有源电力滤波器测控单元的设计

2016-08-24刘天羽黄麒元

现代建筑电气 2016年6期

关键词：测控三相并联

朱　俊,　刘天羽,　黄麒元,　孟　畅

(上海电机学院电气学院, 上海　201306)

有源电力滤波器测控单元的设计

朱俊,刘天羽,黄麒元,孟畅

(上海电机学院电气学院, 上海201306)

介绍了电压源型并联有源电力滤波器(APF)的工作原理,研究了基于DSP2812控制系统的APF测控单元设计,分析了其主要硬件电路及测控软件设计,并进行了试验。试验结果表明,APF对谐波电流的补偿作用特别明显,同时对突变的负载电流具有良好的动态补偿作用。

有源电力滤波器; 数字信号处理器; 谐波电流; 硬件电路; 软件

0　引　言

目前,随着电力电子设备在电网中的广泛应用,谐波污染引起了人们越来越多的关注[1]。有源电力滤波器(Active Power Filter,APF)作为抑制谐波污染的一种新型装置,可以对谐波进行实时的检测和抑制,克服了无源滤波装置的固有缺点,正逐渐成为新的研究热点[2-4]。

1　电压源型并联APF工作原理

三相四线制并联APF不仅可以补偿三相电流中的谐波和无功分量,还可消除中性线电流,同时只要将装置中的中性线支路关断,即可实现对三相三线制系统的补偿,因而该装置功能更强大,应用范围更广泛。因此,本文选择三相四桥臂电压源型并联APF进行研究[5]。

电压源型并联APF结构如图1所示。

基本的并联型APF工作原理如图2所示。其中,es为交流电源,is为电源电流,iL为负载电

图1　电压源型并联APF结构

图2　基本的并联型APF工作原理

在补偿电流的指令信号中,增加与负载电流的基波无功分量反极性的电流,就可以在APF补偿谐波的同时补偿无功功率。因此,可以用补偿电流来抵消负载电流中的谐波和无功电流[6],而负载电流基波有功分量等于电源电流。

2　APF测控单元设计

2.1总体设计

APF测控单元如图3所示。

图3　APF测控单元

APF测控单元需要测量的信号有两类[7],一类为模拟量,包括系统侧的电压和电流、负载侧的电流、有源滤波装置输出回路的电流和其直流侧电压;另一类为开关量,包括主电路中各个开关及接触器的状态信号及IGBT器件的故障信号[8]。测控单元在得到主电路中的电压电流等模拟量后,经过波形整理和A/D转换,得到相应的数字量,再送入高速数字信号处理器(DSP)对信号进行处理,分离谐波和基波,并以PWM信号形式向补偿电流发生电路发送驱动脉冲,使智能功率模块产生与电网谐波电流大小相等、极性相反的补偿电流,补偿或抵消谐波电流。系统工作流程如图4所示。

图4　系统工作流程

2.2硬件电路设计

2.2.1DSP2812微处理器电路

测控装置的微处理器系统采用DSP+FPGA的结构[9]。DSP微处理系统框图如图5所示。

图5　DSP微处理系统框图

2.2.2FPGA电路

现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)在结构上由逻辑功能单元(Logic Elements,LES)排列为阵列[10],并由可编程的内部连线连接,易实现逻辑输入和输出,是控制单元多个控制信号的一个重要部分。FPGA的功能框图如图6所示。

从图6可知,FPGA芯片在测控单元中起到非常重要的作用,很多的控制信号都是在FPGA

图6　FPGA的功能框图

芯片中产生的。假设本文所设计的APF采用基于电流滞环比较的优化空间电压矢量的控制方法,则测控单元对电流测量,并经过计算和滞环比较后,按照电压矢量选择表得到相应的IGBT开关信号。该开关信号通过DSP2812的I/O管脚输入FPGA中,在FPGA中根据输入的开关信号对其进行死区时间处理,输出相应的IGBT控制信号[11-13]。保护逻辑能够保护IGBT器件,通常在输出IGBT控制信号时设置[14-15]。

2.3软件设计

软件总体设计要求:

(1) 编写程序来初始化芯片,需要设置DSP控制寄存器、中断向量和系统变量。

(2) 输入需补偿的信号,并进行一系列的运算以驱动后面的装置,产生补偿信号。

(3) 当设备运行中遇到运行不正常和启动不正常时,通过编写程序来控制一些器件来进行报警或停机,以免发生危险。

(4) 检测过流、过压的开关量信号,对故障进行判断,提供过流过压保护。

主程序流程如图7所示。系统初始化[16]主要初始化DSP控制寄存器、中断向量和系统变量。首先设置中断标志寄存器和中断使能寄存器,再设置系统时钟、看门狗、Flash寄存器,最后

图7　主程序流程

对GPIO配置寄存器和事件管理器进行设置。

3　试　验

搭建了一个并联型APF试验系统[16]。试验系统框图如图8所示。

图8　试验系统框图

三相交流电源电压为50 V,直流侧电容为10 000 μF,采用三相不可控整流桥负载,变流器交流侧出线电感为4 mH,电压霍尔互感器型号为HNV025A,电流霍尔互感器型号为HNC-300μs。非线性负载采用三相不可控桥式整流电路作为整流电路,负载为电感(15 mH)和电阻(5 Ω),主电路为三相四桥臂变流器结构。

采用四桥臂变流器使用的智能功率模块PM75RSE120及电感和电容,设计了三相四线制APF的主电路。APF试验结果如图9所示。

图9　APF试验结果

试验结果表明,在系统带整流桥负载时系统电流约为20 A(1 V相当于10 A),含有较严重的谐波成分(电流的畸变率为24%),此时APF测控单元通过DSP和A/D采样电路对这些模拟信号进行检测。检测后,DSP利用有效的谐波及无功电流检测算法对负载电流中的谐波成分进行计算,得到需要补偿的电流参考信号,在相应控制策略的控制下DSP产生控制信号,使IGBT的输出电流跟踪电流参考信号,实现对谐波电流的补偿。

从图9(b)可以看出,APF工作后系统的电流为正弦波形,畸变率为4.5%,验证了APF装置能够检测系统电流的谐波成分,并产生相对应的补偿电流。另外,经过补偿后系统侧电流为三相对称的工频正弦电流,验证了APF参数的正确性,能保证APF装置的正常运行。

4　结　语

针对电网中非线性负载、冲击性负载引起的谐波污染和功率因数降低等电能质量问题,介绍了基于TMS320F2812控制系统的APF硬件单元设计以及软件流程。试验结果表明,APF对谐波电流的补偿作用特别明显,同时对突变的负载电流有良好的动态补偿作用,但也有一些不足需要改进,如DSP运行时其计算量比较大,可考虑进一步优化算法结构。目前试验还仅能在电压、电流均不太大的情况下运行稳定,所以还要深入考虑在高压、大电流下稳定补偿的问题。

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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