有源电力滤波器的定频滞环空间矢量控制策略研究

薛博文

（西安铁路职业技术学院 电气工程系，陕西 西安 710016）

有源滤波器（APF）作为动态抑制谐波与无功补偿装置，能够对频率与幅值均变化的谐波具有实时跟踪能力，并对单次、多次谐波及无功源的集中补偿[1]。目前针对APF有滞环电流与三角波电流控制两种策略[2]。前者控制精度高且响应快但开关频率波动大；后者开关频率恒定但响应慢且控制精度较差。而基于空间电压矢量（SVPWM）滞环电流控制策略是在滞环电流控制策略基础上，采用双闭环控制（电压外环和电流内环）。电压外环控制APF直流侧电压，使其稳定在一个合适范围；电流内环按电流指令进行电流控制，使补偿电流跟随指令电流信号。因此，APF内环电流控制策略可作为一种复合控制法，通过控制VSR空间矢量实时切换，使电流误差被限制在给定的环宽内，从而获得电流的高精度控制。该方法将SVPWM控制策略的电压利用率高和滞环电流控制策略的响应速度快等特点相结合并兼顾了滞环控制和空间矢量的优点，提高了APF谐波抑制及补偿性能。

本文即通过设计APF控制系统验证定频滞环SVPWM控制策略应用到有源电力滤波器（APF）中的谐波抑制与无功补偿效果。

1 APF的控制系统设计

控制系统是基于DSP构成的APF系统设计的。本文将根据TDS320LF2407 DSP芯片设计控制系统的硬件、主电路与软件部分。

1.1 控制系统设计

控制系统原理结构如图1所示，由电压、电流采集调理电路，数字信号处理器DSP，驱动隔离放大电路组成。系统采用TMS320LF2407A作为主控芯片[3]，下面分别介绍。

图1 控制系统硬件结构Fig.1 The control system hardware structure

1.1.1 TMS320LF2407芯片

系统的主控芯片TMS320LF2407具备4个可编程定时器，8个I/O口方便输入输出。主要硬件有：32位中央算术单元、8个16位辅助寄存器，2K×16位字片内数据存储器、32K×16位字片内FLASH程序存储器空间；64K×16位字I/O空间、6×8位I/O接口等。

1.1.2 信号采集与调理

根据APF系统参数的设计要求，应检测系统接入点即电网三相电压（ua、ub、uc）与负载三相电流（iLa、iLb、iLc）6 个参数。 利用霍尔传感器将该参数信号转换为相应信号。对于TV（压互）选型为 TV19E、变比 5 mA/5 mA、采样电阻390Ω；TA（流互）选型为TA19E、变比5 mV/5 mV、采样电阻390Ω。

1.1.3 ADC模块

TMS320LF2407芯片具有两个ADC模块，每个模块由一套采样保持电路与8路模拟输入信号选通电路组成并含有两级转换结果寄存器。输入引脚采样信号电压范围为（0－3.3 V）。采样两个ADC模块可同步工作。即信号可被同时转换、单次转换或连续转换。转换启动时刻由系统软件、内部事件管理器（EVA/EVB）中多个事件源与外部触发决定[4]。

1.1.4 IGBT隔离驱动与保护电路

IGBT隔离驱动电路能够将控制器输出信号转换成一定功率的驱动信号，保证IGBT能够可靠地通断。

功率保护电路应能保证IGBT可靠工作，实际应用中可采用DSP芯片的功率驱动保护引脚PDPINITA完成。当出现故障现象时，该引脚可由高电平转低电平，使PWM输出为高阻态，达到保护目的。脉冲封锁电路利用两个DSP控制端口实现PWM脉冲封锁使能，保证当硬件保护电路信号出现异常时，比较器输出低电平，直接封锁PWM脉冲。其中LOCK为硬件保护信号，DVR为IGBT触发驱动脉冲电源信号。

1.2 主电路设计

本文设计一台容量为10 kVA的并联型有源滤波器（APF），工作电压为三相三线电压380 V，具有谐波、无功补偿、谐波与无功综合补偿功能，如图2所示。

图2 实验装置电路拓扑Fig.2 The experimental device circuit topology

1.2.1 设计依据

针对APF容量、额定电压与所滤除谐波次数等参数设计。其中容量由下式确定。

式中：U为接入点电网相电压有效值，IC为APF发出的补偿电流有效值。实验平台为10 kVA的APF，由公式（1）可求出APF发出的补偿电流IC[5]。因此：IC=S/3U=15 A。

1.2.2 功率器件选择

由APF主电路结构可知，每只IGBT的耐压为6U，其中U为相电压有效值，可求得耐压为539 V。我们从耐压和电流的安全裕量角度出发，应选择耐压达800 V、电流为15 A以上的IGBT模块。由于设计的实验平台容量较小，本文选择IGBT集成模块FP25R12KS4C[6]。

1.2.3 进线电感选择

进线电感应具备满足滤波器对补偿电流跟踪能力。若L选择过大，跟踪电流变化速度缓慢，使跟踪电流与参考电流之间存在较大误差；L选择过小，参考电流变化缓慢时，补偿电流的变化量将远远超过参考电流的变化量，导致产生纹波毛刺。此外，L选的小还会使开关管通断引起的电压波动影响电网侧电压，使网侧电压开关时的谐波分量明显增加，波形质量变差。所以，对出线电感的选择应考虑两方面的因素。由参考文献[4]得：

