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(shí)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(diǎn)、功能及其結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)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(lái)越廣泛，電力系統(tǒng)的諧波污染問(wèn)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(wú)功的消除手段。目前，實(shí)際應(yīng)用中的有源電力濾波器系統(tǒng)都是由國(guó)外公司研制的。國(guó)家計(jì)委為了實(shí)現(xiàn)交互流濾波裝置的自主設(shè)計(jì)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(yàn)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(hào)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(wú)源濾波器（Passive Filter，PF）對(duì)諧波進(jìn)行抑制，但無(wú)源濾波器存在一些難以克服的缺點(diǎn)：容易與電力系統(tǒng)發(fā)生諧振；補(bǔ)償效果依賴(lài)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(wú)源濾波器的缺點(diǎn)。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(wú)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(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)的濾波器的濾波功用類(lèi)似，都是抑制一定頻率范圍的信號(hào)；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(guò)對(duì)需要的頻率分量形成通路，對(duì)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(guò)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(jiǎn)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(hào)進(jìn)行諧波分離算法的處理，得到諧波參考信號(hào)，作為PWM的調(diào)制信號(hào)，與三角波相比，從而得到開(kāi)關(guān)信號(hào)，用此開(kāi)關(guān)信號(hào)去控制IGBT單相橋，根據(jù)PWM技術(shù)的原理，將上下橋臂的開(kāi)關(guān)信號(hào)反接，就可得到與線上諧波信號(hào)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(diǎn)后的線上電流的諧波分量反饋回來(lái)，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(shuō)的控制器，實(shí)質(zhì)上具有分離諧波參考信號(hào)和對(duì)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(diǎn)DSP TMS320C3x的系列產(chǎn)品，工作頻率為40MHz；哈佛總線，并且擁有獨(dú)特的指令結(jié)構(gòu)、硬件乘加運(yùn)算；外部存儲(chǔ)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(diǎn)DSP小數(shù)點(diǎn)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(lái)估計(jì)數(shù)據(jù)溢出的范圍，而TMS320C32是浮點(diǎn)DSP，有效數(shù)據(jù)空間大，數(shù)值算法實(shí)現(xiàn)就簡(jiǎn)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(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí)，計(jì)時(shí)時(shí)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(diǎn)標(biāo)么值，通過(guò)諧波分離算法，將信號(hào)中的交流分量提取出來(lái)，交流分量乘以調(diào)節(jié)系數(shù)得到調(diào)制信號(hào)，將此調(diào)制信號(hào)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(kāi)關(guān)管IGBT的控制信號(hào)，此控制信號(hào)經(jīng)過(guò)IGBT驅(qū)動(dòng)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(duì)上述控制算法在樣機(jī)系統(tǒng)模型上進(jìn)行了計(jì)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(duì)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(hào)特點(diǎn)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(guó)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(lái)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(duì)照?qǐng)D。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(méi)有基波分量，對(duì)于總諧波畸變率的計(jì)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(duì)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?；赥MS320C32實(shí)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(diǎn)，有著廣闊的應(yīng)用前景。