范曉龍

(太原重工股份有限公司，山西 太原 030024)

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微機(jī)控制的有源電力濾波器設(shè)計(jì)

范曉龍

(太原重工股份有限公司，山西 太原 030024)

隨著電力電子裝置應(yīng)用的日益廣泛，電力電子裝置自身所具有的非線性特征所帶來(lái)的問(wèn)題也日益顯現(xiàn)。電力電子裝置及非線性負(fù)載導(dǎo)致電網(wǎng)中產(chǎn)生大量諧波，給電力系統(tǒng)帶來(lái)了嚴(yán)重的諧波污染并使功率因數(shù)明顯降低，這不僅造成了能源浪費(fèi)，更對(duì)電網(wǎng)的安全運(yùn)行造成嚴(yán)重威脅。本文詳細(xì)敘述了有源電力濾波器的相關(guān)理論，并設(shè)計(jì)了一款基于TMS320F2812的有源電力濾波器。

有源電力濾波器；諧波；TMS320F2812；HL402

隨著諧波所導(dǎo)致的安全問(wèn)題越來(lái)越頻繁的出現(xiàn)，對(duì)于諧波的研究成為了學(xué)術(shù)界和工程界的熱點(diǎn)。對(duì)于諧波，可以有三種不同的思路。其一為利用，即巧妙地利用電網(wǎng)中所產(chǎn)生的諧波為人類服務(wù)。然而由于種種原因，對(duì)于此方面的研究幾乎為零。其二為改造，即通過(guò)電力電子裝置的自身改造，使其盡量減少甚至不產(chǎn)生諧波。但此方法適用范圍較小。所以，現(xiàn)在普遍的思路為第三種——抑制，即使用各種方法最大限度地減小諧波的產(chǎn)生。

抑制諧波主要是通過(guò)濾波器實(shí)現(xiàn)的。傳統(tǒng)的無(wú)源電力濾波器技術(shù)可靠、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用低廉。但其僅能消除特定頻段諧波，同時(shí)，其濾波特性受外界因素影響較大，存在與電網(wǎng)阻抗發(fā)生諧振的風(fēng)險(xiǎn)。有源電力濾波器(APF)近年來(lái)發(fā)展迅速，其不僅可根據(jù)電網(wǎng)諧波的變化而進(jìn)行動(dòng)態(tài)抑制，更可對(duì)電網(wǎng)無(wú)功功率進(jìn)行補(bǔ)償?；谝陨蟽?yōu)點(diǎn)，其相關(guān)技術(shù)日漸成為研究熱點(diǎn)。

本文敘述了有源電力濾波器的相關(guān)理論，并設(shè)計(jì)了一款基于TMS320F2812的有源電力濾波器。

1 基本原理與控制方法

1.1 諧波檢測(cè)方法

有源電力濾波器基本思路是檢測(cè)到諧波后，輸入一個(gè)與其大小相同、方向相反的補(bǔ)償電流，與諧波抵消，從而使電網(wǎng)中不含諧波電流[1]。這樣，對(duì)于有源電力濾波器而言，諧波電流的實(shí)時(shí)檢測(cè)就非常重要。

本節(jié)將著重?cái)⑹龌谌嚯娐匪矔r(shí)無(wú)功功率理論的ip-iq檢測(cè)法。此方法原理圖如圖1所示。

圖1 ip-iq法原理圖

(1)

iq=i·sinφ.

