基于CAN總線多模塊有源電力濾波器并聯控制

肖貞仁，席自強，周 苗

（湖北工業大學電氣與電子工程學院，湖北 武漢430068）

在實際有源濾波工程中，有需要容量達到500A以上的大容量系統，由于電力電子器件等因素的限制，單臺APF的容量有限，難以滿足負載諧波電流的補償要求?？梢圆捎枚嗯_APF并聯，通過分布式并聯控制方式完成諧波和無功電流的輸出，更易實現擴展和冗余；并聯系統各模塊完全相同，它們的地位均等，通過模塊間CAN總線交換信息，產生各模塊共享的參考信號，并通過環流對參考信號進行校正，實現均流控制［1］。

CAN（Controller Area Network）即控制器局域網絡，通過對通信數據進行編碼，實現網內節點個數不受限制以及使不同的節點同時接收相同的數據等優點，因此非常適用于分布式并聯系統。

本文采用Concerto F28M35x芯片構成數字控制通訊系統，基于DSP的控制子系統只負責算法運算，沒有其他的負擔，從而保證了控制算法運算的可靠性和時效性。基于Cortex－M3的主機子系統負責各柜體之間以及柜體與后臺監控之間的通訊。

1 Concerto F28M35x的結構

F28M35x的控制子系統以帶浮點處理器的DSP為基礎，與C2000系列器件兼容。此系統包含多個控制外設，如PWM模塊、捕捉模塊、編碼器接口以及用于高級控制和基帶信號處理應用的串行接口，可支持IEEE754單精度浮點操作。靈活的增強型ePWM能夠以最小的CPU占用生成復雜的脈寬波形。

控制子系統所要實現的功能包括：基于dq坐標變換的指定次諧波檢測；基于電壓外環電流內環的雙閉環控制；基于規則采樣法的SPWM脈沖發生；

主機子系統是基于Cortex－M3內核，具有通信所需的高級連接外設；包括以太網、移動USB，特別是獨有的雙CAN結構。主機子系統需要實現的功能包括：有源電力濾波器與觸摸屏的通訊；各模塊與遠程控制系統的通訊；有源電力濾波器的保護與容錯；

2 基于CAN總線的通訊與遠程監控設計

2.1 模塊間通信的硬件設計

基于CAN總線的通訊與遠程監控系統通過采集各模塊網絡節點的電流、電壓、頻率、溫度等實時數據，對是否過流、過熱關機、功率和功率因素等數據進行計算，然后將這些數據和狀態信息存儲在數據存儲器中，通過CAN總線傳送至監控臺的上位機。上位機接受到網絡節點傳送的測量值和信息后，以曲線、圖形等方式顯示出來，操作人員就可以隨時看到有源電力濾波器的運行參數［2］。數據經過處理后，顯示各種參數的狀態；上位機進行遙控操作時，將控制命令通過CAN總線發送到指定的網絡節點，在網絡節點實現相應的控制，達到控制的目的。整個有源電力濾波器多模塊并聯的控制與通訊結構見圖1。

圖1中的觸摸屏支持CAN 1939和CAN－open兩種協議，用戶可通過觸摸屏執行各種操作命令，方便地瀏覽輸入、輸出、負載等相關參數及波形，及時獲得有源電力濾波器各模塊當前的狀態和告警信息。

圖1 有源電力濾波器多模塊系統通訊結構

2.2 CAN總線與微處理器通信單元模塊的連接

F28M35x芯片含有獨特的內嵌式雙CAN控制器，通過收發器即可實現此節點與總線的接口聯結。收發器SN65HVD232D是TI公司生產的CAN協議控制器和物理總線的接口芯片，為CAN控制器提供差動接收能力。CAN總線與Concerto通信模塊的接法見圖2。

圖2 CAN總線與Concerto通信模塊的連接

3 基于CAN總線相位同步與均流控制設計

通過CAN總線消除由有源電力濾波器輸出電壓差別引起的環流，該方案充分利用了CAN總線通信速率高、抗干擾能力強的特點，在有源電力濾波器并聯系統中通過數字方法進行均流。各模塊采樣同步總線信號，在任意工作頻率點和頻率變化過程中自動實現同頻、同相；同步的相位信號與幅值信號相組合生成同步的三相正弦基準信號［3］。采樣并計算三相環流信號，然后注入到三相正弦基準信號中，對正弦基準信號進行校正，減小兩模塊的輸出誤差。

3.1 相位同步控制原理

有源電力濾波器通過數字鎖相環實時地為采樣點提供相應的相位信息，這個相位信息一方面參與諧波檢測算法計算，另一方面提供有源電力濾波器并網相位同步。將單臺有源電力濾波器的相位信息用方波表示，生成各臺有源電力濾波器自身的同步方波信號，并通過CAN總線在所有有源電力濾波器模塊之間交流；各臺有源電力濾波器檢測方波信號，根據相互之間的相位差控制正弦基準信號相位同步［4］；圖3為同步電路原理圖。

