摘要：本文首先介绍了有源电力滤波器(APF)的拓扑结构，选择了三相三线制并联型结构为研究对象，构建了数学模型并对其工作原理作了阐述。准确的无功和谐波电流检测是实现有源滤波功能的前提，本文介绍了相关的电流检测方法，对基于无功功率理论和同步坐标变换理论的检测法进行了详细的推导并利用数学变换得到一种新的检测方法。数字化控制是未来有源滤波技术发展的趋势之一，因而本文以MC56F8346为核心设计了对整个电力有源滤波系统进行了软、硬件设计。分别对主要环节搭建了硬件测试电路，进行了实验研究。结合控制系统软件流程，编制了谐波电流检测、SVPWM等主要中断程序。最后在MATLAB/Simulink环境下，本文对有源滤波器各部分搭建了仿真模型。对负载电流检测模块和补偿电流控制模块实施仿真，且仿真结果表明搭建的模型符合系统补偿无功和抑制谐波的要求，可以实现良好的补偿功能。

关键词：谐波抑制，并联电压型有源电力滤波器，瞬时无功，数字处理芯片（MC56F8346）

1引言

无论在工业生产还是日常生活中，电能已经成为人类社会应用最广泛的能源，其应用程度是衡量一个国家发展水平的主要标志。随着科学的进步，特别是电力电子技术的发展，电力电子装置等非线性负载广泛地应用于工业控制领域，从而使电能得到了更加充分的利用。然而，由于这些负载的非线性、冲击性和不平衡用电性给电网造成了严重的谐波污染，电力电子装置已取代变压器成为电网中主要的谐波源。总体而言，无功电流和谐波电流的注入使电网的安全运行和电气设备的正常使用受到威胁。与此同时，现代工业生产和民用用户的用电设备对电能质量非常敏感，要求获得较高的供电质量。另外，无功补偿和谐波抑制的意义，更可以上升到从治理环境污染、保护绿色环境的角度来认识。可以说，对无功与谐波电流进行补偿和抑制越来越受到人们重视，研究电力变换装置对电网谐波和功率因数影响有着十分重要的意义，因而已成为电力电子技术、电力系统等领域中的热点课题。为解决这一问题，国内外学者提出了多种办法，而从目前的研究和使用情况来看，利用有源电力滤波器(APF)对无功电流和谐波电流进行补偿与抑制是一种可行的方法也是今后一个重要的发展趋势。

2APF的基本结构

APF主要有两个部分组成：主电路和控制电路。APF结构框图如图1所示。

当电网向直流侧储能元件充电时，APF的主电路作为整流器工作；当产生补偿电流时，主电路作为逆变器工作。控制电路主要实现计算无功和谐波指令电流、生成脉冲控制信号以及产生补偿电流。指令电流运算电路完成对负载电流的检测，即主要根据相关的检测理论从补偿对象的电流中分离出需要补偿的无功和谐波电流分量；补偿电流发生电路的作用则是以由指令电流运算电路得到的补偿电流作为参考信号，通过一定的控制方式，产生驱动电力电子器件工作的脉冲信号

使器件导通或截止从而控制主电路生成实际的补偿电流。

图1APF结构框图

3电压型有源滤波器原理

有源电力滤波器的主电路有两种类型,即电流型PWM逆变电路和电压型PWM逆变电路。它的作用是产生非正弦电流来补偿非线性负荷产生的谐波电流。电流型有源电力滤波器虽具有较高的可靠性，但却有较高的损耗并且在交流侧需要并联体积较大的电感，因此在一般场合下使用较少。电压型PWM变流器在它的直流侧有一个大电容，由于其轻便且特性较好，所以应用较为广泛。本文采用的电压型结构，其原理如图2所示。

图2并联型APF系统原理图

电路中非线性负载的存在导致电源电流波形发生畸变，使得负载电流中包含无功电流分量和谐波电流分量。APF的无功和谐波电流检测部分对负载电流iL进行检测，检测到无功电流分量iLfq和谐波电流分量Lhi，将两者作为控制生成补偿电流的指令信号ic*，经过恰当的控制后由APF补偿发生电路产生与指令电流信号大小相等方向相反的补偿电流ic，将其注入到电路中抵消无功和谐波电流分量从而使电源电流is中只含有基波分量iLf。

