基于相位補償和閉環(huán)控制的快速響應(yīng)型APF

肖振鋒，徐志強，陳仲偉，易伯瑜，陳劍，李啟旺

(1.國網(wǎng)湖南省電力公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，湖南 長沙 410004)

(2.國網(wǎng)湖南省電力公司，湖南 長沙 410007)

基于相位補償和閉環(huán)控制的快速響應(yīng)型APF

Quick response APF based on phase compensation and closed-loop control

肖振鋒1，徐志強1，陳仲偉1，易伯瑜1，陳劍1，李啟旺2

(1.國網(wǎng)湖南省電力公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，湖南 長沙 410004)

(2.國網(wǎng)湖南省電力公司，湖南 長沙 410007)

本文從瞬時功率的基礎(chǔ)理論出發(fā)，提出一種基于雙DSP芯片控制的新型APF設(shè)計方案，對三相三線系統(tǒng)進行諧波補償。采用改進型的電流檢測算法和基于預(yù)測補償角的閉環(huán)電壓和閉環(huán)電流的整體控制方法，補償數(shù)字控制器和逆變器帶來的延時，并通過對具體代碼的優(yōu)化和硬軟件系統(tǒng)的合理配置，實現(xiàn)補償電流實時控制和直流電壓的穩(wěn)定。本文提出的設(shè)計方案已成功應(yīng)用于1臺設(shè)計容量為100 kVA的工業(yè)樣機，經(jīng)試驗測試可知，該樣機能將系統(tǒng)側(cè)電流THD值在10 ms內(nèi)從25%降低到5%以下，具有較快的動態(tài)響應(yīng)速度和很好的補償效果。

有源電力濾波器；TMS28335；快速響應(yīng)；瞬時功率理論；相位補償

電力有源濾波器 (Active Power Filter，APF)是應(yīng)用在電力系統(tǒng)中一種有效抑制諧波和進行無功補償?shù)碾娏﹄娮友b置。當(dāng)前APF中的諧波電流檢測算法大部分是基于瞬時功率理論進行設(shè)計的，應(yīng)用傳統(tǒng)的瞬時功率理論的算法來進行APF控制，在補償效果和系統(tǒng)響應(yīng)速度方面都不甚理想，在處理系統(tǒng)固有延遲和提升系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)速度方面也有很大提升的空間。文獻 〔3〕提出了補償相位的電流檢測方法，但是在PI控制方面未進行很好地控制與處理，缺乏精確控制性。文獻 〔4〕提出了將APF與PPF(無源濾波器)結(jié)合的方式，能很好地對低次諧波進行補償，但是在系統(tǒng)響應(yīng)速度以及經(jīng)濟效益上仍值得改進。

文中基于實際工況對諧波補償?shù)挠行?、控制算法的?fù)雜性、運行實時性、設(shè)備經(jīng)濟性的要求，運用2片高運算速度和帶浮點運算能力的DSP芯片TMS28335來滿足APF裝置的諧波檢測算法和控制算法的運算能力，運用改進型的電流檢測算法和基于預(yù)測補償角的閉環(huán)電壓和閉環(huán)電流的整體控制方法，增加了PID算法的閉環(huán)電流控制方法和PI調(diào)節(jié)型直流電壓控制等算法來對系統(tǒng)進行更好的運算控制，最后通過優(yōu)化硬件設(shè)計和軟件設(shè)計流程來實現(xiàn)APF裝置的正常運行。文中提出的設(shè)計方案已成功應(yīng)用于工業(yè)設(shè)計的100 kVA有源電力濾波器，將各相系統(tǒng)電流THD補償?shù)?%以下，全響應(yīng)時間控制在10 ms內(nèi)，具有較快的動態(tài)響應(yīng)速度和很好的補償率。

1 系統(tǒng)工作原理

圖1所示為APF的總體結(jié)構(gòu)圖，us為交流電源，負載為非線性負載同時也是諧波源。APF主要由檢測控制回路以及補償電流產(chǎn)生電路兩大部分組成。其中，檢測控制回路的作用是檢測并控制得到的諧波分量和無功分量。補償電流產(chǎn)生電路目的是根據(jù)指令電流信號得到所需要的補償電流。具體的工作原理為，當(dāng)需要補償負載所產(chǎn)生的諧波時，有源電力濾波器在負載電流中檢測出相應(yīng)的諧波成分，將其反極性后作為補償電流的指令信號。由補償電流產(chǎn)生電路得到的補償電流與負載電流中的諧波成分大小相等，方向相反，所以兩者相互消除，使得電網(wǎng)電流中只有基波，不含諧波成分。從而完成了抑制諧波的目的。

