中国电工技术学会将于2016年12月23日（周五）在北京铁道大厦举办“2016第三届轨道交通供电系统技术大会”。
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中国建筑西南设计研究院有限公司、湖南大学电气与信息工程学院的研究人员邵贺锋、全惠敏，在2016年第11期《电气技术》杂志上撰文，首先介绍了单相有源电力滤波器的基本原理与系统结构，然后阐述了基于鉴相原理的谐波检测方法与系统总体的控制策略。
针对有源电力滤波器高速，精确的要求，利用高速浮点数字信号处理芯片TMS320F28335作为主控器，设计了一套全新的单相有源电力滤波器，文中给出具体的硬件设计和软件流程。最后，通过实验表明，本文所设计的系统正确性和有效性。
现代电力系统中，各种非线性负载的广泛使用，引入了大量的谐波，给电力系统造成了严重的危害。有源电力滤波器以其优越的补偿性能成为谐波抑制的重要手段，是改善电能质量的一个重要发展趋势。
目前国内外对有源电力滤波器的研究主要集中在三相有源电力滤波器上[1~2]。然而单相设备在电力电子设备及日常生活中占的比例要远远大于三相设备，在民用建筑中单相设备占总容量的70%左右；大功率的应用场合，三个单相APF组成的系统比一个三相APF更适合不平衡负载[3]。随着单相设备的广泛使用，由单相设备引起的谐波问题也日趋严重。
本文对单相有源电力滤波器进行了研究，利用TI最新的浮点型控制芯片TMS320F28335作为控制器对单相有源电力滤波器进行了设计，给出了单相有源电力滤波器的软硬件设计，搭建了系统平台。最后进行了实验验证改设计方案的正确性和有效性。
1 基本原理及系统结构
有源电力滤波器是一种可以对动态变化的谐波无功进行补偿的装置，它能够对各次谐波进行主动跟踪和补偿。其通过采样负载电流和电压，通过指令电流运算电路计算出补偿电流的指令信号，反相后用该信号控制逆变器的导通，得出补偿电流，从而抵消负载中相应电流，实现了动态跟踪补偿，而且既可以补偿谐波又可以补偿无功[4]。图1所示为单相并联型有源电力滤波器的原理图。
从图中可以看出，有源电力滤波器与非线性负载都并联在单相电源上。接入电网的非线性负载产生负载电流，向电网注入谐波和无功电流，系统通过传感器将采集到的负载电流送到谐波电流检测运算电路，经计算得出的指令信号来控制补偿电流发生电路（由电流跟踪控制电路、驱动电路和逆变器主电路三个部分构成）工作，逆变器输出的电压与电网电压的压差作用在滤波电感上，产生补偿电流注入电网，从而补偿了谐波无功电流，使电网电流信号呈现标准的正弦波形。
图1 单相有源电力滤波器原理图
2 谐波检测与控制策略
谐波检测是有源电力滤波器的关键环节，其快速性与精确度直接影响补偿电流的输出结果。本文选择了基于鉴相原理的谐波检测方法。以电网电压信号为基准信号，通过锁相环产生出标准的正弦与余弦信号，把检测到的瞬时电流与标准的正余弦信号进行线性变化处理再通过低通滤波器后滤出其直流分量，从而得到谐波和无功电流[5]。该方法高效、简便，易于在实验中实现，如图2所示为带直流侧电压控制的谐波检测过程。
图2 谐波检测过程
将检测到的谐波电流进行系统闭环总体控制，本系统的外环是直流侧电压环控制，内环是逆变器输出的补偿电流控制。有源电力滤波器的直流侧电压一般是由功率管反并联的二极管电网电压整流来获得，通过控制电压环可以达到直流侧与电网有功能量的交换，保证有源电力滤波器在启动时直流侧充电到预期电压。在正常运行时控制电压环从电网得到有功功率，维持直流侧电压稳定[6~7]。
图中，Udc为直流侧实际电压，Uref为直流侧给定电压，两者的差值经PI调节器调节后叠加到谐波检测出来的有功电流的直流分量Ip上，然后再乘以标准正弦信号，就得到了瞬时有功电流。检测到的负载电流is(t)减去该有功电流就可得到谐波和无功电流之和ih(t)。
