DSP在电力系统谐波控制中的运用

徐旭东

摘  要：电网电力谐波的抑制对改善电力系统中的谐波污染有着重要的意义。结合工作实践，对DSP在电力系统谐波控制中的运用作一简单的分析，最终给出了系统实现的总体框图。

关键词：谐波抑制;有源电力滤波器;TMS320F240

引言：随着工业的发展，电力电子装置的应用越来越广泛，如大功率可控硅器件、开关电源、变频调速等，这些器件的使用一方面可以使电能得到有效的利用，然而另一方面其它们的非线性和不平衡用电特性将会从电网上吸收或带入谐波电流，进而引起电网上电压的畸变，这将会给电网中其它设备的安全运行带来不利的影响。为此，抑制电网谐波，提高设备功率因数业已成为目前电力系统研究所面临的一项重大课题。

电力系统中谐波控制的途径主要有两种：传统的LC或LCR无源滤波技术在抑制谐波和补偿无功功率方面具有结构简单、使用方便的优点，但由于它存在着一些固有方法上的缺陷， 因此难以满足目前公共电网对用户谐波畸变水平越来越高的要求;目前，谐波控制的重要措施是采用有源电力滤波技术。其工作原理首先检测电网中存在的谐波电流，其后通过控制有源变流器， 来产生与谐波电流大小相等、相位相反的补偿电流注入电网，以达到削减谐波电流目的。与无源滤波器相比，APF具有易控制，无谐波放大危险，相对体积重量较小等优点，业已成为现代电力谐波抑制的重要途径。

有源电力滤波技术的关键是实时、准确地检测出被补偿设备的谐波与无功电流。由于运算的实时性与系统的性能相关，而传统的工控机或单片机虽具有很好的工控能力，但其对数字信号处理的能力却难以满足现代工业的要求。随着目前DSP日新月异的发展，特别是美国TI公司开发的DSP的不断更新换代，这些条件为电力电子装置谐波抑制所需的控制系统提供了极好的硬件条件，利用这些硬件我们可以容易对实现负载电流中的谐波的实时检测、分析和计算。且其具有较高的可靠性、灵活性和极高的控制精度，进而以保证了谐波抑制的精确度。

作者选用了一种实时计算能力很强的DSP芯片，在此基础上，设计了一种基于该芯片的控制系统，完成了补偿电流的实时检测和计算，最终达到了抑制谐波目的。

一、有源电力滤波电路的原理及总体构成框图

（一）有源滤波电路原理。有源电力滤波电路总体框图如图1所示：图中，检测及控制电路完成对负载电流的检测，从电网中分离出谐波和基波无功电流分量。主电路输出电流检测的目的是使主电路输出电流能更好地跟踪由于各种因素引起的谐波大小变化。负载电流il按傅里叶级数展开后得：iι=∑Insin（nω+θn）=Iιcosθιsinωt+Iιsinθιcosωt+∑Insin（nω+θn）=iιp+iιq+ih

式中：iιp=Iιcosθιsinωt表示基波有功电流

iιq=Iιsinθιcosωt表示基波无功电流

ih=∑Insin（nω+θn）表示高次谐波电流

当系统电源电流用is表示，有ιι=ιs+ιc源电力滤波器输出电流用ic表示时，有。若通过DSP控制滤波器的输出电流，令ic=ih，则有is=iιp+iιq，即系统电源电流只包含基波电流iιp和iιq，从而达到了抑制高次谐波之目的。由上面的式子还可以看到，当控制有源滤波器的输出电流使其ic=ih+iιq时，is=iιp，这时有源电力滤波器还可进行无功功率的补偿，从而使系统电源只为负载提供基波中的有功电流。

（二）系统总体结构框图。图2为并联混合型有源电力滤波器系统的结构框图。图中LR表示滤波电感，Ls表示电力系统阻抗的等效电感，通常谐波源为带感性的负载，无源滤波器由3次、5次和高通滤波器组成。有源滤波器主电路是由自关断电力半导体器件（图中为电力MOS管）构成的电压源型PWM逆变器构成，它通过变压器与无源滤波器串联后与电网相并联，因而称之为并联混合型结构。通过DSP对有源滤波器的实时控制，可实现整个滤波器总的等效串联谐波阻抗为零，确保了全部的负载谐波电流流进无源滤波器支路，从而达到提高无源滤波器的滤波效果。此外，适当控制有源滤波器还可以抑制电力系统的等效阻抗和无源滤波器之间可能产生的串、并联谐振。

