基于DSP處理器的有源濾波器控制器的設(shè)計(jì)

　　1 引言

　　飛速發(fā)展的電力電子技術(shù)使各種電力電子裝置在工業(yè)、交通運(yùn)輸及家庭中的應(yīng)用日益廣泛，而這些非線性負(fù)荷帶來(lái)的諧波危害也日益嚴(yán)重。諧波使電網(wǎng)中元件產(chǎn)生諧波損耗、設(shè)備效率和功率因數(shù)降低，甚至損害電力設(shè)備如電容器等；諧波影響精密儀器和臨近的通信系統(tǒng)，使其無(wú)法正常工作[1]。

　　電力系統(tǒng)中諧波次數(shù)和大小隨系統(tǒng)負(fù)荷狀況而變化，采用傳統(tǒng)的LC靜態(tài)濾波器無(wú)法滿足要求，而采用電力有源濾波器可以對(duì)大小和頻率都變化的諧波及變化的無(wú)功進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，因此有源濾波器的研究和應(yīng)用越來(lái)越受到人們的重視。有源濾波器的基本原理是：先從補(bǔ)償對(duì)象中檢測(cè)出諧波電流，再由補(bǔ)償裝置產(chǎn)生一個(gè)與該諧波電流大小相等而相位相反的補(bǔ)償電流，兩者相互抵消而使電網(wǎng)電流中只含有基波分量。控制器是有源濾波器的核心部件，它通過(guò)產(chǎn)生并控制驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)器件的脈沖來(lái)控制有源濾波器的行為，完成動(dòng)態(tài)補(bǔ)償諧波和無(wú)功的功能。

　　2 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與基本功能

　　有源濾波器的主電路采用三單相橋式電壓型變流器，通過(guò)變壓器與系統(tǒng)耦合，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。采用三單相橋結(jié)構(gòu)是因?yàn)槿龁蜗鄻虻目刂瓶梢韵嗷ソ怦睿瑫r(shí)還可用于消除零序分量及其諧波電流，實(shí)現(xiàn)不對(duì)稱控制。

　　該有源濾波器的控制系統(tǒng)采用雙DSP結(jié)構(gòu)，其中一個(gè)DSP處理器用來(lái)完成數(shù)據(jù)處理、控制與高層保護(hù)功能；另一個(gè)DSP處理器用來(lái)產(chǎn)生高精度PWM脈沖。控制器主要有以下功能：

　　(1) 控制有源濾波器的行為

　　根據(jù)檢測(cè)出的負(fù)荷電流的諧波和無(wú)功電流分量控制逆變器的輸出電壓，使有源濾波器輸出的補(bǔ)償電流與負(fù)荷諧波電流和無(wú)功電流之和相互抵消，從而使系統(tǒng)電流為基波正序有功電流。

　　(2) 產(chǎn)生觸發(fā)脈沖

　　經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路控制IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷產(chǎn)生PWM觸發(fā)脈沖，使有源濾波器能輸出正確的諧波補(bǔ)償電流。

　　(3) 脈沖同步

　　根據(jù)從電網(wǎng)取回的同步脈沖，產(chǎn)生出與電網(wǎng)電壓同步的脈沖信號(hào)，使有源濾波器輸出的電壓與電網(wǎng)電壓保持同步。

　　(4) 自我容錯(cuò)功能

　　一旦控制器自身有些元件出現(xiàn)錯(cuò)誤（如電壓互感器（PT）斷線等），控制器能立即發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤并報(bào)警，同時(shí)不使裝置退出運(yùn)行，故障修復(fù)后可以容易地恢復(fù)。

　　（5）保護(hù)功能

　　當(dāng)有源濾波器運(yùn)行在過(guò)載或其他不正常狀態(tài)下，而電流又沒(méi)有超過(guò)保護(hù)動(dòng)作的整定值時(shí)，控制器能通過(guò)保護(hù)功能使有源濾波器回到正常工作狀態(tài)，避免其底層保護(hù)動(dòng)作，從而保證了有源濾波器能夠連續(xù)正常工作[2]。

