基于相位补偿和闭环控制的快速响应型APF

2015-03-16肖振锋徐志强陈仲伟易伯瑜陈剑李启旺

湖南电力 2015年4期

关键词：有源谐波滤波器

肖振锋，徐志强，陈仲伟，易伯瑜，陈剑，李启旺

(1.国网湖南省电力公司经济技术研究院，湖南长沙 410004)

(2.国网湖南省电力公司，湖南长沙 410007)

基于相位补偿和闭环控制的快速响应型APF

Quick response APF based on phase compensation and closed-loop control

肖振锋1，徐志强1，陈仲伟1，易伯瑜1，陈剑1，李启旺2

(1.国网湖南省电力公司经济技术研究院，湖南长沙 410004)

(2.国网湖南省电力公司，湖南长沙 410007)

本文从瞬时功率的基础理论出发，提出一种基于双DSP芯片控制的新型APF设计方案，对三相三线系统进行谐波补偿。采用改进型的电流检测算法和基于预测补偿角的闭环电压和闭环电流的整体控制方法，补偿数字控制器和逆变器带来的延时，并通过对具体代码的优化和硬软件系统的合理配置，实现补偿电流实时控制和直流电压的稳定。本文提出的设计方案已成功应用于1台设计容量为100 kVA的工业样机，经试验测试可知，该样机能将系统侧电流THD值在10 ms内从25%降低到5%以下，具有较快的动态响应速度和很好的补偿效果。

有源电力滤波器；TMS28335；快速响应；瞬时功率理论；相位补偿

电力有源滤波器 (Active Power Filter，APF)是应用在电力系统中一种有效抑制谐波和进行无功补偿的电力电子装置。当前APF中的谐波电流检测算法大部分是基于瞬时功率理论进行设计的，应用传统的瞬时功率理论的算法来进行APF控制，在补偿效果和系统响应速度方面都不甚理想，在处理系统固有延迟和提升系统动态响应速度方面也有很大提升的空间。文献〔3〕提出了补偿相位的电流检测方法，但是在PI控制方面未进行很好地控制与处理，缺乏精确控制性。文献〔4〕提出了将APF与PPF(无源滤波器)结合的方式，能很好地对低次谐波进行补偿，但是在系统响应速度以及经济效益上仍值得改进。

文中基于实际工况对谐波补偿的有效性、控制算法的复杂性、运行实时性、设备经济性的要求，运用2片高运算速度和带浮点运算能力的DSP芯片TMS28335来满足APF装置的谐波检测算法和控制算法的运算能力，运用改进型的电流检测算法和基于预测补偿角的闭环电压和闭环电流的整体控制方法，增加了PID算法的闭环电流控制方法和PI调节型直流电压控制等算法来对系统进行更好的运算控制，最后通过优化硬件设计和软件设计流程来实现APF装置的正常运行。文中提出的设计方案已成功应用于工业设计的100 kVA有源电力滤波器，将各相系统电流THD补偿到5%以下，全响应时间控制在10 ms内，具有较快的动态响应速度和很好的补偿率。

1 系统工作原理

图1所示为APF的总体结构图，us为交流电源，负载为非线性负载同时也是谐波源。APF主要由检测控制回路以及补偿电流产生电路两大部分组成。其中，检测控制回路的作用是检测并控制得到的谐波分量和无功分量。补偿电流产生电路目的是根据指令电流信号得到所需要的补偿电流。具体的工作原理为，当需要补偿负载所产生的谐波时，有源电力滤波器在负载电流中检测出相应的谐波成分，将其反极性后作为补偿电流的指令信号。由补偿电流产生电路得到的补偿电流与负载电流中的谐波成分大小相等，方向相反，所以两者相互消除，使得电网电流中只有基波，不含谐波成分。从而完成了抑制谐波的目的。

