DSP在串聯(lián)型電力有源濾波器中的應(yīng)用

1 引言

應(yīng)用電力電子技術(shù)抑制諧波，以改善電能質(zhì)量的新技術(shù)——電力有源濾波器（ActivePowerFilter）已成為近年來電力系統(tǒng)研究領(lǐng)域中新的熱點(diǎn)。國際上以抑制諧波電流為目的的并聯(lián)型電力有源濾波器應(yīng)用居多，而隨著電壓敏感性負(fù)載不斷增多，以電壓畸變治理為主的串聯(lián)型有源濾波器，正顯示著越來越大的利用價(jià)值。同時(shí)，它又是進(jìn)一步研究綜合電能質(zhì)量補(bǔ)償器的前提條件，因此，對串聯(lián)型有源濾波器進(jìn)行研究有著重大的意義。

在串聯(lián)型有源濾波器的研制過程中，我們采用了美國德州儀器公司（TI）的TMS320F240數(shù)字信號(hào)處理器（DigitalSignalProcessor），極大地方便了軟硬件的開發(fā)，加快了研制的進(jìn)程。
TMS320F240具有下述特點(diǎn)【2】【3】：

（1）50ns的指令周期，在一個(gè)指令周期內(nèi)可完成一次乘法和一次加法；

（2）大容量的片內(nèi)存儲(chǔ)器：包含544字×16位的片內(nèi)數(shù)據(jù)/程序雙口（Dual?Access）RAM，16k字×16位的片內(nèi)FlashEEPRO，共計(jì)224k字×16位存儲(chǔ)器地址范圍（64k數(shù)據(jù)，64k程序和I/O以及32k全局存儲(chǔ)器空間）；

（3）事件管理模塊：12路比較/脈沖寬度調(diào)制（PWM）通道，3個(gè)16位通用定時(shí)器，3個(gè)死區(qū)控制的16位全比較單元，4個(gè)捕獲單元；

（4）雙10位A/D轉(zhuǎn)換模塊；

（5）基于鎖相環(huán)（PLL）的時(shí)鐘模塊；

（6）看門狗定時(shí)器模塊（具有實(shí)時(shí)中斷功能）；

（7）6個(gè)外部中斷（電源驅(qū)動(dòng)保護(hù)、復(fù)位、NMI及3種可屏蔽中斷）。

充分使用TMS320F240DSP芯片構(gòu)成的實(shí)用系統(tǒng)，具有擴(kuò)充的外圍電路少、控制電路簡單、控制手段靈活、易調(diào)試和易維護(hù)等很多特點(diǎn)。

2 以DSP為核心的硬件結(jié)構(gòu)

串聯(lián)型電力有源濾波器主電路由串聯(lián)電路和并聯(lián)電路組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 串聯(lián)型電力有源濾波器主電路

圖2以DSP為核心的控制結(jié)構(gòu)框圖

串聯(lián)電路功能是：檢測電網(wǎng)畸變電壓，分離出需要補(bǔ)償?shù)碾妷翰a(chǎn)生控制信號(hào)，生成補(bǔ)償電壓注入電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)電壓補(bǔ)償?shù)墓δ?。并?lián)電路功能是：檢測有源濾波器輸入電流，生成電流控制信號(hào)，從而維持電容電壓恒定和保證設(shè)備功率因數(shù)。同時(shí)，作為一個(gè)實(shí)用裝置，還必須實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的投入、切除手段和故障情況下的保護(hù)手段。

控制電路以DSP為核心，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

電網(wǎng)電壓、電流經(jīng)過傳感器后變成＋5V～－5V的弱電信號(hào),經(jīng)過調(diào)理電路后變成0～5V的信號(hào),其中從電壓互感器來的A相電壓信號(hào)經(jīng)帶通濾波后送入鎖相分頻模塊,產(chǎn)生采樣保持分頻窄脈沖信號(hào)來控制保持電路,使之每個(gè)工頻周期保持指定點(diǎn)。而分頻窄脈沖經(jīng)過處理電路的處理后作為DSP內(nèi)部A/D的起動(dòng)信號(hào)使用。

主電路的控制采用兩片TMS320F240。一片作為主DSP，除負(fù)責(zé)并聯(lián)整流控制（產(chǎn)生并聯(lián)側(cè)整流及輸入電流控制PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)并聯(lián)側(cè)主電路）外，還承擔(dān)整套裝置的協(xié)調(diào)工作，包括投入切除算法控制，故障保護(hù)控制及故障檢測功能。它的輸出信號(hào)一部分用于控制驅(qū)動(dòng)模塊以得到恒定的直流電容電壓，另一部分控制主電路繼電器。而另一片作為從DSP，用于串聯(lián)側(cè)的電壓補(bǔ)償PWM控制信號(hào)的產(chǎn)生，TMS320F240將電壓電流采樣信號(hào)經(jīng)過DSP檢測算法運(yùn)算后生成補(bǔ)償信號(hào)，補(bǔ)償信號(hào)通過TMS320F240內(nèi)部PWM控制模塊產(chǎn)生PWM控制信號(hào)送給驅(qū)動(dòng)模塊，經(jīng)由驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)主電路生成補(bǔ)償電壓注入電網(wǎng)。

