三相四線(xiàn)制有源電力濾波器軟硬件系統的設計

　摘　要：為了解決三相四線(xiàn)制電網(wǎng)中諧波、無(wú)功功率和三相不平衡等電能質(zhì)量問(wèn)題，本文采用基于DSP+CPLD全數字控制的并聯(lián)型有源電力濾波器(APF)來(lái)實(shí)現補償。本文分析了APF的系統結構及工作原理,給出了裝置的總體控制方案，并進(jìn)行控制系統的優(yōu)化設計。詳細探討了控制系統所采用的檢測控制方法、硬件結構以及軟件流程設計等。仿真結果表明,采用這種方案,可以對三相四線(xiàn)制系統中的諧波、無(wú)功、負序、零序等電流分量進(jìn)行有效補償, 具有良好的動(dòng)態(tài)補償效果。

　　隨著(zhù)國民經(jīng)濟的迅速發(fā)展，電力系統中非線(xiàn)性、沖擊性和單相負載都大量增加，由此產(chǎn)生的諧波、無(wú)功功率和三相不平衡等問(wèn)題給電力系統和用戶(hù)造成了嚴重的影響。目前，用電單位也對電能質(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，在電力系統運行中，研究怎樣進(jìn)行諧波污染抑制和無(wú)功功率補償，來(lái)改善電能質(zhì)量、提高功率因數和減少電能損耗已成為電力系統中的一個(gè)重要研究課題。本文正是針對大量存在的三相四線(xiàn)制系統而進(jìn)行設計的高性能動(dòng)態(tài)補償裝置，并聯(lián)型三相四線(xiàn)制有源電力濾波器(APF)，它能對大小和頻率都變化的諧波和無(wú)功進(jìn)行快速補償，能有效克服無(wú)源補償裝置的不足，是一種很有前途的補償裝置。

　　本文首先介紹了并聯(lián)型APF的系統結構和工作原理，然后討論了基于DSP+CPLD的全數字化控制系統的實(shí)現方案，并對該控制系統的硬件電路和軟件系統設計進(jìn)行了研究，最后給出了實(shí)驗波形，驗證了控制策略的有效性。

　　1 并聯(lián)有源濾波器的系統結構及工作原理

　　有源電力濾波器主要由主電路，信號檢測電路，DSP+CPLD控制系統，驅動(dòng)電路和鍵盤(pán)顯示部分等組成。三相四線(xiàn)制有源電力濾波器有兩種不同的主電路結構及其控制方法[1]，即3橋臂PWM變流器和4橋臂PWM變流器，從經(jīng)濟成本角度考慮，本文采用3橋臂PWM變流器方案。本文設計的并聯(lián)型APF的系統結構圖如圖1所示，主電路采用三相電壓源型逆變器結構，逆變器輸出端經(jīng)濾波電感與電網(wǎng)相接。負載為污染源,產(chǎn)生諧波、無(wú)功及三相不平衡電流等有害分量?？刂葡到y包括檢測環(huán)節，指令電流運算環(huán)節、補償電流跟蹤控制環(huán)節、直流側電壓控制環(huán)節和驅動(dòng)保護環(huán)節等。

　　有源濾波器的基本工作原理是：首先互感器(TV 、TA)檢測補償對象的電壓和電流信號，然后經(jīng)過(guò)轉換處理后送給控制系統計算出補償電流的指令信號，該信號經(jīng)補償電流發(fā)生電路放大，輸出補償電流，從而使補償電流與被補償對象的諧波、無(wú)功、負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)有源電力濾波器補償后,電網(wǎng)側三相電流為對稱(chēng)正弦波,零線(xiàn)電流為0，實(shí)現改善電能質(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(xiàn)電容。有源電力濾波器基本的工作過(guò)程如下，先閉合上QF，再閉合接觸器KM1，電網(wǎng)電壓通過(guò)限流電阻R、濾波電感L和逆變器中的續流二極管向直流母線(xiàn)電容C1、C2充電。當直流母線(xiàn)電壓達到一定值之后，控制系統發(fā)出控制信號，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)。當系統出現故障保護時(shí)，KM1斷開(kāi)，以保護APF主電路不受損害。

　　2 控制系統硬件電路設計

　　控制系統是APF的核心部分，它直接決定了APF的性能指標和補償效果。為了滿(mǎn)足APF控制系統實(shí)時(shí)性和準確性的要求，本文采用了以DSP+CPLD為核心的數字化控制系統。該控制系統硬件電路主要由核心控制系統模塊、數據采集電路、同步檢測電路、PWM隔離驅動(dòng)電路、硬件保護電路、I/O接口電路、通信電路、電源等輔助電路組成。并聯(lián)型APF的控制系統框圖如圖2所示。

　　圖 2 并聯(lián)型APF的控制系統框圖