4并联型APF的数学模型

对每个桥臂来说，上下两个开关器件不能同时导通，因此只存在两种状态，即上桥臂导通，下桥臂关断；上桥臂关断，下桥臂导通。以图3所示的APF结构为基础，建立数学模型如下：

图3三相三线制并联型APF结构图

得到并联型APF的数学模型为：

4瞬时无功理论的谐波检测算法

基于Akagi三相瞬时无功理论的检测方法，这一检测方法在有源电力滤波器的发展过程中起到了巨大的推动作用，是目前APF中应用最广的一种检测方法。该方法将三相电气矢量变换到α、β坐标，并重新定义瞬时有功、瞬时无功等，再将这些功率逆变为三相补偿电流。当电源电压和负载电流均畸变时，ip、iq运算方式仍能准确检测出谐波电流，而p、q运算方式就存在误差。当三相电压或三相电流不对称时，直接应用ip、iq运算方式或p、q运算方式都存在检测误差。α-β坐标系下的电压和电流矢量如图4所示。

图4α-β坐标系下的电压和电流矢量

5基于同步坐标变换理论的电流检测方法

同步坐标变换的方法常用于简化电机的数学模型中，将静止坐标系下旋转变化的量变换为旋转坐标系下静止的量，从而方便模型的分析和控制。同样的，可以将这一方法应用于APF中负载电流的检测，而且这种方法还适用于三相电压畸变或不对称的情况。经过d-q变换后得到：

变换后在d轴和q轴上的电流的正序和负序分量的形式可知，原电流第n次正序分量变换后成为第n－1次正序分量，原电流第n次负序分量变换后成为第n+1次负序分量；原电流基波正序分量变换后成为直流量，最低次谐波正序分量的频率两倍于工频。通过低通滤波器后即可得到基波正序分量，进而可分离出无功和谐波电流分量。该检测方式的原理如图5所示。

图5d-q运算方式原理图

针对补偿电流的控制，本文采用电压跟踪控制方法实现。

电压空间矢量控制是电压跟踪控制的一种方法。空间矢量控制最初仅仅应用于电机控制的场合，是基于电机磁场理论而出现的一种控制策略。这种方法基本思想在于把三相电路作为一个整体来考虑，将三相电压状态转换成两相电压矢量，使空间旋转矢量由有限的静止矢量来合成和跟踪。将该法从电机控制领域进行拓展，不考虑电机控制中的物理概念，这就使其发展成为一种能普遍使用的PWM技术。同样的，空间矢量控制也适用APF的控制。对并联型APF来说，该法的特点包括：开关频率可以固定，采用合理的矢量控制顺序可以降低开关损耗，能够提高直流电压的使用率，具有较好的实时性，易于实现数字化控制。

6系统硬件电路

并联型APF包括主电路和控制电路两大部分。主电路与非线性负载并联在电源上，用来提供补偿电流；控制电路主要包括信号采集与调理电路、DSP控制电路以及驱动控制电路，作用是通过一系列的控制产生驱动主电路功率器件工作的PWM脉冲信号。指令电流的运算及补偿电流的跟踪控制均在DSP中实现。本文采用三相三线制电压源形式的主电路结构。

在设计三相三线制APF时要根据装置的容量、电压和电流等级，选择合理的开关器件及合适的变流器输出电压等级。由于APF与非线性负载并联连接，故与负载所接的交流电压是近似一致的，如果只需要补偿谐波，则要求滤波器的补偿电流与负载电流的谐波分量大小相等方向相反，在这种情况下，可以认为滤波器的容量取决于负载电流中谐波电流的大小。

本文设计选用智能功率模块(IPM)。它把功率开关器件、驱动电路、故障检测和保护电路等集成在一起，且可以将检测信号送到DSP中作中断处理。APF的容量为8KVA，交流侧线电压取400V，APF的补偿电流为12A。

6.1主电路直流侧电压的控制

对直流侧电容电压的控制只要通过对主电路瞬时有功电流的控制即可实现。对APF来说，直流侧电压至关重要，因为其大小直接影响滤波器补偿电流的跟踪能力。电压越高，补偿电流的变化率越大，变化越快，跟踪性能越好，从这一角度来说，应使电压尽量大，但是考虑到电容容量和耐压要求，又需要使电压尽量小。因此，设计时考虑在满足容量和耐压要求的前提下采用较大的直流侧电压。

