基于DSP的有源电力滤波器设计.pdf

2 0 1 4年第 4期 工业仪表与 自动化装置 2 3 基 于 DS P的有 源 电力 滤 波器 设 计 王彩霞 ， 周志文 ( 西北民族大学 电气工程 学院， 兰州 7 3 0 0 3 0 ) 摘要： 随着非线性负载的大量接入和电力系统自身的发展 ， 电力系统中的谐波污染日益严重， 谐波影响着电力系统的可靠、 安全、 经济运行， 同时对电力用户也造成潜在的威胁。该文设计了以 T M S 3 2 0 F 2 8 1 2型 D S P为核心的有源 电力滤波器对 电力 系统 的谐波进行 了补偿。完成硬件 电路 的 搭建和软件程序编制， 对性能、 参数进行了测试， 测试结果表明设计的滤波器具有电路结构简单、 补 偿效果好等优点。 关键词 ： 有源电力滤波器； 谐波 ； D S P； 电压矢量控制 中图分类号 ： T M4 6 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 0 6 8 2 ( 2 0 1 4 ) 0 4 0 0 2 3 0 3 The de s i g n o f a c t i v e p o we r fil t e r ba s e d o n DS P W ANG C a i x i a ，Z HO U Z h i we n ( C o l l e g e o fE l e c t r ic E n g i n e e r i n g， N o n h w e s t Mi n o r it i e s U n i v e r s i t y ， L a n z h o u 7 3 0 0 3 0 ，C h i n a ) Abs t r a c t： Al o n g wi t h t h e a c c e s s o f no n l i n e a r l o a d a n d t he d e v e l o p me n t o f e l e c t r i c p o we r s y s t e m ，t h e h a r mo n i c p o l l u t i o n i n p o we r s y s t e m i s d e t e r i o r a t i n g Ha rm o n i c n o t o n l y a f f e c t s t he r e l i a b i l i t y，s a f e t y a n d e c o n o mi c o p e r a t i o n o f p o we r s y s t e m b u t a l s o p o s e s p o t e n t i a l ri s k s t o p o w e r u s e r s An a c t i v e p o w e r fi l t e r wi t h TMS 3 2 0F 281 2 DS P a s t h e c o r e i s d e s i g n e d f o r ha rm o n i c c o mp e n s a t i o n f o r p o we r s y s t e mAf t e r t h e h a r d wa r e c i r c u i t c o n fig u r i n g，s o f t wa r e pr o g r a mmi n g a n d c i r c u i t d e b ug g i n g，t he s y s t e m pe r f o r ma nc e s a nd p a r a me t e r s a r e t e s t e d a n d s t u d i e d T h e t e s t i n g r e s u l t s s h o w t h a t t h e d e s i g n e d fi l t e r h a s t h e a d v a n t a g e s o f s i mp l e c i r c u i t s t r u c t u r e a nd g o o d c o mp e n s a t i o n e ffe c t Ke y wo r d s ： a c t i v e p o w e r fi l t e r ( A P F ) ； h a rmo n i c ； D S P； v o l t a g e v e c t o r c o n t r o l 0 引言 电力系统 中谐波的产生有两个原 因， 一个是 由 接入系统的非线性负载产生的， 这类负载的伏安特 性不是线性的 ， 即使加在其两端的电压是理想 的正 弦， 通过的电流也不是正弦 ， 含有谐波 ， 使得 电力系 统的电能质量受到了严重影响。