基于IGBT模块的有源滤波器(APF)关键技术(2)

2、电力有源滤波器(APF)硬件系统构成
2.1 主电路
电力有源滤波器的主电路形式多种多样，本项目主要采用基于电压源变流其的主电路结构。根据电力系统负荷的不同，又分为三相三线制结构和三相四线制结构两种，参见图 2-2. 根据三菱 NX系列模块的结构，本项目设计了合理的电气连接结构，如图 2-5所示。此结构中 IGBT 与直流电容连接距离很短，极大的减小了杂散电抗；同时 IGBT与直流的连接采用叠层母排，增加正负极间的叠层面积，从而增加了直流正负连接排的电容。这两方面的作用，极大减小了 IGBT 开关过程中危害性最大的过电压现象，从而起到了保护 IGBT 作用，并且延长 IGBT 使用寿命。 叠层母排是一种多层复合结构连接排。与传统的、笨重的、费时和麻烦的配线方法相比，使用复合母线排可以提供现代的、易于设计、安装快速和结构清晰的配电系统。具有可重复电气性能、低阻抗、抗干扰、可靠性好、节省空间、装配简洁快捷等特点的大功率模块化连接结构部件。通过使用叠层母排，提高了产品性能，缩小了产品体积。

2.2 控制系统
电力有源滤波器的控制系统是控制算法实现的平台，其好坏直接影响到滤波效果。为了提高性能，保证控制稳定性、可靠性，本项目采用了双 DSP+FPGA 结构，如图 2-3 所示。 DSP 的优势在于快速的运算能力，尤其是乘法运算。这使得其能够完成复杂的控制算法，产生精确的控制脉冲。而双 DSP 的配置，使得一片 DSP 只负责算法运算，没有其他的负担，从而保证了控制算法运算的可靠性和时效性。FPGA，即现场可编程逻辑阵列，为最新发展起来的功能强大的集成逻辑芯片。由于 FPGA 编程简单，非常容易和方便的实现逻辑电路。因此对于电力电子设备的脉冲发生器，采用 FPGA 实现精度高、可靠性高、编程简单、灵活性大而且方便地实现逻辑保护，所以已经成为数字式脉冲发生器的一种主要实现方式。通过 FPGA实现脉冲比通过 DSP 产生脉冲更加可靠，因为采用 DSP 产生脉冲，一旦死机就需要复位才能正常工作，时间较长。而采用 FPGA 产生脉冲，FPGA 不会重新启动，即使出错也可能只是一个指令周期出错，不会导致整个 FPGA 工作不正常，所以也不会使 FPGA 出现过电流、过电压等故障，导致有源滤波器停止工作。
图 2-3 的基于双 DSP+FPGA 控制系统的有源滤波器控制器完成以下功能：
（1） 数据采集
有源滤波器的控制算法和保护功能中需要系统电压、电流的数据信息，这些数据信息的采集工作有 A/D 采样系统完成。此系统有两部分组成：一是信号调理电路，负责把需采样的信号转变成符合下级 A/D 芯片要求的信号波形；二是 A/D 芯片，负责把输入的模拟信号转变成 DSP 和 FPGA 系统可识别的数字信号。
（2） 谐波检测
谐波检测是控制系统的核心工作，这部分通过对采集到的电压电流信息的运算把谐波电流从复杂电流中分离出来，提供给控制算法产生正确的脉冲，以实现有源滤波器的控制目的。根据用户的需要，有时还需要检测其他的分量，提供给以后的控制。
（3） 脉冲发生
计算出的输出电流波形通过 PWM 算法，产生控制逆变器开关器件的脉冲信号 ，使逆变器产生的电流快速准确地跟踪参考电流。本项目采用 FPGA 实现脉冲发生，保证了输出脉冲的精度，使脉冲输出足够精确，保证有源滤波器的补偿效果。
（4） 保护和容错
根据采集的信息，判断系统和装置是否处于正常运行状态，当发现有源 电力滤波器出现过流或过压时，控制模块发出适当的信号使装置处于整流状态，避免开关器件损坏，当电压或电流恢复正常以后，再恢复正常的驱动脉冲，使装置复位并继续投入运行。如果系统或装置的故障不是暂时性的，则控制系统发出跳闸信号，彻底切断有源电力滤波器和系统的联系。这样的保护方式既保证了对装置本身的保护，又避免了系统的电压或电路冲击引起保护的误动作最大程度地保证有源电力滤波器和负荷的正常工作。
2.3 主从结构
在实际有源滤波工程中，有需要容量达到 500A 以上的大容量系统，此时需要使用多台有源滤波柜体并联的方式解决。如果单采用完成系统的并联，多套的控制系统和部分辅助电路将会显得冗余，因为一套控制系统足以控制整个有源滤波多柜系统。而多套控制系统控制也使得控制系统的误差成倍累计，使得有源滤波系统的精度有所降低。同时，系统由于负载变化等因素需要扩容时，其难度和成本也会增加。对此我们专门设计了主从结构，解决此问题。
主从结构示意如图所示，由 1 个主柜体和多个（5 个之内）从柜体组合构成。主柜体配有触摸屏和主控制系统，柜体间采用光纤通信。外部信号，如电压信号、电流信号（触摸屏可设是系统侧还是负荷侧）都接入主柜体的主控制器中，在此控制器中完成谐波分析算法，计算出需补偿电流波形。同时主控制器会自动判断从柜体的接入类型、运行状态，并根据判断出的各种状态实时状态分配给各从柜体的不同的输出电流数据。从柜体根据接受到的输出电流数据，完成输出电流控制，从而完成在本柜容量范围内的输出任务，并就地解决故障保护。所有柜体输出总和即形成了总输出电流，完成补偿。 主柜体和从柜体的构成如下图所示。主柜体的功率主电路、子控制板等与从柜体完全相同，区别是包含一块主控制板，以及其附属的人机界面、电压电流数据采集回路等。 由此主从结构构成的有源滤波系统，控制算法均由一套控制系统完成，杜绝了多重误差累计，从而提高了滤波精度。同时从柜体元件的减少，也减轻了扩容时的难度，节省了成本。