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摘要：随着科技不断进步，电力电子技术也得到了蓬勃发展的机会。但随着大量的非线性负载以及电力电子器件的应用，伴随着很大程度的谐波污染现象，使得电能质量大幅度下降。谐波以及无功污染已是目前制约工业发展的一大障碍之一，故这一现象亟需改善。有源电力滤波器（Active Power Filter）在治理谐波污染、补偿无功以及改善电能质量等方面有着突出的优势。本文以三相三线制并联型有源电力滤波器（SAPF）为研究对象，其结构简单，控制较为方便，应用非常广泛。 以DSP芯片TMS320F28335为主要控制芯片，完成了相关的硬件设计以及软件设计。

关键词：谐波;危害;治理;三相有源电力滤波器

1 引言

关于谐波的概念，国际定义是“频率为基波频率的整数倍的正弦波”。电网的电压电流的波形如果没有任何干扰与畸变的话，都应该为平滑而理想的正弦波波形。然而，现如今的电网承载着许许多多的非线性负载，因此电网的电压电流波形不可能为理想的正弦波，存在或多或少的畸变现象。

在电气时代进一步发展的今天，电力电子器件以及非线性负载的过多应用，使得谐波与无功污染等电能质量问题变得尤为严重。像日常生活中的冰箱、变频空调等家用电器以及工业上的一系列开关电源、整流逆变器等装置，已经给电网的运行带来了很大的压力，并使其复杂程度也进一步提升。现如今，普遍认为谐波的产生由以下两种谐波源造成。其一即为装置中带有变频装置，其中就含有包括二极管的变频装置和整流装置以及包括大型功率的开关管的逆变装置等，这些装置在正常工作的过程中也会使电压与电流的相位产生变化，进而导致谐波的产生。其二即为非线性负载，例如日光灯、工业用发电机等电器，会造成大量的谐波。

2 谐波的危害及治理

2.1 谐波的危害

以上所介绍的这两种谐波源如若在电网中被广泛使用，必然会对设备造成一些损耗，更有甚者能导致噪声过大设备损坏等。如若不有效加以治理，将会对日常生活与生产造成严重损失。与此同时，响应国家的号召，对于电能的需要也越来越亟需，因此改善谐波污染以及无功污染已经迫在眉睫。

谐波在日产生活与生产中的危害主要体现在以下几个方面：一是谐波会对发电机与变压器等装置造成损害，表现为使其损耗变多，从而造成发热现象严重以及使电力设备的使用寿命变短。二是谐波中有时候某些特定频次的谐波可能会在电网谐振，这会让谐波的危害作用扩大，造成严重影响。三是谐波会使得电力系统中的一些继电保护装置发生误操作，而且由于谐波的存在，电气测量仪器的正常使用也无法得到保障，使误差变大。四是谐波会导致通信系统发生紊乱，严重时，会使其信息丢失而完全不能进行常规的通信工作。

通过以上分析可知，谐波造成的危害会产生非常严重的后果。如今对谐波治理的治理方式有两种，一种为主动谐波抑制法，另一种为被动谐波抑制法。前者的原理是从源头抑制谐波的产生，例如常见的PWM控制方式和采用多重化整流装置。这种抑制方法对谐波的治理效果不是特别好，时常无法满足谐波治理的要求;后者为被动谐波抑制法，是通过外加电力电子设备或装置对谐波源进行补偿等措施来降低甚至去除谐波的影响。

2.2 谐波危害的治理

常见的有源电力滤波器和无源电力滤波器等装置。其中，无源电力滤波器工作原理为在电路中产生串并联谐振，给谐波电流提供与其频率相符的回路，来消除主电路电流中的谐波成分。此滤波器有很多优点，比如原理简单，容易设计且稳定性比较高，成本低等，但其缺点也比较明显：无法灵活补偿指定频次的谐波。谐振效应不一定都有利于谐波的滤除，有时候会与电网产生谐振，会使谐波的影响加大。补偿装置的体积一般也较大，因此其功率损耗也大。补偿的谐波电流成分过多时，更大概率出现过载现象。