3 DSP軟件的設(shè)計(jì)

DSP完成了APF系統(tǒng)中的絕大多數(shù)功能，為了完成這些功能，除用到TMS320F240的核心部分外，還充分應(yīng)用了F240片內(nèi)的許多外圍模塊，如A/D模塊，事件處理模塊和外部中斷功能。整個(gè)算法由并聯(lián)側(cè)與串聯(lián)側(cè)算法構(gòu)成。

3．1 并聯(lián)側(cè)DSP軟件算法

（1）整體軟件流程

并聯(lián)側(cè)DSP除完成并聯(lián)整流算法外，還需要完成APF設(shè)備的投入和切除算法，故障檢測和故障控制算法。圖3是并聯(lián)側(cè)DSP軟件算法的流程圖。

如圖3所示，當(dāng)DSP起動(dòng)后首先進(jìn)行設(shè)備初始化操作，結(jié)束后進(jìn)行設(shè)備投入電網(wǎng)操作，然后DSP空閑，等待中斷的發(fā)生，一旦中斷出現(xiàn)，運(yùn)行相應(yīng)的中斷處理程序，處理完成后DSP空閑等待另一個(gè)中斷的發(fā)生。A/D變換，控制算法和PWM產(chǎn)生等一系列過程都在外部中斷XINT3中斷服務(wù)程序中完成。

在設(shè)備初始化過程中，完成對故障檢測中斷設(shè)置、DSP的PLL鎖相時(shí)鐘模塊設(shè)置，外部中斷XINT2和XINT3的初始化設(shè)置和PWM的比較方式、輸出方式和死區(qū)設(shè)置等功能，最后進(jìn)行繼電器控制狀態(tài)設(shè)置，用于控制繼電器動(dòng)作和接收繼電器當(dāng)前狀態(tài)的I/O口和外部I/O空間。

（2）中斷服務(wù)的設(shè)計(jì)

圖3并聯(lián)側(cè)DSP軟件算法的流程圖

并聯(lián)側(cè)的中斷服務(wù)子程序是軟件算法的最主要的組成部分,控制算法的實(shí)現(xiàn)、故障的檢測和保護(hù)等主要算法都通過中斷服務(wù)子程序來實(shí)現(xiàn)。并聯(lián)側(cè)中斷服務(wù)子程序有3個(gè)：XINT2中斷、XINT3中斷、PDPINT（功率驅(qū)動(dòng)保護(hù)中斷）。

XINT3中斷處理程序的作用是對并聯(lián)側(cè)的輸入電流進(jìn)行處理，并執(zhí)行相應(yīng)的控制算法，以取得相應(yīng)的電壓補(bǔ)償信號(hào)，作為PWM控制信號(hào)產(chǎn)生的輸入。最終通過PWM控制主電路IGBT有規(guī)律的開關(guān)動(dòng)作，以維持直流電容電壓的恒定。XINT2中斷服務(wù)在A相電壓過零時(shí)響應(yīng)，通過XINT2中斷和XINT3中斷聯(lián)合完成控制算法中的同步邏輯。故障中斷的作用是當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生中斷時(shí)，檢測各故障線的故障信號(hào)以判斷發(fā)生的故障類型，并采取相應(yīng)的保護(hù)措施。

3．2串聯(lián)側(cè)DSP軟件算法

串聯(lián)側(cè)僅完成補(bǔ)償電壓控制信號(hào)的生成，僅需要XINT2、XINT3中斷服務(wù)子程序，并在XINT3的中斷服務(wù)程序中采用相應(yīng)的電壓補(bǔ)償PWM控制策略。

4 結(jié)語

在串聯(lián)型有源濾波器中采用數(shù)字信號(hào)處理器，所有算法均通過編程完成，易調(diào)試、易維護(hù)、所占空間小，不易受干擾，與傳統(tǒng)的硬件模擬方法比較有著巨大的優(yōu)勢，在響應(yīng)速度滿意的情況下，可以逐步地取代硬件模擬法。因此，數(shù)字信號(hào)處理器有著廣闊的應(yīng)用前景，也將會(huì)受到越來越多的重視。