基于CAN總線多模塊有源電力濾波器并聯(lián)控制

肖貞仁，席自強，周 苗

（湖北工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，湖北 武漢430068）

在實際有源濾波工程中，有需要容量達(dá)到500A以上的大容量系統(tǒng)，由于電力電子器件等因素的限制，單臺APF的容量有限，難以滿足負(fù)載諧波電流的補償要求?？梢圆捎枚嗯_APF并聯(lián)，通過分布式并聯(lián)控制方式完成諧波和無功電流的輸出，更易實現(xiàn)擴(kuò)展和冗余；并聯(lián)系統(tǒng)各模塊完全相同，它們的地位均等，通過模塊間CAN總線交換信息，產(chǎn)生各模塊共享的參考信號，并通過環(huán)流對參考信號進(jìn)行校正，實現(xiàn)均流控制［1］。

CAN（Controller Area Network）即控制器局域網(wǎng)絡(luò)，通過對通信數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，實現(xiàn)網(wǎng)內(nèi)節(jié)點個數(shù)不受限制以及使不同的節(jié)點同時接收相同的數(shù)據(jù)等優(yōu)點，因此非常適用于分布式并聯(lián)系統(tǒng)。

本文采用Concerto F28M35x芯片構(gòu)成數(shù)字控制通訊系統(tǒng)，基于DSP的控制子系統(tǒng)只負(fù)責(zé)算法運算，沒有其他的負(fù)擔(dān)，從而保證了控制算法運算的可靠性和時效性?；贑ortex－M3的主機(jī)子系統(tǒng)負(fù)責(zé)各柜體之間以及柜體與后臺監(jiān)控之間的通訊。

1 Concerto F28M35x的結(jié)構(gòu)

F28M35x的控制子系統(tǒng)以帶浮點處理器的DSP為基礎(chǔ)，與C2000系列器件兼容。此系統(tǒng)包含多個控制外設(shè)，如PWM模塊、捕捉模塊、編碼器接口以及用于高級控制和基帶信號處理應(yīng)用的串行接口，可支持IEEE754單精度浮點操作。靈活的增強型ePWM能夠以最小的CPU占用生成復(fù)雜的脈寬波形。

控制子系統(tǒng)所要實現(xiàn)的功能包括：基于dq坐標(biāo)變換的指定次諧波檢測；基于電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制；基于規(guī)則采樣法的SPWM脈沖發(fā)生；

主機(jī)子系統(tǒng)是基于Cortex－M3內(nèi)核，具有通信所需的高級連接外設(shè)；包括以太網(wǎng)、移動USB，特別是獨有的雙CAN結(jié)構(gòu)。主機(jī)子系統(tǒng)需要實現(xiàn)的功能包括：有源電力濾波器與觸摸屏的通訊；各模塊與遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的通訊；有源電力濾波器的保護(hù)與容錯；

2 基于CAN總線的通訊與遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)計

2.1 模塊間通信的硬件設(shè)計

基于CAN總線的通訊與遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)通過采集各模塊網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的電流、電壓、頻率、溫度等實時數(shù)據(jù)，對是否過流、過熱關(guān)機(jī)、功率和功率因素等數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，然后將這些數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息存儲在數(shù)據(jù)存儲器中，通過CAN總線傳送至監(jiān)控臺的上位機(jī)。上位機(jī)接受到網(wǎng)絡(luò)節(jié)點傳送的測量值和信息后，以曲線、圖形等方式顯示出來，操作人員就可以隨時看到有源電力濾波器的運行參數(shù)［2］。數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后，顯示各種參數(shù)的狀態(tài)；上位機(jī)進(jìn)行遙控操作時，將控制命令通過CAN總線發(fā)送到指定的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點實現(xiàn)相應(yīng)的控制，達(dá)到控制的目的。整個有源電力濾波器多模塊并聯(lián)的控制與通訊結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1中的觸摸屏支持CAN 1939和CAN－open兩種協(xié)議，用戶可通過觸摸屏執(zhí)行各種操作命令，方便地瀏覽輸入、輸出、負(fù)載等相關(guān)參數(shù)及波形，及時獲得有源電力濾波器各模塊當(dāng)前的狀態(tài)和告警信息。

