三相四線制有源電力濾波器軟硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　摘　要：為了解決三相四線制電網(wǎng)中諧波、無功功率和三相不平衡等電能質(zhì)量問題，本文采用基于DSP+CPLD全數(shù)字控制的并聯(lián)型有源電力濾波器(APF)來實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償。本文分析了APF的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理,給出了裝置的總體控制方案，并進(jìn)行控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。詳細(xì)探討了控制系統(tǒng)所采用的檢測(cè)控制方法、硬件結(jié)構(gòu)以及軟件流程設(shè)計(jì)等。仿真結(jié)果表明,采用這種方案,可以對(duì)三相四線制系統(tǒng)中的諧波、無功、負(fù)序、零序等電流分量進(jìn)行有效補(bǔ)償, 具有良好的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償效果。

　　隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，電力系統(tǒng)中非線性、沖擊性和單相負(fù)載都大量增加，由此產(chǎn)生的諧波、無功功率和三相不平衡等問題給電力系統(tǒng)和用戶造成了嚴(yán)重的影響。目前，用電單位也對(duì)電能質(zhì)量和供電可靠性提出了更高要求，改善電能質(zhì)量已成為社會(huì)發(fā)展的必然要求。因此，在電力系統(tǒng)運(yùn)行中，研究怎樣進(jìn)行諧波污染抑制和無功功率補(bǔ)償，來改善電能質(zhì)量、提高功率因數(shù)和減少電能損耗已成為電力系統(tǒng)中的一個(gè)重要研究課題。本文正是針對(duì)大量存在的三相四線制系統(tǒng)而進(jìn)行設(shè)計(jì)的高性能動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置，并聯(lián)型三相四線制有源電力濾波器(APF)，它能對(duì)大小和頻率都變化的諧波和無功進(jìn)行快速補(bǔ)償，能有效克服無源補(bǔ)償裝置的不足，是一種很有前途的補(bǔ)償裝置。

　　本文首先介紹了并聯(lián)型APF的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理，然后討論了基于DSP+CPLD的全數(shù)字化控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案，并對(duì)該控制系統(tǒng)的硬件電路和軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，最后給出了實(shí)驗(yàn)波形，驗(yàn)證了控制策略的有效性。

　　1 并聯(lián)有源濾波器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

　　有源電力濾波器主要由主電路，信號(hào)檢測(cè)電路，DSP+CPLD控制系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)電路和鍵盤顯示部分等組成。三相四線制有源電力濾波器有兩種不同的主電路結(jié)構(gòu)及其控制方法[1]，即3橋臂PWM變流器和4橋臂PWM變流器，從經(jīng)濟(jì)成本角度考慮，本文采用3橋臂PWM變流器方案。本文設(shè)計(jì)的并聯(lián)型APF的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，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)相接。負(fù)載為污染源,產(chǎn)生諧波、無功及三相不平衡電流等有害分量?？刂葡到y(tǒng)包括檢測(cè)環(huán)節(jié)，指令電流運(yùn)算環(huán)節(jié)、補(bǔ)償電流跟蹤控制環(huán)節(jié)、直流側(cè)電壓控制環(huán)節(jié)和驅(qū)動(dòng)保護(hù)環(huán)節(jié)等。

　　有源濾波器的基本工作原理是：首先互感器(TV 、TA)檢測(cè)補(bǔ)償對(duì)象的電壓和電流信號(hào)，然后經(jīng)過轉(zhuǎn)換處理后送給控制系統(tǒng)計(jì)算出補(bǔ)償電流的指令信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)補(bǔ)償電流發(fā)生電路放大，輸出補(bǔ)償電流，從而使補(bǔ)償電流與被補(bǔ)償對(duì)象的諧波、無功、負(fù)序等有害電流分量相互抵消，最終得到期望的正弦電源電流。即經(jīng)有源電力濾波器補(bǔ)償后,電網(wǎng)側(cè)三相電流為對(duì)稱正弦波,零線電流為0，實(shí)現(xiàn)改善電能質(zhì)量的目的。

