??? 摘? 要： 提出了一種新型中性線" title="中性線">中性線諧波治理裝置，通過三個(gè)單相變壓器的特殊連接方式，僅使用一個(gè)單相全橋逆變電路" title="逆變電路">逆變電路即可完成補(bǔ)償要求，同時(shí)避免承受電網(wǎng)基波電壓，有效降低開關(guān)損耗以及控制復(fù)雜程度；介紹了重復(fù)學(xué)習(xí)控制策略" title="控制策略">控制策略并給出其控制模型；最后使用FPGA和DSP給出了該控制的數(shù)字算法實(shí)現(xiàn)并研制了一套容量為10kVA的裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。?

??? 關(guān)鍵詞： 中性線有源濾波器；重復(fù)學(xué)習(xí)控制；DSP；FPGA

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??? 在對(duì)商業(yè)和民用建筑供電的三相四線制系統(tǒng)中，由于負(fù)荷的不平衡以及大量非線性負(fù)荷的存在，使得系統(tǒng)電流嚴(yán)重畸變且被注入大量諧波。其中零序諧波通過中性線形成回路，產(chǎn)生較大的中性線諧波電流" title="諧波電流">諧波電流，從而帶來不利的影響，如：產(chǎn)生電磁干擾、影響供電電壓波形、增加配電變壓器繞組和鐵芯損耗、降低功率因數(shù)、降低變壓器及一些電氣設(shè)備的使用壽命等^[1]；情況嚴(yán)重的甚至?xí)蛑C波電流太大超過中性線的設(shè)計(jì)承受值而導(dǎo)致中性線燒毀進(jìn)而引起事故。因此，對(duì)于中性線上的零序諧波電流的治理十分必要。?

??? 采用有源方式消除電力系統(tǒng)的諧波電流是目前的研究熱點(diǎn)^[2]。針對(duì)中性線上的諧波電流同樣也可以采用有源方式。目前，應(yīng)用于三相四線制系統(tǒng)的有源濾波器主電路絕大多數(shù)采用電壓型三相全橋逆變電路。根據(jù)中線連接方式的不同又分為電容中點(diǎn)式^[3]和四橋臂式^[4]，但這兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)開關(guān)器件多，直流側(cè)均需承受基波電壓，開關(guān)損耗高，且三相之間存在耦合，控制復(fù)雜。?

??? 在控制策略方面，針對(duì)電流補(bǔ)償目的的有源濾波器如何根據(jù)須補(bǔ)償?shù)闹C波電流轉(zhuǎn)化為電壓型逆變電路的控制電壓，并且確保系統(tǒng)在任何擾動(dòng)下仍能正確補(bǔ)償諧波電流，是關(guān)系到有源濾波器的補(bǔ)償效果的重要一環(huán)。對(duì)于采用PWM技術(shù)控制的逆變器實(shí)現(xiàn)的有源濾波器，因其控制目標(biāo)是使系統(tǒng)線電流中諧波電流為零，采用前饋控制要求精確的系統(tǒng)參數(shù)和逆變器參數(shù)，實(shí)際中難以做到；而采用反饋控制要求控制器具有內(nèi)部模型或增益無窮大的控制系統(tǒng)。?

??? 重復(fù)學(xué)習(xí)控制是一種智能控制方法^[5]，適合于可重復(fù)操作或周期系統(tǒng)。通過重復(fù)學(xué)習(xí)，可以克服跟蹤控制中模型參數(shù)或動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)先驗(yàn)知識(shí)不完全所造成的跟蹤誤差。因此，有源濾波器中的逆變器參考電壓可通過重復(fù)學(xué)習(xí)控制得到。?

??? 本文首先針對(duì)中性線上零序諧波電流的治理提出了一種低耐壓的中性線諧波治理裝置的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過重復(fù)學(xué)習(xí)控制策略直接獲取逆變器的部分參考電壓分量，最終使控制器獲得逆變器的準(zhǔn)確參考電壓，從而使中性線諧波電流補(bǔ)償為零。?

1 低耐壓中性線有源濾波主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)?

??? 圖1所示為中性線諧波有源濾波主電路結(jié)構(gòu)示意圖。逆變器采用單相全橋逆變電路，其輸出通過隔離變壓器與系統(tǒng)相連。隔離變壓器原邊為Y₀接法，副邊為開口三角形接法。逆變器直流側(cè)由一個(gè)三相不可控橋式整流提供電源，該整流電路不會(huì)向系統(tǒng)產(chǎn)生附加的零序諧波電流，即不會(huì)在中性線上產(chǎn)生附加的諧波電流。補(bǔ)償零序諧波電流時(shí)逆變器與系統(tǒng)交換的瞬時(shí)功率為零，因此直流電壓的波動(dòng)主要由開關(guān)器件的開關(guān)損耗、補(bǔ)償不對(duì)稱電流和連接電感儲(chǔ)能作用產(chǎn)生，為了將直流電壓穩(wěn)定在一定水平，可以通過選擇適當(dāng)?shù)碾娙萘縼韺?shí)現(xiàn)。?

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2 重復(fù)學(xué)習(xí)控制策略?

