三相四线制有源电力滤波器软硬件系统的设计

随着国民经济的迅速发展，电力系统中非线性、冲击性和单相负载都大量增加，由此产生的谐波、无功功率和三相不平衡等问题给电力系统和用户造成了严重的影响。目前，用电单位也对电能质量和供电可靠性提出了更高要求，改善电能质量已成为社会发展的必然要求。因此，在电力系统运行中，研究怎样进行谐波污染抑制和无功功率补偿，来改善电能质量、提高功率因数和减少电能损耗已成为电力系统中的一个重要研究课题。本文正是针对大量存在的三相四线制系统而进行设计的高性能动态补偿装置，并联型三相四线制有源电力滤波器(APF)，它能对大小和频率都变化的谐波和无功进行快速补偿，能有效克服无源补偿装置的不足，是一种很有前途的补偿装置。  

本文首先介绍了并联型APF的系统结构和工作原理，然后讨论了基于DSP+CPLD的全数字化控制系统的实现方案，并对该控制系统的硬件电路和软件系统设计进行了研究，最后给出了实验波形，验证了控制策略的有效性。  

1 并联有源滤波器的系统结构及工作原理  

有源电力滤波器主要由主电路，信号检测电路，DSP+CPLD控制系统，驱动电路和键盘显示部分等组成。三相四线制有源电力滤波器有两种不同的主电路结构及其控制方法，即3桥臂PWM变流器和4桥臂PWM变流器，从经济成本角度考虑，本文采用3桥臂PWM变流器方案。本文设计的并联型APF的系统结构图如图1所示，主电路采用三相电压源型逆变器结构，逆变器输出端经滤波电感与电网相接。负载为污染源,产生谐波、无功及三相不平衡电流等有害分量。控制系统包括检测环节，指令电流运算环节、补偿电流跟踪控制环节、直流侧电压控制环节和驱动保护环节等。  


  
有源滤波器的基本工作原理是：首先互感器(TV 、TA)检测补偿对象的电压和电流信号，然后经过转换处理后送给控制系统计算出补偿电流的指令信号，该信号经补偿电流发生电路放大，输出补偿电流，从而使补偿电流与被补偿对象的谐波、无功、负序等有害电流分量相互抵消，最终得到期望的正弦电源电流。即经有源电力滤波器补偿后,电网侧三相电流为对称正弦波,零线电流为0，实现改善电能质量的目的。  

图1中，QF为断路器;KM1、KM2为交流接触器; R为限流电阻，L为滤波电感; C1、C2为直流母线电容。有源电力滤波器基本的工作过程如下，先闭合上QF，再闭合接触器KM1，电网电压通过限流电阻R、滤波电感L和逆变器中的续流二极管向直流母线电容C1、C2充电。当直流母线电压达到一定值之后，控制系统发出控制信号，控制KM2闭合，然后APF软启动升到额定电压，进入正常工作状态。当系统出现故障保护时，KM1断开，以保护APF主电路不受损害。  

2 控制系统硬件电路设计  

控制系统是APF的核心部分，它直接决定了APF的性能指标和补偿效果。为了满足APF控制系统实时性和准确性的要求，本文采用了以DSP+CPLD为核心的数字化控制系统。该控制系统硬件电路主要由核心控制系统模块、数据采集电路、同步检测电路、PWM隔离驱动电路、硬件保护电路、I/O接口电路、通信电路、电源等辅助电路组成。并联型APF的控制系统框图如图2所示。  


  
图 2 并联型APF的控制系统框图  

核心控制系统模块，主要由一片高性能32位定点DSP芯片TMS320LF2812 和一片CPLD芯片EPM7256AE以及相关外围电路组成。其主要功能是：将数据采集电路输出的模拟信号转换为数字信号，计算得出补偿指令电流，然后生成并发出控制逆变器的PWM驱动脉冲信号，并且根据不同的故障状态产生不同的保护动作，协调系统内部的逻辑、扩展I/O接口、简化外围电路等功能。  

数据采集电路，主要负责电压、电流等模拟信号的转换等处理。由于被检测的电压电流量数值比较大,数值远超过DSP允许的输入信号范围，因此，需要把这些模拟电信号降低，并将电流量变换为电压量，双极性信号变成单极性信号，并进行电平匹配，A/D 转换后送入DSP进行运算。实现方法简述如下：电压、电流信号(包括2个直流母线电压、3个负载电流以及3个补偿器输出电流)经电流型霍尔传感器变换后，在高精度采样电阻上形成与原信号成比例的电压信号，再经滤波、隔离、电平变换后，得到0～3V模拟量输入电压，最后经12位A/D变换后进入DSP内处理。模拟量输入调理电路如图3所示。  


  
图3 模拟量输入信号调理电路  

同步检测电路，主要功能是产生与电网电压频率、相位相同的同步工作脉冲信号以及256倍电网基波频率的A/D同步采用启动信号。实际中，由于电网的频率总会在50Hz上下发生波动，因此为保证电网参数计算的准确性，在测量过程中需要跟踪电网频率的变化，随时修正A/D的采样周期，以保证采样速率不变。同步检测电路实质是一过零电压比较器，将一相电源交流输入信号变换成方波信号，实现三相电源电压的相位检测，利用方波信号的跳变触发DSP产生中断，以便计算电网频率和控制DSP的A/D转换时刻。  

