基于DSP處理器的有源濾波器控制器的設(shè)計

　　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)、交通運輸及家庭中的應(yīng)用日益廣泛，而這些非線性負(fù)荷帶來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)濾波器無法滿足要求，而采用電力有源濾波器可以對大小和頻率都變化的諧波及變化的無功進(jìn)行動態(tài)補償，因此有源濾波器的研究和應(yīng)用越來越受到人們的重視。有源濾波器的基本原理是：先從補償對象中檢測出諧波電流，再由補償裝置產(chǎn)生一個與該諧波電流大小相等而相位相反的補償電流，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，它通過產(chǎn)生并控制驅(qū)動開關(guān)器件的脈沖來控制有源濾波器的行為，完成動態(tài)補償諧波和無功的功能。

　　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)是因為三單相橋的控制可以相互解耦，同時還可用于消除零序分量及其諧波電流，實現(xiàn)不對稱控制。

　　該有源濾波器的控制系統(tǒng)采用雙DSP結(jié)構(gòu)，其中一個DSP處理器用來完成數(shù)據(jù)處理、控制與高層保護(hù)功能；另一個DSP處理器用來產(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)檢測出的負(fù)荷電流的諧波和無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償電流與負(fù)荷諧波電流和無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，使有源濾波器輸出的電壓與電網(wǎng)電壓保持同步。

　　(4) 自我容錯功能

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

　　（5）保護(hù)功能

　　當(dāng)有源濾波器運行在過載或其他不正常狀態(tài)下，而電流又沒有超過保護(hù)動作的整定值時，控制器能通過保護(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）的采樣頻率對負(fù)荷電流、裝置輸出的補償電流及系統(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采樣電流進(jìn)行分解，濾除基波有功分量，保留用作補償所需的諧波電流。然后采用控制算法據(jù)電路參數(shù)計算出逆變器應(yīng)產(chǎn)生的諧波電壓。將諧波電壓瞬時值送至DSP脈沖發(fā)生器，讓脈沖發(fā)生器根據(jù)諧波電壓瞬時值采用SPWM算法決定逆變器開關(guān)元件的動作。脈沖發(fā)生器根據(jù)電壓瞬時值進(jìn)行SPWM脈沖計算以產(chǎn)生驅(qū)動脈沖。

　　下面分別介紹控制器的各項功能。

　　3.1 控制算法

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

　　由于本文的有源濾波器要對直流側(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)動主電路的IGBT使逆變器輸出相應(yīng)電壓。補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三相6脈沖整流負(fù)載產(chǎn)生的諧波進(jìn)行補償?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（對應(yīng)于整流橋的換相）補償效果差一些，這是因為要補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，這在實際裝置中是較難實現(xiàn)的，因此在負(fù)載電流變化非?？鞎r，APF的補償能力較差。有關(guān)系統(tǒng)不對稱對APF的影響及其對零序電流的補償?shù)葐栴}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處理器對負(fù)荷側(cè)的三相電流、電壓信號以及有源濾波器輸出的電流信號進(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)的電流與電壓值計算出瞬時有功、瞬時無功功率，再經(jīng)過諧波檢測與分離算法計算出補償電流的參考值，該值與有源濾波器實際補償電流的差值通過PI控制環(huán)節(jié)得到相應(yīng)的控制信號。

　　3.3 控制器的高層保護(hù)與復(fù)位功能

　　一旦有源濾波器過流或者過壓，保護(hù)裝置動作將IGBT封鎖使有源濾波器處于封鎖狀態(tài)。此時控制器將根據(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)正常則控制器會選擇適當(dāng)?shù)臅r機對有源濾波器進(jìn)行復(fù)位，使其恢復(fù)到正常運行狀態(tài)[2]。

　　4 高精度脈沖發(fā)生器

　　過去基于單片機的脈寬調(diào)制的實現(xiàn)方案中，由于處理器的指令執(zhí)行時間較長，而難以保證脈沖精度，且受相位抖動的影響也較顯著[4]。數(shù)字信號處理器快速的運算能力使得我們有可能采用微處理器結(jié)構(gòu)實現(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，簡單靈活，有較好的通用性[5]。

　　4.1 變流器脈沖信號之間的關(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)體開關(guān)為理想開關(guān)，則同一橋臂的兩個開關(guān)的導(dǎo)通與關(guān)斷是互補的（因為同一橋臂的兩個開關(guān)不能同時導(dǎo)通，否則將會因橋臂直通而導(dǎo)致直流電源短路）。假定上部開關(guān)（圖(a)中的SL和SR）導(dǎo)通而下部開關(guān)（圖(a)中的SL′和SR′）關(guān)斷時開關(guān)狀態(tài)為1，反之為0。如果任一時刻都有兩只管子導(dǎo)通，則單相橋IGBT開關(guān)狀態(tài)的可能組合只有10和01兩種，輸出電壓分別對應(yīng)＋Ed和－Ed。

　　這樣，利用一個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)果確定輸出開關(guān)的狀態(tài)。本有源濾波器系統(tǒng)的設(shè)計目標(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頻率的2倍才能保持原信號的全部信息，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，因而兩個信號的抽樣頻率越高誤差就越小。考慮數(shù)字信號處理器的實時處理能力，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點幅值信息即可以滿足要求。在實際應(yīng)用時，程序中構(gòu)造兩張表，一張為24點的調(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點的參考波幅值，參考波幅值由另外一個控制芯片提供，通過雙口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DSP芯片（TMS320C31）實現(xiàn)，輸出的控制變量為逆變器輸出電壓的參考值，兩個DSP芯片之間通過雙口RAM交換數(shù)據(jù)。同步信號發(fā)生電路完成對電網(wǎng)電壓信號的濾波和整形處理，在正弦信號的每個負(fù)向過零點產(chǎn)生向DSP申請外部中斷的窄脈沖。載波值表存儲于片內(nèi)RAM上，每個中斷周期進(jìn)行刷新變址寄存器中的數(shù)值來更新當(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)的時鐘周期數(shù)加載到定時器1以及串口計數(shù)器的周期計數(shù)器中，用于觸發(fā)計數(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、確定存儲地址等。在外部中斷服務(wù)程序中啟動定時器O，即執(zhí)行系統(tǒng)的主程序。以連續(xù)兩個負(fù)向過零點之間的時間間隔為周期計算出同步信號的頻率，并將其轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的時鐘周期數(shù)。定時器中斷程序主要用來保持觸發(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)果實時刷新狀態(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 試驗結(jié)果

　　圖10為利用FLUKE 41B型諧波分析儀實測的調(diào)制波為基波正弦疊加11及13次諧波時的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)字信號處理器運算速度快、計算精度高、定時準(zhǔn)確的優(yōu)點設(shè)計了基于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、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、軟硬件結(jié)構(gòu)和現(xiàn)場試驗結(jié)果?，F(xiàn)場試驗和數(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)計要求。