基于TMS320F2812控制的有源電力濾波器研制

摘要：電力電子裝置等非線性裝置的大量使用使電力系統(tǒng)諧波問題嚴(yán)重，會影響電力系統(tǒng)和用電設(shè)備的安全運行。有源電力濾波器(APF)作為一種有效的濾波器裝置，具有響應(yīng)速度快、濾波效果好，不受系統(tǒng)阻抗影響的特點。研制了基于TMS320F2812控制的APF，TMS320F2812速度快、精度高，采用優(yōu)化設(shè)計的低通濾波器、ip-iq諧波檢測算法和定時比較PWM控制。實驗結(jié)果表明所研制的濾波器的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能良好。
關(guān)鍵詞：有源電力濾波器；電力諧波；低通濾波器

1 引言
    隨著電力電子裝置等非線性設(shè)備的廣泛應(yīng)用，電力系統(tǒng)中諧波問題日趨嚴(yán)重，對電力系統(tǒng)和用電設(shè)備產(chǎn)生了嚴(yán)重危害。電網(wǎng)諧波來源于3個方面：電網(wǎng)電壓畸變產(chǎn)生的諧波、輸電線路產(chǎn)生的諧波以及用電設(shè)備產(chǎn)生的諧波。其中以用電設(shè)備產(chǎn)生的諧波最多。無源濾波器投資少、結(jié)構(gòu)簡單，一直是諧波抑制及無功補償?shù)闹饕侄危錇V波性能受系統(tǒng)參數(shù)的影響，在濾除特定次諧波的同時，會對某些次數(shù)諧波進行放大。APF能對頻率和大小變化的諧波及無功功率進行補償，可彌補無源濾波器的不足，獲得更好的補償特性，是一種較理想的濾波裝置。在此研制50 A三相四線制APF，控制電路以TMS320F2812為核心，用定時跟蹤控制技術(shù)產(chǎn)生PWM脈沖，利用邊帶選擇性優(yōu)化設(shè)計低通濾波器。

2 APF主電路結(jié)構(gòu)
    適用于三相四線制APF的主電路結(jié)構(gòu)主要有四橋臂式變流器和中點引出式變流器。中點引出式APF由電容中點引出中線，中線補償電流要流經(jīng)上下兩個電容，兩個電容電壓值必然存在差異。由于中線補償電流含有大量諧波分量，上下兩電容電壓也必然含有大量諧波分量，電容電壓波動較為劇烈，會對逆變器的運行性能產(chǎn)生不利影響。為抑制電壓波動，需增大電容容量。

    而四橋臂式APF中線由第四橋臂引出，不存在上述電壓波動問題。主電路采用四橋臂式變流器，結(jié)構(gòu)如圖1所示，IGBT額定參數(shù)為1.2kV，150A，直流電容C=20000μF，交流側(cè)電感L=2．5mH，每個半橋并聯(lián)1．2 kV，2μF的無感電容。用3個電流傳感器檢測負(fù)載電流iL，4個電流傳感器檢測補償電流ic，3個電壓傳感器檢測供電電壓us，用一個電壓傳感器檢測直流側(cè)電容電壓UC。APF上電啟動分為兩階段：第一階段為二極管橋整流階段，K閉合，接觸器J1，J2斷開，通過二極管橋給C充電，R1限制充電電流。經(jīng)過一段時間，J1閉合，UC穩(wěn)定后，轉(zhuǎn)入第二階段；第二階段為PWM整流階段，控制電路輸出控制脈沖，控制主電路工作在PWM整流狀態(tài)，UC在第一階段結(jié)束時值的基礎(chǔ)上繼續(xù)上升，當(dāng)UC上升到期望值時，APF在濾波的同時，控制UC穩(wěn)定在期望值。APF停止工作時，J2閉合，通過R2對C放電。

3 低通濾波器優(yōu)化設(shè)計
    利用ip-iq算法檢測諧波電流。此算法中用到的低通濾波器的性能對濾波效果影響很大。在諧波檢測算法中，增大低通濾波器的邊帶選擇性可提高檢測精度，選擇雅克比橢圓函數(shù)作為濾波器的逼近函數(shù)，并且增大濾波器的通帶衰減可增大邊帶選擇性。但精度的提高會影響濾波器的階數(shù)選擇，給濾波器的設(shè)計增加難度。利用優(yōu)化設(shè)計方法設(shè)計出一種以最低階數(shù)滿足精確性條件的優(yōu)化低通濾波器。低通濾波器的差分方程為：
    y(n)=0．004 556x(n)-0．004 487x(n-1)-0．004 487x(n-2)+0．004 556x(n-3)+2．966 026y(n-1)-2．877 028y(n-2)+0．940 865 7y(n-3)          (1)
    包括直流側(cè)電壓控制環(huán)節(jié)的指令電流運算原理框圖如圖2所示。