图2  并联型混合有源电力滤波器系列

二、基于TMS320F240的控制系统设计

（一）系统硬件组成框图。芯片TMS320F240是美国TI公司专门为控制电机、逆变器等而设计的一款DSP控制器，其内部集成了通用定时器，A/D转换器，PWM电路，捕获单元，比较单元。该芯片以C2XLP 16位定点DSP CPU为内核，内部时钟频率为20MHz，可在一条指令周期内完成16×16位的乘法运算。CPU片内闪烁存储器容量为32K。此外该芯片还配置了功能完善的外部设备。由于TMS320F240的集成度很高，所需的外部扩展电路较少。因此本文选用TMS320F240作为有源电力滤波器系统控制电路的核心进行设计，其主要完成对IPM的过流欠流和过压保护及其驱动、电流采样与转换。系统硬件框图如图3所示。其中电流采样与信号转换模块完成电网谐波电流的检测及将谐波电流转换为TMS320F240片内ADC模块所要求的0～5V的电压信号;TMS320F240的输出通过驱动模块控制MOSFET主电路，经变压器变压后与无源滤波器相串联，无源滤波器的输出并联接至电网;为了保护DSP芯片，设计了相应的IPM保护模块，当系统发生过流、欠流或过压等故障时，保护模块可以迅速关断MOSFET。

图3  系统硬件框图

（二）系统软件流程图。系统软件主要包括主程序、保护中断服务程序和算法控制中断服务程序。主程序完成TMS320F240系统的初始化和各个控制字的设置以及设置定时器启动计数后，就等待中断。根据不同的中断进入相应的中断服务程序。其中，保护中断服务程序根据电压过压、电流过流或欠压等异常情况对系统进行保护操作，然后使系统断电，等待维修人员检测故障类型并进行相应的处理;算法控制中断服务程序则对采样得到的各个信号进行转换，计算出补偿的参考信号，通过DSP的事件管理器发出逆变器所需的三相PWM信号，最后输出实时的控制信号。程序流程图如图4所示。

三、结束语

电网谐波污染会给整个系统的安全经济运行带来不利的影响，而使用有源电力滤波技术为解决这一问题提供了有效手段，而实现有源滤波功能的关键是对谐波电流有效实时的检测，数字信号处理器运算速度快，用它作为控制核心来检测谐波电流和控制补偿电流的产生，可以实现谐波的实时动态补偿，智能化程度高。

图4  程序流程框图

参考文献：

[1]  张雄伟，曹铁勇编著.DSP芯片的原理与开发应用（第二版）. 电子工业出版社，2000

[2] 张卫宁编著.DSPs原理及应用.  国防工业出版社， 20024

[3] 李艺琳.DSP在有源电力滤波器控制系统中的应用.哈尔滨商业大学学报（自然版），2003，19（2）

[4] 顾建军，刘汉奎等.并联型有源滤波器数字化控制系统的研究.电工技术杂志，2002，10

[5] 王时胜，黄伟栋等.DSP在电力有源滤波器的应用研究.南昌大学学报（工科版），2003，25（12）

[6] 李艺琳.DSP在有源电力滤波器控制系统中的应用.哈尔滨商业大学学报（自然版），2003，19（2）endprint

摘  要：电网电力谐波的抑制对改善电力系统中的谐波污染有着重要的意义。结合工作实践，对DSP在电力系统谐波控制中的运用作一简单的分析，最终给出了系统实现的总体框图。

关键词：谐波抑制;有源电力滤波器;TMS320F240

引言：随着工业的发展，电力电子装置的应用越来越广泛，如大功率可控硅器件、开关电源、变频调速等，这些器件的使用一方面可以使电能得到有效的利用，然而另一方面其它们的非线性和不平衡用电特性将会从电网上吸收或带入谐波电流，进而引起电网上电压的畸变，这将会给电网中其它设备的安全运行带来不利的影响。为此，抑制电网谐波，提高设备功率因数业已成为目前电力系统研究所面临的一项重大课题。

电力系统中谐波控制的途径主要有两种：传统的LC或LCR无源滤波技术在抑制谐波和补偿无功功率方面具有结构简单、使用方便的优点，但由于它存在着一些固有方法上的缺陷， 因此难以满足目前公共电网对用户谐波畸变水平越来越高的要求;目前，谐波控制的重要措施是采用有源电力滤波技术。其工作原理首先检测电网中存在的谐波电流，其后通过控制有源变流器， 来产生与谐波电流大小相等、相位相反的补偿电流注入电网，以达到削减谐波电流目的。与无源滤波器相比，APF具有易控制，无谐波放大危险，相对体积重量较小等优点，业已成为现代电力谐波抑制的重要途径。

