基于TMS320F28335的有源电力滤波器实现

时 伟，黄传金，曹文思，刘宏超

SHI Wei1, HUANG Chuan-jin1, CAO Wen-si2, LIU Hong-chao3

（1. 中州大学 工程技术学院，郑州 450044；2. 华北水利水电学院，郑州 450011；3. 湖南省电力勘测设计院，长沙 410007）

0 引言

有源电力滤波器(Active Power Filter, APF)是一种用于动态抑制谐波补偿无功的新型电力电子装置，针对APF的研究主要以三相六开关拓扑结构为基础进行[1～3]。经过对低压电力系统中的中小容量谐波治理与无功补偿的细分市场需求分析，采用成本更低的三相四开关APF相对于三相六开关系统则更加具有针对性与适应性。本文介绍了基于TMS320F28335的有源电力滤波器的硬件设计和实现方法。

1 三相四开关APF的拓扑结构

三相四开关APF系统构成如图1所示。

由图1可知，三相四开关APF有两相桥臂需要开关器件和续流二极管，第三相桥臂由直流侧电容组成。由于所需要的开关器件和续流二极管数目可以减少，同时功率模块散热单元的设计也针对四开关电路有了相应简化，整机功耗相对于六开关系统有了明显下降。三相四开关APF的整体制造成本与运行成本相对于传统的三相六开关并联型APF有了显著地降低，具有较好的经济性，因此较适合在低压系统中应用。其基本工作原理是通过指令电流运算电路计算出负载电流iL中的谐波分量ih，得到有源电力滤波器应输出的指令电流ic*；然后电流跟踪控制电路则通过控制逆变器的开关动作使有源滤波器的输出电流ic基本与ic*相同，于是电源电流is即等于负载电流iL的基波分量，形成正弦波。

图1 三相四开关并联型APF的拓扑结构

2 DSP控制系统硬件结构及电路设计

控制系统结构如图2所示，由TI公司的高速浮点DSP芯片TMS320F28335和XILINX公司的CPLD芯片C9572XL64以及相关的外围电路芯片组成。整个DSP控制系统包括：模拟信号调理单元、A/D采样单元、输入输出控制单元、DSP中央处理器单元、PWM信号驱动单元、液晶显示单元和通讯单元等。

其基本控制原理为：电流互感器采样得到负载电压和电流信息，经过信号调理电路后进入A/D采样环节，A/D采样结果输出给DSP主控芯片，在DSP内部采用文献[4]提出的指令电流分析检测和文献[5]提出的控制信号输出算法，得到PWM控制开关信号，该PWM控制信号经过光纤通道进入IGBT驱动单元，变换为可以驱动大功率IGBT的开关信号，最终控制逆变器的运行方式，实现指令电流的输出。以上环节按照系统的采样频率循环进行，最终达到对负载谐波、无功和负序等电流的动态连续跟踪控制。

图2 DSP控制系统硬件结构图

2.1 采样电路设计

采样电路的设计包括信号转换、信号放大、信号滤波、信号偏置和A/D采样环节，具体电路如图3所示。

图3(a)中以A相负载电流采样为例，一级CT（电流互感器）的输入电流信号经过图3(a)中的二级CT的采样电阻后，将信号转换为交流电压信号，其中稳压管对信号进行了最大输入限制，以免损毁后级电路及A/D芯片，电压信号继续经过二阶低通滤波电路以滤除高频信号。由于本文采用的A/D芯片输入信号要求为0～5V限制，故采用图3(b)所示的+2.5V电压偏置电路，对前级信号进行偏置处理，保证A/D输入通道的信号在0～5V的范围内。

A/D采样电路采用AD转换芯片AD7938-6对输入模拟量进行模数转换，该芯片为8通道12位高速AD采样芯片，具有最大625kSPS的转化率，输入电压在2.7V至5.25V之间均能正常工作，实际最大功耗小于10mW，能采8路模拟参量，12位并行输出接口可以保证采样数据的高速传递，完全满足系统精度要求。

图3 负载电流信号输入采样电路

2.2 驱动电路设计

驱动电路设计如图4所示，采用CONCEPT公司的SCALE智能集成驱动模块，模块型号为2SD315A。SCALE器件提供的驱动电流可达15A；输出驱动信号的导通电平为+15V，电平为-15V；开关频率从0-100kHz；提供电气隔离500V-10kV；占空比：0～100%；内部带短路和过流保护电路、隔离的状态识别电路、电源检测电路和DC/DC开关电源。

