棗莊礦業(yè)（集團）有限責(zé)任公司蔣莊煤礦 吳顯輝

基于DS P的三相三線制有源電力濾波器樣機設(shè)計

棗莊礦業(yè)（集團）有限責(zé)任公司蔣莊煤礦 吳顯輝

隨著非線性負(fù)載的廣泛應(yīng)用，電力系統(tǒng)中諧波問題日益突出并受到廣泛關(guān)注，有源濾波器(Active Power Filter,APF)因其靈活高效的優(yōu)點成為補償諧波電流的主要手段。本文基于DSP設(shè)計了一套應(yīng)用于380V三相配電網(wǎng)的APF樣機，給出了其主電路元件選型及控制器電路設(shè)計方案，實驗證明該APF樣機對三相配電網(wǎng)中諧波電流具有較好的補償效果。

有源電力濾波器；DSP；諧波補償

0 引言

有源電力濾波器是補償電網(wǎng)中諧波電流的專用設(shè)備，其基本原理是通過實施產(chǎn)生與負(fù)載電流中諧波成分幅值相等方向相反的電流，對負(fù)載電流中的諧波電流進行抵消，從而達到消除電網(wǎng)側(cè)電流諧波的目的[1]。與其他諧波電流補償設(shè)備相比，APF具有補償效果好，響應(yīng)速度快，不易發(fā)生諧振的優(yōu)點，已成為當(dāng)前諧波治理的主流措施，并得到了廣泛的應(yīng)用[2]。隨著數(shù)字信號處理器(Digital Signal Processor,DSP)技術(shù)的不斷發(fā)展，DSP的運算速度越來越快，外設(shè)功能也越來越豐富，使用DSP作為主控制器對APF進行控制成為可能。本文選用TI公司的TMS320F28335作為主控制器，此款DSP芯片支持高性能浮點運算，既有強大的數(shù)字信號處理能力，又可以方便的實現(xiàn)嵌入式控制[3]。

圖1 APF樣機總體結(jié)構(gòu)

1 APF的總體結(jié)構(gòu)

三相四線制APF試驗樣機的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。整個APF系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境由三相交流電源、非線性負(fù)載與APF樣機三部分組成。其中，APF樣機又可以分為主電路與控制系統(tǒng)兩部分。主電路實現(xiàn)APF樣機與電網(wǎng)之間的能量交換，而控制系統(tǒng)通過PWM信號對主電路的輸出電流進行控制。

在APF接入點靠近電源一側(cè)，安裝有3個電流傳感器CT1-3與3個電壓傳感器PT1-3，分別用來檢測電網(wǎng)三相電壓ea、eb、ec與網(wǎng)側(cè)電流isa、isb、isc。在APF接入點靠近負(fù)載一側(cè)安裝有3個電流傳感器CT4-6，用來檢測三相負(fù)載電流ila、ilb、ilc。APF主電路中直流側(cè)電容電壓Udc通過傳感器PT4進行測量。

APF主電路采用兩電平三橋臂結(jié)構(gòu)，因容量較大，開關(guān)器件選用EUPEC的IGBT模塊，型號為BSM50GB120DLC，最大耐壓1200V，額定電流50A。每個模塊封裝了兩個IGBT，可作為一個橋臂。為降低成本簡化設(shè)計，IGBT的緩沖電路設(shè)計為單電容，選用CDE公司的的941C12W1K-F無感吸收電容，額定值為1μF。直流側(cè)電容使用EPCOS的電解電容，單電容耐壓450V，容值為2700μF。為滿足耐壓要求，直流側(cè)使用4個電容，采用先兩兩并聯(lián)再串聯(lián)的形式。每個電容兩極并聯(lián)一個15W、51kΩ的均壓電阻，以平衡4個電容的電壓，并為電容提供放電通道。交流測濾波電感L選用4mH的單相電抗器，共需3臺。

2 APF控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 檢測與信號調(diào)理電路設(shè)計

APF樣機選用LEM的霍爾電壓電流傳感器測量主電路的電壓與電流信號，霍爾傳感器可以測量任意波形的電流和電壓，具有精度高、線性度靈敏度好、寬帶寬、動態(tài)性能好、體積小等優(yōu)點，在工業(yè)測量中具有廣泛的應(yīng)用。

