基于DSP的并聯(lián)有源電力濾波器的硬件電路設(shè)計(jì)

隨著電力電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，電力系統(tǒng)中非線(xiàn)性負(fù)荷大量增加，各種非線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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。

3軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)
系統(tǒng)的全數(shù)字化控制對(duì)實(shí)時(shí)性要求很高，同時(shí)還必須考慮控制精度，這兩點(diǎn)關(guān)系著整個(gè)系統(tǒng)性能的好壞。因此，縮短程序運(yùn)行時(shí)間并保證計(jì)算精度是系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)。
系統(tǒng)以一個(gè)采樣周期為運(yùn)行周期，在每個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)需完成數(shù)據(jù)采樣，計(jì)算瞬時(shí)諧波及無(wú)功電流分量值，產(chǎn)生6路PWM信號(hào)，分別控制6只IGBT管的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，這幾步過(guò)程應(yīng)在一個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)完成，否則實(shí)時(shí)性很難得到保證。系統(tǒng)軟件主要包括主程序、A／D轉(zhuǎn)換子程序、諧波和無(wú)功電流計(jì)算子程序、PWM信號(hào)輸出子程序、串行通信子程序等幾部分。
系統(tǒng)軟件組成框圖如圖3所示。

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
為了驗(yàn)證上述諧波檢測(cè)和控制方案的有效性以及由此構(gòu)成的基于DSP的并聯(lián)型有源電力濾波器是否能很好地補(bǔ)償諧波和無(wú)功電流，本文進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。采用阻性負(fù)載作為三相不控橋式整流器的負(fù)載，試驗(yàn)中在負(fù)載側(cè)接了1個(gè)2Ω的電阻。下面以A相為例給出實(shí)驗(yàn)波形。圖4分別給出了補(bǔ)償前后的負(fù)載電流波形和補(bǔ)償前后負(fù)載電流的頻譜圖。

從圖4中可以看出，在未加入APF時(shí)的A相電源電流波形發(fā)生了嚴(yán)重畸變，為尖頂波，在加入本實(shí)驗(yàn)裝置之后電源電流的波形有了明顯的改善，十分接近于正弦波。同時(shí)，從頻譜圖中可以看出補(bǔ)償后電源電流畸變率很小，電源電流呈現(xiàn)出比較標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，即電網(wǎng)電流中諧波和無(wú)功分量得到了較好的補(bǔ)償，有效地抑制了諧波并補(bǔ)償了無(wú)功分量。這說(shuō)明APF試驗(yàn)裝置是有效的，并驗(yàn)證了本文提出的算法和主電路設(shè)計(jì)的正確性。
負(fù)載電流中含有高次諧波及無(wú)功電流時(shí)，負(fù)載電流總諧波畸變率THD=63.86％，負(fù)載電流中各次諧波電流含量見(jiàn)表1；補(bǔ)償后電源電流總諧波畸變率THD=5.35％，電源電流各次諧波電流含量見(jiàn)表2。

5結(jié)語(yǔ)
本文以并聯(lián)有源電力濾波器為研究對(duì)象，對(duì)其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、補(bǔ)償分量的檢測(cè)算法、控制策略等問(wèn)題作了較系統(tǒng)的研究。在該基礎(chǔ)上，介紹一種基于DSP的并聯(lián)型電力有源濾波器的設(shè)計(jì)。仿真實(shí)驗(yàn)表明所設(shè)計(jì)的有源濾波器具有良好的諧波補(bǔ)償特性、自適應(yīng)補(bǔ)償能力。