圖1 有源電力濾波器系統(tǒng)構(gòu)成

2 系統(tǒng)控制方法

2.1 基于瞬時功率理論的改進型ip－iq電流檢測方法

1984年，日本研究人員H.Akagi等研究并提出了瞬時無功功率理論，主要是為解決其研制的并聯(lián)型有源電力濾波器的諧波電流檢測與控制能力。文中采用了該種瞬時功率理論，并對此方法進行了改進，如圖2所示，在算法中并入了預(yù)測補償控制方法，具有解決檢測環(huán)節(jié)中的計算延時的能力和解決電壓型逆變器的延時滯后的能力。

圖2 預(yù)測補償ip－iq電流檢測結(jié)構(gòu)圖

帶預(yù)測控制的檢測方法與瞬時功率理論基于同種檢測原理，文中為消除電源電壓波形畸變對檢測結(jié)果的影響，采用了鎖相環(huán) (Phase Lock Loop，PLL)電路和函數(shù)發(fā)生器來得到與電源電壓同相位的正余弦信號，也就是將某一相電壓經(jīng)倍頻后通過鎖相環(huán)和正、余弦發(fā)生電路得到與該相同相位的正弦信號和對應(yīng)的余弦信號，得到變換矩陣:

三相電流經(jīng) (2)式，變換到兩相電流分量和，將和經(jīng) (1)式，變換矩陣得出在旋轉(zhuǎn)坐標系下的n次有功分量和無功分量。再將得到的電流分量經(jīng)低通濾波器得到直流分量和。常規(guī)算法中，通常不考慮系統(tǒng)延遲和總體滯后時間，但是由以下推導(dǎo)可以發(fā)現(xiàn)，設(shè)總延遲時間為ΔT，基波角頻率為ω，由此得到系統(tǒng)內(nèi)已經(jīng)轉(zhuǎn)過的角度為:

即時刻補償?shù)氖清e誤的諧波電流成分。

為解決系統(tǒng)延遲和滯后產(chǎn)生的錯誤補償，在反變換矩陣中通過在原有電角度上加上預(yù)先的補償角度來補償系統(tǒng)延時。這樣直流分量通過 (4)式，反變換矩陣和 C32得到 n次諧波電流 iah?，ibh?，ich?， 其中 C32＝CTC23，

當(dāng)前方法主要是為了補償預(yù)先設(shè)定的某次諧波，在實際應(yīng)用中，可以通過該方法進行全諧波的補償。

2.2 電流閉環(huán)控制

APF檢測出諧波電流信號，通過電流閉環(huán)控制，通過PWM信號來驅(qū)動逆變器，最后通過電壓型逆變器得到補償電流。為克服數(shù)字控制器和逆變器的延遲滯后對系統(tǒng)造成的影響，采用三角波與正弦波調(diào)制的閉環(huán)電流控制方法，圖 3為利用matlab/simulink進行閉環(huán)電流控制仿真原理圖，其中iah?，ibh?，ich?為補償電流信號，由電流檢測部分得到。補償電流信號經(jīng)過閉環(huán)電流控制得到PWM脈沖信號，進而控制逆變器組輸出并得到補償電流 iah，ibh，ich， 就得到了閉環(huán)的電流跟蹤控制。

將補償電流信號與實際補償電流進行采樣保持后相互比較，將偏差信號通過PID控制器進行調(diào)節(jié)后，再經(jīng)過三角波比較器進行比較，從而得到脈沖寬帶調(diào)制信號，此脈沖寬帶調(diào)制信號通過驅(qū)動電路來控制開關(guān)的通斷，進而控制補償電流的變化。通過對比較器的閾值進行限制。這種電流控制方法具有實時控制、動態(tài)性能好、控制精度好的特點。

