基于DS P的三相三線制有源電力濾波器樣機(jī)設(shè)計(jì)

棗莊礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司蔣莊煤礦 吳顯輝

基于DS P的三相三線制有源電力濾波器樣機(jī)設(shè)計(jì)

棗莊礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司蔣莊煤礦 吳顯輝

隨著非線性負(fù)載的廣泛應(yīng)用，電力系統(tǒng)中諧波問題日益突出并受到廣泛關(guān)注，有源濾波器(Active Power Filter,APF)因其靈活高效的優(yōu)點(diǎn)成為補(bǔ)償諧波電流的主要手段。本文基于DSP設(shè)計(jì)了一套應(yīng)用于380V三相配電網(wǎng)的APF樣機(jī)，給出了其主電路元件選型及控制器電路設(shè)計(jì)方案，實(shí)驗(yàn)證明該APF樣機(jī)對三相配電網(wǎng)中諧波電流具有較好的補(bǔ)償效果。

有源電力濾波器；DSP；諧波補(bǔ)償

0 引言

有源電力濾波器是補(bǔ)償電網(wǎng)中諧波電流的專用設(shè)備，其基本原理是通過實(shí)施產(chǎn)生與負(fù)載電流中諧波成分幅值相等方向相反的電流，對負(fù)載電流中的諧波電流進(jìn)行抵消，從而達(dá)到消除電網(wǎng)側(cè)電流諧波的目的[1]。與其他諧波電流補(bǔ)償設(shè)備相比，APF具有補(bǔ)償效果好，響應(yīng)速度快，不易發(fā)生諧振的優(yōu)點(diǎn)，已成為當(dāng)前諧波治理的主流措施，并得到了廣泛的應(yīng)用[2]。隨著數(shù)字信號處理器(Digital Signal Processor,DSP)技術(shù)的不斷發(fā)展，DSP的運(yùn)算速度越來越快，外設(shè)功能也越來越豐富，使用DSP作為主控制器對APF進(jìn)行控制成為可能。本文選用TI公司的TMS320F28335作為主控制器，此款DSP芯片支持高性能浮點(diǎn)運(yùn)算，既有強(qiáng)大的數(shù)字信號處理能力，又可以方便的實(shí)現(xiàn)嵌入式控制[3]。

圖1 APF樣機(jī)總體結(jié)構(gòu)

1 APF的總體結(jié)構(gòu)

三相四線制APF試驗(yàn)樣機(jī)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。整個(gè)APF系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境由三相交流電源、非線性負(fù)載與APF樣機(jī)三部分組成。其中，APF樣機(jī)又可以分為主電路與控制系統(tǒng)兩部分。主電路實(shí)現(xiàn)APF樣機(jī)與電網(wǎng)之間的能量交換，而控制系統(tǒng)通過PWM信號對主電路的輸出電流進(jìn)行控制。

在APF接入點(diǎn)靠近電源一側(cè)，安裝有3個(gè)電流傳感器CT1-3與3個(gè)電壓傳感器PT1-3，分別用來檢測電網(wǎng)三相電壓ea、eb、ec與網(wǎng)側(cè)電流isa、isb、isc。在APF接入點(diǎn)靠近負(fù)載一側(cè)安裝有3個(gè)電流傳感器CT4-6，用來檢測三相負(fù)載電流ila、ilb、ilc。APF主電路中直流側(cè)電容電壓Udc通過傳感器PT4進(jìn)行測量。

APF主電路采用兩電平三橋臂結(jié)構(gòu)，因容量較大，開關(guān)器件選用EUPEC的IGBT模塊，型號為BSM50GB120DLC，最大耐壓1200V，額定電流50A。每個(gè)模塊封裝了兩個(gè)IGBT，可作為一個(gè)橋臂。為降低成本簡化設(shè)計(jì)，IGBT的緩沖電路設(shè)計(jì)為單電容，選用CDE公司的的941C12W1K-F無感吸收電容，額定值為1μF。直流側(cè)電容使用EPCOS的電解電容，單電容耐壓450V，容值為2700μF。為滿足耐壓要求，直流側(cè)使用4個(gè)電容，采用先兩兩并聯(lián)再串聯(lián)的形式。每個(gè)電容兩極并聯(lián)一個(gè)15W、51kΩ的均壓電阻，以平衡4個(gè)電容的電壓，并為電容提供放電通道。交流測濾波電感L選用4mH的單相電抗器，共需3臺。

2 APF控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 檢測與信號調(diào)理電路設(shè)計(jì)

APF樣機(jī)選用LEM的霍爾電壓電流傳感器測量主電路的電壓與電流信號，霍爾傳感器可以測量任意波形的電流和電壓，具有精度高、線性度靈敏度好、寬帶寬、動(dòng)態(tài)性能好、體積小等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)測量中具有廣泛的應(yīng)用。

