基于DSP的有源电力滤波器控制系统设计*

赖小华， 乐江源，罗 聪

(赣南师范大学 物理与电子信息学院，江西 赣州 341000)



·光子学与光子技术·

基于DSP的有源电力滤波器控制系统设计*

赖小华， 乐江源，罗 聪

(赣南师范大学 物理与电子信息学院，江西 赣州 341000)

为了满足响应快、精度高的要求，提出了一种基于高速数字信号处理DSP芯片TMS320F2812的全数字有源电力滤波器(Active Power Filter，简称APF)控制方案.着重阐述了控制方案硬件结构的主要电路设计和分析了软件程序的实现流程.最后，在APF样机上进行了补偿典型负载实验，实验结果及分析验证了该控制方案在改善电能质量上的可行性.

有源电力滤波器；全数字控制器；谐波检测；PI控制

有源电力滤波器是电网谐波治理技术中最有前途的设备，跟无源滤波器等传统谐波抑制和无功补偿方法比较，它能对大小和频率变化的谐波以及无功功率进行动态补偿[1].

APF主要由主电路和控制系统组成.其中控制系统主要需实现谐波电流检测、电压及电流控制算法以及PWM指令输出等功能，需进行大量的算术和逻辑运算，同时又必须保证控制的实时性.因此，选用高性能的DSP作为主控芯片，设计全数字控制系统是最佳选择.与采用模拟电路设计的控制系统相比，全数字APF控制系统采用程序完成所有功能，具有修改方便、可靠性强且易于调试等优点.本文选用TMS320F2812 DSP为主控芯片，设计了APF的全数字控制系统，给出了硬件电路和软件程序的设计要点，并在APF样机上进行了实验，实验结果证明了该控制系统的合理性和可行性.

1 有源电力滤波器总体结构

图1 三相并联型有源电力滤波器总体结构图

有源电力滤波器总体结构如图1所示.其工作流程为：首先，闭合断路开关给控制系统供电，控制系统执行上电自检程序，用户可通过人机接口修改设备参数和运行方式等；然后，自检无误并参数设置完成后，闭合接触器J1使APF接入电网投入运行，其中接触器J2和防涌流电阻R实现软启动功能；最后，设备因故障或计划退出运行时，应先关断主电路的开关器件，再依次断开控制接触器J1、J2和手动断路器.

设备的控制系统首先通过检测电路检测到电网侧的电压及相位、负载侧的负荷电流、设备直流侧电流电压等信号，利用检测到的信号通过一定的算法计算出检出负荷电流的谐波分量和无功分量，并作为APF须输出电流的参考信号，跟APF实际输出的电流比较后输入控制程序，控制程序根据特定的控制算法产生PWM控制信号去驱动主电路的IGBT器件的通断，从而使APF注入电网的实时电流跟踪参考电流，实现谐波补偿或无功补偿等功能.

2 控制系统硬件电路设计

TMS320F2812是美国TI公司TMS320F281X系列中的一种定点DSP.该芯片与现存24X DSP芯片代码兼容的同时，具有处理能力更强大、外设集成度更高、程序存储器更大及A/D转换速度更快等优点.基于TMS320F2812的有源电力滤波器控制系统硬件结构如图2所示.

图2 有源电力滤波器控制系统硬件结构图

图3 采样信号预处理电路

图4 过零检测电路

图5 CPU Timer0定时中断服务程序流程

2.1 电流、电压取样电路

取样电路主要由电量采集和信号预处理两部分组成.电量采集电路是利用霍尔器件采集APF输出的补偿电流、负载电流、直流测电压等信号的实时变化情况；采样信号预处理电路主要完成对霍尔传感器采集过来的电流电压信号进行预处理，转换成0～3 V的电压信号，输入到DSP进行ADC转换.由于电压、电流传感器输出的都是约有效值为25 mA的电流信号，都要转换成0～3 V的电压信号，所以电流、电压信号的预处理电路类似(注直流电压检测电路不要进行1.5 V电压抬升)，如图3所示.霍尔传感器输出的25 mA电流经一个180欧姆的电阻转换成有效值约为4.5 V的电压信号，第一个运放组成的放大电路的放大倍数为(180+Rx)/540，其放大倍数可调，因此4.5 V的电压信号经过该放大电路后，可以转换成有效值为2 V左右的交流信号，再经3V电压分压后做了一个1.5 V电压的抬升，最终转换后的电压信号为有效值为1 V左右的交流信号+1.5 V的直流电压，刚好满足0～3 V区间的要求.

2.2 过零检测电路

因在谐波检测环节需使用到电网电压的同步信号，所以需对电网电压信号进行检测，获得A相电压同步信号.具体检测电路如图4所示.电网线电压Uab经过LEM电压传感器后，一路经信号调理电路处理后送入A/D转换芯片，对电网电压进行测量以备用；另一路送入过零检测电路.在过零检测电路中，传感器输出的采样信号经过电压放大电路放大后，接入由运放OP7与二极管构成的过零比较电路产生与电网电压同步的方波信号，该方波信号经带施密特触发的非门后，通过光耦送入DSP的捕获端口.因实际电路检测到的是电网线电压Uab的同步信号，它与A相电压有30°的相位差，该30°的相位差放在软件设计时处理.

2.3 驱动电路

IGBT应用的关键问题之一是栅极驱动电路的合理设计.本样机设计中采用的是瑞士CONCEPT公司研发的IGBT集成驱动模块2SD315A.由2SD315A驱动模块构成的驱动保护电路有输入保护、电源保护、上电复位、死区时间设定、工作模式选择及IGBT接口电路几部分组成.具体工作原理不再赘述，可参考相关文献[2～3].

