，以能够实现高精度、实时性谐波检测。

本实用新型的基于混合型谐波检测的有源电力滤波器，具有主电路和谐波检测电路两部分，主电路包括电流控制环节、驱动环节、三相变流器和电感，其特征是谐波检测电路包括：

—电流传感器，用于实时测量非线性负载电流，其输入端接负载电流，输出端分二路，分别与信号调理电路和模拟加法器的输入端相连；

—信号调理电路，用于滤除电流传感器输出电流信号中的高频噪声信号，并且将双极性信号转变为单极性信号；

—采样/保持电路，用于对信号调理电路输出的单极性三相电流信号在同一时间进行电平保持，输出同步三相负载电流信号，其输入端与信号调理电路的输出端相连，；

—数字信号处理器芯片，执行基于相位补偿的同步旋转坐标算法，提取负载电流中的基波正序分量，该芯片的一个A/D转换端与采样/保持电路的输出端相连，另一个A/D转换端接电压控制调节量；

—锁相倍频电路，用于将电网电压的过零点检出，形成方波脉冲信号，同时将方波脉冲信号N倍频，形成倍频脉冲信号，形成的方波脉冲信号和倍频脉冲信号均与数字信号处理器芯片的CAP口相连；

—数字/模拟转换器，用于将三相负载电流的基波正序分量转换为单极性模拟信号，其输入端与数字信号处理器芯片的数字量输出端相连接；

—电平转换电路，用于将数字/模拟转换器输出的单极性模拟信号转换为双极性的三相负载电流基波正序信号，其输入端与数字/模拟转换器的输出端相连接；

—模拟加法器，其两个输入端分别接电平转换电路和电流传感器的输出端，将输入信号相减，得到非线性负载电流中的谐波分量输给主电路。

本实用新型具有以下特点：

1)借助于模拟和数字实现的结合，改进了谐波检测中的信号流，避免了对含有高频分量的负载电流的数字采样信号的传递，有效减小了信号失真和误差传递；

2)改变了原来的DSP功能由谐波数字提取为基波分量提取，一方面易于保证基波提取精度，另一方面使得数字控制的延迟影响仅仅局限于基波分量，从而为进一步实施时间延迟补偿策略创造了前提；

3)在混合型结构的基础上，通过对基于同步旋转坐标系的基波提取进行数字相位补偿，成功解决了时间延迟，保证了基波分量的高精度提取。

4)锁相倍频电路通过对电网电压相位信息的获取，能够对电网电压频率进行实时跟踪，保证了DSP执行基于同步坐标系的基波提取算法与电网电压的同步以及相位补偿的实现；倍频信号则保证了单个电网电压周期中对非线性负载电流的N点等间隔采样和计算。

附图说明

图1是本实用新型的基于混合型谐波检测的有源电力滤波器原理框图；

图2是混合型谐波检测电路的一种具体电路实例；

图3是本实用新型的基于相位补偿的同步旋转坐标系基波提取算法流程图；

图4是采用现有技术的有源电力滤波器补偿后的网侧电流波形图；

图5是采用本实用新型的有源电力滤波器补偿后的网侧电流波形图。

具体实施方式

参照图1，本实用新型的基于混合型谐波检测的有源电力滤波器，具有主电路1和谐波检测电路2两部分，主电路1包括电流控制环节11、驱动环节12、三相变流器13和接在交流侧的电感14，谐波检测电路2为混合型谐波检测电路，它包括：电流传感器3、信号调理电路4、采样/保持电路5、数字信号处理器芯片(以下简称DSP处理器)6、锁相倍频电路7、数字/模拟转换器(以下简称D/A转换器)8、电平转换电路9以及模拟加法器10。

