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无忧无虑论文网：全数字控制系统在电力系统的应用分析

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关键词：变流器/有源电力滤波器 数字控制系统 中国论文 职称论文

无忧无虑论文网：全数字控制系统在电力系统的应用分析

摘要:介绍了电气化铁路用单相并联混合型有源滤波器的全数字控制系统。首先简介并联混合型单相有源电力滤波器的结构和基本原理,提出对控制系统的要求,据此确定控制系统硬件结构,随后介绍硬件配置的特点和软件的具体实现,最后给出了实验结果。实验表明,该控制系统满足有源滤波器的实时控制要求,并联混合型滤波器的滤波性能良好。

关键词:变流器/有源电力滤波器 数字控制系统

Abstract:A full digital control system of the single-phase parallel hybrid active power filter for electrified railways isintroduced. First, the configuration and basic operation principle of the active power filter are introduced. Second, thecontrol purpose is proposed, then the hardware is designed and the characteristics of hardware are given. At last, someexperimental results are obtained. It shows that the control system meets real-time requirement of the active power filterand the compensation properties of the active power filter are very good.

Keywords:converter; active power filter; digital control system

1　引　言

有源电力滤波器(APF)是目前性能最好的谐波补偿装置,代表了谐波补偿装置的发展方向。目前投入应用的APF大多为并联型,且多为三相[1,2]。实际上单相电路谐波的抑制也是人们所关心的问题。例如,由直流电机拖动的电力机车就是典型的单相谐波源。与并联型APF相比,并联混合型单相有源滤波器中的有源部分容量小,因而初始投资少,非常适合于对电力机车这类大容量谐波源的滤波[3]。

本文介绍用于这种并联混合型单相有源滤波器的基于DSP的全数字控制系统。由于APF对控制系统的实时性有非常高的要求,因此早期的APF都采用模拟控制。但是模拟控制所固有的精度低、无法实现一些先进复杂的控制方法、调试困难等缺点在一定程度上妨碍了有源滤波器的发展。微电子技术的迅速发展使得这种情况迅速改变。APF的控制系统逐渐从模拟向模数混合发展,近期又发展到了以微处理器、微控制器、数字信号处理器(DSP)等为核心的全数字结构。这种发展使得多种多样的控制算法能够方便地实现。作者所研制的单相并联混合型APF就采用了以DSP为核心的全数字控制,该控制系统在确保满足APF对实时性要求的同时,充分发挥了数字控制的诸多优点。

2　混合型有源电力滤波器的结构、原理及对控制系统的要求

图1为单相并联混合型APF的基本结构。

它由有源滤波器和无源滤波器串联构成,与谐波源负荷并联连接。这里的无源滤波器由3次、5次等单调谐LC滤波器组成。APF的主电路是一个具有直流电压支撑电容的单相桥式PWM变流器,它通过耦合变压器和无源滤波器串联连接。电感Ls和电容Cr用以滤除PWM变流器输出电压中的高频脉动。耦合变压器起到隔离、均衡PWM变流器的电压与电流容量的作用。谐波源为带感性负载的单相桥式整流器,可视为电流源。电网阻抗一般呈感性,故用电感Ls表示。

图2示出并联混合型有源滤波器的等效电路。图中各下标的含义是,S表示电网、L表示负载、F表示无源滤波器、C表示有源滤波器。下标f和h分别表示基波和谐波。图中,无源滤波器起主要的滤波和无功补偿作用。有源滤波器被控制为一个谐波电压源,产生与网侧谐波电流成K倍比例的谐波电压。由图2分析可得流入电网的谐波电流:

从上式可以看出,有源滤波器的控制作用相当于在网侧谐波阻抗ZSh旁串联了一个电阻K,从而增加了电源支路对谐波的阻抗,迫使负载电流iL中的谐波成分尽量流入无源滤波器,极大地改善无源滤波器的补偿效果,同时可以阻尼电网阻抗和无源滤波器之间的谐振。此外,有源滤波器还能够抑制电源电压谐波引起的流向无源滤波器的谐波电流。

从以上工作原理可知,控制系统应当满足的基本要求是:从电源电流中实时检测出其谐波成分,并控制PWM变流器产生与之成比例的谐波电压。

3　控制方法和控制系统硬件结构

图3给出了控制方法的框图。谐波实时检测采用了离散傅立叶变换和反变换的方法(由图中DFT部分实现),应用该方法可对指定次谐波进行补偿。经过生成PWM控制信号的环节,去IGBT的驱动电路,控制4个IGBT的通断,使变流器产生所期望的补偿电压。变流器工作时,其自身的能量损耗会引起直流侧电容电压udc的降低,但为了保证PWM变流器的正常工作,udc应当保持恒定。为此,引入了直流电压反馈控制。udc的给定值u*dc与反馈值udc比较之后的偏差,经PI调节器,在补偿电压的指令信号中加入一定的基波成分,使得PWM变流器在生成所需谐波电压的同时,生成一定的基波电压。该基波电压与流经APF的电流基波成分相作用,控制变流器中的能量流动,以维持直流电压udc的恒定。

图3中的计算和控制功能比较复杂,要得到好的滤波效果,控制系统就应尽可能快地检测、分析和计算出电流中特定的谐波分量,然后据此生成补偿电压的指令信号,并实时控制APF的主电路使其输出所需的波形。这一方面要求控制系统具有快速的数字信号处理能力;另一方面,也要求系统具有丰富的I/O接口并且适用于控制电力电子器件。为满足以上要求,采用了以双DSP为核心的全数字控制系统,两片DSP分别是TI公司的TMS320C32和TMS320F240。其中TMS320C32因其强大的运算能力而主要用于浮点计算和数据处理[4];而TM320F240则是TI公司推出的专门面向电机控制的定点运算DSP,具有较强的接口能力和可输出PWM波形的事件管理器,主要完成数据采集和PWM波形的生成[5]。两片DSP通过一片16K×16bit的双口RAM(IDT7026)进行数据交换 本论文由无忧论文网www.51lunwen.com整理提供

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