三相四线制有源电力滤波器软硬件系统的设计

　摘　要：为了解决三相四线制电网中谐波、无功功率和三相不平衡等电能质量问题，本文采用基于DSP+CPLD全数字控制的并联型有源电力滤波器(APF)来实现补偿。本文分析了APF的系统结构及工作原理,给出了装置的总体控制方案，并进行控制系统的优化设计。详细探讨了控制系统所采用的检测控制方法、硬件结构以及软件流程设计等。仿真结果表明,采用这种方案,可以对三相四线制系统中的谐波、无功、负序、零序等电流分量进行有效补偿, 具有良好的动态补偿效果。

　　随着国民经济的迅速发展，电力系统中非线性、冲击性和单相负载都大量增加，由此产生的谐波、无功功率和三相不平衡等问题给电力系统和用户造成了严重的影响。目前，用电单位也对电能质量和供电可靠性提出了更高要求，改善电能质量已成为社会发展的必然要求。因此，在电力系统运行中，研究怎样进行谐波污染抑制和无功功率补偿，来改善电能质量、提高功率因数和减少电能损耗已成为电力系统中的一个重要研究课题。本文正是针对大量存在的三相四线制系统而进行设计的高性能动态补偿装置，并联型三相四线制有源电力滤波器(APF)，它能对大小和频率都变化的谐波和无功进行快速补偿，能有效克服无源补偿装置的不足，是一种很有前途的补偿装置。

　　本文首先介绍了并联型APF的系统结构和工作原理，然后讨论了基于DSP+CPLD的全数字化控制系统的实现方案，并对该控制系统的硬件电路和软件系统设计进行了研究，最后给出了实验波形，验证了控制策略的有效性。

　　1 并联有源滤波器的系统结构及工作原理

　　有源电力滤波器主要由主电路，信号检测电路，DSP+CPLD控制系统，驱动电路和键盘显示部分等组成。三相四线制有源电力滤波器有两种不同的主电路结构及其控制方法[1]，即3桥臂PWM变流器和4桥臂PWM变流器，从经济成本角度考虑，本文采用3桥臂PWM变流器方案。本文设计的并联型APF的系统结构图如图1所示，主电路采用三相电压源型逆变器结构，逆变器输出端经滤波电感与电网相接。负载为污染源,产生谐波、无功及三相不平衡电流等有害分量。控制系统包括检测环节，指令电流运算环节、补偿电流跟踪控制环节、直流侧电压控制环节和驱动保护环节等。

　　有源滤波器的基本工作原理是：首先互感器(TV 、TA)检测补偿对象的电压和电流信号，然后经过转换处理后送给控制系统计算出补偿电流的指令信号，该信号经补偿电流发生电路放大，输出补偿电流，从而使补偿电流与被补偿对象的谐波、无功、负序等有害电流分量相互抵消，最终得到期望的正弦电源电流。即经有源电力滤波器补偿后,电网侧三相电流为对称正弦波,零线电流为0，实现改善电能质量的目的。

　　图1中，QF为断路器;KM1、KM2为交流接触器; R为限流电阻，L为滤波电感; C1、C2为直流母线电容。有源电力滤波器基本的工作过程如下，先闭合上QF，再闭合接触器KM1，电网电压通过限流电阻R、滤波电感L和逆变器中的续流二极管向直流母线电容C1、C2充电。当直流母线电压达到一定值之后，控制系统发出控制信号，控制KM2闭合，然后APF软启动升到额定电压，进入正常工作状态。当系统出现故障保护时，KM1断开，以保护APF主电路不受损害。

　　2 控制系统硬件电路设计

　　控制系统是APF的核心部分，它直接决定了APF的性能指标和补偿效果。为了满足APF控制系统实时性和准确性的要求，本文采用了以DSP+CPLD为核心的数字化控制系统。该控制系统硬件电路主要由核心控制系统模块、数据采集电路、同步检测电路、PWM隔离驱动电路、硬件保护电路、I/O接口电路、通信电路、电源等辅助电路组成。并联型APF的控制系统框图如图2所示。

　　图 2 并联型APF的控制系统框图