另一个是电力系统 自身的发展所产生的， 如高压直流输电技术的应用 ， 对 电力 系统带来 的污染也 日益严重 。随着电力系统 自身的发展和用电设备的不断更新 ， 预计谐波对终 端用户侧的影响将会越来越严重。因谐波干扰所引 发的公用电网供电质量 日趋恶化， 严重的威胁着整 收稿 日期 ： 2 0 1 31 0 2 1 基金项目： 西北民族大学中央高校基本科研业务费专项资金资 助项 目( 3 1 9 2 0 1 3 0 0 1 3 ) 作者简介 ： 王 彩霞 ( 1 9 7 4 )， 女 ， 河南 荥 阳人 ， 硕 士 ， 副 教授 ， 主要 研究方向为控制理论， 计算机控制系统分析设计等。 个电力系统的可靠运行 。 传统的抑制谐波的方法是无源滤波技术， 由电 阻、 电力 电容器 和电抗 器等器件构成 L c无 源滤 波 器， 与需要补偿的负载并联。无源滤波器具有结构 简单、 使用方便的优点， 但也存在如 L c滤波器只能 抑制固定次 的谐波 ， 且在一定频率谐波条件下会产 生谐振 ， 反而使谐波放大 ， L C滤波器滤波特性受系 统参数 的影响较大等缺点 。尽管如此 ， L C滤波器仍 然是 目前补偿谐波主要方法。 近几年随着 电力 电子技术 的发展 ， 出现了用 电 力电子变流器构 成有 源 电力 滤波器 ( A c t i v e P o w e r F i l t e r ， 简称 A P F ) 对电力系统的谐波进行补偿。与 传统无源滤波器相比， 有源滤波器具有如下明显的 优越性能 ： 1 ) 能够迅速地对变化的谐波进行动态跟踪补 偿 ， 补偿效果不受电网特性的影响， 不会和电网发生 谐振， 补偿后畸变率很低且功率因数接近 1 ； 2 4 工业仪表与 自动化装置 2 0 1 4年第 4期 2 ) 可同时对谐波 、 无功功率及不对称的三相电 路负序电流进 行补偿 ， 补偿 特性 不受 电 网阻抗 的 影 响 ； 3 ) 既可以对一个谐波源进行单独补偿 ， 也可对 多个谐波源同时进行集中补偿 ； 4 ) 谐波补偿时所 需储能元件 ( 大电容 ) 的容量 无需很大就能满足要求 。 因此 A P F不但可以获得 比 L C滤波器更好 的滤 波效果 ， 而且随着大功率 电力 电子器件发展 ， 电路性 能的提升 ， 理论 的完善 ， 电力电子技术应用的不断拓 展， 元器件集成技术的进步， 利用 A P F对电网谐波 进行补偿或对非线性谐波源进行补偿将是今后谐波 补偿技术的发展趋势。该文设计 了以 T M S 3 2 0 F 2 8 1 2 型 D S P为控制核心的有源电力滤波器对 电力 系统 的谐波进行补偿。 1 有源电力滤波器工作原理 有源电力滤波器的结构如图 1 所示 。图中 e为 三相供电电源， 含有谐波源负载。电流检测电路用 于检测 出负载电路中的谐波电流的大小 ， P WM电路 用 于控制逆变电路 中的开关器件 ， 主电路是能够实 现双向功率传输 的逆变电路 ， 产生 的谐波 电流对负 载电路中的谐波分量进行补偿 。 图 1 有源电力滤波器系统结构 输人到该电路中的电网电流 是负载电流 和 补偿 电流 ， 。 的代数和， 即 I s=I L I C 如果通过控制电路使 能够完全跟踪给定电流 ， c ， 即 ， c =， 。 ， 那么 l s = l Ll c 由于 是检测 电路从电流 中检测 出的谐波 电流分量 ， ， 因此 l c ：l n 因为 = 厶+ ， n ， 为基波电流分量， 所以 = I n = ， n 。 通过 以上分析可知 ， 有源电力滤波器通过产生 与原电路中相同的谐波电流分量反相迭加到原系统 中， 通过谐波的相互抵消进行补偿。因此有源滤波 技术的关键是谐波 电流的检测 和逆变控制 ， 即通过 控制开关管产生与给定相 同的电流 。 谐波 电流检测是电力滤波器能够工作的前提条 件 ， 检测的结果直接影响到整个系统补偿性能， 谐波 电流检测 一直是该领域研究 的热点 J 。 目前 有多 种谐波电流检测的方法 ， i p i 谐波电流检测方法在 电 网电压有畸变或电压、 电流存在不对称情况时仍能 准确检测 出电路的谐波 电流 ， 即电压畸变不影 响谐 波电流检测 。 