??? 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)計方案，詳細闡述了控制系統(tǒng)的硬件電路及軟件設(shè)計。實驗結(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態(tài)跟蹤和快速補償?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，用電負荷的非線性因素比重越來越大，這些負荷會產(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)致繼電保護設(shè)備的誤動作等影響電力系統(tǒng)的正常運行，而且還會干擾通信系統(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。有源電力濾波裝置APF(Active Power Filter)以其良好的動態(tài)性能和補償精度，代表了諧波補償裝置的發(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)的實時性、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，但不可避免地存在軟硬件設(shè)計復(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)，其諧波指令運算由DSP數(shù)字控制電路實現(xiàn)，補償電流生成控制由模擬電路實現(xiàn)。這種控制系統(tǒng)與全數(shù)字控制系統(tǒng)相比具有測量準確、響應(yīng)速度快、電路設(shè)計簡單、抗干擾能力強的優(yōu)點。?
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IGBT逆變橋并聯(lián)組成，各個模塊的交流側(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)生補償電流注入電網(wǎng)，達到抵消濾除電網(wǎng)中諧波的目的。?
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??? APF控制系統(tǒng)包括指令電流運算、補償電流跟蹤控制以及PWM驅(qū)動電路環(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、準確地從負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濾波模塊產(chǎn)生動態(tài)跟蹤的高精度補償電流；(3)補償電流時始終將逆變器直流側(cè)電壓穩(wěn)定在特定值400V；(4)能夠讓各個濾波模塊合理分擔(dān)補償需求。?
??? 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償電流控制方法為：?
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??? (1) 對電網(wǎng)電壓進行采樣，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算，同時保證電流采樣時刻也與該正弦、余弦信號同步。?
??? (2) 三相負載電流經(jīng)基于時域的諧波運算提取到所需補償?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償電流給定，與各個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)動電路控制逆變器產(chǎn)生補償電流。?
2? 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計?
??? 根據(jù)控制方案的特點，設(shè)計了以TMS320F2812型DSP為核心的數(shù)?；旌峡刂葡到y(tǒng)。負載電流的檢測和運算通過DSP數(shù)字電路實現(xiàn)，可以保證系統(tǒng)的檢測分析精確度和穩(wěn)定性，補償電流生成控制電路由模擬電路實現(xiàn)，可以保證補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運算電路?
??? 運算芯片采用TI公司的32位定點數(shù)字信號處理器TMS320F2812，該芯片帶有最小轉(zhuǎn)換時間80ns的12位ADC，可以完成負載電流以及直流電壓的采樣；最高時鐘頻率可達150MHz，單指令周期僅為6.67ns，可以滿足有源濾波控制系統(tǒng)的實時要求。TMS320F2812負責(zé)對采樣數(shù)據(jù)進行計算分析，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 補償電流生成控制電路?
??? 補償電流生成控制電路由模擬電路實現(xiàn)，將DSP運算電路計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)動信號，送至驅(qū)動電路，控制各濾波模塊生成所需的補償電流。?
2.3 電源及保護電路?
??? 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。故障保護電路監(jiān)測直流電壓、負載電流以及輸出補償電流，當(dāng)直流過壓、負載輕載、過載以及輸出過流時，實施保護動作，封鎖IGBT。?
3 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計?
??? DSP的程序由主程序、諧波電流檢測及計算、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，一個周波采樣1 024個點，采樣周期約為20μs。為保證采樣點數(shù)的一致性，對電網(wǎng)同步信號進行了鎖相。諧波計算采用了基于鑒相原理的瞬時諧波電流檢測方法，利用三角函數(shù)的正交性提取濾波裝置需要的最關(guān)鍵的兩個變量——負載基波電流的幅值和相位。該方法計算簡單，容易理解，便于編程，程序中采用隊列操作，循環(huán)計算，多為加、減和乘法運算，運算速度快，有利于提高濾波器的補償效果。?
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??? TMS320F2812對上一周期的負載電流和直流電壓采樣數(shù)據(jù)進行計算，通過負載電流檢測出諧波，并對直流電壓進行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。?
4 實驗結(jié)果?
??? 對采用該控制系統(tǒng)的有源電力濾波裝置進行了補償實驗。實驗條件：380V三相四線制系統(tǒng)，負載為二極管整流橋帶電阻性負載。?
??? 圖5給出了補償前的負載電流波形和頻譜。采用FLUKE 43B諧波測試分析儀。補償前電流THD為22.4%。主要特征諧波為3次、5次、7次諧波。?
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??? 諧波補償后的電源電流波形及頻譜如圖6所示。補償后電流THD為2%。?
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??? 圖7為直流電壓和補償電流波形。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。采用高度集成的單數(shù)字處理器在保證信號檢測、運算精度的基礎(chǔ)上，簡化了電路，縮小了控制器的體積；采用模擬電路的補償電流控制電路，克服了數(shù)字電路跟蹤補償電流電磁兼容性差的缺點。?
??? 采用的諧波檢測算法計算簡單，便于編程，也適合于三相不平衡系統(tǒng)的補償，應(yīng)用范圍廣。濾波模塊單相化可以將三相共補與三相分補相統(tǒng)一，不需改變硬件和軟件結(jié)構(gòu)，根據(jù)實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)用價值。
參考文獻 ?
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[3]?Texas Instruments TMS320F2810，TMS320F2812 digital?signal processors data manual．Texas Instruments，2003.