賴小華， 樂江源，羅 聰

(贛南師范大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，江西 贛州 341000)

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·光子學(xué)與光子技術(shù)·

基于DSP的有源電力濾波器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

賴小華， 樂江源，羅 聰

(贛南師范大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，江西 贛州 341000)

為了滿足響應(yīng)快、精度高的要求，提出了一種基于高速數(shù)字信號(hào)處理DSP芯片TMS320F2812的全數(shù)字有源電力濾波器(Active Power Filter，簡稱APF)控制方案.著重闡述了控制方案硬件結(jié)構(gòu)的主要電路設(shè)計(jì)和分析了軟件程序的實(shí)現(xiàn)流程.最后，在APF樣機(jī)上進(jìn)行了補(bǔ)償?shù)湫拓?fù)載實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析驗(yàn)證了該控制方案在改善電能質(zhì)量上的可行性.

有源電力濾波器；全數(shù)字控制器；諧波檢測；PI控制

有源電力濾波器是電網(wǎng)諧波治理技術(shù)中最有前途的設(shè)備，跟無源濾波器等傳統(tǒng)諧波抑制和無功補(bǔ)償方法比較，它能對(duì)大小和頻率變化的諧波以及無功功率進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償[1].

APF主要由主電路和控制系統(tǒng)組成.其中控制系統(tǒng)主要需實(shí)現(xiàn)諧波電流檢測、電壓及電流控制算法以及PWM指令輸出等功能，需進(jìn)行大量的算術(shù)和邏輯運(yùn)算，同時(shí)又必須保證控制的實(shí)時(shí)性.因此，選用高性能的DSP作為主控芯片，設(shè)計(jì)全數(shù)字控制系統(tǒng)是最佳選擇.與采用模擬電路設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)相比，全數(shù)字APF控制系統(tǒng)采用程序完成所有功能，具有修改方便、可靠性強(qiáng)且易于調(diào)試等優(yōu)點(diǎn).本文選用TMS320F2812 DSP為主控芯片，設(shè)計(jì)了APF的全數(shù)字控制系統(tǒng)，給出了硬件電路和軟件程序的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，并在APF樣機(jī)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該控制系統(tǒng)的合理性和可行性.

1 有源電力濾波器總體結(jié)構(gòu)

圖1 三相并聯(lián)型有源電力濾波器總體結(jié)構(gòu)圖

有源電力濾波器總體結(jié)構(gòu)如圖1所示.其工作流程為：首先，閉合斷路開關(guān)給控制系統(tǒng)供電，控制系統(tǒng)執(zhí)行上電自檢程序，用戶可通過人機(jī)接口修改設(shè)備參數(shù)和運(yùn)行方式等；然后，自檢無誤并參數(shù)設(shè)置完成后，閉合接觸器J1使APF接入電網(wǎng)投入運(yùn)行，其中接觸器J2和防涌流電阻R實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)功能；最后，設(shè)備因故障或計(jì)劃退出運(yùn)行時(shí)，應(yīng)先關(guān)斷主電路的開關(guān)器件，再依次斷開控制接觸器J1、J2和手動(dòng)斷路器.

設(shè)備的控制系統(tǒng)首先通過檢測電路檢測到電網(wǎng)側(cè)的電壓及相位、負(fù)載側(cè)的負(fù)荷電流、設(shè)備直流側(cè)電流電壓等信號(hào)，利用檢測到的信號(hào)通過一定的算法計(jì)算出檢出負(fù)荷電流的諧波分量和無功分量，并作為APF須輸出電流的參考信號(hào)，跟APF實(shí)際輸出的電流比較后輸入控制程序，控制程序根據(jù)特定的控制算法產(chǎn)生PWM控制信號(hào)去驅(qū)動(dòng)主電路的IGBT器件的通斷，從而使APF注入電網(wǎng)的實(shí)時(shí)電流跟蹤參考電流，實(shí)現(xiàn)諧波補(bǔ)償或無功補(bǔ)償?shù)裙δ?

