有源电力滤波器中的谐波检测电路设计

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摘要: 对于有源电力滤波器(APF)而言,实时准确地检测出谐波电流是非常关键的,它的快速性、准确性、灵活性以及可靠性直接决定APF的补偿性能。
    设计的谐波检测电路检测出的多路模拟信号会有一定的延迟性,这会大大影响APF计算谐波的精确性和准确性。本文中谐波检测装置所用的AD7656具有6路同步采样特性,克服了测量结果之间延迟的缺点,使得测量精度高。以上优点弥补了目前APF中谐波电流检测技术的缺陷,而且抗混叠滤波器、隔离放大器、过零检测电路、锁相倍频电路的设计增强了检测的精确性。

1 装置整体运行原理及相关算法
1.1 装置运行原理
    图1为并联型有源电力滤波器的原理结构框图。图中,交流电网对非线性负载电,非线性负载为谐波源,产生谐波并且消耗无功功率。有源电力滤波器由4部分组成:谐波电流检测电路、电流跟踪控制电路、主开关器件驱动电路和主电路。谐波电流检测电路采用基于瞬时无功功率理论的ip-iq算法,根据有源电力滤波器的补偿目的检测出负载电流中的谐波分量,同时还要检测直流侧母线电容电压。然后将这些信号输入电流跟踪控制电路,通过控制算法生成一系列PWM信号,以此作为补偿电流的指令信号。这些信号经过电平转换后输入主开关器件驱动电路,驱动主电路中的主开关器件。此时,APF产生并向电网注入补偿电流,该电流与非线性负载电流相位相反,幅值为负载电流中的谐波分量,从而达到滤波目的。


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图1   APF主电路系统构成图



    有源电力滤波器检测模块的工作框图如图2所示。6路电流信号包括三相电流ia、ib、ic以及由APF发出的补偿电流,这6路电流信号经霍尔电流传感器变换后,在高精度取样电阻上形成与原信号成比例的电压信号,霍尔电流传感器采用LEM公司生产的LA55-P,采用这种霍尔传感器加高精度取样电阻的方式,可以获得更好的抗干扰能力,模拟信号变换的精度更高。



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    直流母线电压信号经霍尔电压传感器变换后,由于对直流母线电压的精度要求不高,就不再进行信号调理而直接进入A/D芯片的模拟信号输入通道。


    A/D采样启动信号也可以由DSP内部的定时器发出,但是由于电网频率会有所波动,而定时器的计时周期并不会随电网的频率变化而变化,使用内部定时器作为A/D启动信号时,会影响到瞬时无功算法的精度,使用了锁相倍频电路发出的12.8 kHz方波作为A/D芯片采样控制信号。
 

    在谐波计算当中,需要用到采样点的电角度所对应的正、余弦值,由于将电网频率256倍频,也就是在一个电网电压信号周期内要采256个点,每个点对应角度的正、余弦值已经计算出来,并存储到了非易失性铁电存储器当中。每次DSP启动后,会预先把正、余弦表从铁电存储器中读取到内存中,节省查表时间。


    在DSP的CAP4捕获到过零检测电路信号的上升沿时,就会启动CAP5来捕获12.8 kHz方波的上升沿,同时将查询正弦表和余弦表的指针清零,回到表格首地址,开始下一个周期的查询。