　　3 有源濾波器控制器的實(shí)現(xiàn)

　　有源濾波器控制器的原理框圖如圖2所示。

　　控制器以60×50Hz（或更高）的采樣頻率對(duì)負(fù)荷電流、裝置輸出的補(bǔ)償電流及系統(tǒng)電壓進(jìn)行采樣和A/D轉(zhuǎn)換。利用諧波分離算法如dq分解法或ab分解法及其它方法對(duì)采樣電流進(jìn)行分解，濾除基波有功分量，保留用作補(bǔ)償所需的諧波電流。然后采用控制算法據(jù)電路參數(shù)計(jì)算出逆變器應(yīng)產(chǎn)生的諧波電壓。將諧波電壓瞬時(shí)值送至DSP脈沖發(fā)生器，讓脈沖發(fā)生器根據(jù)諧波電壓瞬時(shí)值采用SPWM算法決定逆變器開(kāi)關(guān)元件的動(dòng)作。脈沖發(fā)生器根據(jù)電壓瞬時(shí)值進(jìn)行SPWM脈沖計(jì)算以產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)脈沖。

　　下面分別介紹控制器的各項(xiàng)功能。

　　3.1 控制算法

　　本系統(tǒng)的控制算法由諧波和無(wú)功電流的檢測(cè)及電流跟蹤控制兩部分組成。其中諧波和無(wú)功電流的計(jì)算是基于三相電路瞬時(shí)無(wú)功功率理論[3]，如圖3所示。

　　由于本文的有源濾波器要對(duì)直流側(cè)的電壓進(jìn)行控制，因此在指令電流中需要包含一定的基波有功分量，以便有源濾波器的直流側(cè)與交流側(cè)交換能量，調(diào)節(jié)電容電壓至給定值。

　　圖4所示為電流跟蹤控制框圖。本系統(tǒng)的電流跟蹤控制采用PI控制，輸出控制量通過(guò)雙口RAM送至脈沖發(fā)生器，脈沖發(fā)生器根據(jù)得到的波形信息產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，脈沖經(jīng)隔離、整形后驅(qū)動(dòng)主電路的IGBT使逆變器輸出相應(yīng)電壓。補(bǔ)償電流是由逆變器的輸出電壓與交流側(cè)電源電壓的差值作用于電感而產(chǎn)生的。

　　圖5是用該有源濾波器對(duì)三相6脈沖整流負(fù)載產(chǎn)生的諧波進(jìn)行補(bǔ)償?shù)腁相數(shù)字仿真結(jié)果圖，仿真軟件采用PSCAD。由圖可知補(bǔ)償后的系統(tǒng)電流與系統(tǒng)電壓同相位，電流波形得到大大改善，但比較負(fù)荷電流和系統(tǒng)電流可知，在負(fù)荷電流變化較快瞬間（對(duì)應(yīng)于整流橋的換相）補(bǔ)償效果差一些，這是因?yàn)橐a(bǔ)償快速變化的電流要求APF產(chǎn)生很高的諧波電壓，這一方面要求有源濾波器有很快的響應(yīng)速度，另一方面要求直流側(cè)產(chǎn)生高壓，這在實(shí)際裝置中是較難實(shí)現(xiàn)的，因此在負(fù)載電流變化非?？鞎r(shí)，APF的補(bǔ)償能力較差。有關(guān)系統(tǒng)不對(duì)稱對(duì)APF的影響及其對(duì)零序電流的補(bǔ)償?shù)葐?wèn)題仍在進(jìn)一步的研究中。圖6為A相系統(tǒng)電流的諧波分析，負(fù)載電流的諧波總畸變率THD為20.1%，補(bǔ)償后的系統(tǒng)電流總畸變率為9.4%，5、7、9、11次諧波電流的含有率均小于5%。

