摘 要： 提出了一种新型中性线谐波治理装置，通过三个单相变压器的特殊连接方式，仅使用一个单相全桥逆变电路即可完成补偿要求，同时避免承受电网基波电压，有效降低开关损耗以及控制复杂程度;介绍了重复学习控制策略并给出其控制模型;最后使用FPGA和DSP给出了该控制的数字算法实现并研制了一套容量为10kVA的装置进行实验。

　　关键词： 中性线有源滤波器;重复学习控制;DSP;FPGA

　　在对商业和民用建筑供电的三相四线制系统中，由于负荷的不平衡以及大量非线性负荷的存在，使得系统电流严重畸变且被注入大量谐波。其中零序谐波通过中性线形成回路，产生较大的中性线谐波电流，从而带来不利的影响，如：产生电磁干扰、影响供电电压波形、增加配电变压器绕组和铁芯损耗、降低功率因数、降低变压器及一些电气设备的使用寿命等[1];情况严重的甚至会因谐波电流太大超过中性线的设计承受值而导致中性线烧毁进而引起事故。因此，对于中性线上的零序谐波电流的治理十分必要。

　　采用有源方式消除电力系统的谐波电流是目前的研究热点[2]。针对中性线上的谐波电流同样也可以采用有源方式。目前，应用于三相四线制系统的有源滤波器主电路绝大多数采用电压型三相全桥逆变电路。根据中线连接方式的不同又分为电容中点式[3]和四桥臂式[4]，但这两种拓扑结构开关器件多，直流侧均需承受基波电压，开关损耗高，且三相之间存在耦合，控制复杂。

　　在控制策略方面，针对电流补偿目的的有源滤波器如何根据须补偿的谐波电流转化为电压型逆变电路的控制电压，并且确保系统在任何扰动下仍能正确补偿谐波电流，是关系到有源滤波器的补偿效果的重要一环。对于采用PWM技术控制的逆变器实现的有源滤波器，因其控制目标是使系统线电流中谐波电流为零，采用前馈控制要求精确的系统参数和逆变器参数，实际中难以做到;而采用反馈控制要求控制器具有内部模型或增益无穷大的控制系统。

　　重复学习控制是一种智能控制方法[5]，适合于可重复操作或周期系统。通过重复学习，可以克服跟踪控制中模型参数或动态结构先验知识不完全所造成的跟踪误差。因此，有源滤波器中的逆变器参考电压可通过重复学习控制得到。

　　本文首先针对中性线上零序谐波电流的治理提出了一种低耐压的中性线谐波治理装置的主电路拓扑结构，通过重复学习控制策略直接获取逆变器的部分参考电压分量，最终使控制器获得逆变器的准确参考电压，从而使中性线谐波电流补偿为零。

　　1 低耐压中性线有源滤波主电路拓扑结构

　　图1所示为中性线谐波有源滤波主电路结构示意图。逆变器采用单相全桥逆变电路，其输出通过隔离变压器与系统相连。隔离变压器原边为Y0接法，副边为开口三角形接法。逆变器直流侧由一个三相不可控桥式整流提供电源，该整流电路不会向系统产生附加的零序谐波电流，即不会在中性线上产生附加的谐波电流。补偿零序谐波电流时逆变器与系统交换的瞬时功率为零，因此直流电压的波动主要由开关器件的开关损耗、补偿不对称电流和连接电感储能作用产生，为了将直流电压稳定在一定水平，可以通过选择适当的电容量来实现。

　　2 重复学习控制策略

　　重复学习控制策略是一种模型识别技术，它通过检测系统中性线电流形成闭环系统，其简化控制模型如图2所示。由于等效电压源不能直接观测，因此只能通过检测系统电流来间接辨识。这个辨识包含两个过程，首先是等效电压源的波形识别，其次是其幅值和相位识别。为此，首先将逆变器看作Boost整流器，调节系统电流使其在谐波域内实现系统中线电流与等效电压源之间的单位功率因数，从而实现波形形状识别;同时，采用迭代重复学习控制方法调整逆变器参考电压幅值和相位，一旦逆变器参考电压逼近谐波域内等效电压源，Boost变换器的作用将消失，从而使逆变器的工作与常规PWM调制技术类似。这样的控制方式使系统具有较强的鲁棒稳定性、较好的动态性能以及较小的稳态误差。

