基于DSP的有源電力濾波器設(shè)計

常奇峰 張玉麒 趙冰

摘 要：隨著電力電子設(shè)備等非線性負(fù)載的廣泛應(yīng)用，其產(chǎn)生的諧波對電能質(zhì)量產(chǎn)生了很大的影響。該文以TMS320F2812 DSP為核心，搭建了一種有源電力濾波器裝置，對電力系統(tǒng)的諧波進(jìn)行補(bǔ)償。并介紹了系統(tǒng)的工作原理、同時給出了系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計以及軟件流程框圖，目前該系統(tǒng)已經(jīng)投入了實際應(yīng)用，結(jié)果證明了該裝置在改善電能質(zhì)量上的可行性。

關(guān)鍵詞：有源電力濾波器 諧波檢測 DSP

中圖分類號：TN713 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）08（a）-0146-03

隨著我國電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，電機(jī)、電弧爐、熒光燈、軌道交通設(shè)備等各種電力電子裝置的應(yīng)用越來越廣泛，導(dǎo)致供電設(shè)施和用電設(shè)備運行狀況惡化，功率因數(shù)降低，損耗增加，電能浪費。為了避免諧波的危害，保證較高的供電質(zhì)量，行之有效的方案就是采用無源電力濾波器和有源電力濾波器對電力系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償。但由于傳統(tǒng)的LC濾波器本身的缺陷，以及有源電力濾波技術(shù)的優(yōu)勢和快速發(fā)展，使得有源電力濾波器在諧波抑制中的作用越來越明顯。與傳統(tǒng)LC濾波器相比，APF具有如下優(yōu)點：動態(tài)補(bǔ)償、響應(yīng)速度快以及平衡負(fù)載等。因此有源電力濾波器能夠獲得更好的濾波效果，為此該文設(shè)計了一種以TMS320F2812 DSP為控制核心的有源電力濾波器裝置對電網(wǎng)中的諧波進(jìn)行動態(tài)補(bǔ)償。

1 系統(tǒng)原理及硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

有源電力濾波器的基本原理如圖1所示，其基本原理是：首先利用電流互感器檢測出電網(wǎng)中的諧波電流，然后根據(jù)得到的諧波分量發(fā)出PWM信號給IGBT，實時調(diào)整IGBT的導(dǎo)通與關(guān)斷，主電路受驅(qū)動電路控制產(chǎn)生與負(fù)載中的諧波一致的諧波，對負(fù)載產(chǎn)生的諧波進(jìn)行補(bǔ)償，從而通過電網(wǎng)電流的諧波分量與補(bǔ)償電流之間的相互抵消來達(dá)到凈化電網(wǎng)、節(jié)省電能的目的。

本系統(tǒng)主要由控制系統(tǒng)模塊和主電路模塊組成。

1.1 控制系統(tǒng)模塊

控制系統(tǒng)是有源電力濾波器的核心部分，它直接決定了有源電力濾波器的補(bǔ)償性能的好壞。為了滿足有源電力濾波器控制系統(tǒng)實時性和準(zhǔn)確性的要求，該文采用了DSP+FPGA為核心的數(shù)字化控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)硬件電路主要由數(shù)據(jù)采集模塊、核心控制模塊、通信模塊、驅(qū)動模塊以及保護(hù)電路模塊等輔助電路組成。該系統(tǒng)的電路框圖如圖2所示。

數(shù)字采集模塊的作用是采集電網(wǎng)中的電壓、電流等模擬信號。為了提高采樣精度，該系統(tǒng)并未采用TMS320F2812內(nèi)部集成的12位ADC，而是使用了TI公司的ADS8555芯片進(jìn)行采樣。該芯片包含一個6通道、16位逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，每個通道都包含一個能夠完成同步高速多通道采樣的采樣保持電路。在信號轉(zhuǎn)換中，各個通道是相互獨立的，各個通道的轉(zhuǎn)換結(jié)果的狀態(tài)互不影響。6個通道的轉(zhuǎn)換受片內(nèi)時序控制器控制，每個通道的采樣保持放大電路的輸出從1至6通道依次進(jìn)行轉(zhuǎn)換，當(dāng)所有通道全部轉(zhuǎn)換完成后，系統(tǒng)將產(chǎn)生一個中斷信號，對RD引腳依次施加讀脈沖信號，以讀出內(nèi)部數(shù)據(jù)。

核心控制系統(tǒng)模塊，主要由一片高性能DSP芯片TMS320F2812和一片F(xiàn)PGA芯片EP3C10E144I8以及相關(guān)外圍電路組成。其作用是將數(shù)據(jù)采集模塊輸出的電壓、電流等模擬信號轉(zhuǎn)換為可被計算機(jī)處理的數(shù)字信號，然后通過一定的控制算法得到補(bǔ)償電流，接著生成IGBT驅(qū)動信號對主電路進(jìn)行控制。并且其還要根據(jù)不同的故障狀態(tài)產(chǎn)生不同的保護(hù)動作，協(xié)調(diào)系統(tǒng)內(nèi)部的邏輯、擴(kuò)展IO接口、簡化外圍電路等功能。

