??? 摘 要： 根據(jù)并聯(lián)型電力有源濾波裝置的原理、主電路結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及對控制系統(tǒng)的要求,，提出了基于TMS320F2812型DSP的數(shù)?；旌?/a>控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,，詳細(xì)闡述了控制系統(tǒng)的硬件電路及軟件設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明,，該控制系統(tǒng)能夠滿足有源濾波裝置對諧波的動(dòng)態(tài)跟蹤和快速補(bǔ)償?shù)囊?，具有良好的工作特性?
??? 關(guān)鍵詞： 有源濾波裝置; 數(shù)模混合控制; 諧波; 數(shù)字信號處理器
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??? 隨著大功率的整流,、變頻等電力電子裝置在工業(yè)用電設(shè)備中的廣泛應(yīng)用,，用電負(fù)荷的非線性因素比重越來越大，這些負(fù)荷會(huì)產(chǎn)生大量的諧波注入電網(wǎng)使供電系統(tǒng)中的電壓,、電流發(fā)生嚴(yán)重的畸變,，造成電網(wǎng)污染、電能質(zhì)量惡化,。電力諧波不但消耗電網(wǎng)中的有功和無功功率,、增加電力設(shè)備及線路的損耗、導(dǎo)致繼電保護(hù)設(shè)備的誤動(dòng)作等影響電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行,，而且還會(huì)干擾通信系統(tǒng)和電子設(shè)備,。如何消除電網(wǎng)諧波、改善電能質(zhì)量已成為近年來研究的熱點(diǎn),。有源電力濾波裝置APF(Active Power Filter)以其良好的動(dòng)態(tài)性能和補(bǔ)償精度,，代表了諧波補(bǔ)償裝置的發(fā)展方向，其中應(yīng)用最多的是并聯(lián)型APF,。?
??? APF對控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性,、精度以及電磁兼容性要求很高,。微電子技術(shù)、微處理器的迅速發(fā)展使APF的控制系統(tǒng)從模擬向全數(shù)字化發(fā)展,。全數(shù)字化控制系統(tǒng)尤其是采用雙CPU的控制系統(tǒng),，具有速度快和精度高、控制策略多樣性等優(yōu)點(diǎn),，但不可避免地存在軟硬件設(shè)計(jì)復(fù)雜,、電磁兼容性差等不足之處。本文采用基于TMS320F2812的數(shù)字模擬混合控制系統(tǒng),，其諧波指令運(yùn)算由DSP數(shù)字控制電路實(shí)現(xiàn),，補(bǔ)償電流生成控制由模擬電路實(shí)現(xiàn)。這種控制系統(tǒng)與全數(shù)字控制系統(tǒng)相比具有測量準(zhǔn)確,、響應(yīng)速度快,、電路設(shè)計(jì)簡單、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn),。?
1? 并聯(lián)型APF的原理、結(jié)構(gòu)及控制方法?
??? 本文中的有源濾波裝置將三相結(jié)構(gòu)分解成3個(gè)單相濾波系統(tǒng),，其優(yōu)勢在于亦適用于三相不平衡電力系統(tǒng)中,，另外對系統(tǒng)中的3次諧波也有更好的解耦濾波性能。并聯(lián)型APF的結(jié)構(gòu)如圖1所示,。主電路由n個(gè)IGBT逆變橋并聯(lián)組成,，各個(gè)模塊的交流側(cè)經(jīng)過各自的連接電抗、高通濾波并聯(lián)接入電網(wǎng),。APF根據(jù)控制電路計(jì)算出的電流指令,，通過各自的電流跟蹤控制環(huán)節(jié)產(chǎn)生補(bǔ)償電流注入電網(wǎng)，達(dá)到抵消濾除電網(wǎng)中諧波的目的,。?
