0 引言

    目前電網(wǎng)污染問題越來越嚴(yán)重,，諧波也逐漸增多,。諧波污染源大體分為兩類：電壓型諧波源和電流型諧波源。近年來隨著變頻器開關(guān)電源不間斷電源和電子鎮(zhèn)流器等電力電子裝置應(yīng)用的日益增多,，電網(wǎng)中電壓型諧波源不斷增多,，成為一種主要的諧波源。研究結(jié)論表明,，并聯(lián)型APF適合補(bǔ)償電流型諧波源,，串聯(lián)型APF適合補(bǔ)償電壓型諧波源，但交換補(bǔ)償時(shí)效果都不好^[1],。

    現(xiàn)在已有大量文獻(xiàn)資料論述過APF的原理及其設(shè)計(jì),，但大多都是針對(duì)三相系統(tǒng)或并聯(lián)型APF^[2，3],。文獻(xiàn)[1]設(shè)計(jì)了綜合補(bǔ)償?shù)拇?lián)混合型APF,，針對(duì)三相系統(tǒng)中的電壓、電流型諧波源有較好的補(bǔ)償效果,；文獻(xiàn)[2],、[3]均采用dq變換實(shí)現(xiàn)了諧波電流的檢測(cè)，并使用DSP作為核心控制芯片實(shí)現(xiàn)了APF功能,；文獻(xiàn)[4]提出新型串聯(lián)APF,，但其仍然是針對(duì)電流型諧波源，通過補(bǔ)償使電源電流為正弦波,；文獻(xiàn)[5]雖提出單相串聯(lián)型直流側(cè)有源電力濾波器,，但同文獻(xiàn)[4]一樣依然是針對(duì)電流型諧波源進(jìn)行補(bǔ)償；文獻(xiàn)[6]同樣是針對(duì)單相系統(tǒng)電流型諧波源進(jìn)行了控制策略的研究,。

    綜上所述,，大部分文獻(xiàn)針對(duì)三相電流型諧波源系統(tǒng)采用dq變換獲得諧波信息,，而單相電壓型諧波源的文獻(xiàn)很少。本文則針對(duì)單相電壓型諧波源設(shè)計(jì)了一個(gè)基于FFT的單相串聯(lián)型APF,，用于補(bǔ)償電壓諧波,；詳細(xì)敘述了FFT算法原理及在DSP上的實(shí)現(xiàn)，并優(yōu)化了硬件檢測(cè)電路及同步過零檢測(cè)電路,。

1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 串聯(lián)型APF組成

    單相串聯(lián)型APF的系統(tǒng)框圖如圖1所示,，主要由主控、檢測(cè),、驅(qū)動(dòng)及逆變電路四大部分組成,。核心處理器選用TI公司的TMS320F28335，可以滿足串聯(lián)型APF所需的大量運(yùn)算及實(shí)時(shí)性要求,。檢測(cè)電路采集電壓信號(hào)處理后送到DSP,，DSP對(duì)信號(hào)FFT處理得到電壓諧波信息，運(yùn)算產(chǎn)生補(bǔ)償電壓的給定值,，控制逆變器產(chǎn)生補(bǔ)償電壓,。

1.2 系統(tǒng)工作原理

    當(dāng)電網(wǎng)電壓含有諧波時(shí)，APF檢測(cè)電網(wǎng)電壓,，對(duì)電壓進(jìn)行FFT分析得到諧波頻率,、幅值和相位信息，并控制逆變器輸出與電網(wǎng)電壓諧波頻率,、幅值相同,，相位相差180°的電壓；通過變壓器疊加到電網(wǎng),，補(bǔ)償原有諧波電壓,，使得負(fù)載側(cè)電壓不含諧波，從而達(dá)到濾波目的,。當(dāng)負(fù)載是一個(gè)電壓型諧波源時(shí),，APF可以補(bǔ)償負(fù)載產(chǎn)生的電壓諧波，使電網(wǎng)電壓不受負(fù)載影響,，仍為標(biāo)準(zhǔn)正弦波,。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