圖3 電流控制仿真原理圖

2.3 電壓閉環(huán)控制

直流側(cè)穩(wěn)壓控制是APF控制方法中的一個關(guān)鍵點，要保證APF具有良好的諧波補償性能，需要將直流側(cè)電容電壓值穩(wěn)定控制在一定范圍內(nèi)，而在實際應(yīng)用中，APF本身以及相應(yīng)元件都會有損耗，因此直流側(cè)電容上的電壓將會發(fā)生變化，為完成直流側(cè)電壓的穩(wěn)定控制，在電流檢測模塊中增加直流電壓控制部分。

圖4 包含電壓閉環(huán)控制的諧波補償框圖

電壓穩(wěn)態(tài)控制是結(jié)合ip－iq諧波檢測算法來共同完成的。因為瞬時無功功率不能使交流測與直流側(cè)產(chǎn)生能量交換，所以能量交換就由瞬時有功功率p所決定。如圖4所示，Udcr為直流側(cè)的電容電壓值，Udcf為電流和電壓的反饋值，兩者之間進行比較后通過PI調(diào)節(jié)器得到調(diào)節(jié)信號。Δid為一個基波的直流有功分量，直流無功分量 Δiq為0。因此，直流側(cè)電壓控制信號通過旋轉(zhuǎn)反變換后跟檢測得到的各次諧波電流值相減， 得到最終 ian?， ibn?，icn?，包括一些基波有功電流成分，因此使直流側(cè)和交流側(cè)能進行能量交換，將直流側(cè)電壓穩(wěn)定在給定范圍內(nèi)。文中的閉環(huán)電壓控制方法采用了基于預(yù)測補償?shù)闹C波電流檢測算法，克服了系統(tǒng)數(shù)字控制器造成的延遲，還完成了傳統(tǒng)方法中對直流側(cè)電壓進行控制的功能。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

為了達到系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)量大和實時性好的功能要求，文章采用了基于數(shù)據(jù)交換方式的雙DSP并行處理系統(tǒng)。APF硬件系統(tǒng)設(shè)計由主處理單位(CPU)設(shè)計、供電模塊設(shè)計、系統(tǒng)通信設(shè)計、采樣模塊設(shè)計、驅(qū)動模塊設(shè)計、IGBT模塊等構(gòu)成。APF主電路部分采用三橋臂逆變器，設(shè)計中采用分立元件，降低成本。IGBT采用英飛凌公司的FF300R12KT4，驅(qū)動模塊選用了2QD15A17K－C。串行通信采用 RS－485，雙口 RAM 采用了IDT70V24，具備2個仲裁信號輸出引腳。鎖相環(huán)控制采用了三相軟件鎖相環(huán)的方式來實現(xiàn)?？紤]到對數(shù)據(jù)采樣精度及數(shù)據(jù)間相位的要求，采用外部AD(MAX1308)進行主要數(shù)據(jù)的采樣。其中采樣模塊主要完成開關(guān)量和數(shù)字量信號的采集，觸發(fā)板完成電平轉(zhuǎn)換、觸發(fā)控制、死區(qū)保護、硬保護，預(yù)充電電路是為防止過大充電電流破壞儲能電容，并達成設(shè)備退出運行后放電的任務(wù)。

3.1 主控器模塊設(shè)計

主控器處理器芯片為 TI公司生產(chǎn)的TMS320F28335，該芯片主要特點為:32位中央邏輯運算單元；32位累加器；16×16并行乘法器；支持浮點運算；具有1.67ns指令周期；6通道DMA控制器；帶有256 K字節(jié)Flash EEPROM；12位AD采樣通道；有豐富外設(shè)接口SPI，SCI，I2C；帶有支持中斷的看門狗電路；支持硬件JTAG仿真。

主控器功能分配設(shè)計如圖5所示，應(yīng)充分考慮2片TMS320F28335芯片的功能分配和數(shù)據(jù)交換方式，文章在此將 2個芯片分為 F28335A 和F28335B。其中功能分配上應(yīng)充分利用2個芯片的運算與數(shù)據(jù)處理的功能，盡可能的實現(xiàn)平行處理，并在此基礎(chǔ)上優(yōu)化配置外設(shè)資源。數(shù)據(jù)交換需要根據(jù)實際需要的數(shù)據(jù)進行時序的合理安排，并保證硬件設(shè)計與軟件設(shè)計的協(xié)同一致。