电流传感器3实时测量的非线性负载电流信号i_La，i_Lb，i_Lc，一路直接送到信号调理电路4，另一路则直接送到模拟加法器10；信号调理电路4用于滤除电流传感器3输出电流信号i_La，i_Lb，i_Lc中的高频噪声信号，并且将双极性信号转变为单极性信号i_La′，i_Lb′，i_Lc′输给采样/保持电路5，由采样/保持电路5对这三相电流信号在同一时间进行电平保持，以保证采样得到的是同步的三相负载电流信号，采样/保持电路5的输出端与DSP处理器6的一个A/D转换输入端相连，DSP处理器6的另一个A/D转换输入端则用于有源电力滤波器直流侧电压控制的调节量Δi_d的连接；DSP处理器6利用内置的模拟/数字转换器，将输入的三相负载电流信号和电压调节量Δi_d转换为数字量。DSP处理器6执行基于相位补偿的同步旋转坐标算法，提取出负载电流中的基波正序分量；该算法不但提取精度高，且能实现该正弦基波分量的提取无延时。该基波正序分量输入到D/A转换器8，由D/A转换器8转换为单极性模拟信号i_af′，i_bf′，i_cf′；接着通过电平转换电路9将单极性模拟信号i_af′，i_bf′，i_cf′转换为双极性的三相负载电流基波正序信号i_af，i_bf，i_cf并输入模拟加法器10，由模拟加法器10将来自电平转换电路9和电流传感器3的两个信号，即三相基波正序信号i_af，i_bf，i_cf和相应的三相负载电流信号i_La，i_Lb，i_Lc相减，得到三相补偿电流指令i_ca ^*，i_cb ^*，i_cc ^*输给主电路1，其中主要包括负载电流中的谐波分量，根据负载性质不同，还可能包括基波无功分量以及不对称分量等。锁相倍频电路7将电网电压e_a的检测信号的过零点检出，形成方波脉冲信号T₁，同时将T₁信号N倍频，形成脉冲信号T_N；这两个脉冲信号均与DSP处理器6的CAP口相连，用于控制DSP处理器的运行。

数字化谐波检测最大的优点是硬件简单，算法灵活，但是存在时间延迟和实现精度受资源所限的缺点。和数字实现相比，模拟实现最大的优势在于速度极快，基本无时延；且对高频信号的传递易于处理。本实用新型提出的模拟/数字混合型谐波检测系统首先改变了DSP的功能，由高频的多谐波提取转变为仅提取负载电流中的基波正序分量(含直流电压控制量)，频率单一，使得对数字采样的要求大大降低，且易于实现高精度基波提取；其次，由于其他信号传递由硬件实现，该系统可以避免全数字系统对含有丰富高频分量的负载电流的采样而引入的误差。显然，该方式能够发挥出数字和模拟控制的各自优势，从而将有效的减小各信号传递/提取的时间延迟和误差，提高了谐波检测精度；由于DSP的功能仅仅为负载电流中的基波分量(含直流电压控制量)提取，也就是说数字控制引入的时间延迟影响的仅仅是基波分量。将时间延迟的影响局限于单一的基频信号，这就为下一步实施针对性的时间延迟补偿创造了前提。

图2是本实用新型中的谐波检测电路的一种具体实例。图示实例中，信号调理电路4中的每一相信号调理电路均由抗混叠滤波器、电平偏移电路和限幅电路构成。以A相为例，其中抗混叠滤波器由半片集成运算放大芯片U1A和相应的电阻元件RA1、RA2和电容元件CA1、CA2组成，用于将A相负载电流检测信号i_La，i_Lb，i_Lc中的高频噪声剔除，以满足在有限的采样频率下保持信号的不失真采样；电平偏移电路由半片集成运算放大芯片U1B和相应的电阻元件RA3、RA4、R5和R6构成，将电流检测信号由双极性转变为单极性信号i_La′，i_Lb′，i_Lc′；限幅电路由两只肖特基二极管DA1和DA2构成，用来使得电流检测信号的输入电平箝位于+5V和零电平之间，以保证DSP处理器内置的模拟/数字转换器件的工作安全。这里，所说的抗混叠滤波器U1A和电平偏移电路的半片集成运算放大芯片U1B可采用芯片LF412。B相和C相的信号调理电路构成和工作过程与A相雷同。A相采样/保持电路由一片集成芯片U4及辅助的电容元件CM1、CM2构成；对应地，B相采样/保持电路则由一片集成芯片U5和辅助电容元件CM3、CM4构成，C相采样/保持电路由一片集成芯片U6和辅助电容元件CM5、CM6构成。其中，芯片U4、U5和U6都可用LF398。经过信号调理后的三相负载电流信号经采样保持电路保持后，再分别通过模拟/数字转换通道ADC2、ADC11和ADC3输入DSP处理器进行处理。

