毛向德，王慶賢，董唯光，朱科，梁金平

（蘭州交通大學(xué)自動化與電氣工程學(xué)院，甘肅蘭州730070）

1 引言

隨著電力電子裝置應(yīng)用日益廣泛，自身所具有的非線性導(dǎo)致了電網(wǎng)中含有大量諧波，給電力系統(tǒng)帶來了諧波污染和功率因數(shù)降低，導(dǎo)致無功需求增加和電網(wǎng)電壓波動，多種電力運行指標(biāo)的惡化［1］。因此消除電網(wǎng)中的諧波污染已成為電能質(zhì)量研究中的一個重要課題。

APF是一種消除電網(wǎng)諧波的有效工具，其核心部件是控制系統(tǒng)，它通過產(chǎn)生驅(qū)動開關(guān)器件的脈沖來控制APF的行為，實現(xiàn)諧波和無功的動態(tài)補償［2］。APF控制器的基本特點是檢測處理的變量多且計算工作量大［3］。目前APF控制系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)多數(shù)采用模擬元件，存在電路復(fù)雜、控制性能差、易受環(huán)境干擾等缺點。如采用MCS51、96實現(xiàn)這些復(fù)雜的計算和控制，則實時性變差，也難以取得較好的性能。DSP技術(shù)的迅速發(fā)展為APF裝置的數(shù)字化實現(xiàn)提供了條件，它在保證控制器實時補償?shù)耐瑫r還可提供較高的計算精度。

本文采用具有高處理速度的浮點型DSP 芯片TMS320F28335 作為處理器，可以提高實現(xiàn)算法的速度及補償?shù)木龋诖酥饕懻撊? 線制APF 原理、控制方法和控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計，并給出實驗結(jié)論，驗證控制系統(tǒng)的正確性和有效性。

2 并聯(lián)型APF的基本原理

圖1所示為并聯(lián)型APF系統(tǒng)原理圖。由于非線性負(fù)載的存在，對電網(wǎng)產(chǎn)生了污染。為了實現(xiàn)無污染的電能變換，在系統(tǒng)中引入如圖1 所示的APF，它由指令電流運算電路和補償電流發(fā)生電路組成。指令電流運算電路檢測出諧波源的諧波和無功等電流分量，補償電流發(fā)生電路根據(jù)指令電流運算電路得出的補償電流指令信號，產(chǎn)生實際的補償電流。

圖1 并聯(lián)型有源電力濾波器結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 The block diagram of shunt active power filter

APF的基本工作原理是：檢測出諧波源負(fù)載電流iL中的諧波和無功分量，將其反極性后作為補償電流的指令信號而補償電流發(fā)生電路產(chǎn)生的補償電流ic與負(fù)載中的諧波和無功分量之和大小相等，方向相反，兩者相互抵消，使電源電流只含有基波有功分量［4］。

3 控制方法

滯環(huán)控制是一種非線性閉環(huán)電流控制方法，其原理圖如圖2所示。這種方法通過給定一個允許范圍，將指令電流和實際補償電流的差值控制在該范圍內(nèi)，一旦指令電流和補償電流的差值超出這個容差帶，就會產(chǎn)生相應(yīng)的PWM脈沖信號，控制變流器開關(guān)器件動作，從而達(dá)到控制補償電流的目的。

圖2 滯環(huán)控制原理Fig.2 Principle of hysteresis control

4 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

4.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

APF數(shù)字控制系統(tǒng)的設(shè)計包括算法單元、主控單元的設(shè)計。算法單元和主控單元分別采用TI公司的32位浮點DSP芯片TMS320F28335，因為如果用1 塊DSP 完成諧波檢測，同時完成電能質(zhì)量參數(shù)分析和設(shè)備控制，處理器就會因處理大量的代碼而影響補償實時性，會造成設(shè)備補償效果差甚至不工作，因此采用2 塊獨立的DSP。APF控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 The block diagram of control system

整個系統(tǒng)由算法單元和主控單元組成，通過算法單元完成對模擬信號的采集并通過檢測算法將諧波和無功電流提取出來，根據(jù)控制方法產(chǎn)生PWM信號使變流器輸出消除諧波及無功的補償電流。算法單元通過CAN 總線將采集的電源電壓、負(fù)載電流、直流側(cè)電壓、逆變電流以及設(shè)備狀態(tài)等數(shù)字量發(fā)送給主控單元，在主控單元中完成電能質(zhì)量參數(shù)的分析計算，并實時顯示在LCD液晶屏上，設(shè)計要求對設(shè)備一些重要參數(shù)進(jìn)行掉電記憶，主控單元通過I2C 通信對一塊E2PROM讀寫來達(dá)到設(shè)備掉電后指定參數(shù)不丟失，通過按鍵處理模塊完成對液晶屏的操作以及對設(shè)備參數(shù)的設(shè)置。受下位機DSP存儲器容量的限制，下位機不能進(jìn)行大批量數(shù)據(jù)的存儲以及數(shù)據(jù)處理，在此將下位機和上位機用RS485總線相連，將監(jiān)控目標(biāo)數(shù)字量發(fā)送給上位機，在上位機完成設(shè)備遠(yuǎn)距離監(jiān)控。同時主控單元還負(fù)責(zé)給出啟動信號和故障清除信號。