图1 有源电力滤波器系统构成

2 系统控制方法

2.1 基于瞬时功率理论的改进型ip－iq电流检测方法

1984年，日本研究人员H.Akagi等研究并提出了瞬时无功功率理论，主要是为解决其研制的并联型有源电力滤波器的谐波电流检测与控制能力。文中采用了该种瞬时功率理论，并对此方法进行了改进，如图2所示，在算法中并入了预测补偿控制方法，具有解决检测环节中的计算延时的能力和解决电压型逆变器的延时滞后的能力。

图2 预测补偿ip－iq电流检测结构图

带预测控制的检测方法与瞬时功率理论基于同种检测原理，文中为消除电源电压波形畸变对检测结果的影响，采用了锁相环 (Phase Lock Loop，PLL)电路和函数发生器来得到与电源电压同相位的正余弦信号，也就是将某一相电压经倍频后通过锁相环和正、余弦发生电路得到与该相同相位的正弦信号和对应的余弦信号，得到变换矩阵:

三相电流经 (2)式，变换到两相电流分量和，将和经 (1)式，变换矩阵得出在旋转坐标系下的n次有功分量和无功分量。再将得到的电流分量经低通滤波器得到直流分量和。常规算法中，通常不考虑系统延迟和总体滞后时间，但是由以下推导可以发现，设总延迟时间为ΔT，基波角频率为ω，由此得到系统内已经转过的角度为:

即时刻补偿的是错误的谐波电流成分。

为解决系统延迟和滞后产生的错误补偿，在反变换矩阵中通过在原有电角度上加上预先的补偿角度来补偿系统延时。这样直流分量通过 (4)式，反变换矩阵和 C32得到 n次谐波电流 iah∗，ibh∗，ich∗，其中 C32＝CTC23，

当前方法主要是为了补偿预先设定的某次谐波，在实际应用中，可以通过该方法进行全谐波的补偿。

2.2 电流闭环控制

APF检测出谐波电流信号，通过电流闭环控制，通过PWM信号来驱动逆变器，最后通过电压型逆变器得到补偿电流。为克服数字控制器和逆变器的延迟滞后对系统造成的影响，采用三角波与正弦波调制的闭环电流控制方法，图 3为利用matlab/simulink进行闭环电流控制仿真原理图，其中iah∗，ibh∗，ich∗为补偿电流信号，由电流检测部分得到。补偿电流信号经过闭环电流控制得到PWM脉冲信号，进而控制逆变器组输出并得到补偿电流 iah，ibh，ich，就得到了闭环的电流跟踪控制。

将补偿电流信号与实际补偿电流进行采样保持后相互比较，将偏差信号通过PID控制器进行调节后，再经过三角波比较器进行比较，从而得到脉冲宽带调制信号，此脉冲宽带调制信号通过驱动电路来控制开关的通断，进而控制补偿电流的变化。通过对比较器的阈值进行限制。这种电流控制方法具有实时控制、动态性能好、控制精度好的特点。

图3 电流控制仿真原理图

2.3 电压闭环控制

直流侧稳压控制是APF控制方法中的一个关键点，要保证APF具有良好的谐波补偿性能，需要将直流侧电容电压值稳定控制在一定范围内，而在实际应用中，APF本身以及相应元件都会有损耗，因此直流侧电容上的电压将会发生变化，为完成直流侧电压的稳定控制，在电流检测模块中增加直流电压控制部分。

图4 包含电压闭环控制的谐波补偿框图

电压稳态控制是结合ip－iq谐波检测算法来共同完成的。因为瞬时无功功率不能使交流测与直流侧产生能量交换，所以能量交换就由瞬时有功功率p所决定。如图4所示，Udcr为直流侧的电容电压值，Udcf为电流和电压的反馈值，两者之间进行比较后通过PI调节器得到调节信号。Δid为一个基波的直流有功分量，直流无功分量 Δiq为0。因此，直流侧电压控制信号通过旋转反变换后跟检测得到的各次谐波电流值相减，得到最终 ian∗， ibn∗，icn∗，包括一些基波有功电流成分，因此使直流侧和交流侧能进行能量交换，将直流侧电压稳定在给定范围内。文中的闭环电压控制方法采用了基于预测补偿的谐波电流检测算法，克服了系统数字控制器造成的延迟，还完成了传统方法中对直流侧电压进行控制的功能。

