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【摘 要】APF动态响应速度快，能对快速变化的谐波电流进行实时精确的补偿，是治理谐波污染最有效的方案之一，本文设计了一种采用高速数字信号处理DSP芯片TMS320F28335的APF实验样机，叙述了APF的核心硬件电路设计和软件设计，给出了部分关键硬件控制电路原理图，分析了电路设计原理，并对系统软件部分设计做了介绍，实验表明，该实验样机能有效补偿电网中的谐波电流及无功功率。
【关键词】有源电力滤波器（APF）TMS320F28335芯片；驱动电路；相位检测电路
随着现代工业的发展，电力电子变流装置被广泛使用，随着电网中不可控整流及变频调速装置等非线性负荷的不断增加，电网的谐波成分剧增，严重影响了电能质量，有源电力滤波器（APF）以动态响应快，能快速精确补偿变化的所有谐波电流，其控制策略选择灵活，具有很大的性能提升潜力。
1.有源电力滤波器（APF）简介
APF是一种动态抑制谐波、补偿无功和负序的新型电力电子装置，利用可控的功率半导体器件向电网注入与原有谐波电流幅值相等、相位相反的电流，使电源的总谐波电流为零，达到实时补偿谐波电流的目的
2.实验平台样机设计
根据有源滤波器构成原理，本文针对三相三线制非线性负载设计了容量为50KVA的有源电力滤波器实验平台。主电路结构由非线性负载，IGBT逆变模块，LCL滤波器，直流电容，充放电路等组成，如图1所示。
2.1主电路设计
主电路工作原理：三相电源给非线性负载供电，因为负载的特性电网会产生大量的非线性谐波电流，同时控制IGBT产生逆变电流，经过LCL滤波以后补偿负载产生的非线性谐波电流，逆变部分直流侧电容的作用是稳定逆变器的直流电压，类似直流电源的作用。
图1 APF主电路原理图
控制电路中采样信号经过信号调理，除掉高频噪声，经A/D转换后进入DSP，DSP控制完成谐波电流计算，参考电流及参考电压的计算，产生IGBT驱动信号，经CPLD逻辑判断后，送入驱动芯片经过功率放大后来驱动IGBT模块，从而补偿负载产生的谐波电流，使流入到电网的电流波形近似为正弦波。实验样机的设计要求如下表1。主要元器年选择如表2
2.2电网电压相位检测电路设计
相位检测电路由两个运放电路加一个比较器组成。
其中前一运放有一可调电阻，设计时要保证在谐振频率处的幅值增益为1，而谐振频率可以通过调节可调电阻来调节，按照设计要求第一个运放的输出信号与输入信号的相位可调范围为90°～270°，第二个运放的相位固定延迟为180°，这样调节R2使总延时为360°。从而达到调节延迟信号相位的目的。电网电压信号为周期性信号，频率变化范围很小，这样就可以用上周期的相位信息来得到本周期的相位信息。
2.3驱动电路设计
对于 DSP 发出的IGBT 驱动信号，由于DSP引脚的驱动功率不够，需要有专门的驱动芯片对信号进行功率放大。目前，IGBT的驱动广泛使用比较成熟可靠M57962作为驱动芯片，能为控制器产生的PWM信号提供足够的功率放大， M57962输出驱动信号为15V高电平和-9V低电平，同时提供了一个检测错误的输出引脚。当M57962的驱动信号为高电平时，如果这时检测到1脚的电平为高，则M57962就判断系统出现了短路故障，通常1脚接到功率开关管的集电极，这样当驱动信号为高，如果集电极与源极之间的电压过高就可以判断出系统出现了短路故障。
2.4逻辑信号处理
（1）故障信号锁存
要求对所有的硬件故障信号都锁存，以免系统发生意外故障，同时DSP重新启动以后能够清除原来已经锁存的故障信号。每一相的故障信号锁存处理原理是一样的，
（2）逆变器的硬件死区
逆变器的上下桥臂要互锁输出，同时上下桥臂之间要有一段死区时间。其中国CLOCK信号由外部晶振提供，实验所用的晶振为16MHz，经过4分频后，再经过16分频，产生的死区延时约为4us。
（3）故障信号的逻辑运算
实验设定低电平表示故障信号，所以只要将所有的故障信号相与得出一路总的故障信号，然后用这一总的故障信号来切断PWM信号输出。
3.软件流程设计
实验采用基于DSP F28335为控制核心的全数字控制系统，F28335的主频达150MHz，具备32位浮点处理单元， F28335能提供三相互补的PWM波输出引脚，F28335功能强大，运算速度快。程序整体框图如图8所示。
程序流程：在主程序中，先分配好变量，然后赋给变量初值，然后就进入死循环，在死循环中不断的检测系统有没有发生故障，如果有则置位相应的保护标志位。在DSP外部中断1的引脚输入的是电网电压的同步信号；由于电网电压频率为50Hz，因此实验没有设计锁相环，而是利用电网电压的同步信号和DSP周期中断信号来估计电网电压的相位。在周期中斷中，先检测保护标志位判断系统有没有发生故障，如果有则切断PWM信号输出，如果没有就开始AD采样，然后计算输出PWM信号去控制功率开关管。
4.结论
本文介绍了并联型三相三线制APF的工作原理与构成，较为详细的探讨了关于50KVA容量APF实验平台的硬件电路设计和软件程序设计，给出了关键硬件控制电路原理图，对电路结构，和控制系参数，进行了设定。并对系统软件部分设计做了流程设计， 实验表明该实验样机能有效补偿电网中的谐波电流及无功功率。降低谐波畸变，改善系统电能质量。
参考文献：
[1]仇志凌. 基于LCL滤波器的三相三线并网变流器若干关键技术研究[博士学位论文]. 杭州：浙江大学，2009.
