Armónicos de potencia y filtros activos
2. La diferencia entre filtros activos y filtros pasivos: los filtros activos se refieren a filtros compuestos por transistores o amplificadores operacionales, incluyendo amplificación y retroalimentación, mientras que los filtros pasivos se refieren a filtros compuestos por transistores o amplificadores operacionales. Compuesto por componentes pasivos como resistencias/inductores/condensadores. Hay problemas de EMC con señales pequeñas. Por supuesto, los filtros activos deben considerar los problemas de EMC de la fuente de alimentación, mientras que los filtros pasivos no tienen problemas de fuente de alimentación.
3. La relación entre potencia reactiva, potencia activa y armónicos: limitaciones mutuas e interdependencia.
4. ¿Qué tipo de armónicos de potencia pueden detectar los filtros activos?
El filtro de potencia activo es un nuevo tipo de dispositivo electrónico de potencia que puede compensar los armónicos en el sistema de potencia. En comparación con los métodos tradicionales de compensación de armónicos, los filtros activos tienen enormes ventajas técnicas y buenas perspectivas de desarrollo. Debido a las características operativas precisas y en tiempo real de los filtros de potencia activos, si se combinan con las ventajas de la tecnología de control y procesamiento de señales, las funciones de los filtros de potencia activos se pueden optimizar y mejorar su rendimiento. La teoría de la potencia reactiva instantánea se ha aplicado con éxito para alimentar dispositivos activos. Sin embargo, dado que la teoría de la potencia reactiva instantánea requiere dos transformaciones de coordenadas, la cantidad de cálculo del sistema de control será grande, se producirán retrasos en los cálculos y no se podrá lograr un verdadero control instantáneo. Este artículo estudia principalmente el problema de la detección rápida y en tiempo real de armónicos. 1. Se propone un método de detección de armónicos basado en remuestreo y filtrado de medias. Partiendo de la teoría de la potencia reactiva instantánea, discutimos la teoría de la potencia reactiva instantánea aplicada a circuitos trifásicos y monofásicos respectivamente, analizamos la esencia de la teoría de la potencia reactiva instantánea y proponemos un armónico basado en el remuestreo y la detección de filtrado medio. método. El filtro es un filtro digital de respuesta de impulso finito (FIR) con fase lineal, que permite que el sistema de control aplicado a un circuito trifásico siga los cambios en la red eléctrica dentro de un tercio del ciclo, y el sistema de control aplicado a un Circuito monofásico dentro de un ciclo. Seguir cambios en la red. La teoría del remuestreo divide el espectro de la señal medida en espectro de señal efectivo y espectro de señal no válido, y propone un nuevo método para determinar la frecuencia de muestreo del espectro de señal efectivo sin aliasing y el espectro de señal no válido con aliasing.
5. ¿Qué tipo de armónicos de potencia pueden 5. ¿Detección de filtro analógico FIR.IIR? ¿Cómo detectarlo?
0Introducción
En los últimos años, los filtros activos se han convertido en un tema candente en el campo de la investigación de sistemas de energía. En varios filtros de potencia activos, la detección de ondas fundamentales o armónicos es un vínculo importante. Actualmente, el esquema fundamental de detección de ondas o armónicos más estudiado es el método de detección de armónicos basado en la teoría de la potencia reactiva instantánea. Este método utiliza un filtro de paso bajo o de paso alto. Cuanto mayor sea el orden de filtrado, mayor será la precisión de la detección y más largo será el proceso dinámico, es decir, existe una contradicción entre la precisión de la detección y la detección en tiempo real. Sin embargo, la transformada discreta tradicional de Fourier está inherentemente retrasada un ciclo. Y la cantidad de cálculo es grande, por lo que se considera que no puede compensar los armónicos del sistema eléctrico en tiempo real.
La detección de armónicos basada en un filtro de paso de banda digital es un buen método de detección de armónicos instantáneos, que puede separar de manera precisa y efectiva el componente de onda fundamental de la corriente de carga. Este artículo demuestra la viabilidad de este método mediante análisis y experimentos, y analiza el método de diseño del filtro de paso de banda.
1 Comparación de filtros de paso de banda analógicos y digitales
Los filtros de paso de banda analógicos generalmente utilizan componentes de circuito (como resistencias, condensadores, inductores) para formar el circuito característico de frecuencia que necesitamos. . El principio del filtro de paso de banda analógico es configurar los parámetros del condensador, resistencia e inductor de modo que el filtro analógico presente una pequeña impedancia a la onda fundamental y una gran impedancia a los armónicos. Pasa a través del filtro de paso de banda analógico y se puede extraer la señal fundamental. Actualmente, algunos filtros activos utilizan circuitos analógicos para implementar filtros de paso de banda para detectar el componente fundamental de la corriente de carga y se han utilizado en la práctica.
Sin embargo, los filtros de paso de banda analógicos también tienen algunas desventajas. Esto se debe a que la frecuencia central del filtro analógico es muy sensible a los parámetros de los componentes del circuito (como capacitancia, resistencia, inductancia) y es difícil diseñar los parámetros apropiados. Además, los parámetros de los componentes del circuito cambiarán con la frecuencia. la interferencia del entorno externo, lo que provoca una desviación en la frecuencia central y afecta la precisión de los resultados del filtrado.