锁相倍频电路7是由过零检测电路、整形电路、锁相环和1/N分频电路构成。其中过零检测电路由半片集成运算放大芯片U14A和相应的检测变压器TP1、二极管元件DP1、DP2和电阻元件RP1、RP2、RP3构成。整形电路U15A是带施密特触发器功能的反相器CD40106，除了整形功能外，它具有一定的抗干扰能力。锁相环是由锁相环芯片U16(可用CD4046)及由电阻RP8、电容CP1构成的低通滤波器和确定锁相环中心频率的电阻RP6、RP7和电容CP2组成；1/N分频电路由一片递增工作的计数器芯片U17(可用CD4040)及用于计数器复位的电容CP3和电阻元件RP9组成。电网电压的检测信号经过零检测电路获取其正负过零点，通过整形电路形成对应的具有足够陡度和宽度的占空比为0.5的方波脉冲信号T₁。T₁一路直接输出给DSP处理器6的CAP3口进行俘获，以控制数字算法的执行保持和电网电压同步，另一路则输送给锁相环，在1/N倍频器的配合下，形成N倍频的方波脉冲信号T_N，即：T_N＝N·T₁。T_N则送给DSP处理器的CAP4口进行俘获以此控制采样和数字算法的执行周期。

显然，同步方波脉冲信号T1能够自动适应不同的电网电压频率，如50Hz或者60Hz电压系统；此外即使是在电网电压存在畸变的情形下，方波脉冲信号T₁也能准确反映电网电压基波信息，使得本实用新型的谐波检测系统也能正常工作。而倍频脉冲信号T_N则与方波脉冲信号T₁始终保持着同步和N倍数的关系，利用该倍频信号作参考可以获得在一个电网电压工频周期内等间隔采样和控制，保证了DSP处理器数字实现的精度。DSP处理器6为定点运算型DSP芯片U8，可用TMS320F240，时钟频率定为20MHz，其单位指令执行周期为50ns。为节省成本，采用了处理器内置的模拟/数字转换器进行信号采样；在每个采样周期中，DSP处理器通过CAP1/IOPC4端口与采样/保持芯片的S/H端口连接以控制其工作。在系统中DSP处理器的主要功能是根据特定的算法提取三相负载电流中的基波正序分量。DSP处理器提取出的基波分量由数据I/O输出到D/A转换器8。D/A转换器为一片集成芯片U7，可用MAX526，12位并行输入具有四通道的输出能力。DSP处理器通过CAP2/IOPC5端口与MAX526的LDAC端口连接，以控制其转换；地址线A0和A1则用来选择转换通道(确定是A相、B相或者是C相)，转换得到的三相模拟信号i_af′、i_bf′和i_cf′分别由端口Vouta、Voutb和Voutc输出。A相电平转换电路由半片集成运算放大芯片U9A及电阻元件RC1、RC2构成。相应地，B相电平转换电路由U9B及电阻元件RC10、RC11构成；C相电平转换电路则由U12A及电阻元件RC19、RC20构成。通过电平转换电路将单极性模拟信号i_af′，i_bf′，i_cf′转换为双极性的三相负载电流基波正序信号i_af，i_bf，i_cf。A相模拟加法电路由一片集成运算放大芯片U10及相应的电阻元件R3～R9构成，完成将来自电平转换电路和电流传感器的两个信号，即A相基波正序信号i_af和相应的A相负载电流信号i_La相减，即 $i_{\mathrm{ca}}^{*}=i_{\mathrm{af}}-i_{\mathrm{La}};$ 同样地，B相和C相也可类似实现。这样即可得到三相补偿电流指令i_ca ^*，i_cb ^*，i_cc ^*，其中主要包括负载电流中的谐波分量，此外，根据负载性质不同，还可能包括基波无功分量以及不对称分量等。

