基于DSP的滯環跟蹤型有源電力濾波器數字控制系統

摘要：介紹了一種基于新型數字信號處理器（DSP）TMS320F2407A數字控制的滯環跟蹤型并聯有源電力濾波器，以DSP為核心的數字控制電路完成諧波提取、指令電流產生、直流側電壓控制、系統保護等功能，實現了一種全數字控制的有源電力濾波器。

關鍵詞：數字信號處理器；數字控制；有源電力濾波器

1? 概述

??? 隨著電力電子技術的發展，有源電力濾波器作為抑制電網諧波、補償供電系統無功功率的新型電力電子裝置得到了迅速發展，并已應用于實際工程中。并聯型有源電力濾波器是有源電力濾波器中最基本的形式，獲得了最為廣泛的應用，圖1是并聯型有源電力濾波器的系統原理框圖。

圖1并聯有源電力濾波器系統原理框圖

??? DSP數字控制系統檢測非線性負載的電流與網側電壓相位，按照一定的算法提取出諧波電流，通過APF向電網實時注入與系統諧波相位相反大小相等的補償諧波電流以抵消諧波，達到消除系統諧波污染的目的。由于滯環控制具有反應速度快，控制精度較高，不需要了解負載的特性等優點，在有源電力濾波器中采用該控制方法是有利的。本文給出了一種基于DSP的滯環跟蹤型有源電力濾波器數字化控制系統。

2? 滯環跟蹤型有源電力濾波器系統的總體設計

??? 滯環跟蹤型有源電力濾波器的DSP數字化控制系統框圖如圖2所示。

圖2? 系統框圖

??? 以DSP為核心的數字控制系統完成如下功能：

??? 1)檢測非線性負載的電流I_la、I_lb、I_lc與網側電壓相位，提取出諧波，反向后得到諧波補償指令電流；

??? 2)檢測有源電力濾波器主電路的電流（實際補償電流）I_ca、I_cb、I_cc，送入滯環電流跟蹤控制電路，使其跟蹤諧波補償指令電流，從而抵消電網中的諧波成分；

??? 3)檢測變流器直流側總電壓，通過PID調節，使得直流側電壓穩定；

??? 4)控制裝置的軟啟動和關機，并提供裝置的過流、過壓保護。

3? 系統時序的設計

??? 系統控制核心TMS320F2407A的顯著優點是高速AD采樣（最快達到500ns），使得系統的控制周期僅為25μs，這意味著三相非線性負載電流采樣頻率達到了40kHz。負載電流采樣周期越短，補償諧波的實時性、準確性越高。兼顧A/D采樣的準確性，取DSP一次A/D轉換的時間為1μs，三相非線性負載電流和直流側電壓共需要4μs，采用dq法計算指令電流需要5μs，諧波指令電流的D/A轉換一共需要10μs，其他部分占用時間很少，圖3是程序中以上主要模塊的的時序安排。

圖3? 程序主要模塊的流程圖

4? 諧波電流的計算

??? 在DSP主程序中，諧波電流的計算是一個非常重要的部分，因為，指令電流計算的準確與實時性直接關系到APF補償性能的好壞，假如指令電流誤差很大，即使滯環跟蹤補償電流發生器輸出完全跟蹤諧波補償指令電流，最終的補償結果誤差也會很大。本文采用基于瞬時無功功率理論的d－q法計算諧波指令電流，d－q法的框圖如圖4所示。

圖4? d－q變換框圖

??? 將瞬時A/D采樣的三相電流信號經過如下變換，得到d－q坐標系表達式。

i_dq0===（1）

式中

C=×（2）

??? 在d－q變換后，基波成分轉換為直流分量(i_d，i_q)，基波不對稱和諧波成分轉換為(i_d，i_q，i₀)，對于三相三線制系統，i₀=0。圖4中的低通濾波器用來將與基波成分對應的直流分量分離出來，再經過d－q反變換后，得到三相對稱基波，最后與輸入的負載電流相減得到諧波、基波的非對稱部分。

??? 采用新型DSP－TMS320F2407A實現圖4所示d－q變換，但是對于有限字長DSP－TMS320F2407A，通過LPF傳遞函數的推導，可以發現其采樣頻率遠不能達到A/D采樣的頻率，即40kHz。雖然DSP可以通過移位、加法等方法實現32位算術運算，但是這必將大大增加DSP的計算量，并且降低分辨率，無法滿足有源電力濾波器的實時性、準確性要求。為解決這個矛盾，我們在諧波提取中采用了兩種采樣頻率工作的方式：d－q變換和LPF采用較低的頻率工作；其它部分的工作頻率為40kHz。通過頻譜分析可知，19次以上諧波含量很少，所以我們可以只補償19次以下諧波，根據采樣理論，我們選擇LPF的采樣頻率為2.5kHz。

5? 直流側電壓控制

??? 為了保證主電路有良好的補償電流跟隨特性，直流側電壓必須大于電網線電壓峰值，方能實現電流可控，因此必須將變流器直流側電容的總電壓控制為一個適當的值，實際選為700V。

??? 系統處于穩態時，理想的APF是不需從電網獲取能量的。實際的APF因其損耗將需要從電網吸收少量能量，其直流側電容的電壓平均值將發生變化，所以必須對直流側電容電壓加以閉環控制。

??? 圖5所示的是具有直流側電壓調節功能的指令電流運算電路框圖。

圖5? PI調節框圖

??? 圖5中，V_cr是直流側電壓的給定值，V_cf是直流側電壓的反饋值，兩者之差經PI調節后再經過限幅處理，限幅是為了保證指令電流的范圍在APF容量之內，限幅后得到調節信號Δi_d，它疊加到有功電流i_d上（圖4）。這使得有源電力濾波器的補償電流中包含一定的基波有功分量，使電網向有源電力濾波器的直流側補充能量，將直流側電壓V_c維持在給定值。當V_cf比V_cr小時，經PI調節器的作用，使得Δi_d為正，由圖4可知經過運算最終得到的指令電流中將含有正的有功電流分量，在這個指令電流的作用下，補償器的主電路在對諧波電流進行補償的同時，將從電網吸取相應的有功功率，使得變流器的直流側電容電壓上升直至反饋電壓與給定值相同。反之，當V_cf比V_cr大時，經PI調節器的作用，使得Δi_d為負，經過運算最終得到的指令電流中將含有負的有功電流分量，在這個指令電流的作用下，補償器的主電路在對諧波電流進行補償的同時，將向電網釋放相應的有功功率，使得變流器的直流側電容電壓下降直至反饋電壓與給定值相同。

??? 上述算法由DSP完成，采用增量式PID算法控制,不但簡化了硬件電路，并且使得參數變化靈活，達到了良好的動態、靜態特性。

6? 實驗結果

??? 從圖6及圖9中可以看出提取出的諧波中基波殘余成分很少，諧波成分很純，諧波提取達到了很高的準確率。從補償效果圖7來看，數字法實現的諧波提取可以解決DSP有限字長、速度和有源電力濾波器高速、實時性之間的矛盾，DSP數字控制系統能夠滿足有源電力濾波器要求，從而實現有源電力濾波器控制系統的數字化。在保證檢測和控制實時性的同時，可以提供較高的計算精度，而且調試方便，改變控制參數或控制方法容易，性能優于傳統的采用模擬電路控制有源電力濾波器的方法。

圖6? 補償前的a相電流i_la(THD=76％)及提取出的諧波i_ah

圖7? 補償后的a相網側電流(THD=12％)

圖8? 負載電流FFT分析

圖9? 提取諧波的FFT分析