《電子技術(shù)應(yīng)用》
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模塊化并聯(lián)型電力有源濾波裝置的數(shù)?;旌峡刂葡到y(tǒng)

2009-01-09
作者:商少鋒1 , 涂華軍1 , 陳海

??? 摘 要: 根據(jù)并聯(lián)型電力有源濾波裝置的原理,、主電路結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及對控制系統(tǒng)的要求,,提出了基于TMS320F2812型DSP的數(shù)?;旌?/a>控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,詳細(xì)闡述了控制系統(tǒng)的硬件電路及軟件設(shè)計(jì),。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明,,該控制系統(tǒng)能夠滿足有源濾波裝置對諧波的動(dòng)態(tài)跟蹤和快速補(bǔ)償?shù)囊螅哂辛己玫墓ぷ魈匦浴?

??? 關(guān)鍵詞: 有源濾波裝置; 數(shù)?;旌峡刂? 諧波; 數(shù)字信號處理器

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??? 隨著大功率的整流,、變頻等電力電子裝置在工業(yè)用電設(shè)備中的廣泛應(yīng)用,用電負(fù)荷的非線性因素比重越來越大,,這些負(fù)荷會產(chǎn)生大量的諧波注入電網(wǎng)使供電系統(tǒng)中的電壓,、電流發(fā)生嚴(yán)重的畸變,造成電網(wǎng)污染,、電能質(zhì)量惡化,。電力諧波不但消耗電網(wǎng)中的有功和無功功率、增加電力設(shè)備及線路的損耗,、導(dǎo)致繼電保護(hù)設(shè)備的誤動(dòng)作等影響電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行,,而且還會干擾通信系統(tǒng)和電子設(shè)備。如何消除電網(wǎng)諧波,、改善電能質(zhì)量已成為近年來研究的熱點(diǎn),。有源電力濾波裝置APF(Active Power Filter)以其良好的動(dòng)態(tài)性能和補(bǔ)償精度,代表了諧波補(bǔ)償裝置的發(fā)展方向,,其中應(yīng)用最多的是并聯(lián)型APF,。?

??? APF對控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、精度以及電磁兼容性要求很高,。微電子技術(shù),、微處理器的迅速發(fā)展使APF的控制系統(tǒng)從模擬向全數(shù)字化發(fā)展。全數(shù)字化控制系統(tǒng)尤其是采用雙CPU的控制系統(tǒng),,具有速度快和精度高,、控制策略多樣性等優(yōu)點(diǎn),但不可避免地存在軟硬件設(shè)計(jì)復(fù)雜,、電磁兼容性差等不足之處,。本文采用基于TMS320F2812的數(shù)字模擬混合控制系統(tǒng),其諧波指令運(yùn)算由DSP數(shù)字控制電路實(shí)現(xiàn),,補(bǔ)償電流生成控制由模擬電路實(shí)現(xiàn),。這種控制系統(tǒng)與全數(shù)字控制系統(tǒng)相比具有測量準(zhǔn)確,、響應(yīng)速度快、電路設(shè)計(jì)簡單,、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn),。?

1? 并聯(lián)型APF的原理、結(jié)構(gòu)及控制方法?

??? 本文中的有源濾波裝置將三相結(jié)構(gòu)分解成3個(gè)單相濾波系統(tǒng),,其優(yōu)勢在于亦適用于三相不平衡電力系統(tǒng)中,,另外對系統(tǒng)中的3次諧波也有更好的解耦濾波性能。并聯(lián)型APF的結(jié)構(gòu)如圖1所示,。主電路由n個(gè)IGBT逆變橋并聯(lián)組成,,各個(gè)模塊的交流側(cè)經(jīng)過各自的連接電抗、高通濾波并聯(lián)接入電網(wǎng),。APF根據(jù)控制電路計(jì)算出的電流指令,,通過各自的電流跟蹤控制環(huán)節(jié)產(chǎn)生補(bǔ)償電流注入電網(wǎng),達(dá)到抵消濾除電網(wǎng)中諧波的目的,。?