    系統(tǒng)硬件主要由主電路、驅(qū)動(dòng)電路,、信號(hào)檢測(cè)電路,、信號(hào)同步電路、核心控制電路五大部分組成,。本文對(duì)信號(hào)檢測(cè)電路和同步電路進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),，以下進(jìn)行分別敘述。

2.1 交流電壓檢測(cè)電路

    為了精確獲得電網(wǎng)電壓諧波信息,，交流側(cè)電壓檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)至關(guān)重要,。因此本文選用精度高,、響應(yīng)快的霍爾電壓傳感器作為測(cè)量元件?；魻栯妷簜鞲衅鬏敵鼋?jīng)過LC濾除高次諧波及干擾信號(hào)，為了能檢測(cè)出25次以內(nèi)的電壓諧波,，LC濾波電路的截止頻率fs應(yīng)大于1.25 kHz,；同時(shí)為了準(zhǔn)確檢測(cè)諧波電壓的相位信息，則應(yīng)該盡可能減小檢測(cè)電路對(duì)被測(cè)信號(hào)的相移,。RC,、LC是兩種最簡(jiǎn)單常用的濾波電路，根據(jù)電路容易得到RC及LC濾波器的傳遞函數(shù)如下：

其中,，Grc(s),、Glc(s)分別為RC、LC的傳遞函數(shù),，將s=jw分別帶入式(1),、(2)可以得到RC及LC網(wǎng)絡(luò)的幅頻響應(yīng)如下：

    從式(3)、(4)可以看出,，RC組成的濾波電路幅頻特性中含有虛部,，說明會(huì)對(duì)原信號(hào)產(chǎn)生相移；而LC的幅頻特性中不含有虛部,，說明不影響原信號(hào)的相位,。因此采用LC濾波可以有效地避免濾波帶來的相移問題。

    將濾波后的信號(hào)經(jīng)過運(yùn)放放大,，并且抬升1.5 V,，使最終電壓在0～3 V，通過DSP的AD口采集,，如圖2所示,。

2.2 信號(hào)同步電路

    補(bǔ)償諧波電壓需要逆變器產(chǎn)生與諧波電壓相位相反的補(bǔ)償電壓，F(xiàn)FT可以得到的諧波與基波的相對(duì)相位,，因此同步電路必須得到基波電壓的準(zhǔn)確過零點(diǎn),。電壓含有大量諧波，普通的過零檢測(cè)電路在零點(diǎn)附近會(huì)產(chǎn)生多個(gè)同步信號(hào),；滯回比較器會(huì)因諧波存在而不能準(zhǔn)確得到基波的同步信號(hào),。針對(duì)上述問題，本文采用二階壓控型低通濾波器濾除高頻及干擾信號(hào),，全通濾波器濾波調(diào)整信號(hào)相位,，再過零比較得到同步信號(hào)。如圖3所示,，可以求出其輸入,、輸出頻率響應(yīng)：

2.3 主逆變電路設(shè)計(jì)

    主電路選用全橋逆變結(jié)構(gòu)如圖4所示,，功率器件采用APT5010,為了防止上下管直通損壞器件，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)表明加入1.5 μs的死區(qū)可以有效消除直通現(xiàn)象,。逆變橋輸出為方波,，需要經(jīng)過LC濾除高頻信號(hào)，并且截止頻率要大于需要補(bǔ)償?shù)闹C波頻率,。

3 軟件設(shè)計(jì)

    系統(tǒng)軟件主要包含兩大部分：主程序,、中斷服務(wù)程序。主程序主要完成系統(tǒng)信息的顯示,、鍵盤輸入等人機(jī)交互功能,；中斷服務(wù)程序是系統(tǒng)的核心，主要完成交直流電壓的采樣和運(yùn)算,、FFT分析,、PWM占空比計(jì)算等工作。中斷服務(wù)程序流程如圖5所示,。

    準(zhǔn)確檢測(cè)電壓諧波的頻率,、幅值、相位信息是本系統(tǒng)的關(guān)鍵,，dq變換需要虛擬另外兩相電壓,，會(huì)增加系統(tǒng)復(fù)雜度，因此本文采用FFT獲得諧波信息,。其具有精度高,、穩(wěn)定性好、可以選擇擬抵消的諧波次數(shù),、適用于單相系統(tǒng)等優(yōu)點(diǎn),。

