基于DSP的諧振注入式有源濾波器 數(shù)字雙環(huán)控制方法

　　摘要：針對當前控制方法在對諧振注入式有源濾波器進行控制時，濾波器控制功率與實際需求功率相差較大的問題，提出了基于 DSP 的諧振注入式有源濾波器數(shù)字雙環(huán)控制方法。采用基波分壓或電流旁路方式，連接基波諧振支路，通過逆變器調(diào)節(jié)實現(xiàn)控制，運用擾動法跟蹤諧振注入式有源濾波器最大功率點，根據(jù) YI 數(shù)字編程軟件量化、編碼離散信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，基于 DSP 技術(shù)采集和處理數(shù)字信號，通過關(guān)聯(lián)諧振濾波器與數(shù)字鎖相環(huán)輸出的電網(wǎng)實際角頻率，更新控制極點的數(shù)值，實現(xiàn)諧振注入式有源濾波器數(shù)字雙環(huán)控制。實驗結(jié)果表明，該控制方法的濾波器控制功率與實際需求功率相差較小，能夠有效降低控制誤差。

　　本文源自張書紅， 齊齊哈爾大學學報(自然科學版) 發(fā)表時間：2021-04-14《齊齊哈爾大學學報》于1979年創(chuàng)刊，1998年由《齊齊哈爾輕工學院學報》更名為現(xiàn)名。該刊以反映我校省級重點學科建設(shè)和科研成果為特色，積極為地方經(jīng)濟建設(shè)服務(wù)，為東北老工業(yè)基地的改造和振興提供智力支持。主要發(fā)表化學與化學工程、輕化工程、計算機科學與技術(shù)、通訊與電子工程、機械工程、生命科學與工程等學科領(lǐng)域的研究成果，積極為我校的教學科研服務(wù)，取得了顯著成績。該刊從2006年起由季刊改為雙月刊，論文發(fā)表周期縮短，規(guī)范化水平增強，學報的編輯出版質(zhì)量不斷提高，越來越受到廣大教師和科研工作者的歡迎。

　　關(guān)鍵詞：DSP;諧振注入式;有源濾波器;數(shù)字;雙環(huán)控制

　　目前，各類電子設(shè)備得到廣泛的應(yīng)用，從重工業(yè)領(lǐng)域到日常工業(yè)生產(chǎn)都離不開電子設(shè)備。電能質(zhì)量的好壞直接影響著人們的日常生活及生產(chǎn)工作，因此，電子設(shè)備的實際運行效果，受到了人們的高度關(guān)注[1]。諧振注入式有源濾波器是一種用于抑制諧波的新型電力電子產(chǎn)品，其主要運行原理是通過檢測電流當中的諧波負載，實現(xiàn)對電流諧波分量的計算，從而控制電路整體的開關(guān)動作，實現(xiàn)對電流補償。

　　有關(guān)諧振注入式有源濾波器控制研究較多，文獻[2]提出混合型并聯(lián)有源濾波器控制方法，分析采用瞬時無功功率理論的諧波電流檢測法，推導出檢測負荷諧波和基波無功電流方法，通過有源和無源濾波器相結(jié)合，利用雙滯環(huán)矢量控制方法，控制無源濾波器組數(shù)，實現(xiàn)精確補償負荷諧波和基波無功電流。該方法能夠有效減小線損與電壓損失，文獻[3]提出級聯(lián) H 橋有源電力濾波器直流側(cè)電壓失衡分層控制方法，首層是均衡有功指令電流跟蹤和相間電壓，底層是控制相內(nèi)各 H 橋模塊電壓均衡，實現(xiàn)相間和相內(nèi)電壓均衡控制。該方法能夠有效實現(xiàn)均衡控制，但現(xiàn)有技術(shù)在實際應(yīng)用中存在相互干擾嚴重、控制誤差大、響應(yīng)慢等問題。DSP 是一種數(shù)字信息處理技術(shù)，利用 DSP 技術(shù)制備的數(shù)字信號處理器，具有可編程性，并且比其他處理器的速度更快。同時，DSP 本質(zhì)上屬于微處理器，其主要用于對數(shù)字信號的有效處理，DSP 是數(shù)字信號處理技術(shù)與實際應(yīng)用的結(jié)合產(chǎn)物，進一步推動了數(shù)字信號處理技術(shù)發(fā)展的同時，還拓展了數(shù)字信號處理技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，由于其具有數(shù)字信號處理效率、精度高等優(yōu)點，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于多個領(lǐng)域中。因此，在對諧振注入式有源濾波器數(shù)字雙環(huán)控制方法進行設(shè)計時，引入 DSP 技術(shù)，針對現(xiàn)用控制問題提出優(yōu)化后的控制方法。

　　1 諧振注入式有源濾波器應(yīng)用原理

　　諧振注入式有源濾波器通常采用基波分壓或電流旁路的方式，將串聯(lián)在注入支路當中的濾波器不會承受基波電壓以及基波電流，從而實現(xiàn)對濾波器容量的降低效果。諧振注入式有源濾波器中，有源部分分別與基波諧振支路以串聯(lián)或并聯(lián)的形式連接，其基本結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。

