基于TMS320F2812控制的有源电力滤波器研制

摘要：电力电子装置等非线性装置的大量使用使电力系统谐波问题严重，会影响电力系统和用电设备的安全运行。有源电力滤波器(APF)作为一种有效的滤波器装置，具有响应速度快、滤波效果好，不受系统阻抗影响的特点。研制了基于TMS320F2812控制的APF，TMS320F2812速度快、精度高，采用优化设计的低通滤波器、ip-iq谐波检测算法和定时比较PWM控制。实验结果表明所研制的滤波器的稳态和动态性能良好。
关键词：有源电力滤波器；电力谐波；低通滤波器

1 引言
    随着电力电子装置等非线性设备的广泛应用，电力系统中谐波问题日趋严重，对电力系统和用电设备产生了严重危害。电网谐波来源于3个方面：电网电压畸变产生的谐波、输电线路产生的谐波以及用电设备产生的谐波。其中以用电设备产生的谐波最多。无源滤波器投资少、结构简单，一直是谐波抑制及无功补偿的主要手段，但其滤波性能受系统参数的影响，在滤除特定次谐波的同时，会对某些次数谐波进行放大。APF能对频率和大小变化的谐波及无功功率进行补偿，可弥补无源滤波器的不足，获得更好的补偿特性，是一种较理想的滤波装置。在此研制50 A三相四线制APF，控制电路以TMS320F2812为核心，用定时跟踪控制技术产生PWM脉冲，利用边带选择性优化设计低通滤波器。

2 APF主电路结构
    适用于三相四线制APF的主电路结构主要有四桥臂式变流器和中点引出式变流器。中点引出式APF由电容中点引出中线，中线补偿电流要流经上下两个电容，两个电容电压值必然存在差异。由于中线补偿电流含有大量谐波分量，上下两电容电压也必然含有大量谐波分量，电容电压波动较为剧烈，会对逆变器的运行性能产生不利影响。为抑制电压波动，需增大电容容量。

    而四桥臂式APF中线由第四桥臂引出，不存在上述电压波动问题。主电路采用四桥臂式变流器，结构如图1所示，IGBT额定参数为1.2kV，150A，直流电容C=20000μF，交流侧电感L=2．5mH，每个半桥并联1．2 kV，2μF的无感电容。用3个电流传感器检测负载电流iL，4个电流传感器检测补偿电流ic，3个电压传感器检测供电电压us，用一个电压传感器检测直流侧电容电压UC。APF上电启动分为两阶段：第一阶段为二极管桥整流阶段，K闭合，接触器J1，J2断开，通过二极管桥给C充电，R1限制充电电流。经过一段时间，J1闭合，UC稳定后，转入第二阶段；第二阶段为PWM整流阶段，控制电路输出控制脉冲，控制主电路工作在PWM整流状态，UC在第一阶段结束时值的基础上继续上升，当UC上升到期望值时，APF在滤波的同时，控制UC稳定在期望值。APF停止工作时，J2闭合，通过R2对C放电。

3 低通滤波器优化设计
    利用ip-iq算法检测谐波电流。此算法中用到的低通滤波器的性能对滤波效果影响很大。在谐波检测算法中，增大低通滤波器的边带选择性可提高检测精度，选择雅克比椭圆函数作为滤波器的逼近函数，并且增大滤波器的通带衰减可增大边带选择性。但精度的提高会影响滤波器的阶数选择，给滤波器的设计增加难度。利用优化设计方法设计出一种以最低阶数满足精确性条件的优化低通滤波器。低通滤波器的差分方程为：
    y(n)=0．004 556x(n)-0．004 487x(n-1)-0．004 487x(n-2)+0．004 556x(n-3)+2．966 026y(n-1)-2．877 028y(n-2)+0．940 865 7y(n-3)          (1)
    包括直流侧电压控制环节的指令电流运算原理框图如图2所示。

4 控制电路硬件和软件设计
    控制电路以TMS320F2812为核心，硬件电路框图如图3所示。7路电流信号(负载电流iLa，iLb，iLc和补偿电流ica，icb，icc，icN)和UC经调理电路调理后送入ADC转换成数字量，1路usa经调理电路变成方波送至CAP1，用TMS320F2812的捕获单元捕获方波的过零点，实现与电网电压的同步。ic的调理电路中，电流传感器检测到的a相补偿电流ica转换成0～3 V电压加到ADCINA4。若过流，比较器输出高电平，多个过电流信号经或非门得故障信号FLT，加到，一旦出现故障，TMS320F2812封锁PWM脉冲。图3中，TMS320F2812输出的3．3 V PWM信号经电平变换器74LNC4245转换为5 V。

    一路PWM信号经IXDP630产生具有死区延时的相位相反的两路信号，IXDP630输出的PWM信号经反相器反相后加到驱动电路，驱动电路所用芯片为M57962。IXDP630兼有保护功能，ENAR，ENAS，ENAT(低封锁)分别封锁单相脉冲，OUTENA(低封锁)同时封锁三相脉冲。图3中引脚PW M1，PWM3，PWM5，PWM7用于产生PWM信号控制四相桥，引脚PWM2，PWM4，PWM6，PWM8用于产生封锁信号封锁单相脉冲。两片IXDP630的OUTENA引脚并联，由FLT控制，当ic过流或四相桥发生短路时，FLT封锁四相桥的脉冲。IXDP630内部含有一个振荡器，其频率与所连接R和C的关系为(高于1 MHz时)：
    f=0．95／[C(R+30)+3×10-8]        (2)
    死区时间等于8个振荡器周期，选取R=10kΩ，C=47 pF，死区时间约为4．2μs。APF配有键盘和显示器人机接口，用单片机控制，通过串行总线与TMS320F2812通讯，人机接口用来显示结果，修改参数。程序在CCS环境用C语言编写，利用Iqmath函数库，数据采用Q20格式，用定时跟踪PWM控制APF输出电流，模块化模式设计程序，包括主程序、ADC中断服务子程序及通讯子程序等。

5 实验结果
    在APF样机上进行小电流实验，实验参数为：IGBT开关频率15 kHz，交流侧电压22 V，直流电压60 V，所用谐波源为带阻感负载的三相晶闸管可控整流器，相电流峰值5 A，由于晶闸管触发脉冲不对称导致电流波形不对称。负载电流稳定时，a相负载电流和滤波后的a相电流如图4a所示。负载电流变化时，a相负载电流和滤波后的a相电流如图4b所示。可见，负载变化时，研制的APF可迅速地跟踪变化电流，动态响应较快，补偿精度较高。

6 结论
    经实验证明基于TMS320F2812控制，采用优化设计的低通滤波器和时问跟踪PWM控制技术研制的有源电力滤波器滤波效果好。与无源滤波器相比，基于全控电力电子器件变流器的有源电力滤波器响应速度快，选择性强，不受系统阻抗的影响，市场需求大。随着技术的进步、器件价格的下降，有源电力滤波器的市场前景广阔。