有源电力滤波器数字控制系统设计与数字锁相算法实现
2014-08-08 19:25周卫平孙东亮师维杨宣访吴
计算技术与自动化 2014年2期
周卫平++孙东亮++师维++杨宣访++吴正国
收稿日期：2013-05-27
作者简介：周卫平（1969—），男，湖北武穴人，副教授，博士.研究方向：电力电子技术和电能质量控制技术。文章编号：1003-6199(2014)02-0015-04
摘 要：给出以DSP芯片TMS320F2812和AD7656芯片为主来建立有源电力滤波器数字控制系统的方案，提出基于三角函数正交性和DSP实现的APF锁相算法，给出算法的原理框图，该算法具有精度高、抗干扰能力强的特点。给出锁相和APF补偿的实验结果，谐波和无功电流成分经过APF补偿后得到了很好的补偿。实验验证本文算法的正确性和本文数字控制系统的方案的可行性。
关键词：数字锁相；有源电力滤波器；数字控制；谐波电流检测
中图分类号：TM761；TM933文献标识码：A
The Digital Control System of Active Power Filter and Its Digital Phaselock Algorithm
ZHOU Weiping，SUN Dongliang, SHI Wei, YANG Xuanfang, WU Zhengguo
（Naval University of Engineering, Wuhan,Hubei 430033,China）
Abstract:A digital control system of Active Power Filter (APF) with high sampling and controlling precision based on TMS320F2812 and AD7656 is proposed．A realtime digitalization method with highaccuracy and quick detection on power fundamental waves phase in active power filter is proposed. A digital phaselock control loop (PLL) is constructed based on the principle of trigonometric function orthogonality , the proposed method is a highaccuracy, fast and robust detection method, the experiment results of the proposed digital PLL method and APF are presented, the harmonic and reactive currents can be compensated very well, the experiment results show its validity and feasibility.
Key words:digital PLL; active power filter; digital control; harmonic current detection
1 引 言
由于无源电力滤波器在进行谐波和无功补偿时具有容易引起振荡及补偿特性单一等固有的缺点，近年来应用有源电力滤波器进行电力谐波和无功补偿的研究方兴未艾，其中以并联型有源电力滤波器的研究最为广泛。并联型有源电力滤波器通过检测计算，得到补偿电流的指令值ic*，经过PWM调制后控制IGBT产生补偿电流ic，从而补偿谐波和无功电流［1］。
有源电力滤波器的数字控制系统主要由检测、直流稳压控制和电流发生控制决策三部分组成。组建高性能的控制系统是有源电力滤波器数字化控制的关键，由于TI公司的2000系列DSP均有内置10位或12位的A/D，在很多情况下内置的A/D可以完成相应的控制任务，但是对于APF，由于电磁干扰等多方面原因的影响，有时DSP内置的A/D实际测量精度只能达到8位甚至更低，这严重影响了APF对电流跟踪的任意性、快速性和准确性的要求，成为制约APF性能提高的一个瓶颈，因而研究利用独立高精度A/D 芯片和DSP来组建有源电力滤波器数字控制系统十分有必要［2，3］。
2 数字控制系统硬件设计
有源电力滤波器系统接线图如图1所示，APF是通过向电路中注入大小相等方向相反的谐波和无功电流来达到补偿谐波和无功的目的。APF的主电路实际上就是通过电感注入的三相逆变单元，只是控制算法比较复杂，因而数字控制系统与软件成为了实现APF功能的核心。
图1 三相三线有源电力滤波器接线图
