具有无源LC元件的系统，如容量补偿器、高次谐波谐振无源滤波器或由优化方法确定结构和参数的滤波器，传统上用于补偿电力用户对电网施加的功率因数和其他长期影响。然而，涉及电力电子系统的负载的广泛使用可能导致电压和(特别是)电流波形的严重失真，甚至导致大量直流电流在电力变压器二次中流动。对于这些类型的负载，上述各种补偿系统往往证明是不令人满意的。如今，电力系统工程师更有可能考虑使用其他类型的补偿器，特别是有源电力滤波器或混合系统(具有无源LC元件的电力滤波器，如参考文献2、3、6、7、8、9、11中描述的那些)来提高系统效率。

最近开发补偿方法的方法旨在开发一种能够实现动态(实时)补偿的补偿器，并且能够更好地抵抗电网或电力用户造成的干扰。他们的目标包括优化电源(电网)所看到的负载。根据Fryze的建议[5]和随后的发展[4,10,12,13]，需要消除流过电源的差动电流(在扭曲的负载电流和理想形式的电流(即同相正弦波)之间)来实现这种补偿。从概念上讲，这可以通过产生并注入与差动电流相等且相反的电流来实现。在实践中，获得这样的资源是困难的;真正需要的是带有参数元件或可控电流电源的有源系统。

有源滤波器的结构

在本文中，我们考虑采用数字信号处理计算机技术控制的电力电子电流源来实现有源分流滤波器(别名:差动电流补偿系统或补偿器)，以实现最优补偿。假设目的是动态补偿差电流，即负载电流i(L) (t)与参考电流i(REF) (t)之间的差。参考电流为用文献[10]提出的方法计算的最优有功电流。图1显示系统的框图。

主动过滤器由以下模块和元素组成:

• 控制模块(CM)，基于数字信号处理(DSP)的微机系统

• 电源-电子电流源形式的执行模块(EM)

• 电压(VT)和电流(CT)传感器[LA55-P型和LV25型(LEM )]

有源滤波器控制过程分为两个阶段:

• 确定参考电流i(REF) (t)

• 动态整形所需补偿器电流的形式

i(INV) (t) = i(L) (t) - i(REF) (t)

补偿过程的质量和动态特性主要取决于计算参考电流参数的方法。Akagi等人的瞬时无功功率理论[1]常用来控制电力有源滤波器。作者认为，该理论不能满足能量源/接收系统的功优化要求。优化的总体目标是使源电流的同相分量最小化，减小正弦波形的畸变，使能量从源到接收机传输过程中的有功功率损耗最小化。为了确定具有这些特性的电流，我们采用了[10]的变分方法。因此，我们得到了描述最优源电流(目标参考电流)的表达式，解析形式如下:

i (REF)(t) = (a) i (t) = (e) k (t)(e) G (t) e (t) = a (REF)(t) e (t)

式中:e (t)为电压源，(e)G (t)为等效电导，形式为(e)G (t) = (a) P (t) / e (2) (t)，式中:(a) P (t)和e (t)为有效值电压源和有功功率的瞬时值[10]。参考信号的频率和相位对应于电压源e (t)的一次谐波的适当值。

为了有效实现整个控制过程，CM分为两个子模块:

• 识别模块(IM)计算参考电流i(REF) (t)的频率、欧姆(REF)、相位φ(REF)和幅值A (REF);

• 决策模块(DM)，它执行以下任务:
  
  

• 对有源滤波器的幅值和相位特性进行整形，在反馈回路中获得宽带传输和高开环增益。这对于确保非线性电流的高度补偿以及在各种负载参数条件下稳定工作是必要的。

• 消除了用于从反馈信号产生i(REF)的脉宽调制(PWM)的寄生产物。

硬件和软件

补偿器的原型模型采用Devices的ADDS-2106x-EZ-KIT微型计算机系统，带有ADSP-21061 SHARC 浮点数字信号处理器。由于识别模块(IM)内实现的算法需要高计算能力，并且需要适当地塑造有源滤波器的频率传输特性，因此需要这种高性能系统。在大范围的负载参数变化条件下，保证所有系统在反馈闭环中工作的稳定裕度是至关重要的。

该评估系统是通过添加通用数字输入/输出模块ALS100开发的，该模块由P.E.P. ALFINE设计，作为add - 2106x - ez - kit的扩展。本模块(图2)，设计用于电力电子应用，包括A/D和D/A转换器，以及PWM发生器和系统控制台(LCD &KBD)。在DSPHOST程序的控制下，通过RS-232端口与主机PC建立通信。