Los filtros de paso de banda digitales utilizan software para implementar el proceso de filtrado anterior, que puede superar las deficiencias de los filtros analógicos. Una vez que se determinan los parámetros de un filtro de paso de banda digital, no cambian. Siempre que la frecuencia de fluctuación de la red eléctrica esté dentro de nuestro rango de diseño, el componente de onda fundamental se puede extraer bien.
2 Principio de detección de armónicos basado en filtro paso banda
Tomando como ejemplo el filtro paso banda de segundo orden, la expresión típica del filtro paso banda de segundo orden la función de transferencia es
p>
Donde: ωo=2πfo, es la frecuencia angular central, fo es la frecuencia central q es el factor de calidad;
Cuando ω=ωo, H(iωo)=1. Esto muestra que la amplitud del filtro de paso de banda está particularmente atenuada en la frecuencia angular central ωo y no hay retraso de fase. Esta es una característica importante del filtro de paso de banda. Esta característica garantiza la precisión del método de detección de armónicos basado en el filtro de paso de banda.
En el filtro activo, elegimos que la frecuencia central fo del filtro de paso de banda sea 50 Hz. Entonces el filtro de paso de banda no tiene atenuación de la amplitud de la onda fundamental, ni retraso de fase, y. todos los demás armónicos se filtran de esta manera, la onda fundamental se puede detectar en tiempo real.
Las corrientes de carga ia, ib e ic pasan a través del filtro de paso de banda para obtener las corrientes fundamentales trifásicas ia1, ib1 e ic1. Las corrientes armónicas trifásicas iah, ibh e ich se pueden obtener restando la fundamental. corriente de la corriente de carga. En consecuencia, el principio de detección de corriente armónica se muestra en la Figura 1. Este método de detección no requiere transformación de coordenadas y solo requiere filtrado de paso de banda de la corriente trifásica, lo que reduce en gran medida la cantidad de cálculo.
3 Diseño e implementación del filtro de paso de banda digital
Los filtros digitales se pueden dividir en tipo IIR y tipo FIR según el tipo. El tipo PIR solo tiene un punto cero y no es fácil obtener mejores características de banda de paso y banda de parada como el tipo IIR. Por lo tanto, generalmente se selecciona el tipo IIR para el diseño. El IIR se puede dividir en filtro Butterworth, filtro Chebyshev tipo I, filtro Chebyshev tipo II y filtro elíptico. La herramienta de diseño de filtros digitales FDATool en la caja de herramientas de MATLAB puede ayudarle a seleccionar y diseñar fácilmente el filtro digital que necesita.
Los principales parámetros del filtro paso banda digital incluyen orden, tipo de filtro, dos frecuencias de corte, etc. Las características de atenuación de la banda de parada de los filtros de orden superior son muy buenas, pero son difíciles de lograr en órdenes superiores. Para los filtros activos, el intervalo de frecuencia entre la onda fundamental y el armónico principal es relativamente grande, por lo que los requisitos para la tasa de atenuación de la banda suprimida no son muy altos y un filtro de segundo orden puede cumplir las condiciones, ya que el filtro Butterworth lo es; en la banda de paso Tiene características planas y es relativamente simple de implementar, por lo que después de una consideración exhaustiva, se seleccionó el filtro de paso de banda Butterworth de segundo orden.
La elección de la frecuencia de corte del filtro está estrechamente relacionada con el factor de calidad q. Cuanto mayor es q, más rápida será la atenuación armónica y más precisa será la componente de onda fundamental extraída por el filtro de paso de banda. Sin embargo, cuanto mayor sea Q, menor será el ancho de banda, más lenta será la velocidad de respuesta dinámica y la diferencia de parámetros múltiplo del filtro digital será demasiado grande, lo que aumentará el requisito de longitud de palabra. El ancho de banda de paso del filtro de paso de banda BW = ω o/(2π q) = fo/Qofo es la frecuencia central del sistema. Aquí configuramos q en aproximadamente 5, por lo que el ancho de banda es de aproximadamente 10 Hz. Seleccione dos frecuencias de corte de 45 Hz y 55,6 Hz respectivamente. Lo que hay que tener en cuenta aquí es. Debido a la asimetría de las características de amplitud-frecuencia del filtro de paso de banda, la frecuencia central no es el promedio de las dos frecuencias de corte. Los criterios de selección para las dos frecuencias de corte son garantizar que el cambio de fase en la frecuencia central de 50 Hz sea 0 y que la amplitud no se atenúe. De acuerdo con los estándares anteriores, la función de transferencia del filtro está diseñada de la siguiente manera
Las características de amplitud-frecuencia y fase-frecuencia del filtro se muestran en la Figura 2 y la Figura 3.