圖5 主控器模塊功能分配

3.2 主電路參數(shù)設(shè)計

APF主電路拓撲結(jié)構(gòu)包括逆變器、直流側(cè)電容和輸出濾波電感。

3.2.1 輸出電抗器設(shè)計

APF所涉及的電抗器參數(shù)類型比較多樣化，主要為電感值、頻率、電壓、電流等。其中的電感值為主要考慮的參數(shù)。電感值越小，電流變化率越大，跟蹤電流的能力也越強，補償效果也相對較好，但是，一旦電感值太小，會生成較大的電流波紋，進而造成補償效果的降低，嚴重的還能造成瞬態(tài)過流燒壞元器件。因此，合理正確的設(shè)計電感參數(shù)既是對電流跟蹤能力的加強，也是對電路元器件的保護。

假設(shè)L為APF到電網(wǎng)的輸出電抗，R表示電網(wǎng)和傳輸線路的等效電阻，us表示電網(wǎng)電壓，UDC為APF直流側(cè)電壓，if為輸出的補償電流，A相橋臂的補償率為D，由基爾霍夫定律可得到電壓方程為:

分析可知R很小，所以Rif可以忽略不計。當(dāng)直流側(cè)電壓和電網(wǎng)電壓確定后，電壓差的范圍也就確定了，再假定被補償諧波次數(shù)為 n，最終可得到:

3.2.2 直流側(cè)穩(wěn)壓設(shè)計

直流側(cè)電容的作用是給并聯(lián)型APF進行電壓穩(wěn)定，穩(wěn)壓值越高代表越強的電流跟蹤能力和更好的補償效果，但是過高的穩(wěn)壓值會產(chǎn)生更多的成本。由此，為了滿足抵消電網(wǎng)電壓的基本條件，系統(tǒng)需要相電壓幅值為:

在實際應(yīng)用中，常用電感的范圍值通常為0.6～1.2 mH。文中設(shè)計的 APF容量范圍在30～50 kVA之間，其直流側(cè)電壓值相應(yīng)提高10%～30%，為650～790 V。

直流側(cè)電壓與直流側(cè)電容容量是緊密相連的，電容器的容量大小可以根據(jù)APF系統(tǒng)容量和電壓波動范圍進行計算，公式如下:

式中 P為APF的功率容量；f為電網(wǎng)基波頻率；Udcmax，Udcmin為電容電壓的最大值和最小值。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

雙DSP控制系統(tǒng)分為DSP主控器軟件設(shè)計和觸摸屏設(shè)計2個部分，總體設(shè)計遵循模塊化、分層化的原則，其中DSP主控器軟件設(shè)計可分為主控層、算法層、驅(qū)動層，主控層主要負責(zé)控制算法選擇、控制參數(shù)選定、通信方式選定，算法層主要負責(zé)控制算法設(shè)定、參數(shù)設(shè)計、通信程序設(shè)計，其中算法層的功能為諧波電流檢測算法與控制算法的設(shè)定與應(yīng)用。

4.1 主控器DSP軟件設(shè)計

4.1.1 F28335A軟件設(shè)計

F28335A軟件設(shè)計從功能時序上可以分為3類:初始設(shè)置模塊、循環(huán)調(diào)用類單元、定時中斷/外部中斷調(diào)用類模塊。初始設(shè)置模塊包括初始化DSP專用寄存器、中斷向量、控制信號以及各類變量。循環(huán)調(diào)用單位主要負責(zé)與外部通信。定時中斷/外部中斷調(diào)用類模塊實現(xiàn)諧波檢測算法、控制算法、過壓保護、過流保護等裝置保護。

F28335A芯片的主程序流程圖如圖 6所示，F(xiàn)28335A軟件設(shè)計先初始化中斷向量表、系統(tǒng)時鐘、GPIO口、串口SCI，I2C，AD等，然后程序進入通信主循環(huán)。F28335A的通信主循環(huán)主要完成和觸摸屏的通信，通過觸摸屏自帶通信協(xié)議和Modbus通信協(xié)議來進行數(shù)據(jù)顯示。F28335A還完成核心的算法處理:電流和電壓信號采樣處理、直流側(cè)電壓PI控制、PWM輸出等，算法實現(xiàn)是采用定時器或PWM定時器產(chǎn)生的定時中斷來實現(xiàn)的，實際中采用100 μs或80 μs的定時中斷。

