基于DSP的單相有源電力濾波器的研究與設(shè)計

邵賀鋒全惠敏

（1.中國建筑西南設(shè)計研究院有限公司，成都 610041；2.湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，長沙 410082）

基于DSP的單相有源電力濾波器的研究與設(shè)計

邵賀鋒1全惠敏2

（1.中國建筑西南設(shè)計研究院有限公司，成都 610041；2.湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，長沙 410082）

首先介紹了單相有源電力濾波器的基本原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，然后闡述了基于鑒相原理的諧波檢測方法與系統(tǒng)總體的控制策略。針對有源電力濾波器高速，精確的要求，利用高速浮點數(shù)字信號處理芯片TMS320F28335作為主控器，設(shè)計了一套全新的單相有源電力濾波器，文中給出具體的硬件設(shè)計和軟件流程。最后，通過實驗表明，本文所設(shè)計的系統(tǒng)正確性和有效性。

有源電力濾波器；諧波檢測；控制策略；硬件設(shè)計

現(xiàn)代電力系統(tǒng)中，各種非線性負(fù)載的廣泛使用，引入了大量的諧波，給電力系統(tǒng)造成了嚴(yán)重的危害。有源電力濾波器以其優(yōu)越的補(bǔ)償性能成為諧波抑制的重要手段，是改善電能質(zhì)量的一個重要發(fā)展趨勢。

目前國內(nèi)外對有源電力濾波器的研究主要集中在三相有源電力濾波器上[1-2]。然而單相設(shè)備在電力電子設(shè)備及日常生活中占的比例要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于三相設(shè)備，在民用建筑中單相設(shè)備占總?cè)萘康?0%左右；大功率的應(yīng)用場合，三個單相APF組成的系統(tǒng)比一個三相APF更適合不平衡負(fù)載[3]。隨著單相設(shè)備的廣泛使用，由單相設(shè)備引起的諧波問題也日趨嚴(yán)重。

本文對單相有源電力濾波器進(jìn)行了研究，利用TI最新的浮點型控制芯片TMS320F28335作為控制器對單相有源電力濾波器進(jìn)行了設(shè)計，給出了單相有源電力濾波器的軟硬件設(shè)計，搭建了系統(tǒng)平臺。最后進(jìn)行了實驗驗證改設(shè)計方案的正確性和有效性。

1 基本原理及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

有源電力濾波器是一種可以對動態(tài)變化的諧波無功進(jìn)行補(bǔ)償?shù)难b置，它能夠?qū)Ω鞔沃C波進(jìn)行主動跟蹤和補(bǔ)償。其通過采樣負(fù)載電流和電壓，通過指令電流運(yùn)算電路計算出補(bǔ)償電流的指令信號，反相后用該信號控制逆變器的導(dǎo)通，得出補(bǔ)償電流，從而抵消負(fù)載中相應(yīng)電流，實現(xiàn)了動態(tài)跟蹤補(bǔ)償，而且既可以補(bǔ)償諧波又可以補(bǔ)償無功[4]。圖 1所示為單相并聯(lián)型有源電力濾波器的原理圖。

從圖1中可以看出，有源電力濾波器與非線性負(fù)載都并聯(lián)在單相電源上。接入電網(wǎng)的非線性負(fù)載產(chǎn)生負(fù)載電流，向電網(wǎng)注入諧波和無功電流，系統(tǒng)通過傳感器將采集到的負(fù)載電流送到諧波電流檢測運(yùn)算電路，經(jīng)計算得出的指令信號來控制補(bǔ)償電流發(fā)生電路（由電流跟蹤控制電路、驅(qū)動電路和逆變器主電路三個部分構(gòu)成）工作，逆變器輸出的電壓與電網(wǎng)電壓的壓差作用在濾波電感上，產(chǎn)生補(bǔ)償電流注入電網(wǎng)，從而補(bǔ)償了諧波無功電流，使電網(wǎng)電流信號呈現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的正弦波形。

