基于DSP的有源電力濾波器設(shè)計(jì)

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(duì)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(duì)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(shí)給出了系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)以及軟件流程框圖，目前該系統(tǒng)已經(jīng)投入了實(shí)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(cè) DSP

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

隨著我國(guó)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(lái)越廣泛，導(dǎo)致供電設(shè)施和用電設(shè)備運(yùn)行狀況惡化，功率因數(shù)降低，損耗增加，電能浪費(fèi)。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(wú)源電力濾波器和有源電力濾波器對(duì)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(shì)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(lái)越明顯。與傳統(tǒng)LC濾波器相比，APF具有如下優(yōu)點(diǎn)：動(dòng)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(jì)了一種以TMS320F2812 DSP為控制核心的有源電力濾波器裝置對(duì)電網(wǎng)中的諧波進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。

1 系統(tǒng)原理及硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(cè)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(hào)給IGBT，實(shí)時(shí)調(diào)整IGBT的導(dǎo)通與關(guān)斷，主電路受驅(qū)動(dòng)電路控制產(chǎn)生與負(fù)載中的諧波一致的諧波，對(duì)負(fù)載產(chǎn)生的諧波進(jìn)行補(bǔ)償，從而通過(guò)電網(wǎng)電流的諧波分量與補(bǔ)償電流之間的相互抵消來(lái)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(shí)時(shí)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(dòng)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(hào)。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(gè)6通道、16位逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，每個(gè)通道都包含一個(gè)能夠完成同步高速多通道采樣的采樣保持電路。在信號(hào)轉(zhuǎn)換中，各個(gè)通道是相互獨(dú)立的，各個(gè)通道的轉(zhuǎn)換結(jié)果的狀態(tài)互不影響。6個(gè)通道的轉(zhuǎn)換受片內(nèi)時(shí)序控制器控制，每個(gè)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(gè)中斷信號(hào)，對(duì)RD引腳依次施加讀脈沖信號(hào)，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(hào)轉(zhuǎn)換為可被計(jì)算機(jī)處理的數(shù)字信號(hào)，然后通過(guò)一定的控制算法得到補(bǔ)償電流，接著生成IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)對(duì)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(dòng)作，協(xié)調(diào)系統(tǒng)內(nèi)部的邏輯、擴(kuò)展IO接口、簡(jiǎn)化外圍電路等功能。

電流檢測(cè)電路主要負(fù)責(zé)利用霍爾傳感器對(duì)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(cè)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(hào)，通過(guò)調(diào)理電路輸入ADS8555轉(zhuǎn)換芯片。

隔離驅(qū)動(dòng)模塊的作用是將核心控制模塊產(chǎn)生的光脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為電脈沖信號(hào)，同時(shí)經(jīng)過(guò)功放處理后，最終輸出PWM信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變主電路IGBT的驅(qū)動(dòng)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(yùn)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(dòng)板過(guò)壓或欠壓、驅(qū)動(dòng)板超溫、待補(bǔ)償負(fù)載電流波動(dòng)太大、IGBT短路等故障時(shí)，相應(yīng)的檢測(cè)電路檢測(cè)到故障信號(hào)，經(jīng)過(guò)處理后發(fā)出報(bào)警信號(hào)，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(shí)，有可能燒壞IGBT開(kāi)關(guān)管等器件，因此要通過(guò)并聯(lián)限流電阻來(lái)抑制啟動(dòng)電流，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)，核心控制模塊發(fā)出控制信號(hào)，將限流電阻支路短接，使系統(tǒng)進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)。

2 軟件設(shè)計(jì)

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(cè)、PWM驅(qū)動(dòng)控制、電網(wǎng)頻率檢測(cè)、數(shù)據(jù)采集等。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

完成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、搭建后，如圖5所示，為對(duì)某公司進(jìn)行諧波治理前后所獲得的測(cè)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(yùn)行過(guò)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(guò)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(duì)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(cè)測(cè)試和補(bǔ)償測(cè)試。并研究了并聯(lián)型有源電力濾波系統(tǒng)對(duì)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(wú)功補(bǔ)償性能，可以實(shí)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(yùn)行，并取得了良好的運(yùn)行效果。

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