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郭 涛, 陈东华, 谢少军
(南京航空航天大学自动化学院, 南京 210016)
摘 要: 简要分析了并联电力有源滤波器的结构及工作原理。针对三相三线制供电系统设计了一采用 DSP数字控制的并联有源滤波器。对该有源滤波器的硬件结构、软件流程、指令电流及PWM波 的产生进行了分析和阐述。通过试验验证了该系统的正确性和有效性。
关键词: 电力有源滤波器; 数字信号处理器; 数字控制
Digitally Controlled Shunt Active Power Filter Based o n DSP
GUO Tao, CHEN Donghua, XIE Shaojun
(College of Automation Engineering,Nanjing University of Aeronaut ics and Astronautics, Nanjing 210016, China)
Abstract: The configuration and principle of shunt active power filter is introduced brief ly in this paper.A digitally controlled shunt active power filter based on DSP is designed for threephase threewire system. The hardware configuration,flow chart of software,derivation of compensating signal and derivation of PWM wave are analysed.The validity and correctness of the filter are proved through exper iment.
Keywords: active power filter; digital signal processor; di gital control
1前言
现代电力系统中，随着电力电子技术的飞速发展、电力电子器件的大量应用、非线性 负载的不断增加，谐波污染问题日益严重。大量的谐波及无功电流成分，造成负载电流的不 平衡及零序电流的增加，使系统的效率降低、电网的功率因数下降。同时，大量电力电子 设备的应用还产生电磁干扰，对其它用电设备造成影响，甚至使其无法正常工作。
20世纪70年代前国内外大量采用无源L-C滤波器进行谐波抑制、无功补偿及功率因数的 提高。但无源L-C滤波器有其固有的缺陷，如补偿谐波次数固定、体积大、存在谐振现 象等。
随后引入了有源滤波器（APF）技术［1］，使补偿的快速性、广泛性得到了提高 。但传统的APF多采用模拟器件实现，电路复杂成本高。
本文在分析并联有源滤波器工作原理、控制方式及电路结构的基础上，对APF的DSP 数字控制的实现进行了研究和试验验证。
2主电路及工作原理
三相三线制并联型APF主电路结构见图1。图中负载采用系统中常见的三相不控整流负载 。指令电流输出采用的功率电路是三相逆变桥，三相逆变桥直流侧并接直流电容作为逆变桥 储能元件。逆变桥输出侧接高频滤波电路，滤除IGBT工作频率附近的高次谐波，以减少 对电网的二次污染。
图2所示为并联APF工作时各点的电量示意图。APF工作的基本原理是通过对负 载电流的采样及快速计算得到电流中的谐波分量，通过补偿电流发生电路将该谐波电流注入 电网与负载的连接点使电源电流正弦化。实际上APF就是一任意电流发生器，能够产生 负载所需的谐波电流从而使电源电流正弦化。
3谐波电流检测及控制策略
目前应用较广泛的谐波电流检测方法有：频域中的快速傅立叶分解法；时域中的瞬时无功功 率理论p-q法、ip-iq法、dq0法［2~4］等。
在控制策略中采用较广泛的有三角波调制法、滞环电流控制法、空间矢量控制法、神经网络 控制法等［5］。在本设计中对谐波电流的检测考虑到运算的快速性和准确性，采用 的是ip-iq法。通过对有功电流ip和无功电流iq的调节达到对电流内环及电压外环 的控制。该控制算法如图3所示。三相三线负载瞬时电流分别为ia、ib、i c，电流中含一定的谐波分量。将负载电流进行坐标变换得瞬时有功电流ip及瞬时无功 电流iq。
式（1）中sinωt和cosωt中ωt的相位与A相电压同相位，在该设计系统中A相电 压相位由锁相环获得。通过变换得到的有功电流瞬时值及无功电流瞬时值经低通滤波器得到 直流分量ip和iq，它们分别与三相电流的基波正序有功分量及 无功分量相对应。该设计中只补偿三相电流谐波分量，所以ip和iq同时参加反变换，若同时补偿谐波及无功分量，反变换时只需考虑ip。 经过反变换得到不含谐波电流分量的三相电流，从该电流中减去负载电流便得到三相电流的 补偿基准值iac、ibc、icc。将补偿电流基准信号送至控 制部分产生PWM驱动信号驱动三相逆变桥输出补偿电流。
在APF工作时需对逆变桥直流侧电容电压进行控制使其维持在一定值，从而得到较好的 补偿效果。由于逆变桥工作时需消耗一定的有功分量，在该方案中将直流反馈电压与参考电 压作差后进行PI调节得到调节量Δ ，将其叠加到瞬时有功直流分 量上，以补偿直流电容的能量损耗。
在控制方面，采用瞬时值比较加定频的方式既可以达到对电流的快速控制又可以有效地控制 IGBT的开关频率。图4所示将补偿电流反馈值与基准值相比较，所得瞬时值差值为正时 在 定频控制下开通上管使补偿电流增加，所得瞬时值差值为负时开通下管使补偿电流减小。