??? 重復(fù)學(xué)習(xí)控制策略是一種模型識(shí)別技術(shù)，它通過檢測(cè)系統(tǒng)中性線電流形成閉環(huán)系統(tǒng)，其簡化控制模型如圖2所示。由于等效電壓源" title="電壓源">電壓源不能直接觀測(cè)，因此只能通過檢測(cè)系統(tǒng)電流來間接辨識(shí)。這個(gè)辨識(shí)包含兩個(gè)過程，首先是等效電壓源的波形識(shí)別，其次是其幅值和相位識(shí)別。為此，首先將逆變器看作Boost整流器，調(diào)節(jié)系統(tǒng)電流使其在諧波域內(nèi)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中線電流與等效電壓源之間的單位功率因數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)波形形狀識(shí)別；同時(shí)，采用迭代重復(fù)學(xué)習(xí)控制方法調(diào)整逆變器參考電壓幅值和相位，一旦逆變器參考電壓逼近諧波域內(nèi)等效電壓源，Boost變換器的作用將消失，從而使逆變器的工作與常規(guī)PWM調(diào)制技術(shù)類似。這樣的控制方式使系統(tǒng)具有較強(qiáng)的魯棒穩(wěn)定性、較好的動(dòng)態(tài)性能以及較小的穩(wěn)態(tài)誤差。?

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??? 如圖2所示為基于恒頻Boost變換技術(shù)的逆變器參考電壓學(xué)習(xí)控制策略原理圖，它是通過在反饋控制引入學(xué)習(xí)控制環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)重復(fù)學(xué)習(xí)控制算法^[5]，該控制器的數(shù)學(xué)描述為：?

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其中，下標(biāo)k表示計(jì)數(shù)學(xué)習(xí)周期，t∈[0，T]并且T表示學(xué)習(xí)周期，它是基波周期的整數(shù)倍；u_c(t)表示Boost變換控制的輸出；u_l(t)表示學(xué)習(xí)控制的輸出；e(t)表示學(xué)習(xí)控制重復(fù)誤差，它直接取值于系統(tǒng)中性線電流的補(bǔ)償分量i_sh；Re為學(xué)習(xí)增益。?

3 中性線有源濾波器重復(fù)學(xué)習(xí)控制的實(shí)現(xiàn)?

3.1 硬件設(shè)計(jì)方案?

??? 有源逆變電路控制器由DSP和FPGA兩部分組成。DSP和FPGA的任意I/O均可直接相連，兩者之間可以實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)傳輸，具有靈活的數(shù)據(jù)傳輸方式和很強(qiáng)的編程能力，其框圖如圖3所示。?

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??? 器件選型如下：DSP選用TI公司的TMS320LF2407芯片，它是一種低價(jià)格、高性能的DSP芯片,其控制能力強(qiáng),同時(shí)具有較高的運(yùn)算能力,能夠滿足系統(tǒng)對(duì)微處理器的要求,從而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的管理控制功能。FPGA選用的是Altera公司的EP1C6T144芯片，其內(nèi)核采用1.5V電源供電，功耗小，端口工作電壓為3.3V，可直接和DSP相連，最高運(yùn)行頻率可達(dá)到200MHz，具有速度快、運(yùn)行穩(wěn)定等特點(diǎn)，作為功能模塊具有很好的穩(wěn)定性和靈活性。?

3.2 軟件實(shí)現(xiàn)?

??? DSP運(yùn)行重復(fù)學(xué)習(xí)算法，根據(jù)FPGA產(chǎn)生同步脈沖從FPGA中低速重采樣數(shù)據(jù)，F(xiàn)PGA提供重采樣同步脈沖并根據(jù)同步電路向DSP提供工頻同步，DSP控制流程圖如圖4所示。?

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4 仿真?

??? 根據(jù)以上分析選擇參數(shù)，利用仿真軟件Matlab6.1中的Simulink建立系統(tǒng)模型，學(xué)習(xí)增益R_e選為0.1，仿真結(jié)果如圖5、圖6所示?？紤]到諧波檢測(cè)算法所需時(shí)間，濾波器從0.04s開始補(bǔ)償。可以看到，由于三相負(fù)載不平衡，補(bǔ)償前系統(tǒng)中性線電流波形畸變嚴(yán)重，其中3次諧波有效值（I₃）高達(dá)基波有效值（I₁）60%以上，5次、7次諧波含量也較高。加入重復(fù)學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)后，系統(tǒng)中性線電流波形改善明顯，諧波總含量減小到3%以下。?

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??? 本文提出了一種低耐壓中性線諧波治理裝置的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對(duì)三相四線配電網(wǎng)中零序次諧波進(jìn)行補(bǔ)償從而抑制中性線上諧波含量，相對(duì)于傳統(tǒng)的三相四線補(bǔ)償裝置有效降低了系統(tǒng)開關(guān)損耗及控制復(fù)雜程度。通過建立其簡化電路模型，采用重復(fù)學(xué)習(xí)控制策略，實(shí)現(xiàn)等效電壓源的辨識(shí)并構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)；最后基于DSP和FPGA實(shí)現(xiàn)了該裝置有源逆變電路重復(fù)學(xué)習(xí)數(shù)字控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該控制系統(tǒng)具有高穩(wěn)定性、強(qiáng)魯棒性、低跟蹤誤差和快速跟蹤等特點(diǎn)；且該設(shè)計(jì)提供的硬件平臺(tái)具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性，針對(duì)不同的控制需求只要合理設(shè)計(jì)程序及稍微修改外圍電路即可完成設(shè)計(jì)。?

參考文獻(xiàn)?

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