基于DSP的諧振注入式有源濾波器 數字雙環控制方法

　　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字雙環控制方法。采用基波分壓或電流旁路方式，連接基波諧振支路，通過逆變器調節實現控制，運用擾動法跟蹤諧振注入式有源濾波器最大功率點，根據 YI 數字編程軟件量化、編碼離散信號轉化為數字信號，基于 DSP 技術采集和處理數字信號，通過關聯諧振濾波器與數字鎖相環輸出的電網實際角頻率，更新控制極點的數值，實現諧振注入式有源濾波器數字雙環控制。實驗結果表明，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) 發表時間：2021-04-14《齊齊哈爾大學學報》于1979年創刊，1998年由《齊齊哈爾輕工學院學報》更名為現名。該刊以反映我校省級重點學科建設和科研成果為特色，積極為地方經濟建設服務，為東北老工業基地的改造和振興提供智力支持。主要發表化學與化學工程、輕化工程、計算機科學與技術、通訊與電子工程、機械工程、生命科學與工程等學科領域的研究成果，積極為我校的教學科研服務，取得了顯著成績。該刊從2006年起由季刊改為雙月刊，論文發表周期縮短，規范化水平增強，學報的編輯出版質量不斷提高，越來越受到廣大教師和科研工作者的歡迎。

　　關鍵詞：DSP;諧振注入式;有源濾波器;數字;雙環控制

　　目前，各類電子設備得到廣泛的應用，從重工業領域到日常工業生產都離不開電子設備。電能質量的好壞直接影響著人們的日常生活及生產工作，因此，電子設備的實際運行效果，受到了人們的高度關注[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品，其主要運行原理是通過檢測電流當中的諧波負載，實現對電流諧波分量的計算，從而控制電路整體的開關動作，實現對電流補償。

　　有關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合，利用雙滯環矢量控制方法，控制無源濾波器組數，實現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 H 橋有源電力濾波器直流側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，底層是控制相內各 H 橋模塊電壓均衡，實現相間和相內電壓均衡控制。該方法能夠有效實現均衡控制，但現有技術在實際應用中存在相互干擾嚴重、控制誤差大、響應慢等問題。DSP 是一種數字信息處理技術，利用 DSP 技術制備的數字信號處理器，具有可編程性，并且比其他處理器的速度更快。同時，DSP 本質上屬于微處理器，其主要用于對數字信號的有效處理，DSP 是數字信號處理技術與實際應用的結合產物，進一步推動了數字信號處理技術發展的同時，還拓展了數字信號處理技術的應用領域，由于其具有數字信號處理效率、精度高等優點，已經被廣泛應用于多個領域中。因此，在對諧振注入式有源濾波器數字雙環控制方法進行設計時，引入 DSP 技術，針對現用控制問題提出優化后的控制方法。

　　1 諧振注入式有源濾波器應用原理

　　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或并聯的形式連接，其基本結構如圖 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構可以看出，該裝置在實際應用中，既可以實現對諧波的治理，同時又可以根據情況進行無功功率的補償，保證電力設備的穩定運行。

　　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節實現，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，從而使得對其進行控制時難度進一步提升，控制參數無法確定。

　　2 基于 DSP 的諧振注入式有源濾波器數字雙環控制方法

　　2.1 諧振注入式有源濾波器最大功率點跟蹤

　　由于在不同運行環境下，電力設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字雙環控制前，應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，實現對電力設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，可初步實現對諧振注入式有源濾波器的協調控制。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，根據實際測量得到的數據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，根據對比結構完成對濾波器工作點的控制調節。

　　通常情況下，在電力設備運行過程中，電網當中的電力設備需要在短時間內處于孤島運行狀態，濾波器此時不對直流母線電壓進行控制。由于電網通常采用直流負載額定電壓為 440V，而直流母線電壓為 500V，結合最大功率點跟蹤結果[7]。在對諧振注入式有源濾波器控制前，首先應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，再轉換為恒壓數字雙環控制。

　　2.2 基于 DSP 的離散化數字雙環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，本文結合小波的采集方法，對數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時間信號，離散處理連續時間信號，轉化為以離散形式表現的時間信號，再利用 YI 數字編程軟件將離散信號量化、編碼成數字信號，以此獲得的數字信號可以通過衛星通道、光纖、電纜、微波干線等數字線路進行傳送，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字雙環控制信號采集后，結合 DSP 技術對信號進行處理。根據濾波器特定的濾除工作和功能，處理過程中主要涉及的設備及裝置包括：單片機、 D/A 轉換器、自動增益控制電路等，其具體組成形式如圖 2 所示。

　　利用 DSP 技術將信號連續降半分割到相應的層上，將濾波器看作一個半帶濾波裝置，把測量到的距離結果以 4~20mA 模擬電流的形式傳送到電腦控制界面,根據該電流的大小判斷所測的距離結果。再利用 D/A 轉換器將測量結果的數字碼轉換成模擬信號，并通過 D/A 轉換器生成對應 12~24 mA 范圍內的模擬電流，并將該數據傳輸到上位機的控制界面當中[9]。通常情況下，電網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。根據公式計算得出，當離散化數字雙環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當中，其函數表達式為 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;h表示為諧波次數;wn 表示為基波角頻率;wm 表示為數字雙環輸出的電網電壓實際角頻率。由于濾波器的諧振頻率是隨著電網的實際運行頻率發生不斷變化的，因此在電網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字鎖相環輸出的電網實際角頻率關聯，不斷更新控制極點的數值，使電網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的效果，在兼顧控制效果的同時，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字雙環控制。

　　3 實驗結果分析

　　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字雙環控制方法的可行性，進行對比實驗。實驗選擇某工業生產廠中常見的風機作為濾波器進行濾波操作的電力設備。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，利用設備方法通過對有源濾波器數字雙環控制，控制電力設備穩定運行，實驗過程中利用電子表格分別記錄文獻[2]、文獻[3]和本文控制方法應用后，濾波器控制功率數值，將其與實際需求對比，計算出控制誤差，將其作為實驗結果，完成對比實驗，并將實驗結果記錄如表 1 所示。

　　由表 1 中的數據可以看出，本文控制方法在對諧振注入式有源濾波器進行數字雙環控制后，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。根據研究過程得出，基于 DSP 的諧振注入式有源濾波器數字雙環控制方法精度更高的原因為：由于在對濾波器進行控制時，可根據控制結果對控制信號進行實時調節，充分保證有源濾波器數字雙環控制信號的平穩，進一步實現對風機的精度控制。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字雙環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字雙環控制，具有較高的可行度和可行性，能夠滿足電力企業各類電力設備的運行需要，為電網的穩定運行提供條件，實現對電力設備全天候高精度控制。

　　4 結束語

　　本文針對諧振注入式有源濾波器數字雙環控制方法進行研究，提出基于 DSP 的諧振注入式有源濾波器數字雙環控制方法，并通過實驗證明了該方法的可行性。在實際應用中，由于諧振注入式有源濾波器整體結構復雜，加之 DSP 數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化，從而提高本文方法的應用與推廣。