圖3 相位同步電路原理圖

其中方波信號sw1、sw2分別為有源電力濾波器模塊一、模塊二生成的自身同步信號，經過OC門輸出環節后送到同步總線，經過線與邏輯后的輸出信號sw＊也為方波，其上升沿與各輸入信號上升沿中最晚的相對應，下降沿與各輸入信號下降沿中最早的相對應。因此，共享的方波同步信號sw＊與各模塊自身的同步信號swn的關系如式（1）所示：

并聯運行過程中，有源電力濾波器各模塊根據自身的同步信號sw1和共享的基準同步信號sw＊差值，對頻率進行調節，使各模塊方波的上升沿出現在同一時刻，從而實現同步控制功能。

3.2 改進型均流控制方案設計

在均流調節中，各模塊通過采樣并計算環流信號，對自身的正弦基準信號進行補償，減小各有源電力濾波器輸出之間的差異，實現輸出均流。圖4所示為二臺有源電力濾波器的平均電流電路原理圖及均流調節原理。圖中，i為有源電力濾波器輸出電流；is為采樣信號；inav為各模塊共享的平均電流信號；uref為正弦電壓基準信號；uref＊為經過均流調節后的正弦基準信號；Δi為有源電力濾波器計算得到的環流信號；kβ為均流調節系數［5］。

圖4中，通過電流互感器采樣有源電力濾波器的輸出電流i，采樣信號is通過電阻R接到均流總線，參與生成平均電流信號inav；求差電路可以求出i1s和inav的差值，得到環流信號Δi，再經過隔離放大處理后，注入到三相正弦基準信號中對uref進行校正，以減小兩臺有源電力濾波器之間的輸出誤差，實現均流控制。以A相為例，由圖得到i、inav、Δi的表達式如下：

其中km是電流采樣系數。兩臺有源電力濾波器并聯的接法見圖5。

圖4 兩臺有源電力濾波器均流調節原理

圖5 兩臺有源電力濾波器并聯模型

圖5 中，ia1、ib1、ic1和ia2、ib2、ic2為兩模塊的輸出電流，ia、ib、ic為并聯系統輸出電流。以A相為例：

本文中的有源電力濾波器采用SPWM調制法，采用U／f控制，正弦基準信號幅值正比于輸出頻率f，令比例系數為kα。加入均流調節后可得：

式（6）、（7）中：ua1、ua2分別為有源電力濾波器模塊一和模塊二的三相橋臂輸出電壓；ua1ref、ua2ref分別為模塊一和模塊二的三相正弦基準信號；UDC1和UDC2為兩臺有源電力濾波器的直流母線電壓；φ1和φ2為其輸出電流相位差。由圖5可得到：

其中ua1b1、ua2b2是A1、B1和A2、B2端的端電壓；uab為并聯系統輸出a、b端的端電壓；s為拉普拉斯算子。

綜合式子（6）、（7）、（8）、（9）、（10）得：

可解出得：

將ua1ref、ua2ref的表達式帶入式（11）中，可得：

結果表明：兩模塊的環流正比于比例系數kα。實際有源電力濾波器并聯系統中，當通過相位同步使得相位差為零，且kα、L、km為常數，通過調節均流系數kβ，可以實現對環流的控制，所提出的均流控制策略是有效的。

4 實驗模型及結果

本文設計并實現了基于兩臺有源電力濾波器模塊的并聯補償系統。主電路功率開關器件采用IPM模塊（三菱PM75RL1A120）。負載采用整流橋帶電阻負載。負載電流諧波畸變率THD＝29.4%，諧波主要集中在6n±1特征次諧波上。圖6為有源電力濾波器模塊一諧波電流輸出波形。

圖6 有源電力濾波器模塊一諧波電流輸出波形

圖7為有源電力濾波器模塊二諧波電流輸出波形；通過比較發現，兩模塊的輸出電流大小和相位相等。

圖7 有源電力濾波器模塊二諧波電流輸出波形

5 結論

本文研究了基于CAN總線的同步與均流策略，詳細描述了有源電力濾波器各模塊間的通信結構，并在其基礎上完成二臺有源電力濾波器樣機的并聯運行調試。通過波形的表示形式可知，二臺有源電力濾波器樣機產生的諧波和無功電流的相位與幅值相等，補償后的諧波畸變率低。

［1］ 劉威葳，丁洪發，段獻忠.有源電力濾波器選擇性諧波電流控制策略［J］.中國電機工程學報，2011，31（27）：14－20.

［2］ 雷 一，趙爭鳴，魯思兆.LCL濾波的光伏并網逆變器有源阻尼與無源阻尼混合控制并聯型有源電力濾波器的電流控制［J］.電力自動化備，2012，32（11）：23－27.

［3］ 王要強，吳鳳江，孫 力，等.阻尼損耗最小化的LCL濾波器參數優化設計［J］.中國電機工程學報，2010，30（27）：90－95.

［4］ 丁士啟，帥智康，羅 安.一種新型注入式混合有源電力濾波器［J］.電工技術學報，2012，27（01）：202－209.

［5］ Dannehl J，Fuchs F，Hansen S，et al.Investigation of active damping approaches for PI－based current control of grid connected pulse width modulation converters with LCL filters［J］.IEEE Transactions on Industrial Application，2010，46（04）：1 509－1 517.