4 控制電路硬件和軟件設(shè)計
    控制電路以TMS320F2812為核心，硬件電路框圖如圖3所示。7路電流信號(負(fù)載電流iLa，iLb，iLc和補償電流ica，icb，icc，icN)和UC經(jīng)調(diào)理電路調(diào)理后送入ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，1路usa經(jīng)調(diào)理電路變成方波送至CAP1，用TMS320F2812的捕獲單元捕獲方波的過零點，實現(xiàn)與電網(wǎng)電壓的同步。ic的調(diào)理電路中，電流傳感器檢測到的a相補償電流ica轉(zhuǎn)換成0～3 V電壓加到ADCINA4。若過流，比較器輸出高電平，多個過電流信號經(jīng)或非門得故障信號FLT，加到，一旦出現(xiàn)故障，TMS320F2812封鎖PWM脈沖。圖3中，TMS320F2812輸出的3．3 V PWM信號經(jīng)電平變換器74LNC4245轉(zhuǎn)換為5 V。

    一路PWM信號經(jīng)IXDP630產(chǎn)生具有死區(qū)延時的相位相反的兩路信號，IXDP630輸出的PWM信號經(jīng)反相器反相后加到驅(qū)動電路，驅(qū)動電路所用芯片為M57962。IXDP630兼有保護功能，ENAR，ENAS，ENAT(低封鎖)分別封鎖單相脈沖，OUTENA(低封鎖)同時封鎖三相脈沖。圖3中引腳PW M1，PWM3，PWM5，PWM7用于產(chǎn)生PWM信號控制四相橋，引腳PWM2，PWM4，PWM6，PWM8用于產(chǎn)生封鎖信號封鎖單相脈沖。兩片IXDP630的OUTENA引腳并聯(lián)，由FLT控制，當(dāng)ic過流或四相橋發(fā)生短路時，F(xiàn)LT封鎖四相橋的脈沖。IXDP630內(nèi)部含有一個振蕩器，其頻率與所連接R和C的關(guān)系為(高于1 MHz時)：
    f=0．95／[C(R+30)+3×10-8]        (2)
    死區(qū)時間等于8個振蕩器周期，選取R=10kΩ，C=47 pF，死區(qū)時間約為4．2μs。APF配有鍵盤和顯示器人機接口，用單片機控制，通過串行總線與TMS320F2812通訊，人機接口用來顯示結(jié)果，修改參數(shù)。程序在CCS環(huán)境用C語言編寫，利用Iqmath函數(shù)庫，數(shù)據(jù)采用Q20格式，用定時跟蹤PWM控制APF輸出電流，模塊化模式設(shè)計程序，包括主程序、ADC中斷服務(wù)子程序及通訊子程序等。

5 實驗結(jié)果
    在APF樣機上進行小電流實驗，實驗參數(shù)為：IGBT開關(guān)頻率15 kHz，交流側(cè)電壓22 V，直流電壓60 V，所用諧波源為帶阻感負(fù)載的三相晶閘管可控整流器，相電流峰值5 A，由于晶閘管觸發(fā)脈沖不對稱導(dǎo)致電流波形不對稱。負(fù)載電流穩(wěn)定時，a相負(fù)載電流和濾波后的a相電流如圖4a所示。負(fù)載電流變化時，a相負(fù)載電流和濾波后的a相電流如圖4b所示?？梢?，負(fù)載變化時，研制的APF可迅速地跟蹤變化電流，動態(tài)響應(yīng)較快，補償精度較高。

6 結(jié)論
    經(jīng)實驗證明基于TMS320F2812控制，采用優(yōu)化設(shè)計的低通濾波器和時問跟蹤PWM控制技術(shù)研制的有源電力濾波器濾波效果好。與無源濾波器相比，基于全控電力電子器件變流器的有源電力濾波器響應(yīng)速度快，選擇性強，不受系統(tǒng)阻抗的影響，市場需求大。隨著技術(shù)的進步、器件價格的下降，有源電力濾波器的市場前景廣闊。