三相谐波检测的DSP实现方案

杜少武 邓晓艳 黄海宏

(合肥工业大学 电气与自动化工程学院，安徽 合肥 230009)

0 引言

由于电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置在电力系统、工业、交通及家庭中的应用日益广泛，谐波所造成的危害也日趋严重［1］，被认为是电网的一大公害。有源滤波器(APF)是电力系统动态补偿谐波的一个主要的装置，补偿的基本原理是从补偿对象中检测出谐波电流，然后由补偿装置产生一个与该谐波电流大小相等，方向相反的补偿电流，与系统中的谐波电流相抵消，因此准确、实时地检测出谐波电流是决定补偿效果的一个重要环节。

目前，谐波电流检测法主要有基于频域运算的方法、瞬时空间矢量法、基于现代控制理论的检测法、自适应检测法、基于神经网络控制法等。其中基于瞬时无功功率的瞬时空间矢量法简单易行，性能良好，并已经趋于完善和成熟，目前占主导地位，包括p-q法、ip-iq法。

1 算法的数字化实现

采用基于瞬时无功功率理论的ip-iq法［2］，简单易行，运算量相对较少，最大的特点是不需要检测三相电网的电压，只需A相电网电压同相位的正弦信号sin(ωt)和对应的余弦信号cos(ωt)。电路原理框图如图1所示。

通过坐标变换可将静止坐标系(a，b，c)中的基波电流变换成旋转坐标系(d，q)中的直流电流，以低通滤波器(LPF)滤去谐波分量后，即输出直流电流和再通过逆坐标变换，可将直流电流还原成基波电流(iaf，ibf，icf)，电网电流与基波电流相减，即得所含的谐波电流。

图1 ip-iq法检测原理框图

其中

三相电流经过坐标变换得到以基波旋转坐标系下的旋转电流为

经过低通滤波器(LPF)滤波得电流ip、iq的直流分量经过坐标变换得三相基波电流为

三相谐波电流为

2 滤波器的数字化设计

低通滤波器的作用主要在于提取直流分量，对相位要求低，因此较适合采用IIR数学低通滤波器。与其他IIR滤波器相比，Butterworth提到滤波器在线形相位、衰减斜率和加载特性方面具有特性均衡的优点，在实际应用中，已成为首选。综合考虑稳态误差和响应速度，采用2阶Butterworth低通滤波器［3，4］。

在 DSP的实现中，为使程序精短，尽可能少占用资源，选用IIR滤波器的直接Ⅱ型结构。如图2所示。

得差分方程为

用MATLAB的Filter Design工具箱进行设计，采样频率为7 500 Hz，中心频率为20 Hz。可得到5个系数的值。

图2 IIR滤波器的直接Ⅱ型结构

3 DSP实现

3.1 DSP 硬件实现

图3 过零检测电路

TMS320F2812的高性能的32位中央处理器和6.67ns的时钟周期可以很好的实现实时、准确的谐波检测。2812最小系统板加上三相电流采样电路、A相电压采样电路和过零检测电路即构成了硬件结构。过零检测电路结构如图3所示，通过GPIOA8口捕捉下降沿检测A相的过零点。

通过电流型霍尔传感器和电压型霍尔传感器采集A相电压和三相的电流信号，通过采样电路送入DSP的AD口，经过AD变换得到采样值。

图4 A相电压采样电路

3.2 DSP 软件实现

整个实验的软件流程如下:先进行系统初始化，包括系统时钟、看门狗定时器、AD转换模块、EVA的设置和IO引脚定义;初始化完成后，开中断，进行AD采样;采样频率为7.5 kHz。

图5 捕获中断流程图

图6 AD采样流程图

锁相采用软件锁相的指针归零法，建立正、余弦表，存储在程序存储器中，在捕获输入电压信号过零点的Cap1中断内，直接将正、余弦表的指针归零，以保证在输入电压信号过零时DSP发出的输出基准也正好过零，从而实现相位同步［5］。

在每次AD采样中，每次采集7个点进行以此中值平均滤波法［6］，去掉一个最大值和一个最小值，然后计算5个数的算术平均值，不仅可以消除由于脉冲干扰所引起的采样值偏差，同时可以消除零均值噪声干扰和周期性干扰。

4 实验结果

为了验证本文算法及硬件设计和软件编程的有效性，在基于TMS320F2812的实验平台上进行实验，示波器采用TDS1002B，负载采用三相整流桥带阻容性负载，输入交流220 V电压，电容C=2 200 μF，电阻为4个额定电流2.5 A，阻值235 Ω 的滑动变阻器并联。为减小误差，谐波计算中所有电流、电压均放大10倍处理。

经过DSP编程，在实验平台上可看到滤波效果。Ip和Iq滤波前后的波形如图7和8。图9是用示波器看到的A相电网电流波形，图10、11和12是用CCStudio v3.3平台自带的图形观察工具得到的A相电网电流波形、A相基波和谐波波形。

5 结束语

本文以TI公司的TMS320F2812为核心，搭建软硬件平台，完成了三相谐波检测，具体分析了算法原理以及滤波器的数字化设计，实验结果证明了算法及滤波器设计的有效性，满足谐波检测的精确性和实时性，对有源滤波器的成功设计及有源滤波器的整体性能有着重要的意义。

［1］王兆安，杨君，刘进军.谐波抑制和无功功率补偿［M］.北京:机械工业出版社，1998.

［2］姚为正，王群，刘进军，等.基于瞬时无功功率理论的谐波电压瞬时检测方法［J］.西安交通大学学报，1998，32(12):8-11.

［3］高学军，周志华，温世伶.有源滤波器中数字低通滤波器的设计及其DSP 实现［J］.电气传动，2008，38(1):60-64.

［4］唐忠，陈永炜，廖代发，等.谐波检测电路低通滤波器参数的优化［J］.上海电力学院学报.2009，25(4):374-378.

［5］张喻，陈新.基于DSP2812的软件锁相［J］.电力电子技术，2008，42(2):75-77.

［6］宋寿鹏.数值滤波器设计及工程应用［M］.江苏:江苏大学出版社，2009.