基于DSP并聯有源電力濾波器的研究

    隨著電力電子技術的迅猛發展，電力系統中非線性負荷大量增加，各種非線性和時變性電子裝置如逆變器、整流器及各種開關電源的應用越來越廣泛，由此帶來的諧波和無功問題日益嚴重。采用電力濾波裝置就近吸收非線性負載所產生的諧波和無功電流，是抑制諧波和無功污染的有效措施。目前大量采用并聰型無源電力濾波器(PPF)來抑制諧波，PPF具有投資少、效率高、結構簡單、運行可靠及維護方便等優點，但是其本身固有的缺陷限制了其發展。與PPF相比，有源電力濾波器(APF)具有高度的可控性和快速響應性，其特點是不僅能夠補償各次諧波，還可以抑制閃變、補償無功；不受系統阻抗特性的影響，可消除與系統阻抗發生并聯諧振的危險；具有自適應能力，可自動跟蹤補償變化著的諧波。本文主要研究并聯型APF。

1 工作原理

    有源電力濾波器系統構成原理如圖1所示。

    圖中Vs表示交流電源，負載為非線性的諧波源，它產生諧波并消耗無功功率。有源電力濾波器系統由兩大部分組成，即指令電流運算電路和補償電流發生電路。其中，指令電流運算電路(即諧波和無功電流檢測電路)的主要功能是從補償對象的電流中提取所需的諧波和無功等電流分量。補償電流發生電路由電流跟蹤控制電路、驅動電路和主電路三部分構成，它的作用是根據指令電流運算電路得出補償電流的指令信號，構造實際的補償電流。主電路目前均采用PWM變流器，在產生補償電流時，主要作為逆變器工作。

    圖1所示APF的基本工作原理：實時檢測補償對象的電壓和電流，經指令電流運算電路計算得出補償電流(諧波和無功電流)的指令信號，該信號經補償電流發生電路放大，得出補償電流，補償電流與負載電流中要補償的諧波及無功電流大小相等、相位相反、相互抵消，最終得到期望的電網電流，使電網電流成為與電壓同相位的正弦波，從而達到抑制諧波，補償無功的目的。上述原理可用一組公式來描述：

2 硬件電路設計

    指令電流運算電路的核心是DSP，運用擴展dq算法檢測負載電流中的諧波和無功分量，并根據無功補償和諧波抑制裝置的補償目的得出補償電流的指令信號。補償電流發生電路則產生跟蹤指令電流的補償電流以達到補償諧波和無功的目的。控制系統的硬件主要包括DSP控制芯片、D／A與A／D電路、采樣周期信號發生電路、非線性負載電流的檢測與調理電路、三角波比較電路、驅動電路和直流側電壓控制與均壓控制電路。如圖2所示，系統通過電流傳感器檢測非線性負載的電流iLa，iLb和iLc，經電流信號調理后送入DSPTMS320F2812的A／D端口。驅動電路接收來自DSP的PWM信號并經隔離和放大后驅動主電路的開關管，以控制主電路電流跟隨指令電流的變化。2個電壓傳感器分別檢測變流器直流側的總電壓和上部電容電壓，經電壓信號調理電路后送入DSP，通過合理的控制以調節直流側電壓的穩定以及上、下電容電壓的均衡。啟動、關斷和保護模塊按一定的時序控制裝置的啟動和關斷，并提供裝置的過流、過壓、過熱、缺相等故障保護功能。

3 軟件設計系統

    系統的全數字化控制對實時性要求很高，同時還必須考慮控制精度，這兩點關系著整個系統性能的好壞。因此，縮短程序運行時間并保證計算精度是系統軟件設計的出發點。

    系統以一個采樣周期為運行周期，在每個運行周期內需完成數據采樣，計算瞬時諧波及無功電流分量值，產生6路PWM信號，分別控制6只IGBT管的開關狀態，這幾步過程應在一個運行周期內完成，否則實時性很難得到保證。系統軟件主要包括主程序、A／D轉換子程序、諧波和無功電流計算子程序、PWM信號輸出子程序、串行通信子程序等幾部分。

    系統軟件組成框圖如圖3所示。

 
　
4 實驗結果與分析

    為了驗證上述諧波檢測和控制方案的有效性以及由此構成的基于DSP的并聯型有源電力濾波器是否能很好地補償諧波和無功電流，本文進行了實驗。采用阻性負載作為三相不控橋式整流器的負載，試驗中在負載側接了1個2 Ω的電阻。下面以A相為例給出實驗波形。圖4分別給出了補償前后的負載電流波形和補償前后負載電流的頻譜圖。

    從圖4中可以看出，在未加入APF時的A相電源電流波形發生了嚴重畸變，為尖頂波，在加入本實驗裝置之后電源電流的波形有了明顯的改善，十分接近于正弦波。同時，從頻譜圖中可以看出補償后電源電流畸變率很小，電源電流呈現出比較標準的正弦波，即電網電流中諧波和無功分量得到了較好的補償，有效地抑制了諧波并補償了無功分量。這說明APF試驗裝置是有效的，并驗證了本文提出的算法和主電路設計的正確性。

    負載電流中含有高次諧波及無功電流時，負載電流總諧波畸變率THD=63.86％，負載電流中各次諧波電流含量見表1；補償后電源電流總諧波畸變率THD=5.35％，電源電流各次諧波電流含量見表2。 
 
5 結 語

    本文以并聯有源電力濾波器為研究對象，對其拓撲結構、補償分量的檢測算法、控制策略等問題作了較系統的研究。在該基礎上，介紹一種基于DSP的并聯型電力有源濾波器的設計。仿真實驗表明所設計的有源濾波器具有良好的諧波補償特性、自適應補償能力。■