而有源电力滤波器（APF）则不尽相同，相比于上述无源电力滤波器其特性更为优良。APF能够实现对电流中谐波成分的追踪控制从而实现动态补偿，除此之外，还可对电网的无功功率进行一定程度的补偿，补偿效果十分理想。其优点主要有以下几点：能够实现对电流中谐波成分的追踪控制从而实现动态补偿，并且响应速度快;不同于无源电力滤波器，即使补偿的谐波电流成分过多时，也不出现过载现象;APF的补偿效果与电网运行工况无关，不受工况影响;可补偿电网中任意的指定次数的谐波;设备体积比较小，安装以及使用较为方便灵活;在APF正常工作时无因谐振导致的谐波放大现象，可很大程度的避免补偿失控。

3有源电力滤波器工作原理

APF的工作原理如下图1所示，它是由两大模块构成的，其一为用来检测谐波电流的信号检测运算电路，另一个为补偿电流产生电路。其中，补偿电路产生模块又包括电流跟踪控制电路、开关驱动电路以及主电路等。该模块可以参考信号检测电路模块产生的指令，生成驱动功率开关管开关的PWM驱动信号，由此产生补偿电流对谐波无功电流进行补偿消除。

在电网电路中，在APF投入使用之前，负载侧电流与电网的网侧电流大小相等相位一致，均携带相同程度的由非线性负载造成的无功与谐波电流成分。当电路中的APF投入使用时，首先将负载侧电流输送到APF中的信号检测电路模块，检测出负载侧电流中的谐波电流，并将其作为指令信号输出到APF中的补偿电流产生模块。然后，后者中的电流跟踪控制电路起作用，通过一定的控制策略将指令信号进行控制，生成一定的PWM波，并将此波形送入到功率驱动模块控制功率开关管的开通与关断，来实现精准输出补偿电流。

由图中可以看出，通过KCL定律可以得出关于电网电流与负载以及补偿电流的关系有如下表达式：

一般来说，若使APF系统输出的补偿电流与系统中检测出来的谐波电流大小相反即为，那么就可以实现网侧电流中的谐波电流成分补偿，以达到补偿谐波的目的。同理，也可以使补偿电流为即可补偿负载电流中的无功成分。

4三相有源电力滤波器控制系统整体设计

4.1系统硬件电路设计

首先对整个系统进行分析，由第二章已经了解到了有源电力滤波器的原理及结构组成，其由检测电路、控制电路、驱动电路以及主电路组成。本次硬件设计采用DSP为TMS320F28335作为控制模块。该芯片为TI公司生产的32位定点芯片，其功率元件频率可以达到150MHz，且其具有的32位的数据运算完全能满足本文的要求。系统整体硬件原理图如下图2所示。

4.1.1采样调理电路设计

本文中谐波信号检测模块与直流侧电压稳压模块以及保护电路模块都涉及到了信号采用检测电路，故需对电流、网侧电压、直流侧电压等信号采样处理。输入给DSP芯片的信号必须为其能处理的信号，所以采样所得的信号需经过调理之后将其进行处理转化。

（1）电流采样调理电路

本文电流互感器采用中霍公司的CHCS-LTSH-25A高精度霍尔电流传感器。该传感器除精度很高之外，其响应速度、功耗低以及体积小等优点也比较突出。电流采样调理电路如下图3所示，图中U2采用TL431电压基准芯片，U3与U4采用OP07双极性运算放大器。输入电流经过传感器对其实时检测后转化为电压信号后续输入给DSP。

（2）电压采样调理电路

本次设计中需要采集两次电压，其一为ip-iq检测法中需要用到锁相环PLL环节，因此需要采集a相电压以确定其相位以及频率;其二检测用于直流侧稳压。电压采样电路的原理基本与电流采样电路相同。其主要结构包含电压传感器和差分放大电路以及滤波电路所组成。其电路图如下图4所示。

由于电压采样信号相对于电流采样信号要大，因此图中R8电阻用于将电压信号转化为电流较小的检测信号。其中U5为中霍公司所研制的CHVS-AS5-10型号的霍尔电压传感器，该传感器具有能提供2.5V基准电压的优点故无需额外另设基准芯片，成本较低控制简单。

