摘要:介绍了电气化铁路用单相并联混合型有源滤波器的全数字控制系统。首先简介并联混合型单相有源电力滤波器的结构和基本原理 ,提出对控制系统的要求 ,据此确定控制系统硬件结构 ,随后介绍硬件配置的特点和软件的具体实现 ,最后给出了实验结果。实验表明 ,该控制系统满足有源滤波器的实时控制要求 ,并联混合型滤波器的滤波性能良好。
Abstract :A full digital control system of the single2phase parallel hybrid active power filter for electrified railways isintroduced. First , the configuration and basic operation principle of the active power filter are introduced. Second , thecontrol purpose is proposed , then the hardware is designed and the characteristics of hardware are given. At last , someexperimental results are obtained. It shows that the control system meets real2time requirement of the active power filterand the compensation properties of the active power filter are very good.
K eywords :converter ; active power filter ; digital control system
1 引 言
有源电力滤波器(APF)是目前性能最好的谐波补偿装置 ,代表了谐波补偿装置的发展方向。目前投入应用的 APF 大多为并联型 ,且多为三相[1 ,2 ]。
实际上单相电路谐波的抑制也是人们所关心的问题。例如 ,由直流电机拖动的电力机车就是典型的单相谐波源。与并联型APF相比 ,并联混合型单相有源滤波器中的有源部分容量小 ,因而初始投资少 ,非常适合于对电力机车这类大容量谐波源的滤波[3 ]。本文介绍用于这种并联混合型单相有源滤波器的基于DSP的全数字控制系统。
由于APF对控制系统的实时性有非常高的要求 ,因此早期的APF都采用模拟控制。但是模拟控制所固有的精度低、 无法实现一些先进复杂的控制方法、 调试困难等缺点在一定程度上妨碍了有源滤波器的发展。微电子技术的迅速发展使得这种情况迅速改变。APF 的控制系统逐渐从模拟向模数混合发展 ,近期又发展到了以微处理器、 微控制器、 数字信号处理器(DSP)等为核心的全数字结构。这种发展使得多种多样的控制算法能够方便地实现。作者所研制的单相并联混合型 APF 就采用了以DSP为核心的全数字控制 ,该控制系统在确保满足APF 对实时性要求的同时 ,充分发挥了数字控制的诸多优点。
2 混合型有源电力滤波器的结构、 原理及对控制系统的要求
它由有源滤波器和无源滤波器串联构成 ,与谐波源负荷并联连接。这里的无源滤波器由 3 次、 5次等单调谐LC滤波器组成。APF的主电路是一个具有直流电压支撑电容的单相桥式 PWM 变流器 ,它通过耦合变压器和无源滤波器串联连接。电感L s和电容 Cr 用以滤除 PWM 变流器输出电压中的高频脉动。耦合变压器起到隔离、 均衡 PWM 变流器的电压与电流容量的作用。谐波源为带感性负载的单相桥式整流器 ,可视为电流源。电网阻抗一般呈感性 ,故用电感 L s表示。
图 2 示出并联混合型有源滤波器的等效电路。图中各下标的含义是 ,S表示电网、 L 表示负载、 F表示无源滤波器、 C 表示有源滤波器。下标 f 和 h 分别表示基波和谐波。图中 ,无源滤波器起主要的滤波和无功补偿作用。有源滤波器被控制为一个谐波电压源 ,产生与网侧谐波电流成 K倍比例的谐波电压。由图 2 分析可得流入电网的谐波电流:
从上式可以看出 ,有源滤波器的控制作用相当于在网侧谐波阻抗 ZSh旁串联了一个电阻 K ,从而增加了电源支路对谐波的阻抗 ,迫使负载电流 iL 中的谐波成分尽量流入无源滤波器 ,极大地改善无源滤波器的补偿效果 ,同时可以阻尼电网阻抗和无源滤波器之间的谐振。此外 ,有源滤波器还能够抑制电源电压谐波引起的流向无源滤波器的谐波电流。