　　3.2 數(shù)據(jù)采樣與處理

　　該DSP處理器對(duì)負(fù)荷側(cè)的三相電流、電壓信號(hào)以及有源濾波器輸出的電流信號(hào)進(jìn)行同步采樣，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。根據(jù)負(fù)荷側(cè)的電流與電壓值計(jì)算出瞬時(shí)有功、瞬時(shí)無(wú)功功率，再經(jīng)過(guò)諧波檢測(cè)與分離算法計(jì)算出補(bǔ)償電流的參考值，該值與有源濾波器實(shí)際補(bǔ)償電流的差值通過(guò)PI控制環(huán)節(jié)得到相應(yīng)的控制信號(hào)。

　　3.3 控制器的高層保護(hù)與復(fù)位功能

　　一旦有源濾波器過(guò)流或者過(guò)壓，保護(hù)裝置動(dòng)作將IGBT封鎖使有源濾波器處于封鎖狀態(tài)。此時(shí)控制器將根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)和有源濾波器本身的狀態(tài)進(jìn)行判斷，如果二者均恢復(fù)正常則控制器會(huì)選擇適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)對(duì)有源濾波器進(jìn)行復(fù)位，使其恢復(fù)到正常運(yùn)行狀態(tài)[2]。

　　4 高精度脈沖發(fā)生器

　　過(guò)去基于單片機(jī)的脈寬調(diào)制的實(shí)現(xiàn)方案中，由于處理器的指令執(zhí)行時(shí)間較長(zhǎng)，而難以保證脈沖精度，且受相位抖動(dòng)的影響也較顯著[4]。數(shù)字信號(hào)處理器快速的運(yùn)算能力使得我們有可能采用微處理器結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)高精度的脈沖發(fā)生器，該方法修改脈沖發(fā)生部分的程序即可產(chǎn)生各種類型的PWM脈沖，簡(jiǎn)單靈活，有較好的通用性[5]。

　　4.1 變流器脈沖信號(hào)之間的關(guān)系

　　圖7(a)、7(b)是基于IGBT的單相橋電壓型逆變器的結(jié)構(gòu)圖和工作原理示意圖。假定圖中半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)為理想開(kāi)關(guān)，則同一橋臂的兩個(gè)開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通與關(guān)斷是互補(bǔ)的（因?yàn)橥粯虮鄣膬蓚€(gè)開(kāi)關(guān)不能同時(shí)導(dǎo)通，否則將會(huì)因橋臂直通而導(dǎo)致直流電源短路）。假定上部開(kāi)關(guān)（圖(a)中的SL和SR）導(dǎo)通而下部開(kāi)關(guān)（圖(a)中的SL′和SR′）關(guān)斷時(shí)開(kāi)關(guān)狀態(tài)為1，反之為0。如果任一時(shí)刻都有兩只管子導(dǎo)通，則單相橋IGBT開(kāi)關(guān)狀態(tài)的可能組合只有10和01兩種，輸出電壓分別對(duì)應(yīng)＋Ed和－Ed。

　　這樣，利用一個(gè)6位的狀態(tài)字即可表征三單相全橋逆變器的輸出電壓，如100110B表示此時(shí)輸出電壓為A相＋Ed，B相－Ed，C相＋Ed。

　　4.2 脈沖發(fā)生器軟、硬件體系結(jié)構(gòu)與實(shí)現(xiàn)

　　本系統(tǒng)采用SPWM方式將載波與參考波的幅值進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果確定輸出開(kāi)關(guān)的狀態(tài)。本有源濾波器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是消除25次（1.25 kHz）以下的諧波，即參考波的最高頻率為1.25kHz。由采樣定理可知采樣頻率必須大于或等于原信號(hào)頻率的2倍才能保持原信號(hào)的全部信息，因此本系統(tǒng)中載波（三角波）的最低頻率應(yīng)該是2.5 kHz?？紤]到提高調(diào)制波的頻率使功率元件的開(kāi)關(guān)頻率提高，損耗變大，因而本系統(tǒng)中三角波的頻率采用2.5kHz。由于采用數(shù)字離散化方式比較載波和參考波，因而兩個(gè)信號(hào)的抽樣頻率越高誤差就越小?？紤]數(shù)字信號(hào)處理器的實(shí)時(shí)處理能力，本系統(tǒng)采用每隔0.3°比較一次的方法，即抽樣頻率為60 kHz。由于周期三角波頻率為2.5kHz，所以只需要24點(diǎn)幅值信息即可以滿足要求。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，程序中構(gòu)造兩張表，一張為24點(diǎn)的調(diào)制三角波幅值表，另一張為參考波幅值表，即0°～360°之間間隔0.3°共1200點(diǎn)的參考波幅值，參考波幅值由另外一個(gè)控制芯片提供，通過(guò)雙口RAM提供本系統(tǒng)數(shù)字接口。