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??? APF控制系統(tǒng)包括指令電流運(yùn)算,、補(bǔ)償電流跟蹤控制以及PWM驅(qū)動(dòng)電路環(huán)節(jié)。根據(jù)APF工作原理,，其控制系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)滿足以下基本要求：(1)能夠快速,、準(zhǔn)確地從負(fù)載電流中檢測出諧波成分，形成指令電流,；(2)能夠良好地控制各個(gè)濾波模塊產(chǎn)生動(dòng)態(tài)跟蹤的高精度補(bǔ)償電流,；(3)補(bǔ)償電流時(shí)始終將逆變器直流側(cè)電壓穩(wěn)定在特定值400V；(4)能夠讓各個(gè)濾波模塊合理分擔(dān)補(bǔ)償需求,。?
??? 按照其控制系統(tǒng)要求,，圖2給出了模塊化并聯(lián)型APF控制系統(tǒng)的控制方法原理框圖，其諧波電流檢測及補(bǔ)償電流控制方法為：?
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??? (1) 對電網(wǎng)電壓進(jìn)行采樣,，低通濾波鎖相后形成與電網(wǎng)電壓同步的正弦,、余弦信號,，用于諧波電流檢測運(yùn)算，同時(shí)保證電流采樣時(shí)刻也與該正弦,、余弦信號同步,。?
??? (2) 三相負(fù)載電流經(jīng)基于時(shí)域的諧波運(yùn)算提取到所需補(bǔ)償?shù)闹C波電流，通過直流電壓閉環(huán)PI控制得到用于穩(wěn)定直流電壓穩(wěn)定的有功電流,，兩種電流疊加形成逆變器的指令電流,，將指令電流均分后作為各模塊的補(bǔ)償電流給定，與各個(gè)模塊的輸出反饋電流作差,，采用滯環(huán)控制環(huán)節(jié)生成PWM信號,，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路控制逆變器產(chǎn)生補(bǔ)償電流。?
2? 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)?
??? 根據(jù)控制方案的特點(diǎn),，設(shè)計(jì)了以TMS320F2812型DSP為核心的數(shù)?；旌峡刂葡到y(tǒng)。負(fù)載電流的檢測和運(yùn)算通過DSP數(shù)字電路實(shí)現(xiàn),，可以保證系統(tǒng)的檢測分析精確度和穩(wěn)定性,，補(bǔ)償電流生成控制電路由模擬電路實(shí)現(xiàn)，可以保證補(bǔ)償電流跟蹤的快速響應(yīng)以及滯環(huán)寬度的均勻控制,?？刂葡到y(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。?
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2.1 A/D采樣及DSP運(yùn)算電路?
??? 運(yùn)算芯片采用TI公司的32位定點(diǎn)數(shù)字信號處理器TMS320F2812,，該芯片帶有最小轉(zhuǎn)換時(shí)間80ns的12位ADC,，可以完成負(fù)載電流以及直流電壓的采樣；最高時(shí)鐘頻率可達(dá)150MHz,，單指令周期僅為6.67ns,，可以滿足有源濾波控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)要求。TMS320F2812負(fù)責(zé)對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析,，提取出諧波指令信號并通過D/A轉(zhuǎn)換輸出指令電流波形,。?
2.2 補(bǔ)償電流生成控制電路?
??? 補(bǔ)償電流生成控制電路由模擬電路實(shí)現(xiàn)，將DSP運(yùn)算電路計(jì)算出的諧波指令與濾波模塊輸出電流反饋的差值作為滯環(huán)比較器的輸入,，形成閉環(huán)控制的PWM驅(qū)動(dòng)信號,，送至驅(qū)動(dòng)電路，控制各濾波模塊生成所需的補(bǔ)償電流,。?
2.3 電源及保護(hù)電路?
??? 電源電路由交流220V供電,，產(chǎn)生控制電路元件、電流霍耳傳感器及驅(qū)動(dòng)所需的5V電壓,， DSP所需的3.3V,、1.8V核心電壓由專用電源芯片提供。故障保護(hù)電路監(jiān)測直流電壓,、負(fù)載電流以及輸出補(bǔ)償電流,，當(dāng)直流過壓,、負(fù)載輕載、過載以及輸出過流時(shí),，實(shí)施保護(hù)動(dòng)作,，封鎖IGBT。?
