基于快速控制模型的混合型電力濾波器設計

目前，電力濾波器多采用數(shù)字化控制器實現(xiàn)，需要工程師有較高的軟件編程能力。這樣，濾波器設計周期的絕大部分時間將用于程序的編寫以及優(yōu)化上?？紤]到數(shù)學模型的建立、算法的設計、離線調(diào)試，整個開發(fā)時間將非常長，成本將相應增加。
快速控制模型(Rapid Control Prototyping，RCP)的設計降低了設計周期，利用Simulink的圖形化編程方法，不再需要進行復雜的程序編寫：對于硬件工程師而言，改變模型參數(shù)就可以實現(xiàn)現(xiàn)場調(diào)試；對于理論研究人員而言，只需要考慮算法的快速性和實用性。
小波變換是一種分析非穩(wěn)態(tài)電壓和電流波形的快速而有效的方法。同F(xiàn)FT一樣，小波變換將信號分解成頻率分量。但是，離散小波變換(DWT)具有可變的頻率分辨率，可以有效地解決負載突變所引起的電網(wǎng)電壓閃變，而且能夠實時跟蹤問諧波。這是用來分析瞬態(tài)信號的一個有用特性。另外，小波分析不需要在整個頻域范圍內(nèi)同時進行，將計算量集中在某一頻率范圍，減小了計算量，加快了分析速度。
本文基于Simulink軟件對混合型有源電力濾波器(Hvbrid Active Power Filter，HAPF)進行建模，利用Wavelet工具箱進行諧波分析并仿真，由MATLAB／Simulink／Embedded Target for TI C2000生成DSP代碼，最終在TMS320F2812進行硬件實現(xiàn)。

1 快速控制模型(RCP)
RCP由兩部分組成：計算機輔助設計軟件Simulink和帶有實時操作系統(tǒng)的專有硬件TMS320F2812，如圖1所示。這種圖形化編程方法取代了傳統(tǒng)程序的編寫，只要求工程師將注意力集中在功能和性能的優(yōu)化上。本文提出的完整系統(tǒng)在仿真環(huán)境下進行。

Embedded Target for TI C2000連接軟件和硬件，Simulink工具箱提供本文所需的各種模型，為通用DSP上設計、仿真和實現(xiàn)嵌入式控制系統(tǒng)提供了集成平臺。圖2為設計流程。

利用Embedded Target，能夠通過CCS(Cede Composer Studio)產(chǎn)生高效的DSP代碼，通過主機與DSP的接口將二者連接起來，就可以對DSP進行在線控制與優(yōu)化。對于需要進行循環(huán)計算的復雜算法，RCP的快速執(zhí)行功能將體現(xiàn)出極大的優(yōu)越性。鑒于小波變換分析電力系統(tǒng)諧波的前景，以及建模的便利，本濾波器的有源部分控制算法利用小波變換來分析電網(wǎng)諧波。

2 小波分析
2．1 多分辨分解法
小波分析的實現(xiàn)通常采用信號的多分辨分解法(Multiresolution Signl Decomposition，MSD)，高通濾波器h和低通濾波器g分別通過小波函數(shù)來構成，如圖3所示。

圖3中的尺度1包含了從奈奎斯特頻率到1／4采樣頻率的信息，尺度2包含了從1／4到1／8采樣頻率的信息，其他尺度包含的信息以此類推。小波的分解可以在任意尺度上終止，最后的平滑輸出包含了所有剩余尺度的信息。但是，信號的分解層數(shù)不是任意的。長度為N的信號最多只能分解成log2N層。
2．2 小波變換
連續(xù)信號f(t)的小波變換定義為：

其中，為母小波，a為伸縮因子，b為平移因子。在時域中是拉伸還是收縮取決于a。
在離散小波變換中，給出了一些小波系數(shù)m和n，這些系數(shù)取決于伸縮因子和平移因子的次數(shù)。則離散小波系數(shù)可表示為：