微机控制的有源电力滤波器设计

范晓龙

(太原重工股份有限公司，山西 太原 030024)



微机控制的有源电力滤波器设计

范晓龙

(太原重工股份有限公司，山西 太原 030024)

随着电力电子装置应用的日益广泛，电力电子装置自身所具有的非线性特征所带来的问题也日益显现。电力电子装置及非线性负载导致电网中产生大量谐波，给电力系统带来了严重的谐波污染并使功率因数明显降低，这不仅造成了能源浪费，更对电网的安全运行造成严重威胁。本文详细叙述了有源电力滤波器的相关理论，并设计了一款基于TMS320F2812的有源电力滤波器。

有源电力滤波器；谐波；TMS320F2812；HL402

随着谐波所导致的安全问题越来越频繁的出现，对于谐波的研究成为了学术界和工程界的热点。对于谐波，可以有三种不同的思路。其一为利用，即巧妙地利用电网中所产生的谐波为人类服务。然而由于种种原因，对于此方面的研究几乎为零。其二为改造，即通过电力电子装置的自身改造，使其尽量减少甚至不产生谐波。但此方法适用范围较小。所以，现在普遍的思路为第三种——抑制，即使用各种方法最大限度地减小谐波的产生。

抑制谐波主要是通过滤波器实现的。传统的无源电力滤波器技术可靠、设计简单、运行维护费用低廉。但其仅能消除特定频段谐波，同时，其滤波特性受外界因素影响较大，存在与电网阻抗发生谐振的风险。有源电力滤波器(APF)近年来发展迅速，其不仅可根据电网谐波的变化而进行动态抑制，更可对电网无功功率进行补偿。基于以上优点，其相关技术日渐成为研究热点。

本文叙述了有源电力滤波器的相关理论，并设计了一款基于TMS320F2812的有源电力滤波器。

1 基本原理与控制方法

1.1 谐波检测方法

有源电力滤波器基本思路是检测到谐波后，输入一个与其大小相同、方向相反的补偿电流，与谐波抵消，从而使电网中不含谐波电流[1]。这样，对于有源电力滤波器而言，谐波电流的实时检测就非常重要。

本节将着重叙述基于三相电路瞬时无功功率理论的ip-iq检测法。此方法原理图如图1所示。

图1 ip-iq法原理图

(1)

iq=i·sinφ.

(2)

(3)

通过锁相环PLL和一个正余弦发生电路，可得到与A相电压ea同相位的正弦信号sinωt和对应的余弦信号-cosωt。根据定义可以计算出ip、iq的直流分量ip′、iq′，进而得到三相电流的直流分量iaf、ibf、icf。利用ia、ib、ic与得到的iaf、ibf、icf相减即可得到三相电流谐波分量iah、ibh、ich。

由于ip-iq法只取sinωt、-cosωt参与运算，在运算过程中不出现畸变电压的谐波成分，因而检测结果不受电压波形畸变的影响，检测结果是准确的。

1.2 控制方法

目前，有源电力滤波器中使用最广泛的控制方式是滞环控制和三角波控制，它们都是基于模拟方式实现的[2，3]。除了这两种电流跟踪控制方式之外，还有无差拍控制、空间矢量控制等方式，它们是基于数字控制方式实现的。其中，空间矢量PWM方法有电压空间矢量和电流矢量PWM方法两种。这种方法将平面上的电压和电流矢量分成六个区域，通过检测到的电流误差矢量所处的区域，选择逆变器，以使逆变器输出电流跟踪指令参考电流的变化。

综合考虑各种因素，本设计拟采用空间矢量PWM控制方式。

2 有源电力滤波器主电路

图2为三相三线制有源电力滤波器主电路图。该主电路适合没有中线的三相负载。由于三相三线制变流器的广泛应用，这种结构的主电路被广泛地做成模块并投入工业运用，使得三相三线制的主电路技术成熟、价格低廉，并且易于维护和修理。目前市场上这种结构的有源电力滤波器主电路使用量最大。通常而言，对于三相四线制结构的电路，如果负载的中线电流没有超出规定的许可值，应优先选择三相三线制的有源电力滤波器。

