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摘 要：随着电网的不断的发展，大量的电力产品被应用于工农业生产和人们的生活中，但由于非线性负载的特性，大量的谐波电流和无功电流被不断的注入到电网中，带来了大量的电能质量问题。针对三相四线制并联型有源电力滤波装置，探讨基于blackfin（DSP）的控制方法，补偿指令电流的计算方法和直流侧电压控制的实现方法，并通过实验验证该有源滤波装置对谐波治理的有效性。
关键词：非线性负载 电能质量 有源电力滤波器
中图分类号：TM761 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）008-022-02
1 引言
现代工业的快速发展，越来越多的非线性负载被大量的使用，其负面的效应也越来越明显。大量的谐波被注入到电网中，使得电网中电压波形和电流波形都严重失真。而解决谐波污染的途径主要有：（1）对电力电子设备自身进行改造；（2）对谐波进行补偿。随着电力电子技术，控制技术，数字信号处理技术的快速发展，特别是高性能的IGBT等开关元件的出现和高性能的DSP芯片的使用，有源滤波器已进入实用阶段。在国外，大量的有源滤波器被使用以解决谐波带来的电能质量问题。与国外相比，我国的有源滤波器还处于研究阶段，只有少量的被投入使用。伴随着我国对电能质量治理工作的深入开展，使用电力有源滤波器有很大的市场潜力，将会得到广泛的应用。
本文主要介绍了基于blackfin下控制IGBT开关元件实现补偿的过程和原理，以及实验得到的波形和数据的分析，验证了有源滤波器对谐波治理的有效性。
2 并联型有源电力滤波器的结构和工作原理
图1所示为APF结构和原理图，主要由两大部分组成，即指令电流计算电路及补偿电流发生电路。主电路采用PWM变流器，产生补偿电流时，主要作为逆变器工作，电网向储能元件充电时，作为整流器工作。
APF的主要工作原理是，经过指令电流运算电路得到补偿电流的指令信号，通过发生电路产生补偿电流，从而将负载电流中的谐波和无功电流抵消掉，得到基波电流。
3 瞬时无功算法理论
4 直流侧电压Udc的控制
当处于三相四线制时，负载有可能会处于不平衡的状态，此时由于IGBT工作的不对称性会导致上下电容的电压处于极度的不平衡状态。通过比较采样计算后的电容电压差和存储的电压差相减，来决定补偿电流减去的值。这样电压就会通过控制上下电容的充放电达到平衡。
5 有源电力滤波器的电流控制技术
有源电力滤波器的电流跟踪控制是根据补偿电流的指令信号和实际补偿电流之间的相互关系，得出PWM信号，控制 APF 输出电流跟踪参考电流的变化。
有源电力滤波器补偿电流控制算法主要有：三角载波调制法、滞环电流比较调制法和无差拍控制算法等。
5.1 三角载波调制法
特点：开关频率比较固定，简单易行，对开关频率较高的系统有较好的控制特性。但硬件电路较为复杂，跟随误差较大。
5.2 滞环电流比较调制法
特点：硬件电路简单易实现、动态响应快、控制精度高；但开关频率不固定，而且跟踪精度受带宽影响。
6 blackfin系列芯片的介绍与选型
6.1 blackfin芯片简介
Blackfin处理器是由ADI和英特尔公司联合开发的数字信号处理芯片，它将一个32位RISC型指令集和通用型微控制器所具有的易用性和双16位乘法累加（MAC）信号处理功能集合在一起。使得Blackfin处理器可以在信号处理以及控制处理应用中都发挥很好的作用，在很多情况下减少了单独添加异类处理器的需要。极大地降低硬件、软件设计实现任务的复杂度。
目前，Blackfin处理器在单内核产品中最大可以达到756M的性能。提供了最低0.8V功耗性能。高性能与低功耗的组合满足当今及未来的信号处理应用。
6.2 blackfin选型
在有源滤波的实际应用中，我们选用了blackfin系列芯片中的bf518F芯片，该芯片具有三组PWM通道，且具有死区控制功能.高速的数字处理速度，能够保证快速的跟踪指令电流的变化。其具有两组全双工的sport串口，我们匹配了一块同样是ADI公司的AD芯片ad7606，最大吞吐率可达200Mps。通过EBIU口，我们也还匹配了一块同样是ADI公司的AD芯片ad7934，该芯片可以达到更高的采样频率，能够保证快速的反馈实际的补偿电流。
7 实验波形
通过实验验证了有源滤波器的可行性，得到了与理论分析相近的波形，电流畸变率得到明显改善，谐波带来的电能质量问题得到了解决。
8 结语
本文提出了一种基于blackfin系列DSP芯片来实现有源滤波器的方法，介绍了软件上实现的优化算法，直流侧电压控制的原理和方法，以及变流器控制方法；最后验证了有源滤波器对谐波治理的有效性和实用性。
参考文献：
[1] 张加庆.有源滤波器的控制策略及特性分析[D].济南：山东大学，2007.
[2] 宋文南，刘宝仁.电力系统谐波分析[M].北京：水利电力出版社，2005.
[3] 姜齐荣，赵东元，陈建业.有源电力滤波器：结构·原理·控制[M].北京：科学出版社，2005.
[4] Sasaki H，Machida T.A. A new method to eliminate ac harmonic currents by Magnetic compensation on basic design[J].IEEE Trans.Power APP&Syst，1971（90）.
[5] Gyugyi L，Strycula E C.Active ac Power filters[A].In： Proc of IEEE/IAS Annual Meeting[C].1976.
[6] Akagi H，Kanazawa Y，NAbae A.Generalized theory of the instantaneous reactive power in three-phase circuits.In Proc.Of IEEE&JIEE IPEC，Tokyo，1983.
