時 偉，黃傳金，曹文思，劉宏超

SHI Wei1, HUANG Chuan-jin1, CAO Wen-si2, LIU Hong-chao3

（1. 中州大學 工程技術(shù)學院，鄭州 450044；2. 華北水利水電學院，鄭州 450011；3. 湖南省電力勘測設(shè)計院，長沙 410007）

0 引言

有源電力濾波器(Active Power Filter, APF)是一種用于動態(tài)抑制諧波補償無功的新型電力電子裝置，針對APF的研究主要以三相六開關(guān)拓撲結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)進行[1～3]。經(jīng)過對低壓電力系統(tǒng)中的中小容量諧波治理與無功補償?shù)募毞质袌鲂枨蠓治觯捎贸杀靖偷娜嗨拈_關(guān)APF相對于三相六開關(guān)系統(tǒng)則更加具有針對性與適應性。本文介紹了基于TMS320F28335的有源電力濾波器的硬件設(shè)計和實現(xiàn)方法。

1 三相四開關(guān)APF的拓撲結(jié)構(gòu)

三相四開關(guān)APF系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

由圖1可知，三相四開關(guān)APF有兩相橋臂需要開關(guān)器件和續(xù)流二極管，第三相橋臂由直流側(cè)電容組成。由于所需要的開關(guān)器件和續(xù)流二極管數(shù)目可以減少，同時功率模塊散熱單元的設(shè)計也針對四開關(guān)電路有了相應簡化，整機功耗相對于六開關(guān)系統(tǒng)有了明顯下降。三相四開關(guān)APF的整體制造成本與運行成本相對于傳統(tǒng)的三相六開關(guān)并聯(lián)型APF有了顯著地降低，具有較好的經(jīng)濟性，因此較適合在低壓系統(tǒng)中應用。其基本工作原理是通過指令電流運算電路計算出負載電流iL中的諧波分量ih，得到有源電力濾波器應輸出的指令電流ic*；然后電流跟蹤控制電路則通過控制逆變器的開關(guān)動作使有源濾波器的輸出電流ic基本與ic*相同，于是電源電流is即等于負載電流iL的基波分量，形成正弦波。

圖1 三相四開關(guān)并聯(lián)型APF的拓撲結(jié)構(gòu)

2 DSP控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)及電路設(shè)計

控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，由TI公司的高速浮點DSP芯片TMS320F28335和XILINX公司的CPLD芯片C9572XL64以及相關(guān)的外圍電路芯片組成。整個DSP控制系統(tǒng)包括：模擬信號調(diào)理單元、A/D采樣單元、輸入輸出控制單元、DSP中央處理器單元、PWM信號驅(qū)動單元、液晶顯示單元和通訊單元等。

其基本控制原理為：電流互感器采樣得到負載電壓和電流信息，經(jīng)過信號調(diào)理電路后進入A/D采樣環(huán)節(jié)，A/D采樣結(jié)果輸出給DSP主控芯片，在DSP內(nèi)部采用文獻[4]提出的指令電流分析檢測和文獻[5]提出的控制信號輸出算法，得到PWM控制開關(guān)信號，該PWM控制信號經(jīng)過光纖通道進入IGBT驅(qū)動單元，變換為可以驅(qū)動大功率IGBT的開關(guān)信號，最終控制逆變器的運行方式，實現(xiàn)指令電流的輸出。以上環(huán)節(jié)按照系統(tǒng)的采樣頻率循環(huán)進行，最終達到對負載諧波、無功和負序等電流的動態(tài)連續(xù)跟蹤控制。

圖2 DSP控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

2.1 采樣電路設(shè)計

采樣電路的設(shè)計包括信號轉(zhuǎn)換、信號放大、信號濾波、信號偏置和A/D采樣環(huán)節(jié)，具體電路如圖3所示。

圖3(a)中以A相負載電流采樣為例，一級CT（電流互感器）的輸入電流信號經(jīng)過圖3(a)中的二級CT的采樣電阻后，將信號轉(zhuǎn)換為交流電壓信號，其中穩(wěn)壓管對信號進行了最大輸入限制，以免損毀后級電路及A/D芯片，電壓信號繼續(xù)經(jīng)過二階低通濾波電路以濾除高頻信號。由于本文采用的A/D芯片輸入信號要求為0～5V限制，故采用圖3(b)所示的+2.5V電壓偏置電路，對前級信號進行偏置處理，保證A/D輸入通道的信號在0～5V的范圍內(nèi)。

A/D采樣電路采用AD轉(zhuǎn)換芯片AD7938-6對輸入模擬量進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，該芯片為8通道12位高速AD采樣芯片，具有最大625kSPS的轉(zhuǎn)化率，輸入電壓在2.7V至5.25V之間均能正常工作，實際最大功耗小于10mW，能采8路模擬參量，12位并行輸出接口可以保證采樣數(shù)據(jù)的高速傳遞，完全滿足系統(tǒng)精度要求。

圖3 負載電流信號輸入采樣電路

2.2 驅(qū)動電路設(shè)計

驅(qū)動電路設(shè)計如圖4所示，采用CONCEPT公司的SCALE智能集成驅(qū)動模塊，模塊型號為2SD315A。SCALE器件提供的驅(qū)動電流可達15A；輸出驅(qū)動信號的導通電平為+15V，電平為-15V；開關(guān)頻率從0-100kHz；提供電氣隔離500V-10kV；占空比：0～100%；內(nèi)部帶短路和過流保護電路、隔離的狀態(tài)識別電路、電源檢測電路和DC/DC開關(guān)電源。