　　如图2所示为基于恒频Boost变换技术的逆变器参考电压学习控制策略原理图，它是通过在反馈控制引入学习控制环节实现的。根据重复学习控制算法[5]，该控制器的数学描述为：

　　其中，下标k表示计数学习周期，t∈[0，T]并且T表示学习周期，它是基波周期的整数倍;uc(t)表示Boost变换控制的输出;ul(t)表示学习控制的输出;e(t)表示学习控制重复误差，它直接取值于系统中性线电流的补偿分量ish;Re为学习增益。

　　3 中性线有源滤波器重复学习控制的实现

　　3.1 硬件设计方案

　　有源逆变电路控制器由DSP和FPGA两部分组成。DSP和FPGA的任意I/O均可直接相连，两者之间可以实现双向数据传输，具有灵活的数据传输方式和很强的编程能力，其框图如图3所示。

　　器件选型如下：DSP选用TI公司的TMS320LF2407芯片，它是一种低价格、高性能的DSP芯片,其控制能力强,同时具有较高的运算能力,能够满足系统对微处理器的要求,从而实现复杂的管理控制功能。FPGA选用的是Altera公司的EP1C6T144芯片，其内核采用1.5V电源供电，功耗小，端口工作电压为3.3V，可直接和DSP相连，最高运行频率可达到200MHz，具有速度快、运行稳定等特点，作为功能模块具有很好的稳定性和灵活性。

　　3.2 软件实现

　　DSP运行重复学习算法，根据FPGA产生同步脉冲从FPGA中低速重采样数据，FPGA提供重采样同步脉冲并根据同步电路向DSP提供工频同步，DSP控制流程图如图4所示。

　　4 仿真

　　根据以上分析选择参数，利用仿真软件Matlab6.1中的Simulink建立系统模型，学习增益Re选为0.1，仿真结果如图5、图6所示。考虑到谐波检测算法所需时间，滤波器从0.04s开始补偿。可以看到，由于三相负载不平衡，补偿前系统中性线电流波形畸变严重，其中3次谐波有效值(I3)高达基波有效值(I1)60%以上，5次、7次谐波含量也较高。加入重复学习控制系统后，系统中性线电流波形改善明显，谐波总含量减小到3%以下。

　　本文提出了一种低耐压中性线谐波治理装置的拓扑结构，对三相四线配电网中零序次谐波进行补偿从而抑制中性线上谐波含量，相对于传统的三相四线补偿装置有效降低了系统开关损耗及控制复杂程度。通过建立其简化电路模型，采用重复学习控制策略，实现等效电压源的辨识并构成闭环系统;最后基于DSP和FPGA实现了该装置有源逆变电路重复学习数字控制系统的设计。该控制系统具有高稳定性、强鲁棒性、低跟踪误差和快速跟踪等特点;且该设计提供的硬件平台具有很强的扩展性，针对不同的控制需求只要合理设计程序及稍微修改外围电路即可完成设计。

　　参考文献

　　[1] SPITSA V，ALEXANDROVITZ A.Current harmonics analysis of non-linear single-phase loads in a three-phase network.Electrical and Electronics Engineers in Israel, 2004.Proceedings 2004 23rd IEEE Convention.

　　[2] CHEN Donghua，XIE Shaojun.Review of the control strategies applied to active power filters[C].2004 IEEE International Conference on Electric Utility Deregulation，Restructuring and Power Technologies(DRPT2004)，2004，4：666-670.

　　[3] 卓放，杨军，胡军飞，等.三相四线制有源电力滤波器主电路的结构形式与控制[J].电工电能新技术，2000，(2)：1-6.

　　[4] ZHOU Lin，SHEN Xiaoli，ZHOU Luowei，et al.Unified constant-frequency integration control of four-arm three-phase four-wire active power filter with vector operation[C].2004 the 30th IEEE International Conference on Industrial Electronics Society,2004,11：734-738.

　　[5] 查晓明，孙建军，陈允平.并联型有源电力滤波器的重复学习Boost变换控制策略[J].电工技术学报，2005，20(2)：56-62.

*博客内容为网友个人发布，仅代表博主个人观点，如有侵权请联系工作人员删除。