　　脈沖發(fā)生器的硬件結(jié)構(gòu)如圖8。圖中的控制器由另外一個(gè)DSP芯片（TMS320C31）實(shí)現(xiàn)，輸出的控制變量為逆變器輸出電壓的參考值，兩個(gè)DSP芯片之間通過(guò)雙口RAM交換數(shù)據(jù)。同步信號(hào)發(fā)生電路完成對(duì)電網(wǎng)電壓信號(hào)的濾波和整形處理，在正弦信號(hào)的每個(gè)負(fù)向過(guò)零點(diǎn)產(chǎn)生向DSP申請(qǐng)外部中斷的窄脈沖。載波值表存儲(chǔ)于片內(nèi)RAM上，每個(gè)中斷周期進(jìn)行刷新變址寄存器中的數(shù)值來(lái)更新當(dāng)前所指表中數(shù)據(jù)的位置，以便和雙口RAM中的參考波的幅值進(jìn)行比較。定時(shí)器0由外部同步脈沖觸發(fā)并將角度信息值轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的時(shí)鐘周期數(shù)加載到定時(shí)器1以及串口計(jì)數(shù)器的周期計(jì)數(shù)器中，用于觸發(fā)計(jì)數(shù)器1和串口中斷程序。

　　與硬件結(jié)構(gòu)相應(yīng)的軟件結(jié)構(gòu)如圖9。系統(tǒng)初始化包括寫控制字、變量賦值、確定存儲(chǔ)地址等。在外部中斷服務(wù)程序中啟動(dòng)定時(shí)器O，即執(zhí)行系統(tǒng)的主程序。以連續(xù)兩個(gè)負(fù)向過(guò)零點(diǎn)之間的時(shí)間間隔為周期計(jì)算出同步信號(hào)的頻率，并將其轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的時(shí)鐘周期數(shù)。定時(shí)器中斷程序主要用來(lái)保持觸發(fā)脈沖的同步和初始化查表用的變址寄存器，并保存上一次的角度信息。串口中斷程序用來(lái)比較參考波與調(diào)制波的幅值大小，每次用于比較的參考波為三相幅值，根據(jù)比較結(jié)果來(lái)確定發(fā)出的狀態(tài)字相應(yīng)位是1還是0。由于主電路采用三單相橋結(jié)構(gòu)需要6路觸發(fā)脈沖，因此狀態(tài)字為6位，根據(jù)比較結(jié)果實(shí)時(shí)刷新?tīng)顟B(tài)字，狀態(tài)字經(jīng)輸出鎖存器鎖存后即形成連續(xù)脈沖。

　　4.3 試驗(yàn)結(jié)果

　　圖10為利用FLUKE 41B型諧波分析儀實(shí)測(cè)的調(diào)制波為基波正弦疊加11及13次諧波時(shí)的A相PWM脈沖的諧波分析圖，其中11及13次諧波的幅值均為基波幅值的1/4。

　　5 結(jié)論

　　本文利用了數(shù)字信號(hào)處理器運(yùn)算速度快、計(jì)算精度高、定時(shí)準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)設(shè)計(jì)了基于TMS320C31 DSP的脈沖發(fā)生器和控制器。詳細(xì)地介紹了有源濾波器控制器的特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)、控制方法和主要功能以及脈沖發(fā)生器的設(shè)計(jì)、軟硬件結(jié)構(gòu)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和數(shù)字仿真結(jié)果表明，脈沖發(fā)生器精度高、穩(wěn)定性好，控制器的性能符合設(shè)計(jì)要求。