基于DS P的三相三线制有源电力滤波器样机设计

枣庄矿业（集团）有限责任公司蒋庄煤矿 吴显辉

基于DS P的三相三线制有源电力滤波器样机设计

枣庄矿业（集团）有限责任公司蒋庄煤矿 吴显辉

随着非线性负载的广泛应用，电力系统中谐波问题日益突出并受到广泛关注，有源滤波器(Active Power Filter,APF)因其灵活高效的优点成为补偿谐波电流的主要手段。本文基于DSP设计了一套应用于380V三相配电网的APF样机，给出了其主电路元件选型及控制器电路设计方案，实验证明该APF样机对三相配电网中谐波电流具有较好的补偿效果。

有源电力滤波器；DSP；谐波补偿

0 引言

有源电力滤波器是补偿电网中谐波电流的专用设备，其基本原理是通过实施产生与负载电流中谐波成分幅值相等方向相反的电流，对负载电流中的谐波电流进行抵消，从而达到消除电网侧电流谐波的目的[1]。与其他谐波电流补偿设备相比，APF具有补偿效果好，响应速度快，不易发生谐振的优点，已成为当前谐波治理的主流措施，并得到了广泛的应用[2]。随着数字信号处理器(Digital Signal Processor,DSP)技术的不断发展，DSP的运算速度越来越快，外设功能也越来越丰富，使用DSP作为主控制器对APF进行控制成为可能。本文选用TI公司的TMS320F28335作为主控制器，此款DSP芯片支持高性能浮点运算，既有强大的数字信号处理能力，又可以方便的实现嵌入式控制[3]。

图1 APF样机总体结构

1 APF的总体结构

三相四线制APF试验样机的总体结构如图1所示。整个APF系统的应用环境由三相交流电源、非线性负载与APF样机三部分组成。其中，APF样机又可以分为主电路与控制系统两部分。主电路实现APF样机与电网之间的能量交换，而控制系统通过PWM信号对主电路的输出电流进行控制。

在APF接入点靠近电源一侧，安装有3个电流传感器CT1-3与3个电压传感器PT1-3，分别用来检测电网三相电压ea、eb、ec与网侧电流isa、isb、isc。在APF接入点靠近负载一侧安装有3个电流传感器CT4-6，用来检测三相负载电流ila、ilb、ilc。APF主电路中直流侧电容电压Udc通过传感器PT4进行测量。

APF主电路采用两电平三桥臂结构，因容量较大，开关器件选用EUPEC的IGBT模块，型号为BSM50GB120DLC，最大耐压1200V，额定电流50A。每个模块封装了两个IGBT，可作为一个桥臂。为降低成本简化设计，IGBT的缓冲电路设计为单电容，选用CDE公司的的941C12W1K-F无感吸收电容，额定值为1μF。直流侧电容使用EPCOS的电解电容，单电容耐压450V，容值为2700μF。为满足耐压要求，直流侧使用4个电容，采用先两两并联再串联的形式。每个电容两极并联一个15W、51kΩ的均压电阻，以平衡4个电容的电压，并为电容提供放电通道。交流测滤波电感L选用4mH的单相电抗器，共需3台。

2 APF控制系统硬件设计

2.1 检测与信号调理电路设计

APF样机选用LEM的霍尔电压电流传感器测量主电路的电压与电流信号，霍尔传感器可以测量任意波形的电流和电压，具有精度高、线性度灵敏度好、宽带宽、动态性能好、体积小等优点，在工业测量中具有广泛的应用。

电网电压传感器选用LV25-P，额定输入为10mA (RMS)，额定输出25mA (RMS)。当输入端串接2个15kΩ、5W的绕线电阻限流时，其量程为0～300V (RMS)。直流电压传感器选用LV25-P/SP5，额定输入输出与LV25-P相同，电路结构也与之相似，输入端串接的限流电阻改为8个15kΩ，5W绕线电阻，量程为0～1200V(DC)。电流传感器选用LA25-NP，额定输入25A(RMS)，额定输出25mA(RMS)。

霍尔传感器输出为电流信号，要通过采样电阻转化成电压信号，采样电阻选用20Ω，精度0.1%的无感电阻。在ADC采样前需要使用信号调理电路将信号其幅值放大到适当范围，这样才能充分利用ADC量程，提高采样精度。ADC信号调理电路有两级，前级为使用OP07搭建反向比例放大电路，将信号放大10倍，后级为OP07搭建的反相器，将放大后的反相信号变为正相，并且提高了电路的驱动能力。

2.2 ADC采样电路设计

调理后的信号输入给ADC进行量化采样，ADC选用ADI公司的AD7606，可以实现16位、8通道同步采样，每个通道都可以达到200kSPS的采样速率。使用两片AD7606就可以满足4路电压信号与9路电流信号的采样。两片AD7606的输入范围通过硬连线的方式设置为±10V，并通过XINTF接口与DSP相连，采用并行传输方式，使用16位总线进行数据传输。其地址位被映射到Zone0区，每片AD7606占用8个地址位，所以使用XA3地址位与XZCS0信号结合进行片选。当所有通道的数据采样转换完成后，AD7606的BUSY引脚会向DSP的一个GPIO引脚发出一个下降沿脉冲，DSP检测到此下降沿就会退出等待进行ADC数据的读取。

