基于DSPARM的并聯(lián)有源電力濾波器控制器

　1 引言

　　近年來，隨著電力電子設(shè)備及非線性、沖擊性設(shè)備的廣泛應(yīng)用。在電網(wǎng)中產(chǎn)生的諧波對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)造成了嚴(yán)重的污染，因此消除電網(wǎng)中的諧波污染已成為電能質(zhì)量研究的一個(gè)重要課題。目前普遍采用的并聯(lián)型無源濾波器存在著濾波效果差，對(duì)電網(wǎng)參數(shù)敏感。元件體積龐大。嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致串并聯(lián)諧振事故等缺陷。采用現(xiàn)代電力電子技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理（DSP）技術(shù)和先進(jìn)控制理論的有源電力濾波器（APF）技術(shù)㈣對(duì)電網(wǎng)諧波進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)補(bǔ)償。是目前解決諧波污染問題最有效和最具潛力的途徑。

　　傳統(tǒng)的并聯(lián)型APF的控制方法大都基于瞬時(shí)無功理論、自適應(yīng)理論等計(jì)算測量方法，首先計(jì)算出負(fù)載電流中的諧波成分，然后根據(jù)計(jì)算出的諧波電流值。分別進(jìn)行補(bǔ)償電流和直流側(cè)電容電壓的控制。這種方式需進(jìn)行較復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算，影響裝置的響應(yīng)速度。在負(fù)荷變化時(shí)容易發(fā)生電流畸變。

　　針對(duì)三相系統(tǒng)采用了一種基于直流側(cè)電容電壓控锘lJl51的APF控制算法，從瞬時(shí)有功和無功功率在系統(tǒng)中傳遞的角度出發(fā)，以調(diào)節(jié)電網(wǎng)輸入APF的有功功率為目標(biāo)，直接對(duì)輸入電流進(jìn)行控制，省去了檢測有功和無功電流分量的繁瑣過程，使檢測諧波的過程變得簡單。并設(shè)計(jì)了一種基于DSP和ARM的全數(shù)字并聯(lián)APF控制器。

　　2 控制策略

　　2.1 直流側(cè)電容電壓控制算法

　　通過控制算法使電源側(cè)向電容注入適當(dāng)?shù)哪芰?，以補(bǔ)償電力電子器件開斷造成的損耗，維持直流側(cè)電容電壓H由的穩(wěn)定。實(shí)際補(bǔ)償裝置中的損耗功率在一個(gè)周期內(nèi)的積分不為零，會(huì)引起u也周期值的變化，該周期值的變化反應(yīng)了逆變器兩側(cè)有功功率的傳遞。

　　算法控制在交流側(cè)由電源輸入有功電流以補(bǔ)償開關(guān)器件的損耗。交流側(cè)補(bǔ)償功率PA一個(gè)周期內(nèi)的積分為：

　　在一個(gè)周期內(nèi)的能量變化即直流電容上儲(chǔ)存的電量可表示為：

　　聯(lián)立式（1）和式（2），補(bǔ)償目標(biāo)是使兩式相等。以一個(gè)r為單位?？梢杂?jì)算出交流側(cè)等效補(bǔ)償電流的大小。圖1示出據(jù)此設(shè)計(jì)的直流側(cè)電壓的單周期控制框圖。進(jìn)行周期采樣，通過比例積分環(huán)節(jié)對(duì)采樣得到的電壓比較值進(jìn)行修正之后，可以得出損耗電流的幅值k。使損耗電流與系統(tǒng)電壓同相位，以保證其為等效有功電流：控制有功的傳遞情況，以保證穩(wěn)定在某一值附近。

　　由圖1可以看出，u出的調(diào)節(jié)形成負(fù)反饋，滿足了出始終在某一固定值附近的要求。

　　2.2 諧波補(bǔ)償

　　對(duì)于某一穩(wěn)定諧波源，可通過在控制回路疊加諧波檢測環(huán)節(jié)來補(bǔ)償負(fù)荷的諧波，既可選擇全補(bǔ)償亦可選擇對(duì)特定諧波進(jìn)行補(bǔ)償。同時(shí)，在諧波檢測環(huán)節(jié)加限幅環(huán)節(jié)。以抵消負(fù)荷突變造成的影響，起到保護(hù)電路的作用。諧波電流的提取可按FFI'方法計(jì)算：

　　2.3 總控制框圖

　　圖2示出總控制框圖。目標(biāo)電流輸出包括了控制和諧波電流檢測兩部分內(nèi)容。與補(bǔ)償器實(shí)際輸出的補(bǔ)償電流進(jìn)行滯環(huán)比較。輸出三相PWM信號(hào)去控制變流器。

　　3 有源電力濾波器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　所設(shè)計(jì)的APF控制系統(tǒng)采用DSP+ARM雙核結(jié)構(gòu)。DSP完成采樣控制、A／D轉(zhuǎn)換、電壓調(diào)節(jié)和指令電流計(jì)算等功能，ARM實(shí)現(xiàn)外圍擴(kuò)展功能。