(2)

(3)

通過(guò)鎖相環(huán)PLL和一個(gè)正余弦發(fā)生電路，可得到與A相電壓ea同相位的正弦信號(hào)sinωt和對(duì)應(yīng)的余弦信號(hào)-cosωt。根據(jù)定義可以計(jì)算出ip、iq的直流分量ip′、iq′，進(jìn)而得到三相電流的直流分量iaf、ibf、icf。利用ia、ib、ic與得到的iaf、ibf、icf相減即可得到三相電流諧波分量iah、ibh、ich。

由于ip-iq法只取sinωt、-cosωt參與運(yùn)算，在運(yùn)算過(guò)程中不出現(xiàn)畸變電壓的諧波成分，因而檢測(cè)結(jié)果不受電壓波形畸變的影響，檢測(cè)結(jié)果是準(zhǔn)確的。

1.2 控制方法

目前，有源電力濾波器中使用最廣泛的控制方式是滯環(huán)控制和三角波控制，它們都是基于模擬方式實(shí)現(xiàn)的[2，3]。除了這兩種電流跟蹤控制方式之外，還有無(wú)差拍控制、空間矢量控制等方式，它們是基于數(shù)字控制方式實(shí)現(xiàn)的。其中，空間矢量PWM方法有電壓空間矢量和電流矢量PWM方法兩種。這種方法將平面上的電壓和電流矢量分成六個(gè)區(qū)域，通過(guò)檢測(cè)到的電流誤差矢量所處的區(qū)域，選擇逆變器，以使逆變器輸出電流跟蹤指令參考電流的變化。

綜合考慮各種因素，本設(shè)計(jì)擬采用空間矢量PWM控制方式。

2 有源電力濾波器主電路

圖2為三相三線制有源電力濾波器主電路圖。該主電路適合沒(méi)有中線的三相負(fù)載。由于三相三線制變流器的廣泛應(yīng)用，這種結(jié)構(gòu)的主電路被廣泛地做成模塊并投入工業(yè)運(yùn)用，使得三相三線制的主電路技術(shù)成熟、價(jià)格低廉，并且易于維護(hù)和修理。目前市場(chǎng)上這種結(jié)構(gòu)的有源電力濾波器主電路使用量最大。通常而言，對(duì)于三相四線制結(jié)構(gòu)的電路，如果負(fù)載的中線電流沒(méi)有超出規(guī)定的許可值，應(yīng)優(yōu)先選擇三相三線制的有源電力濾波器。

圖2 三相三線制有源電力濾波器主電路圖

3 控制電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用TMS320F2812型DSP作為控制和計(jì)算中心。它主要擔(dān)負(fù)以下三個(gè)任務(wù)：

1) 對(duì)負(fù)載電流和電壓進(jìn)行檢測(cè)；

2) 通過(guò)檢測(cè)出的電流和電壓值運(yùn)用瞬時(shí)無(wú)功功率理論計(jì)算系統(tǒng)諧波電流的大??；

3) 給外圍的IGBT驅(qū)動(dòng)器以驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

3.1 時(shí)鐘發(fā)生電路設(shè)計(jì)

TMS320F2812上有多個(gè)部件需要時(shí)鐘，如CPU、事件管理器等等。本設(shè)計(jì)采用在引腳X1/CLKIN和X2之間接入10 MHz的晶振，再連接兩個(gè)旁路電容，電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 DSP時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)

3.2 電壓周期檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

DSP程序必須判斷電路電壓的周期何時(shí)開始。為此，需要設(shè)計(jì)一個(gè)電壓周期檢測(cè)電路，通過(guò)檢測(cè)A相電壓，達(dá)到判斷電壓周期的目的。圖4是為有源電力濾波器而設(shè)計(jì)的電壓周期檢測(cè)電路。

圖4 DSP電壓周期檢測(cè)電路

其中，變壓器的存在實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)弱電的隔離。反并聯(lián)的二極管達(dá)到了限幅的目的。此外，設(shè)計(jì)過(guò)零比較器的目的在于使輸出成為數(shù)字信號(hào)。此比較器的工作電壓為3.3 V。當(dāng)A相電壓大于零時(shí)，比較器輸出電壓為+3.3 V，當(dāng)A相電壓小于零時(shí)，比較器輸出電壓為0，為了保證輸出信號(hào)穩(wěn)定，在輸出端連接一個(gè)4.7 k的上拉電阻。比較器輸出的數(shù)字信號(hào)送入DSP的GPIOA8 CAP1-QEP1端口。