AD7656是一种16位6通道逐次逼近型模数转换器,使用了iCMOS工业制造技术, 采样率为250 ksps, 最大功耗为160 mW; 内部包含一个2.5 V内部基准电压源和基准缓冲器;可由引脚和软件选择模拟电压10 V或5 V的输入范围;提供有并行和串行接口,兼容SPI/QSPI/μwire/DSP;可工作在-40℃至+85℃。具有性价比高、精度高、能耗低、转换速度快等优点,尤其适合于电力系统中模拟量的测量［4-6］。因而以DSP芯片TMS320F2812和AD7656芯片为主来建立的APF数字控制系统是一个较为理想的选择。本文有源电力滤波器数字控制系统框图如图2所示。
图2 有源电力滤波器数字控制系统框图
3 数字锁相算法
有源电力滤波器在谐波和无功同时补偿时的补偿目的是要将电源电流补偿成与电压同频同相并且波形相同，因而锁相是实现APF功能必不可少的环节。
目前应用较多的方法是基于过零点时刻检测的方法，但是在电力电子系统中由于电磁干扰的影响从而使得应用该方法得到的检测值将产生较大的误差。而数字化基波锁相技术是一个无需高精度精密元器件而又能够较大幅度地减小检测误差的有效方法［7，8］。本文基于三角函数正交性以及自适应滤波的原理构成了相位跟踪的闭环控制回路，实现了相位的全数字化跟踪检测。
3.1 基波初相检测的原理
对于一个周期性函数f(t)，可以对其进行傅立叶分析，其傅立叶级数为：
f(t)=A02+∑
SymboleB@
k=1Cksin (kω1t+φ′k)=
A02+∑
SymboleB@
k=1［Akcos (kω1t+φk)+Bksin (kω1t+φk)］(1)
Ak=2T∫T0f(t)cos (kω1t+φk)dt=Cksin (φ′k－φk)(2)
Bk=2T∫T0f(t)sin (kω1t+φk)dt=Ckcos (φ′k－φk)(3)
其中：ω1—基波角频率；T—基波周期；k—谐波次数；ф′k— k 次谐波初相；фk— k次旋转参考坐标系XOY与k次旋转分解坐标系XOY的夹角
计算技术与自动化2014年6月
第33卷第2期周卫平等:有源电力滤波器数字控制系统设计与数字锁相算法实现
图3 基波在旋转坐标系上的分解
信号的基波成分C1在以角速度ω1旋转的直角参考坐标系XOY中，沿着与该坐标系夹角为ф1的正交坐标系X′OY′进行分解，在X′和Y′坐标轴上的分量将分别为B1、A1，当两坐标系的夹角ф1趋近于ф′1时，A1将趋近于0，因此可利用A1构成基波初相跟踪检测控制的反馈依据，通过反馈调整夹角ф1来逼近ф′1，从而检测出基波的初相。利用三角函数正交性以及自适应滤波基本原理，构造基波相位跟踪检测的控制框图如图4所示。
图4 基波锁相方法的控制框图
3.2 数字锁相算法
利用计算机产生的固定频率下的旋转角度值加上输出的初始相位值的与测量信号基波正交的三角函数作为反馈，并与测量信号相乘，把所得的乘积经过滑窗积分低通滤波以及PI控制器后输出就得到跟踪的初始相位；该方法不依赖于过零点检测，具有较强的鲁棒性，其算法流程图如图5所示。
图5 初相检测程序算法流程图
4 仿真结果
图6是电压信号混有较强噪声时的基波初相跟踪检测的结果，结果显示该情况下相位检测的精度仍可以达到 (10-1) °的数量级。
图6 噪声污染电压信号的初相检测（实际值为0）
a: 含噪声电压信号 b: 暂态响应 c: 稳态响应
图7为APF补偿仿真结果，负载为阻感负载，从上至下依次为电源电压、补偿后电流、负载电流，该结果显示，补偿电流可以较好地跟踪补偿指令电流，负载电流中的无功电流和谐波电流成分得到了较好补偿。
图7 APF补偿仿真结果
上: 电源电压 中: 补偿后主电流 下: 负载电流
5 实验结果
为了验证本文所提的方法，搭建了一个实验平台，负载为三相整流阻感负载，有源电力滤波器的可控功率管为三菱PM75CSJ120的IPM管，实验中采样频率为20kHz；电流电压信号是用霍尔器件来检测的；控制单元的核心是TMS320F2812 的DSP，通过在DSP中运行程序而实现控制的目的。图8是锁相结果的软件界面，上图是受到污染的信号的检测结果，下图是依据锁相结果得到的参考电流波形，可见相位得到了很好地跟踪，跟踪精度高，并且该方法体现了较好的抗干扰能力。
图8 锁相检测算法实验界面
上: 含干扰噪声的信号 下: 相位跟踪的信号
图9是基于锁相算法以及APF的控制算法，通过实验平台得到的APF的补偿结果(A相)，图中依次为电源电压、补偿后主电流、负载电流波形，可见经过APF补偿后，谐波和无功电流成分得到了很好的补偿，电流的THD值有补偿前的23%下降到补偿后的3.5%左右。
图9 APF补偿实验结果
上: 电源电压 中: 补偿后主电流 下: 负载电流
6 结 语
本文给出了以DSP芯片TMS320F2812和AD7656芯片为主来建立的有源电力滤波器数字控制系统的方案，提出了基于DSP实现APF锁相的算法，给出了锁相的实验结果，验证了本文方法具有精度高、抗干扰能力强的特点。同时给出了APF补偿的实验结果，经过APF补偿后，谐波和无功电流成分得到了很好的补偿。实验验证了本文算法的正确性，也验证了本文有源电力滤波器数字控制系统的方案的可行性。
参考文献
［1］ 周卫平，吴正国，夏 立，等 . 三相三线有源电力滤波器电流跟踪性能最优化控制［J］. 中国电机工程学报，2004, 24(11): 85-90.
