基于DSP的并联型电力有源滤波器的设计

中心议题：
    *  DSP并联有源电力滤波器的工作原理
    *  DSP并联有源电力滤波器的硬件电路设计
    *  DSP并联有源电力滤波器的软件设计系统
    *  DSP并联有源电力滤波器的实验结果与分析
解决方案：
    *  基于DSP的并联型电力有源滤波器的设计方案

随着电力电子技术的迅猛发展，电力系统中非线性负荷大量增加，各种非线性和时变性电子装置如逆变器、整流器及各种开关电源的应用越来越广泛，由此带来的谐波和无功问题日益严重。采用电力滤波装置就近吸收非线性负载所产生的谐波和无功电流，是抑制谐波和无功污染的有效措施。目前大量采用并聪型无源电力滤波器(PPF)来抑制谐波，PPF具有投资少、效率高、结构简单、运行可靠及维护方便等优点，但是其本身固有的缺陷限制了其发展。与PPF相比，有源电力滤波器(APF)具有高度的可控性和快速响应性，其特点是不仅能够补偿各次谐波，还可以抑制闪变、补偿无功；不受系统阻抗特性的影响，可消除与系统阻抗发生并联谐振的危险；具有自适应能力，可自动跟踪补偿变化着的谐波。本文主要研究并联型APF。

1 工作原理

有源电力滤波器系统构成原理如图1所示。

图中Vs表示交流电源，负载为非线性的谐波源，它产生谐波并消耗无功功率。有源电力滤波器系统由两大部分组成，即指令电流运算电路和补偿电流发生电路。其中，指令电流运算电路(即谐波和无功电流检测电路)的主要功能是从补偿对象的电流中提取所需的谐波和无功等电流分量。补偿电流发生电路由电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路三部分构成，它的作用是根据指令电流运算电路得出补偿电流的指令信号，构造实际的补偿电流。主电路目前均采用PWM变流器，在产生补偿电流时，主要作为逆变器工作。

图1所示APF的基本工作原理：实时检测补偿对象的电压和电流，经指令电流运算电路计算得出补偿电流(谐波和无功电流)的指令信号，该信号经补偿电流发生电路放大，得出补偿电流，补偿电流与负载电流中要补偿的谐波及无功电流大小相等、相位相反、相互抵消，最终得到期望的电网电流，使电网电流成为与电压同相位的正弦波，从而达到抑制谐波，补偿无功的目的。上述原理可用一组公式来描述：


2 硬件电路设计

指令电流运算电路的核心是DSP，运用扩展dq算法检测负载电流中的谐波和无功分量，并根据无功补偿和谐波抑制装置的补偿目的得出补偿电流的指令信号。补偿电流发生电路则产生跟踪指令电流的补偿电流以达到补偿谐波和无功的目的。控制系统的硬件主要包括DSP控制芯片、D／A与A／D电路、采样周期信号发生电路、非线性负载电流的检测与调理电路、三角波比较电路、驱动电路和直流侧电压控制与均压控制电路。如图2所示，系统通过电流传感器检测非线性负载的电流iLa，iLb和iLc，经电流信号调理后送入DSPTMS320F2812的A／D端口。驱动电路接收来自DSP的PWM信号并经隔离和放大后驱动主电路的开关管，以控制主电路电流跟随指令电流的变化。2个电压传感器分别检测变流器直流侧的总电压和上部电容电压，经电压信号调理电路后送入DSP，通过合理的控制以调节直流侧电压的稳定以及上、下电容电压的均衡。启动、关断和保护模块按一定的时序控制装置的启动和关断，并提供装置的过流、过压、过热、缺相等故障保护功能。
 

3 软件设计系统

系统的全数字化控制对实时性要求很高，同时还必须考虑控制精度，这两点关系着整个系统性能的好坏。因此，缩短程序运行时间并保证计算精度是系统软件设计的出发点。

系统以一个采样周期为运行周期，在每个运行周期内需完成数据采样，计算瞬时谐波及无功电流分量值，产生6路PWM信号，分别控制6只IGBT管的开关状态，这几步过程应在一个运行周期内完成，否则实时性很难得到保证。系统软件主要包括主程序、A／D转换子程序、谐波和无功电流计算子程序、PWM信号输出子程序、串行通信子程序等几部分。

系统软件组成框图如图3所示。


4 实验结果与分析

为了验证上述谐波检测和控制方案的有效性以及由此构成的基于DSP的并联型有源电力滤波器是否能很好地补偿谐波和无功电流，本文进行了实验。采用阻性负载作为三相不控桥式整流器的负载，试验中在负载侧接了1个2 Ω的电阻。下面以A相为例给出实验波形。图4分别给出了补偿前后的负载电流波形和补偿前后负载电流的频谱图。

 

从图4中可以看出，在未加入APF时的A相电源电流波形发生了严重畸变，为尖顶波，在加入本实验装置之后电源电流的波形有了明显的改善，十分接近于正弦波。同时，从频谱图中可以看出补偿后电源电流畸变率很小，电源电流呈现出比较标准的正弦波，即电网电流中谐波和无功分量得到了较好的补偿，有效地抑制了谐波并补偿了无功分量。这说明APF试验装置是有效的，并验证了本文提出的算法和主电路设计的正确性。
负载电流中含有高次谐波及无功电流时，负载电流总谐波畸变率THD=63.86％，负载电流中各次谐波电流含量见表1；补偿后电源电流总谐波畸变率THD=5.35％，电源电流各次谐波电流含量见表2。


5 结 语

本文以并联有源电力滤波器为研究对象，对其拓扑结构、补偿分量的检测算法、控制策略等问题作了较系统的研究。在该基础上，介绍一种基于DSP的并联型电力有源滤波器的设计。仿真实验表明所设计的有源滤波器具有良好的谐波补偿特性、自适应补偿能力。