有源電力濾波器測控單元的設(shè)計

朱　俊,　劉天羽,　黃麒元,　孟　暢

(上海電機(jī)學(xué)院 電氣學(xué)院, 上?！?01306)

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有源電力濾波器測控單元的設(shè)計

朱俊,劉天羽,黃麒元,孟暢

(上海電機(jī)學(xué)院 電氣學(xué)院, 上海201306)

介紹了電壓源型并聯(lián)有源電力濾波器(APF)的工作原理,研究了基于DSP2812控制系統(tǒng)的APF測控單元設(shè)計,分析了其主要硬件電路及測控軟件設(shè)計,并進(jìn)行了試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明,APF對諧波電流的補(bǔ)償作用特別明顯,同時對突變的負(fù)載電流具有良好的動態(tài)補(bǔ)償作用。

有源電力濾波器; 數(shù)字信號處理器; 諧波電流; 硬件電路; 軟件

0　引　言

目前,隨著電力電子設(shè)備在電網(wǎng)中的廣泛應(yīng)用,諧波污染引起了人們越來越多的關(guān)注[1]。有源電力濾波器(Active Power Filter,APF)作為抑制諧波污染的一種新型裝置,可以對諧波進(jìn)行實(shí)時的檢測和抑制,克服了無源濾波裝置的固有缺點(diǎn),正逐漸成為新的研究熱點(diǎn)[2-4]。

1　電壓源型并聯(lián)APF工作原理

三相四線制并聯(lián)APF不僅可以補(bǔ)償三相電流中的諧波和無功分量,還可消除中性線電流,同時只要將裝置中的中性線支路關(guān)斷,即可實(shí)現(xiàn)對三相三線制系統(tǒng)的補(bǔ)償,因而該裝置功能更強(qiáng)大,應(yīng)用范圍更廣泛。因此,本文選擇三相四橋臂電壓源型并聯(lián)APF進(jìn)行研究[5]。

電壓源型并聯(lián)APF結(jié)構(gòu)如圖1所示。

基本的并聯(lián)型APF工作原理如圖2所示。其中,es為交流電源,is為電源電流,iL為負(fù)載電

圖1　電壓源型并聯(lián)APF結(jié)構(gòu)

圖2　基本的并聯(lián)型APF工作原理

在補(bǔ)償電流的指令信號中,增加與負(fù)載電流的基波無功分量反極性的電流,就可以在APF補(bǔ)償諧波的同時補(bǔ)償無功功率。因此,可以用補(bǔ)償電流來抵消負(fù)載電流中的諧波和無功電流[6],而負(fù)載電流基波有功分量等于電源電流。

2　APF測控單元設(shè)計

2.1總體設(shè)計

APF測控單元如圖3所示。

圖3　APF測控單元

APF測控單元需要測量的信號有兩類[7],一類為模擬量,包括系統(tǒng)側(cè)的電壓和電流、負(fù)載側(cè)的電流、有源濾波裝置輸出回路的電流和其直流側(cè)電壓;另一類為開關(guān)量,包括主電路中各個開關(guān)及接觸器的狀態(tài)信號及IGBT器件的故障信號[8]。測控單元在得到主電路中的電壓電流等模擬量后,經(jīng)過波形整理和A/D轉(zhuǎn)換,得到相應(yīng)的數(shù)字量,再送入高速數(shù)字信號處理器(DSP)對信號進(jìn)行處理,分離諧波和基波,并以PWM信號形式向補(bǔ)償電流發(fā)生電路發(fā)送驅(qū)動脈沖,使智能功率模塊產(chǎn)生與電網(wǎng)諧波電流大小相等、極性相反的補(bǔ)償電流,補(bǔ)償或抵消諧波電流。系統(tǒng)工作流程如圖4所示。

圖4　系統(tǒng)工作流程

2.2硬件電路設(shè)計

2.2.1DSP2812微處理器電路

測控裝置的微處理器系統(tǒng)采用DSP+FPGA的結(jié)構(gòu)[9]。DSP微處理系統(tǒng)框圖如圖5所示。

圖5　DSP微處理系統(tǒng)框圖

2.2.2FPGA電路

現(xiàn)場可編程門陣列(Field Programmable Gate Array,FPGA)在結(jié)構(gòu)上由邏輯功能單元(Logic Elements,LES)排列為陣列[10],并由可編程的內(nèi)部連線連接,易實(shí)現(xiàn)邏輯輸入和輸出,是控制單元多個控制信號的一個重要部分。FPGA的功能框圖如圖6所示。

從圖6可知,FPGA芯片在測控單元中起到非常重要的作用,很多的控制信號都是在FPGA

圖6　FPGA的功能框圖

芯片中產(chǎn)生的。假設(shè)本文所設(shè)計的APF采用基于電流滯環(huán)比較的優(yōu)化空間電壓矢量的控制方法,則測控單元對電流測量,并經(jīng)過計算和滯環(huán)比較后,按照電壓矢量選擇表得到相應(yīng)的IGBT開關(guān)信號。該開關(guān)信號通過DSP2812的I/O管腳輸入FPGA中,在FPGA中根據(jù)輸入的開關(guān)信號對其進(jìn)行死區(qū)時間處理,輸出相應(yīng)的IGBT控制信號[11-13]。保護(hù)邏輯能夠保護(hù)IGBT器件,通常在輸出IGBT控制信號時設(shè)置[14-15]。