有源电力滤波技术的关键是实时、准确地检测出被补偿设备的谐波与无功电流。由于运算的实时性与系统的性能相关，而传统的工控机或单片机虽具有很好的工控能力，但其对数字信号处理的能力却难以满足现代工业的要求。随着目前DSP日新月异的发展，特别是美国TI公司开发的DSP的不断更新换代，这些条件为电力电子装置谐波抑制所需的控制系统提供了极好的硬件条件，利用这些硬件我们可以容易对实现负载电流中的谐波的实时检测、分析和计算。且其具有较高的可靠性、灵活性和极高的控制精度，进而以保证了谐波抑制的精确度。

作者选用了一种实时计算能力很强的DSP芯片，在此基础上，设计了一种基于该芯片的控制系统，完成了补偿电流的实时检测和计算，最终达到了抑制谐波目的。

一、有源电力滤波电路的原理及总体构成框图

（一）有源滤波电路原理。有源电力滤波电路总体框图如图1所示：图中，检测及控制电路完成对负载电流的检测，从电网中分离出谐波和基波无功电流分量。主电路输出电流检测的目的是使主电路输出电流能更好地跟踪由于各种因素引起的谐波大小变化。负载电流il按傅里叶级数展开后得：iι=∑Insin（nω+θn）=Iιcosθιsinωt+Iιsinθιcosωt+∑Insin（nω+θn）=iιp+iιq+ih

式中：iιp=Iιcosθιsinωt表示基波有功电流

iιq=Iιsinθιcosωt表示基波无功电流

ih=∑Insin（nω+θn）表示高次谐波电流

当系统电源电流用is表示，有ιι=ιs+ιc源电力滤波器输出电流用ic表示时，有。若通过DSP控制滤波器的输出电流，令ic=ih，则有is=iιp+iιq，即系统电源电流只包含基波电流iιp和iιq，从而达到了抑制高次谐波之目的。由上面的式子还可以看到，当控制有源滤波器的输出电流使其ic=ih+iιq时，is=iιp，这时有源电力滤波器还可进行无功功率的补偿，从而使系统电源只为负载提供基波中的有功电流。

（二）系统总体结构框图。图2为并联混合型有源电力滤波器系统的结构框图。图中LR表示滤波电感，Ls表示电力系统阻抗的等效电感，通常谐波源为带感性的负载，无源滤波器由3次、5次和高通滤波器组成。有源滤波器主电路是由自关断电力半导体器件（图中为电力MOS管）构成的电压源型PWM逆变器构成，它通过变压器与无源滤波器串联后与电网相并联，因而称之为并联混合型结构。通过DSP对有源滤波器的实时控制，可实现整个滤波器总的等效串联谐波阻抗为零，确保了全部的负载谐波电流流进无源滤波器支路，从而达到提高无源滤波器的滤波效果。此外，适当控制有源滤波器还可以抑制电力系统的等效阻抗和无源滤波器之间可能产生的串、并联谐振。

图2  并联型混合有源电力滤波器系列

二、基于TMS320F240的控制系统设计

（一）系统硬件组成框图。芯片TMS320F240是美国TI公司专门为控制电机、逆变器等而设计的一款DSP控制器，其内部集成了通用定时器，A/D转换器，PWM电路，捕获单元，比较单元。该芯片以C2XLP 16位定点DSP CPU为内核，内部时钟频率为20MHz，可在一条指令周期内完成16×16位的乘法运算。CPU片内闪烁存储器容量为32K。此外该芯片还配置了功能完善的外部设备。由于TMS320F240的集成度很高，所需的外部扩展电路较少。因此本文选用TMS320F240作为有源电力滤波器系统控制电路的核心进行设计，其主要完成对IPM的过流欠流和过压保护及其驱动、电流采样与转换。系统硬件框图如图3所示。其中电流采样与信号转换模块完成电网谐波电流的检测及将谐波电流转换为TMS320F240片内ADC模块所要求的0～5V的电压信号;TMS320F240的输出通过驱动模块控制MOSFET主电路，经变压器变压后与无源滤波器相串联，无源滤波器的输出并联接至电网;为了保护DSP芯片，设计了相应的IPM保护模块，当系统发生过流、欠流或过压等故障时，保护模块可以迅速关断MOSFET。

