基于TMS320C32的直流側(cè)有源電力濾波器的控制器

摘要：介紹了如何基于DSP技術(shù)（TMS320C32）實現(xiàn)直流側(cè)有源電力濾波器（Active Power Filter，即APF）；并在介紹TMS320C32的主要特點、功能及其結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，重點陳述了它在直流側(cè)有源電力濾波器中應(yīng)用的硬件結(jié)構(gòu)和算法流程。 關(guān)鍵詞：TMS320C32 直流側(cè)有源電力濾波器 高壓直流輸 電源濾波器 隨著電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越廣泛，電力系統(tǒng)的諧波污染問題也日益嚴(yán)重。有源電力濾波器是最近二十年興起的電力系統(tǒng)諧波和無功的消除手段。目前，實際應(yīng)用中的有源電力濾波器系統(tǒng)都是由國外公司研制的。國家計委為了實現(xiàn)交互流濾波裝置的自主設(shè)計和生產(chǎn)，組織清華大學(xué)和錦州電容器廠合作，研制三峽高壓直流輸電的濾波裝置?，F(xiàn)階段研制的是直流側(cè)有源電力濾波器的樣機(jī)，意在為高壓直流輸電（High Voltage Direct Current，HVDC）的直流側(cè)有電力濾波器系統(tǒng)積累工程經(jīng)驗和理論指導(dǎo)。直流側(cè)有源電力濾波器的關(guān)鍵技術(shù)在于系統(tǒng)的拓?fù)溥x擇和諧波參考信號的精度分離以及控制。 圖1 有源電力濾波器樣機(jī)總體結(jié)構(gòu) 在直流側(cè)有源電力濾波器的控制中，選用TI公司的DSP（TMS320C32）作為直流側(cè)有源電力濾波器的控制器的核心，和以前的模擬控制及濾波的方式相比，算法靈活，結(jié)構(gòu)易調(diào)整。 1 有源電力濾波器原理 通常采用無源濾波器（Passive Filter，PF）對諧波進(jìn)行抑制，但無源濾波器存在一些難以克服的缺點：容易與電力系統(tǒng)發(fā)生諧振；補(bǔ)償效果依賴于系統(tǒng)阻抗特性；受溫度漂移、電網(wǎng)上諧波污染、濾波電容老化及非線性負(fù)荷變化的影響嚴(yán)重。 有源電力濾波器克服了傳統(tǒng)的無源濾波器的缺點。由于大功率器件IGBT（Insolated Gate Bipolar Transistor，絕緣柵雙極型晶體管）的發(fā)展，有源電力濾波器和傳統(tǒng)的無源濾波器構(gòu)成的混合型濾波器已成為電力系統(tǒng)諧波補(bǔ)償?shù)闹饕侄巍? 有源電力濾波器和弱電領(lǐng)域的有源濾波器存在區(qū)別和聯(lián)系。有源電力濾波器的作用是消除電力系統(tǒng)諧波，這和弱電領(lǐng)域用DSP或者運算放大器實現(xiàn)的濾波器的濾波功用類似，都是抑制一定頻率范圍的信號；但是它們消除諧波的途徑完全不同，弱電應(yīng)用中的有源濾波器一般通過對需要的頻率分量形成通路，對其它頻率分量產(chǎn)生很大的阻礙，起到選出需要的頻率分量的作用。 而有源電力濾波器是通過產(chǎn)生與電網(wǎng)中諧波成份大小相等、方向相反的諧波電流，注入電網(wǎng)，從而將電網(wǎng)中的諧波抵消掉。簡而言之，有源電力濾波器以補(bǔ)償?shù)氖侄?，達(dá)到了濾波的效果。這種結(jié)構(gòu)與算法上的差異是由強(qiáng)電系統(tǒng)自身特別決定的。 有源電力濾波器工作原理是：用電流互感器采集直流線路上的電流，經(jīng)A/D采樣，將所得的電流信號進(jìn)行諧波分離算法的處理，得到諧波參考信號，作為PWM的調(diào)制信號，與三角波相比，從而得到開關(guān)信號，用此開關(guān)信號去控制IGBT單相橋，根據(jù)PWM技術(shù)的原理，將上下橋臂的開關(guān)信號反接，就可得到與線上諧波信號大小相等、方向相反的皮電流，將線上的諧波電流抵消掉。這是前饋控制部分。再將有源濾波器接入點后的線上電流的諧波分量反饋回來，作為調(diào)節(jié)器的輸入，調(diào)整前饋控制的誤差。 