基于TMS320F28335的有源電力濾波器實(shí)現(xiàn)

時(shí) 偉，黃傳金，曹文思，劉宏超

SHI Wei1, HUANG Chuan-jin1, CAO Wen-si2, LIU Hong-chao3

（1. 中州大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，鄭州 450044；2. 華北水利水電學(xué)院，鄭州 450011；3. 湖南省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院，長(zhǎng)沙 410007）

0 引言

有源電力濾波器(Active Power Filter, APF)是一種用于動(dòng)態(tài)抑制諧波補(bǔ)償無(wú)功的新型電力電子裝置，針對(duì)APF的研究主要以三相六開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)進(jìn)行[1～3]。經(jīng)過對(duì)低壓電力系統(tǒng)中的中小容量諧波治理與無(wú)功補(bǔ)償?shù)募?xì)分市場(chǎng)需求分析，采用成本更低的三相四開關(guān)APF相對(duì)于三相六開關(guān)系統(tǒng)則更加具有針對(duì)性與適應(yīng)性。本文介紹了基于TMS320F28335的有源電力濾波器的硬件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法。

1 三相四開關(guān)APF的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

三相四開關(guān)APF系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

由圖1可知，三相四開關(guān)APF有兩相橋臂需要開關(guān)器件和續(xù)流二極管，第三相橋臂由直流側(cè)電容組成。由于所需要的開關(guān)器件和續(xù)流二極管數(shù)目可以減少，同時(shí)功率模塊散熱單元的設(shè)計(jì)也針對(duì)四開關(guān)電路有了相應(yīng)簡(jiǎn)化，整機(jī)功耗相對(duì)于六開關(guān)系統(tǒng)有了明顯下降。三相四開關(guān)APF的整體制造成本與運(yùn)行成本相對(duì)于傳統(tǒng)的三相六開關(guān)并聯(lián)型APF有了顯著地降低，具有較好的經(jīng)濟(jì)性，因此較適合在低壓系統(tǒng)中應(yīng)用。其基本工作原理是通過指令電流運(yùn)算電路計(jì)算出負(fù)載電流iL中的諧波分量ih，得到有源電力濾波器應(yīng)輸出的指令電流ic*；然后電流跟蹤控制電路則通過控制逆變器的開關(guān)動(dòng)作使有源濾波器的輸出電流ic基本與ic*相同，于是電源電流is即等于負(fù)載電流iL的基波分量，形成正弦波。

圖1 三相四開關(guān)并聯(lián)型APF的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2 DSP控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)及電路設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，由TI公司的高速浮點(diǎn)DSP芯片TMS320F28335和XILINX公司的CPLD芯片C9572XL64以及相關(guān)的外圍電路芯片組成。整個(gè)DSP控制系統(tǒng)包括：模擬信號(hào)調(diào)理單元、A/D采樣單元、輸入輸出控制單元、DSP中央處理器單元、PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)單元、液晶顯示單元和通訊單元等。

其基本控制原理為：電流互感器采樣得到負(fù)載電壓和電流信息，經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路后進(jìn)入A/D采樣環(huán)節(jié)，A/D采樣結(jié)果輸出給DSP主控芯片，在DSP內(nèi)部采用文獻(xiàn)[4]提出的指令電流分析檢測(cè)和文獻(xiàn)[5]提出的控制信號(hào)輸出算法，得到PWM控制開關(guān)信號(hào)，該P(yáng)WM控制信號(hào)經(jīng)過光纖通道進(jìn)入IGBT驅(qū)動(dòng)單元，變換為可以驅(qū)動(dòng)大功率IGBT的開關(guān)信號(hào)，最終控制逆變器的運(yùn)行方式，實(shí)現(xiàn)指令電流的輸出。以上環(huán)節(jié)按照系統(tǒng)的采樣頻率循環(huán)進(jìn)行，最終達(dá)到對(duì)負(fù)載諧波、無(wú)功和負(fù)序等電流的動(dòng)態(tài)連續(xù)跟蹤控制。

圖2 DSP控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

2.1 采樣電路設(shè)計(jì)