電網(wǎng)電壓傳感器選用LV25-P，額定輸入為10mA (RMS)，額定輸出25mA (RMS)。當(dāng)輸入端串接2個15kΩ、5W的繞線電阻限流時，其量程為0～300V (RMS)。直流電壓傳感器選用LV25-P/SP5，額定輸入輸出與LV25-P相同，電路結(jié)構(gòu)也與之相似，輸入端串接的限流電阻改為8個15kΩ，5W繞線電阻，量程為0～1200V(DC)。電流傳感器選用LA25-NP，額定輸入25A(RMS)，額定輸出25mA(RMS)。

霍爾傳感器輸出為電流信號，要通過采樣電阻轉(zhuǎn)化成電壓信號，采樣電阻選用20Ω，精度0.1%的無感電阻。在ADC采樣前需要使用信號調(diào)理電路將信號其幅值放大到適當(dāng)范圍，這樣才能充分利用ADC量程，提高采樣精度。ADC信號調(diào)理電路有兩級，前級為使用OP07搭建反向比例放大電路，將信號放大10倍，后級為OP07搭建的反相器，將放大后的反相信號變?yōu)檎啵⑶姨岣吡穗娐返尿?qū)動能力。

2.2 ADC采樣電路設(shè)計

調(diào)理后的信號輸入給ADC進行量化采樣，ADC選用ADI公司的AD7606，可以實現(xiàn)16位、8通道同步采樣，每個通道都可以達到200kSPS的采樣速率。使用兩片AD7606就可以滿足4路電壓信號與9路電流信號的采樣。兩片AD7606的輸入范圍通過硬連線的方式設(shè)置為±10V，并通過XINTF接口與DSP相連，采用并行傳輸方式，使用16位總線進行數(shù)據(jù)傳輸。其地址位被映射到Zone0區(qū)，每片AD7606占用8個地址位，所以使用XA3地址位與XZCS0信號結(jié)合進行片選。當(dāng)所有通道的數(shù)據(jù)采樣轉(zhuǎn)換完成后，AD7606的BUSY引腳會向DSP的一個GPIO引腳發(fā)出一個下降沿脈沖，DSP檢測到此下降沿就會退出等待進行ADC數(shù)據(jù)的讀取。

2.3 IGBT驅(qū)動電路

IGBT驅(qū)動電路采用CONCEPT公司2SD315AI型驅(qū)動器。該型號驅(qū)動器集成了器件驅(qū)動、狀態(tài)自檢、狀態(tài)反饋、過流保護、過熱保護、DC/DC電源等功能，并實現(xiàn)了控制部分與功率部分的完全隔離。2SD315AI為雙路驅(qū)動器，一個驅(qū)動器可以驅(qū)動一個雙IGBT模塊，即一個橋臂，每一個2SD315AI需要輸入2路互補的PWM信號并輸出2路故障信號。當(dāng)某一IGBT或其驅(qū)動芯片發(fā)生故障時，其對應(yīng)的SO引腳將會由高電平變?yōu)榈碗娖?，?jīng)過光耦后其電平會發(fā)生反轉(zhuǎn)，即發(fā)生故障時光耦副邊為高電平。將所有IGBT的故障信號用或門做邏輯判斷，最終輸出接到DSP的不可屏蔽中斷XNMI管腳。當(dāng)任意IGBT發(fā)生故障時，都可以觸發(fā)NMI中斷及時封鎖PWM信號，避免故障的惡化與蔓延。

為提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性與安全性，DSP輸出的PWM波形經(jīng)74HCT245再經(jīng)高速光耦6N137輸入到IGBT驅(qū)動器中。74HCT245為三態(tài)總線收發(fā)器，可以實現(xiàn)3.3V到5V電平的單向轉(zhuǎn)換，并且增強了PWM端口的負(fù)載驅(qū)動能力。使用光耦進行控制器與驅(qū)動板間電氣隔離，避免了驅(qū)動電路15V模擬信號對控制器的干擾，并且當(dāng)主電路發(fā)生涌流短路等故障時，可以避免控制電路受過大電壓沖擊而燒毀。

