??? 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)模混合控制系統(tǒng)設(shè)計方案，詳細(xì)闡述了控制系統(tǒng)的硬件電路及軟件設(shè)計。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態(tài)跟蹤和快速補(bǔ)償?shù)囊螅哂辛己玫墓ぷ魈匦浴?
??? 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)備的誤動作等影響電力系統(tǒng)的正常運(yùn)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(diǎn)。有源電力濾波裝置APF(Active Power Filter)以其良好的動態(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(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濾波模塊產(chǎn)生動態(tài)跟蹤的高精度補(bǔ)償電流；(3)補(bǔ)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(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，同時保證電流采樣時刻也與該正弦、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(bǔ)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(diǎn)，設(shè)計了以TMS320F2812型DSP為核心的數(shù)模混合控制系統(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。控制系統(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)時要求。TMS320F2812負(fù)責(zé)對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)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(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(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，實(shí)施保護(hù)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(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(fù)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(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)計的有源濾波數(shù)模混合控制系統(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)用價值。
參考文獻(xiàn) ?
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[3]?Texas Instruments TMS320F2810，TMS320F2812 digital?signal processors data manual．Texas Instruments，2003.