圖4 驅(qū)動電路

從CPLD 控制器輸出的 SPWM 波通過光纖驅(qū)動單元，經(jīng)光纖傳送到 2SD315A 驅(qū)動模塊作為驅(qū)動器的輸入，SPWM 波經(jīng)驅(qū)動電路后直接驅(qū)動APF 主電路功率開關(guān)器件 IGBT 的上下橋臂，實現(xiàn)對 IGBT 的控制。

為了保證不會出現(xiàn)上下橋臂直通的情況，在信號進入 2SD315A 模塊前，還要設(shè)計邏輯互鎖電路，保證當指令信號的上下橋臂均為高電平時，輸入 2SD315A 模塊的控制信號自動互鎖為低電平，避免 IGBT 直通現(xiàn)象的發(fā)生。

2.3 故障鎖存電路

設(shè)計中要對各種故障信號進行及時準確的判斷、可靠的鎖存和正確的處理。下面以IGBT 驅(qū)動模塊單元中 IGBT 短路過流故障的鎖存為例進行電路設(shè)計，過流故障鎖存電路如圖5所示。

圖5 故障鎖存電路

采用基于2SD315A模塊的驅(qū)動電路對IGBT進行驅(qū)動并進行過流保護。當短路過流故障發(fā)生時，2SD315A模塊會關(guān)閉上下橋臂的IGBT以實現(xiàn)過流保護，同時產(chǎn)生過流故障信號，故障經(jīng)CD4044B鎖存后點亮發(fā)光二極管，指示故障信號，同時產(chǎn)生三極管基極驅(qū)動電流，從而驅(qū)動光纖接口單元，使故障信號通過光纖傳送至DSP主控板，以便對故障進行分析處理。

2.4 同步電路

同步電路的主要功能是產(chǎn)生與電網(wǎng)電壓頻率、相位相同的同步脈沖信號。調(diào)理電路輸出的電網(wǎng)信號經(jīng)過零相移帶通濾波器濾除諧波信號后，通過過零比較器得到與電網(wǎng)電壓頻率、相位相同的+5V方波信號，即為同步脈沖信號，該信號經(jīng)電平轉(zhuǎn)換后輸入至處理器模塊，處理器根據(jù)同步信號計算電網(wǎng)瞬時頻率，并通知內(nèi)部事件管理器和外圍電路進行同步操作調(diào)整。

2.5 通信模塊

通信模塊包括64K位非易失性存儲芯片F(xiàn)M25CL64和RS232通信接口，通信接口電路由

MAX3232實現(xiàn)。通信模塊主要將系統(tǒng)記錄的故障信息、控制參數(shù)、負載和APF運行狀態(tài)信息進行存儲，并與PC機進行通信，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳和參數(shù)設(shè)置。

圖6 同步電路

圖7 APF補償后的試驗結(jié)果

3 工程應用案例分析

據(jù)某礦業(yè)公司戶反映，10kV側(cè)的無功電容投切開關(guān)周期性燒毀，繼電保護設(shè)備誤動作。該礦業(yè)公司對應整流變?nèi)萘繛?00kVA，為六脈波整流器，主要諧波成分為5、7、11、13，已有無功補償措施，因此不考慮無功的補償，總諧波電流含有率20～35%，諧波電流最大可達100A。

采用容量120A的并聯(lián)型有源電力濾波器并入整流變低壓側(cè)，對該工業(yè)現(xiàn)場進行諧波治理，補償后的電網(wǎng)電壓電流波形與諧波如圖7所示。

對三相四開關(guān)并聯(lián)型APF實驗產(chǎn)品投運后現(xiàn)場電壓電流數(shù)據(jù)的分析可以發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場電壓畸變率降低到5.0%，電流畸變率降低到6.0%，結(jié)果證明本三相四開關(guān)并聯(lián)型APF產(chǎn)品進行諧波抑制的效果良好，性能可靠，達到了預期的設(shè)計目標。

4 結(jié)論

給出了經(jīng)濟性三相四開關(guān)并聯(lián)型有源電力濾波器的主電路拓撲結(jié)構(gòu)，提出了以DSP和CPLD為核心的數(shù)字化控制系統(tǒng)方案，并對控制系統(tǒng)工作原理和硬件電路設(shè)計進行了介紹。實際工程運行結(jié)果表明投入APF后，諧波抑制和無功補償效果明顯，且系統(tǒng)成本較低，具有良好的工程推廣應用前景。

[1] 陳東華, 謝少軍, 周波. 用于有源電力濾波器諧波和無功電流檢測的一種改進同步參考坐標法[J]. 中國電機工程學報, 2005, 25(20): 62-67.

[2] 王兆安, 楊君, 劉進軍. 諧波抑制與無功功率補償[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 1998.

[3] 周衛(wèi)平, 吳正國, 夏立, 等. 三相三線有源電力濾波器電流跟蹤性能最優(yōu)化控制[J]. 中國電機工程學報, 2008,24(11): 85-90.

[4] 劉宏超, 彭建香. 三相四開關(guān)并聯(lián)型有源電力濾波器的指令電流確定方法[J].中國電機工程學報, 2009, 29(16):108-113.

[5] 劉宏超, 呂勝民, 張春暉. 三相四開關(guān)并聯(lián)型有源電力濾波器的SVPWM調(diào)制算法[J]. 電工技術(shù)學報, 2011, 26(4):128-134.