基于DSP的并聯(lián)型電力有源濾波器的設計方案

中心議題：
* DSP并聯(lián)有源電力濾波器的工作原理
* DSP并聯(lián)有源電力濾波器的硬件電路設計
* DSP并聯(lián)有源電力濾波器的軟件設計系統
* DSP并聯(lián)有源電力濾波器的實(shí)驗結果與分析
解決方案：
* 基于DSP的并聯(lián)型電力有源濾波器的設計方案

隨著(zhù)電力電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，電力系統中非線(xiàn)性負荷大量增加，各種非線(xiàn)性和時(shí)變性電子裝置如逆變器、整流器及各種開(kāi)關(guān)電源的應用越來(lái)越廣泛，由此帶來(lái)的諧波和無(wú)功問(wèn)題日益嚴重。采用電力濾波裝置就近吸收非線(xiàn)性負載所產(chǎn)生的諧波和無(wú)功電流，是抑制諧波和無(wú)功污染的有效措施。目前大量采用并聰型無(wú)源電力濾波器(PPF)來(lái)抑制諧波，PPF具有投資少、效率高、結構簡(jiǎn)單、運行可靠及維護方便等優(yōu)點(diǎn)，但是其本身固有的缺陷限制了其發(fā)展。與PPF相比，有源電力濾波器(APF)具有高度的可控性和快速響應性，其特點(diǎn)是不僅能夠補償各次諧波，還可以抑制閃變、補償無(wú)功；不受系統阻抗特性的影響，可消除與系統阻抗發(fā)生并聯(lián)諧振的危險；具有自適應能力，可自動(dòng)跟蹤補償變化著(zhù)的諧波。本文主要研究并聯(lián)型APF。

1 工作原理

有源電力濾波器系統構成原理如圖1所示。

圖中Vs表示交流電源，負載為非線(xiàn)性的諧波源，它產(chǎn)生諧波并消耗無(wú)功功率。有源電力濾波器系統由兩大部分組成，即指令電流運算電路和補償電流發(fā)生電路。其中，指令電流運算電路(即諧波和無(wú)功電流檢測電路)的主要功能是從補償對象的電流中提取所需的諧波和無(wú)功等電流分量。補償電流發(fā)生電路由電流跟蹤控制電路、驅動(dòng)電路和主電路三部分構成，它的作用是根據指令電流運算電路得出補償電流的指令信號，構造實(shí)際的補償電流。主電路目前均采用PWM變流器，在產(chǎn)生補償電流時(shí)，主要作為逆變器工作。

圖1所示APF的基本工作原理：實(shí)時(shí)檢測補償對象的電壓和電流，經(jīng)指令電流運算電路計算得出補償電流(諧波和無(wú)功電流)的指令信號，該信號經(jīng)補償電流發(fā)生電路放大，得出補償電流，補償電流與負載電流中要補償的諧波及無(wú)功電流大小相等、相位相反、相互抵消，最終得到期望的電網(wǎng)電流，使電網(wǎng)電流成為與電壓同相位的正弦波，從而達到抑制諧波，補償無(wú)功的目的。上述原理可用一組公式來(lái)描述：

2 硬件電路設計

指令電流運算電路的核心是DSP，運用擴展dq算法檢測負載電流中的諧波和無(wú)功分量，并根據無(wú)功補償和諧波抑制裝置的補償目的得出補償電流的指令信號。補償電流發(fā)生電路則產(chǎn)生跟蹤指令電流的補償電流以達到補償諧波和無(wú)功的目的?？刂葡到y的硬件主要包括DSP控制芯片、D／A與A／D電路、采樣周期信號發(fā)生電路、非線(xiàn)性負載電流的檢測與調理電路、三角波比較電路、驅動(dòng)電路和直流側電壓控制與均壓控制電路。如圖2所示，系統通過(guò)電流傳感器檢測非線(xiàn)性負載的電流iLa，iLb和iLc，經(jīng)電流信號調理后送入DSPTMS320F2812的A／D端口。驅動(dòng)電路接收來(lái)自DSP的PWM信號并經(jīng)隔離和放大后驅動(dòng)主電路的開(kāi)關(guān)管，以控制主電路電流跟隨指令電流的變化。2個(gè)電壓傳感器分別檢測變流器直流側的總電壓和上部電容電壓，經(jīng)電壓信號調理電路后送入DSP，通過(guò)合理的控制以調節直流側電壓的穩定以及上、下電容電壓的均衡。啟動(dòng)、關(guān)斷和保護模塊按一定的時(shí)序控制裝置的啟動(dòng)和關(guān)斷，并提供裝置的過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)熱、缺相等故障保護功能。

3 軟件設計系統

系統的全數字化控制對實(shí)時(shí)性要求很高，同時(shí)還必須考慮控制精度，這兩點(diǎn)關(guān)系著(zhù)整個(gè)系統性能的好壞。因此，縮短程序運行時(shí)間并保證計算精度是系統軟件設計的出發(fā)點(diǎn)。

系統以一個(gè)采樣周期為運行周期，在每個(gè)運行周期內需完成數據采樣，計算瞬時(shí)諧波及無(wú)功電流分量值，產(chǎn)生6路PWM信號，分別控制6只IGBT管的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，這幾步過(guò)程應在一個(gè)運行周期內完成，否則實(shí)時(shí)性很難得到保證。系統軟件主要包括主程序、A／D轉換子程序、諧波和無(wú)功電流計算子程序、PWM信號輸出子程序、串行通信子程序等幾部分。

系統軟件組成框圖如圖3所示。

4 實(shí)驗結果與分析

為了驗證上述諧波檢測和控制方案的有效性以及由此構成的基于DSP的并聯(lián)型有源電力濾波器是否能很好地補償諧波和無(wú)功電流，本文進(jìn)行了實(shí)驗。采用阻性負載作為三相不控橋式整流器的負載，試驗中在負載側接了1個(gè)2 Ω的電阻。下面以A相為例給出實(shí)驗波形。圖4分別給出了補償前后的負載電流波形和補償前后負載電流的頻譜圖。

從圖4中可以看出，在未加入APF時(shí)的A相電源電流波形發(fā)生了嚴重畸變，為尖頂波，在加入本實(shí)驗裝置之后電源電流的波形有了明顯的改善，十分接近于正弦波。同時(shí)，從頻譜圖中可以看出補償后電源電流畸變率很小，電源電流呈現出比較標準的正弦波，即電網(wǎng)電流中諧波和無(wú)功分量得到了較好的補償，有效地抑制了諧波并補償了無(wú)功分量。這說(shuō)明APF試驗裝置是有效的，并驗證了本文提出的算法和主電路設計的正確性。
負載電流中含有高次諧波及無(wú)功電流時(shí)，負載電流總諧波畸變率THD=63.86％，負載電流中各次諧波電流含量見(jiàn)表1；補償后電源電流總諧波畸變率THD=5.35％，電源電流各次諧波電流含量見(jiàn)表2。

5 結 語(yǔ)

本文以并聯(lián)有源電力濾波器為研究對象，對其拓撲結構、補償分量的檢測算法、控制策略等問(wèn)題作了較系統的研究。在該基礎上，介紹一種基于DSP的并聯(lián)型電力有源濾波器的設計。仿真實(shí)驗表明所設計的有源濾波器具有良好的諧波補償特性、自適應補償能力。