如图3所示为系统控制图，本文选择PI+三角波的调制方法。将ih(t)反相后得到的，其与逆变器输出的补偿电流ic(t)做差，该误差信号经PI调节后与三角波信号比较，产生相应的PWM信号控制逆变器导通。
图3 系统控制图
3 系统软硬件设计
单相并联型有源电力滤波器的硬件系统主要由APF主电路、DSP控制板、信号采样调理电路、MOSFET驱动电路等组成，本设计系统采用TMS320F28335作为主控芯片，搭建了系统平台如图4所示。
由于有源电力滤波器对实时性和高效性要求比较高，所以本文的主控芯片选择了TI公司的TMS320F28335。TMS320F28335是TI的2000系列中新推出的一款32位的具有浮点内核的DSP芯片，也是目前工业控制领域最先进的处理器之一。
其主频高达150MHz(6.67nS时钟周期)，内核电压1.9V/1.8V，IO口电压为3.3V；具有IEEE-754单精度浮点运算单元（FTU），16×16和32×32介质访问控制（MAC）运算，哈佛总算结构，快速中断响应和处理；16位或32位外部接口，可处理超过2M×16位地址范围；片内存储器256K×16位Flash存储器，34K×16位单口随机存储器（SARAM），1K×16位一次性可编程（OTP）ROM[8]。
图4 系统硬件架构图
系统通过传感器将采集到的信号先送到采样调理电路，经过调理后的信号输入DSP控制板进行谐波计算，计算得出的指令信号来控制APF主电路的工作，最终主电路输出的电压与电网电压的压差作用在滤波电感L上，从而产生补偿电流注入电网，补偿了谐波和无功电流，使电网电流信号呈现标准的正弦波形。系统软件包括主程序和中断程序。主程序如图5所示。
图5 系统主程序流程图
主程序中主要完成初始化，对系统变量进行定义并且对系统中断向量以及引脚初始化进行设置。主要包括CPU及外设时钟的设置、EPWM模块初始化、ADC模块初始化、GPIO初始化、外部中断配置，完成初始化后程序然后进入循环状态，等待中断的到来。
中断程序主要由外部中断子程序和定时器周期中断子程序组成。分别如图6、7所示。外部中断子程序用来实现电网电压同步，正余弦表复位，开启定时器工作，其通过不断检测方波信号的上升沿来初始化系统计数值，然后复位正余弦表。
图6 外部中断主程序流程图
定时器周期中断子程序中负责所有的控制过程，包括AD采样、正弦表地址移位、谐波计算、低通滤波、直流侧电压PI控制、补偿电流指令控制、PWM信号生成等。设计中设置采样周期为6.4kHz，由定时器触发AD采样，然后进入谐波计算部分，依次进行数字低通滤波、直流侧电压控制、PI+三角波比较生成PWM信号。
图7 定时器中断子程序流程图
4 实验结果
根据图4所示硬件结构，设计了一台220VA的单相并联型有源电力滤波实验装置，开关频率选择为6.4kHz，谐波负载为带感性负载的单相不控整流电路，在110V交流系统下实验。采集观察补偿前后电网电压与负载电流如图8所示，对补偿前后的负载电流进行FFT分析，所得结果如图9所示。
图8 补偿前后的电网电压与电网电流
图9 补偿前后电流畸变率对比
从图中可以看出，电流畸变率从补偿前的29.5%降到了3.82%，说明本设计的有源电力滤波器具有良好的补偿性能。
结论
本文对单相并联型有源电力滤波器进行了研究，介绍了谐波检测的一种新方法，并对控制策略进行了分析，在基于TMS320F28335的基础上搭建了一台样机，对所讨论的理论进行了实验验证，实验结果表明，该有源电力滤波器具有很好的补偿性能。
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