基于FPGA的模块化有源电力滤波器研究

【摘 要】本文针对大容量非线性负载谐波补偿问题，提出了基于FPGA的有源电力滤波器（APF）模块化控制策略，给出了系统结构拓扑，详细阐述了控制系统的硬件电路和软件设计。实验结果证明，所提出的模块化有源电力滤波器方案适用于大容量谐波补偿，并可以提高系统的稳定性和安全性。

【关键词】有源电力滤波器；模块化；均流控制；FPGA

0 引言

随着非线性负载在配电网中的应用日益广泛，电能质量严重恶化，而工业发展对电能质量提出了更高的要求，对电网谐波的限制也越来越严格[1]。有源电力滤波器（APF）是解决谐波问题的理想设备，理论上可以补偿任意次数的谐波电流和无功功率，具有良好的动态性能，受到广泛的关注。单因其造价和技术原因，特别是容量的问题，在大功率应用领域受到制约[2-3]。

目前，大容量APF的研究取得了较多成果如混合型APF，但因其无源部分参数设计难度大，而且容易发生谐振等缺陷，缺乏通用性；多电平APF具有单机容量大的优点，但电路控制不仅复杂而且对可靠性要求很高，价格也比较昂贵。多模块并联APF则比较灵活，可以应用于不同容量的谐波抑制场合，而且有利于标准化大规模生产。[4-5]

本文提出基于FPGA为核心控制芯片的新型模块化APF，FPGA具有设计灵活、速度快、不受干扰的特点；按模块容量比例均流控制策略不仅可以增加了设备谐波补偿的能力，而且提高了设备的可靠性和安全性。实验结果验证了理论分析的正确性。

1 原理、结构和控制方法

本文中的有源电力滤波器实现完全模块化，基本结构如图1所示，装置由两部分组成：一为装置的控制系统；二是装置的功率模块。其中功率模块中集成了一个模块级别的FPGA控制系统、IGBT功率模块、直流侧并联电容和交流侧接入电感。各个模块之间为并联连接，当单个模块的容量不能满足系统谐波补偿要求，装置需要扩容时，只要增加装置的功率模块就可以了，使得装置可以广泛适用于各种不同容量的谐波抑制场合。

APF控制系统包括指令电流运算、补偿电流跟踪控制以及PWM驱动电路环节。根据APF工作原理知，模块化APF控制系统应当满足以下要求：（1）能够快速、准确地检测出系统电流的谐波成分、计算出指令电流；（2）能够良好地控制各个功率模块产生动态跟踪的高精度补偿电流；（3）功率模块直流侧电容电压保持稳定；（4）能够让各个滤波模块合理分担补偿电流。[6]

图1 模块化APF基本结构

按照其控制系统的要求，图2给出了模块化并联型APF控制系统的控制方法原理图，其中：

C=sinωt -cosωt-cosωt -sinωt（1）

C■=■1 -1/2 -1/20 ■/2 -■（2）

C■=C■■（3）

其谐波电流检测及补偿电流控制方法为：

（1）对电网电压进行采样，低通滤波锁相后形成与电网电压同步的正弦、余弦信号。用于谐波电流监测运算，同时保证电流采样时刻也与该正弦、余弦信号同步。

（2）三相负载电流经基于瞬时无功理论的谐波运算提取到所需补偿的谐波电流，经过直流侧电压闭环PI控制得到用于稳定直流电压的有功电流，两种电流叠加形成逆变器的指令电流，将指令电流均分后作为各个模块的补偿电流给定，与各个模块的输出反馈电流作差，采用滞环比较控制环节形成PWM信号，经驱动电路控制逆变器产生补偿电流。

图2 APF算法框图

2 控制系统硬件设计

因为有源电力滤波器对信号处理的实时性要求特别高，所以本文设计了以Xilinx公司的Spartan3E型FPGA为主控芯片的控制系统。它由数据采集单元A/D、基于FPGA的主控单元及片外存储器组成。FPGA是具有极高并行度的信号处理引擎，能够满足算法复杂度不断增加的应用要求，通过并行方式提供极强的信号处理能力，速度快、实时性强。[7]

2.1 数据采集

A/D转换芯片采用的是Analog Devices公司的AD7865芯片，他是一款高速多通道数据采集芯片，具有四个采样/保持通道和一个快速A/D转换单元，可以实现同步采样；支持双极性模拟输入，抗混叠滤波电路输出的5V之内的信号可直接送入采样电路，无需转换电平，大大简化了硬件电路，有效减少了因信号转换电路带来的额外误差。图3 给出了AD7865与FPGA的接口电路。