2 控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

TMS320F2812是美國TI公司TMS320F281X系列中的一種定點(diǎn)DSP.該芯片與現(xiàn)存24X DSP芯片代碼兼容的同時(shí)，具有處理能力更強(qiáng)大、外設(shè)集成度更高、程序存儲(chǔ)器更大及A/D轉(zhuǎn)換速度更快等優(yōu)點(diǎn).基于TMS320F2812的有源電力濾波器控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2 有源電力濾波器控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

圖3 采樣信號(hào)預(yù)處理電路

圖4 過零檢測電路

圖5 CPU Timer0定時(shí)中斷服務(wù)程序流程

2.1 電流、電壓取樣電路

取樣電路主要由電量采集和信號(hào)預(yù)處理兩部分組成.電量采集電路是利用霍爾器件采集APF輸出的補(bǔ)償電流、負(fù)載電流、直流測電壓等信號(hào)的實(shí)時(shí)變化情況；采樣信號(hào)預(yù)處理電路主要完成對(duì)霍爾傳感器采集過來的電流電壓信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，轉(zhuǎn)換成0～3 V的電壓信號(hào)，輸入到DSP進(jìn)行ADC轉(zhuǎn)換.由于電壓、電流傳感器輸出的都是約有效值為25 mA的電流信號(hào)，都要轉(zhuǎn)換成0～3 V的電壓信號(hào)，所以電流、電壓信號(hào)的預(yù)處理電路類似(注直流電壓檢測電路不要進(jìn)行1.5 V電壓抬升)，如圖3所示.霍爾傳感器輸出的25 mA電流經(jīng)一個(gè)180歐姆的電阻轉(zhuǎn)換成有效值約為4.5 V的電壓信號(hào)，第一個(gè)運(yùn)放組成的放大電路的放大倍數(shù)為(180+Rx)/540，其放大倍數(shù)可調(diào)，因此4.5 V的電壓信號(hào)經(jīng)過該放大電路后，可以轉(zhuǎn)換成有效值為2 V左右的交流信號(hào)，再經(jīng)3V電壓分壓后做了一個(gè)1.5 V電壓的抬升，最終轉(zhuǎn)換后的電壓信號(hào)為有效值為1 V左右的交流信號(hào)+1.5 V的直流電壓，剛好滿足0～3 V區(qū)間的要求.

2.2 過零檢測電路

因在諧波檢測環(huán)節(jié)需使用到電網(wǎng)電壓的同步信號(hào)，所以需對(duì)電網(wǎng)電壓信號(hào)進(jìn)行檢測，獲得A相電壓同步信號(hào).具體檢測電路如圖4所示.電網(wǎng)線電壓Uab經(jīng)過LEM電壓傳感器后，一路經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路處理后送入A/D轉(zhuǎn)換芯片，對(duì)電網(wǎng)電壓進(jìn)行測量以備用；另一路送入過零檢測電路.在過零檢測電路中，傳感器輸出的采樣信號(hào)經(jīng)過電壓放大電路放大后，接入由運(yùn)放OP7與二極管構(gòu)成的過零比較電路產(chǎn)生與電網(wǎng)電壓同步的方波信號(hào)，該方波信號(hào)經(jīng)帶施密特觸發(fā)的非門后，通過光耦送入DSP的捕獲端口.因?qū)嶋H電路檢測到的是電網(wǎng)線電壓Uab的同步信號(hào)，它與A相電壓有30°的相位差，該30°的相位差放在軟件設(shè)計(jì)時(shí)處理.

2.3 驅(qū)動(dòng)電路

IGBT應(yīng)用的關(guān)鍵問題之一是柵極驅(qū)動(dòng)電路的合理設(shè)計(jì).本樣機(jī)設(shè)計(jì)中采用的是瑞士CONCEPT公司研發(fā)的IGBT集成驅(qū)動(dòng)模塊2SD315A.由2SD315A驅(qū)動(dòng)模塊構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路有輸入保護(hù)、電源保護(hù)、上電復(fù)位、死區(qū)時(shí)間設(shè)定、工作模式選擇及IGBT接口電路幾部分組成.具體工作原理不再贅述，可參考相關(guān)文獻(xiàn)[2～3].

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)軟件主要有主程序、CPU Timer0定時(shí)中斷服務(wù)程序、EVA CAP捕獲中斷程序、諧波檢測程序以及若干子程序模塊組成.CPU Timer0定時(shí)中斷服務(wù)程序是整個(gè)軟件實(shí)現(xiàn)的核心部分，程序中包括電流、電壓信號(hào)的ADC采樣、諧波電流計(jì)算、電流控制算法、SVPWM功能模塊等，具體程序流程如圖5所示[4-6].EVA CAP 捕獲中斷服務(wù)程序的功能主要是捕獲電網(wǎng)AB相的過零點(diǎn)，并設(shè)置新周期標(biāo)志位，對(duì)電網(wǎng)頻率進(jìn)行鎖相，判別電網(wǎng)頻率是否正常.同時(shí)利用捕獲到的T2計(jì)數(shù)器的值計(jì)算采樣周期，重新設(shè)置CPU Timer0的中斷周期值.

