基于DSP并聯有源電力濾波器的研究

隨著電力電子技術的迅猛發展，電力系統中非線性負荷大量增加，各種非線性和時變性電子裝置如逆變器、整流器及各種開關電源的應用越來越廣泛，由此帶來的諧波和無功問題日益嚴重。采用電力濾波裝置就近吸收非線性負載所產生的諧波和無功電流，是抑制諧波和無功污染的有效措施。目前大量采用并聰型無源電力濾波器(PPF)來抑制諧波，PPF具有投資少、效率高、結構簡單、運行可靠及維護方便等優點，但是其本身固有的缺陷限制了其發展。與PPF相比，有源電力濾波器(APF)具有高度的可控性和快速響應性，其特點是不僅能夠補償各次諧波，還可以抑制閃變、補償無功；不受系統阻抗特性的影響，可消除與系統阻抗發生并聯諧振的危險；具有自適應能力，可自動跟蹤補償變化著的諧波。本文主要研究并聯型APF。
1 工作原理

有源電力濾波器系統構成原理如圖1所示。

圖中Vs表示交流電源，負載為非線性的諧波源，它產生諧波并消耗無功功率。有源電力濾波器系統由兩大部分組成，即指令電流運算電路和補償電流發生電路。其中，指令電流運算電路(即諧波和無功電流檢測電路)的主要功能是從補償對象的電流中提取所需的諧波和無功等電流分量。補償電流發生電路由電流跟蹤控制電路、驅動電路和主電路三部分構成，它的作用是根據指令電流運算電路得出補償電流的指令信號，構造實際的補償電流。主電路目前均采用PWM變流器，在產生補償電流時，主要作為逆變器工作。

圖1所示APF的基本工作原理：實時檢測補償對象的電壓和電流，經指令電流運算電路計算得出補償電流(諧波和無功電流)的指令信號，該信號經補償電流發生電路放大，得出補償電流，補償電流與負載電流中要補償的諧波及無功電流大小相等、相位相反、相互抵消，最終得到期望的電網電流，使電網電流成為與電壓同相位的正弦波，從而達到抑制諧波，補償無功的目的。上述原理可用一組公式來描述：

2 硬件電路設計

指令電流運算電路的核心是DSP，運用擴展dq算法檢測負載電流中的諧波和無功分量，并根據無功補償和諧波抑制裝置的補償目的得出補償電流的指令信號。補償電流發生電路則產生跟蹤指令電流的補償電流以達到補償諧波和無功的目的。控制系統的硬件主要包括DSP控制芯片、D／A與A／D電路、采樣周期信號發生電路、非線性負載電流的檢測與調理電路、三角波比較電路、驅動電路和直流側電壓控制與均壓控制電路。如圖2所示，系統通過電流傳感器檢測非線性負載的電流iLa，iLb和iLc，經電流信號調理后送入DSPTMS320F2812的A／D端口。驅動電路接收來自DSP的PWM信號并經隔離和放大后驅動主電路的開關管，以控制主電路電流跟隨指令電流的變化。2個電壓傳感器分別檢測變流器直流側的總電壓和上部電容電壓，經電壓信號調理電路后送入DSP，通過合理的控制以調節直流側電壓的穩定以及上、下電容電壓的均衡。啟動、關斷和保護模塊按一定的時序控制裝置的啟動和關斷，并提供裝置的過流、過壓、過熱、缺相等故障保護功能。