基于DSP并聯(lián)有源電力濾波器的研究

隨著電力電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，電力系統(tǒng)中非線性負(fù)荷大量增加，各種非線性和時(shí)變性電子裝置如逆變器、整流器及各種開(kāi)關(guān)電源的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，由此帶來(lái)的諧波和無(wú)功問(wèn)題日益嚴(yán)重。采用電力濾波裝置就近吸收非線性負(fù)載所產(chǎn)生的諧波和無(wú)功電流，是抑制諧波和無(wú)功污染的有效措施。目前大量采用并聰型無(wú)源電力濾波器(PPF)來(lái)抑制諧波，PPF具有投資少、效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠及維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，但是其本身固有的缺陷限制了其發(fā)展。與PPF相比，有源電力濾波器(APF)具有高度的可控性和快速響應(yīng)性，其特點(diǎn)是不僅能夠補(bǔ)償各次諧波，還可以抑制閃變、補(bǔ)償無(wú)功；不受系統(tǒng)阻抗特性的影響，可消除與系統(tǒng)阻抗發(fā)生并聯(lián)諧振的危險(xiǎn)；具有自適應(yīng)能力，可自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償變化著的諧波。本文主要研究并聯(lián)型APF。
1 工作原理

有源電力濾波器系統(tǒng)構(gòu)成原理如圖1所示。

圖中Vs表示交流電源，負(fù)載為非線性的諧波源，它產(chǎn)生諧波并消耗無(wú)功功率。有源電力濾波器系統(tǒng)由兩大部分組成，即指令電流運(yùn)算電路和補(bǔ)償電流發(fā)生電路。其中，指令電流運(yùn)算電路(即諧波和無(wú)功電流檢測(cè)電路)的主要功能是從補(bǔ)償對(duì)象的電流中提取所需的諧波和無(wú)功等電流分量。補(bǔ)償電流發(fā)生電路由電流跟蹤控制電路、驅(qū)動(dòng)電路和主電路三部分構(gòu)成，它的作用是根據(jù)指令電流運(yùn)算電路得出補(bǔ)償電流的指令信號(hào)，構(gòu)造實(shí)際的補(bǔ)償電流。主電路目前均采用PWM變流器，在產(chǎn)生補(bǔ)償電流時(shí)，主要作為逆變器工作。

圖1所示APF的基本工作原理：實(shí)時(shí)檢測(cè)補(bǔ)償對(duì)象的電壓和電流，經(jīng)指令電流運(yùn)算電路計(jì)算得出補(bǔ)償電流(諧波和無(wú)功電流)的指令信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)補(bǔ)償電流發(fā)生電路放大，得出補(bǔ)償電流，補(bǔ)償電流與負(fù)載電流中要補(bǔ)償?shù)闹C波及無(wú)功電流大小相等、相位相反、相互抵消，最終得到期望的電網(wǎng)電流，使電網(wǎng)電流成為與電壓同相位的正弦波，從而達(dá)到抑制諧波，補(bǔ)償無(wú)功的目的。上述原理可用一組公式來(lái)描述：

2 硬件電路設(shè)計(jì)

指令電流運(yùn)算電路的核心是DSP，運(yùn)用擴(kuò)展dq算法檢測(cè)負(fù)載電流中的諧波和無(wú)功分量，并根據(jù)無(wú)功補(bǔ)償和諧波抑制裝置的補(bǔ)償目的得出補(bǔ)償電流的指令信號(hào)。補(bǔ)償電流發(fā)生電路則產(chǎn)生跟蹤指令電流的補(bǔ)償電流以達(dá)到補(bǔ)償諧波和無(wú)功的目的?？刂葡到y(tǒng)的硬件主要包括DSP控制芯片、D／A與A／D電路、采樣周期信號(hào)發(fā)生電路、非線性負(fù)載電流的檢測(cè)與調(diào)理電路、三角波比較電路、驅(qū)動(dòng)電路和直流側(cè)電壓控制與均壓控制電路。如圖2所示，系統(tǒng)通過(guò)電流傳感器檢測(cè)非線性負(fù)載的電流iLa，iLb和iLc，經(jīng)電流信號(hào)調(diào)理后送入DSPTMS320F2812的A／D端口。驅(qū)動(dòng)電路接收來(lái)自DSP的PWM信號(hào)并經(jīng)隔離和放大后驅(qū)動(dòng)主電路的開(kāi)關(guān)管，以控制主電路電流跟隨指令電流的變化。2個(gè)電壓傳感器分別檢測(cè)變流器直流側(cè)的總電壓和上部電容電壓，經(jīng)電壓信號(hào)調(diào)理電路后送入DSP，通過(guò)合理的控制以調(diào)節(jié)直流側(cè)電壓的穩(wěn)定以及上、下電容電壓的均衡。啟動(dòng)、關(guān)斷和保護(hù)模塊按一定的時(shí)序控制裝置的啟動(dòng)和關(guān)斷，并提供裝置的過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)熱、缺相等故障保護(hù)功能。