3 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)?
??? DSP的程序由主程序,、諧波電流檢測及計(jì)算,、直流環(huán)節(jié)PI調(diào)節(jié)、D/A轉(zhuǎn)換子程序組成,。?
??? 控制電路軟件程序流程如圖4所示,，主程序完成系統(tǒng)初始化后開中斷等待，中斷的作用是使正弦數(shù)組與電源電壓同步,，A/D轉(zhuǎn)換根據(jù)電網(wǎng)電壓的同步信號啟動(dòng),，一個(gè)周波采樣1 024個(gè)點(diǎn)，采樣周期約為20μs,。為保證采樣點(diǎn)數(shù)的一致性,，對電網(wǎng)同步信號進(jìn)行了鎖相。諧波計(jì)算采用了基于鑒相原理的瞬時(shí)諧波電流檢測方法,，利用三角函數(shù)的正交性提取濾波裝置需要的最關(guān)鍵的兩個(gè)變量——負(fù)載基波電流的幅值和相位,。該方法計(jì)算簡單，容易理解,，便于編程，程序中采用隊(duì)列操作,，循環(huán)計(jì)算,，多為加、減和乘法運(yùn)算,，運(yùn)算速度快,，有利于提高濾波器的補(bǔ)償效果。?
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??? TMS320F2812對上一周期的負(fù)載電流和直流電壓采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算,，通過負(fù)載電流檢測出諧波,，并對直流電壓進(jìn)行PI調(diào)節(jié)，生成控制直流電壓保持穩(wěn)定的基波有功電流,，再將諧波與基波有功電流疊加生成電流指令,，通過D/A轉(zhuǎn)換輸出至補(bǔ)償電流跟蹤電路。D/A轉(zhuǎn)換輸出與電網(wǎng)電壓同步,，每周期采樣1 024點(diǎn),。?
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果?
??? 對采用該控制系統(tǒng)的有源電力濾波裝置進(jìn)行了補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)條件：380V三相四線制系統(tǒng),，負(fù)載為二極管整流橋帶電阻性負(fù)載,。?
??? 圖5給出了補(bǔ)償前的負(fù)載電流波形和頻譜,。采用FLUKE 43B諧波測試分析儀。補(bǔ)償前電流THD為22.4%,。主要特征諧波為3次,、5次、7次諧波,。?
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??? 諧波補(bǔ)償后的電源電流波形及頻譜如圖6所示,。補(bǔ)償后電流THD為2%。?
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??? 圖7為直流電壓和補(bǔ)償電流波形,。從圖中可以看出,，直流電壓始終穩(wěn)定在400V，從而保證了濾波效果,。?
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??? 本文設(shè)計(jì)的有源濾波數(shù)?；旌峡刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，抗干擾能力強(qiáng),。采用高度集成的單數(shù)字處理器在保證信號檢測,、運(yùn)算精度的基礎(chǔ)上，簡化了電路,，縮小了控制器的體積,；采用模擬電路的補(bǔ)償電流控制電路，克服了數(shù)字電路跟蹤補(bǔ)償電流電磁兼容性差的缺點(diǎn),。?
??? 采用的諧波檢測算法計(jì)算簡單,，便于編程，也適合于三相不平衡系統(tǒng)的補(bǔ)償,，應(yīng)用范圍廣,。濾波模塊單相化可以將三相共補(bǔ)與三相分補(bǔ)相統(tǒng)一，不需改變硬件和軟件結(jié)構(gòu),，根據(jù)實(shí)際需要對各相濾波模塊參數(shù)設(shè)定即可,。?
??? 采用本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)的有源電力濾波裝置，具有濾除380V及以下配電系統(tǒng)2～41次諧波的功能,，可達(dá)到降低線路損耗,、改善電能質(zhì)量的重要作用，具有良好的工程應(yīng)用價(jià)值,。
參考文獻(xiàn) ?
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[3]?Texas Instruments TMS320F2810，TMS320F2812 digital?signal processors data manual．Texas Instruments,，2003.