　　圖1中，QF為斷路器;KM1、KM2為交流接觸器; R為限流電阻，L為濾波電感; C1、C2為直流母線電容。有源電力濾波器基本的工作過程如下，先閉合上QF，再閉合接觸器KM1，電網(wǎng)電壓通過限流電阻R、濾波電感L和逆變器中的續(xù)流二極管向直流母線電容C1、C2充電。當(dāng)直流母線電壓達(dá)到一定值之后，控制系統(tǒng)發(fā)出控制信號(hào)，控制KM2閉合，然后APF軟啟動(dòng)升到額定電壓，進(jìn)入正常工作狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障保護(hù)時(shí)，KM1斷開，以保護(hù)APF主電路不受損害。

　　2 控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

　　控制系統(tǒng)是APF的核心部分，它直接決定了APF的性能指標(biāo)和補(bǔ)償效果。為了滿足APF控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性的要求，本文采用了以DSP+CPLD為核心的數(shù)字化控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)硬件電路主要由核心控制系統(tǒng)模塊、數(shù)據(jù)采集電路、同步檢測(cè)電路、PWM隔離驅(qū)動(dòng)電路、硬件保護(hù)電路、I/O接口電路、通信電路、電源等輔助電路組成。并聯(lián)型APF的控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。

　　圖 2 并聯(lián)型APF的控制系統(tǒng)框圖[!--empirenews.page--]

　　核心控制系統(tǒng)模塊，主要由一片高性能32位定點(diǎn)DSP芯片TMS320LF2812 和一片CPLD芯片EPM7256AE以及相關(guān)外圍電路組成。其主要功能是：將數(shù)據(jù)采集電路輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，計(jì)算得出補(bǔ)償指令電流，然后生成并發(fā)出控制逆變器的PWM驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)，并且根據(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I/O接口、簡(jiǎn)化外圍電路等功能。

　　數(shù)據(jù)采集電路，主要負(fù)責(zé)電壓、電流等模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)換等處理。由于被檢測(cè)的電壓電流量數(shù)值比較大,數(shù)值遠(yuǎn)超過DSP允許的輸入信號(hào)范圍，因此，需要把這些模擬電信號(hào)降低，并將電流量變換為電壓量，雙極性信號(hào)變成單極性信號(hào)，并進(jìn)行電平匹配，A/D 轉(zhuǎn)換后送入DSP進(jìn)行運(yùn)算。實(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)述如下：電壓、電流信號(hào)(包括2個(gè)直流母線電壓、3個(gè)負(fù)載電流以及3個(gè)補(bǔ)償器輸出電流)經(jīng)電流型霍爾傳感器變換后，在高精度采樣電阻上形成與原信號(hào)成比例的電壓信號(hào)，再經(jīng)濾波、隔離、電平變換后，得到0～3V模擬量輸入電壓，最后經(jīng)12位A/D變換后進(jìn)入DSP內(nèi)處理。模擬量輸入調(diào)理電路如圖3所示。

　　圖3 模擬量輸入信號(hào)調(diào)理電路

　　同步檢測(cè)電路，主要功能是產(chǎn)生與電網(wǎng)電壓頻率、相位相同的同步工作脈沖信號(hào)以及256倍電網(wǎng)基波頻率的A/D同步采用啟動(dòng)信號(hào)。實(shí)際中，由于電網(wǎng)的頻率總會(huì)在50Hz上下發(fā)生波動(dòng)，因此為保證電網(wǎng)參數(shù)計(jì)算的準(zhǔn)確性，在測(cè)量過程中需要跟蹤電網(wǎng)頻率的變化，隨時(shí)修正A/D的采樣周期，以保證采樣速率不變。同步檢測(cè)電路實(shí)質(zhì)是一過零電壓比較器，將一相電源交流輸入信號(hào)變換成方波信號(hào)，實(shí)現(xiàn)三相電源電壓的相位檢測(cè)，利用方波信號(hào)的跳變觸發(fā)DSP產(chǎn)生中斷，以便計(jì)算電網(wǎng)頻率和控制DSP的A/D轉(zhuǎn)換時(shí)刻。