2.4 電源管理單元設(shè)計

APF控制系統(tǒng)需要多個電壓等級，供電較為復(fù)雜。選用Mean-Well的NET-75C型開關(guān)電源為控制系統(tǒng)供電。NET-75C有+5V、+15V、-15V三路輸出，其中+5V為DSP、ADC及其外圍電路供電；電壓電流傳感器需±15V供電，同時，+15V也為IGBT驅(qū)動電路供電。AD轉(zhuǎn)換芯片AD7606需要3.3V與5V兩路供電，因此選用LM1117-3.3將+5V轉(zhuǎn)為3.3V為AD7606的I/O口及其他3.3V芯片供電，將數(shù)字電源D5V經(jīng)電感作為模擬電源A5V給AD7606的數(shù)模轉(zhuǎn)換電路供電，這樣可以減少數(shù)字電路對模擬電路的干擾。而DSP TMS320F28335的內(nèi)核電壓需1.8V，IO口電壓需3.3V，選用TI的DSP電源管理芯片TPS767D301為DSP單獨提供1.8V與3.3V兩路供電。

3 APF樣機軟件設(shè)計

圖2 主程序流程圖

3.1 主程序設(shè)計主程序主要完成DSP與各個外設(shè)的初始化，主要包括：系統(tǒng)時鐘的初始化、GPIO模式設(shè)置、PIE中斷向量表初始化、定時器中斷與外部中斷配置、EPWM模塊的配置，XINTF接口配置、AD7606的配置、全局變量的初始化，定時器T1的配置。初始化完成之后進行系統(tǒng)的軟起動，給直流側(cè)電容充電。當(dāng)預(yù)充電完成后啟動定時器T1，開定時器中斷與外部中斷，然后進入主循環(huán)。主程序流程圖如圖2所示。

3.2 定時器中斷服務(wù)子程序

圖3 主程序流程圖

定時器中斷用來完成ADC啟動、指令電流生成、指令電流跟蹤、SVPWM調(diào)制與PWM波生成，即APF控制系統(tǒng)的主要功能。每隔一個開關(guān)時間就要進入一次定時器中斷，計算下一個開關(guān)時間的PWM波形，這里設(shè)置開關(guān)時間1e-4s。定時器中斷的流程圖如圖3所示。其中，在向ADC發(fā)出采樣指令后，ADC就會進行數(shù)據(jù)采集與轉(zhuǎn)換，同時程序進入while循環(huán)，檢測ADC的BUSY引腳的電平狀態(tài)。當(dāng)ADC完成所有通道數(shù)據(jù)的采集轉(zhuǎn)換后會將BUSY引腳的狀態(tài)由高電平變?yōu)榈碗娖?。?dāng)DSP檢測到此電平反轉(zhuǎn)后，就會退出while循環(huán)進行數(shù)據(jù)讀取工作。

4 實驗結(jié)果

圖4、圖5為APF樣機運行時示波器錄取的實驗波形。由圖4可知，在不可控整流橋阻性負(fù)載下，負(fù)載電流畸變嚴(yán)重。應(yīng)用APF樣機之后，從檢測到的指令諧波電流和跟蹤電流的重合度來看，基本可以完全吻合，說明跟蹤效果良好。而由圖5可知，補償后網(wǎng)側(cè)電流正弦度較高，說明APF樣機對于負(fù)載電流中諧波分量的補償效果良好，前文中對APF樣機整個系統(tǒng)的設(shè)計是有效的。

圖4 負(fù)載電流與網(wǎng)側(cè)電壓波形

圖5 補償后網(wǎng)側(cè)電流波形

5 總結(jié)

本文對基于DSP TMS320F2835的APF樣機進行了設(shè)計。給出了APF樣機系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，對APF主電路各主要元器件的選型進行了詳細介紹。同時，對APF控制系統(tǒng)各個模塊的電路進行了詳細設(shè)計，并給出了軟件的控制流程。最后的實驗結(jié)果證明該APF樣機達到了設(shè)計目的，能實現(xiàn)較好的諧波電流的補償效果。

[1]王兆安．諧波抑制和無功功率補償[M]．北京:機械工業(yè)出版社,2016．

[2]周娟．四橋臂有源電力濾波器關(guān)鍵技術(shù)研究[D]．徐州:中國礦業(yè)大學(xué),2011．

[3]符曉,朱洪順．TMS320F2833x DSP應(yīng)用開發(fā)與實踐[M]．北京:航空航天大學(xué)出版社,2013．

吳顯輝（1982—），男，工學(xué)學(xué)士，工程師，主要從事煤礦機電控制方面的研究工作。