PWM隔离驱动电路，是将控制系统模块产生的光驱动脉冲信号转换为电驱动脉冲信号，同时经过功率放大处理后，最终输出6路PWM信号，实现对逆变主电路IGBT的驱动控制。当装置出现过流、短路等故障时，立即封锁IGBT的驱动脉冲，并向核心系统控制模块发送保护信号。  

硬件保护电路，为了保证APF可靠稳定的工作，该补偿装置需要有完善的保护系统。当补偿装置发生短路、过流、过压、超温、欠压等故障时，故障信号经过故障检测电路处理后，立即封锁PWM驱动脉冲信号，并进行报警等处理，控制APF系统自动退出运行，以保护系统安全。  

3 并联有源滤波器的控制算法与控制系统软件设计  

控制系统部分主要是以DSP和CPLD 为核心,完成数据采集、相位跟踪、指令电流运算、补偿电流跟踪控制、直流侧电压控制、PWM驱动信号控制、系统保护、显示等功能。其中指令电流运算和补偿电流跟踪控制是APF的关键环节，直接影响着它的性能。  

3.1 指令电流运算部分  

综合考虑各种检测算法的准确性，实时性和复杂性，本文采用改进的瞬时无功功率理论进行指令电流运算。即先求出其零序电流分量,将零序电流分量从各相电流中剔除后,就可以利用三相三线制情况下的瞬时无功功率理论 ， 检测法进行检测,进而求出三相四线制系统中的谐波、负序、零序、无功在内的补偿电流指令信号。指令电流运算电路原理图如图4所示。图中  






  
图4 指令电流运算电路原理图  

3.2 补偿电流跟踪控制部分  

补偿电流跟踪控制部分，本文采用定时滞环比较的控制方法来产生PWM控制信号。该方法是把补偿电流的指令信号 和实际的补偿电流信号 进行比较，两者的偏差 作为滞环比较器的输入，并用DSP内部的时钟定时器计时，每隔一个计时周期对偏差 的比较结果进行判断，产生PWM控制信号，该信号经驱动保护电路来控制IGBT的通断，从而控制补偿电流 的变化，实现补偿功能。  

3.3 控制系统软件流程设计  

由于TMS320F2812的运算速度非常快，因而可以采用C语言编程，减少开发软件所需的时间。在程序的具体编写中，采用模块化设计方法，将DSP要实现的控制功能划分为若干个功能模块，将每一个功能模块用一个子程序来实现，应用时只需对相应的子程序进行调用即可，有利于对程序进行调试、维护和升级。控制系统软件主要分为5部分：主程序、指令电流检测子程序、PWM控制子程序、电网频率检测子程序和数据采集子程序。为了提高控制系统的性能和稳定性，软件设计时还增加了软件陷阱、数字滤波、看门狗技术等抗干扰措施。  

本文主程序流程图如图5所示。主程序实现了对系统的循环控制，工作过程简述如下：首先对系统进行初始化，以保证DSP及所有外设的初始化状态正常;然后系统进入到主程序循环中，系统先进行故障自检，若有故障，进行故障处理，保证系统安全、可靠的运行;若系统无故障发生，则等待同步采样控制信号中断的发生，系统进入到对应的中断服务程序中进行频率检测和A/D转换等;然后进行直流侧电压控制;指令电流计算;软启动控制等，若是启动过程，则采用软启动方式，否则直接输出PWM控制信号。这样就完成了对一个采样周期的控制，然后程序返回，进行下一次采样循环控制。  


  
图 5 控制系统主程序流程图  

4 仿真结果分析  

在所研制的100kVA并联型有源电力滤波器装置上，进行了谐波补偿实验。实验系统主电路如图1所示，实验主要参数分别为：电源线电压为380V，系统阻抗忽略不计;负载为三相全控整流桥，Ld=3mH，Rd=2Ω，整流桥触发角=0;连接电抗L=0.5mH;直流侧电压Udc=850V，滤波电抗器L=1.5mH，滞环宽度约为系统电流峰值1%。  

稳态情况下仿真结果分析。如图6所示，补偿前三相非线性负载平衡，图6(a)为补偿前负载电流波形图和频谱图，图6(b)为有源电力滤波器投入补偿后的电源电流波形图和频谱图，其中波形图横坐标为时间(秒)，纵坐标为电流(安)。从波形图和频谱图可以看出，在投入有源电力滤波器后，电网侧高次谐波含量明显降低，电源电流波形得到很大的改善，基本上为正弦波。经谐波分析可知，电流总谐波畸变率由补偿前的22.36%降低到补偿后的2.64%，5次谐波电流由18.89%下降到1.45% ，7次谐波电流由10.21%下降到0.92%，取得了令人满意的补偿效果。  




  
图6补偿前后A相电源电流波形图及其频谱图  

5 结论  

本文简要说明了并联型三相四线制有源电力滤波器的系统结构和工作过程，并较详细的探讨了控制系统所采用的控制方法、硬件电路设计和软件流程设计。经过理论和仿真分析可知，通过合理选择主电路结构参数和控制系统参数等，本装置具有良好的动态跟踪补偿性能，可以实现三相四线制电力系统中的谐波污染抑制，无功功率补偿等功能。因此，最终可以实现改善系统电能质量、提高功率因数和降低电能损耗等目的。