其中諧波檢測是DSP控制系統(tǒng)要完成的主要任務(wù)，本系統(tǒng)將該任務(wù)寫成子程序形式供調(diào)用.其主要功能是利用DSP自帶的ADC模塊采樣得到的數(shù)據(jù)，根據(jù)ip-iq諧波檢測算法[7]，調(diào)用各種運(yùn)算功能模塊(主要有Clark變換、Park變換和低通濾波LPF等)，檢測出負(fù)載電流的諧波分量ip*和iq*作為APF輸入電流的參考值，與實(shí)際輸出電流比較，通過PI控制環(huán)節(jié)去控制APF開關(guān)的通斷[8].具體算法如圖6所示.

圖6 ip-iq諧波檢測算法

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

將控制器用于三相三線并聯(lián)型APF樣機(jī)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)電路參數(shù)為：電源電壓為220 V/50 Hz；直流側(cè)電壓控制在700 V；輸出濾波電感為0.5 mH；開關(guān)頻率為10 kHz.非線性負(fù)載由三相整流橋帶電阻負(fù)載構(gòu)成，諧波電流檢測算法為基于瞬時(shí)無功功率理論的ip-iq法，電壓及電流控制算法為PI控制，補(bǔ)償方式為全補(bǔ)償.

圖7 所示為沒有進(jìn)行諧波補(bǔ)償情況下A相電源電流isa實(shí)驗(yàn)實(shí)測波形.由圖示波形可知：由于實(shí)驗(yàn)所帶負(fù)載為三相不控整流電路，產(chǎn)生大量的諧波電流注入電網(wǎng)，從而使注入電網(wǎng)的電流呈現(xiàn)非正弦特性.

圖8所示為接入APF進(jìn)行諧波補(bǔ)償后注入電網(wǎng)的A相電源電流、APF產(chǎn)生的補(bǔ)償電流和APF直流側(cè)直流電壓實(shí)驗(yàn)實(shí)測波形.由圖8可知：注入電網(wǎng)的電源電流isa近似為正弦波形，由于APF響應(yīng)速度所限，在負(fù)載電流劇變處會(huì)出現(xiàn)尖峰或畸變.但仍然表明APF對(duì)負(fù)載電流中的大部分諧波電流進(jìn)行了有效補(bǔ)償，大大減少了注入電網(wǎng)電流的畸變率.并且，實(shí)現(xiàn)了APF直流側(cè)電容兩端電壓保持穩(wěn)定的另一個(gè)控制目標(biāo).

圖7 補(bǔ)償前A相電源電流實(shí)驗(yàn)波形 圖8 補(bǔ)償后A相電源電流、補(bǔ)償電流和直流側(cè)電壓實(shí)驗(yàn)波形

5 結(jié)語

本文以TMS320F2812 DSP為核心，設(shè)計(jì)了三相并聯(lián)型APF全數(shù)字控制系統(tǒng)，完成了諧波電流檢測、控制算法實(shí)現(xiàn)、SVPWM功能實(shí)現(xiàn)等.實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示樣機(jī)能很好地實(shí)現(xiàn)諧波補(bǔ)償功能，表明了以TMS320F2812為核心的控制系統(tǒng)由于其強(qiáng)大的運(yùn)算能力，可以確保諧波電流補(bǔ)償?shù)目焖傩?，?shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)控制.本文論述的硬件、軟件方案為APF的研制提供了參考，也對(duì)TMS320F2812 DSP在其他領(lǐng)域的應(yīng)用具有借鑒意義.

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Controll System Design of Active Power Filter Based on DSP

LAI Xiaohua, LE Jiangyuan, LUO Chong

(SchoolofPhysicsandElectronics,GannanNormalUniversity,Ganzhou341000,China)

To satisfy the demands of fast response and high accuracy on the active power filter(APF), This paper proposes a full digital control scheme of APF based on high-speed digital signal processing chip DSP TMS320F2812. It mainly describes the main circuit design of the hardware structure and analyses the implementation processes of the software program. Finally, a typical harmonic load compensation experiment based on the APF prototype is carried out. The test results and analysis verify the effectiveness of the control scheme in improving electrical energy quality.

active power filter; full digital controller; harmonic detection; PI contol

2016-05-20

10.13698/j.cnki.cn36-1346/c.2016.06.011

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51377025)

賴曉華(1975-)，女，江西贛州人，贛南師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院實(shí)驗(yàn)師，研究方向：計(jì)算機(jī)控制、非線性控制理論；樂江源(1975-)，男，江西贛州人，贛南師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院副教授，博士，研究方向：電力電子及電力傳動(dòng).

http://www.cnki.net/kcms/detail/36.1037.C.20161209.1610.070.html

TN713

A

1004-8332(2016)06-0050-03