图2 三相三线制有源电力滤波器主电路图

3 控制电路设计

本设计采用TMS320F2812型DSP作为控制和计算中心。它主要担负以下三个任务：

1) 对负载电流和电压进行检测；

2) 通过检测出的电流和电压值运用瞬时无功功率理论计算系统谐波电流的大小；

3) 给外围的IGBT驱动器以驱动信号。

3.1 时钟发生电路设计

TMS320F2812上有多个部件需要时钟，如CPU、事件管理器等等。本设计采用在引脚X1/CLKIN和X2之间接入10 MHz的晶振，再连接两个旁路电容，电路设计如图3所示。

图3 DSP时钟电路设计

3.2 电压周期检测电路设计

DSP程序必须判断电路电压的周期何时开始。为此，需要设计一个电压周期检测电路，通过检测A相电压，达到判断电压周期的目的。图4是为有源电力滤波器而设计的电压周期检测电路。

图4 DSP电压周期检测电路

其中，变压器的存在实现了强弱电的隔离。反并联的二极管达到了限幅的目的。此外，设计过零比较器的目的在于使输出成为数字信号。此比较器的工作电压为3.3 V。当A相电压大于零时，比较器输出电压为+3.3 V，当A相电压小于零时，比较器输出电压为0，为了保证输出信号稳定，在输出端连接一个4.7 k的上拉电阻。比较器输出的数字信号送入DSP的GPIOA8 CAP1-QEP1端口。

3.3 电流绝对值转换电路设计

有源电力滤波器负载电流是一个交变的电流信号，而DSP只能识别正值。显然，负载电流不能直接连接DSP，需要设计一个电流绝对值转换电路，将负载电流转换成0～3.3 V正向电压信号后再输入DSP端口。如图5所示。

图5 DSP电流绝对值转换电路

当然，仅有这个电路是不够的。由于DSP无法辨别信号是正值还是负值，负半周期的计算结果就可能出现错误。因此必须加入一个判断电流符号的电路。如图6所示。

图6 DSP电流符号判断电路

在图6中，如果电流为正值，那么，输出将为“1”；如果电流为负值，输出将为“0”。DSP将会根据结果选择将图5得到的电流值直接用于运算或取反后再用于运算。

4 驱动电路

有源电力滤波器由IGBT组成的谐波发生器作为主电路。因此，其驱动电路的设计非常重要。一个好的驱动电路，应保证IGBT不会因工作于放大区而被击穿；同时，要保证IGBT关断迅速，不会因换流失败而导致电源短路。

本设计中的驱动芯片采用六个HL402，其外围电路图如图7所示。

图7 HL402的典型应用

5 小结

为了解决电力系统谐波污染问题，本文设计了一款基于TMS320F2812的有源电力滤波器。经实验分析，该有源电力滤波器可以较好地解决谐波污染的问题。

在有源电力滤波器的研究领域，我国现阶段与西方发达国家还有很大的差距，在可预见的未来还难以赶上西方发达国家的研究水平。随着我国建设社会主义创新型国家和建设社会主义节约型社会方针的提出，以有源电力滤波器为代表的高科技含量、低功率消耗产品必将拥有更为广阔发展空间。

[1] 万学维.有源电力滤波器的设计与实现[D].武汉：华中科技大学,2007.

[2] 朱建林.基于空间矢量技术的滞环控制[J].信息通信,2013(7)：11-12.

[3] 李达义，陈乔夫.三角波比较电流控制研究[J].通信电源技术,2006，23(4)：1-4，9.

Design of Active Harmonic Filters Controlled by Computer

Fan Xiaolong

(TaiyuanHeavyIndustryCo.Ltd,TaiyuanShanxi030024,China)

With the increasingly widespread application of power electronic devices,the problems brought by nonlinear characteristics of themselves are increasingly apparent.The power electronic devices and nonlinear loads cause lots of harmonic in the power grid,which brings serious harmonic pollution and makes the power factor reducing obviously.All of this wastes a lot of energy,and harms to the safety of the power grid seriously.This paper describes the theory of active power filter in detail,and designs an active power filter based on TMS320F2812.

active power filter; harmonic; TMS320F2812; HL402

2016-06-13

范晓龙(1989-)，男，山西太原人，助理工程师，主要从事起重设备研究工作。

1674-4578(2016)05-0014-03

TN713

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