三相四線制有源電力濾波器軟硬體系統的設計

摘 要：為了解決三相四線制電網中諧波、無功功率和三相不平衡等電能質量問題，本文採用基於DSP+CPLD全數字控制的並聯型有源電力濾波器(APF)來實現補償。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，並進行控制系統的優化設計。詳細探討了控制系統所採用的檢測控制方法、硬體結構以及軟體流程設計等。模擬結果表明,採用這種方案,可以對三相四線制系統中的諧波、無功、負序、零序等電流分量進行有效補償, 具有良好的動態補償效果。

隨著國民經濟的迅速發展，電力系統中非線性、衝擊性和單相負載都大量增加，由此產生的諧波、無功功率和三相不平衡等問題給電力系統和用戶造成了嚴重的影響。目前，用電單位也對電能質量和供電可靠性提出了更高要求，改善電能質量已成為社會發展的必然要求。因此，在電力系統運行中，研究怎樣進行諧波污染抑制和無功功率補償，來改善電能質量、提高功率因數和減少電能損耗已成為電力系統中的一個重要研究課題。本文正是針對大量存在的三相四線制系統而進行設計的高性能動態補償裝置，並聯型三相四線制有源電力濾波器(APF)，它能對大小和頻率都變化的諧波和無功進行快速補償，能有效克服無源補償裝置的不足，是一種很有前途的補償裝置。

本文首先介紹了並聯型APF的系統結構和工作原理，然後討論了基於DSP+CPLD的全數字化控制系統的實現方案，並對該控制系統的硬體電路和軟體系統設計進行了研究，最後給出了實驗波形，驗證了控制策略的有效性。

1 並聯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，從經濟成本角度考慮，本文採用3橋臂PWM變流器方案。本文設計的並聯型APF的系統結構圖如圖1所示，主電路採用三相電壓源型逆變器結構，逆變器輸出端經濾波電感與電網相接。負載為污染源,產生諧波、無功及三相不平衡電流等有害分量。控制系統包括檢測環節，指令電流運算環節、補償電流跟蹤控制環節、直流側電壓控制環節和驅動保護環節等。

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，然後經過轉換處理後送給控制系統計算出補償電流的指令信號，該信號經補償電流發生電路放大，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。即經有源電力濾波器補償後,電網側三相電流為對稱正弦波,零線電流為0，實現改善電能質量的目的。

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，電網電壓通過限流電阻R、濾波電感L和逆變器中的續流二極體向直流母線電容C1、C2充電。當直流母線電壓達到一定值之後，控制系統發出控制信號，控制KM2閉合，然後APF軟啟動升到額定電壓，進入正常工作狀態。當系統出現故障保護時，KM1斷開，以保護APF主電路不受損害。

2 控制系統硬體電路設計

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。為了滿足APF控制系統實時性和準確性的要求，本文採用了以DSP+CPLD為核心的數字化控制系統。該控制系統硬體電路主要由核心控制系統模塊、數據採集電路、同步檢測電路、PWM隔離驅動電路、硬體保護電路、I/O介面電路、通信電路、電源等輔助電路組成。並聯型APF的控制系統框圖如圖2所示。

圖 2 並聯型APF的控制系統框圖

核心控制系統模塊，主要由一片高性能32位定點DSP晶元TMS320LF2812和一片CPLD晶元EPM7256AE以及相關外圍電路組成。其主要功能是：將數據採集電路輸出的模擬信號轉換為數字信號，計算得出補償指令電流，然後生成並發出控制逆變器的PWM驅動脈衝信號，並且根據不同的故障狀態產生不同的保護動作，協調系統內部的邏輯、擴展I/O介面、簡化外圍電路等功能。

數據採集電路，主要負責電壓、電流等模擬信號的轉換等處理。由於被檢測的電壓電流量數值比較大,數值遠超過DSP允許的輸入信號範圍，因此，需要把這些模擬電信號降低，並將電流量變換為電壓量，雙極性信號變成單極性信號，並進行電平匹配，A/D 轉換後送入DSP進行運算。實現方法簡述如下：電壓、電流信號(包括2個直流母線電壓、3個負載電流以及3個補償器輸出電流)經電流型霍爾感測器變換後，在高精度採樣電阻上形成與原信號成比例的電壓信號，再經濾波、隔離、電平變換後，得到0～3V模擬量輸入電壓，最後經12位A/D變換後進入DSP內處理。模擬量輸入調理電路如圖3所示。

圖3 模擬量輸入信號調理電路

同步檢測電路，主要功能是產生與電網電壓頻率、相位相同的同步工作脈衝信號以及256倍電網基波頻率的A/D同步採用啟動信號。實際中，由於電網的頻率總會在50Hz上下發生波動，因此為保證電網參數計算的準確性，在測量過程中需要跟蹤電網頻率的變化，隨時修正A/D的採樣周期，以保證採樣速率不變。同步檢測電路實質是一過零電壓比較器，將一相電源交流輸入信號變換成方波信號，實現三相電源電壓的相位檢測，利用方波信號的跳變觸發DSP產生中斷，以便計算電網頻率和控制DSP的A/D轉換時刻。