6.2主电路电感和电容的选择

电感的选择需折衷考虑。选择电感时，需要考虑两方面的因素：一方面，应使补偿电流的变化率大于指令电流变化率的最大可能值，以便保证跟踪性能及满足不同非线性负载的要求。另一方面，应为电感设置一个下限范围，以便满足对补偿电流纹波的要求。电感选取采用的计算公式为：

其中，i*cmax为无功和谐波指令电流的最大值，通常情况下为负载电流的70%；

tc为一个周期内的采样间隔；λ是系数取0.3~0.4。在补偿无功和谐波电流时，若取三相整流桥的最大触发角为30°，根据得到的Ic=12A，则负载电流为IL=43.2A,i*cmax=30.2A，当采样频率为12.8kHz时，采样周期为tc=78.1μs，Udc≥3Um=1000V，得到L=3mL。

主电路直流侧电容的作用在于：变流器工作在整流状态时，电容做储能元件；变流器做逆变器运行时，电容可以提供稳定的直流电压，缓冲由于交流侧电感储能及高次谐波造成的能量脉动。为防止直流电压的波动，应使电容尽量大，还需要考虑谐波引起的电容电压波动。计算时采用如下公式：

其中，I-m是补偿电流中负序电流分量峰值，一般取补偿电流值的60%；ε是直流侧电压的脉动率，常取0.01；ω是电网基波角频率。将各数据代入上式，得到C=1000μF。

7控制电路设计

控制系统是实现无功补偿和谐波抑制的核心部分。控制部分的结构框图如图6所示。

图6APF控制部分结构框图

控制电路需完成无功与谐波指令电流计算以及产生SVPWM所需的控制信号，通过检测非线性负载电流计算得到指令运算电流，经过控制运算产生SVPWM控制信号，驱动开关器件动作实现对滤波器的通断控制从而生成相应的补偿电流，用以消除线路中无功谐波分量。控制部分主要包括：DSP控制芯片、输入信号的检测与调理电路、电压同步过零信号产生电路。

利用MC56F8346进行控制数据采集，从网侧电流和负载侧电压中实时的分离出谐波分量，控制PWM变流器产生与谐波电流大小相等方向相反的电流注入系统中，来抵消系统的谐波电流，达到消除谐波的目的。为了提高补偿效果，控制周期要尽可能的小，采用MC56F8346高运算速度的MCU。

7.1锁相环及倍频电路

锁相环及倍频电路可以解决不易准确控制采样周期的问题，对于电网频率能实时动态调整采样时间。可以将A相电压信号128倍频，倍频后的信号接入DSP的外部中断XINT1引脚，在中断程序中进行查表，从而实现了正弦表的准确定位。

锁相的意义是相位同步的自动控制，能够完成两个电信号相位同步的自动控制闭环系统叫做锁相环，简称PLL。它广泛应用于广播通信、频率合成、自动控制及时钟同步等技术领域。锁相环主要由相位比较器（PC）、压控振荡器（VCO）。低通滤波器三部分组成，如图7所示。

图7锁相环原理框图

本文采用典型MC4046作为锁相环芯片和12位二进制计数器MC4040来实现对工频方波的倍频，电路如图8所示，C1，R1，C2，R2一起组成外部振荡电路，MC4046的输出作为MC4040的输入，通过MC4040的7分频，反馈给MC4046，当锁相完成后，MC4046第4的输出信号频率为第14脚输入信号频率的128倍，即实现了倍频功能。

图8锁相环及倍频电路图

7.2电压过零比较电路

过零信号产生电路如图9所示。A相电网电压相对于芯片来说过高，不能直接采用，需要进行处理。可先通过降压变压器将其降为电压值较小的信号，将该信号经过由运放和电阻构成的过零比较电路得到一个方波信号，再通过与门和二极管得到符合MC56F8346要求的较理想的电压同步过零的方波信号。与门的作用是将电平不理想的方波信号转变为理想信号；二极管则是保证方波信号的高电平值满足MC56F8346的要求。

