基于DSP的并聯(lián)有源電力濾波器的硬件電路設(shè)計方案

隨著電力電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，電力系統(tǒng)中非線性負(fù)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(guān)電源的應(yīng)用越來越廣泛，由此帶來的諧波和無功問題日益嚴(yán)重。采用電力濾波裝置就近吸收非線性負(fù)載所產(chǎn)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(jié)構(gòu)簡單、運行可靠及維護方便等優(yōu)點，但是其本身固有的缺陷限制了其發(fā)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(yīng)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(tǒng)阻抗特性的影響，可消除與系統(tǒng)阻抗發(fā)生并聯(lián)諧振的危險；具有自適應(yīng)能力，可自動跟蹤補償變化著的諧波。本文主要研究并聯(lián)型APF。
　　1工作原理
　　有源電力濾波器系統(tǒng)構(gòu)成原理如圖1所示。
　　
　　圖中Vs表示交流電源，負(fù)載為非線性的諧波源，它產(chǎn)生諧波并消耗無功功率。有源電力濾波器系統(tǒng)由兩大部分組成，即指令電流運算電路和補償電流發(fā)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(fā)生電路由電流跟蹤控制電路、驅(qū)動電路和主電路三部分構(gòu)成，它的作用是根據(jù)指令電流運算電路得出補償電流的指令信號，構(gòu)造實際的補償電流。主電路目前均采用PWM變流器，在產(chǎn)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(jīng)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(jīng)補償電流發(fā)生電路放大，得出補償電流，補償電流與負(fù)載電流中要補償?shù)闹C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(wǎng)電流，使電網(wǎng)電流成為與電壓同相位的正弦波，從而達(dá)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(shè)計
　　指令電流運算電路的核心是DSP，運用擴展dq算法檢測負(fù)載電流中的諧波和無功分量，并根據(jù)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(fā)生電路則產(chǎn)生跟蹤指令電流的補償電流以達(dá)到補償諧波和無功的目的。控制系統(tǒng)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(fā)生電路、非線性負(fù)載電流的檢測與調(diào)理電路、三角波比較電路、驅(qū)動電路和直流側(cè)電壓控制與均壓控制電路。如圖2所示，系統(tǒng)通過電流傳感器檢測非線性負(fù)載的電流iLa，iLb和iLc，經(jīng)電流信號調(diào)理后送入DSPTMS320F2812的A／D端口。驅(qū)動電路接收來自DSP的PWM信號并經(jīng)隔離和放大后驅(qū)動主電路的開關(guān)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(cè)的總電壓和上部電容電壓，經(jīng)電壓信號調(diào)理電路后送入DSP，通過合理的控制以調(diào)節(jié)直流側(cè)電壓的穩(wěn)定以及上、下電容電壓的均衡。啟動、關(guān)斷和保護模塊按一定的時序控制裝置的啟動和關(guān)斷，并提供裝置的過流、過壓、過熱、缺相等故障保護功能。