图3为本实用新型的基于相位补偿策略的同步旋转坐标系基波提取数字算法流程图。基于同步参考坐标系(Synchronous Reference Frame，简称SRF)的谐波检测方法，其检测效果不受电网电压畸变和不对称等因素影响，性能优异，且易于数字实现。三相负载电流i_La，i_Lb，i_Lc经采样后，先剔除其零序电流分量，再利用dq(同步旋转坐标)变换将其变换到与A相电网电压e_a同步旋转的参考坐标系中。在SRF中，基波正序电流分量成为直流量，可利用低通滤波器滤出，即为 i_d；而不对称分量和谐波电流分量则为交变量。将直流侧电压控制的调节量Δi_d和 i_d相加并经dq反变换后，得到负载电流中所需的三相基波正序分量i_af，i_bf，i_cf。算法中使用的正余弦信号，采用“查表法”，即事先计算出正余弦值，各为512个点，放置于存储器中供运算时直接调用，减少程序处理时间。正余弦信号与电网的同步和相位控制则依赖于锁相倍频电路输送的方波脉冲信号T₁和T_N。图3中dq坐标变换矩阵为：

$T=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\ωt}& \cos (\mathrm{\ωt}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})& \cos (\mathrm{\ωt}+\frac{2\mathrm{\π}}{3})\\ -\sin \mathrm{\ωt}& -\sin (\mathrm{\ωt}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})& -\sin (\mathrm{\ωt}+\frac{2\mathrm{\π}}{3})\end{array}\right]---\left(1\right)$

在以DSP处理器为核心对非线性负载电流中基波分量进行数字化提取中，由于数字系统固有的时间延迟影响，使得输出的基波信号对于实际信号存在明显时滞，从电流矢量分析的角度看，相当于引进了一个无功分量，将影响补偿精度。该延迟和被检测负载的频谱特性、采样控制频率、数字信号处理器的处理数率等有关。为了克服数字实现引入的时间延迟，本实用新型提出相位补偿策略以实现无延时基波提取，其特征在于：在由同步旋转坐标系到三相静止坐标系的转换矩阵中引入了附加相位角Δθ，其中，Δθ＝ω·ΔT＝2π·f·ΔT，f为系统基波频率，ΔT为延迟时间。图3中dq坐标反变换矩阵为：

$T_1^{-1}=\left[\begin{array}{cc}\cos (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\Δ\θ})& -\sin (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\Δ\θ})\\ \cos (\mathrm{\ωt}-\frac{2\mathrm{\π}}{3}+\mathrm{\Δ\θ})& -\sin (\mathrm{\ωt}-\frac{2\mathrm{\π}}{3}+\mathrm{\Δ\θ})\\ \cos (\mathrm{\ωt}+\frac{2\mathrm{\π}}{3}+\mathrm{\Δ\θ})& -\sin (\mathrm{\ωt}+\frac{2\mathrm{\π}}{3}+\mathrm{\Δ\θ})\end{array}\right]---\left(2\right)$

由于非线性负载是基于电力电子器件构建的电路来实现功率转换，其在电网侧引入了大量谐波，也可能包含无功电流。参照图1，有源电力滤波器以和负载并联的方式接入电网。谐波检测系统上电后，完成自检以及和电网电压的同步。该混合型谐波检测系统的输出提供给并联型有源电力滤波器主电路部分作为补偿电流参考信号。有源电力滤波器主电路l包括电流控制环节11、驱动环节12、三相变流器13和交流侧接入电感14。电流控制环节根据补偿电流实时测量信号和补偿电流参考信号产生三路PWM(脉宽调制)控制波形，该PWM信号由驱动环节放大用来驱动三相变流器，产生实际的补偿电流并注入电网公共接入点，达到谐波滤除和无功补偿的目的。