控制模块的硬件和软件结构如图2所示。控制程序的主要模块采用C语言编写(add - 21000 - sw - pc版)。3.3)，时间要求严格的程序是用汇编语言编写的。

控制模块包括:

• 测量电阻(R)，与换能器配合使用;

• AD7864四通道同步采样A/D转换器。

• 采用ADMC201运动协处理器的PWM发生器;

• 系统控制台(SC)

• 参考电流参数软件识别模块(SIM);

• 软件决策模块(SDM)与加法器(西格马)协作，计算误差信号的当前值;即基准电流和补偿器电流之差。

SIM卡(图3)，由三个独立的模块组成:参考的软件频率标识(SFI)，参考的软件幅度标识(SAI)和参考的合适值的软件同步器(SSYNC)。

SFI采用主电源电压预滤波方法，配合通带FIR滤波器(F1)，消除高次谐波，提高识别算法的抗噪声能力[14]。然后对信号进行希尔伯特变换，得到其解析形式(时域的复信号)。它允许消除频率轴负部分的频率积，并将识别时间减少到12毫秒以下。与目前设计的20毫秒(50赫兹)主电压周期相比，这是一个很短的时间，也比60赫兹系统的16.7毫秒周期短得多。[14]。对复信号进行数字傅里叶变换(DFT)计算其基频。这是通过DFT和MAX块实现的。通过这种方法计算，基频值可以用来控制调谐滤波器(F5)，这是一个高q, iir型滤波器。F5滤波器实际上是基准电流发生器;其输出信号频率等于主路电压频率u(2) (t)。

参考电流的幅值在SAI模块内计算，该模块基于存储在圆形缓冲器CB2和CB3中的负载电压和负载电流样本。

一个同步块，SSYNC，消除了不同延迟时间的影响，涉及在SFI和SAI块内的计算。最后，SSYNC连接合适的频率值和参考电流的大小。在本设计中，基准电流发生器的识别和同步的总时间约为18ms。

决策模块采用常系数2阶FIR滤波器的形式实现;其频率透过率模型为:

| T(FK) (欧姆)| = (1 + cos (欧姆)) / 2

滤波器正常工作的基本条件是系统采样频率是PWM载波频率的两倍(本系统中为30 kHz和15 kHz)。

执行模块是一种电力电子控制电流源，它使用高度集成的智能功率模块(IPM)型PM50RSA120 (MITSUBISHI)和电感线圈L (INV)。该线圈还限制了PWM的寄生产品。

电流源的一般能量来源是逆变器(IPM)直流电路中的电容器。逆变器通过快速光电耦合器与控制模块耦合。

原型系统的性能

在不同负载类型和供电条件下，对上述电力电子电流源和单相有源补偿系统原型模型进行了实验测试。这里是测试结果的一小部分。

的波形图4给出了参考信号i(REF) (t)、电流源输出电流i(S) (t)和反馈信号i(FK) (t)的矩形形状(图4a)以及这些量的频谱分析结果(图4b)。电流源带宽(-3 dB)为3.2 kHz，非均匀幅值特性为0.4 dB。在该频段内输出电流的总谐波失真(THD)为0.7%，在0.5 khz带宽内为0.2%。

图5和图6展示了完整的活动过滤器的工作原理。畸变电流的来源(图5)是一个简单的带有RL型负载的单二极管整流器(电阻和电感串联)。这是一种特别不利的情况，因为它同时产生具有直流分量和无功功率的强烈畸变电流。源电压u(S)、负载i(L)、电网i(S)、有源滤波器i(INV)、参考信号i(REF)的波形如图5a所示，以及所选量的频谱分析结果如图5b所示。图6显示了rc负载的4二极管桥的类似数量，这是大多数消费电子电源包的典型配置。

与电流源的情况一样，有源补偿的差动电流系统提供了参考信号i(REF) (t)的良好映射，该映射在识别模块中计算。电网电流与电网电压波形处于同一相位(由于所谓无功功率的补偿)，其高次谐波值大大降低。有源滤波器输入电流i (3) (t)的THD值小于1%。

结论

我们在这里展示了一个能够通过消除差分电流实现实时最佳补偿的系统，该系统采用了使用PWM的应用电力电子控制电流源。包括功能框图和系统的工作原理的描述，这是由一个数字信号处理器控制。系统在各种负载下的测试结果表明，该补偿器是非常有效的。它大大降低了输入电流的非线性失真(THD<1%)和对电源无功功率的要求。识别参考信号参数的延迟约为12 ms(基本上小于电源频率的一个周期)，总频率识别误差为0.1%。总的来说，原型模型的所有研究结果都表明补偿系统对参考信号的映射非常好，并且大大降低了源电流的高次谐波。

参考电路

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