基于DSP單周控制有源電力濾波器的研究

各種非線性負(fù)載應(yīng)用日益廣泛，電網(wǎng)中的無(wú)功功率和諧波污染已經(jīng)成為一個(gè)非常嚴(yán)重的問(wèn)題。為了消除無(wú)功和諧波對(duì)電網(wǎng)造成的污染，有源濾波器(APF)得到了飛速發(fā)展。其采用的控制方法主要分為三角載波線性控制、滯環(huán)比較控制、無(wú)差拍控制3種類型。這些方法均存在一定的缺陷，如三角載波的波形畸變，滯環(huán)控制開(kāi)關(guān)頻率變化以及畸變電流檢測(cè)的快速實(shí)時(shí)響應(yīng)等。隨著微機(jī)控制技術(shù)的不斷發(fā)展以及數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)運(yùn)算速度的不斷提高，無(wú)差拍控制法，單周控制法及其他快速優(yōu)化控制法將在APF中得到進(jìn)一步的應(yīng)用。

單周控制法作為一種非線性控制法，最早由美國(guó)學(xué)者Keyue M.Smedley和Slobodan Cuk提出。其基本思想是：控制開(kāi)關(guān)的占空比，使每個(gè)周期內(nèi)開(kāi)關(guān)量的平均值與控制參考信號(hào)相等或成一定比例，從而消除穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)誤差。目前已成功地應(yīng)用到DC-DC變換、音頻開(kāi)關(guān)放大器、功率因素校正和單相有源電力濾波器等。本文所提出的基于DSP的單周控制有源電力濾波器不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，而且具有很好的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)補(bǔ)償特性及控制器簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)?？闺娫锤蓴_能力強(qiáng)，魯棒性好。

1 單周控制有源電力濾波器

1.1 單周控制

單周控制原理如圖1所示，它由控制器、1個(gè)比較器、1個(gè)可復(fù)位積分器及時(shí)鐘組成，其中控制器可以采用RS觸發(fā)器或D觸發(fā)器。開(kāi)關(guān)K，K1為一對(duì)互補(bǔ)的開(kāi)關(guān)，頻率為fs=1／Ts。在每一個(gè)周期開(kāi)始，即t=0時(shí)，時(shí)鐘信號(hào)到，開(kāi)關(guān)K閉合，K1斷開(kāi)，輸出y(t)的波形和輸入x(t)的波形相同，積分器由0開(kāi)始積分。在t=dTs時(shí)(其中d為占空比，d=Ton／Ts，根據(jù)模擬控制參考vref調(diào)制，且0<d<1)，積分器的輸出Vint達(dá)到給定參考電壓Vref時(shí)，比較器輸出發(fā)生變化，使K斷開(kāi)，K1閉合，積分器復(fù)位。等到下一個(gè)周期開(kāi)始的時(shí)候，又重復(fù)前面的動(dòng)作。

從圖1中可以看出，輸人信號(hào)x(t)被開(kāi)關(guān)斬波形成輸出信號(hào)y(t)，輸出信號(hào)y(t)的頻率和脈寬是與開(kāi)關(guān)函數(shù)一致，而輸出信號(hào)y(t)的包絡(luò)線與輸人信號(hào)x(t)一致。占空比D為模擬控制參考信號(hào)Vref所調(diào)制，從而達(dá)到對(duì)控制變量平均值進(jìn)行控制的目的。

1.2 主電路分析與控制量關(guān)系

圖2為包括電源電壓US、非線性負(fù)載、電壓源型變換器以及DSP單周控制器構(gòu)成的單相并聯(lián)型APF主電路，其中L為輸出濾波電感；C為儲(chǔ)能電容；RS為電流取樣電阻。

如果圖2中開(kāi)關(guān)S1，S2，S3和S4采用單周控制器輸出的調(diào)制脈寬波進(jìn)行控制，并分別設(shè)開(kāi)關(guān)S1，S2在一個(gè)時(shí)鐘控制周期中導(dǎo)通的占空比為d1和d2；相應(yīng)地開(kāi)關(guān)S3，S4在一個(gè)單周期內(nèi)開(kāi)通的占空比則分別為(1-d1)和(1-d2)。

APF工作時(shí)能量在交流電源和APF直流側(cè)電容之間交換，故變換器應(yīng)工作在四象限。在電源電壓US的正半周，開(kāi)關(guān)S4應(yīng)該始終開(kāi)通，同時(shí)S2則始終關(guān)閉，開(kāi)關(guān)S1，S3由脈寬調(diào)制波控制其互補(bǔ)開(kāi)閉；在電源電壓US的負(fù)半周，開(kāi)關(guān)S3應(yīng)該始終開(kāi)通，同時(shí)S4則始終關(guān)閉，而S1，S2由脈寬調(diào)制波控制其互補(bǔ)開(kāi)閉。根據(jù)單周控制原理，由圖2可知，在一個(gè)單周期內(nèi)有下式(1)：

其中Ts為開(kāi)關(guān)周期。由于在一個(gè)單時(shí)鐘周期內(nèi)，電容電壓uc、電源電壓us和電感電壓uL均可以視為常數(shù)，可以被提到積分號(hào)外面，因此可得：