在电力有源滤波器控制 中常用的控制方式为跟 踪控制法， 另外还有无差拍控制法、 滑模控制、 电压 空间矢量控制法( S V P WM) 等 。电压空间矢量控 制法已成为逆变器控制的研究热点 ， 相应的新方案 、 新思路不断出现。目前主要分为两种 ： 其一是基于 固定开关频率的电流控制 ； 其二是利用 电流滞环控 制的 S V P WM， 该 方法提高 了直 流电压的利用 率和 系统的动态响应性能。该设计采用 i i q 运算方式检 测谐波电流 ， 采用不定频双滞 环 S V P WM控 制方式 控制开关管 ， 实现谐波的补偿 。 2 控制 系统的实现 有源 电力滤波器硬件电路框 图如 图 2所示 J ， 由主电路和控制电路构成。主电路为三相电压型逆 变电路 ， 图中开关管选 用德 国西 门康二单元 I G B T， 型号为 S K M1 0 0 G B 1 2 4 D， 参数为 1 2 0 0 V 1 5 0 A， 与 主 电路 连接 的 电感 =6 m H， 直 流侧 电容 为 C= 1 0 0 00 F。 图 2 有 源电力滤 波器 电路框 图 控制电路以 T MS 3 2 0 F 2 8 1 2型 D S P为控制核心 ， 实现对逆变器开关的驱动控制 j 。根据图 1的控制 原理， 谐波计算需要检测线路电流和电网电压， 根据 检测到的谐波电流通过控制算法产生 I G B T驱动信 号 ， 对主电路的开关管进行控制 ， 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。当发 生过电流、 过电压等故障时， 系统检测到故障状态立 即给出故障指示 ， 同时产生中断进行保护处理。 利用瞬时无功功率理论计算谐波电流时， 需要 知道线路 电流 的瞬时值 和 A相 电 网电压 的相 角。 霍尔传感器不仅可以测量交 、 直流信号且可 以测量 2 0 1 4年第4期 工业仪表与自动化装置 2 5 高电压、 大电流信号， 输出信号与主电路隔离。因此 检测元件选用了 L E M公司生产的闭环 L V 2 5一P电 压霍尔传感器和 L A 5 5一N P电流霍尔传感器 ， 把 电 网电压 及线路电流 ， 变成弱电信号， 通过调理 电路输入 D S P中的 A D转换器 。 由于过零鉴相开环锁相环电路在电网电压存在 谐波时过零点处存在振荡 ， 不能正确锁相。A相 电 网电压锁相电路采用了集成电路 C D 4 0 4 6 来实现， 该芯片包含鉴相器和压控振荡器， 使用时外接低通 滤波器。此外还包括电容电压控制、 保护电路等。 3 控制 系统软件设计 软件设计主要包括系统初始化 ， 电网 A相 电压 锁相， 三相电流采样， 控制算法实现， 逆变器控制脉 冲信号生成， 故障处理等功能。按照结构化、 功能化 程序设计的思路 ， 控制系统主程序流程如图 3所示。 幸 I 初 始 化 I 叫 I 控 制算 法实 现I l 中 断 使能I 1L | r 产 生开关制 脉冲并 输出 I A 相电 压 检 测并 锁 相l 电容电压检测 线 路 电 流 检 测 固 J一 图 3 系统主程序流程图 程序在初始化后根据电网电压频率循环启动电 压锁相环节， 不断地完成线路电流采样， 计算谐波大 小 ， 根据不定频双滞环 的 S V P WM控制方式生成逆 变器开关控制信号 ， 通过对 主电路开关的控制 实现 谐波的补偿 ， 通过补偿滤除原系统 中的谐波。主程 序中还包括故障判断、 运算结果判断等。其他部分 程序 的设计由于篇幅所限 ， 不再详细介绍 。 4 实验结果 完成系统的设计 、 搭建后 ， 在实验室对检测 、 锁 相、 控制、 信号输出等各环节进行了调试。系统运行 正常后测试了各项性能指标 。将测试结果与仿真结 果进行了比较， 各项指标均一致 。 图4所示是驱动电路输 出的同一桥 臂上、 下 2 个开关管的 P WM控制信号波形， 从图中可以看到 上下 2个波形互补输出， 死区时间控制合理， 脉冲边 沿陡峭 ， 满足 I G B T通断控制的要求 。 CHI CH2 M 2 5 0,u s CH2 一 1 1 7V 2 0 0V 2 0 OV 1 OHz 图4 功率管控制信号 图 5是检测到 的其 中一相的谐波补偿 电流波 形 ， 该结果与仿真电流波形一致。 CH1 5 0 0 mV M 5 O O mS CH】 0 O O V 图 5 谐 波电流波形 图 6是经补偿后测得 的一相电流波形 ， 基波 电 流按照正弦波规律变化， 频率为 5 0 H z ， 与仿真结果 一 致 。