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??? APF控制系統(tǒng)包括指令電流運(yùn)算,、補(bǔ)償電流跟蹤控制以及PWM驅(qū)動(dòng)電路環(huán)節(jié)。根據(jù)APF工作原理,,其控制系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)滿足以下基本要求:(1)能夠快速,、準(zhǔn)確地從負(fù)載電流中檢測出諧波成分,,形成指令電流,;(2)能夠良好地控制各個(gè)濾波模塊產(chǎn)生動(dòng)態(tài)跟蹤的高精度補(bǔ)償電流;(3)補(bǔ)償電流時(shí)始終將逆變器直流側(cè)電壓穩(wěn)定在特定值400V,;(4)能夠讓各個(gè)濾波模塊合理分擔(dān)補(bǔ)償需求,。?

??? 按照其控制系統(tǒng)要求,圖2給出了模塊化并聯(lián)型APF控制系統(tǒng)的控制方法原理框圖,,其諧波電流檢測及補(bǔ)償電流控制方法為:?

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??? (1) 對電網(wǎng)電壓進(jìn)行采樣,,低通濾波鎖相后形成與電網(wǎng)電壓同步的正弦、余弦信號,,用于諧波電流檢測運(yùn)算,,同時(shí)保證電流采樣時(shí)刻也與該正弦、余弦信號同步,。?

??? (2) 三相負(fù)載電流經(jīng)基于時(shí)域的諧波運(yùn)算提取到所需補(bǔ)償?shù)闹C波電流,,通過直流電壓閉環(huán)PI控制得到用于穩(wěn)定直流電壓穩(wěn)定的有功電流,兩種電流疊加形成逆變器的指令電流,,將指令電流均分后作為各模塊的補(bǔ)償電流給定,,與各個(gè)模塊的輸出反饋電流作差,采用滯環(huán)控制環(huán)節(jié)生成PWM信號,,經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路控制逆變器產(chǎn)生補(bǔ)償電流,。?

2? 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)?

??? 根據(jù)控制方案的特點(diǎn),,設(shè)計(jì)了以TMS320F2812型DSP為核心的數(shù)模混合控制系統(tǒng),。負(fù)載電流的檢測和運(yùn)算通過DSP數(shù)字電路實(shí)現(xiàn),,可以保證系統(tǒng)的檢測分析精確度和穩(wěn)定性,補(bǔ)償電流生成控制電路由模擬電路實(shí)現(xiàn),,可以保證補(bǔ)償電流跟蹤的快速響應(yīng)以及滯環(huán)寬度的均勻控制,。控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示,。?

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2.1 A/D采樣及DSP運(yùn)算電路?

??? 運(yùn)算芯片采用TI公司的32位定點(diǎn)數(shù)字信號處理器TMS320F2812,,該芯片帶有最小轉(zhuǎn)換時(shí)間80ns的12位ADC,可以完成負(fù)載電流以及直流電壓的采樣,;最高時(shí)鐘頻率可達(dá)150MHz,,單指令周期僅為6.67ns,可以滿足有源濾波控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)要求,。TMS320F2812負(fù)責(zé)對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析,,提取出諧波指令信號并通過D/A轉(zhuǎn)換輸出指令電流波形。?

2.2 補(bǔ)償電流生成控制電路?

??? 補(bǔ)償電流生成控制電路由模擬電路實(shí)現(xiàn),,將DSP運(yùn)算電路計(jì)算出的諧波指令與濾波模塊輸出電流反饋的差值作為滯環(huán)比較器的輸入,,形成閉環(huán)控制的PWM驅(qū)動(dòng)信號,送至驅(qū)動(dòng)電路,,控制各濾波模塊生成所需的補(bǔ)償電流,。?

2.3 電源及保護(hù)電路?

??? 電源電路由交流220V供電,產(chǎn)生控制電路元件,、電流霍耳傳感器及驅(qū)動(dòng)所需的5V電壓,, DSP所需的3.3V、1.8V核心電壓由專用電源芯片提供,。故障保護(hù)電路監(jiān)測直流電壓,、負(fù)載電流以及輸出補(bǔ)償電流,當(dāng)直流過壓,、負(fù)載輕載,、過載以及輸出過流時(shí),實(shí)施保護(hù)動(dòng)作,,封鎖IGBT,。?

3 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)?

??? DSP的程序由主程序、諧波電流檢測及計(jì)算,、直流環(huán)節(jié)PI調(diào)節(jié),、D/A轉(zhuǎn)換子程序組成。?