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［4］ 陈国磊,舒双宝,季振山. 电能质量监测高速数据采集系统的设计和实现［J］. 电力系统保护与控制，2009，37(3):69-72.
［5］ 王皑，佘丹妮.基于EP2C8Q208C8型FPGA等精度频率测量仪设计［J］.计算技术与自动化,2012,31(1):56-59.
［6］ 艾凯文,胡桂明,沈润夏.任意波形电源的设计［J］.计算技术与自动化,2011,30(4):77-80.
［7］ MATTO BERTOCCO,Alessandra Flammini, et al. Robust and accurate real-time estimation of sensors signal parameters by a DSP approach［J］. IEEE trans. on Instrum. Meas. , 2000,49(3)： 685-689.
［8］ 周卫平,吴正国,夏立.基波相位和频率的高精度检测及在有源电力滤波器中的应用［J］.中国电机工程学报,2004,24(4):91-96.
图4 基波锁相方法的控制框图
3.2 数字锁相算法
利用计算机产生的固定频率下的旋转角度值加上输出的初始相位值的与测量信号基波正交的三角函数作为反馈，并与测量信号相乘，把所得的乘积经过滑窗积分低通滤波以及PI控制器后输出就得到跟踪的初始相位；该方法不依赖于过零点检测，具有较强的鲁棒性，其算法流程图如图5所示。
图5 初相检测程序算法流程图
4 仿真结果
图6是电压信号混有较强噪声时的基波初相跟踪检测的结果，结果显示该情况下相位检测的精度仍可以达到 (10-1) °的数量级。
图6 噪声污染电压信号的初相检测（实际值为0）
a: 含噪声电压信号 b: 暂态响应 c: 稳态响应
图7为APF补偿仿真结果，负载为阻感负载，从上至下依次为电源电压、补偿后电流、负载电流，该结果显示，补偿电流可以较好地跟踪补偿指令电流，负载电流中的无功电流和谐波电流成分得到了较好补偿。
图7 APF补偿仿真结果
上: 电源电压 中: 补偿后主电流 下: 负载电流
5 实验结果
为了验证本文所提的方法，搭建了一个实验平台，负载为三相整流阻感负载，有源电力滤波器的可控功率管为三菱PM75CSJ120的IPM管，实验中采样频率为20kHz；电流电压信号是用霍尔器件来检测的；控制单元的核心是TMS320F2812 的DSP，通过在DSP中运行程序而实现控制的目的。图8是锁相结果的软件界面，上图是受到污染的信号的检测结果，下图是依据锁相结果得到的参考电流波形，可见相位得到了很好地跟踪，跟踪精度高，并且该方法体现了较好的抗干扰能力。
图8 锁相检测算法实验界面
上: 含干扰噪声的信号 下: 相位跟踪的信号
图9是基于锁相算法以及APF的控制算法，通过实验平台得到的APF的补偿结果(A相)，图中依次为电源电压、补偿后主电流、负载电流波形，可见经过APF补偿后，谐波和无功电流成分得到了很好的补偿，电流的THD值有补偿前的23%下降到补偿后的3.5%左右。
图9 APF补偿实验结果
上: 电源电压 中: 补偿后主电流 下: 负载电流
6 结 语
本文给出了以DSP芯片TMS320F2812和AD7656芯片为主来建立的有源电力滤波器数字控制系统的方案，提出了基于DSP实现APF锁相的算法，给出了锁相的实验结果，验证了本文方法具有精度高、抗干扰能力强的特点。同时给出了APF补偿的实验结果，经过APF补偿后，谐波和无功电流成分得到了很好的补偿。实验验证了本文算法的正确性，也验证了本文有源电力滤波器数字控制系统的方案的可行性。
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［7］ MATTO BERTOCCO,Alessandra Flammini, et al. Robust and accurate real-time estimation of sensors signal parameters by a DSP approach［J］. IEEE trans. on Instrum. Meas. , 2000,49(3)： 685-689.
