基于在線識(shí)別技術(shù)的有源電力濾波器的設(shè)計(jì)?

王 飛黃 琛

（1.海裝沈陽局大連地區(qū)第一軍事代表室 大連 116001）（2.電磁兼容性國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 武漢 430064）

1 引言

有源電力濾波（APF）技術(shù)已應(yīng)用于電力電子領(lǐng)域的諧波抑制和無功補(bǔ)償。許多APF設(shè)計(jì)用于三相交流電源濾波［1～4］。目前，船用直流電源中的整流諧波越來越受到關(guān)注，因?yàn)樗鼈內(nèi)菀讓?duì)LF/VLF敏感電子設(shè)備產(chǎn)生干擾［5～6］。

與所需的DC電壓/電流幅度相比，DC電源產(chǎn)生的諧波通常具有非常低的幅度。與交流電網(wǎng)中存在的頻率相比，它們具有相對(duì)較高的頻率［7］。因此，在設(shè)計(jì)直流APF時(shí)，諧波檢測(cè)和實(shí)時(shí)補(bǔ)償存在挑戰(zhàn)［8］。

本文設(shè)計(jì)并開發(fā)了某船舶直流電網(wǎng)的APF［9］。該APF利用信道特征技術(shù)的在線識(shí)別來避免傳統(tǒng)產(chǎn)品中可能存在的潛在振蕩問題［10～11］。

2 工作原理

該APF系統(tǒng)由諧波傳感器，諧波補(bǔ)償計(jì)算器，逆變器和電流注入單元組成［12］。系統(tǒng)關(guān)鍵部分是諧波補(bǔ)償值計(jì)算模塊。APF和電網(wǎng)一起構(gòu)成反饋回路。

諧波補(bǔ)償值計(jì)算模塊的輸入是實(shí)時(shí)諧波波形。該單元計(jì)算輸出電流的幅度，并驅(qū)動(dòng)逆變器向電網(wǎng)注入補(bǔ)償電流。該單元能夠識(shí)別信號(hào)獲取到當(dāng)前注入的路徑的相移特性。識(shí)別功能由數(shù)字FIR濾波器實(shí)現(xiàn)，其參數(shù)周期性更新。參數(shù)更新的標(biāo)準(zhǔn)是LMS理論。該理論如圖1所示。

信號(hào)d（n）是由圖1中所示的電流傳感器測(cè)量的原始信號(hào)（實(shí)時(shí)諧波信號(hào)），并且信號(hào)u（n）是與諧波具有相同頻率的參考信號(hào)。P（z）是表示u（n）和d（n）之間未知關(guān)系的傳遞函數(shù)。單元S（z）表示諧波傳感器，逆變器，電流注入單元和APF系統(tǒng)中的電纜的傳輸特性。如果成功識(shí)別P（z）和S（z），則APF的輸出y'（n）非常接近-d（n）。因此，抑制了諧波。

圖1 諧波補(bǔ)償計(jì)算模塊算法示意圖

此外，如果可以連續(xù)識(shí)別P（z）和S（z），那么盡管電網(wǎng)或放大器阻抗變化會(huì)引起P（z）和S（z）的變化，APF系統(tǒng)仍然可以穩(wěn)定地工作。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)上面討論的理論，開發(fā)了APF系統(tǒng)。系統(tǒng)框圖如圖2所示。

該系統(tǒng)由APF主機(jī)，前置放大器和兩個(gè)諧波傳感器組成。APF主機(jī)包括系統(tǒng)控制器，系統(tǒng)保護(hù)單元，功率放大器和電流注入單元。系統(tǒng)控制器有兩個(gè)功能:一個(gè)是監(jiān)視系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)保護(hù)單元在輸出功率，電壓或電流超過閾值時(shí)關(guān)閉功率放大器?？刂破鞯牧硪粋€(gè)功能是通過LMS方法計(jì)算諧波補(bǔ)償參數(shù)，并產(chǎn)生PWM脈沖以驅(qū)動(dòng)功率放大器?？刂破髦杏腥齻€(gè)LMS軟件塊（塊的數(shù)量是可擴(kuò)展的），構(gòu)成三個(gè)通道，每個(gè)通道處理一定頻率的諧波。為了實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，三個(gè)通道的工作頻率分別設(shè)置為2400Hz，4800Hz和7200Hz。

圖2 研制的APF系統(tǒng)示意圖

電流注入單元由無源帶通網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建。該裝置能夠?qū)PF與直流電源隔離，但將交流補(bǔ)償電流傳輸?shù)诫娋W(wǎng)。

兩個(gè)諧波傳感器用作系統(tǒng)輸入。其中一個(gè)諧波傳感器（傳感器2#）用于測(cè)量補(bǔ)償電流注入時(shí)諧波的殘余誤差；另一個(gè)諧波傳感器（傳感器1#）用于測(cè)量實(shí)時(shí)諧波頻率。兩個(gè)Rogowski線圈用作諧波傳感器。來自這兩個(gè)傳感器的信號(hào)首先被發(fā)送到前置放大器以改善SNR。開發(fā)的系統(tǒng)采用400mm×300mm×200mm尺寸的機(jī)柜包裝。

4 諧波抑制試驗(yàn)

本文搭建實(shí)驗(yàn)環(huán)境來驗(yàn)證系統(tǒng)性能。采用商用信號(hào)發(fā)生器和線性功率放大器構(gòu)成諧波源。用0.5Ω電阻（R1）模擬源電阻，另一個(gè)0.5Ω電阻（R2）模擬負(fù)載電阻。實(shí)驗(yàn)設(shè)置如圖3所示。通過在禁用/啟用APF時(shí)測(cè)量R2的諧波幅度來實(shí)現(xiàn)定量評(píng)估。

圖3 試驗(yàn)設(shè)置示意圖

信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生復(fù)合信號(hào)，其包括一系列頻率分量:2400Hz，4800Hz和 7200Hz。應(yīng)用/未應(yīng)用APF時(shí)的諧波幅度的時(shí)域比較可見圖4（a），頻域比較可見圖4（b）。

圖4 使用和不使用APF時(shí)的比較

5 結(jié)語

從圖4我們可以看出，研制的APF能夠抑制諧波。諧波抑制性能如表1。

表1 諧波抑制性能表現(xiàn)

可以看到，2400Hz和7200Hz諧波抑制了近50dB，4800Hz諧波抑制了大概15dB。我們認(rèn)為APF能夠精確地跟蹤目標(biāo)諧波并有效抑制它們。

我們同時(shí)注意到4800Hz諧波未達(dá)到高諧波抑制性能。這可能是由APF輸出級(jí)的低通濾波器引起的。開發(fā)的APF可以處理133dBuA/2400Hz諧波或116dBuA/7200Hz諧波，但不能完全處理130dBuA/4800Hz諧波。為了提高性能，應(yīng)優(yōu)化輸出級(jí)，例如:減少低通濾波器的并聯(lián)電容。