目前，電力" title="電力">電力濾波器" title="濾波器">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" title="RCP">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)跟蹤問(wèn)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" title="混合型">混合型有源電力濾波器（Hvbrid 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(zhuān)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

　　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

　　利用Embedded Target，能夠通過(guò)CCS（Cede 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

　　小波分析的實(shí)現(xiàn)通常采用信號(hào)的多分辨分解法（Multiresolution Signl 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)多分辨分解法實(shí)現(xiàn)

　　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(lèi)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：

　　其中,，為母小波，a為伸縮因子,，b為平移因子,。在時(shí)域中是拉伸還是收縮取決于a。

　　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(chēng)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C28xADC,、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

　　其中,，在Wavelet子系統(tǒng)中集成了Environment ControRer、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（Acfiire 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。
　　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,。
　　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)

　　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,。混合型有源電力濾波器模型如圖6所示,。

圖6 混合型有源電力濾波器模型

　　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400V,，50Hz。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(chēng)整流器組成,。

 

圖7 有源濾波器模型

　　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,，為n次諧波的電流標(biāo)么值，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

　　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 電流補(bǔ)償前后波形

　　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

　　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,。