　　PWM隔離驅(qū)動(dòng)電路，是將控制系統(tǒng)模塊產(chǎn)生的光驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為電驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)，同時(shí)經(jīng)過功率放大處理后，最終輸出6路PWM信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變主電路IGBT的驅(qū)動(dòng)控制。當(dāng)裝置出現(xiàn)過流、短路等故障時(shí)，立即封鎖IGBT的驅(qū)動(dòng)脈沖，并向核心系統(tǒng)控制模塊發(fā)送保護(hù)信號(hào)。

　　硬件保護(hù)電路，為了保證APF可靠穩(wěn)定的工作，該補(bǔ)償裝置需要有完善的保護(hù)系統(tǒng)。當(dāng)補(bǔ)償裝置發(fā)生短路、過流、過壓、超溫、欠壓等故障時(shí)，故障信號(hào)經(jīng)過故障檢測(cè)電路處理后，立即封鎖PWM驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)，并進(jìn)行報(bào)警等處理，控制APF系統(tǒng)自動(dòng)退出運(yùn)行，以保護(hù)系統(tǒng)安全。

　　3 并聯(lián)有源濾波器的控制算法與控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　控制系統(tǒng)部分主要是以DSP和CPLD 為核心,完成數(shù)據(jù)采集、相位跟蹤、指令電流運(yùn)算、補(bǔ)償電流跟蹤控制、直流側(cè)電壓控制、PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制、系統(tǒng)保護(hù)、顯示等功能。其中指令電流運(yùn)算和補(bǔ)償電流跟蹤控制是APF的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，直接影響著它的性能。

　　3.1 指令電流運(yùn)算部分[2]

　　綜合考慮各種檢測(cè)算法的準(zhǔn)確性，實(shí)時(shí)性和復(fù)雜性，本文采用改進(jìn)的瞬時(shí)無功功率理論進(jìn)行指令電流運(yùn)算。即先求出其零序電流分量,將零序電流分量從各相電流中剔除后,就可以利用三相三線制情況下的瞬時(shí)無功功率理論 ， 檢測(cè)法進(jìn)行檢測(cè),進(jìn)而求出三相四線制系統(tǒng)中的諧波、負(fù)序、零序、無功在內(nèi)的補(bǔ)償電流指令信號(hào)。指令電流運(yùn)算電路原理圖如圖4所示。圖中

　　圖4 指令電流運(yùn)算電路原理圖

　　3.2 補(bǔ)償電流跟蹤控制部分

　　補(bǔ)償電流跟蹤控制部分，本文采用定時(shí)滯環(huán)比較的控制方法來產(chǎn)生PWM控制信號(hào)。該方法是把補(bǔ)償電流的指令信號(hào) 和實(shí)際的補(bǔ)償電流信號(hào) 進(jìn)行比較，兩者的偏差 作為滯環(huán)比較器的輸入，并用DSP內(nèi)部的時(shí)鐘定時(shí)器計(jì)時(shí)，每隔一個(gè)計(jì)時(shí)周期對(duì)偏差 的比較結(jié)果進(jìn)行判斷，產(chǎn)生PWM控制信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路來控制IGBT的通斷，從而控制補(bǔ)償電流 的變化，實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償功能。

　　3.3控制系統(tǒng)軟件流程設(shè)計(jì)

　　由于TMS320F2812的運(yùn)算速度非?？欤蚨梢圆捎肅語言編程，減少開發(fā)軟件所需的時(shí)間。在程序的具體編寫中，采用模塊化設(shè)計(jì)方法，將DSP要實(shí)現(xiàn)的控制功能劃分為若干個(gè)功能模塊，將每一個(gè)功能模塊用一個(gè)子程序來實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用時(shí)只需對(duì)相應(yīng)的子程序進(jìn)行調(diào)用即可，有利于對(duì)程序進(jìn)行調(diào)試、維護(hù)和升級(jí)。控制系統(tǒng)軟件主要分為5部分：主程序、指令電流檢測(cè)子程序、PWM控制子程序、電網(wǎng)頻率檢測(cè)子程序和數(shù)據(jù)采集子程序。為了提高控制系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性，軟件設(shè)計(jì)時(shí)還增加了軟件陷阱、數(shù)字濾波、看門狗技術(shù)等抗干擾措施。