圖1 單相有源電力濾波器原理圖

2 諧波檢測與控制策略

諧波檢測是有源電力濾波器的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其快速性與精確度直接影響補(bǔ)償電流的輸出結(jié)果。本文選擇了基于鑒相原理的諧波檢測方法。以電網(wǎng)電壓信號為基準(zhǔn)信號，通過鎖相環(huán)產(chǎn)生出標(biāo)準(zhǔn)的正弦與余弦信號，把檢測到的瞬時電流與標(biāo)準(zhǔn)的正余弦信號進(jìn)行線性變化處理再通過低通濾波器后濾出其直流分量，從而得到諧波和無功電流[5]。該方法高效、簡便，易于在實驗中實現(xiàn)。圖2所示為帶直流側(cè)電壓控制的諧波檢測過程。

圖2 諧波檢測過程

將檢測到的諧波電流進(jìn)行系統(tǒng)閉環(huán)總體控制，本系統(tǒng)的外環(huán)是直流側(cè)電壓環(huán)控制，內(nèi)環(huán)是逆變器輸出的補(bǔ)償電流控制。有源電力濾波器的直流側(cè)電壓一般是由功率管反并聯(lián)的二極管電網(wǎng)電壓整流來獲得，通過控制電壓環(huán)可以達(dá)到直流側(cè)與電網(wǎng)有功能量的交換，保證有源電力濾波器在啟動時直流側(cè)充電到預(yù)期電壓。在正常運(yùn)行時控制電壓環(huán)從電網(wǎng)得到有功功率，維持直流側(cè)電壓穩(wěn)定[6-7]。

圖中，Udc為直流側(cè)實際電壓，Uref為直流側(cè)給定電壓，兩者的差值經(jīng)PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)后疊加到諧波檢測出來的有功電流的直流分量Ip上，然后再乘以標(biāo)準(zhǔn)正弦信號，就得到了瞬時有功電流。檢測到的負(fù)載電流 is(t)減去該有功電流就可得到諧波和無功電流之和ih(t)。

圖3所示為系統(tǒng)控制圖，本文選擇 PI+三角波的調(diào)制方法。將反相后得到的其與逆變器輸出的補(bǔ)償電流ic(t)做差，該誤差信號經(jīng)PI調(diào)節(jié)后與三角波信號比較，產(chǎn)生相應(yīng)的PWM信號控制逆變器導(dǎo)通。

圖3 系統(tǒng)控制圖

3 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計

單相并聯(lián)型有源電力濾波器的硬件系統(tǒng)主要由APF主電路、DSP控制板、信號采樣調(diào)理電路、MOSFET驅(qū)動電路等組成，本設(shè)計系統(tǒng)采用TMS320F28335作為主控芯片，搭建了系統(tǒng)平臺如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)硬件架構(gòu)圖

由于有源電力濾波器對實時性和高效性要求比較高，所以本文的主控芯片選擇了 TI公司的TMS320F28335。TMS320F28335是TI的2000系列中新推出的一款32位的具有浮點內(nèi)核的DSP芯片，也是目前工業(yè)控制領(lǐng)域最先進(jìn)的處理器之一。其主頻高達(dá)150MHz（6.67ns時鐘周期），內(nèi)核電壓1.9V/1.8V，IO口電壓為3.3V；具有IEEE-754單精度浮點運(yùn)算單元（FTU），16×16和32×32介質(zhì)訪問控制（MAC）運(yùn)算，哈佛總算結(jié)構(gòu)，快速中斷響應(yīng)和處理；16位或32位外部接口，可處理超過2M×16位地址范圍；片內(nèi)存儲器256K×16位Flash存儲器，34K×16位單口隨機(jī)存儲器（SARAM），1K×16位一次性可編程（OTP）ROM[8]。

系統(tǒng)通過傳感器將采集到的信號先送到采樣調(diào)理電路，經(jīng)過調(diào)理后的信號輸入DSP控制板進(jìn)行諧波計算，計算得出的指令信號來控制APF主電路的工作，最終主電路輸出的電壓與電網(wǎng)電壓的壓差作用在濾波電感L上，從而產(chǎn)生補(bǔ)償電流注入電網(wǎng)，補(bǔ)償了諧波和無功電流，使電網(wǎng)電流信號呈現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的正弦波形。