4系统的硬件设计
有源滤波器要得到较好的补偿效果对系统的实时性要求较高。本系统采用TMS320F2407A DSP芯片实现数字化控制。该芯片是用于控制领域的定点DSP，主频为40MIPS， 外围设备丰富，功能强大。
硬件分为检测控制回路和主电路两部分。检测电路中将三相电流信号经霍尔效应传感器变为 电压范围为－15V~+15V的弱电信号，最后经调理电路转 换为0V~+3.3V的DSP匹配电平信号送至DSP的A/D口。A相电压信 号经隔离变压器降至9V，经滤波电路、过零比较器生成方波信号送入锁相环电路生成1 28倍频的方波。与A相电压过零同步的方波信号送至DSP的CAP1口，CAP1口 捕获信号的上升沿用于产生正余弦表的复位信号。每当上升沿时复位正余弦表至表头位置保 持与A相电压过零同步的方波信号同步。128倍频的方波信号经调理电路送至CAP2口 ，CAP2口捕获该信号的上升及下降沿用于采样启动，在该控制方式下采样频率为一周25 6点。除以上信号外还需检测的信号有补偿电流反馈信号、电容直流电压信号。
在功率主电路部分采用三相逆变桥，该设计中不采用分立元件而采用智能功率模块（IPM ）大大简化了功率电路。由于IPM内含驱动及保护模块电路的可靠性大大提高。同时 采用模块化的IPM也减小了电磁辐射对控制电路的干扰。
5系统的软件功能及流程
APF数字控制的软件流程如图5所示。系统开始首先初始化各寄存器并给各常数及变量赋 值。然后判断有无外部启动信号，无启动信号时循环等待，有启动信号时进入主程序在主程 序中循环等待。当有A相电压过零中断时，进中断复位正弦表至表头，当有采样中断时 进采样中断程序。采样中断程序流程如图6所示。进入中断先读取三相电流采样值，再进入 谐波电流计算部分，获得指令电流后将正弦表后移一位为下一次采样中断作准备。最后通过 D/A输出指令电流基准值。中断服务完成后返回主程序。在中断中谐波电流计算部分包 括矩阵变换中的加法和乘法运算、低通滤波器的运算、直流电压的PI调节运算、矩阵反 变换等。在程序中正余弦表依据采样频率按每工频周期256点存放，在程序中存放在连续的2 56个地址单元中，每个采样中断后移一位，每到A相电压过零同步中断到来时回到表头 。为防止正余弦表走到表尾A相电压过零同步中断还没有到时正余弦表进入下一存有未 知数的地址单元，程序设计中当正余弦表走至表尾时软件将正余弦表复位至表头。
正余弦表的查表时间必须与A相电压过零同步的方波电压同步。每当CAP1口捕 获到上升沿时表明A相电压过零，此时将正余弦表复位至表头。试验中发现功率电路工 作时DSP会误将CAP1口下降沿误认为上升沿，所以在正余弦表复位中断中增加判断 段。由于CAP1口是一复用的I/O口当进入中断时将CAP1口设置为I/O口，同 时对该口的电平进行检测，10μs后再对该口的电平进行检测，如两次都检测到高电平 则认为是上升沿正余弦表复位信号，否则不作任何操作返回主程序。
6试验结果
根据图1结构设计的4kVA并联型有源滤波器试验装置，电源相电压为220V，滤波 电感为3mH，直流侧电容为8 000μF。主电路开关最高频率设计为14.6kH z，谐波负载为三相不可控整流型负载，实验结果如图7所示，ila为A相负 载电流（即补偿前电源电流），ica为补偿电流，isa为补偿后的电源 电流。图8为补偿前电源电流频谱图，图9为补偿后电源电流频谱图。可见补偿后电源电流正 弦化谐波含量大大减少。
7结语
采用DSP芯片TMS320F2407A，运用了一种快速的谐波电流计算方法设计并实现了数 字控制 的并联有源滤波器。文中介绍了该有源滤波器的硬件结构，软件组成及流程。通过试验验证 了该DSP数字控制系统的实时性，证明了该有源滤波器具有良好的滤波性能。
参考文献
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［3］杨 君，王兆安(Yang Jun,Wang Zhaoan).三相电路谐波电流两种检测方法的 对比研究(A study on the comparison of two methods used to detect the harmonic cu rrents of threephase circuits)［J］.电工技术学报(Transactions of China Electro technical Society),1995,(2):43-48.
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［5］顾建军，徐殿国，刘汉奎，等(Gu Jianjun,Xu Dianguo,Liu Hankui,et a l).有源滤波技术现状及其发展(Active power filter technology and its development )［J］.电机与控制学报(Electric Machines and Control),2003,16(2):126-132.
［6］刘和平，严利平，张学锋，等(Liu Heping,Yan Liping,Zhang Xuefeng, etal).TMS320LF240X DSP结构、原理及应用(TMS320LF240X DSP Structure,Principle a nd Application)［M］.北京：北京航空航天大学出版社(Beijing:BUAA Press)，2002.
电力系统及其自动化学报
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