图4 驱动电路

从CPLD 控制器输出的 SPWM 波通过光纤驱动单元，经光纤传送到 2SD315A 驱动模块作为驱动器的输入，SPWM 波经驱动电路后直接驱动APF 主电路功率开关器件 IGBT 的上下桥臂，实现对 IGBT 的控制。

为了保证不会出现上下桥臂直通的情况，在信号进入 2SD315A 模块前，还要设计逻辑互锁电路，保证当指令信号的上下桥臂均为高电平时，输入 2SD315A 模块的控制信号自动互锁为低电平，避免 IGBT 直通现象的发生。

2.3 故障锁存电路

设计中要对各种故障信号进行及时准确的判断、可靠的锁存和正确的处理。下面以IGBT 驱动模块单元中 IGBT 短路过流故障的锁存为例进行电路设计，过流故障锁存电路如图5所示。

图5 故障锁存电路

采用基于2SD315A模块的驱动电路对IGBT进行驱动并进行过流保护。当短路过流故障发生时，2SD315A模块会关闭上下桥臂的IGBT以实现过流保护，同时产生过流故障信号，故障经CD4044B锁存后点亮发光二极管，指示故障信号，同时产生三极管基极驱动电流，从而驱动光纤接口单元，使故障信号通过光纤传送至DSP主控板，以便对故障进行分析处理。

2.4 同步电路

同步电路的主要功能是产生与电网电压频率、相位相同的同步脉冲信号。调理电路输出的电网信号经过零相移带通滤波器滤除谐波信号后，通过过零比较器得到与电网电压频率、相位相同的+5V方波信号，即为同步脉冲信号，该信号经电平转换后输入至处理器模块，处理器根据同步信号计算电网瞬时频率，并通知内部事件管理器和外围电路进行同步操作调整。

2.5 通信模块

通信模块包括64K位非易失性存储芯片FM25CL64和RS232通信接口，通信接口电路由

MAX3232实现。通信模块主要将系统记录的故障信息、控制参数、负载和APF运行状态信息进行存储，并与PC机进行通信，并实现数据上传和参数设置。

图6 同步电路

图7 APF补偿后的试验结果

3 工程应用案例分析

据某矿业公司户反映，10kV侧的无功电容投切开关周期性烧毁，继电保护设备误动作。该矿业公司对应整流变容量为200kVA，为六脉波整流器，主要谐波成分为5、7、11、13，已有无功补偿措施，因此不考虑无功的补偿，总谐波电流含有率20～35%，谐波电流最大可达100A。

采用容量120A的并联型有源电力滤波器并入整流变低压侧，对该工业现场进行谐波治理，补偿后的电网电压电流波形与谐波如图7所示。

对三相四开关并联型APF实验产品投运后现场电压电流数据的分析可以发现，现场电压畸变率降低到5.0%，电流畸变率降低到6.0%，结果证明本三相四开关并联型APF产品进行谐波抑制的效果良好，性能可靠，达到了预期的设计目标。

4 结论

给出了经济性三相四开关并联型有源电力滤波器的主电路拓扑结构，提出了以DSP和CPLD为核心的数字化控制系统方案，并对控制系统工作原理和硬件电路设计进行了介绍。实际工程运行结果表明投入APF后，谐波抑制和无功补偿效果明显，且系统成本较低，具有良好的工程推广应用前景。

[1] 陈东华, 谢少军, 周波. 用于有源电力滤波器谐波和无功电流检测的一种改进同步参考坐标法[J]. 中国电机工程学报, 2005, 25(20): 62-67.

[2] 王兆安, 杨君, 刘进军. 谐波抑制与无功功率补偿[M]. 北京: 机械工业出版社, 1998.

[3] 周卫平, 吴正国, 夏立, 等. 三相三线有源电力滤波器电流跟踪性能最优化控制[J]. 中国电机工程学报, 2008,24(11): 85-90.

[4] 刘宏超, 彭建香. 三相四开关并联型有源电力滤波器的指令电流确定方法[J].中国电机工程学报, 2009, 29(16):108-113.

[5] 刘宏超, 吕胜民, 张春晖. 三相四开关并联型有源电力滤波器的SVPWM调制算法[J]. 电工技术学报, 2011, 26(4):128-134.