系統(tǒng)軟件包括主程序和中斷程序。主程序流程圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)主程序流程圖

主程序中主要完成初始化，對系統(tǒng)變量進(jìn)行定義并且對系統(tǒng)中斷向量以及引腳初始化進(jìn)行設(shè)置。主要包括CPU及外設(shè)時鐘的設(shè)置、EPWM模塊初始化、ADC模塊初始化、GPIO初始化、外部中斷配置，完成初始化后程序然后進(jìn)入循環(huán)狀態(tài)，等待中斷的到來。

中斷程序主要由外部中斷子程序和定時器周期中斷子程序組成，分別如圖 6、圖 7所示。外部中斷子程序用來實現(xiàn)電網(wǎng)電壓同步，正余弦表復(fù)位，開啟定時器工作，其通過不斷檢測方波信號的上升沿來初始化系統(tǒng)計數(shù)值，然后復(fù)位正余弦表。

定時器周期中斷子程序中負(fù)責(zé)所有的控制過程，包括AD采樣、正弦表地址移位、諧波計算、低通濾波、直流側(cè)電壓PI控制、補(bǔ)償電流指令控制、PWM信號生成等。設(shè)計中設(shè)置采樣周期為6.4kHz，由定時器觸發(fā)AD采樣，然后進(jìn)入諧波計算部分，依次進(jìn)行數(shù)字低通濾波、直流側(cè)電壓控制、PI+三角波比較生成PWM信號。

圖6 外部中斷主程序流程圖

圖7 定時器中斷子程序流程圖

4 實驗結(jié)果

根據(jù)圖4所示的硬件結(jié)構(gòu)，設(shè)計了一臺220VA的單相并聯(lián)型有源電力濾波實驗裝置，開關(guān)頻率選擇為6.4kHz，諧波負(fù)載為帶感性負(fù)載的單相不控整流電路，在 110V交流系統(tǒng)下實驗。采集觀察補(bǔ)償前后電網(wǎng)電壓與負(fù)載電流如圖8所示，對補(bǔ)償前后的負(fù)載電流進(jìn)行FFT分析，所得結(jié)果如圖9所示。

圖8 補(bǔ)償前后的電網(wǎng)電壓與電網(wǎng)電流

圖9 補(bǔ)償前后電流畸變率對比

從圖中可以看出，電流畸變率從補(bǔ)償前的29.5%下降到了 3.82%，說明本設(shè)計的有源電力濾波器具有良好的補(bǔ)償性能。

5 結(jié)論

本文對單相并聯(lián)型有源電力濾波器進(jìn)行了研究，介紹了諧波檢測的一種新方法，并對控制策略進(jìn)行了分析，在基于TMS320F28335的基礎(chǔ)上搭建了一臺樣機(jī)，對所討論的理論進(jìn)行了實驗驗證，實驗結(jié)果表明，該有源電力濾波器具有很好的補(bǔ)償性能。

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Research and Design on a Single-phase Active Power Filter based on DSP

Shao Hefeng1Quan Huimin2
(1.China Southwest Architectural Design and Research Institute Co.,Ltd,Chengdu 610041;2.College of Electrical and Information Engineering,Hu’nan University,Changsha 410082)

Firstly,the basic principle of single-phase active power filter is introduced.Then It analyzes the harmonic detection method based phase distinguishing technology and the control strategy of system.Aiming at the high speed and precision requirements of the active power filter,a new single-phase active power filter is designed by using the high speed floating point digital signal processing chip TMS320F28335.Specific hardware design and software flow are given in this paper.Finally,experiments show that the design of the system is correct and effective.

active power filter;harmonic detection;control strategy;hardware design

邵賀鋒（1989-），男，甘肅省秦安人，助理工程師，從事電網(wǎng)諧波補(bǔ)償、電能質(zhì)量控制研究的工作。