　　本文主程序流程圖如圖5所示。主程序?qū)崿F(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)的循環(huán)控制，工作過程簡(jiǎn)述如下：首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，以保證DSP及所有外設(shè)的初始化狀態(tài)正常;然后系統(tǒng)進(jìn)入到主程序循環(huán)中，系統(tǒng)先進(jìn)行故障自檢，若有故障，進(jìn)行故障處理，保證系統(tǒng)安全、可靠的運(yùn)行;若系統(tǒng)無故障發(fā)生，則等待同步采樣控制信號(hào)中斷的發(fā)生，系統(tǒng)進(jìn)入到對(duì)應(yīng)的中斷服務(wù)程序中進(jìn)行頻率檢測(cè)和A/D轉(zhuǎn)換等;然后進(jìn)行直流側(cè)電壓控制;指令電流計(jì)算;軟啟動(dòng)控制等，若是啟動(dòng)過程，則采用軟啟動(dòng)方式，否則直接輸出PWM控制信號(hào)。這樣就完成了對(duì)一個(gè)采樣周期的控制，然后程序返回，進(jìn)行下一次采樣循環(huán)控制。[!--empirenews.page--]

　　圖 5 控制系統(tǒng)主程序流程圖

　　4 仿真結(jié)果分析

　　在所研制的100kVA并聯(lián)型有源電力濾波器裝置上，進(jìn)行了諧波補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主電路如圖1所示，實(shí)驗(yàn)主要參數(shù)分別為：電源線電壓為380V，系統(tǒng)阻抗忽略不計(jì);負(fù)載為三相全控整流橋，Ld=3mH，Rd=2Ω，整流橋觸發(fā)角=0;連接電抗L=0.5mH;直流側(cè)電壓Udc=850V，濾波電抗器L=1.5mH，滯環(huán)寬度約為系統(tǒng)電流峰值1%。

　　穩(wěn)態(tài)情況下仿真結(jié)果分析。如圖6所示，補(bǔ)償前三相非線性負(fù)載平衡，圖6(a)為補(bǔ)償前負(fù)載電流波形圖和頻譜圖，圖6(b)為有源電力濾波器投入補(bǔ)償后的電源電流波形圖和頻譜圖，其中波形圖橫坐標(biāo)為時(shí)間(秒)，縱坐標(biāo)為電流(安)。從波形圖和頻譜圖可以看出，在投入有源電力濾波器后，電網(wǎng)側(cè)高次諧波含量明顯降低，電源電流波形得到很大的改善，基本上為正弦波。經(jīng)諧波分析可知，電流總諧波畸變率由補(bǔ)償前的22.36%降低到補(bǔ)償后的2.64%，5次諧波電流由18.89%下降到1.45% ，7次諧波電流由10.21%下降到0.92%，取得了令人滿意的補(bǔ)償效果。

　　圖6補(bǔ)償前后A相電源電流波形圖及其頻譜圖

　　5 結(jié)論

　　本文簡(jiǎn)要說明了并聯(lián)型三相四線制有源電力濾波器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作過程，并較詳細(xì)的探討了控制系統(tǒng)所采用的控制方法、硬件電路設(shè)計(jì)和軟件流程設(shè)計(jì)。經(jīng)過理論和仿真分析可知，通過合理選擇主電路結(jié)構(gòu)參數(shù)和控制系統(tǒng)參數(shù)等，本裝置具有良好的動(dòng)態(tài)跟蹤補(bǔ)償性能，可以實(shí)現(xiàn)三相四線制電力系統(tǒng)中的諧波污染抑制，無功功率補(bǔ)償?shù)裙δ?。因此，最終可以實(shí)現(xiàn)改善系統(tǒng)電能質(zhì)量、提高功率因數(shù)和降低電能損耗等目的。