圖1 有源電力濾波器多模塊系統(tǒng)通訊結(jié)構(gòu)

2.2 CAN總線與微處理器通信單元模塊的連接

F28M35x芯片含有獨特的內(nèi)嵌式雙CAN控制器，通過收發(fā)器即可實現(xiàn)此節(jié)點與總線的接口聯(lián)結(jié)。收發(fā)器SN65HVD232D是TI公司生產(chǎn)的CAN協(xié)議控制器和物理總線的接口芯片，為CAN控制器提供差動接收能力。CAN總線與Concerto通信模塊的接法見圖2。

圖2 CAN總線與Concerto通信模塊的連接

3 基于CAN總線相位同步與均流控制設(shè)計

通過CAN總線消除由有源電力濾波器輸出電壓差別引起的環(huán)流，該方案充分利用了CAN總線通信速率高、抗干擾能力強的特點，在有源電力濾波器并聯(lián)系統(tǒng)中通過數(shù)字方法進(jìn)行均流。各模塊采樣同步總線信號，在任意工作頻率點和頻率變化過程中自動實現(xiàn)同頻、同相；同步的相位信號與幅值信號相組合生成同步的三相正弦基準(zhǔn)信號［3］。采樣并計算三相環(huán)流信號，然后注入到三相正弦基準(zhǔn)信號中，對正弦基準(zhǔn)信號進(jìn)行校正，減小兩模塊的輸出誤差。

3.1 相位同步控制原理

有源電力濾波器通過數(shù)字鎖相環(huán)實時地為采樣點提供相應(yīng)的相位信息，這個相位信息一方面參與諧波檢測算法計算，另一方面提供有源電力濾波器并網(wǎng)相位同步。將單臺有源電力濾波器的相位信息用方波表示，生成各臺有源電力濾波器自身的同步方波信號，并通過CAN總線在所有有源電力濾波器模塊之間交流；各臺有源電力濾波器檢測方波信號，根據(jù)相互之間的相位差控制正弦基準(zhǔn)信號相位同步［4］；圖3為同步電路原理圖。

圖3 相位同步電路原理圖

其中方波信號sw1、sw2分別為有源電力濾波器模塊一、模塊二生成的自身同步信號，經(jīng)過OC門輸出環(huán)節(jié)后送到同步總線，經(jīng)過線與邏輯后的輸出信號sw＊也為方波，其上升沿與各輸入信號上升沿中最晚的相對應(yīng)，下降沿與各輸入信號下降沿中最早的相對應(yīng)。因此，共享的方波同步信號sw＊與各模塊自身的同步信號swn的關(guān)系如式（1）所示：

并聯(lián)運行過程中，有源電力濾波器各模塊根據(jù)自身的同步信號sw1和共享的基準(zhǔn)同步信號sw＊差值，對頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，使各模塊方波的上升沿出現(xiàn)在同一時刻，從而實現(xiàn)同步控制功能。

3.2 改進(jìn)型均流控制方案設(shè)計

在均流調(diào)節(jié)中，各模塊通過采樣并計算環(huán)流信號，對自身的正弦基準(zhǔn)信號進(jìn)行補償，減小各有源電力濾波器輸出之間的差異，實現(xiàn)輸出均流。圖4所示為二臺有源電力濾波器的平均電流電路原理圖及均流調(diào)節(jié)原理。圖中，i為有源電力濾波器輸出電流；is為采樣信號；inav為各模塊共享的平均電流信號；uref為正弦電壓基準(zhǔn)信號；uref＊為經(jīng)過均流調(diào)節(jié)后的正弦基準(zhǔn)信號；Δi為有源電力濾波器計算得到的環(huán)流信號；kβ為均流調(diào)節(jié)系數(shù)［5］。