从以上工作原理可知 ,控制系统应当满足的基本要求是:从电源电流中实时检测出其谐波成分 ,并控制 PWM 变流器产生与之成比例的谐波电压。
3 控制方法和控制系统硬件结构
图 3 给出了控制方法的框图。谐波实时检测采用了离散傅立叶变换和反变换的方法(由图中 DFT部分实现) ,应用该方法可对指定次谐波进行补偿。经过生成 PWM 控制信号的环节 ,去 IG BT 的驱动电路 ,控制 4 个 IG BT的通断 ,使变流器产生所期望的补偿电压。
变流器工作时 ,其自身的能量损耗会引起直流侧电容电压 udc的降低 ,但为了保证 PWM 变流器的正常工作 , udc应当保持恒定。为此 ,引入了直流电压反馈控制。udc的给定值 udc与反馈值 udc比较之后的偏差 ,经 PI 调节器 ,在补偿电压的指令信号中加入一定的基波成分 ,使得 PWM 变流器在生成所需谐波电压的同时 ,生成一定的基波电压。该基波电压与流经APF的电流基波成分相作用 ,控制变流器中的能量流动 ,以维持直流电压 udc的恒定。
图 3 中的计算和控制功能比较复杂 ,要得到好的滤波效果 ,控制系统就应尽可能快地检测、 分析和计算出电流中特定的谐波分量 ,然后据此生成补偿电压的指令信号 ,并实时控制APF的主电路使其输出所需的波形。这一方面要求控制系统具有快速的数字信号处理能力;另一方面 ,也要求系统具有丰富的 I/ O 接口并且适用于控制电力电子器件。为满足以上要求 ,采用了以双 DSP 为核心的全数字控制系统 , 两片 DSP 分别是 TI 公司的TMS320C32 和 TMS320F240。其中 TMS320C32因其强大的运算能力而主要用于浮点计算和数据处理[4 ];而 TM320F240 则是 TI公司推出的专门面向电机控制的定点运算 DSP ,具有较强的接口能力和可输出 PWM波形的事件管理器 ,主要完成数据采集和 PWM波形的生成[5 ]。 两片DSP通过一片1 6 K ×1 6 bit的双口RAM ( IDT7 0 2 6 ) 进行数据交换。另外 ,本系统还采用了一片 CPLD(EPM7128SLC84) ,用于协调系统内部的逻辑。由此组成了图 4 所示的控制系统的硬件结构。 
TMS320C32 子系统完成数据运算处理和部分控制功能 ,由一片 TMS320C32、 一片 128K×8bit 的EPROM(AM27C010 - 70) 、 两片 64K×16bit 的高速SRAM(CY7C1021 - 20) 、 逻辑以及译码电路等构成。其中 EPROM 用于存放程序和已初始化数据 ,SRAM 用 于 存 放 实 时 运 行 的 程 序 和 数 据。TMS320F240 子系统的主要功能是:数据采集、 控制PWM波形的生成、 协调整个系统。TMS320F240和 TMS320C32 的指令周期仅有 50ns。 外围电路中 ,电网电压 us经隔离降压和滤波后进入控制板 ,由过零同步电路产生与电源电压同频率同相位的方波信号 ,接入TMS320 F240的CAPTURE1。TMS320F240 的捕获单元捕捉方波信号的上升沿 ,记录事件发生时刻 ,并计算进线电压频率 ,再根据采样信号频率 ,最终确定采样时刻。电源电流 i s和直流侧电压 udc分别经互感器隔离送至A/ D采样转换电路 ,由 TMS320F240 读取转换结果。控制系统按图 3 所示的原理计算出采样时刻的补偿电压指令 ,并据此指令利用 TMS320F240 内部的脉宽调制( PWM)发生函数和可编程的死区单元生成 PWM 控制信号 ,送至输出缓冲器输出。
4 硬件电路特点
4. 1 程序的动态转移
TMS320C32 运行速度极快 ,在 50ns 的指令周期内即完成取指、 译码、 执行这 3 个步骤 ,因而要求其外部存储器具备很高的存取速度与之相匹配。高速的 SRAM 芯片价格适宜 ,但高速的 FLASHROM价格非常贵。本系统应用了 TMS320C32 的程序自引导功能 ,TMS320C32 实时运行程序和数据可从外部的廉价低速 EPROM 或串行口装入 SRAM 中运行 ,以节省成本 ,提高运行速度。此程序自引导功是由