3 系统硬件设计

为了达到系统交换数据量大和实时性好的功能要求，文章采用了基于数据交换方式的双DSP并行处理系统。APF硬件系统设计由主处理单位(CPU)设计、供电模块设计、系统通信设计、采样模块设计、驱动模块设计、IGBT模块等构成。APF主电路部分采用三桥臂逆变器，设计中采用分立元件，降低成本。IGBT采用英飞凌公司的FF300R12KT4，驱动模块选用了2QD15A17K－C。串行通信采用 RS－485，双口 RAM 采用了IDT70V24，具备2个仲裁信号输出引脚。锁相环控制采用了三相软件锁相环的方式来实现。考虑到对数据采样精度及数据间相位的要求，采用外部AD(MAX1308)进行主要数据的采样。其中采样模块主要完成开关量和数字量信号的采集，触发板完成电平转换、触发控制、死区保护、硬保护，预充电电路是为防止过大充电电流破坏储能电容，并达成设备退出运行后放电的任务。

3.1 主控器模块设计

主控器处理器芯片为 TI公司生产的TMS320F28335，该芯片主要特点为:32位中央逻辑运算单元；32位累加器；16×16并行乘法器；支持浮点运算；具有1.67ns指令周期；6通道DMA控制器；带有256 K字节Flash EEPROM；12位AD采样通道；有丰富外设接口SPI，SCI，I2C；带有支持中断的看门狗电路；支持硬件JTAG仿真。

主控器功能分配设计如图5所示，应充分考虑2片TMS320F28335芯片的功能分配和数据交换方式，文章在此将 2个芯片分为 F28335A 和F28335B。其中功能分配上应充分利用2个芯片的运算与数据处理的功能，尽可能的实现平行处理，并在此基础上优化配置外设资源。数据交换需要根据实际需要的数据进行时序的合理安排，并保证硬件设计与软件设计的协同一致。

图5 主控器模块功能分配

3.2 主电路参数设计

APF主电路拓扑结构包括逆变器、直流侧电容和输出滤波电感。

3.2.1 输出电抗器设计

APF所涉及的电抗器参数类型比较多样化，主要为电感值、频率、电压、电流等。其中的电感值为主要考虑的参数。电感值越小，电流变化率越大，跟踪电流的能力也越强，补偿效果也相对较好，但是，一旦电感值太小，会生成较大的电流波纹，进而造成补偿效果的降低，严重的还能造成瞬态过流烧坏元器件。因此，合理正确的设计电感参数既是对电流跟踪能力的加强，也是对电路元器件的保护。

假设L为APF到电网的输出电抗，R表示电网和传输线路的等效电阻，us表示电网电压，UDC为APF直流侧电压，if为输出的补偿电流，A相桥臂的补偿率为D，由基尔霍夫定律可得到电压方程为:

分析可知R很小，所以Rif可以忽略不计。当直流侧电压和电网电压确定后，电压差的范围也就确定了，再假定被补偿谐波次数为 n，最终可得到:

3.2.2 直流侧稳压设计

直流侧电容的作用是给并联型APF进行电压稳定，稳压值越高代表越强的电流跟踪能力和更好的补偿效果，但是过高的稳压值会产生更多的成本。由此，为了满足抵消电网电压的基本条件，系统需要相电压幅值为:

在实际应用中，常用电感的范围值通常为0.6～1.2 mH。文中设计的 APF容量范围在30～50 kVA之间，其直流侧电压值相应提高10%～30%，为650～790 V。

直流侧电压与直流侧电容容量是紧密相连的，电容器的容量大小可以根据APF系统容量和电压波动范围进行计算，公式如下:

式中 P为APF的功率容量；f为电网基波频率；Udcmax，Udcmin为电容电压的最大值和最小值。

4 系统软件设计

双DSP控制系统分为DSP主控器软件设计和触摸屏设计2个部分，总体设计遵循模块化、分层化的原则，其中DSP主控器软件设计可分为主控层、算法层、驱动层，主控层主要负责控制算法选择、控制参数选定、通信方式选定，算法层主要负责控制算法设定、参数设计、通信程序设计，其中算法层的功能为谐波电流检测算法与控制算法的设定与应用。