　　圖 1 中 L0表示為平波電路;A 表示為逆變器;B 表示為注入電容;C 表示為注入支路;D 表示為基波諧振支路。從圖 1 諧振注入式有源濾波器的整體結(jié)構(gòu)可以看出，該裝置在實際應(yīng)用中，既可以實現(xiàn)對諧波的治理，同時又可以根據(jù)情況進行無功功率的補償，保證電力設(shè)備的穩(wěn)定運行。

　　諧振注入式有源濾波器的控制方式主要是通過對逆變器的調(diào)節(jié)實現(xiàn)，通常情況下逆變器可以將其等效為一個電壓電源[4]。在濾波器裝置中存在多個電感、電容等無源元件，而通過無源元件的引入，可以有效提升濾波器的整體階數(shù)，從而使得對其進行控制時難度進一步提升，控制參數(shù)無法確定。

　　2 基于 DSP 的諧振注入式有源濾波器數(shù)字雙環(huán)控制方法

　　2.1 諧振注入式有源濾波器最大功率點跟蹤

　　由于在不同運行環(huán)境下，電力設(shè)備的輸出電壓工作條件不同，因此諧振注入式有源濾波器的控制量存在較大差異。在對諧振注入式有源濾波器數(shù)字雙環(huán)控制前，應(yīng)當明確其最大功率點，并對其最大功率點進行實時的跟蹤[5]。當控制到某一固定位置時，濾波器才能在允許條件下，實現(xiàn)對電力設(shè)備的電源最大輸出功率，即最大功率點。通過對最大功率點的跟蹤，可初步實現(xiàn)對諧振注入式有源濾波器的協(xié)調(diào)控制。本文采用擾動法對最大功率點進行追蹤。首先，對諧振注入式有源濾波器電源的輸入電壓實施一個變化的量，并在輸入電壓變化過程中測量電源的電壓與電流[6]。其次，根據(jù)實際測量得到的數(shù)據(jù)對電源的輸出功率進行計算，將新的輸出功率與變化之前的輸出功率測量值進行對比，根據(jù)對比結(jié)構(gòu)完成對濾波器工作點的控制調(diào)節(jié)。

　　通常情況下，在電力設(shè)備運行過程中，電網(wǎng)當中的電力設(shè)備需要在短時間內(nèi)處于孤島運行狀態(tài)，濾波器此時不對直流母線電壓進行控制。由于電網(wǎng)通常采用直流負載額定電壓為 440V，而直流母線電壓為 500V，結(jié)合最大功率點跟蹤結(jié)果[7]。在對諧振注入式有源濾波器控制前，首先應(yīng)當對直流母線電壓進行處理，待直流負載額定電壓降低到 440V 后，再轉(zhuǎn)換為恒壓數(shù)字雙環(huán)控制。

　　2.2 基于 DSP 的離散化數(shù)字雙環(huán)控制信號采集與處理

　　在對諧振注入式有源濾波器控制信號進行采集時，由于監(jiān)測頻帶較寬，需要劃分大量的子帶，導致通道之間存在不匹配問題[8]。因此，本文結(jié)合小波的采集方法，對數(shù)字信號進行采集和處理。首先利用計算機處理測量到的連續(xù)時間信號，離散處理連續(xù)時間信號，轉(zhuǎn)化為以離散形式表現(xiàn)的時間信號，再利用 YI 數(shù)字編程軟件將離散信號量化、編碼成數(shù)字信號，以此獲得的數(shù)字信號可以通過衛(wèi)星通道、光纖、電纜、微波干線等數(shù)字線路進行傳送，將一個低速率信號采樣指令分配到每一個子帶，利用子帶換取動態(tài)范圍的提升，提高小信號采集的量化精度。

　　完成對濾波器離散化數(shù)字雙環(huán)控制信號采集后，結(jié)合 DSP 技術(shù)對信號進行處理。根據(jù)濾波器特定的濾除工作和功能，處理過程中主要涉及的設(shè)備及裝置包括：單片機、 D/A 轉(zhuǎn)換器、自動增益控制電路等，其具體組成形式如圖 2 所示。

　　利用 DSP 技術(shù)將信號連續(xù)降半分割到相應(yīng)的層上，將濾波器看作一個半帶濾波裝置，把測量到的距離結(jié)果以 4~20mA 模擬電流的形式傳送到電腦控制界面,根據(jù)該電流的大小判斷所測的距離結(jié)果。再利用 D/A 轉(zhuǎn)換器將測量結(jié)果的數(shù)字碼轉(zhuǎn)換成模擬信號，并通過 D/A 轉(zhuǎn)換器生成對應(yīng) 12~24 mA 范圍內(nèi)的模擬電流，并將該數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C的控制界面當中[9]。通常情況下，電網(wǎng)電流具有較大的變化率，有源濾波器的補償誤差最大和最小之間形成脈動。通過上述分析得出，諧振注入式有源濾波器輸出的補償電流平均滯后時間計算公式為T ?? (1) 式(1)中，Td _ max 表示為補償電流平均滯后時間;Tp 表示為最大延遲時間;Tb 表示為最小延遲時間。根據(jù)公式計算得出，當離散化數(shù)字雙環(huán)控制信號采集頻率為 15.5kHz，并且信號采樣與信號處理的時間為 42μs， Tp 取值為 100 μs，Tb 取值為 42 μs，其平均延時可達到 71 μs。而當 DSP 數(shù)字信號處理器的采集頻率進一步降低時，平均延時將會不斷增加，因此，延時越長，平均補償誤差越大。