补偿达到了预期的 目的 ， 补偿效果好 。 CH1 图 6 负载基波电流波形 5 结论 随着用 电需求的进一步增大， 新的发 电技术 的 不断出现和并网， 电力系统 自身的谐波问题越来越 严重 ， 同时随着电力技术应用的普及 ， 非线性变流装 置的应用越来越广泛 ， 其产生 的谐波进一步加剧了 ( 下转第 3 9页) 2 0 1 4年第 4期 工业仪表与自动化装置 3 9 3 2 部分测试程序 检测装置可以对控制盒进行减摆功能检测 、 左 转弯操纵检测 、 右转弯操纵检测、 控制律电路检测 、 状态切换检测、 B I T电路检测 、 操 纵灵 敏度检测 、 灯 光控制检测 ， 共 8项。 检测程序流程如图 5所示。 接通前起落架， 放下终点开关信 号、 轮载开关信号， 接通转弯电路。 一 接通控制律选择开关 r 输入指令传感器信 号 一 l 输 入 相匹 配 的 反 馈 传 感器 信号l Y Y 停 止检测， 示结果 果 接通前起落架， 放下终点开 关 信号、轮载开关信 号 葫 一一厂 一 Y f 向 控制盒发出B I T启动信 号 l向 控制盒发出检测点地 由臣 蝈 一 一 l 停止检 测 ， 显示 结果 控制律电路检测流程 B I T电路检测流程 图 5 检测程序流程图 控制律电路检测是用来测试前轮转弯操纵系统 的控制律增益是否符合要求。当飞机处于起飞或着 陆阶段， 在地面高速滑跑时， 应该选用低增益控制 律； 在地面机动转弯时， 应该选用高增益控制律。 B I T电路检测是 用来启 动 B I T程序 ， 检查 B I T 电路是否正常。 4 测试结果 经过实际测试， 实现了输入信号幅度的无级可 调； 电压的测量精度达到0 0 0 1 V； 电流的测量精度 达到0 0 1 m A； 实现了与上位机的实时通信， 数据的 实时存储。测试表明 ， 该装置可准确地对控制盒内 检测点测量， 在控制律电路检测中可根据用户设置 对多个 点 进行 测试。系统工 作稳 定 ， 达 到 了设计 要求。 5结束 语 基于 L P C 2 2 9 2微处理器和 I C O S一操作 系 统 的前轮操纵系统检测装置 ， 与原有的检钡 0 仪相 比， 体积小， 便携性强， 可靠性高， 实时性好， 功能更全 面， 拥有人性化的交互界面， 操作简便。测试结果表 明， 该装置 自动化程度高 ， 可 全面测试 ， 也可选择性 测试 ， 缩短了飞机维护时间 ， 提高了维护效率 。 参考文献： 1 杜红兵， 李珍香 进近着陆运输飞行事故原因及预防对 策研究 J 中国安全科学学报， 2 0 0 6 ， 1 6 ( 6 ) ： 1 1 81 2 2 2 李春林 ， 程健 基于 A R M和 n R F 2 4 0 1的嵌入式无限网 络测控平台 J 自动化仪表， 2 0 0 7 ， 2 8 ( 8 ) ： 81 5 3 周立功A R M嵌入式系统基础教程 M 北京 ： 北京 航空航天大学出版社， 2 0 0 5 4 陈增万， 戴义保 ， 刘冠宇 基于 A R M的分离轴承调心 力检测仪 J 仪表技术与传感器 ， 2 0 1 0 ( 1 ) ： 6 7 7 0 5 何伟 不燃性材料性能测试系统的研究与实现 D 南 京 ： 东南大学， 2 0 0 9 6 L a b r o s s e J J 嵌入式操作系统一 I C O S一 M 邵贝 贝 ， 译 北京 ： 北京航空航天大学 出版社 ， 2 0 0 3 ( 上接第 2 5页) 电网中谐波的含量。该文通过搭建硬件平台， 编写软 件程序， 完成相关调试， 研究了并联电压型有源电力滤 波器对供电系统谐波补偿的效果。结果表明采用所设 计的有源电力滤波器对供电系统的谐波进行补偿， 大 幅度降低了电网的谐波含量， 提高了供电的质量。 参考文献： 1 王兆安， 刘进军 电力电子技术 M 北京： 机械工业 出版社， 2 0 0 9 2 曲学基 ， 曲敬铠， 于明杨 电力电子滤波技术及其应用 M 北京： 电子工业出版社 ， 2 0 0 8 3 马安仁 基于 D S P与 F P G A的电力系统瞬时无功功率 及谐波检测的研究 D 兰州理工大学， 2 0 0 7 4 张兴 ， 张崇巍 P WM整流器及其控制 M 北京： 机械 工业 出版社 ， 2 0 0 1 5 张琦 ， 李敏远 4 0 0 H z 逆变 电源全数字控制系统研究 J 电力电子技术 ， 2 0 0 8 ( 9 ) ： 4 5 4 6 6 郑红， 王鹏 ， 董云风 D S P应用系统设计实践 M 北 京 ： 北京航空航天大学出版社， 2 0 0 6