??? 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，通過三個單相變壓器的特殊連接方式，僅使用一個單相全橋逆變電路" title="逆變電路">逆變電路即可完成補償要求，同時避免承受電網基波電壓，有效降低開關損耗以及控制復雜程度；介紹了重復學習控制策略" title="控制策略">控制策略并給出其控制模型；最后使用FPGA和DSP給出了該控制的數字算法實現并研制了一套容量為10kVA的裝置進行實驗。?
??? 關鍵詞： 中性線有源濾波器；重復學習控制；DSP；FPGA
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??? 在對商業和民用建筑供電的三相四線制系統中，由于負荷的不平衡以及大量非線性負荷的存在，使得系統電流嚴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、降低變壓器及一些電氣設備的使用壽命等[1]；情況嚴重的甚至會因諧波電流太大超過中性線的設計承受值而導致中性線燒毀進而引起事故。因此，對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的諧波電流是目前的研究熱點[2]。針對中性線上的諧波電流同樣也可以采用有源方式。目前，應用于三相四線制系統的有源濾波器主電路絕大多數采用電壓型三相全橋逆變電路。根據中線連接方式的不同又分為電容中點式[3]和四橋臂式[4]，但這兩種拓撲結構開關器件多，直流側均需承受基波電壓，開關損耗高，且三相之間存在耦合，控制復雜。?
??? 在控制策略方面，針對電流補償目的的有源濾波器如何根據須補償的諧波電流轉化為電壓型逆變電路的控制電壓，并且確保系統在任何擾動下仍能正確補償諧波電流，是關系到有源濾波器的補償效果的重要一環。對于采用PWM技術控制的逆變器實現的有源濾波器，因其控制目標是使系統線電流中諧波電流為零，采用前饋控制要求精確的系統參數和逆變器參數，實際中難以做到；而采用反饋控制要求控制器具有內部模型或增益無窮大的控制系統。?
??? 重復學習控制是一種智能控制方法[5]，適合于可重復操作或周期系統。通過重復學習，可以克服跟蹤控制中模型參數或動態結構先驗知識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學習控制得到。?
??? 本文首先針對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撲結構，通過重復學習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確參考電壓，從而使中性線諧波電流補償為零。?
1 低耐壓中性線有源濾波主電路拓撲結構?
??? 圖1所示為中性線諧波有源濾波主電路結構示意圖。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。逆變器直流側由一個三相不可控橋式整流提供電源，該整流電路不會向系統產生附加的零序諧波電流，即不會在中性線上產生附加的諧波電流。補償零序諧波電流時逆變器與系統交換的瞬時功率為零，因此直流電壓的波動主要由開關器件的開關損耗、補償不對稱電流和連接電感儲能作用產生，為了將直流電壓穩定在一定水平，可以通過選擇適當的電容量來實現。?
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2 重復學習控制策略?
??? 重復學習控制策略是一種模型識別技術，它通過檢測系統中性線電流形成閉環系統，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，因此只能通過檢測系統電流來間接辨識。這個辨識包含兩個過程，首先是等效電壓源的波形識別，其次是其幅值和相位識別。為此，首先將逆變器看作Boost整流器，調節系統電流使其在諧波域內實現系統中線電流與等效電壓源之間的單位功率因數，從而實現波形形狀識別；同時，采用迭代重復學習控制方法調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PWM調制技術類似。這樣的控制方式使系統具有較強的魯棒穩定性、較好的動態性能以及較小的穩態誤差。?
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??? 如圖2所示為基于恒頻Boost變換技術的逆變器參考電壓學習控制策略原理圖，它是通過在反饋控制引入學習控制環節實現的。根據重復學習控制算法[5]，該控制器的數學描述為：?
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其中，下標k表示計數學習周期，t∈[0，T]并且T表示學習周期，它是基波周期的整數倍；uc(t)表示Boost變換控制的輸出；ul(t)表示學習控制的輸出；e(t)表示學習控制重復誤差，它直接取值于系統中性線電流的補償分量ish；Re為學習增益。?
3 中性線有源濾波器重復學習控制的實現?
3.1 硬件設計方案?
??? 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，兩者之間可以實現雙向數據傳輸，具有靈活的數據傳輸方式和很強的編程能力，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，它是一種低價格、高性能的DSP芯片,其控制能力強,同時具有較高的運算能力,能夠滿足系統對微處理器的要求,從而實現復雜的管理控制功能。FPGA選用的是Altera公司的EP1C6T144芯片，其內核采用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，最高運行頻率可達到200MHz，具有速度快、運行穩定等特點，作為功能模塊具有很好的穩定性和靈活性。?
3.2 軟件實現?
??? DSP運行重復學習算法，根據FPGA產生同步脈沖從FPGA中低速重采樣數據，FPGA提供重采樣同步脈沖并根據同步電路向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?
??? 根據以上分析選擇參數，利用仿真軟件Matlab6.1中的Simulink建立系統模型，學習增益Re選為0.1，仿真結果如圖5、圖6所示。考慮到諧波檢測算法所需時間，濾波器從0.04s開始補償。可以看到，由于三相負載不平衡，補償前系統中性線電流波形畸變嚴重，其中3次諧波有效值（I3）高達基波有效值（I1）60%以上，5次、7次諧波含量也較高。加入重復學習控制系統后，系統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撲結構，對三相四線配電網中零序次諧波進行補償從而抑制中性線上諧波含量，相對于傳統的三相四線補償裝置有效降低了系統開關損耗及控制復雜程度。通過建立其簡化電路模型，采用重復學習控制策略，實現等效電壓源的辨識并構成閉環系統；最后基于DSP和FPGA實現了該裝置有源逆變電路重復學習數字控制系統的設計。該控制系統具有高穩定性、強魯棒性、低跟蹤誤差和快速跟蹤等特點；且該設計提供的硬件平臺具有很強的擴展性，針對不同的控制需求只要合理設計程序及稍微修改外圍電路即可完成設計。?
參考文獻?
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[3] 卓放，楊軍，胡軍飛，等.三相四線制有源電力濾波器主電路的結構形式與控制[J].電工電能新技術，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] 查曉明，孫建軍，陳允平.并聯型有源電力濾波器的重復學習Boost變換控制策略[J].電工技術學報，2005，20(2)：56－62.