La implementación del filtro de paso de banda consiste en implementar la función de transferencia de la fórmula (2) en el chip DSP. Para facilitar la implementación del programa, la fórmula (2) se cambia a la forma de una ecuación diferencial, como se muestra en la fórmula (3).
y(n)= 0.003319x(n)-0.003319x(n-2)+1.9924y(n-1)-o 9934y(n-2)(3)
Use DSP para implementar la ecuación diferencial anterior, use principalmente tres unidades de almacenamiento para almacenar los valores de x (n), x (n-1), x (n-2), y use tres unidades de almacenamiento para almacene los valores y(n), y(n-1), y(n-2). Si se utilizan otras formas de filtros, la cantidad de unidades de almacenamiento intermedias requeridas puede ser diferente, lo que debe determinarse en función de la cantidad de términos x(n) e y(n) en la ecuación en diferencias.
Si el programa de filtro de paso de banda se implementa en un DSP de punto fijo, también preste atención a la selección de la posición del punto decimal de los coeficientes del filtro. Los coeficientes de un filtro digital tienen un gran impacto en el rendimiento del filtro. Una vez que los parámetros del filtro difieren aunque sea un poco, la salida del filtro puede estar lejos del valor correcto y, a veces, el sistema puede ser inestable. Por lo tanto, los coeficientes deben ampliarse tanto como sea posible antes del cálculo. Aquí, según las características de los tres coeficientes (0,003319, 1,9924, O.9934) y DSP (punto fijo de 16 bits), todos los coeficientes se amplifican 214 veces y luego se reducen 214 veces después de la operación de filtrado, calculando así el jugo. . En la implementación del filtro, es muy importante elegir el factor de amplificación apropiado en función de los coeficientes del filtro. El principio es utilizar tantos bits de procesador como sea posible (aquí 16 bits).
4 Simulación del sistema y resultados de las pruebas
El sistema experimental es un filtro activo trifásico en paralelo. El diagrama de bloques de la parte de detección se muestra en la Figura 4, en la que la parte de la línea de puntos es la parte de control de voltaje del lado de CC. El principio de este sistema es: primero, la corriente de carga pasa a través del filtro de paso de banda para obtener las corrientes fundamentales ia1, ib1 e IC 1; luego, las corrientes activas △iap, △ibp y △icp necesarias para mantener la tensión del lado CC; se superponen y luego del total. Estas corrientes se restan de la corriente de carga para obtener el valor de la corriente de comando trifásica. Finalmente, el valor de la corriente de comando se ajusta mediante PI para controlar la salida del inversor y la corriente armónica se inyecta en el; red en fase inversa, haciendo que la corriente de la red sea básicamente una onda sinusoidal.
La simulación del sistema utiliza el módulo Simulink en MATLAB y los resultados de la simulación se muestran en la Figura 5. Se puede ver en la Figura 5 que la corriente de la red después de la compensación es mucho mejor que la forma de onda actual antes de la compensación.
La capacidad de diseño del prototipo experimental es de 6kW, el voltaje de entrada es de 380V y la carga es un puente rectificador no controlado trifásico. La parte de control toma el DSP TMS320LF2407 de TI como núcleo y es responsable del cálculo de corriente armónica y el control de salida PWM.
La parte principal del programa se completa en la interrupción de muestreo AD. En el programa de interrupción AO, primero calcule la corriente filtrada mediante la fórmula (3) en función de los valores de muestreo de corriente y voltaje trifásico, y luego calcule el valor de corriente de comando.
Finalmente, después del ajuste de PI, se envía al circuito de generación PWM para controlar la salida del inversor.
La Figura 6 es el resultado del cálculo intermedio del programa, donde 1 es el voltaje de la red muestreado por DSP, 2 es la corriente de carga muestreada por DSP y 3 es el componente fundamental de la corriente de carga que pasa a través del filtro de paso de banda. Como puede verse en la Figura 6, el filtro de paso de banda puede separar bien el componente fundamental de la corriente de carga.
La Figura 7 es la forma de onda experimental del sistema. La Figura 7(a) es la forma de onda de voltaje y corriente de la red antes de que el filtro activo se ponga en funcionamiento. La Figura 7(b) es la forma de onda después del filtro activo. se pone en funcionamiento. Como puede verse en la Figura 7 (b), el filtro activo basado en el filtro de paso de banda puede desempeñar un muy buen papel de supresión de armónicos.
5 Conclusión
Este artículo propone un método de detección de armónicos basado en filtros de paso de banda, y verifica la viabilidad de este método en filtros activos paralelos mediante simulación y experimentos. Las principales conclusiones son las siguientes:
1) El componente de onda fundamental en la corriente de carga se puede detectar bien utilizando un filtro de paso de banda
2) Dado que la corriente de carga de; el filtro generalmente no tiene subarmónicos de frecuencia, si es un sistema simétrico trifásico, no hay terceros armónicos ni múltiplos de terceros armónicos, por lo que siempre que la frecuencia central del filtro de paso de banda sea de 50 Hz, el ancho de banda tiene poco impacto en el sistema, pero la frecuencia de fase del filtro de paso de banda Las características tienen un gran impacto en el sistema
3) Los experimentos muestran que los filtros activos paralelos basados en filtros de paso de banda pueden suprimir eficazmente los armónicos de la red; corrientes, pero la desventaja de este método es que no puede compensar la potencia reactiva al mismo tiempo.