基于在线识别技术的有源电力滤波器的设计∗

王 飞黄 琛

（1.海装沈阳局大连地区第一军事代表室 大连 116001）（2.电磁兼容性国防科技重点实验室 武汉 430064）

1 引言

有源电力滤波（APF）技术已应用于电力电子领域的谐波抑制和无功补偿。许多APF设计用于三相交流电源滤波［1～4］。目前，船用直流电源中的整流谐波越来越受到关注，因为它们容易对LF/VLF敏感电子设备产生干扰［5～6］。

与所需的DC电压/电流幅度相比，DC电源产生的谐波通常具有非常低的幅度。与交流电网中存在的频率相比，它们具有相对较高的频率［7］。因此，在设计直流APF时，谐波检测和实时补偿存在挑战［8］。

本文设计并开发了某船舶直流电网的APF［9］。该APF利用信道特征技术的在线识别来避免传统产品中可能存在的潜在振荡问题［10～11］。

2 工作原理

该APF系统由谐波传感器，谐波补偿计算器，逆变器和电流注入单元组成［12］。系统关键部分是谐波补偿值计算模块。APF和电网一起构成反馈回路。

谐波补偿值计算模块的输入是实时谐波波形。该单元计算输出电流的幅度，并驱动逆变器向电网注入补偿电流。该单元能够识别信号获取到当前注入的路径的相移特性。识别功能由数字FIR滤波器实现，其参数周期性更新。参数更新的标准是LMS理论。该理论如图1所示。

信号d（n）是由图1中所示的电流传感器测量的原始信号（实时谐波信号），并且信号u（n）是与谐波具有相同频率的参考信号。P（z）是表示u（n）和d（n）之间未知关系的传递函数。单元S（z）表示谐波传感器，逆变器，电流注入单元和APF系统中的电缆的传输特性。如果成功识别P（z）和S（z），则APF的输出y'（n）非常接近-d（n）。因此，抑制了谐波。

图1 谐波补偿计算模块算法示意图

此外，如果可以连续识别P（z）和S（z），那么尽管电网或放大器阻抗变化会引起P（z）和S（z）的变化，APF系统仍然可以稳定地工作。

3 系统设计

根据上面讨论的理论，开发了APF系统。系统框图如图2所示。

该系统由APF主机，前置放大器和两个谐波传感器组成。APF主机包括系统控制器，系统保护单元，功率放大器和电流注入单元。系统控制器有两个功能:一个是监视系统运行状态，驱动系统保护单元在输出功率，电压或电流超过阈值时关闭功率放大器。控制器的另一个功能是通过LMS方法计算谐波补偿参数，并产生PWM脉冲以驱动功率放大器。控制器中有三个LMS软件块（块的数量是可扩展的），构成三个通道，每个通道处理一定频率的谐波。为了实验目的，三个通道的工作频率分别设置为2400Hz，4800Hz和7200Hz。

图2 研制的APF系统示意图

电流注入单元由无源带通网络构建。该装置能够将APF与直流电源隔离，但将交流补偿电流传输到电网。

两个谐波传感器用作系统输入。其中一个谐波传感器（传感器2#）用于测量补偿电流注入时谐波的残余误差；另一个谐波传感器（传感器1#）用于测量实时谐波频率。两个Rogowski线圈用作谐波传感器。来自这两个传感器的信号首先被发送到前置放大器以改善SNR。开发的系统采用400mm×300mm×200mm尺寸的机柜包装。

4 谐波抑制试验

本文搭建实验环境来验证系统性能。采用商用信号发生器和线性功率放大器构成谐波源。用0.5Ω电阻（R1）模拟源电阻，另一个0.5Ω电阻（R2）模拟负载电阻。实验设置如图3所示。通过在禁用/启用APF时测量R2的谐波幅度来实现定量评估。

图3 试验设置示意图

信号发生器产生复合信号，其包括一系列频率分量:2400Hz，4800Hz和 7200Hz。应用/未应用APF时的谐波幅度的时域比较可见图4（a），频域比较可见图4（b）。

图4 使用和不使用APF时的比较

5 结语

从图4我们可以看出，研制的APF能够抑制谐波。谐波抑制性能如表1。

表1 谐波抑制性能表现

可以看到，2400Hz和7200Hz谐波抑制了近50dB，4800Hz谐波抑制了大概15dB。我们认为APF能够精确地跟踪目标谐波并有效抑制它们。

我们同时注意到4800Hz谐波未达到高谐波抑制性能。这可能是由APF输出级的低通滤波器引起的。开发的APF可以处理133dBuA/2400Hz谐波或116dBuA/7200Hz谐波，但不能完全处理130dBuA/4800Hz谐波。为了提高性能，应优化输出级，例如:减少低通滤波器的并联电容。