图3 AD7865与FPGA接口电路

2.2 电源及保护电路

电源电路由交流220V供电，产生控制电路元件、电流传感器及驱动所需的5V电压。FPGA所需的3.3V、1.2V核心电压由专用电源芯片提供。故障保护电路监测直流电压、负载电流以及输出不畅电力，当直流过压、负载过载以及输出过流时，实施保护动作。

3 控制系统软件设计

FPGA主要功能是协调整个系统的工作并完成运算和控制功能，包括控制A/D转换的启动和停止、读取A/D转换结果至block RAM中缓存、实现采样算法、并实现数字化PI控制器、输出PWM脉冲。

在设计中采用Verilog DHL硬件语言，进行模块化设计，以加快处理速度，模块通过接口被其他模块调用。

3.1 谐波计算

先设计一个计算控制寄存器（COMUTER-CONTROLC），用于计算的时序控制，当寄存器上升沿时，启动计算程序，先从RAM中读取电流的三个采样值，进行基于瞬时无功理论的三相到两相坐标变换，然后读取sin， cos值并计算得到ip、iq。

图4 FPGA中谐波计算模块调用关系

3.2 电流控制与直流侧电压控制

输出电流闭环控制是控制系统的一个重要组成部分，对设备的响应速度、电流跟踪精度影响很大。三相独立滞环电流控制具有结构简单、响应速度快、跟踪精度高和稳定性好等优点，并且对三相不平衡系统的补偿效果较好，因而应用较广。FPGA易于实现灵活的置换电流跟踪控制与功能完整的驱动脉冲调理功能。图5给出了A相驱动脉冲生成与保护电路框图。

图5 驱动脉冲生成与保护电路结构

直流侧电容电压到达给定值前，直流电压稳定标志无效，输出稳定控制模块的脉冲信号，电容继续充电；直流电压稳定到给定值后，电压稳定标志有效，PI调节器的计算结果经过滞环电流跟踪模块输出脉冲信号，APF正常工作。

A相脉冲信号经最小脉宽封锁与四驱时间调整模块处理后，输出为驱动功率模块上下桥臂的两路信号Ug1和Ug4。保护模块由纯逻辑电路硬件实现。当主电路出现过流、过压等故障时，控制器可以迅速封锁驱动脉冲的输出，及时有效地保护功率器件。保护动作滞后时间很短，只与器件的不限延迟和决断时间有关。

4 实验结果

利用所研制的有源电力滤波器装置进行了补偿实验。实验条件：380V三相四线系统，负载为三相整流桥接电阻负载。

图6给出了实验电流波形及频谱图。采用FLUKE 43B谐波测试分析仪。补偿前电流THD为13.72%，补偿后THD为1.25%。

（a）补偿前电流波形及频谱

（b）补偿后系统电流波形及频谱

图6 实验电流波形及频谱图

5 结语

本文介绍了以FPGA为核心控制芯片的模块化有源电力滤波器，给出了系统结构拓扑，完成了控制系统软硬件设计，并进行了谐波补偿实验。实验结果证明本文提出的模块化结构、控制系统设计的正确性，并且模块化有源电力滤波器具有优秀的滤波功能，可达到降低线路损耗、改善电能质量的重要作用，具有良好的工程应用价值。

【参考文献】

[1]肖国春，刘进军，王兆安.电能质量及其控制技术的研究进展[J].电力电子技术，2000，36（6）：58-60.

[2]王兆安，杨君，刘进军.谐波抑制和无功功率补偿[M].北京：机械工业出版社，1998.

[3]蒋平，邓俊雄，曹莹.一种先进的电网谐波检测方法[J].电工技术学报，2000，15（6）：70-74.

[4]杨振宇，赵剑锋，唐国庆.多台并联型APF联合补偿协调控制[J].电力系统及其自动化学报，2006，18（6）：32-37.

[5]鞠建永，陈敏，徐君，等.模块化并联有源电力滤波器[J].电机与控制学报，2008，12（1）：20-25.

[6]商少峰，涂华军，陈海永.模块化并联型有源电力滤波装置的数模混合控制系统[J].测控技术与仪器仪表，2008，34（7）：82-87.

[7]高书莉，罗朝霞.可编程逻辑设计技术及其应用[M].北京：人民邮电出版社，2001.