??? 控制電路軟件程序流程如圖4所示,,主程序完成系統(tǒng)初始化后開中斷等待,,中斷的作用是使正弦數(shù)組與電源電壓同步,,A/D轉(zhuǎn)換根據(jù)電網(wǎng)電壓的同步信號啟動(dòng),一個(gè)周波采樣1 024個(gè)點(diǎn),,采樣周期約為20μs,。為保證采樣點(diǎn)數(shù)的一致性,對電網(wǎng)同步信號進(jìn)行了鎖相,。諧波計(jì)算采用了基于鑒相原理的瞬時(shí)諧波電流檢測方法,,利用三角函數(shù)的正交性提取濾波裝置需要的最關(guān)鍵的兩個(gè)變量——負(fù)載基波電流的幅值和相位。該方法計(jì)算簡單,,容易理解,,便于編程,程序中采用隊(duì)列操作,,循環(huán)計(jì)算,,多為加、減和乘法運(yùn)算,,運(yùn)算速度快,,有利于提高濾波器的補(bǔ)償效果。?

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??? TMS320F2812對上一周期的負(fù)載電流和直流電壓采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算,,通過負(fù)載電流檢測出諧波,,并對直流電壓進(jìn)行PI調(diào)節(jié),生成控制直流電壓保持穩(wěn)定的基波有功電流,,再將諧波與基波有功電流疊加生成電流指令,,通過D/A轉(zhuǎn)換輸出至補(bǔ)償電流跟蹤電路。D/A轉(zhuǎn)換輸出與電網(wǎng)電壓同步,,每周期采樣1 024點(diǎn),。?

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果?

??? 對采用該控制系統(tǒng)的有源電力濾波裝置進(jìn)行了補(bǔ)償實(shí)驗(yàn),。實(shí)驗(yàn)條件:380V三相四線制系統(tǒng),,負(fù)載為二極管整流橋帶電阻性負(fù)載。?

??? 圖5給出了補(bǔ)償前的負(fù)載電流波形和頻譜,。采用FLUKE 43B諧波測試分析儀,。補(bǔ)償前電流THD為22.4%。主要特征諧波為3次,、5次,、7次諧波。?

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??? 諧波補(bǔ)償后的電源電流波形及頻譜如圖6所示,。補(bǔ)償后電流THD為2%,。?

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??? 圖7為直流電壓和補(bǔ)償電流波形。從圖中可以看出,,直流電壓始終穩(wěn)定在400V,,從而保證了濾波效果,。?

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??? 本文設(shè)計(jì)的有源濾波數(shù)模混合控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,,抗干擾能力強(qiáng),。采用高度集成的單數(shù)字處理器在保證信號檢測、運(yùn)算精度的基礎(chǔ)上,,簡化了電路,,縮小了控制器的體積;采用模擬電路的補(bǔ)償電流控制電路,,克服了數(shù)字電路跟蹤補(bǔ)償電流電磁兼容性差的缺點(diǎn),。?

??? 采用的諧波檢測算法計(jì)算簡單,便于編程,,也適合于三相不平衡系統(tǒng)的補(bǔ)償,,應(yīng)用范圍廣。濾波模塊單相化可以將三相共補(bǔ)與三相分補(bǔ)相統(tǒng)一,,不需改變硬件和軟件結(jié)構(gòu),,根據(jù)實(shí)際需要對各相濾波模塊參數(shù)設(shè)定即可。?

??? 采用本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)的有源電力濾波裝置,,具有濾除380V及以下配電系統(tǒng)2~41次諧波的功能,,可達(dá)到降低線路損耗、改善電能質(zhì)量的重要作用,,具有良好的工程應(yīng)用價(jià)值,。

參考文獻(xiàn) ?

[1]?AKAGI H. New trends in active filters for power conditioning.IEEE Transaction on Industry Application, 1996,32?(6):1312-1322.?

[2] 卓放,,王躍,,何益宏,等.全數(shù)字化控制實(shí)現(xiàn)的三相四線制有源電力濾波器.電工電能新技術(shù),2001,,20(3):1-4.?

[3]?Texas Instruments TMS320F2810,,TMS320F2812 digital?signal processors data manual.Texas Instruments,2003.

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