4.1 主控器DSP软件设计

4.1.1 F28335A软件设计

F28335A软件设计从功能时序上可以分为3类:初始设置模块、循环调用类单元、定时中断/外部中断调用类模块。初始设置模块包括初始化DSP专用寄存器、中断向量、控制信号以及各类变量。循环调用单位主要负责与外部通信。定时中断/外部中断调用类模块实现谐波检测算法、控制算法、过压保护、过流保护等装置保护。

F28335A芯片的主程序流程图如图 6所示，F28335A软件设计先初始化中断向量表、系统时钟、GPIO口、串口SCI，I2C，AD等，然后程序进入通信主循环。F28335A的通信主循环主要完成和触摸屏的通信，通过触摸屏自带通信协议和Modbus通信协议来进行数据显示。F28335A还完成核心的算法处理:电流和电压信号采样处理、直流侧电压PI控制、PWM输出等，算法实现是采用定时器或PWM定时器产生的定时中断来实现的，实际中采用100 μs或80 μs的定时中断。

图6 F28335A程序流程图

4.1.2 F28335B软件设计

F28335B芯片从功能时序上也能分为3类:初始化设置单元、循环调用类单元、外部中断调用单元。初始化功能与F28335A差别不大，而在循环调用功能方面，F28335B主要完成总谐波畸变率THD的计算，外部中断调用完成与F28335A片通信以及计算部分保护信号。相应的流程图如图7所示。

图7 F28335B程序流程图

5 试验方案和结果

5.1 试验方案

试验目的是验证三相三线制系统谐波检测和补偿的有效性和补偿响应时间，如图8所示，实验概况及实验设备参数如下:电网电压380 V；APF容量100 kVA，直流母线工作电压680 V；直流侧电容容量9 600 μF；负载连接方式为三相不可控整流器与每相48 Ω大功率电阻连接；采用的测试设备为日置HIOKI电能质量分析仪3198、安捷伦示波器。

图8 实验设计框图

5.2 试验结果

图10为系统未补偿时的波形图，从上到下，波形分别表示APF发出的补偿电流波形，电网侧电流波形，负载测电流波形，图10中显示设备未开始补偿时，电网侧电流波形不规则，可知有谐波存在。

图10 未补偿前系统电流波形图

图11 为APF开始对系统进行补偿后的波形，由图中看出，电网侧波形发生了明显的改善，由不规则波形变为圆滑正弦波形，显示出APF设备对系统进行了良好的补偿。

图11 补偿时系统电流波形图

系统未进行补偿时，三相电流的THD值分别为26%，25.94%，26.27%，但经 APF进行补偿后，效果能达到4.59%，5.17%，4.35%，对电力系统谐波进行了补偿。达到了国家标准《电能质量监测设备通用要求》对谐波治理的要求。

用示波器对APF设备进行了响应时间的测量。响应时间一般指谐波负载投入后，经过多长时间电网的谐波电流被滤除，不同于瞬时响应时间。响应时间越小，跟踪速度越快，APF设计难度越大。测量结果显示，APF系统投入时所经历的时间为7.83 ms，切除所经历的时间为6.63 ms，总体均小于10 ms，具有很好的跟踪速度，能满足负载快速波动的特殊场合。

6 结论

文中提出的基于双DSP控制的APF相比于传统型APF，在算法上可以对补偿电流进行闭环控制，从而达到更精确补偿，改进了预测补偿的电流检测算法，使系统避免了由随机延迟和固有滞后带来的错误，硬件上采用的高速带浮点运算的双DSP同时能完全满足APF的所有检测和控制算法，具备很好的灵活性，兼容性，扩展性和快速数据处理的能力。经现场实验后表明，基于控制策略的APF装置将三相系统电流由26%，25.94%，26.27%补偿到4.59%，5.17%，4.35%，系统投入的全响应时间为7.83 ms，切除的全响应时间为6.63 ms。

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