基于DSP的滯環(huán)跟蹤型有源電力濾波器數(shù)字控制系統(tǒng)

摘要：介紹了一種基于新型數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）TMS320F2407A數(shù)字控制的滯環(huán)跟蹤型并聯(lián)有源電力濾波器，以DSP為核心的數(shù)字控制電路完成諧波提取、指令電流產(chǎn)生、直流側(cè)電壓控制、系統(tǒng)保護(hù)等功能，實(shí)現(xiàn)了一種全數(shù)字控制的有源電力濾波器。

關(guān)鍵詞：數(shù)字信號(hào)處理器；數(shù)字控制；有源電力濾波器

1  概述

    隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，有源電力濾波器作為抑制電網(wǎng)諧波、補(bǔ)償供電系統(tǒng)無(wú)功功率的新型電力電子裝置得到了迅速發(fā)展，并已應(yīng)用于實(shí)際工程中。并聯(lián)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(yīng)用，圖1是并聯(lián)型有源電力濾波器的系統(tǒng)原理框圖。

圖1并聯(lián)有源電力濾波器系統(tǒng)原理框圖

    DSP數(shù)字控制系統(tǒng)檢測(cè)非線性負(fù)載的電流與網(wǎng)側(cè)電壓相位，按照一定的算法提取出諧波電流，通過(guò)APF向電網(wǎng)實(shí)時(shí)注入與系統(tǒng)諧波相位相反大小相等的補(bǔ)償諧波電流以抵消諧波，達(dá)到消除系統(tǒng)諧波污染的目的。由于滯環(huán)控制具有反應(yīng)速度快，控制精度較高，不需要了解負(fù)載的特性等優(yōu)點(diǎn)，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(huán)跟蹤型有源電力濾波器數(shù)字化控制系統(tǒng)。

2  滯環(huán)跟蹤型有源電力濾波器系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

    滯環(huán)跟蹤型有源電力濾波器的DSP數(shù)字化控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2  系統(tǒng)框圖

    以DSP為核心的數(shù)字控制系統(tǒng)完成如下功能：

    1)檢測(cè)非線性負(fù)載的電流I_la、I_lb、I_lc與網(wǎng)側(cè)電壓相位，提取出諧波，反向后得到諧波補(bǔ)償指令電流；

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

    3)檢測(cè)變流器直流側(cè)總電壓，通過(guò)PID調(diào)節(jié)，使得直流側(cè)電壓穩(wěn)定；

    4)控制裝置的軟啟動(dòng)和關(guān)機(jī)，并提供裝置的過(guò)流、過(guò)壓保護(hù)。

3  系統(tǒng)時(shí)序的設(shè)計(jì)

    系統(tǒng)控制核心TMS320F2407A的顯著優(yōu)點(diǎn)是高速AD采樣（最快達(dá)到500ns），使得系統(tǒng)的控制周期僅為25μs，這意味著三相非線性負(fù)載電流采樣頻率達(dá)到了40kHz。負(fù)載電流采樣周期越短，補(bǔ)償諧波的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性越高。兼顧A/D采樣的準(zhǔn)確性，取DSP一次A/D轉(zhuǎn)換的時(shí)間為1μs，三相非線性負(fù)載電流和直流側(cè)電壓共需要4μs，采用dq法計(jì)算指令電流需要5μs，諧波指令電流的D/A轉(zhuǎn)換一共需要10μs，其他部分占用時(shí)間很少，圖3是程序中以上主要模塊的的時(shí)序安排。

圖3  程序主要模塊的流程圖  [!--empirenews.page--]

4  諧波電流的計(jì)算

    在DSP主程序中，諧波電流的計(jì)算是一個(gè)非常重要的部分，因?yàn)椋噶铍娏饔?jì)算的準(zhǔn)確與實(shí)時(shí)性直接關(guān)系到APF補(bǔ)償性能的好壞，假如指令電流誤差很大，即使滯環(huán)跟蹤補(bǔ)償電流發(fā)生器輸出完全跟蹤諧波補(bǔ)償指令電流，最終的補(bǔ)償結(jié)果誤差也會(huì)很大。本文采用基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的d－q法計(jì)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(shí)A/D采樣的三相電流信號(hào)經(jīng)過(guò)如下變換，得到d－q坐標(biāo)系表達(dá)式。

i_dq0===（1）

式中

C=×（2）

    在d－q變換后，基波成分轉(zhuǎn)換為直流分量(i_d，i_q)，基波不對(duì)稱(chēng)和諧波成分轉(zhuǎn)換為(i_d，i_q，i₀)，對(duì)于三相三線制系統(tǒng)，i₀=0。圖4中的低通濾波器用來(lái)將與基波成分對(duì)應(yīng)的直流分量分離出來(lái)，再經(jīng)過(guò)d－q反變換后，得到三相對(duì)稱(chēng)基波，最后與輸入的負(fù)載電流相減得到諧波、基波的非對(duì)稱(chēng)部分。