2.3 IGBT驱动电路

IGBT驱动电路采用CONCEPT公司2SD315AI型驱动器。该型号驱动器集成了器件驱动、状态自检、状态反馈、过流保护、过热保护、DC/DC电源等功能，并实现了控制部分与功率部分的完全隔离。2SD315AI为双路驱动器，一个驱动器可以驱动一个双IGBT模块，即一个桥臂，每一个2SD315AI需要输入2路互补的PWM信号并输出2路故障信号。当某一IGBT或其驱动芯片发生故障时，其对应的SO引脚将会由高电平变为低电平，经过光耦后其电平会发生反转，即发生故障时光耦副边为高电平。将所有IGBT的故障信号用或门做逻辑判断，最终输出接到DSP的不可屏蔽中断XNMI管脚。当任意IGBT发生故障时，都可以触发NMI中断及时封锁PWM信号，避免故障的恶化与蔓延。

为提高系统的稳定性与安全性，DSP输出的PWM波形经74HCT245再经高速光耦6N137输入到IGBT驱动器中。74HCT245为三态总线收发器，可以实现3.3V到5V电平的单向转换，并且增强了PWM端口的负载驱动能力。使用光耦进行控制器与驱动板间电气隔离，避免了驱动电路15V模拟信号对控制器的干扰，并且当主电路发生涌流短路等故障时，可以避免控制电路受过大电压冲击而烧毁。

2.4 电源管理单元设计

APF控制系统需要多个电压等级，供电较为复杂。选用Mean-Well的NET-75C型开关电源为控制系统供电。NET-75C有+5V、+15V、-15V三路输出，其中+5V为DSP、ADC及其外围电路供电；电压电流传感器需±15V供电，同时，+15V也为IGBT驱动电路供电。AD转换芯片AD7606需要3.3V与5V两路供电，因此选用LM1117-3.3将+5V转为3.3V为AD7606的I/O口及其他3.3V芯片供电，将数字电源D5V经电感作为模拟电源A5V给AD7606的数模转换电路供电，这样可以减少数字电路对模拟电路的干扰。而DSP TMS320F28335的内核电压需1.8V，IO口电压需3.3V，选用TI的DSP电源管理芯片TPS767D301为DSP单独提供1.8V与3.3V两路供电。

3 APF样机软件设计

图2 主程序流程图

3.1 主程序设计主程序主要完成DSP与各个外设的初始化，主要包括：系统时钟的初始化、GPIO模式设置、PIE中断向量表初始化、定时器中断与外部中断配置、EPWM模块的配置，XINTF接口配置、AD7606的配置、全局变量的初始化，定时器T1的配置。初始化完成之后进行系统的软起动，给直流侧电容充电。当预充电完成后启动定时器T1，开定时器中断与外部中断，然后进入主循环。主程序流程图如图2所示。

3.2 定时器中断服务子程序

图3 主程序流程图

定时器中断用来完成ADC启动、指令电流生成、指令电流跟踪、SVPWM调制与PWM波生成，即APF控制系统的主要功能。每隔一个开关时间就要进入一次定时器中断，计算下一个开关时间的PWM波形，这里设置开关时间1e-4s。定时器中断的流程图如图3所示。其中，在向ADC发出采样指令后，ADC就会进行数据采集与转换，同时程序进入while循环，检测ADC的BUSY引脚的电平状态。当ADC完成所有通道数据的采集转换后会将BUSY引脚的状态由高电平变为低电平。当DSP检测到此电平反转后，就会退出while循环进行数据读取工作。

4 实验结果

图4、图5为APF样机运行时示波器录取的实验波形。由图4可知，在不可控整流桥阻性负载下，负载电流畸变严重。应用APF样机之后，从检测到的指令谐波电流和跟踪电流的重合度来看，基本可以完全吻合，说明跟踪效果良好。而由图5可知，补偿后网侧电流正弦度较高，说明APF样机对于负载电流中谐波分量的补偿效果良好，前文中对APF样机整个系统的设计是有效的。

图4 负载电流与网侧电压波形

图5 补偿后网侧电流波形

5 总结

本文对基于DSP TMS320F2835的APF样机进行了设计。给出了APF样机系统的整体结构，对APF主电路各主要元器件的选型进行了详细介绍。同时，对APF控制系统各个模块的电路进行了详细设计，并给出了软件的控制流程。最后的实验结果证明该APF样机达到了设计目的，能实现较好的谐波电流的补偿效果。

[1]王兆安．谐波抑制和无功功率补偿[M]．北京:机械工业出版社,2016．

[2]周娟．四桥臂有源电力滤波器关键技术研究[D]．徐州:中国矿业大学,2011．

[3]符晓,朱洪顺．TMS320F2833x DSP应用开发与实践[M]．北京:航空航天大学出版社,2013．

吴显辉（1982—），男，工学学士，工程师，主要从事煤矿机电控制方面的研究工作。