基于DSP的有源电力滤波器设计
时间：2022-06-21 05:04:39
摘 要：随着电力电子设备等非线性负载的广泛应用，其产生的谐波对电能质量产生了很大的影响。该文以TMS320F2812 DSP为核心，搭建了一种有源电力滤波器装置，对电力系统的谐波进行补偿。并介绍了系统的工作原理、同时给出了系统的硬件电路设计以及软件流程框图，目前该系统已经投入了实际应用，结果证明了该装置在改善电能质量上的可行性。
关键词：有源电力滤波器 谐波检测 DSP
中图分类号：TN713 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）08（a）-0146-03
随着我国电力电子技术的快速发展，电机、电弧炉、荧光灯、轨道交通设备等各种电力电子装置的应用越来越广泛，导致供电设施和用电设备运行状况恶化，功率因数降低，损耗增加，电能浪费。为了避免谐波的危害，保证较高的供电质量，行之有效的方案就是采用无源电力滤波器和有源电力滤波器对电力系统进行补偿。但由于传统的LC滤波器本身的缺陷，以及有源电力滤波技术的优势和快速发展，使得有源电力滤波器在谐波抑制中的作用越来越明显。与传统LC滤波器相比，APF具有如下优点：动态补偿、响应速度快以及平衡负载等。因此有源电力滤波器能够获得更好的滤波效果，为此该文设计了一种以TMS320F2812 DSP为控制核心的有源电力滤波器装置对电网中的谐波进行动态补偿。
1 系统原理及硬件结构设计
有源电力滤波器的基本原理如图1所示，其基本原理是：首先利用电流互感器检测出电网中的谐波电流，然后根据得到的谐波分量发出PWM信号给IGBT，实时调整IGBT的导通与关断，主电路受驱动电路控制产生与负载中的谐波一致的谐波，对负载产生的谐波进行补偿，从而通过电网电流的谐波分量与补偿电流之间的相互抵消来达到净化电网、节省电能的目的。
本系统主要由控制系统模块和主电路模块组成。
1.1 控制系统模块
控制系统是有源电力滤波器的核心部分，它直接决定了有源电力滤波器的补偿性能的好坏。为了满足有源电力滤波器控制系统实时性和准确性的要求，该文采用了DSP+FPGA为核心的数字化控制系统。该控制系统硬件电路主要由数据采集模块、核心控制模块、通信模块、驱动模块以及保护电路模块等辅助电路组成。该系统的电路框图如图2所示。
数字采集模块的作用是采集电网中的电压、电流等模拟信号。为了提高采样精度，该系统并未采用TMS320F2812内部集成的12位ADC，而是使用了TI公司的ADS8555芯片进行采样。该芯片包含一个6通道、16位逐次逼近型模数转换器，每个通道都包含一个能够完成同步高速多通道采样的采样保持电路。在信号转换中，各个通道是相互独立的，各个通道的转换结果的状态互不影响。6个通道的转换受片内时序控制器控制，每个通道的采样保持放大电路的输出从1至6通道依次进行转换，当所有通道全部转换完成后，系统将产生一个中断信号，对RD引脚依次施加读脉冲信号，以读出内部数据。
核心控制系统模块，主要由一片高性能DSP芯片TMS320F2812和一片FPGA芯片EP3C10E144I8以及相关电路组成。其作用是将数据采集模块输出的电压、电流等模拟信号转换为可被计算机处理的数字信号，然后通过一定的控制算法得到补偿电流，接着生成IGBT驱动信号对主电路进行控制。并且其还要根据不同的故障状态产生不同的保护动作，协调系统内部的逻辑、扩展IO接口、简化电路等功能。
电流检测电路主要负责利用霍尔传感器对APF输出的补偿电流、负载电流转换到控制系统采样的范围。检测元件采用LEM公司生产的HAX 600-S电流霍尔传感器和LV25-1000电压霍尔传感器，把电网电压及线路电流变成弱电信号，通过调理电路输入ADS8555转换芯片。
隔离驱动模块的作用是将核心控制模块产生的光脉冲信号转换为电脉冲信号，同时经过功放处理后，最终输出PWM信号，实现对逆变主电路IGBT的驱动控制。
硬件保护电路，为了保证有源电力滤波器装置可靠稳定的运行，该装置需要有完善的保护系统。当其发生驱动板过压或欠压、驱动板超温、待补偿负载电流波动太大、IGBT短路等故障时，相应的检测电路检测到故障信号，经过处理后发出报警信号，进而控制有源电力滤波器停止工作，达到其保护作用。
1.2 主电路模块
主电路采用三相电压源型逆变器结构，逆变器输出端经滤波电感与电网连接。如图3所示，其中L1-L3为滤波电感，HAT1-HAT3为霍尔电流传感器，C1-C6为突波电容，C7-C12为直流母线电容，Rz为均压电阻，PT为霍尔电压传感器；由于直流侧电容的电容量较大，当直接合闸充电时，有可能烧坏IGBT开关管等器件，因此要通过并联限流电阻来抑制启动电流，实现对直流侧电容电压的缓慢充电。当直流母线电压达到设定的750V时，核心控制模块发出控制信号，将限流电阻支路短接，使系统进入正常运行状态。
2 软件设计
系统软件主要流程图如图4所示。系统软件主要由主程序和中断子程序组成。中断子程序又包括电流检测、PWM驱动控制、电网频率检测、数据采集等。
3 实验结果
完成系统的设计、搭建后，如图5所示，为对某公司进行谐波治理前后所获得的测试数据。在变压器低压400V母线负载侧并联安装有源电力滤波器，就地补偿光伏逆变器在运行过程中产生的谐波。从图5中可以看出，补偿前电网电流含有大量的谐波成分，经过APF补偿后，电网电流中的大部分谐波被抵消或减少，避免了负载大量的谐波电流注入到电网中，造成对电网电流的污染。
4 结论
该文以TMS320F2812 DSP为核心，搭建了有源电力滤波器系统的硬件结构，并编写了相应的软件程序，完成了谐波电流检测测试和补偿测试。并研究了并联型有源电力滤波系统对供电系统谐波抑制的效果。结果表明本装置具有良好的谐波抑制和无功补偿性能，可以实现谐波污染抑制功能。当前，该有源电力滤波器装置已在一些低压配电系统中投入运行，并取得了良好的运行效果。
参考文献
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