其中：UC—直流侧电容平均电压，f—APF开关频率，I—最大允许超调电流，K—参考电流最大变化率。实际计算时取UC=800 V。f=10 kHz允许最大超调电流取I=15 A，经计算 K=6 kA/S，带入（2）式得 8.5 mH＜L＜13 mH，实验时采用L=10 mH。

1.2.4 电容选择

在工程实际中[7]，对APF主电路电容选择公式如式3所示。

其中：I－m—负序电流分量幅值，ε—直流电压脉动量，ω—基波角频率。

计算时取直流电压800 V，考虑实际工程中I－m取输出电流的10%，直流电压脉动量为1%，代入式（3）经计算得：

C=3×220×0.1×20/2×0.01×314×8002=328 μF

根据试验条件要求选择系统参数：电源电压380 V；APF交流侧电感值10 mH；APF直流侧电容由4个耐压为450 V、容量470μF的电容串并联构成；FP25R12KS4C系列IGBT模块要求额定电流为25 A、耐压等级达到1 200 V；无功负载使用星形连接的100 mH电抗器；谐波负载采用不可控整流桥和220 V/100 W的白炽灯泡组。

2 系统软件设计

系统软件设计内容包括A/D采样程序，定时器1的下溢中端程序，谐波、无功电流计算程序与PWM脉冲产生程序。

2.1 主程序的设计

利用事件管理器（EVA）中的定时器1产生DSP控制周期。要求每个周期采样点128个（控制频率6.4 kHz）。定时器1采用连续增减方式下溢中断启动A/D采样程序。一个中断周期内，系统应完成A/D采样与转换、电流转换、滤波并执行谐波补偿指令电流的产生及其PWM信号产生等运算功能。

2.2 中断服务程序

该程序在一个中断周期按顺序完成A/D转换结果的读取、补偿电流指令计算与PWM控制信号的产生等任务。

2.2.1 A/D采样子程序

该程序需要判断A/D采样转换过程是否结束及ADC复位模块SEQ1的中断标志位。由于A/D采样子程序在T1中断程序中，进入T1下溢中断后，A/D采样转换同时被启动。

2.2.2 读取A/D转换结果

当A/D转换完成，即从结果寄存器RESULTX中读取转换结果。对于DSP的ADC模块仅能采样0～3.3 V范围电平信号，而交流电压/电流采样转换结果为直流，因此应将直流量转换为交流量表示实际电压/电流。对于DSP所需的采样信号在调理电路中已提高了一半，因此采样后所得的数字量应减去200 H后可还原为与实际电流信号对应的幅值[8]。

2.3 定频滞环SVPWM控制

当谐波检测程序运行后得到了谐波信号。将指令电流与实际电流作差得到误差信号，通过判断该误差信号是否在允许环宽范围。若在环宽范围，则当前矢量不切换；若超过环宽范围，则需进行以下运算。运算内容包括：

1）内、外滞环的比较，可得两组开关状态信号；

2）根据外环比较结果判断参考信号所在区域。在区域内，应将参考信号与外环比较数值调整内环比较结果相位，即通过两个相间电流控制第三个相间电流；

3）外环比较状态与调整后的内环比较状态经锁相环调解后计算环宽误差；

4）根据计算得到的环宽变化值，进行滞环宽度调节，再重复以上计算；

5）逻辑运算后可得最终开关信号。流程图如图3所示。

图3 定频滞环SVPWM子程序流程图Fig.3 Constant frequency hysteresis SVPWM subroutine flow chart

3 实验结果分析

本文实验目的是为了验证定频滞环SVPWM控制策略理论的正确性及可行性，同时分析了该策略控制下的APF补偿效果。控制策略的优劣可通过分析实验中PWM波形与补偿效果（补偿前后试验波形比对）进行。以下分析了实验过程中补偿前后电流变化波形以及开关信号波形，实验装置的软硬件设计如前述。

3.1 无功负载补偿

该实验在低压环境下用3个L=100 mH电感作为无功负载，补偿前后电网侧电压和电流波形如图4、5所示。APF发出的补偿电流波形如图6所示。

图4 补偿前电网电压与电流波形（5A/div）Fig.4 Before compensation grid voltage and current waveforms（5A/div）

图5 补偿后电网电压与电流波形（5A/div）Fig.5 After compensation grid voltage and current waveforms（5A/div）

图6 APF产生的无功补偿电流波形Fig.6 Reactive power compensation current waveform generated by APF

分析图4、5与6可知，补偿前电压超前电流90°，说明为感性无功。补偿后无功电流衰减幅度较大，没有实现完全补偿，说明了实验系统补偿能力有限。

3.2 谐波无功综合补偿

将无功负载与整流桥接入电路，选择参数R=15Ω，L=100 mH。电网侧电压与负载电流波形如图7所示。观测到负载电流存在畸变与相位差，补偿后波形如图8所示，可观测到谐波补偿效果较为理想，无功补偿效果不明显。

4 结束语

图7 补偿前电网电压和电流波形（5A/div）Fig.7 Before compensation grid voltage and current waveforms（5A/div）

图8 补偿后的电网电压和电流波形（5A/div）Fig.8 After compensation grid voltage and current waveforms（5A/div）

本文搭建了三相三线制有源电力滤波器 （APF）实验系统。该系统以DSP2407控制芯片作为控制核心，以定频滞环SVPWM为控制策略，针对两种负载做了无功补偿实验，实验结果证明了定频滞环SVPWM控制策略在APF中应用的可行性与实用性，对直流侧电压控制和开关频率做了实验描述并分析了实验结果存在的问题。

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