基于FPGA的模块化有源电力滤波器研究

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1、Science&TechnologyVision科技视界基于FPGA的模块化有源电力滤波器研究田阳刘爱民（南京国电南自城乡电网自动化工程有限公司，江苏南京210000）【摘要】本文针对大容量非线性负载谐波补偿问题，提出了基于FPGA的有源电力滤波器（APF）模块化控制策略，给出了系统结构拓扑，详细阐述了控制系统的硬件电路和软件设计。实验结果证明，所提出的模块化有源电力滤波器方案适用于大容量谐波补偿，并可以提高系统的稳定性和安全性。【关键词】有源电力滤波器；模块化；均流控制；FPGA0引言TC=C（3）2332随着非线性负载在配电网中的应用日

2、益广泛，电能质量严重恶其谐波电流检测及补偿电流控制方法为：化，而工业发展对电能质量提出了更高的要求，对电网谐波的限制也（1）对电网电压进行采样，低通滤波锁相后形成与电网电压同步越来越严格[1]。有源电力滤波器（APF）是解决谐波问题的理想设备，理的正弦、余弦信号。用于谐波电流监测运算，同时保证电流采样时刻也论上可以补偿任意次数的谐波电流和无功功率，具有良好的动态性与该正弦、余弦信号同步。能，受到广泛的关注。单因其造价和技术原因，特别是容量的问题，在（2）三相负载电流经基于瞬时无功理论的谐波运算提取到所需补大功率应用领域受到制约[2-3]。偿

3、的谐波电流，经过直流侧电压闭环PI控制得到用于稳定直流电压目前，大容量APF的研究取得了较多成果如混合型APF，但因其的有功电流，两种电流叠加形成逆变器的指令电流，将指令电流均分无源部分参数设计难度大，而且容易发生谐振等缺陷，缺乏通用性；多后作为各个模块的补偿电流给定，与各个模块的输出反馈电流作差，电平APF具有单机容量大的优点，但电路控制不仅复杂而且对可靠采用滞环比较控制环节形成PWM信号，经驱动电路控制逆变器产生性要求很高，价格也比较昂贵。多模块并联APF则比较灵活，可以应补偿电流。用于不同容量的谐波抑制场合，而且有利于标准化大规模生产

4、。[4-5]本文提出基于FPGA为核心控制芯片的新型模块化APF，FPGA具有设计灵活、速度快、不受干扰的特点；按模块容量比例均流控制策略不仅可以增加了设备谐波补偿的能力，而且提高了设备的可靠性和安全性。实验结果验证了理论分析的正确性。1原理、结构和控制方法本文中的有源电力滤波器实现完全模块化，基本结构如图1所示，装置由两部分组成：一为装置的控制系统；二是装置的功率模块。其中功率模块中集成了一个模块级别的FPGA控制系统、IGBT功率模块、直流侧并联电容和交流侧接入电感。各个模块之间为并联连接，当单个模块的容量不能满足系统谐波补偿要求，装置

5、需要扩容时，只要增加装置的功率模块就可以了，使得装置可以广泛适用于各种不同容量的谐波抑制场合。APF控制系统包括指令电流运算、补偿电流跟踪控制以及PWM图2APF算法框图驱动电路环节。根据APF工作原理知，模块化APF控制系统应当满足2控制系统硬件设计以下要求：（1）能够快速、准确地检测出系统电流的谐波成分、计算出指令电流；（2）能够良好地控制各个功率模块产生动态跟踪的高精度补因为有源电力滤波器对信号处理的实时性要求特别高，所以本文偿电流；（3）功率模块直流侧电容电压保持稳定；（4）能够让各个滤波设计了以Xilinx公司的Spartan3E

6、型FPGA为主控芯片的控制系统。模块合理分担补偿电流。[6]它由数据采集单元A/D、基于FPGA的主控单元及片外存储器组成。FPGA是具有极高并行度的信号处理引擎，能够满足算法复杂度不断增加的应用要求，通过并行方式提供极强的信号处理能力，速度快、实时性强。[7]2.1数据采集A/D转换芯片采用的是AnalogDevices公司的AD7865芯片，他是一款高速多通道数据采集芯片，具有四个采样/保持通道和一个快速A/D转换单元，可以实现同步采样；支持双极性模拟输入，抗混叠滤波电路输出的5V之内的信号可直接送入采样电路，无需转换电平，大大简化了硬

7、件电路，有效减少了因信号转换电路带来的额外误差。图3给出了AD7865与FPGA的接口电路。图1模块化APF基本结构按照其控制系统的要求，图2给出了模块化并联型APF控制系统的控制方法原理图，其中：sinωt－ｃｏｓωtC=（1）－ｃｏｓωt-sinωt1－１/２－１/２C32=姨2／3（2）０姨３/２-姨3／2图3AD7865与FPGA接口电路Science&TechnologyVision科技视界355Science&TechnologyVision科技视界2.2电源及保护电路驱动脉冲的输出，及时有效地保护功率器件。保护动作滞后

8、时间很短，电源电路由交流220V供电，产生控制电路元件、电流传感器及只与器件的不限延迟和决断时间有关。驱动所需的5V电压。FPGA所需的3.3V、1.2V核心电压由专用电源4实验