2.3軟件設(shè)計

軟件總體設(shè)計要求:

(1) 編寫程序來初始化芯片,需要設(shè)置DSP控制寄存器、中斷向量和系統(tǒng)變量。

(2) 輸入需補(bǔ)償?shù)男盘?并進(jìn)行一系列的運(yùn)算以驅(qū)動后面的裝置,產(chǎn)生補(bǔ)償信號。

(3) 當(dāng)設(shè)備運(yùn)行中遇到運(yùn)行不正常和啟動不正常時,通過編寫程序來控制一些器件來進(jìn)行報警或停機(jī),以免發(fā)生危險。

(4) 檢測過流、過壓的開關(guān)量信號,對故障進(jìn)行判斷,提供過流過壓保護(hù)。

主程序流程如圖7所示。系統(tǒng)初始化[16]主要初始化DSP控制寄存器、中斷向量和系統(tǒng)變量。首先設(shè)置中斷標(biāo)志寄存器和中斷使能寄存器,再設(shè)置系統(tǒng)時鐘、看門狗、Flash寄存器,最后

圖7　主程序流程

對GPIO配置寄存器和事件管理器進(jìn)行設(shè)置。

3　試　驗(yàn)

搭建了一個并聯(lián)型APF試驗(yàn)系統(tǒng)[16]。試驗(yàn)系統(tǒng)框圖如圖8所示。

圖8　試驗(yàn)系統(tǒng)框圖

三相交流電源電壓為50 V,直流側(cè)電容為10 000 μF,采用三相不可控整流橋負(fù)載,變流器交流側(cè)出線電感為4 mH,電壓霍爾互感器型號為HNV025A,電流霍爾互感器型號為HNC-300μs。非線性負(fù)載采用三相不可控橋式整流電路作為整流電路,負(fù)載為電感(15 mH)和電阻(5 Ω),主電路為三相四橋臂變流器結(jié)構(gòu)。

采用四橋臂變流器使用的智能功率模塊PM75RSE120及電感和電容,設(shè)計了三相四線制APF的主電路。APF試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

圖9　APF試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明,在系統(tǒng)帶整流橋負(fù)載時系統(tǒng)電流約為20 A(1 V相當(dāng)于10 A),含有較嚴(yán)重的諧波成分(電流的畸變率為24%),此時APF測控單元通過DSP和A/D采樣電路對這些模擬信號進(jìn)行檢測。檢測后,DSP利用有效的諧波及無功電流檢測算法對負(fù)載電流中的諧波成分進(jìn)行計算,得到需要補(bǔ)償?shù)碾娏鲄⒖夹盘?在相應(yīng)控制策略的控制下DSP產(chǎn)生控制信號,使IGBT的輸出電流跟蹤電流參考信號,實(shí)現(xiàn)對諧波電流的補(bǔ)償。

從圖9(b)可以看出,APF工作后系統(tǒng)的電流為正弦波形,畸變率為4.5%,驗(yàn)證了APF裝置能夠檢測系統(tǒng)電流的諧波成分,并產(chǎn)生相對應(yīng)的補(bǔ)償電流。另外,經(jīng)過補(bǔ)償后系統(tǒng)側(cè)電流為三相對稱的工頻正弦電流,驗(yàn)證了APF參數(shù)的正確性,能保證APF裝置的正常運(yùn)行。

4　結(jié)　語

針對電網(wǎng)中非線性負(fù)載、沖擊性負(fù)載引起的諧波污染和功率因數(shù)降低等電能質(zhì)量問題,介紹了基于TMS320F2812控制系統(tǒng)的APF硬件單元設(shè)計以及軟件流程。試驗(yàn)結(jié)果表明,APF對諧波電流的補(bǔ)償作用特別明顯,同時對突變的負(fù)載電流有良好的動態(tài)補(bǔ)償作用,但也有一些不足需要改進(jìn),如DSP運(yùn)行時其計算量比較大,可考慮進(jìn)一步優(yōu)化算法結(jié)構(gòu)。目前試驗(yàn)還僅能在電壓、電流均不太大的情況下運(yùn)行穩(wěn)定,所以還要深入考慮在高壓、大電流下穩(wěn)定補(bǔ)償?shù)膯栴}。

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Design of Measurement and Control Unit of Active Power Filter

ZHU Jun,LIU Tianyu,HUANG Qiyuan,MENG Chang

(College of Electrical Engineering, Shanghai Dianji University, Shanghai 201306, China)

This paper introduced the working principle of active power filter(APF) and researched the measurement and control unit design of APF based on DSP2812 control system.The design of main circuit and control software were analyzed,and the experimental research was conducted.The experimental results show that APF compensation effect on harmonic current is particularly evident,and APF has a better dynamic compensation function for mutational load current.

active power filter(APF); digital signal processor; harmonic current; hardware circuit; software

朱俊(1991—),男,碩士研究生,研究方向?yàn)楣收显\斷與預(yù)測。

TU 852

B

1674-8417(2016)06-0019-05

10.16618/j.cnki.1674-8417.2016.06.005

2015-12-18

劉天羽(1978—),男,教授,研究方向?yàn)橹悄芸刂婆c故障診斷。

黃麒元(1989—),女,碩士研究生,研究方向?yàn)橹悄芪㈦娋W(wǎng)。