基于DSP的有源滤波控制系统的设计

基于 DSP的有源滤波控制系统的设计

张晓光

保定天威保变电气股份有限公司，河北 保定 071000

摘要：随着电力电子装置应用日益广泛，自身所具有的非线性导致了电网中含有大量谐波，给电力系统带来了谐波污染和功率因数降低，导致无功需求增加和电网电压波动，多种电力运行指标的恶化。因此消除电网中的谐波污染已成为电能质量研究中的一个重要课题。有源滤波器（APF）是一种消除电网谐波的有效工具，其核心部件是控制系统，它通过产生驱动开关器件的脉冲来控制APF的行为，实现谐波和无功的动态补偿。基于此，介绍滤波器的工作原理，阐述了两种对谐波进行检测补偿控制的策略；然后在此基础上完成了以DSPTMS320F2812为控制核心的系统硬件平台搭建，并在CCS2.2开发环境下对系统软件进行了开发；最后基于软硬件完成了对系统性能的测试。结果表明，系统对各种控制信号的采样迅速、准确；补偿电流的输出正确。

关键词：基于DSP；有源滤波；控制系统；设计分析

1 APF的工作原理

APF系统工作原理为电网三相交流电源ea为非线性负载供电，负载两端的电压和谐波电流分别为uL和iL，电流iL经由检测与信号调理电路进行信号的检测与处理^[1]。然后通过运算电路计算出谐波电流的大小，并将该值取反后得到补偿指令信号iC＊。紧接着跟踪控制驱动电路按照该指令信号产生相应的驱动控制信号，控制主电路中功率开关器件的通断，最终生成与谐波电流大小相同但方向相反的补偿电流iC，从而很好抑制了电网中的谐波电流。

2 APF的硬件设计

2.1 系统总体结构设计

APF系统的总体硬件结构如图1所示，在这里采用可控整流桥来模拟代替电网负载。

图1 系统硬件

从图1可以看出，电网负载为三相二极管整流桥，其在正常工作时会产生较大的谐波电流，使电网电流波形畸变，用它来模拟谐波源。图1中的信号检测与调理模块的作用是分别将负载电流、补偿电流以及电容电压进行检测后，再对信号进行进一步的转换处理输入给系统的控制模块。捕获调理及锁相模块是对电网线电压进行检测以及锁相处理后得到相位相同的矩形波信号，然后输入给控制模块。作为系统控制核心的ＤＳＰ控制模块按照相应的控制策略和算法，完成对谐波电流和电网线电压的运算处理，输出相应的控制信号。驱动模块接收来自控制模块的控制信号，并将其转化为驱动信号。变流器模块则利用驱动信号控制功率开关管的通断，并输出补偿电流。按照图1完成各个模块电路器件的选型，然后完成系统硬件平台的搭建。

2.2 APF软件设计

本文软件开发使用的是CCS2.0版本，是TI公司生产的一款功能强大、界面友好的DSP开发工具。按照系统的控制要求，软件设计部分需要完成两大功能即谐波电流的计算和PWM信号的生成。基于功能要求，按照程序设计的模块化原则，完成了程序的设计。程序首先进行初始化，然后开总中断并等待中断信号，CAP一旦捕获到矩形波信号的上升沿，则立马进入捕获中断子程序，然后利用该子程序为T1定时器提供周期启动信号，启动后依次执行后续的各个子程序，最终完成对谐波电流的计算和PWM信号的生成。

3 APF系统调试实验结果与分析

3.1 谐波检测实验

本文设计的APF系统的调试参数如下：三相电网相电压为U=60V，F=50Hz；二极管整流桥带阻感负载：R=30Ω，L=50mH；交流侧电感值L=7mH。

１）计算所得基波电流波形

有功和无功电流经过滤波处理以及坐标反变换后可得a、b两相基波电流，a、b两相基波电流波形平滑，无明显畸变，频率均为50Hz，相位互差120⁰。

２）计算所得谐波电流与电网电流波形

计算得到的谐波电流波形如图4所示，由于受到谐波的影响，图2（a）通道２的负载电流发生严重畸变，通道１为该相负载的谐波电流。分析波形可知，谐波电流的计算是正确的。图2（ｂ）的通道１、２分别代表ａ、ｂ两相负载的谐波电流，可以看出系统较好完成了电流的采样。

图2 谐波电流波形

3.2 补偿控制实验

１）PWM控制信号

采集得到一相电路上下桥臂的控制信号如图3所示。图3中１代表上桥臂电压波形，２代表下桥臂电压波形。可知，上下桥臂之间有较为明显的死区时间，且死区为低电平信号，相较于实验设置的5.12μs的死区时间，满足要求。

图3 PWM控制信号波形

２）负载电流与实际电网电流

图4所示为负载电流与实际电网电流波形，其中通道１波形为补偿时一相负载电流波形，通道２波形为系统产生的补偿电流波形，将通道１、２的波形叠加后方可得到图4中通道Ｍ所示的实际电网波形，显而易见补偿后电网电流波形比未补偿时的畸变要小得多。

图4 负载电流与实际电网电流波形

３）负载电流与实际电网电流频谱图

将负载电流与实际电网电流分别施以快速傅里叶变（FFT）分析得到的频谱图。其中负载电流谐波电流总畸变率THD为23.53％，而补偿后的实际电网电流谐波总畸变率THD仅为9.25％，很好地抑制了谐波电流。

4 结语

本文对并联型APF的工作原理进行了深入研究，并进行了系统相关软、硬件的设计，搭建了实验平台，完成了相关的实验验证。结果表明，该系统能够快速、准确地对电网电流、电压和负载电流等信号进行采样，同时经由控制补偿后很好地抑制了电网的谐波电流。

参考文献：

［１］王瑞海．基于ＬＣＬ滤波的三电平有源滤波器研制［Ｊ］．金属矿山，2014(8):111-115.