图9电压过零比较电路

7.3信号采集和调理电路

本文采用霍尔传感器对电流和电压信号进行采集。MC56F8346本身设置了能够将外部模拟信号转化为数字信号的ADC模块，简化了外部硬件电路的设计。由于MC56F8346内的ADC模块参考电压为3.3V，并且只能处理正的模拟信号，而经霍尔传感器采集后的信号有正有负，所以模拟信号在被送入MC56F8346之前必须做相应的处理以便能达到MC56F8346的要求。信号处理的过程通过调理电路完成。信号调理电路，主要负责电流、电压等模拟信号的转换等处理。

交流电流及电压信号的调理电路如图10所示。通过霍尔传感器采集到的电压或电流信号经电阻的采样后转化为与原信号成比例的电压信号，然后将其送入到低通滤波器滤除高频成分，再经过电平偏移电路将双极性信号转化为单极性信号，通过二级管的限幅作用确保信号电压符合MC56F8346的要求，最终将其送入DSP的ADC模块。

图10信号调理电路

8DSP控制

本文采用基于飞思卡尔公司生产的MC56F8346型DSP芯片是基于56800E内核的16位混合控制器，具有单片机MCU和数字信号处理器DSP的功能，片内资源丰富，使用成本低，处理速度快，功能强大，简化了外围硬件电路的设计。

DSP控制部分主要完成：通过ADC模块对采集到的电流和电压信号进行A/D转化；根据基于同步坐标变换的d-q法，检测出负载电流中的无功成分和谐波成分，将其作为指令运算电流；采用PI控制方法控制主电路直流侧电容电压使其基本维持在一个恒定的值；采用空间矢量的控制方法生成PWM信号，驱动主电路功率器件工作从而产生补偿电流。

9APF系统仿真与分析

为了验证有源电力滤波器滤波效果控制策略的可行性，应用MATLAB仿真软件建立了有源电力滤波器的数学模型，对有源滤波器的控制策略算法和系统参数进行了仿真研究。由于实际试验系统采用全数字化控制，因此，仿真模型也进行了离散化处理。

一般来说时域检测方法响应速度快，同时也可以实现选择性谐波检测方法(此种检测方法会耗费很多的计算时间进行dq0变换，即5次，7次等等，因此并不适用)，目前大部分采用瞬时无功理论来进行谐波检测。而频域检测具有同时适用于单相和三相系统，虽然具有较大的时间延迟，但对周期性负载谐波检测具有较大优势，同时可以较好的检测特定谐波，灵活性较大。在本仿真中，我们采用离散傅立叶变换（DFT）来进行谐波检测。如图11所示。

图11三相非线性平衡负载仿真波形

图12是利用任意指定次数谐波检测算法检测检测总谐波电流后进行完全补偿。第一个是补偿前电流波形，第二个是总谐波电流波形，第三个是用SVPWM跟踪补偿后波形。由图可以看出，补偿后电流波形基本为正弦波，且在一个半周期后基本稳定，补偿效果满足要求。

图12总谐波电流进行跟踪补偿结果

从仿真结果可以看出,经过滤波之后的相电压在幅值和相位上都很好地跟踪了原始的参考电压波形。结果表明,该算法能精确的跟踪输入信号，可以产生同样波形的信号，跟踪精度高，动态性能好。

10结束语

电力电子变换装置的大规模应用在增加电网谐波污染的同时消耗了大量的无功功率，这些装置降低了电网的利用效率和电能质量，需要对其进行治理。APF正是在此基础上对无功补偿和谐波抑制进行了综合研究。

本文选择并联型APF作为研究载体，对负载电流的实时和准确地检测是实现有源滤波功能的关键之一。本文在介绍无功和谐波电流检测的各种方法基础上，分析了基于瞬时无功功率理论和同步坐标变换理论设计采用了d-q的运算方式进行相应仿真，仿真结果验证了其可行性。控制部分则以飞思卡尔公司的MC56f8346DSP为核心进行设计，还包括电压过零信号和采样信号产生、电压和电流信号的采集与调理设计。最后在MATLAB/Simulink环境下实现了整个系统的仿真。

作者简介

王磊（1984-）女硕士研究生，现任职于哈尔滨九洲电气股份有限公司，中级工程师，主要从事电站直流系统、电网智能系统设计、一体化电源设计与研发工作。

周家琪（1983-）男硕士研究生，现任职于哈尔滨九洲电气股份有限公司，中级工程师，主要从事新能源发电技术和无功功率补偿技术的研发工作。