基于DSP的并联有源电力滤波器的硬件电路设计方案

随着电力电子技术的迅猛发展，电力系统中非线性负荷大量增加，各种非线性和时变性电子装置如逆变器、整流器及各种开关电源的应用越来越广泛，由此带来的谐波和无功问题日益严重。采用电力滤波装置就近吸收非线性负载所产生的谐波和无功电流，是抑制谐波和无功污染的有效措施。目前大量采用并聪型无源电力滤波器（PPF）来抑制谐波，PPF具有投资少、效率高、结构简单、运行可靠及维护方便等优点，但是其本身固有的缺陷限制了其发展。与PPF相比，有源电力滤波器（APF）具有高度的可控性和快速响应性，其特点是不仅能够补偿各次谐波，还可以抑制闪变、补偿无功；不受系统阻抗特性的影响，可消除与系统阻抗发生并联谐振的危险；具有自适应能力，可自动跟踪补偿变化着的谐波。本文主要研究并联型APF。
　　1工作原理
　　有源电力滤波器系统构成原理如图1所示。
　　
　　图中Vs表示交流电源，负载为非线性的谐波源，它产生谐波并消耗无功功率。有源电力滤波器系统由两大部分组成，即指令电流运算电路和补偿电流发生电路。其中，指令电流运算电路（即谐波和无功电流检测电路）的主要功能是从补偿对象的电流中提取所需的谐波和无功等电流分量。补偿电流发生电路由电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路三部分构成，它的作用是根据指令电流运算电路得出补偿电流的指令信号，构造实际的补偿电流。主电路目前均采用PWM变流器，在产生补偿电流时，主要作为逆变器工作。
　　图1所示APF的基本工作原理：实时检测补偿对象的电压和电流，经指令电流运算电路计算得出补偿电流（谐波和无功电流）的指令信号，该信号经补偿电流发生电路放大，得出补偿电流，补偿电流与负载电流中要补偿的谐波及无功电流大小相等、相位相反、相互抵消，最终得到期望的电网电流，使电网电流成为与电压同相位的正弦波，从而达到抑制谐波，补偿无功的目的。上述原理可用一组公式来描述：
　　
　　2硬件电路设计
　　指令电流运算电路的核心是DSP，运用扩展dq算法检测负载电流中的谐波和无功分量，并根据无功补偿和谐波抑制装置的补偿目的得出补偿电流的指令信号。补偿电流发生电路则产生跟踪指令电流的补偿电流以达到补偿谐波和无功的目的。控制系统的硬件主要包括DSP控制芯片、D／A与A／D电路、采样周期信号发生电路、非线性负载电流的检测与调理电路、三角波比较电路、驱动电路和直流侧电压控制与均压控制电路。如图2所示，系统通过电流传感器检测非线性负载的电流iLa，iLb和iLc，经电流信号调理后送入DSPTMS320F2812的A／D端口。驱动电路接收来自DSP的PWM信号并经隔离和放大后驱动主电路的开关管，以控制主电路电流跟随指令电流的变化。2个电压传感器分别检测变流器直流侧的总电压和上部电容电压，经电压信号调理电路后送入DSP，通过合理的控制以调节直流侧电压的稳定以及上、下电容电压的均衡。启动、关断和保护模块按一定的时序控制装置的启动和关断，并提供装置的过流、过压、过热、缺相等故障保护功能。