[2]曹奇. 并联型有源电力滤波器谐波电流检测及控制策略的研究.长沙：中南大学，2010.
[3]王兆安，杨君等. 谐波抑制和无功电流检测. 机械工业出版社，2006.
【关键词】有源电力滤波器（APF）TMS320F28335芯片；驱动电路；相位检测电路
随着现代工业的发展，电力电子变流装置被广泛使用，随着电网中不可控整流及变频调速装置等非线性负荷的不断增加，电网的谐波成分剧增，严重影响了电能质量，有源电力滤波器（APF）以动态响应快，能快速精确补偿变化的所有谐波电流，其控制策略选择灵活，具有很大的性能提升潜力。
1.有源电力滤波器（APF）简介
APF是一种动态抑制谐波、补偿无功和负序的新型电力电子装置，利用可控的功率半导体器件向电网注入与原有谐波电流幅值相等、相位相反的电流，使电源的总谐波电流为零，达到实时补偿谐波电流的目的
2.实验平台样机设计
根据有源滤波器构成原理，本文针对三相三线制非线性负载设计了容量为50KVA的有源电力滤波器实验平台。主电路结构由非线性负载，IGBT逆变模块，LCL滤波器，直流电容，充放电路等组成，如图1所示。
2.1主电路设计
主电路工作原理：三相电源给非线性负载供电，因为负载的特性电网会产生大量的非线性谐波电流，同时控制IGBT产生逆变电流，经过LCL滤波以后补偿负载产生的非线性谐波电流，逆变部分直流侧电容的作用是稳定逆变器的直流电压，类似直流电源的作用。
图1 APF主电路原理图
控制电路中采样信号经过信号调理，除掉高频噪声，经A/D转换后进入DSP，DSP控制完成谐波电流计算，参考电流及参考电压的计算，产生IGBT驱动信号，经CPLD逻辑判断后，送入驱动芯片经过功率放大后来驱动IGBT模块，从而补偿负载产生的谐波电流，使流入到电网的电流波形近似为正弦波。实验样机的设计要求如下表1。主要元器年选择如表2
2.2电网电压相位检测电路设计
相位检测电路由两个运放电路加一个比较器组成。
其中前一运放有一可调电阻，设计时要保证在谐振频率处的幅值增益为1，而谐振频率可以通过调节可调电阻来调节，按照设计要求第一个运放的输出信号与输入信号的相位可调范围为90°～270°，第二个运放的相位固定延迟为180°，这样调节R2使总延时为360°。从而达到调节延迟信号相位的目的。电网电压信号为周期性信号，频率变化范围很小，这样就可以用上周期的相位信息来得到本周期的相位信息。
2.3驱动电路设计
对于 DSP 发出的IGBT 驱动信号，由于DSP引脚的驱动功率不够，需要有专门的驱动芯片对信号进行功率放大。目前，IGBT的驱动广泛使用比较成熟可靠M57962作为驱动芯片，能为控制器产生的PWM信号提供足够的功率放大， M57962输出驱动信号为15V高电平和-9V低电平，同时提供了一个检测错误的输出引脚。当M57962的驱动信号为高电平时，如果这时检测到1脚的电平为高，则M57962就判断系统出现了短路故障，通常1脚接到功率开关管的集电极，这样当驱动信号为高，如果集电极与源极之间的电压过高就可以判断出系统出现了短路故障。
2.4逻辑信号处理
（1）故障信号锁存
要求对所有的硬件故障信号都锁存，以免系统发生意外故障，同时DSP重新启动以后能够清除原来已经锁存的故障信号。每一相的故障信号锁存处理原理是一样的，
（2）逆变器的硬件死区
逆变器的上下桥臂要互锁输出，同时上下桥臂之间要有一段死区时间。其中国CLOCK信号由外部晶振提供，实验所用的晶振为16MHz，经过4分频后，再经过16分频，产生的死区延时约为4us。
（3）故障信号的逻辑运算
实验设定低电平表示故障信号，所以只要将所有的故障信号相与得出一路总的故障信号，然后用这一总的故障信号来切断PWM信号输出。
3.软件流程设计
实验采用基于DSP F28335为控制核心的全数字控制系统，F28335的主频达150MHz，具备32位浮点处理单元， F28335能提供三相互补的PWM波输出引脚，F28335功能强大，运算速度快。程序整体框图如图8所示。
程序流程：在主程序中，先分配好变量，然后赋给变量初值，然后就进入死循环，在死循环中不断的检测系统有没有发生故障，如果有则置位相应的保护标志位。在DSP外部中断1的引脚输入的是电网电压的同步信号；由于电网电压频率为50Hz，因此实验没有设计锁相环，而是利用电网电压的同步信号和DSP周期中断信号来估计电网电压的相位。在周期中斷中，先检测保护标志位判断系统有没有发生故障，如果有则切断PWM信号输出，如果没有就开始AD采样，然后计算输出PWM信号去控制功率开关管。
4.结论
本文介绍了并联型三相三线制APF的工作原理与构成，较为详细的探讨了关于50KVA容量APF实验平台的硬件电路设计和软件程序设计，给出了关键硬件控制电路原理图，对电路结构，和控制系参数，进行了设定。并对系统软件部分设计做了流程设计， 实验表明该实验样机能有效补偿电网中的谐波电流及无功功率。降低谐波畸变，改善系统电能质量。
参考文献：
[1]仇志凌. 基于LCL滤波器的三相三线并网变流器若干关键技术研究[博士学位论文]. 杭州：浙江大学，2009.
[2]曹奇. 并联型有源电力滤波器谐波电流检测及控制策略的研究.长沙：中南大学，2010.
[3]王兆安，杨君等. 谐波抑制和无功电流检测. 机械工业出版社，2006.