圖6 F28335A程序流程圖

4.1.2 F28335B軟件設(shè)計

F28335B芯片從功能時序上也能分為3類:初始化設(shè)置單元、循環(huán)調(diào)用類單元、外部中斷調(diào)用單元。初始化功能與F28335A差別不大，而在循環(huán)調(diào)用功能方面，F(xiàn)28335B主要完成總諧波畸變率THD的計算，外部中斷調(diào)用完成與F28335A片通信以及計算部分保護信號。相應(yīng)的流程圖如圖7所示。

圖7 F28335B程序流程圖

5 試驗方案和結(jié)果

5.1 試驗方案

試驗?zāi)康氖球炞C三相三線制系統(tǒng)諧波檢測和補償?shù)挠行院脱a償響應(yīng)時間，如圖8所示，實驗概況及實驗設(shè)備參數(shù)如下:電網(wǎng)電壓380 V；APF容量100 kVA，直流母線工作電壓680 V；直流側(cè)電容容量9 600 μF；負載連接方式為三相不可控整流器與每相48 Ω大功率電阻連接；采用的測試設(shè)備為日置HIOKI電能質(zhì)量分析儀3198、安捷倫示波器。

圖8 實驗設(shè)計框圖

5.2 試驗結(jié)果

圖10為系統(tǒng)未補償時的波形圖，從上到下，波形分別表示APF發(fā)出的補償電流波形，電網(wǎng)側(cè)電流波形，負載測電流波形，圖10中顯示設(shè)備未開始補償時，電網(wǎng)側(cè)電流波形不規(guī)則，可知有諧波存在。

圖10 未補償前系統(tǒng)電流波形圖

圖11 為APF開始對系統(tǒng)進行補償后的波形，由圖中看出，電網(wǎng)側(cè)波形發(fā)生了明顯的改善，由不規(guī)則波形變?yōu)閳A滑正弦波形，顯示出APF設(shè)備對系統(tǒng)進行了良好的補償。

圖11 補償時系統(tǒng)電流波形圖

系統(tǒng)未進行補償時，三相電流的THD值分別為26%，25.94%，26.27%，但經(jīng) APF進行補償后，效果能達到4.59%，5.17%，4.35%，對電力系統(tǒng)諧波進行了補償。達到了國家標準 《電能質(zhì)量監(jiān)測設(shè)備通用要求》對諧波治理的要求。

用示波器對APF設(shè)備進行了響應(yīng)時間的測量。響應(yīng)時間一般指諧波負載投入后，經(jīng)過多長時間電網(wǎng)的諧波電流被濾除，不同于瞬時響應(yīng)時間。響應(yīng)時間越小，跟蹤速度越快，APF設(shè)計難度越大。測量結(jié)果顯示，APF系統(tǒng)投入時所經(jīng)歷的時間為7.83 ms，切除所經(jīng)歷的時間為6.63 ms，總體均小于10 ms，具有很好的跟蹤速度，能滿足負載快速波動的特殊場合。

6 結(jié)論

文中提出的基于雙DSP控制的APF相比于傳統(tǒng)型APF，在算法上可以對補償電流進行閉環(huán)控制，從而達到更精確補償，改進了預(yù)測補償?shù)碾娏鳈z測算法，使系統(tǒng)避免了由隨機延遲和固有滯后帶來的錯誤，硬件上采用的高速帶浮點運算的雙DSP同時能完全滿足APF的所有檢測和控制算法，具備很好的靈活性，兼容性，擴展性和快速數(shù)據(jù)處理的能力。經(jīng)現(xiàn)場實驗后表明，基于控制策略的APF裝置將三相系統(tǒng)電流由26%，25.94%，26.27%補償?shù)?.59%，5.17%，4.35%，系統(tǒng)投入的全響應(yīng)時間為7.83 ms，切除的全響應(yīng)時間為6.63 ms。

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A

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2015-06-16