图3  系统硬件框图

（二）系统软件流程图。系统软件主要包括主程序、保护中断服务程序和算法控制中断服务程序。主程序完成TMS320F240系统的初始化和各个控制字的设置以及设置定时器启动计数后，就等待中断。根据不同的中断进入相应的中断服务程序。其中，保护中断服务程序根据电压过压、电流过流或欠压等异常情况对系统进行保护操作，然后使系统断电，等待维修人员检测故障类型并进行相应的处理;算法控制中断服务程序则对采样得到的各个信号进行转换，计算出补偿的参考信号，通过DSP的事件管理器发出逆变器所需的三相PWM信号，最后输出实时的控制信号。程序流程图如图4所示。

三、结束语

电网谐波污染会给整个系统的安全经济运行带来不利的影响，而使用有源电力滤波技术为解决这一问题提供了有效手段，而实现有源滤波功能的关键是对谐波电流有效实时的检测，数字信号处理器运算速度快，用它作为控制核心来检测谐波电流和控制补偿电流的产生，可以实现谐波的实时动态补偿，智能化程度高。

图4  程序流程框图

参考文献：

[1]  张雄伟，曹铁勇编著.DSP芯片的原理与开发应用（第二版）. 电子工业出版社，2000

[2] 张卫宁编著.DSPs原理及应用.  国防工业出版社， 20024

[3] 李艺琳.DSP在有源电力滤波器控制系统中的应用.哈尔滨商业大学学报（自然版），2003，19（2）

[4] 顾建军，刘汉奎等.并联型有源滤波器数字化控制系统的研究.电工技术杂志，2002，10

[5] 王时胜，黄伟栋等.DSP在电力有源滤波器的应用研究.南昌大学学报（工科版），2003，25（12）

[6] 李艺琳.DSP在有源电力滤波器控制系统中的应用.哈尔滨商业大学学报（自然版），2003，19（2）endprint

摘  要：电网电力谐波的抑制对改善电力系统中的谐波污染有着重要的意义。结合工作实践，对DSP在电力系统谐波控制中的运用作一简单的分析，最终给出了系统实现的总体框图。

关键词：谐波抑制;有源电力滤波器;TMS320F240

引言：随着工业的发展，电力电子装置的应用越来越广泛，如大功率可控硅器件、开关电源、变频调速等，这些器件的使用一方面可以使电能得到有效的利用，然而另一方面其它们的非线性和不平衡用电特性将会从电网上吸收或带入谐波电流，进而引起电网上电压的畸变，这将会给电网中其它设备的安全运行带来不利的影响。为此，抑制电网谐波，提高设备功率因数业已成为目前电力系统研究所面临的一项重大课题。

电力系统中谐波控制的途径主要有两种：传统的LC或LCR无源滤波技术在抑制谐波和补偿无功功率方面具有结构简单、使用方便的优点，但由于它存在着一些固有方法上的缺陷， 因此难以满足目前公共电网对用户谐波畸变水平越来越高的要求;目前，谐波控制的重要措施是采用有源电力滤波技术。其工作原理首先检测电网中存在的谐波电流，其后通过控制有源变流器， 来产生与谐波电流大小相等、相位相反的补偿电流注入电网，以达到削减谐波电流目的。与无源滤波器相比，APF具有易控制，无谐波放大危险，相对体积重量较小等优点，业已成为现代电力谐波抑制的重要途径。

有源电力滤波技术的关键是实时、准确地检测出被补偿设备的谐波与无功电流。由于运算的实时性与系统的性能相关，而传统的工控机或单片机虽具有很好的工控能力，但其对数字信号处理的能力却难以满足现代工业的要求。随着目前DSP日新月异的发展，特别是美国TI公司开发的DSP的不断更新换代，这些条件为电力电子装置谐波抑制所需的控制系统提供了极好的硬件条件，利用这些硬件我们可以容易对实现负载电流中的谐波的实时检测、分析和计算。且其具有较高的可靠性、灵活性和极高的控制精度，进而以保证了谐波抑制的精确度。

作者选用了一种实时计算能力很强的DSP芯片，在此基础上，设计了一种基于该芯片的控制系统，完成了补偿电流的实时检测和计算，最终达到了抑制谐波目的。

一、有源电力滤波电路的原理及总体构成框图

（一）有源滤波电路原理。有源电力滤波电路总体框图如图1所示：图中，检测及控制电路完成对负载电流的检测，从电网中分离出谐波和基波无功电流分量。主电路输出电流检测的目的是使主电路输出电流能更好地跟踪由于各种因素引起的谐波大小变化。负载电流il按傅里叶级数展开后得：iι=∑Insin（nω+θn）=Iιcosθιsinωt+Iιsinθιcosωt+∑Insin（nω+θn）=iιp+iιq+ih

