摘要：介紹了一種基于新型數(shù)字信號處理器（DSP）TMS320F2407A數(shù)字控制的滯環(huán)跟蹤型并聯(lián)有源電力濾波器,，以DSP為核心的數(shù)字控制電路完成諧波提取,、指令電流產(chǎn)生、直流側(cè)電壓控制,、系統(tǒng)保護等功能,，實現(xiàn)了一種全數(shù)字控制的有源電力濾波器。
關(guān)鍵詞：數(shù)字信號處理器,；數(shù)字控制,；有源電力濾波器
1 概述
隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展,，有源電力濾波器作為抑制電網(wǎng)諧波、補償供電系統(tǒng)無功功率的新型電力電子裝置得到了迅速發(fā)展,，并已應(yīng)用于實際工程中,。并聯(lián)型有源電力濾波器是有源電力濾波器中最基本的形式，獲得了最為廣泛的應(yīng)用,，圖1是并聯(lián)型有源電力濾波器的系統(tǒng)原理框圖,。
圖1并聯(lián)有源電力濾波器系統(tǒng)原理框圖
DSP數(shù)字控制系統(tǒng)檢測非線性負(fù)載的電流與網(wǎng)側(cè)電壓相位，按照一定的算法提取出諧波電流,，通過APF向電網(wǎng)實時注入與系統(tǒng)諧波相位相反大小相等的補償諧波電流以抵消諧波,，達到消除系統(tǒng)諧波污染的目的。由于滯環(huán)控制具有反應(yīng)速度快,，控制精度較高,，不需要了解負(fù)載的特性等優(yōu)點，在有源電力濾波器中采用該控制方法是有利的,。本文給出了一種基于DSP的滯環(huán)跟蹤型有源電力濾波器數(shù)字化控制系統(tǒng)。
2 滯環(huán)跟蹤型有源電力濾波器系統(tǒng)的總體設(shè)計
滯環(huán)跟蹤型有源電力濾波器的DSP數(shù)字化控制系統(tǒng)框圖如圖2所示,。
圖2 系統(tǒng)框圖
以DSP為核心的數(shù)字控制系統(tǒng)完成如下功能：
1)檢測非線性負(fù)載的電流Ila,、Ilb、Ilc與網(wǎng)側(cè)電壓相位,，提取出諧波,，反向后得到諧波補償指令電流；
2)檢測有源電力濾波器主電路的電流（實際補償電流）Ica,、Icb,、Icc，送入滯環(huán)電流跟蹤控制電路,，使其跟蹤諧波補償指令電流,，從而抵消電網(wǎng)中的諧波成分；
3)檢測變流器直流側(cè)總電壓,，通過PID調(diào)節(jié),，使得直流側(cè)電壓穩(wěn)定；
4)控制裝置的軟啟動和關(guān)機,，并提供裝置的過流,、過壓保護。
3 系統(tǒng)時序的設(shè)計
系統(tǒng)控制核心TMS320F2407A的顯著優(yōu)點是高速AD采樣（最快達到500ns）,，使得系統(tǒng)的控制周期僅為25μs,，這意味著三相非線性負(fù)載電流采樣頻率達到了40kHz。負(fù)載電流采樣周期越短,，補償諧波的實時性,、準(zhǔn)確性越高,。兼顧A/D采樣的準(zhǔn)確性，取DSP一次A/D轉(zhuǎn)換的時間為1μs,，三相非線性負(fù)載電流和直流側(cè)電壓共需要4μs,，采用dq法計算指令電流需要5μs，諧波指令電流的D/A轉(zhuǎn)換一共需要10μs,，其他部分占用時間很少,，圖3是程序中以上主要模塊的的時序安排。
圖3 程序主要模塊的流程圖
4 諧波電流的計算
在DSP主程序中,，諧波電流的計算是一個非常重要的部分,，因為，指令電流計算的準(zhǔn)確與實時性直接關(guān)系到APF補償性能的好壞,，假如指令電流誤差很大,，即使滯環(huán)跟蹤補償電流發(fā)生器輸出完全跟蹤諧波補償指令電流，最終的補償結(jié)果誤差也會很大,。本文采用基于瞬時無功功率理論的d－q法計算諧波指令電流,，d－q法的框圖如圖4所示。
圖4 d－q變換框圖
將瞬時A/D采樣的三相電流信號經(jīng)過如下變換,，得到d－q坐標(biāo)系表達式,。
idq0=
=
=
（1）
式中
C=
×
（2）
在d－q變換后，基波成分轉(zhuǎn)換為直流分量(id,，iq),，基波不對稱和諧波成分轉(zhuǎn)換為(id，iq,，i0),，對于三相三線制系統(tǒng)，i0=0,。圖4中的低通濾波器用來將與基波成分對應(yīng)的直流分量分離出來,，再經(jīng)過d－q反變換后，得到三相對稱基波,，最后與輸入的負(fù)載電流相減得到諧波,、基波的非對稱部分。