4.1.2驱动电路设计

工程实际上一般选用IGBT用作功率开关管器件，本次设计为采用N沟道型IGBT。驱动电路图如下图5所示。由于DSP输出的PWM信号通常为0～3.3V，开关管一般需要10以上电压来导通，因此需对输出信号做升压处理。此外，如图所示，采用了光电耦合隔离器TLP250来将主电路以及控制部分进行光电隔离。C5电容连接在引脚5与引脚8之间可以来对信号起放大的作用，D1为稳压二极管可以给VT1管稳定电压。

4.1.3保护电路设计

当电路中检测系统出现故障问题时，需要用到保护电路来将PWM信号进行封锁，使功率开关器件关断，将主电路切开以及时装置安全，避免发生意外。保护电路主要包括过温保护、过压保护以及过流保护。

（1）过温保护电路

功率开关器件的过温保护电路见下图6。T1电阻为IGBT自带负温度系数热敏电阻，其常温时阻值为5kΩ，温度达到80℃时，其阻值降至1kΩ。该电路输出的Vout输送给DSP芯片，通过DSP芯片进行判断温度是否过高。U8为一路电压比较器，U9为光耦隔离器，当温度处于正常状态时，电压比较器输出低电平，光耦隔离器截止，输出电压信号Vout也为低电平;当温度过高，超过100℃时，电压比较器同相端的电压要高于反相端电压故输出高电平，光耦隔离器导通，故输出电压信号为高电平。高电平输送至DSP芯片后，内部输出低电平给驱动电路，断开输出PWM信号，以此实现保护功能。

（2）过流保护与过压保护电路

过压保护电路是通过将采集到的电压信号与参考电压信号对比比较，再通过输出高电平或者低电平到DSP芯片中来进行控制。由于过流保护检测电流输出的也同样为电压信号，故其保护电路基本相同。过压保护电路如下图7所示，检测得到的电压过高则经由比较器输出高电平输送至DSP芯片内，以此进行过压保护。

4.2系统软件设计

软件设计是系统设计极其重要的一环，本文选用了TI公司的32位TMS320F28335核心处理器。该处理器与其他处理器相比增加有浮点运算单元，能够更有利于开发具有处理浮点的算法，并且该处理器的运算速度也非常快，本系统中DSP主要担任A/D转换、电流信号的检测运算、跟踪补偿电流、输出PWM驱动信号、过温过压过流保护信号以及稳定直流侧电压等任务。下文将对APF系统的主程序、谐波信号检测程序以及直流侧稳压程序进行设计。

4.2.1主程序设计

本文主程序设计如下图8所示。其中IO初始化目的为设置复用寄存器捕获入口以及出口其特殊功能口。A/D初始化是为了设置采样通道、采样模式以及采样顺序等。图中定时器初始化目的是计算以及检测采样的时间。

4.2.2子程序设计

如下图9、图10所示分别为A/D中断程序的流程图以及算法子程序的流程图。首先，需处理A/D采样得到的电流信号，然后将其与指令电流作比较输送给比较寄存器，将得到的偏差信号输入滞环控制模块，即可生产PWM控制信号输送给驱动电路。

直流侧电压控制的程序见上图11，首先，需利用主电路进行预充电，预充电完成后还需利用升压电路对其进行升压处理，以达到800V满足系统正常工作需求。将检测到的直流侧的实际电压对电压参考值作对比，然后将得到的结果接入PI控制器以获得电流调节信号，进而通过其管理功率驱动器件来进行稳压控制。

5本章小结

随着越来越多的非线性负载的应用，消除谐波污染已经是如今非常迫切的任务。APF在治理谐波污染以及对无功进行补偿等方面具有很大优势，本文对APF系统的硬件电路以及软件程序完成了设计。选用TI公司生产的TMS320F28335为主要控制芯片，对系统整体电路进行了设计。其中，硬件电路主要设计电流电压采样调理电路、驱动电路以及过温保护、过压过流保护电路，软件程序主要完成了主程序设计、A/D中断程序设计、算法子程序设计以及直流侧电压控制程序设计。

参考文献

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