[7] 同向前，王党帅，赵叶艳.一种新型谐波与武功电流检测方法[J].电力系统及其自动化学报，2008（20）.
关键词：非线性负载 电能质量 有源电力滤波器
中图分类号：TM761 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）008-022-02
1 引言
现代工业的快速发展，越来越多的非线性负载被大量的使用，其负面的效应也越来越明显。大量的谐波被注入到电网中，使得电网中电压波形和电流波形都严重失真。而解决谐波污染的途径主要有：（1）对电力电子设备自身进行改造；（2）对谐波进行补偿。随着电力电子技术，控制技术，数字信号处理技术的快速发展，特别是高性能的IGBT等开关元件的出现和高性能的DSP芯片的使用，有源滤波器已进入实用阶段。在国外，大量的有源滤波器被使用以解决谐波带来的电能质量问题。与国外相比，我国的有源滤波器还处于研究阶段，只有少量的被投入使用。伴随着我国对电能质量治理工作的深入开展，使用电力有源滤波器有很大的市场潜力，将会得到广泛的应用。
本文主要介绍了基于blackfin下控制IGBT开关元件实现补偿的过程和原理，以及实验得到的波形和数据的分析，验证了有源滤波器对谐波治理的有效性。
2 并联型有源电力滤波器的结构和工作原理
图1所示为APF结构和原理图，主要由两大部分组成，即指令电流计算电路及补偿电流发生电路。主电路采用PWM变流器，产生补偿电流时，主要作为逆变器工作，电网向储能元件充电时，作为整流器工作。
APF的主要工作原理是，经过指令电流运算电路得到补偿电流的指令信号，通过发生电路产生补偿电流，从而将负载电流中的谐波和无功电流抵消掉，得到基波电流。
3 瞬时无功算法理论
4 直流侧电压Udc的控制
当处于三相四线制时，负载有可能会处于不平衡的状态，此时由于IGBT工作的不对称性会导致上下电容的电压处于极度的不平衡状态。通过比较采样计算后的电容电压差和存储的电压差相减，来决定补偿电流减去的值。这样电压就会通过控制上下电容的充放电达到平衡。
5 有源电力滤波器的电流控制技术
有源电力滤波器的电流跟踪控制是根据补偿电流的指令信号和实际补偿电流之间的相互关系，得出PWM信号，控制 APF 输出电流跟踪参考电流的变化。
有源电力滤波器补偿电流控制算法主要有：三角载波调制法、滞环电流比较调制法和无差拍控制算法等。
5.1 三角载波调制法
特点：开关频率比较固定，简单易行，对开关频率较高的系统有较好的控制特性。但硬件电路较为复杂，跟随误差较大。
5.2 滞环电流比较调制法
特点：硬件电路简单易实现、动态响应快、控制精度高；但开关频率不固定，而且跟踪精度受带宽影响。
6 blackfin系列芯片的介绍与选型
6.1 blackfin芯片简介
Blackfin处理器是由ADI和英特尔公司联合开发的数字信号处理芯片，它将一个32位RISC型指令集和通用型微控制器所具有的易用性和双16位乘法累加（MAC）信号处理功能集合在一起。使得Blackfin处理器可以在信号处理以及控制处理应用中都发挥很好的作用，在很多情况下减少了单独添加异类处理器的需要。极大地降低硬件、软件设计实现任务的复杂度。
目前，Blackfin处理器在单内核产品中最大可以达到756M的性能。提供了最低0.8V功耗性能。高性能与低功耗的组合满足当今及未来的信号处理应用。
6.2 blackfin选型
在有源滤波的实际应用中，我们选用了blackfin系列芯片中的bf518F芯片，该芯片具有三组PWM通道，且具有死区控制功能.高速的数字处理速度，能够保证快速的跟踪指令电流的变化。其具有两组全双工的sport串口，我们匹配了一块同样是ADI公司的AD芯片ad7606，最大吞吐率可达200Mps。通过EBIU口，我们也还匹配了一块同样是ADI公司的AD芯片ad7934，该芯片可以达到更高的采样频率，能够保证快速的反馈实际的补偿电流。
7 实验波形
通过实验验证了有源滤波器的可行性，得到了与理论分析相近的波形，电流畸变率得到明显改善，谐波带来的电能质量问题得到了解决。
8 结语
本文提出了一种基于blackfin系列DSP芯片来实现有源滤波器的方法，介绍了软件上实现的优化算法，直流侧电压控制的原理和方法，以及变流器控制方法；最后验证了有源滤波器对谐波治理的有效性和实用性。
参考文献：
[1] 张加庆.有源滤波器的控制策略及特性分析[D].济南：山东大学，2007.
[2] 宋文南，刘宝仁.电力系统谐波分析[M].北京：水利电力出版社，2005.
[3] 姜齐荣，赵东元，陈建业.有源电力滤波器：结构·原理·控制[M].北京：科学出版社，2005.
[4] Sasaki H，Machida T.A. A new method to eliminate ac harmonic currents by Magnetic compensation on basic design[J].IEEE Trans.Power APP&Syst，1971（90）.
[5] Gyugyi L，Strycula E C.Active ac Power filters[A].In： Proc of IEEE/IAS Annual Meeting[C].1976.
[6] Akagi H，Kanazawa Y，NAbae A.Generalized theory of the instantaneous reactive power in three-phase circuits.In Proc.Of IEEE&JIEE IPEC，Tokyo，1983.
[7] 同向前，王党帅，赵叶艳.一种新型谐波与武功电流检测方法[J].电力系统及其自动化学报，2008（20）.