4.2 算法單元設(shè)計

APF算法單元采用TMS320F28335為核心處理器。算法單元主要由輸入模塊、處理器模塊、輸出模塊、硬件保護(hù)模塊及通信模塊組成，算法單元結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

4.2.1 輸入模塊設(shè)計

圖4 算法單元結(jié)構(gòu)圖Fig.4 The block diagram of algorithm unit

輸入模塊主要包括信號檢測和信號調(diào)理電路。輸入的信號主要有電源電壓、負(fù)載電流、直流側(cè)電壓以及逆變電流。通過信號檢測電路即電壓或電流傳感器檢測出輸入信號，再經(jīng)過信號調(diào)理電路將輸入信號調(diào)理成0～3 V 的電壓信號。電壓傳感器為TV19G，電流傳感器為LT308-S7。信號調(diào)理電路如圖5所示，輸入信號經(jīng)傳感器和取樣電阻轉(zhuǎn)換為電壓信號，再經(jīng)放大器INA128U，調(diào)理成0～3 V 的電壓信號，送入處理器模塊進(jìn)行AD 采樣。圖5 中，如果接的傳感器為電壓傳感器需在傳感器的一次側(cè)串聯(lián)限流電阻，作用是降低回路電流，保護(hù)傳感器；R3為取樣電阻，它與傳感器的次邊并聯(lián)，Ref1.5 V為參考電壓。

圖5 信號調(diào)理電路Fig.5 The circuit of signal conditioning

由于采用的電壓和電流傳感器得到的信號是雙極性，而DSP 的AD 模塊的安全輸入電壓為0～3 V，所以要在信號調(diào)理電路環(huán)節(jié)將輸入信號電平進(jìn)行抬升，采用運算放大器OP07 產(chǎn)生1.5 V的抬升電平。圖6所示為1.5 V電平抬升電路，取R7/R8=7/3，經(jīng)運算放大器OP07 得到一個穩(wěn)定的Ref1.5 V的參考電壓。

圖6 1.5 V電平抬升電路Fig.6 The circuit of 1.5 V voltage raising

4.2.2 處理器模塊設(shè)計

處理器模塊包括供電電源模塊、復(fù)位電路模塊、JTAG 接口以及外設(shè)接口的設(shè)計。鑒于DSP28335 是浮點型的DSP 且功耗較大，為了降低功耗，本文采用的電源芯片為PS767D301，芯片供電電壓為5 V，能夠同時產(chǎn)生3.3 V 和1.9 V，供給IO 口及DSP 內(nèi)核，能夠有效地降低系統(tǒng)的功耗，避免芯片發(fā)熱。復(fù)位電路的設(shè)計采用芯片為MAX708R，其電路圖如圖7所示，RESET信號接DSP的復(fù)位端子。

圖7 復(fù)位電路Fig.7 Reset circuit

為了便于系統(tǒng)的升級，采用算法單元底板與處理器模塊相分離的設(shè)計方案，處理器模塊的引腳，全部引出到兩排80 引腳的排針上面，因為充分利用了DSP 的功能，所以就能夠?qū)崿F(xiàn)更為復(fù)雜的功能。

4.2.3 輸出模塊設(shè)計

輸出模塊包括脈沖取反電路，死區(qū)延時電路。為了避免同一橋臂的上、下橋臂之間發(fā)生直通，在設(shè)計時采用芯片74HC14D 對同一橋臂的上、下控制脈沖進(jìn)行取反。死區(qū)延時電路主要采用計時器芯片HEF4040B來實現(xiàn)信號取反時的延時，該芯片能夠提供不同的延時時間，使得設(shè)計更為方便。

4.2.4 硬件保護(hù)模塊設(shè)計

硬件保護(hù)模塊主要是通過邏輯電路設(shè)計確保控制系統(tǒng)能夠正常工作以及在出現(xiàn)故障時對整個系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)。硬件保護(hù)模塊在直流側(cè)電容過壓、IPM 故障以及軟件故障時，將輸出封鎖信號，封鎖脈沖，關(guān)閉所有IGBT，同時相應(yīng)的故障燈被點亮。直流側(cè)電容電壓過壓保護(hù)電路如圖8 所示，直流側(cè)過壓將會產(chǎn)生直流側(cè)故障信號VDCES。