圖4中，通過電流互感器采樣有源電力濾波器的輸出電流i，采樣信號is通過電阻R接到均流總線，參與生成平均電流信號inav；求差電路可以求出i1s和inav的差值，得到環(huán)流信號Δi，再經(jīng)過隔離放大處理后，注入到三相正弦基準(zhǔn)信號中對uref進(jìn)行校正，以減小兩臺有源電力濾波器之間的輸出誤差，實現(xiàn)均流控制。以A相為例，由圖得到i、inav、Δi的表達(dá)式如下：

其中km是電流采樣系數(shù)。兩臺有源電力濾波器并聯(lián)的接法見圖5。

圖4 兩臺有源電力濾波器均流調(diào)節(jié)原理

圖5 兩臺有源電力濾波器并聯(lián)模型

圖5 中，ia1、ib1、ic1和ia2、ib2、ic2為兩模塊的輸出電流，ia、ib、ic為并聯(lián)系統(tǒng)輸出電流。以A相為例：

本文中的有源電力濾波器采用SPWM調(diào)制法，采用U／f控制，正弦基準(zhǔn)信號幅值正比于輸出頻率f，令比例系數(shù)為kα。加入均流調(diào)節(jié)后可得：

式（6）、（7）中：ua1、ua2分別為有源電力濾波器模塊一和模塊二的三相橋臂輸出電壓；ua1ref、ua2ref分別為模塊一和模塊二的三相正弦基準(zhǔn)信號；UDC1和UDC2為兩臺有源電力濾波器的直流母線電壓；φ1和φ2為其輸出電流相位差。由圖5可得到：

其中ua1b1、ua2b2是A1、B1和A2、B2端的端電壓；uab為并聯(lián)系統(tǒng)輸出a、b端的端電壓；s為拉普拉斯算子。

綜合式子（6）、（7）、（8）、（9）、（10）得：

可解出得：

將ua1ref、ua2ref的表達(dá)式帶入式（11）中，可得：

結(jié)果表明：兩模塊的環(huán)流正比于比例系數(shù)kα。實際有源電力濾波器并聯(lián)系統(tǒng)中，當(dāng)通過相位同步使得相位差為零，且kα、L、km為常數(shù)，通過調(diào)節(jié)均流系數(shù)kβ，可以實現(xiàn)對環(huán)流的控制，所提出的均流控制策略是有效的。

4 實驗?zāi)Ｐ图敖Y(jié)果

本文設(shè)計并實現(xiàn)了基于兩臺有源電力濾波器模塊的并聯(lián)補償系統(tǒng)。主電路功率開關(guān)器件采用IPM模塊（三菱PM75RL1A120）。負(fù)載采用整流橋帶電阻負(fù)載。負(fù)載電流諧波畸變率THD＝29.4%，諧波主要集中在6n±1特征次諧波上。圖6為有源電力濾波器模塊一諧波電流輸出波形。

圖6 有源電力濾波器模塊一諧波電流輸出波形

圖7為有源電力濾波器模塊二諧波電流輸出波形；通過比較發(fā)現(xiàn)，兩模塊的輸出電流大小和相位相等。

圖7 有源電力濾波器模塊二諧波電流輸出波形

5 結(jié)論

本文研究了基于CAN總線的同步與均流策略，詳細(xì)描述了有源電力濾波器各模塊間的通信結(jié)構(gòu)，并在其基礎(chǔ)上完成二臺有源電力濾波器樣機(jī)的并聯(lián)運行調(diào)試。通過波形的表示形式可知，二臺有源電力濾波器樣機(jī)產(chǎn)生的諧波和無功電流的相位與幅值相等，補償后的諧波畸變率低。

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