電網(wǎng)電壓傳感器選用LV25-P，額定輸入為10mA (RMS)，額定輸出25mA (RMS)。當(dāng)輸入端串接2個(gè)15kΩ、5W的繞線電阻限流時(shí)，其量程為0～300V (RMS)。直流電壓傳感器選用LV25-P/SP5，額定輸入輸出與LV25-P相同，電路結(jié)構(gòu)也與之相似，輸入端串接的限流電阻改為8個(gè)15kΩ，5W繞線電阻，量程為0～1200V(DC)。電流傳感器選用LA25-NP，額定輸入25A(RMS)，額定輸出25mA(RMS)。

霍爾傳感器輸出為電流信號，要通過采樣電阻轉(zhuǎn)化成電壓信號，采樣電阻選用20Ω，精度0.1%的無感電阻。在ADC采樣前需要使用信號調(diào)理電路將信號其幅值放大到適當(dāng)范圍，這樣才能充分利用ADC量程，提高采樣精度。ADC信號調(diào)理電路有兩級，前級為使用OP07搭建反向比例放大電路，將信號放大10倍，后級為OP07搭建的反相器，將放大后的反相信號變?yōu)檎?，并且提高了電路的?qū)動(dòng)能力。

2.2 ADC采樣電路設(shè)計(jì)

調(diào)理后的信號輸入給ADC進(jìn)行量化采樣，ADC選用ADI公司的AD7606，可以實(shí)現(xiàn)16位、8通道同步采樣，每個(gè)通道都可以達(dá)到200kSPS的采樣速率。使用兩片AD7606就可以滿足4路電壓信號與9路電流信號的采樣。兩片AD7606的輸入范圍通過硬連線的方式設(shè)置為±10V，并通過XINTF接口與DSP相連，采用并行傳輸方式，使用16位總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。其地址位被映射到Zone0區(qū)，每片AD7606占用8個(gè)地址位，所以使用XA3地址位與XZCS0信號結(jié)合進(jìn)行片選。當(dāng)所有通道的數(shù)據(jù)采樣轉(zhuǎn)換完成后，AD7606的BUSY引腳會(huì)向DSP的一個(gè)GPIO引腳發(fā)出一個(gè)下降沿脈沖，DSP檢測到此下降沿就會(huì)退出等待進(jìn)行ADC數(shù)據(jù)的讀取。

2.3 IGBT驅(qū)動(dòng)電路

IGBT驅(qū)動(dòng)電路采用CONCEPT公司2SD315AI型驅(qū)動(dòng)器。該型號驅(qū)動(dòng)器集成了器件驅(qū)動(dòng)、狀態(tài)自檢、狀態(tài)反饋、過流保護(hù)、過熱保護(hù)、DC/DC電源等功能，并實(shí)現(xiàn)了控制部分與功率部分的完全隔離。2SD315AI為雙路驅(qū)動(dòng)器，一個(gè)驅(qū)動(dòng)器可以驅(qū)動(dòng)一個(gè)雙IGBT模塊，即一個(gè)橋臂，每一個(gè)2SD315AI需要輸入2路互補(bǔ)的PWM信號并輸出2路故障信號。當(dāng)某一IGBT或其驅(qū)動(dòng)芯片發(fā)生故障時(shí)，其對應(yīng)的SO引腳將會(huì)由高電平變?yōu)榈碗娖?，?jīng)過光耦后其電平會(huì)發(fā)生反轉(zhuǎn)，即發(fā)生故障時(shí)光耦副邊為高電平。將所有IGBT的故障信號用或門做邏輯判斷，最終輸出接到DSP的不可屏蔽中斷XNMI管腳。當(dāng)任意IGBT發(fā)生故障時(shí)，都可以觸發(fā)NMI中斷及時(shí)封鎖PWM信號，避免故障的惡化與蔓延。

為提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性與安全性，DSP輸出的PWM波形經(jīng)74HCT245再經(jīng)高速光耦6N137輸入到IGBT驅(qū)動(dòng)器中。74HCT245為三態(tài)總線收發(fā)器，可以實(shí)現(xiàn)3.3V到5V電平的單向轉(zhuǎn)換，并且增強(qiáng)了PWM端口的負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力。使用光耦進(jìn)行控制器與驅(qū)動(dòng)板間電氣隔離，避免了驅(qū)動(dòng)電路15V模擬信號對控制器的干擾，并且當(dāng)主電路發(fā)生涌流短路等故障時(shí)，可以避免控制電路受過大電壓沖擊而燒毀。

2.4 電源管理單元設(shè)計(jì)