采用新型DSP－TMS320F2407A實現(xiàn)圖4所示d－q變換,，但是對于有限字長DSP－TMS320F2407A,，通過LPF傳遞函數(shù)的推導(dǎo)，可以發(fā)現(xiàn)其采樣頻率遠不能達到A/D采樣的頻率,，即40kHz,。雖然DSP可以通過移位、加法等方法實現(xiàn)32位算術(shù)運算，但是這必將大大增加DSP的計算量,，并且降低分辨率,，無法滿足有源電力濾波器的實時性、準(zhǔn)確性要求,。為解決這個矛盾,，我們在諧波提取中采用了兩種采樣頻率工作的方式：d－q變換和LPF采用較低的頻率工作；其它部分的工作頻率為40kHz,。通過頻譜分析可知,，19次以上諧波含量很少，所以我們可以只補償19次以下諧波,，根據(jù)采樣理論,，我們選擇LPF的采樣頻率為2.5kHz。
5 直流側(cè)電壓控制
為了保證主電路有良好的補償電流跟隨特性,，直流側(cè)電壓必須大于電網(wǎng)線電壓峰值,，方能實現(xiàn)電流可控，因此必須將變流器直流側(cè)電容的總電壓控制為一個適當(dāng)?shù)闹?，實際選為700V,。
系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)時，理想的APF是不需從電網(wǎng)獲取能量的,。實際的APF因其損耗將需要從電網(wǎng)吸收少量能量,，其直流側(cè)電容的電壓平均值將發(fā)生變化，所以必須對直流側(cè)電容電壓加以閉環(huán)控制,。
圖5所示的是具有直流側(cè)電壓調(diào)節(jié)功能的指令電流運算電路框圖。
圖5 PI調(diào)節(jié)框圖
圖5中,，Vcr是直流側(cè)電壓的給定值,，Vcf是直流側(cè)電壓的反饋值，兩者之差經(jīng)PI調(diào)節(jié)后再經(jīng)過限幅處理,，限幅是為了保證指令電流的范圍在APF容量之內(nèi),，限幅后得到調(diào)節(jié)信號Δid，它疊加到有功電流id上（圖4）,。這使得有源電力濾波器的補償電流中包含一定的基波有功分量,，使電網(wǎng)向有源電力濾波器的直流側(cè)補充能量，將直流側(cè)電壓Vc維持在給定值,。當(dāng)Vcf比Vcr小時,，經(jīng)PI調(diào)節(jié)器的作用，使得Δid為正,，由圖4可知經(jīng)過運算最終得到的指令電流中將含有正的有功電流分量,，在這個指令電流的作用下，補償器的主電路在對諧波電流進行補償?shù)耐瑫r，將從電網(wǎng)吸取相應(yīng)的有功功率,，使得變流器的直流側(cè)電容電壓上升直至反饋電壓與給定值相同,。反之，當(dāng)Vcf比Vcr大時,，經(jīng)PI調(diào)節(jié)器的作用,，使得Δid為負(fù)，經(jīng)過運算最終得到的指令電流中將含有負(fù)的有功電流分量,，在這個指令電流的作用下,，補償器的主電路在對諧波電流進行補償?shù)耐瑫r，將向電網(wǎng)釋放相應(yīng)的有功功率,，使得變流器的直流側(cè)電容電壓下降直至反饋電壓與給定值相同,。
上述算法由DSP完成，采用增量式PID算法控制,不但簡化了硬件電路,，并且使得參數(shù)變化靈活,，達到了良好的動態(tài)、靜態(tài)特性,。
6 實驗結(jié)果
從圖6及圖9中可以看出提取出的諧波中基波殘余成分很少,，諧波成分很純，諧波提取達到了很高的準(zhǔn)確率,。從補償效果圖7來看,，數(shù)字法實現(xiàn)的諧波提取可以解決DSP有限字長、速度和有源電力濾波器高速,、實時性之間的矛盾,，DSP數(shù)字控制系統(tǒng)能夠滿足有源電力濾波器要求，從而實現(xiàn)有源電力濾波器控制系統(tǒng)的數(shù)字化,。在保證檢測和控制實時性的同時,，可以提供較高的計算精度，而且調(diào)試方便,，改變控制參數(shù)或控制方法容易,，性能優(yōu)于傳統(tǒng)的采用模擬電路控制有源電力濾波器的方法。
圖6 補償前的a相電流ila(THD=76％)及提取出的諧波iah
圖7 補償后的a相網(wǎng)側(cè)電流(THD=12％)
圖8 負(fù)載電流FFT分析
圖9 提取諧波的FFT分析