式(3)就是主電路中交流電壓與變換器直流側(cè)電壓的關(guān)系。然而，式(3)似乎表明直流電壓等于交流電壓。實(shí)際不然，式(3)所表示的實(shí)際上是在一個(gè)時(shí)鐘控制周期內(nèi)，交流電壓與直流電壓的關(guān)系。

2 單周控制模型

在APF控制下，從電源角度看，APF與非線性負(fù)載并聯(lián)后構(gòu)成的總負(fù)載應(yīng)該有單位功率因數(shù)，即單周控制APF的控制目標(biāo)就是使電源的總負(fù)載呈電阻性，即電路應(yīng)該滿足下式：

式(6)即為單相并聯(lián)型APF的單周控制模型。在式(7)的控制關(guān)系成立時(shí)，電路中的電壓電流關(guān)系也必然使式(4)成立，即使電路具有單位功率因數(shù)。式(7)中u'c實(shí)際上可以對(duì)變換器直流側(cè)電容電壓做適當(dāng)分壓并經(jīng)過(guò)比例調(diào)節(jié)器得到，而Rs為與電源串聯(lián)的取樣電阻。同時(shí)，式(7)的單周控制模型表明：對(duì)電容電壓的分壓值進(jìn)行積分，積分輸出與式(7)右邊的Rsis或-Rsis進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果來(lái)決定是否使積分器復(fù)位，即決定開(kāi)關(guān)的占空比。

由以上分析及式(7)可得到圖3的單相并聯(lián)型APF單周控制模型。該模型采用2個(gè)獨(dú)立復(fù)位積分器分別滿足式(7)中2個(gè)式子的比較量需要。

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

為了驗(yàn)證所提出的控制策略，搭建了DSP實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，采用TMS320F2812芯片作為IGBT開(kāi)關(guān)的控制板，它具有強(qiáng)大的數(shù)學(xué)運(yùn)算和控制功能，可滿足控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制要求。逆變主電路采用智能功率模塊PM50RSA120，其內(nèi)部集成了IGBT驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路。

在軟件方面，考慮到DSP的資源情況，由于單周控制要求具有很高的實(shí)時(shí)性，可以考慮用中斷的方式實(shí)現(xiàn)。由于C語(yǔ)言具有可讀性和可移植性，而系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)又比較復(fù)雜，所以主程序結(jié)構(gòu)采用C語(yǔ)言，但由于C程序編譯后的效率較低，所以在涉及到大量數(shù)據(jù)計(jì)算時(shí)采用匯編語(yǔ)言。軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)模型如圖4所示。

電壓傳感器采到電網(wǎng)電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)電壓過(guò)零檢測(cè)送往DSP的外部中斷，作為APF的同步信號(hào)；通過(guò)電流傳感器采集到電網(wǎng)電流、負(fù)載電流、補(bǔ)償電流，由于單周控制要求較高的實(shí)時(shí)性，所以電流信號(hào)經(jīng)過(guò)高速ADC模塊變換后輸入到DSP經(jīng)過(guò)分析采集的電流信號(hào)，檢測(cè)出諧波分量并輸出控制信號(hào)：控制信號(hào)經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路放大、隔離，送往IPM模塊；IPM模塊產(chǎn)生PWM輸出信號(hào)，控制IGBT變流器；變流器產(chǎn)生指定的補(bǔ)償電流，對(duì)電網(wǎng)電流進(jìn)行補(bǔ)償。

電源電壓為AC100 V／50 Hz，直流側(cè)2個(gè)4 700 μF電容串聯(lián)，逆變器輸出電感為1.3 mH，諧波源為二相全橋二極管整流橋。圖5所示為實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

由圖6可見(jiàn)，濾波前電流嚴(yán)重畸形，但補(bǔ)償后初級(jí)電流顯然非常接近正弦，含量很高的諧波已消除。說(shuō)明該有源濾波控制系統(tǒng)有很好的濾波效果。

當(dāng)系統(tǒng)不穩(wěn)定時(shí)，APF輸出的補(bǔ)償電流可達(dá)穩(wěn)定時(shí)的幾倍甚至更高，不僅不能較好地補(bǔ)償諧波，反而對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊并容易造成APF主電路過(guò)電流損壞開(kāi)關(guān)器件。因此，在研制單周控制APF時(shí)，務(wù)必使系統(tǒng)參數(shù)匹配，滿足全局穩(wěn)定條件。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文以單相并聯(lián)有源電力濾波器為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)基于DSP芯片的數(shù)字化控制方案，該方案用一片芯片實(shí)現(xiàn)單周控制，并介紹該方案的軟件設(shè)計(jì)。雖然實(shí)驗(yàn)結(jié)果不盡理想，但是基于單周控制的有源電力濾波器因元需檢測(cè)負(fù)載電流和電源電壓，其無(wú)需使用任何乘法器，故可大大簡(jiǎn)化諧波檢測(cè)電路和電流跟蹤控制電路，使控制電路簡(jiǎn)單、可靠無(wú)延遲，主電路開(kāi)關(guān)頻率恒定、易于實(shí)現(xiàn)，并且在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期，有效地抑制了電源側(cè)地?cái)_動(dòng)。既沒(méi)有靜態(tài)誤差，也沒(méi)有動(dòng)態(tài)誤差，故單周控制以其明顯優(yōu)點(diǎn)在有源電力濾波器中顯示出廣闊的應(yīng)用前景。