作者：趙偉，田銘興,，趙慶春
1 引言
現(xiàn)代電力系統(tǒng)中,，由于大量非線性電力電子裝置的應(yīng)用，使得電能質(zhì)量備受關(guān)注,。APF能動態(tài),、快速補償諧波，其實時性和精確性至關(guān)重要,。當(dāng)前國內(nèi)的APF控制器多采用定點的DSP完成諧波的計算和控制,，在完成浮點運算時，其實時性得不到保證,，在此采用具有浮點運算單元的DSP28335作為處理器,，可以提高實現(xiàn)算法的速度及補償?shù)膶崟r性，在此主要討論單相APF控制器的硬軟件實現(xiàn)方案,，并給出實驗結(jié)論,，驗證控制器方案的正確性和有效性。
2 單相諧波檢測工作原理
在三相系統(tǒng)中利用瞬時功率法的ip-iq法已得到廣泛應(yīng)用,，但ip-iq法不能直接運用于單相系統(tǒng),，需要經(jīng)過構(gòu)造三相電流。該方法算法復(fù)雜,，在微處理器實現(xiàn)時補償實時性不佳,。文獻(xiàn)提出簡化的基于鑒相原理的瞬時檢測方法，如圖1所示,。
該方法算法簡單,，易于實現(xiàn)并且實時性好，在此設(shè)計的控制器采用此方法,，其原理為：負(fù)載電壓us經(jīng)過鎖相環(huán)(PLL)后,，得到與us同頻同相的基波信號，再由正,、余弦發(fā)生器產(chǎn)生與us基波同相的單位正弦和余弦信號,，以此為電壓的參考信號。設(shè)畸變電流為：
用i(t)減去i1(t)可得檢測出的諧波電流ib(t),。
需要指出的是該方法雖然稱為瞬時諧波檢測,，但實際上由于算法中LPF的存在,，惡化了算法的動態(tài)性能，做不到真正意義的“瞬時”,。
3 基于DSP 28335的軟硬件實現(xiàn)方案
3．1 硬件設(shè)計
數(shù)字化APF控制器要求完成A／D采樣,、諧波計算、變流器控制,、通訊,、故障保護(hù)與報警等功能。APF常應(yīng)用在有快速波動負(fù)載的系統(tǒng)中,，故要求響應(yīng)時間小,，盡量減小時間延時和補償?shù)南辔粶蟆Ｔ诖嗽O(shè)計的控制器以DSP 28335為核心,。DSP 28335是以C28X為核心的32位浮點高速CPU,，系統(tǒng)最高頻率可達(dá)150 MHz，芯片內(nèi)部集成2×8通道12 bit的AID轉(zhuǎn)換器,。具有豐富的I／O口資源,，便于外圍控制。
圖2示出控制器結(jié)構(gòu)框圖,。
3．2 軟件設(shè)計
DSP軟件主要包括系統(tǒng)初始化程序和中斷程序,。中斷程序包括定時器中斷、電壓同步鎖相中斷,、故障保護(hù)中斷,、通訊中斷、啟停中斷,。定時器中斷是整個軟件的核心，完成了對負(fù)載電流,、直流側(cè)電壓等模擬量的采集,，同時進(jìn)行諧波補償量計算，并根據(jù)滯環(huán)控制邏輯輸出控制信號,，其流程如圖3所示,。
電壓同步鎖相中斷是響應(yīng)電壓基波的過零信號，復(fù)位DSP內(nèi)部的正弦,、余弦表指針,，得到與電壓基波同頻同相的電壓參考信號。故障保護(hù)中斷程序中對變流器過壓,、過流,、過熱及直流側(cè)電壓過壓的故障信號進(jìn)行響應(yīng)，接收到這些故障信號,，控制器進(jìn)入自動保護(hù),，封鎖控制輸出,，并報警等待故障信號解除?？刂破鞯耐ㄓ嵅糠植捎冒l(fā)送查詢,、接收中斷的方式，通訊中斷程序中接收主控機的參數(shù)設(shè)定等命令,。啟停中斷程序中外部的啟動和停止命令,。
4 注意的問題
4．1 電壓過零干擾的處理
由于在該控制器設(shè)計中用過零檢測及正余弦查表的方式代替了圖1中的PLL和正弦、余弦發(fā)生電路,。在該控制器設(shè)計中采用LM339比較器檢測電壓過零時刻,，電壓過零點的檢測對于準(zhǔn)確檢測出補償量十分重要，若電壓過零點檢測不準(zhǔn),，則不能保證同步采樣,，導(dǎo)致計算補償量不準(zhǔn)。電壓過零的實現(xiàn)是通過對電壓信號經(jīng)過電壓比較器,，轉(zhuǎn)換為方波信號,，DSP 28335捕捉上升沿時刻進(jìn)而確定周期的開始。由于傳感器輸出不是理想平滑的電壓信號,，在過零點處,，電壓的微小波動會使比較器的輸出有很多毛刺。
這樣的毛刺小方波會被DSP 28335捕捉到,，從而使周期開始判斷失誤,，導(dǎo)致補償量計算誤差，為了解決上述問題,，比較器前加濾波電路,，去除高頻外，還利用DSP 28335的管腳輸入濾波功能,，配置輸入量化寄存器GPxQUAL在精度允許的情況下,，對輸入方波邊沿的毛刺進(jìn)行濾波。
4．2 數(shù)字濾波的選擇
數(shù)字LPF根據(jù)結(jié)構(gòu)分為無限沖擊響應(yīng)濾波器(IIR)和有限沖擊響應(yīng)濾波器(FIR),。實現(xiàn)相同的功能,，F(xiàn)IR階數(shù)要比IIR高幾倍，存在運算速度慢,，占用空間大的不足,，結(jié)合諧波檢測要求實時性的要求，選擇IIR,，在此采用二階巴特沃斯LPF,，系數(shù)利用Matlab的Filter Designers設(shè)計。
5 實驗結(jié)果
在設(shè)計的軟硬件實現(xiàn)方案基礎(chǔ)上搭建了實驗裝置,。整體結(jié)構(gòu)如圖4所示,。
功率單元采用智能功率模塊PS21865-P,。基于實驗安全的考慮電源側(cè)用調(diào)壓器調(diào)壓,，使得系統(tǒng)工作在低電壓小電流條件下,。非線性負(fù)載接二極管全橋整流，再接阻感負(fù)載,。電感用調(diào)壓器的二次線圈,，調(diào)節(jié)電感，改變負(fù)載電流畸變程度,，觀察補償效果,。實驗主要參數(shù)：電源電壓us=30 V；直流側(cè)電壓Udc=50 V,；L=4．5 mH,；RL=2 Ω；環(huán)寬0．2 A,；采樣頻率25．6 kHz,；最高開關(guān)頻率fmax=12．8 kHz。實驗波形如圖5所示,。
由圖可見,，設(shè)計的基于DSP 28335的單相有源濾波控制器實時性好，補償后電源側(cè)電流具有很好的正弦性,，且延時小,，具有很好的補償效果。
6 結(jié)論
采用具有浮點運算功能的DSP 28335作為處理器,，設(shè)計了單相有源濾波器控制器,，該控制器的突出特點是控制精度高，實現(xiàn)簡單,。由實驗結(jié)果可知,，采用該方案的控制器能夠快速準(zhǔn)確地檢測、補償諧波電流,，具有很好的工程應(yīng)用價值。