3 控制系统软件设计

控制系统软件主要有主程序、CPU Timer0定时中断服务程序、EVA CAP捕获中断程序、谐波检测程序以及若干子程序模块组成.CPU Timer0定时中断服务程序是整个软件实现的核心部分，程序中包括电流、电压信号的ADC采样、谐波电流计算、电流控制算法、SVPWM功能模块等，具体程序流程如图5所示[4-6].EVA CAP 捕获中断服务程序的功能主要是捕获电网AB相的过零点，并设置新周期标志位，对电网频率进行锁相，判别电网频率是否正常.同时利用捕获到的T2计数器的值计算采样周期，重新设置CPU Timer0的中断周期值.

其中谐波检测是DSP控制系统要完成的主要任务，本系统将该任务写成子程序形式供调用.其主要功能是利用DSP自带的ADC模块采样得到的数据，根据ip-iq谐波检测算法[7]，调用各种运算功能模块(主要有Clark变换、Park变换和低通滤波LPF等)，检测出负载电流的谐波分量ip*和iq*作为APF输入电流的参考值，与实际输出电流比较，通过PI控制环节去控制APF开关的通断[8].具体算法如图6所示.

图6 ip-iq谐波检测算法

4 实验结果分析

将控制器用于三相三线并联型APF样机上进行实验.实验电路参数为：电源电压为220 V/50 Hz；直流侧电压控制在700 V；输出滤波电感为0.5 mH；开关频率为10 kHz.非线性负载由三相整流桥带电阻负载构成，谐波电流检测算法为基于瞬时无功功率理论的ip-iq法，电压及电流控制算法为PI控制，补偿方式为全补偿.

图7 所示为没有进行谐波补偿情况下A相电源电流isa实验实测波形.由图示波形可知：由于实验所带负载为三相不控整流电路，产生大量的谐波电流注入电网，从而使注入电网的电流呈现非正弦特性.

图8所示为接入APF进行谐波补偿后注入电网的A相电源电流、APF产生的补偿电流和APF直流侧直流电压实验实测波形.由图8可知：注入电网的电源电流isa近似为正弦波形，由于APF响应速度所限，在负载电流剧变处会出现尖峰或畸变.但仍然表明APF对负载电流中的大部分谐波电流进行了有效补偿，大大减少了注入电网电流的畸变率.并且，实现了APF直流侧电容两端电压保持稳定的另一个控制目标.

图7 补偿前A相电源电流实验波形 图8 补偿后A相电源电流、补偿电流和直流侧电压实验波形

5 结语

本文以TMS320F2812 DSP为核心，设计了三相并联型APF全数字控制系统，完成了谐波电流检测、控制算法实现、SVPWM功能实现等.实验结果显示样机能很好地实现谐波补偿功能，表明了以TMS320F2812为核心的控制系统由于其强大的运算能力，可以确保谐波电流补偿的快速性，实现了实时控制.本文论述的硬件、软件方案为APF的研制提供了参考，也对TMS320F2812 DSP在其他领域的应用具有借鉴意义.

[1] 王兆安,杨君,刘进军,等.谐波抑制和无功功率补偿[M].北京：机械工业出版社，2006：271-295.

[2] CT-Concept Technology Ltd. dual scale drive 2SD315A for IGBTs and power MOSFETs[DB/OL].https://www.power.com/zh-hans/search/site/2SD315A/,Version 4.0, 2011.

[3] 孙稚,孙梅生,王磊.大功率IGBT驱动模块2SD315A的特性及其应用[J].电力电子技术,2002,36(6):73-75.

[4] 周柯,罗安,夏向阳,等.一种改进的ip-iq谐波检测方法及数字低通滤波器的优化设计[J].中国电机工程学报,2007,27(34):96-101.

[5] 高学军,周志华,温世伶.有源电力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.

[6] Texas Instruments Inc. IQ math Library-A Virtual Floating Point Engine[DB/OL].http://www.ti.com/tool/sprc542,Version2.01.04.00, 2011.

[7] 李文江,姜波,刘尹霞.基于d-q变换的谐波检测方法研究[J].电气传动,2013,43(2):44-47.

[8] 孙曙光,王景芹,杜太行,等.有源电力滤波器控制技术的研究与应用[J].电力电子技术,2014,48(3):24-27.

Controll System Design of Active Power Filter Based on DSP

LAI Xiaohua, LE Jiangyuan, LUO Chong

(SchoolofPhysicsandElectronics,GannanNormalUniversity,Ganzhou341000,China)

To satisfy the demands of fast response and high accuracy on the active power filter(APF), This paper proposes a full digital control scheme of APF based on high-speed digital signal processing chip DSP TMS320F2812. It mainly describes the main circuit design of the hardware structure and analyses the implementation processes of the software program. Finally, a typical harmonic load compensation experiment based on the APF prototype is carried out. The test results and analysis verify the effectiveness of the control scheme in improving electrical energy quality.

active power filter; full digital controller; harmonic detection; PI contol

2016-05-20

10.13698/j.cnki.cn36-1346/c.2016.06.011

国家自然科学基金项目(51377025)

赖晓华(1975-)，女，江西赣州人，赣南师范大学物理与电子信息学院实验师，研究方向：计算机控制、非线性控制理论；乐江源(1975-)，男，江西赣州人，赣南师范大学物理与电子信息学院副教授，博士，研究方向：电力电子及电力传动.

http://www.cnki.net/kcms/detail/36.1037.C.20161209.1610.070.html

TN713

A

1004-8332(2016)06-0050-03