3.3 電流絕對(duì)值轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

有源電力濾波器負(fù)載電流是一個(gè)交變的電流信號(hào)，而DSP只能識(shí)別正值。顯然，負(fù)載電流不能直接連接DSP，需要設(shè)計(jì)一個(gè)電流絕對(duì)值轉(zhuǎn)換電路，將負(fù)載電流轉(zhuǎn)換成0～3.3 V正向電壓信號(hào)后再輸入DSP端口。如圖5所示。

圖5 DSP電流絕對(duì)值轉(zhuǎn)換電路

當(dāng)然，僅有這個(gè)電路是不夠的。由于DSP無(wú)法辨別信號(hào)是正值還是負(fù)值，負(fù)半周期的計(jì)算結(jié)果就可能出現(xiàn)錯(cuò)誤。因此必須加入一個(gè)判斷電流符號(hào)的電路。如圖6所示。

圖6 DSP電流符號(hào)判斷電路

在圖6中，如果電流為正值，那么，輸出將為“1”；如果電流為負(fù)值，輸出將為“0”。DSP將會(huì)根據(jù)結(jié)果選擇將圖5得到的電流值直接用于運(yùn)算或取反后再用于運(yùn)算。

4 驅(qū)動(dòng)電路

有源電力濾波器由IGBT組成的諧波發(fā)生器作為主電路。因此，其驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)非常重要。一個(gè)好的驅(qū)動(dòng)電路，應(yīng)保證IGBT不會(huì)因工作于放大區(qū)而被擊穿；同時(shí)，要保證IGBT關(guān)斷迅速，不會(huì)因換流失敗而導(dǎo)致電源短路。

本設(shè)計(jì)中的驅(qū)動(dòng)芯片采用六個(gè)HL402，其外圍電路圖如圖7所示。

圖7 HL402的典型應(yīng)用

5 小結(jié)

為了解決電力系統(tǒng)諧波污染問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一款基于TMS320F2812的有源電力濾波器。經(jīng)實(shí)驗(yàn)分析，該有源電力濾波器可以較好地解決諧波污染的問(wèn)題。

在有源電力濾波器的研究領(lǐng)域，我國(guó)現(xiàn)階段與西方發(fā)達(dá)國(guó)家還有很大的差距，在可預(yù)見的未來(lái)還難以趕上西方發(fā)達(dá)國(guó)家的研究水平。隨著我國(guó)建設(shè)社會(huì)主義創(chuàng)新型國(guó)家和建設(shè)社會(huì)主義節(jié)約型社會(huì)方針的提出，以有源電力濾波器為代表的高科技含量、低功率消耗產(chǎn)品必將擁有更為廣闊發(fā)展空間。

[1] 萬(wàn)學(xué)維.有源電力濾波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].武漢：華中科技大學(xué),2007.

[2] 朱建林.基于空間矢量技術(shù)的滯環(huán)控制[J].信息通信,2013(7)：11-12.

[3] 李達(dá)義，陳喬夫.三角波比較電流控制研究[J].通信電源技術(shù),2006，23(4)：1-4，9.

Design of Active Harmonic Filters Controlled by Computer

Fan Xiaolong

(TaiyuanHeavyIndustryCo.Ltd,TaiyuanShanxi030024,China)

With the increasingly widespread application of power electronic devices,the problems brought by nonlinear characteristics of themselves are increasingly apparent.The power electronic devices and nonlinear loads cause lots of harmonic in the power grid,which brings serious harmonic pollution and makes the power factor reducing obviously.All of this wastes a lot of energy,and harms to the safety of the power grid seriously.This paper describes the theory of active power filter in detail,and designs an active power filter based on TMS320F2812.

active power filter; harmonic; TMS320F2812; HL402

2016-06-13

范曉龍(1989-)，男，山西太原人，助理工程師，主要從事起重設(shè)備研究工作。

1674-4578(2016)05-0014-03

TN713

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