采樣電路的設(shè)計(jì)包括信號(hào)轉(zhuǎn)換、信號(hào)放大、信號(hào)濾波、信號(hào)偏置和A/D采樣環(huán)節(jié)，具體電路如圖3所示。

圖3(a)中以A相負(fù)載電流采樣為例，一級(jí)CT（電流互感器）的輸入電流信號(hào)經(jīng)過圖3(a)中的二級(jí)CT的采樣電阻后，將信號(hào)轉(zhuǎn)換為交流電壓信號(hào)，其中穩(wěn)壓管對(duì)信號(hào)進(jìn)行了最大輸入限制，以免損毀后級(jí)電路及A/D芯片，電壓信號(hào)繼續(xù)經(jīng)過二階低通濾波電路以濾除高頻信號(hào)。由于本文采用的A/D芯片輸入信號(hào)要求為0～5V限制，故采用圖3(b)所示的+2.5V電壓偏置電路，對(duì)前級(jí)信號(hào)進(jìn)行偏置處理，保證A/D輸入通道的信號(hào)在0～5V的范圍內(nèi)。

A/D采樣電路采用AD轉(zhuǎn)換芯片AD7938-6對(duì)輸入模擬量進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，該芯片為8通道12位高速AD采樣芯片，具有最大625kSPS的轉(zhuǎn)化率，輸入電壓在2.7V至5.25V之間均能正常工作，實(shí)際最大功耗小于10mW，能采8路模擬參量，12位并行輸出接口可以保證采樣數(shù)據(jù)的高速傳遞，完全滿足系統(tǒng)精度要求。

圖3 負(fù)載電流信號(hào)輸入采樣電路

2.2 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)如圖4所示，采用CONCEPT公司的SCALE智能集成驅(qū)動(dòng)模塊，模塊型號(hào)為2SD315A。SCALE器件提供的驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)15A；輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)的導(dǎo)通電平為+15V，電平為-15V；開關(guān)頻率從0-100kHz；提供電氣隔離500V-10kV；占空比：0～100%；內(nèi)部帶短路和過流保護(hù)電路、隔離的狀態(tài)識(shí)別電路、電源檢測(cè)電路和DC/DC開關(guān)電源。

圖4 驅(qū)動(dòng)電路

從CPLD 控制器輸出的 SPWM 波通過光纖驅(qū)動(dòng)單元，經(jīng)光纖傳送到 2SD315A 驅(qū)動(dòng)模塊作為驅(qū)動(dòng)器的輸入，SPWM 波經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路后直接驅(qū)動(dòng)APF 主電路功率開關(guān)器件 IGBT 的上下橋臂，實(shí)現(xiàn)對(duì) IGBT 的控制。

為了保證不會(huì)出現(xiàn)上下橋臂直通的情況，在信號(hào)進(jìn)入 2SD315A 模塊前，還要設(shè)計(jì)邏輯互鎖電路，保證當(dāng)指令信號(hào)的上下橋臂均為高電平時(shí)，輸入 2SD315A 模塊的控制信號(hào)自動(dòng)互鎖為低電平，避免 IGBT 直通現(xiàn)象的發(fā)生。

2.3 故障鎖存電路

設(shè)計(jì)中要對(duì)各種故障信號(hào)進(jìn)行及時(shí)準(zhǔn)確的判斷、可靠的鎖存和正確的處理。下面以IGBT 驅(qū)動(dòng)模塊單元中 IGBT 短路過流故障的鎖存為例進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，過流故障鎖存電路如圖5所示。

圖5 故障鎖存電路

采用基于2SD315A模塊的驅(qū)動(dòng)電路對(duì)IGBT進(jìn)行驅(qū)動(dòng)并進(jìn)行過流保護(hù)。當(dāng)短路過流故障發(fā)生時(shí)，2SD315A模塊會(huì)關(guān)閉上下橋臂的IGBT以實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)，同時(shí)產(chǎn)生過流故障信號(hào)，故障經(jīng)CD4044B鎖存后點(diǎn)亮發(fā)光二極管，指示故障信號(hào)，同時(shí)產(chǎn)生三極管基極驅(qū)動(dòng)電流，從而驅(qū)動(dòng)光纖接口單元，使故障信號(hào)通過光纖傳送至DSP主控板，以便對(duì)故障進(jìn)行分析處理。