　　2.3 諧振頻率控制補償策略

　　在采用上述方法完成對控制信號的處理后，針對控制信號的變化提出相應(yīng)的諧振頻率控制補償策略。將上述離散后的控制信號引入到離散域傳遞函數(shù)當中，其函數(shù)表達式為 2 2 ( 1) ( ) n m h w g p w b ??? (2) 式(2)中， g p( ) 表示為離散域傳遞函數(shù);h表示為諧波次數(shù);wn 表示為基波角頻率;wm 表示為數(shù)字雙環(huán)輸出的電網(wǎng)電壓實際角頻率。由于濾波器的諧振頻率是隨著電網(wǎng)的實際運行頻率發(fā)生不斷變化的，因此在電網(wǎng)頻率波動的過程中仍然能夠保證一定的諧振控制效果[10]。通過將每一個諧振濾波器與數(shù)字鎖相環(huán)輸出的電網(wǎng)實際角頻率關(guān)聯(lián)，不斷更新控制極點的數(shù)值，使電網(wǎng)頻率始終能夠保證其與諧振的頻率匹配，達到對諧振頻率控制補償?shù)男Ч诩骖櫩刂菩Ч耐瑫r，提高控制方法的易用性，因此完成基于 DSP 的諧振注入式有源濾波器數(shù)字雙環(huán)控制。

　　3 實驗結(jié)果分析

　　為進一步驗證本文提出的基于 DSP 的諧振注入式有源濾波器數(shù)字雙環(huán)控制方法的可行性，進行對比實驗。實驗選擇某工業(yè)生產(chǎn)廠中常見的風機作為濾波器進行濾波操作的電力設(shè)備。風機的功率大小為 16.5kW，光伏電池總功率大小為 36kW，儲能電池容量大小為 20kW，母線電壓為 300V。實驗中分別將電力設(shè)備運行功率加大 5.50, 6.00, 7.50, 8.00, 9.50, 12.50, 15.50, 17.50, 19.50, 25.50kW，利用設(shè)備方法通過對有源濾波器數(shù)字雙環(huán)控制，控制電力設(shè)備穩(wěn)定運行，實驗過程中利用電子表格分別記錄文獻[2]、文獻[3]和本文控制方法應(yīng)用后，濾波器控制功率數(shù)值，將其與實際需求對比，計算出控制誤差，將其作為實驗結(jié)果，完成對比實驗，并將實驗結(jié)果記錄如表 1 所示。

　　由表 1 中的數(shù)據(jù)可以看出，本文控制方法在對諧振注入式有源濾波器進行數(shù)字雙環(huán)控制后，得到的電源功率與實際需求功率相比，控制誤差在 0.02~0.06 kW 之間，最大控制誤差僅為 0.06 kW，平均控制誤差為 0.03kW;文獻[2]控制方法最小控制誤差為 0.48kW，最大控制誤差可達到 1.03 kW，平均控制誤差為 0.67 kW;而文獻[3]控制方法最小控制誤差為 0.45 kW，最大控制誤差可達到 1.16kW，平均控制誤差為 0.74kW。根據(jù)研究過程得出，基于 DSP 的諧振注入式有源濾波器數(shù)字雙環(huán)控制方法精度更高的原因為：由于在對濾波器進行控制時，可根據(jù)控制結(jié)果對控制信號進行實時調(diào)節(jié)，充分保證有源濾波器數(shù)字雙環(huán)控制信號的平穩(wěn)，進一步實現(xiàn)對風機的精度控制。因此，通過對比實驗證明，本文提出的基于 DSP 的諧振注入式有源濾波器數(shù)字雙環(huán)控制方法控制精度更高，相比于當前控制方法更適用于有源濾波器數(shù)字雙環(huán)控制，具有較高的可行度和可行性，能夠滿足電力企業(yè)各類電力設(shè)備的運行需要，為電網(wǎng)的穩(wěn)定運行提供條件，實現(xiàn)對電力設(shè)備全天候高精度控制。

　　4 結(jié)束語

　　本文針對諧振注入式有源濾波器數(shù)字雙環(huán)控制方法進行研究，提出基于 DSP 的諧振注入式有源濾波器數(shù)字雙環(huán)控制方法，并通過實驗證明了該方法的可行性。在實際應(yīng)用中，由于諧振注入式有源濾波器整體結(jié)構(gòu)復雜，加之 DSP 數(shù)字信號處理器的引入，使得控制難度增加，對于多諧振濾波器而言，該控制方法仍然存在一些問題。因此，在后續(xù)的研究中，還將針對多諧振類型的濾波器的控制對本文方法進行優(yōu)化，從而提高本文方法的應(yīng)用與推廣。