需要注意的是，我們前面所說的控制器，實質(zhì)上具有分離諧波參考信號和對有源電力濾波器進(jìn)行控制兩方面的功能。 機(jī)樣系統(tǒng)直流線上電壓約為800V，容量約為5kW，用LEM公司生產(chǎn)的多極電流傳感器LTS 6-NP采集直流線路上的電流。直流側(cè)有源電力濾波器樣機(jī)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。 2 基于DSP的有源電力濾波器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) TMS320C32是浮點DSP TMS320C3x的系列產(chǎn)品，工作頻率為40MHz；哈佛總線，并且擁有獨特的指令結(jié)構(gòu)、硬件乘加運算；外部存儲空間有256K%26;#215;32Bit的FLASH、2K%26;#215;8Bit的NVRAM和256K%26;#215;32Bit的SRAM。 選用TMS320C32的原因主要是定點DSP小數(shù)點定標(biāo)變化困難，數(shù)據(jù)容易溢出，需要做繁瑣的前期數(shù)值仿真來估計數(shù)據(jù)溢出的范圍，而TMS320C32是浮點DSP，有效數(shù)據(jù)空間大，數(shù)值算法實現(xiàn)就簡單多了。 基于DSP的控制板的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。 3 程序流程 主程序流程如圖3所示。 為了提高控制系統(tǒng)的可靠性，在樣機(jī)主控制程序中加入了自檢功能。主控制程序流程如圖4所示。 控制系統(tǒng)工作流程如下：系統(tǒng)上電復(fù)位后，TMS320C32首先進(jìn)行初始化，定時器開始計時，計時時間到，進(jìn)入A/D中斷，程序自檢，如果程序跑出了設(shè)定的范圍，則返回入口處重新執(zhí)行；否則，讀取A/D采樣的數(shù)據(jù)，將A/D采樣得到的整形量轉(zhuǎn)變?yōu)楦↑c標(biāo)么值，通過諧波分離算法，將信號中的交流分量提取出來，交流分量乘以調(diào)節(jié)系數(shù)得到調(diào)制信號，將此調(diào)制信號送給PWM電路進(jìn)行調(diào)制，得到有電源電力濾波器主電路的開關(guān)管IGBT的控制信號，此控制信號經(jīng)過IGBT驅(qū)動電路放大后，控制IGBT的通斷，產(chǎn)生需要補(bǔ)償?shù)闹C波電流。 4 仿真結(jié)果 對上述控制算法在樣機(jī)系統(tǒng)模型上進(jìn)行了計算機(jī)仿真。補(bǔ)償前直流線路上的電流波形形如圖5所示。補(bǔ)償后線上的電流如圖6所示。 從圖5、圖6的對比可以看出，有源電力濾波器的濾波效果是非常明顯的。由于有源電力濾波器處理的信號特點和一些技術(shù)上難以克服的困難，日本等研究有源電力濾波器比較早的國家提出有源電力濾波器的性能指標(biāo)，要求有源電力濾波器補(bǔ)償?shù)闹C波份量占總諧波的75%及以上。從仿真結(jié)果來看，該有源濾波器的補(bǔ)償效果高達(dá)93.9%。 圖7和圖8給出總諧波畸變率（Total Harmonic Distortion，即THD）的對照圖。在交流系統(tǒng)中，總諧波畸變率定義為所諧波有效值之和與基波分量有效值的比值。樣機(jī)系統(tǒng)是面向直流的系統(tǒng)，系統(tǒng)中沒有基波分量，對于總諧波畸變率的計算相應(yīng)地變?yōu)樗兄C波有效值之和與直流分量的比值。圖7是補(bǔ)償前的總諧波畸變率，圖8是補(bǔ)償后的總諧波畸變率。補(bǔ)償了總諧波含量的90%以上，達(dá)到了有源電力濾波器的基本要求。 文中對TMS320C32應(yīng)用于直流側(cè)有源電力濾波器的控制進(jìn)行了完整的介紹。基于TMS320C32實現(xiàn)直流側(cè)有源電力濾波器的控制，具有速度快、功能強(qiáng)、可編程、易調(diào)試的優(yōu)點，有著廣闊的應(yīng)用前景。