2.4 同步電路

同步電路的主要功能是產(chǎn)生與電網(wǎng)電壓頻率、相位相同的同步脈沖信號(hào)。調(diào)理電路輸出的電網(wǎng)信號(hào)經(jīng)過零相移帶通濾波器濾除諧波信號(hào)后，通過過零比較器得到與電網(wǎng)電壓頻率、相位相同的+5V方波信號(hào)，即為同步脈沖信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)電平轉(zhuǎn)換后輸入至處理器模塊，處理器根據(jù)同步信號(hào)計(jì)算電網(wǎng)瞬時(shí)頻率，并通知內(nèi)部事件管理器和外圍電路進(jìn)行同步操作調(diào)整。

2.5 通信模塊

通信模塊包括64K位非易失性存儲(chǔ)芯片F(xiàn)M25CL64和RS232通信接口，通信接口電路由

MAX3232實(shí)現(xiàn)。通信模塊主要將系統(tǒng)記錄的故障信息、控制參數(shù)、負(fù)載和APF運(yùn)行狀態(tài)信息進(jìn)行存儲(chǔ)，并與PC機(jī)進(jìn)行通信，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳和參數(shù)設(shè)置。

圖6 同步電路

圖7 APF補(bǔ)償后的試驗(yàn)結(jié)果

3 工程應(yīng)用案例分析

據(jù)某礦業(yè)公司戶反映，10kV側(cè)的無(wú)功電容投切開關(guān)周期性燒毀，繼電保護(hù)設(shè)備誤動(dòng)作。該礦業(yè)公司對(duì)應(yīng)整流變?nèi)萘繛?00kVA，為六脈波整流器，主要諧波成分為5、7、11、13，已有無(wú)功補(bǔ)償措施，因此不考慮無(wú)功的補(bǔ)償，總諧波電流含有率20～35%，諧波電流最大可達(dá)100A。

采用容量120A的并聯(lián)型有源電力濾波器并入整流變低壓側(cè)，對(duì)該工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行諧波治理，補(bǔ)償后的電網(wǎng)電壓電流波形與諧波如圖7所示。

對(duì)三相四開關(guān)并聯(lián)型APF實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品投運(yùn)后現(xiàn)場(chǎng)電壓電流數(shù)據(jù)的分析可以發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場(chǎng)電壓畸變率降低到5.0%，電流畸變率降低到6.0%，結(jié)果證明本三相四開關(guān)并聯(lián)型APF產(chǎn)品進(jìn)行諧波抑制的效果良好，性能可靠，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

4 結(jié)論

給出了經(jīng)濟(jì)性三相四開關(guān)并聯(lián)型有源電力濾波器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，提出了以DSP和CPLD為核心的數(shù)字化控制系統(tǒng)方案，并對(duì)控制系統(tǒng)工作原理和硬件電路設(shè)計(jì)進(jìn)行了介紹。實(shí)際工程運(yùn)行結(jié)果表明投入APF后，諧波抑制和無(wú)功補(bǔ)償效果明顯，且系統(tǒng)成本較低，具有良好的工程推廣應(yīng)用前景。

[1] 陳東華, 謝少軍, 周波. 用于有源電力濾波器諧波和無(wú)功電流檢測(cè)的一種改進(jìn)同步參考坐標(biāo)法[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2005, 25(20): 62-67.

[2] 王兆安, 楊君, 劉進(jìn)軍. 諧波抑制與無(wú)功功率補(bǔ)償[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 1998.

[3] 周衛(wèi)平, 吳正國(guó), 夏立, 等. 三相三線有源電力濾波器電流跟蹤性能最優(yōu)化控制[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2008,24(11): 85-90.

[4] 劉宏超, 彭建香. 三相四開關(guān)并聯(lián)型有源電力濾波器的指令電流確定方法[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2009, 29(16):108-113.

[5] 劉宏超, 呂勝民, 張春暉. 三相四開關(guān)并聯(lián)型有源電力濾波器的SVPWM調(diào)制算法[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2011, 26(4):128-134.