圖8 直流側(cè)電容電壓保護(hù)電路Fig.8 The protection circuit of DC capacitor voltage

4.2.5 通信模塊設(shè)計

通信模塊的設(shè)計主要實現(xiàn)處理器模塊與主控單元間的數(shù)據(jù)傳送的功能。通信模塊電路如圖9所示，采用的芯片為CTM1050T。

圖9 通信模塊電路Fig.9 The circuit of communication module

4.3 主控單元設(shè)計

主控單元的硬件電路主要由核心板以及外圍電路組成，核心板主要用來做數(shù)據(jù)處理，以及通過輸入I/O對信號進(jìn)行檢測，通過輸出I/O進(jìn)行控制，核心板主要由DSP 芯片、供電電源、晶振、復(fù)位電路組成，外圍電路包括相關(guān)通信的硬件電路和控制電路。

主控板硬件電路中CAN 端口用來連接主控單元和算法單元，通過CAN通信進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，啟動按鈕檢測端口用來檢測設(shè)備按鈕啟動信號，主控板DSP檢測到啟動按鈕按下時，通過指示燈控制端口點亮啟動指示燈，START端口用來向算法單元發(fā)出一個啟動信號，只有在設(shè)備無故障的情況下該信號才被允許，算法單元檢測到START信號后設(shè)備投入運行。CLEAR 為故障清除端口，設(shè)備有故障時會使相應(yīng)的故障指示燈點亮且通過脈沖封鎖電路封鎖脈沖，故障消失后通過主控板給出的CLEAR 信號解除脈沖封鎖，設(shè)備才能繼續(xù)工作，同時主控單元還要通過串口向上位機傳輸數(shù)據(jù)。

核心板硬件電路的核心是DSP28335 芯片，所需要的功能引腳和兩排端子相連，整個核心板通過兩排端子嵌入到主控板中，通過JTAG 口和仿真器連接可以在線編程調(diào)試，它主要完成有源濾波器設(shè)備電力參數(shù)的分析、相關(guān)通信的驅(qū)動、設(shè)備的控制、液晶顯示等功能。

5 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

控制系統(tǒng)軟件的主要任務(wù)是：采集、計算以及控制脈沖的產(chǎn)生、跟蹤。軟件部分由主程序、中斷服務(wù)程序和主控程序組成。

5.1 主程序設(shè)計

主程序循環(huán)檢測系統(tǒng)各個狀態(tài)以及與主控單元進(jìn)行通信，等待中斷的死循環(huán)模式，系統(tǒng)主程序流程圖如圖10所示。

圖10 主程序流程圖Fig.10 The flow chart of main program

主程序主要實現(xiàn)以下功能。

系統(tǒng)初始化主要進(jìn)行如下操作：系統(tǒng)時鐘初始化、中斷初始化、IO口初始化、AD采樣初始化、定時器初始化和各變量賦值。

圖11 開機檢測流程圖Fig.11 The flow chart of start detection

開機檢測主要檢測是否滿足開機條件，開機檢測流程圖如圖11所示。設(shè)備開機條件為負(fù)載電流大于開機電流且有開機信號，其中開機信號由監(jiān)控單元給出，一旦滿足開機條件，監(jiān)控單元就會給出相應(yīng)的開機信號。關(guān)機檢測主要負(fù)責(zé)檢測是否滿足關(guān)機條件，關(guān)機檢測流程圖如圖12所示。當(dāng)檢測到負(fù)載電流小于關(guān)機電流設(shè)定值時，設(shè)備自動關(guān)機。

圖12 關(guān)機檢測流程圖Fig.12 The flow chart of shutdown detection

故障檢測主要檢測直流側(cè)電壓是否過壓、IPM故障等硬件故障和電壓、電流值是否超出系統(tǒng)軟件的設(shè)定值等軟件故障，故障檢測流程圖如圖13 所示。首先判斷是否有故障，如果有故障，軟件上對故障進(jìn)行清除，如果軟件不能清除故障，那么就封鎖脈沖輸出，對故障類型進(jìn)行判斷。如果是軟件故障，上傳故障類型、點亮發(fā)光二極管并再次對故障進(jìn)行清除；如果是硬件故障，斷開主斷路器KM、上傳故障類型并點亮發(fā)光二極管。硬件故障，需要人工手動重啟設(shè)備；如果是軟件故障，軟件對故障進(jìn)行清除之后，設(shè)備能夠自動重新運行，不需要人工進(jìn)行重啟。

圖13 故障檢測流程圖Fig.13 The flow chart of fault detection

通信處理主要完成與主控單元的數(shù)據(jù)交換。上傳的參數(shù)主要有AD采樣模塊采集的電源電壓、負(fù)載電流、直流電壓、逆變電流，發(fā)生故障時系統(tǒng)故障類型和負(fù)載電流過低信號等。主控單元下傳的參數(shù)主要有直流側(cè)電壓指令值、逆變器輸出電流保護(hù)值、負(fù)載電流傳感器變比、開機電流、關(guān)機電流以及關(guān)機時間等。