    采用新型DSP－TMS320F2407A實(shí)現(xiàn)圖4所示d－q變換，但是對(duì)于有限字長(zhǎng)DSP－TMS320F2407A，通過(guò)LPF傳遞函數(shù)的推導(dǎo)，可以發(fā)現(xiàn)其采樣頻率遠(yuǎn)不能達(dá)到A/D采樣的頻率，即40kHz。雖然DSP可以通過(guò)移位、加法等方法實(shí)現(xiàn)32位算術(shù)運(yùn)算，但是這必將大大增加DSP的計(jì)算量，并且降低分辨率，無(wú)法滿(mǎn)足有源電力濾波器的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性要求。為解決這個(gè)矛盾，我們?cè)谥C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(guò)頻譜分析可知，19次以上諧波含量很少，所以我們可以只補(bǔ)償19次以下諧波，根據(jù)采樣理論，我們選擇LPF的采樣頻率為2.5kHz。

5  直流側(cè)電壓控制

    為了保證主電路有良好的補(bǔ)償電流跟隨特性，直流側(cè)電壓必須大于電網(wǎng)線電壓峰值，方能實(shí)現(xiàn)電流可控，因此必須將變流器直流側(cè)電容的總電壓控制為一個(gè)適當(dāng)?shù)闹?，?shí)際選為700V。

    系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，理想的APF是不需從電網(wǎng)獲取能量的。實(shí)際的APF因其損耗將需要從電網(wǎng)吸收少量能量，其直流側(cè)電容的電壓平均值將發(fā)生變化，所以必須對(duì)直流側(cè)電容電壓加以閉環(huán)控制。

    圖5所示的是具有直流側(cè)電壓調(diào)節(jié)功能的指令電流運(yùn)算電路框圖。

圖5  PI調(diào)節(jié)框圖  [!--empirenews.page--]

    圖5中，V_cr是直流側(cè)電壓的給定值，V_cf是直流側(cè)電壓的反饋值，兩者之差經(jīng)PI調(diào)節(jié)后再經(jīng)過(guò)限幅處理，限幅是為了保證指令電流的范圍在APF容量之內(nèi)，限幅后得到調(diào)節(jié)信號(hào)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(bǔ)償電流中包含一定的基波有功分量，使電網(wǎng)向有源電力濾波器的直流側(cè)補(bǔ)充能量，將直流側(cè)電壓V_c維持在給定值。當(dāng)V_cf比V_cr小時(shí)，經(jīng)PI調(diào)節(jié)器的作用，使得Δi_d為正，由圖4可知經(jīng)過(guò)運(yùn)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(gè)指令電流的作用下，補(bǔ)償器的主電路在對(duì)諧波電流進(jìn)行補(bǔ)償?shù)耐瑫r(shí)，將從電網(wǎng)吸取相應(yīng)的有功功率，使得變流器的直流側(cè)電容電壓上升直至反饋電壓與給定值相同。反之，當(dāng)V_cf比V_cr大時(shí)，經(jīng)PI調(diào)節(jié)器的作用，使得Δi_d為負(fù)，經(jīng)過(guò)運(yùn)算最終得到的指令電流中將含有負(fù)的有功電流分量，在這個(gè)指令電流的作用下，補(bǔ)償器的主電路在對(duì)諧波電流進(jìn)行補(bǔ)償?shù)耐瑫r(shí)，將向電網(wǎng)釋放相應(yīng)的有功功率，使得變流器的直流側(cè)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(jiǎn)化了硬件電路，并且使得參數(shù)變化靈活，達(dá)到了良好的動(dòng)態(tài)、靜態(tài)特性。

6  實(shí)驗(yàn)結(jié)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(dá)到了很高的準(zhǔn)確率。從補(bǔ)償效果圖7來(lái)看，數(shù)字法實(shí)現(xiàn)的諧波提取可以解決DSP有限字長(zhǎng)、速度和有源電力濾波器高速、實(shí)時(shí)性之間的矛盾，DSP數(shù)字控制系統(tǒng)能夠滿(mǎn)足有源電力濾波器要求，從而實(shí)現(xiàn)有源電力濾波器控制系統(tǒng)的數(shù)字化。在保證檢測(cè)和控制實(shí)時(shí)性的同時(shí)，可以提供較高的計(jì)算精度，而且調(diào)試方便，改變控制參數(shù)或控制方法容易，性能優(yōu)于傳統(tǒng)的采用模擬電路控制有源電力濾波器的方法。

圖6  補(bǔ)償前的a相電流i_la(THD=76％)及提取出的諧波i_ah

圖7  補(bǔ)償后的a相網(wǎng)側(cè)電流(THD=12％)

圖8  負(fù)載電流FFT分析

圖9  提取諧波的FFT分析