式中：iιp=Iιcosθιsinωt表示基波有功电流

iιq=Iιsinθιcosωt表示基波无功电流

ih=∑Insin（nω+θn）表示高次谐波电流

当系统电源电流用is表示，有ιι=ιs+ιc源电力滤波器输出电流用ic表示时，有。若通过DSP控制滤波器的输出电流，令ic=ih，则有is=iιp+iιq，即系统电源电流只包含基波电流iιp和iιq，从而达到了抑制高次谐波之目的。由上面的式子还可以看到，当控制有源滤波器的输出电流使其ic=ih+iιq时，is=iιp，这时有源电力滤波器还可进行无功功率的补偿，从而使系统电源只为负载提供基波中的有功电流。

（二）系统总体结构框图。图2为并联混合型有源电力滤波器系统的结构框图。图中LR表示滤波电感，Ls表示电力系统阻抗的等效电感，通常谐波源为带感性的负载，无源滤波器由3次、5次和高通滤波器组成。有源滤波器主电路是由自关断电力半导体器件（图中为电力MOS管）构成的电压源型PWM逆变器构成，它通过变压器与无源滤波器串联后与电网相并联，因而称之为并联混合型结构。通过DSP对有源滤波器的实时控制，可实现整个滤波器总的等效串联谐波阻抗为零，确保了全部的负载谐波电流流进无源滤波器支路，从而达到提高无源滤波器的滤波效果。此外，适当控制有源滤波器还可以抑制电力系统的等效阻抗和无源滤波器之间可能产生的串、并联谐振。

图2  并联型混合有源电力滤波器系列

二、基于TMS320F240的控制系统设计

（一）系统硬件组成框图。芯片TMS320F240是美国TI公司专门为控制电机、逆变器等而设计的一款DSP控制器，其内部集成了通用定时器，A/D转换器，PWM电路，捕获单元，比较单元。该芯片以C2XLP 16位定点DSP CPU为内核，内部时钟频率为20MHz，可在一条指令周期内完成16×16位的乘法运算。CPU片内闪烁存储器容量为32K。此外该芯片还配置了功能完善的外部设备。由于TMS320F240的集成度很高，所需的外部扩展电路较少。因此本文选用TMS320F240作为有源电力滤波器系统控制电路的核心进行设计，其主要完成对IPM的过流欠流和过压保护及其驱动、电流采样与转换。系统硬件框图如图3所示。其中电流采样与信号转换模块完成电网谐波电流的检测及将谐波电流转换为TMS320F240片内ADC模块所要求的0～5V的电压信号;TMS320F240的输出通过驱动模块控制MOSFET主电路，经变压器变压后与无源滤波器相串联，无源滤波器的输出并联接至电网;为了保护DSP芯片，设计了相应的IPM保护模块，当系统发生过流、欠流或过压等故障时，保护模块可以迅速关断MOSFET。

图3  系统硬件框图

（二）系统软件流程图。系统软件主要包括主程序、保护中断服务程序和算法控制中断服务程序。主程序完成TMS320F240系统的初始化和各个控制字的设置以及设置定时器启动计数后，就等待中断。根据不同的中断进入相应的中断服务程序。其中，保护中断服务程序根据电压过压、电流过流或欠压等异常情况对系统进行保护操作，然后使系统断电，等待维修人员检测故障类型并进行相应的处理;算法控制中断服务程序则对采样得到的各个信号进行转换，计算出补偿的参考信号，通过DSP的事件管理器发出逆变器所需的三相PWM信号，最后输出实时的控制信号。程序流程图如图4所示。

三、结束语

电网谐波污染会给整个系统的安全经济运行带来不利的影响，而使用有源电力滤波技术为解决这一问题提供了有效手段，而实现有源滤波功能的关键是对谐波电流有效实时的检测，数字信号处理器运算速度快，用它作为控制核心来检测谐波电流和控制补偿电流的产生，可以实现谐波的实时动态补偿，智能化程度高。

图4  程序流程框图

参考文献：

[1]  张雄伟，曹铁勇编著.DSP芯片的原理与开发应用（第二版）. 电子工业出版社，2000

[2] 张卫宁编著.DSPs原理及应用.  国防工业出版社， 20024

[3] 李艺琳.DSP在有源电力滤波器控制系统中的应用.哈尔滨商业大学学报（自然版），2003，19（2）

[4] 顾建军，刘汉奎等.并联型有源滤波器数字化控制系统的研究.电工技术杂志，2002，10

[5] 王时胜，黄伟栋等.DSP在电力有源滤波器的应用研究.南昌大学学报（工科版），2003，25（12）

[6] 李艺琳.DSP在有源电力滤波器控制系统中的应用.哈尔滨商业大学学报（自然版），2003，19（2）endprint