实验中非线性负载为带阻感负载的三相不控桥式整流电路、输出功率15kW，电网相电压有效值220V。图4、图5中i_L为负载线电流，i_cr为有源电力滤波器补偿的谐波，i_sr则为补偿后的电网侧电流，籍此可对比考察谐波检测精度。如采用现有的全数字谐波检测系统，由图4可见补偿后的网侧电流i_sr存在尖刺，该尖刺实质为时间延迟，特别在负载电流di/dt较大处非常明显，使得有源滤波的效果较差。而由图5可见，采用本实用新型的混合型谐波检测的有源滤波器补偿后的网侧电流i_sr波形光滑且无尖刺，滤波效果非常好，说明本实用新型提出的混合型谐波检测有着高精度的明显优势。

Claims (4)

1.一种基于混合型谐波检测的有源电力滤波器，具有主电路(1)和谐波检测电路(2)两部分，主电路(1)包括电流控制环节(11)、驱动环节(12)、三相变流器(13)和电感(14)，其特征是谐波检测电路(2)包括：

—电流传感器(3)，用于实时测量非线性负载电流，其输入端接负载电流，输出端分二路，分别与信号调理电路(4)和模拟加法器(10)的输入端相连；

—信号调理电路(4)，用于滤除电流传感器(3)输出电流信号(i_La，i_Lb，i_Lc)中的高频噪声信号，并且将双极性信号转变为单极性信号(i_La′，i_Lb′，i_Lc′)；

—采样/保持电路(5)，用于对信号调理电路(4)输出的单极性三相电流信号(i_La′，i_Lb′，i_Lc′)在同一时间进行电平保持，输出同步三相负载电流信号，其输入端与信号调理电路(4)的输出端相连，；

—数字信号处理器芯片(6)，执行基于相位补偿的同步旋转坐标算法，提取负载电流中的基波正序分量，该芯片的一个A/D转换输入端与采样/保持电路(5)的输出端相连，另一个A/D转换输入端接电压控制调节量(Δi_d)；

—锁相倍频电路(7)，用于将电网电压的过零点检出，形成方波脉冲信号(T₁)，同时将方波脉冲信号(T₁)N倍频，形成倍频脉冲信号(T_N)，形成的方波脉冲信号(T₁)和倍频脉冲信号(T_N)均与数字信号处理器芯片(6)的CAP口相连；

—数字/模拟转换器(8)，用于将三相负载电流的基波正序分量转换为单极性模拟信号(i_af′，i_bf′，i_cf′)，其输入端与数字信号处理器芯片(6)的数字量输出端相连接；

—电平转换电路(9)，用于将数字/模拟转换器(8)输出的单极性模拟信号转换为双极性的三相负载电流基波正序信号(i_af，i_bf，i_cf)，其输入端与数字/模拟转换器(8)的输出端相连接；

—模拟加法器(10)，其两个输入端分别接电平转换电路(9)和电流传感器(3)的输出端，将输入信号相减，得到非线性负载电流中的谐波分量输给主电路(1)。

2.按权利要求1所述的基于混合型谐波检测的有源电力滤波器，其特征是所说的信号调理电路(4)中的每一相信号调理电路均由抗混叠滤波器、电平偏移电路和限幅电路构成，其中抗混叠滤波器由半片集成运算放大芯片(U1A)和相应的电阻元件RA1、RA2和电容元件CA1、CA2组成，电平偏移电路由半片集成运算放大芯片(U1B)和相应的电阻元件RA3、RA4、R5和R6组成，限幅电路由两只肖特基二极管DA1和DA2组成。

3.按权利要求1所述的基于混合型谐波检测的有源电力滤波器，其特征是所说的锁相倍频电路(7)是由过零检测电路、整形电路、锁相环和1/N分频电路构成，其中过零检测电路由半片集成运算放大芯片U14A和相应的检测变压器(TP1)、二极管DP1、DP2和电阻元件RP1、RP2、RP3组成，整形电路是带施密特触发器功能的反相器CD40106，锁相环和1/N分频电路则由锁相环芯片(U16)和计数器芯片(U17)和相应的阻容元件组成。

4.按权利要求3所述的基于混合型谐波检测的有源电力滤波器，其特征是所说的锁相环芯片(U16)是CD4046，计数器芯片(U17)是CD4040。

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