三相四線制有源電力濾波器軟硬件系統(tǒng)的設(shè)計

　摘　要：為了解決三相四線制電網(wǎng)中諧波、無功功率和三相不平衡等電能質(zhì)量問題，本文采用基于DSP+CPLD全數(shù)字控制的并聯(lián)型有源電力濾波器(APF)來實現(xiàn)補償。本文分析了APF的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理,給出了裝置的總體控制方案，并進行控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計。詳細(xì)探討了控制系統(tǒng)所采用的檢測控制方法、硬件結(jié)構(gòu)以及軟件流程設(shè)計等。仿真結(jié)果表明,采用這種方案,可以對三相四線制系統(tǒng)中的諧波、無功、負(fù)序、零序等電流分量進行有效補償, 具有良好的動態(tài)補償效果。

　　隨著國民經(jīng)濟的迅速發(fā)展，電力系統(tǒng)中非線性、沖擊性和單相負(fù)載都大量增加，由此產(chǎn)生的諧波、無功功率和三相不平衡等問題給電力系統(tǒng)和用戶造成了嚴(yán)重的影響。目前，用電單位也對電能質(zhì)量和供電可靠性提出了更高要求，改善電能質(zhì)量已成為社會發(fā)展的必然要求。因此，在電力系統(tǒng)運行中，研究怎樣進行諧波污染抑制和無功功率補償，來改善電能質(zhì)量、提高功率因數(shù)和減少電能損耗已成為電力系統(tǒng)中的一個重要研究課題。本文正是針對大量存在的三相四線制系統(tǒng)而進行設(shè)計的高性能動態(tài)補償裝置，并聯(lián)型三相四線制有源電力濾波器(APF)，它能對大小和頻率都變化的諧波和無功進行快速補償，能有效克服無源補償裝置的不足，是一種很有前途的補償裝置。

　　本文首先介紹了并聯(lián)型APF的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理，然后討論了基于DSP+CPLD的全數(shù)字化控制系統(tǒng)的實現(xiàn)方案，并對該控制系統(tǒng)的硬件電路和軟件系統(tǒng)設(shè)計進行了研究，最后給出了實驗波形，驗證了控制策略的有效性。

　　1 并聯(lián)有源濾波器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

　　有源電力濾波器主要由主電路，信號檢測電路，DSP+CPLD控制系統(tǒng)，驅(qū)動電路和鍵盤顯示部分等組成。三相四線制有源電力濾波器有兩種不同的主電路結(jié)構(gòu)及其控制方法[1]，即3橋臂PWM變流器和4橋臂PWM變流器，從經(jīng)濟成本角度考慮，本文采用3橋臂PWM變流器方案。本文設(shè)計的并聯(lián)型APF的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，主電路采用三相電壓源型逆變器結(jié)構(gòu)，逆變器輸出端經(jīng)濾波電感與電網(wǎng)相接。負(fù)載為污染源,產(chǎn)生諧波、無功及三相不平衡電流等有害分量。控制系統(tǒng)包括檢測環(huán)節(jié)，指令電流運算環(huán)節(jié)、補償電流跟蹤控制環(huán)節(jié)、直流側(cè)電壓控制環(huán)節(jié)和驅(qū)動保護環(huán)節(jié)等。

　　有源濾波器的基本工作原理是：首先互感器(TV 、TA)檢測補償對象的電壓和電流信號，然后經(jīng)過轉(zhuǎn)換處理后送給控制系統(tǒng)計算出補償電流的指令信號，該信號經(jīng)補償電流發(fā)生電路放大，輸出補償電流，從而使補償電流與被補償對象的諧波、無功、負(fù)序等有害電流分量相互抵消，最終得到期望的正弦電源電流。即經(jīng)有源電力濾波器補償后,電網(wǎng)側(cè)三相電流為對稱正弦波,零線電流為0，實現(xiàn)改善電能質(zhì)量的目的。

　　圖1中，QF為斷路器;KM1、KM2為交流接觸器; R為限流電阻，L為濾波電感; C1、C2為直流母線電容。有源電力濾波器基本的工作過程如下，先閉合上QF，再閉合接觸器KM1，電網(wǎng)電壓通過限流電阻R、濾波電感L和逆變器中的續(xù)流二極管向直流母線電容C1、C2充電。當(dāng)直流母線電壓達到一定值之后，控制系統(tǒng)發(fā)出控制信號，控制KM2閉合，然后APF軟啟動升到額定電壓，進入正常工作狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障保護時，KM1斷開，以保護APF主電路不受損害。

　　2 控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

　　控制系統(tǒng)是APF的核心部分，它直接決定了APF的性能指標(biāo)和補償效果。為了滿足APF控制系統(tǒng)實時性和準(zhǔn)確性的要求，本文采用了以DSP+CPLD為核心的數(shù)字化控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)硬件電路主要由核心控制系統(tǒng)模塊、數(shù)據(jù)采集電路、同步檢測電路、PWM隔離驅(qū)動電路、硬件保護電路、I/O接口電路、通信電路、電源等輔助電路組成。并聯(lián)型APF的控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。

　　圖 2 并聯(lián)型APF的控制系統(tǒng)框圖