PWM隔離驅動電路，是將控制系統模塊產生的光碟機動脈衝信號轉換為電驅動脈衝信號，同時經過功率放大處理後，最終輸出6路PWM信號，實現對逆變主電路IGBT的驅動控制。當裝置出現過流、短路等故障時，立即封鎖IGBT的驅動脈衝，並向核心系統控制模塊發送保護信號。

硬體保護電路，為了保證APF可靠穩定的工作，該補償裝置需要有完善的保護系統。當補償裝置發生短路、過流、過壓、超溫、欠壓等故障時，故障信號經過故障檢測電路處理後，立即封鎖PWM驅動脈衝信號，並進行報警等處理，控制APF系統自動退出運行，以保護系統安全。

3 並聯有源濾波器的控制演算法與控制系統軟體設計

控制系統部分主要是以DSP和CPLD 為核心,完成數據採集、相位跟蹤、指令電流運算、補償電流跟蹤控制、直流側電壓控制、PWM驅動信號控制、系統保護、顯示等功能。其中指令電流運算和補償電流跟蹤控制是APF的關鍵環節，直接影響著它的性能。

3.1 指令電流運算部分[2]

綜合考慮各種檢測演算法的準確性，實時性和複雜性，本文採用改進的瞬時無功功率理論進行指令電流運算。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後,就可以利用三相三線制情況下的瞬時無功功率理論 ， 檢測法進行檢測,進而求出三相四線制系統中的諧波、負序、零序、無功在內的補償電流指令信號。指令電流運算電路原理圖如圖4所示。圖中

圖4 指令電流運算電路原理圖

3.2 補償電流跟蹤控制部分

補償電流跟蹤控制部分，本文採用定時滯環比較的控制方法來產生PWM控制信號。該方法是把補償電流的指令信號 和實際的補償電流信號 進行比較，兩者的偏差 作為滯環比較器的輸入，並用DSP內部的時鐘定時器計時，每隔一個計時周期對偏差 的比較結果進行判斷，產生PWM控制信號，該信號經驅動保護電路來控制IGBT的通斷，從而控制補償電流 的變化，實現補償功能。

3.3控制系統軟體流程設計

由於TMS320F2812的運算速度非常快，因而可以採用C語言編程，減少開發軟體所需的時間。在程序的具體編寫中，採用模塊化設計方法，將DSP要實現的控制功能劃分為若干個功能模塊，將每一個功能模塊用一個子程序來實現，應用時只需對相應的子程序進行調用即可，有利於對程序進行調試、維護和升級。控制系統軟體主要分為5部分：主程序、指令電流檢測子程序、PWM控制子程序、電網頻率檢測子程序和數據採集子程序。為了提高控制系統的性能和穩定性，軟體設計時還增加了軟體陷阱、數字濾波、看門狗技術等抗干擾措施。

本文主程序流程圖如圖5所示。主程序實現了對系統的循環控制，工作過程簡述如下：首先對系統進行初始化，以保證DSP及所有外設的初始化狀態正常;然後系統進入到主程序循環中，系統先進行故障自檢，若有故障，進行故障處理，保證系統安全、可靠的運行;若系統無故障發生，則等待同步採樣控制信號中斷的發生，系統進入到對應的中斷服務程序中進行頻率檢測和A/D轉換等;然後進行直流側電壓控制;指令電流計算;軟啟動控制等，若是啟動過程，則採用軟啟動方式，否則直接輸出PWM控制信號。這樣就完成了對一個採樣周期的控制，然後程序返回，進行下一次採樣循環控制。

圖 5 控制系統主程序流程圖

4 模擬結果分析

在所研製的100kVA並聯型有源電力濾波器裝置上，進行了諧波補償實驗。實驗系統主電路如圖1所示，實驗主要參數分別為：電源線電壓為380V，系統阻抗忽略不計;負載為三相全控整流橋，Ld=3mH，Rd=2Ω，整流橋觸發角=0;連接電抗L=0.5mH;直流側電壓Udc=850V，濾波電抗器L=1.5mH，滯環寬度約為系統電流峰值1%。

穩態情況下模擬結果分析。如圖6所示，補償前三相非線性負載平衡，圖6(a)為補償前負載電流波形圖和頻譜圖，圖6(b)為有源電力濾波器投入補償後的電源電流波形圖和頻譜圖，其中波形圖橫坐標為時間(秒)，縱坐標為電流(安)。從波形圖和頻譜圖可以看出，在投入有源電力濾波器後，電網側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。經諧波分析可知，電流總諧波畸變率由補償前的22.36%降低到補償後的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償效果。

圖6補償前後A相電源電流波形圖及其頻譜圖

5 結論

本文簡要說明了並聯型三相四線制有源電力濾波器的系統結構和工作過程，並較詳細的探討了控制系統所採用的控制方法、硬體電路設計和軟體流程設計。經過理論和模擬分析可知，通過合理選擇主電路結構參數和控制系統參數等，本裝置具有良好的動態跟蹤補償性能，可以實現三相四線制電力系統中的諧波污染抑制，無功功率補償等功能。因此，最終可以實現改善系統電能質量、提高功率因數和降低電能損耗等目的。