APF控制系統(tǒng)需要多個(gè)電壓等級，供電較為復(fù)雜。選用Mean-Well的NET-75C型開關(guān)電源為控制系統(tǒng)供電。NET-75C有+5V、+15V、-15V三路輸出，其中+5V為DSP、ADC及其外圍電路供電；電壓電流傳感器需±15V供電，同時(shí)，+15V也為IGBT驅(qū)動(dòng)電路供電。AD轉(zhuǎn)換芯片AD7606需要3.3V與5V兩路供電，因此選用LM1117-3.3將+5V轉(zhuǎn)為3.3V為AD7606的I/O口及其他3.3V芯片供電，將數(shù)字電源D5V經(jīng)電感作為模擬電源A5V給AD7606的數(shù)模轉(zhuǎn)換電路供電，這樣可以減少數(shù)字電路對模擬電路的干擾。而DSP TMS320F28335的內(nèi)核電壓需1.8V，IO口電壓需3.3V，選用TI的DSP電源管理芯片TPS767D301為DSP單獨(dú)提供1.8V與3.3V兩路供電。

3 APF樣機(jī)軟件設(shè)計(jì)

圖2 主程序流程圖

3.1 主程序設(shè)計(jì)主程序主要完成DSP與各個(gè)外設(shè)的初始化，主要包括：系統(tǒng)時(shí)鐘的初始化、GPIO模式設(shè)置、PIE中斷向量表初始化、定時(shí)器中斷與外部中斷配置、EPWM模塊的配置，XINTF接口配置、AD7606的配置、全局變量的初始化，定時(shí)器T1的配置。初始化完成之后進(jìn)行系統(tǒng)的軟起動(dòng)，給直流側(cè)電容充電。當(dāng)預(yù)充電完成后啟動(dòng)定時(shí)器T1，開定時(shí)器中斷與外部中斷，然后進(jìn)入主循環(huán)。主程序流程圖如圖2所示。

3.2 定時(shí)器中斷服務(wù)子程序

圖3 主程序流程圖

定時(shí)器中斷用來完成ADC啟動(dòng)、指令電流生成、指令電流跟蹤、SVPWM調(diào)制與PWM波生成，即APF控制系統(tǒng)的主要功能。每隔一個(gè)開關(guān)時(shí)間就要進(jìn)入一次定時(shí)器中斷，計(jì)算下一個(gè)開關(guān)時(shí)間的PWM波形，這里設(shè)置開關(guān)時(shí)間1e-4s。定時(shí)器中斷的流程圖如圖3所示。其中，在向ADC發(fā)出采樣指令后，ADC就會(huì)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與轉(zhuǎn)換，同時(shí)程序進(jìn)入while循環(huán)，檢測ADC的BUSY引腳的電平狀態(tài)。當(dāng)ADC完成所有通道數(shù)據(jù)的采集轉(zhuǎn)換后會(huì)將BUSY引腳的狀態(tài)由高電平變?yōu)榈碗娖?。?dāng)DSP檢測到此電平反轉(zhuǎn)后，就會(huì)退出while循環(huán)進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取工作。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖4、圖5為APF樣機(jī)運(yùn)行時(shí)示波器錄取的實(shí)驗(yàn)波形。由圖4可知，在不可控整流橋阻性負(fù)載下，負(fù)載電流畸變嚴(yán)重。應(yīng)用APF樣機(jī)之后，從檢測到的指令諧波電流和跟蹤電流的重合度來看，基本可以完全吻合，說明跟蹤效果良好。而由圖5可知，補(bǔ)償后網(wǎng)側(cè)電流正弦度較高，說明APF樣機(jī)對于負(fù)載電流中諧波分量的補(bǔ)償效果良好，前文中對APF樣機(jī)整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是有效的。

圖4 負(fù)載電流與網(wǎng)側(cè)電壓波形

圖5 補(bǔ)償后網(wǎng)側(cè)電流波形

5 總結(jié)

本文對基于DSP TMS320F2835的APF樣機(jī)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。給出了APF樣機(jī)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，對APF主電路各主要元器件的選型進(jìn)行了詳細(xì)介紹。同時(shí)，對APF控制系統(tǒng)各個(gè)模塊的電路進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，并給出了軟件的控制流程。最后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明該APF樣機(jī)達(dá)到了設(shè)計(jì)目的，能實(shí)現(xiàn)較好的諧波電流的補(bǔ)償效果。

[1]王兆安．諧波抑制和無功功率補(bǔ)償[M]．北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2016．

[2]周娟．四橋臂有源電力濾波器關(guān)鍵技術(shù)研究[D]．徐州:中國礦業(yè)大學(xué),2011．

[3]符曉,朱洪順．TMS320F2833x DSP應(yīng)用開發(fā)與實(shí)踐[M]．北京:航空航天大學(xué)出版社,2013．

吳顯輝（1982—），男，工學(xué)學(xué)士，工程師，主要從事煤礦機(jī)電控制方面的研究工作。