　　采用近年新推出的一款32位定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器TMS320F2808。它具有豐富的片內(nèi)外圍設(shè)置：

　　兩個(gè)事件管理器模塊各包含兩個(gè)16位定時(shí)器。完成PWM信號(hào)產(chǎn)生、信號(hào)指示和故障保護(hù)功能；最小轉(zhuǎn)換時(shí)間為160 ns的12位ADC完成數(shù)據(jù)采集：CAN，SCI和SPI通信接口完成快速通信功能。其最高主頻為100 MHz.單個(gè)指令周期為10 ns.可以很好地滿足APF控制系統(tǒng)的控制要求。

　　采用LPC2364型ARM芯片。它基于一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和嵌入式跟蹤的ARMTTDMI.STMCPU微控制器，功能強(qiáng)大且成本效率高。支持10／100 Ethernet、全速USB2.0和CAN2.0B.具有高達(dá)512 kB的FLASH和58 kB的SRAM.可以方便地實(shí)現(xiàn)液晶顯示器與鍵盤組成的人機(jī)接口。以及與上位機(jī)的通信功能?？刂葡到y(tǒng)框圖如圖3所示。

　　電網(wǎng)中的三相電壓信號(hào)、直流側(cè)電壓信號(hào)、負(fù)載電流信號(hào)以及APF輸出信號(hào)經(jīng)過信號(hào)調(diào)理后送往DSP進(jìn)行轉(zhuǎn)換。DSP內(nèi)置A／D模塊具有12位分辨率、流水線結(jié)構(gòu)。根據(jù)所采樣的數(shù)據(jù)，TMS320F2808運(yùn)算得到的如與APF實(shí)際輸出的補(bǔ)償電流進(jìn)行滯環(huán)比較。輸出三相PWM信號(hào)控制變流器。同時(shí)，采用邏輯器件組成了硬件死區(qū)控制方式，配合IGBT模塊設(shè)計(jì)了相應(yīng)的邏輯硬件驅(qū)動(dòng)保護(hù)。以提高系統(tǒng)的可靠性。

　　DSP與ARM之間采用CAN通信方式，通信速度可達(dá)l Mb／s。能很好地滿足高速傳輸數(shù)據(jù)的要求。

　　ARM通過CAN總線調(diào)用刖D數(shù)據(jù)并擴(kuò)展FLASH芯片用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。芯片采用I／O模式的16 MB容量FLASH。板內(nèi)可擴(kuò)展8塊。利用三八譯碼器的輸出作為選通信號(hào)。主要用于儲(chǔ)存液晶屏顯示數(shù)據(jù)：ARM芯片采用標(biāo)準(zhǔn)SPI接口。與顯示板交互數(shù)據(jù)：帶有標(biāo)準(zhǔn)的232／485接口。用于上位機(jī)通訊及通訊口功能的擴(kuò)展。如打印機(jī)等。

　　系統(tǒng)程序由主程序和定時(shí)器上溢中斷程序組成。

　　主程序負(fù)責(zé)DSP系統(tǒng)初始化和變量初始化。完成對(duì)三相系統(tǒng)的采樣。執(zhí)行圖4a中的控制算法，包括數(shù)字鎖相環(huán)、電壓PI調(diào)節(jié)以及id的計(jì)算；圖4b所示的中斷程序負(fù)責(zé)三相滯環(huán)比較控制。

　　4 仿真與實(shí)驗(yàn)

　　在不對(duì)稱諧波負(fù)荷情況下，使用電力仿真軟件EMTP進(jìn)行了仿真（波形略）。從仿真結(jié)果來看，補(bǔ)償前的三相系統(tǒng)電流，屯波形不對(duì)稱、非正弦，且含有大量諧波；補(bǔ)償后ih，譏，ik對(duì)稱且與系統(tǒng)電壓同相位。

　　圖5示出采用所設(shè)詩的APF進(jìn)行補(bǔ)償后的實(shí)測波形。對(duì)比兩圖，補(bǔ)償后諧波含量明顯減小，APF諧波補(bǔ)償效果明顯。

　　5 結(jié)論

　　針對(duì)三相系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種基于DSP—ARM全數(shù)字控制的并聯(lián)有源電力濾波器。采用了基于能量守恒原理的直流側(cè)電壓控制方法，該方法能對(duì)諧波實(shí)現(xiàn)全補(bǔ)償。并且該控制策略對(duì)于不平衡的三相系統(tǒng)仍然有效。對(duì)不對(duì)稱諧波源進(jìn)行補(bǔ)償后可使三相電流保持對(duì)稱。仿真與實(shí)際測試結(jié)果表明了該控制策略的正確性。可使系統(tǒng)具有良好的諧波抑制特性和響應(yīng)速度。