［8］ 周卫平,吴正国,夏立.基波相位和频率的高精度检测及在有源电力滤波器中的应用［J］.中国电机工程学报,2004,24(4):91-96.
图4 基波锁相方法的控制框图
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利用计算机产生的固定频率下的旋转角度值加上输出的初始相位值的与测量信号基波正交的三角函数作为反馈，并与测量信号相乘，把所得的乘积经过滑窗积分低通滤波以及PI控制器后输出就得到跟踪的初始相位；该方法不依赖于过零点检测，具有较强的鲁棒性，其算法流程图如图5所示。
图5 初相检测程序算法流程图
4 仿真结果
图6是电压信号混有较强噪声时的基波初相跟踪检测的结果，结果显示该情况下相位检测的精度仍可以达到 (10-1) °的数量级。
图6 噪声污染电压信号的初相检测（实际值为0）
a: 含噪声电压信号 b: 暂态响应 c: 稳态响应
图7为APF补偿仿真结果，负载为阻感负载，从上至下依次为电源电压、补偿后电流、负载电流，该结果显示，补偿电流可以较好地跟踪补偿指令电流，负载电流中的无功电流和谐波电流成分得到了较好补偿。
图7 APF补偿仿真结果
上: 电源电压 中: 补偿后主电流 下: 负载电流
5 实验结果
为了验证本文所提的方法，搭建了一个实验平台，负载为三相整流阻感负载，有源电力滤波器的可控功率管为三菱PM75CSJ120的IPM管，实验中采样频率为20kHz；电流电压信号是用霍尔器件来检测的；控制单元的核心是TMS320F2812 的DSP，通过在DSP中运行程序而实现控制的目的。图8是锁相结果的软件界面，上图是受到污染的信号的检测结果，下图是依据锁相结果得到的参考电流波形，可见相位得到了很好地跟踪，跟踪精度高，并且该方法体现了较好的抗干扰能力。
图8 锁相检测算法实验界面
上: 含干扰噪声的信号 下: 相位跟踪的信号
图9是基于锁相算法以及APF的控制算法，通过实验平台得到的APF的补偿结果(A相)，图中依次为电源电压、补偿后主电流、负载电流波形，可见经过APF补偿后，谐波和无功电流成分得到了很好的补偿，电流的THD值有补偿前的23%下降到补偿后的3.5%左右。
图9 APF补偿实验结果
上: 电源电压 中: 补偿后主电流 下: 负载电流
6 结 语
本文给出了以DSP芯片TMS320F2812和AD7656芯片为主来建立的有源电力滤波器数字控制系统的方案，提出了基于DSP实现APF锁相的算法，给出了锁相的实验结果，验证了本文方法具有精度高、抗干扰能力强的特点。同时给出了APF补偿的实验结果，经过APF补偿后，谐波和无功电流成分得到了很好的补偿。实验验证了本文算法的正确性，也验证了本文有源电力滤波器数字控制系统的方案的可行性。
参考文献
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［3］ 李全利,王振春. 一种基于DSP的三相交流采样技术［J］. 自动化技术与应用，2008，27(12):85-89.
［4］ 陈国磊,舒双宝,季振山. 电能质量监测高速数据采集系统的设计和实现［J］. 电力系统保护与控制，2009，37(3):69-72.
［5］ 王皑，佘丹妮.基于EP2C8Q208C8型FPGA等精度频率测量仪设计［J］.计算技术与自动化,2012,31(1):56-59.
［6］ 艾凯文,胡桂明,沈润夏.任意波形电源的设计［J］.计算技术与自动化,2011,30(4):77-80.
［7］ MATTO BERTOCCO,Alessandra Flammini, et al. Robust and accurate real-time estimation of sensors signal parameters by a DSP approach［J］. IEEE trans. on Instrum. Meas. , 2000,49(3)： 685-689.
［8］ 周卫平,吴正国,夏立.基波相位和频率的高精度检测及在有源电力滤波器中的应用［J］.中国电机工程学报,2004,24(4):91-96.