    對(duì)于有限長離散數(shù)字信號(hào){x[n]}，其中0≤n≤N-1,，其離散譜{x[k]}可以由離散傅氏變換(DFT)求得,。DFT定義為^[7]： 

    W_N是周期性的，且周期為N,，由DFT的定義可以看出,，在x[n]為復(fù)數(shù)序列的情況下，完全直接運(yùn)算N點(diǎn)DFT需要大約N²次復(fù)數(shù)乘法和N(N-1)次加法,。FFT將原有的N點(diǎn)序列分成兩個(gè)較短的序列,，這些序列的DFT可以很簡(jiǎn)單地組合起來得到原序列的DFT，可以極大地減小運(yùn)算量,。以N=8為例,，F(xiàn)FT運(yùn)算按照這種方法來計(jì)算，如圖6所示^[7]。

    本文中N=256,，利用TI公司的FFT庫運(yùn)算一次僅用時(shí)2.1 ms,，優(yōu)于手寫代碼的4.3 ms，所能分辨到頻率為F_S/N,，采樣頻率F_S為12.8 kHz,，采樣點(diǎn)數(shù)為256點(diǎn)，因此第0個(gè)點(diǎn)代表直流分量信息,，第1個(gè)點(diǎn)代表50 Hz的信息,，第2個(gè)點(diǎn)表示100 Hz的信息，之后以此類推,。經(jīng)DSP對(duì)電壓信號(hào)FFT變換后,，其變換結(jié)果存在結(jié)構(gòu)體數(shù)組中,，分別得到其實(shí)部和虛部,，若記X(n)=A+jB，則各次諧波的幅值和相位滿足以下關(guān)系：

    根據(jù)式(10),、式(11)可以得到電壓信號(hào)中直流分量和諧波的幅值及諧波的相位信息,，為補(bǔ)償系統(tǒng)電壓諧波提供了參考值。

4 測(cè)試結(jié)果

    為了便于測(cè)試串聯(lián)型APF的性能參數(shù),，設(shè)計(jì)了一個(gè)模擬電網(wǎng)諧波裝置,，可以產(chǎn)生任意幅度、相位的基波與諧波的合成電壓,?？紤]安全因素，模擬電網(wǎng)的電壓為30 V,。圖7(a),、(b)、(c) 分別是3,、5,、3+5次諧波補(bǔ)償測(cè)試波形，圖中曲線1為模擬電網(wǎng)電壓,，曲線2為補(bǔ)償電壓,，曲線3為補(bǔ)償后電壓。從圖中可以看出補(bǔ)償前電壓中含有大量諧波,，經(jīng)APF補(bǔ)償后電壓成為標(biāo)準(zhǔn)地正弦波,。

    用電能質(zhì)量分析儀分別測(cè)得濾波前和濾波后的THD記錄于表1中，表中記錄了3次,、5次,、3+5次諧波濾波前后的THD，并且將諧波相對(duì)基波的相位從0°～360°變化觀察濾波效果。

5 結(jié)論

    FFT可以準(zhǔn)確檢測(cè)出各次諧波信息,，利用TI公司提供的FFT優(yōu)化庫函數(shù)僅需2.1 ms就可以完成一次256點(diǎn)FFT運(yùn)算,；信號(hào)同步電路很好地解決了普通過零檢測(cè)電路的缺點(diǎn)，可以精確得到同步信號(hào),，同時(shí)擁有較強(qiáng)的抗干擾性和精確性,。從表1中的數(shù)據(jù)可以看出，基于FFT的串聯(lián)型APF可以很好地補(bǔ)償電網(wǎng)中的低次電壓諧波,，并且既可以補(bǔ)償單個(gè)指定次數(shù)諧波,，也可以補(bǔ)償多個(gè)混合頻次的諧波，使濾波后電壓THD<3%,。串聯(lián)型APF主要用于補(bǔ)償?shù)痛沃C波,，通常與無源濾波器共同使用形成補(bǔ)償頻率上的高低互補(bǔ)，可以達(dá)到更好的濾波效果,。

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