5.2 中斷程序設(shè)計

指令電流計算和電流控制在中斷程序中完成，所以中斷程序是系統(tǒng)軟件的核心，實現(xiàn)算法單元的主要功能，流程圖如圖14所示。

圖14 中斷程序流程圖Fig.14 The flow chart of interrupt program

算法單元采用DSP中的ADC進(jìn)行AD采樣，將ADC設(shè)置為連續(xù)轉(zhuǎn)換模式，在定時器中斷中讀取采樣數(shù)據(jù)并進(jìn)行濾波處理，完成對指令電流的計算和控制脈沖的產(chǎn)生。

指令電流生成方法是基于電源電壓無鎖相環(huán)同步檢測法，通過查表的方式查詢預(yù)先存儲的正、余弦表來提出基波正序電壓，再采用同步檢測方法產(chǎn)生所需的指令電流。電流控制是用滯環(huán)控制方法，產(chǎn)生PWM脈沖。

5.3 主控單元程序設(shè)計

圖15 主控單元程序流程圖Fig.15 The flow chart of main control unit program

主控單元程序流程如圖15所示，主控單元主要用于現(xiàn)場監(jiān)控，完成電能質(zhì)量分析和參數(shù)顯示，并根據(jù)分析結(jié)果完成設(shè)備狀態(tài)的判斷、狀態(tài)顯示及設(shè)備控制，它涉及到通信、液晶顯示、參數(shù)分析計算、外圍控制等幾部分。先對各個模塊進(jìn)行初始化，包括系統(tǒng)時鐘初始化、LCD 顯示模塊初始化、各個通信模塊初始化和I/O初始化，設(shè)備上電后，主控單元從E2PROM中讀取預(yù)先置好的設(shè)備參數(shù)，通過CAN 總線發(fā)送給算法單元，發(fā)送成功后，對按鍵處理模塊、START信號檢測處理模塊、通信處理模塊這3 個模塊循環(huán)處理，如果從E2PROM中讀取的設(shè)備參數(shù)沒成功發(fā)送給算法單元，則循環(huán)等待，為了避免一直等待產(chǎn)生死機現(xiàn)象，通常設(shè)一個時限，超過時限則跳出等待執(zhí)行其他功能。

6 實驗結(jié)果與分析

在設(shè)計軟硬件實現(xiàn)方案基礎(chǔ)上搭建了實驗系統(tǒng)，通過在不同負(fù)載條件下驗證該控制系統(tǒng)的有效性。

樣機IGBT 采用IPM 模塊，其型號為PM300CLA120?；趯嶒灠踩紤]電源側(cè)用調(diào)壓器調(diào)壓，使得系統(tǒng)工作在低電壓小電流條件下。實驗參數(shù)：調(diào)壓器一次側(cè)線電壓為380 V/50 Hz，調(diào)壓器二次側(cè)線電壓為100 V/50 Hz；直流側(cè)電壓指令值為150 V；交流側(cè)電感0.5 mH；直流側(cè)電容0.054 4 F；負(fù)載為三橋臂二極管整流橋帶阻感性負(fù)載，其中電感為50 mH、負(fù)載變化前電阻為26 Ω，負(fù)載變化后電阻為50 Ω；滯環(huán)寬度為1 A。實驗結(jié)果如圖16、圖17所示。

圖16 負(fù)載變化前的實驗結(jié)果Fig.16 The experimental results before load change

圖17 負(fù)載變化后的實驗結(jié)果Fig.17 The experimental results after load change

對比圖16a、圖16c，對比圖17a、圖17c，可以看出補償前電源波形發(fā)生了嚴(yán)重的畸變，補償后電源電流波形近似為正弦波，且其頻率非常接近50 Hz；對比圖16b、圖16d，對比圖17b、圖17d，可以看出調(diào)壓器一次側(cè)電流的畸變率由16.2%到2.0%、15.1%到1.2%，滿足國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14549—1993《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》對諧波含量5%以下的要求，此結(jié)果說明APF對于改善電源電流和提高功率因數(shù)起到重要作用。

實驗結(jié)果證明，采用該控制系統(tǒng)的APF對諧波和無功有很好的補償效果。

7 結(jié)論

本文設(shè)計了基于DSP28335的APF數(shù)字控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)具有可實現(xiàn)大量運算、調(diào)試方便、功能強等特點。實驗結(jié)果證明基于該控制系統(tǒng)的并聯(lián)型APF快速準(zhǔn)確地檢測、補償諧波和無功，具有很好的工程應(yīng)用價值。

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