電流檢測電路主要負(fù)責(zé)利用霍爾傳感器對APF輸出的補(bǔ)償電流、負(fù)載電流轉(zhuǎn)換到控制系統(tǒng)采樣的范圍。檢測元件采用LEM公司生產(chǎn)的HAX 600-S電流霍爾傳感器和LV25-1000電壓霍爾傳感器，把電網(wǎng)電壓及線路電流變成弱電信號，通過調(diào)理電路輸入ADS8555轉(zhuǎn)換芯片。

隔離驅(qū)動模塊的作用是將核心控制模塊產(chǎn)生的光脈沖信號轉(zhuǎn)換為電脈沖信號，同時經(jīng)過功放處理后，最終輸出PWM信號，實現(xiàn)對逆變主電路IGBT的驅(qū)動控制。

硬件保護(hù)電路，為了保證有源電力濾波器裝置可靠穩(wěn)定的運行，該裝置需要有完善的保護(hù)系統(tǒng)。當(dāng)其發(fā)生驅(qū)動板過壓或欠壓、驅(qū)動板超溫、待補(bǔ)償負(fù)載電流波動太大、IGBT短路等故障時，相應(yīng)的檢測電路檢測到故障信號，經(jīng)過處理后發(fā)出報警信號，進(jìn)而控制有源電力濾波器停止工作，達(dá)到其保護(hù)作用。

1.2 主電路模塊

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)連接。如圖3所示，其中L1-L3為濾波電感，HAT1-HAT3為霍爾電流傳感器，C1-C6為突波電容，C7-C12為直流母線電容，Rz為均壓電阻，PT為霍爾電壓傳感器；由于直流側(cè)電容的電容量較大，當(dāng)直接合閘充電時，有可能燒壞IGBT開關(guān)管等器件，因此要通過并聯(lián)限流電阻來抑制啟動電流，實現(xiàn)對直流側(cè)電容電壓的緩慢充電。當(dāng)直流母線電壓達(dá)到設(shè)定的750V時，核心控制模塊發(fā)出控制信號，將限流電阻支路短接，使系統(tǒng)進(jìn)入正常運行狀態(tài)。

2 軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件主要流程圖如圖4所示。系統(tǒng)軟件主要由主程序和中斷子程序組成。中斷子程序又包括電流檢測、PWM驅(qū)動控制、電網(wǎng)頻率檢測、數(shù)據(jù)采集等。

3 實驗結(jié)果

完成系統(tǒng)的設(shè)計、搭建后，如圖5所示，為對某公司進(jìn)行諧波治理前后所獲得的測試數(shù)據(jù)。在變壓器低壓400V母線負(fù)載側(cè)并聯(lián)安裝有源電力濾波器，就地補(bǔ)償光伏逆變器在運行過程中產(chǎn)生的諧波。從圖5中可以看出，補(bǔ)償前電網(wǎng)電流含有大量的諧波成分，經(jīng)過APF補(bǔ)償后，電網(wǎng)電流中的大部分諧波被抵消或減少，避免了負(fù)載大量的諧波電流注入到電網(wǎng)中，造成對電網(wǎng)電流的污染。

4 結(jié)論

該文以TMS320F2812 DSP為核心，搭建了有源電力濾波器系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，并編寫了相應(yīng)的軟件程序，完成了諧波電流檢測測試和補(bǔ)償測試。并研究了并聯(lián)型有源電力濾波系統(tǒng)對供電系統(tǒng)諧波抑制的效果。結(jié)果表明本裝置具有良好的諧波抑制和無功補(bǔ)償性能，可以實現(xiàn)諧波污染抑制功能。當(dāng)前，該有源電力濾波器裝置已在一些低壓配電系統(tǒng)中投入運行，并取得了良好的運行效果。

參考文獻(xiàn)

[1]蘇奎峰，呂強(qiáng).TMS320F2812原理與開發(fā)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005.

[2]曲學(xué)基，曲敬鎧.電力電子濾波技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

[3]羅安.電網(wǎng)諧波治理和無功補(bǔ)償技術(shù)及裝備[M].北京：中國電力出版社，2006.

[4]楊君，王兆安，邱關(guān)源.并聯(lián)型電力有源濾波器直流側(cè)電壓的控制[J].電力電子技術(shù)，1996（4）：48-50.

[5]趙小英，朱海濱，王平.基于DSP的有源電力濾波器數(shù)字控制系統(tǒng)[J].電氣應(yīng)用，2005（2）：113-115.