三相諧波檢測的DSP實現(xiàn)方案

杜少武 鄧曉艷 黃海宏

(合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動化工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

0 引言

由于電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，各種電力電子裝置在電力系統(tǒng)、工業(yè)、交通及家庭中的應(yīng)用日益廣泛，諧波所造成的危害也日趨嚴(yán)重［1］，被認(rèn)為是電網(wǎng)的一大公害。有源濾波器(APF)是電力系統(tǒng)動態(tài)補(bǔ)償諧波的一個主要的裝置，補(bǔ)償?shù)幕驹硎菑难a(bǔ)償對象中檢測出諧波電流，然后由補(bǔ)償裝置產(chǎn)生一個與該諧波電流大小相等，方向相反的補(bǔ)償電流，與系統(tǒng)中的諧波電流相抵消，因此準(zhǔn)確、實時地檢測出諧波電流是決定補(bǔ)償效果的一個重要環(huán)節(jié)。

目前，諧波電流檢測法主要有基于頻域運算的方法、瞬時空間矢量法、基于現(xiàn)代控制理論的檢測法、自適應(yīng)檢測法、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制法等。其中基于瞬時無功功率的瞬時空間矢量法簡單易行，性能良好，并已經(jīng)趨于完善和成熟，目前占主導(dǎo)地位，包括p-q法、ip-iq法。

1 算法的數(shù)字化實現(xiàn)

采用基于瞬時無功功率理論的ip-iq法［2］，簡單易行，運算量相對較少，最大的特點是不需要檢測三相電網(wǎng)的電壓，只需A相電網(wǎng)電壓同相位的正弦信號sin(ωt)和對應(yīng)的余弦信號cos(ωt)。電路原理框圖如圖1所示。

通過坐標(biāo)變換可將靜止坐標(biāo)系(a，b，c)中的基波電流變換成旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(d，q)中的直流電流，以低通濾波器(LPF)濾去諧波分量后，即輸出直流電流和再通過逆坐標(biāo)變換，可將直流電流還原成基波電流(iaf，ibf，icf)，電網(wǎng)電流與基波電流相減，即得所含的諧波電流。

圖1 ip-iq法檢測原理框圖

其中

三相電流經(jīng)過坐標(biāo)變換得到以基波旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的旋轉(zhuǎn)電流為

經(jīng)過低通濾波器(LPF)濾波得電流ip、iq的直流分量經(jīng)過坐標(biāo)變換得三相基波電流為

三相諧波電流為

2 濾波器的數(shù)字化設(shè)計

低通濾波器的作用主要在于提取直流分量，對相位要求低，因此較適合采用IIR數(shù)學(xué)低通濾波器。與其他IIR濾波器相比，Butterworth提到濾波器在線形相位、衰減斜率和加載特性方面具有特性均衡的優(yōu)點，在實際應(yīng)用中，已成為首選。綜合考慮穩(wěn)態(tài)誤差和響應(yīng)速度，采用2階Butterworth低通濾波器［3，4］。

在 DSP的實現(xiàn)中，為使程序精短，盡可能少占用資源，選用IIR濾波器的直接Ⅱ型結(jié)構(gòu)。如圖2所示。

得差分方程為

用MATLAB的Filter Design工具箱進(jìn)行設(shè)計，采樣頻率為7 500 Hz，中心頻率為20 Hz。可得到5個系數(shù)的值。

圖2 IIR濾波器的直接Ⅱ型結(jié)構(gòu)

3 DSP實現(xiàn)

3.1 DSP 硬件實現(xiàn)

圖3 過零檢測電路

TMS320F2812的高性能的32位中央處理器和6.67ns的時鐘周期可以很好的實現(xiàn)實時、準(zhǔn)確的諧波檢測。2812最小系統(tǒng)板加上三相電流采樣電路、A相電壓采樣電路和過零檢測電路即構(gòu)成了硬件結(jié)構(gòu)。過零檢測電路結(jié)構(gòu)如圖3所示，通過GPIOA8口捕捉下降沿檢測A相的過零點。

通過電流型霍爾傳感器和電壓型霍爾傳感器采集A相電壓和三相的電流信號，通過采樣電路送入DSP的AD口，經(jīng)過AD變換得到采樣值。

圖4 A相電壓采樣電路

3.2 DSP 軟件實現(xiàn)

整個實驗的軟件流程如下:先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，包括系統(tǒng)時鐘、看門狗定時器、AD轉(zhuǎn)換模塊、EVA的設(shè)置和IO引腳定義;初始化完成后，開中斷，進(jìn)行AD采樣;采樣頻率為7.5 kHz。

圖5 捕獲中斷流程圖

圖6 AD采樣流程圖

鎖相采用軟件鎖相的指針歸零法，建立正、余弦表，存儲在程序存儲器中，在捕獲輸入電壓信號過零點的Cap1中斷內(nèi)，直接將正、余弦表的指針歸零，以保證在輸入電壓信號過零時DSP發(fā)出的輸出基準(zhǔn)也正好過零，從而實現(xiàn)相位同步［5］。

在每次AD采樣中，每次采集7個點進(jìn)行以此中值平均濾波法［6］，去掉一個最大值和一個最小值，然后計算5個數(shù)的算術(shù)平均值，不僅可以消除由于脈沖干擾所引起的采樣值偏差，同時可以消除零均值噪聲干擾和周期性干擾。

4 實驗結(jié)果

為了驗證本文算法及硬件設(shè)計和軟件編程的有效性，在基于TMS320F2812的實驗平臺上進(jìn)行實驗，示波器采用TDS1002B，負(fù)載采用三相整流橋帶阻容性負(fù)載，輸入交流220 V電壓，電容C=2 200 μF，電阻為4個額定電流2.5 A，阻值235 Ω 的滑動變阻器并聯(lián)。為減小誤差，諧波計算中所有電流、電壓均放大10倍處理。

經(jīng)過DSP編程，在實驗平臺上可看到濾波效果。Ip和Iq濾波前后的波形如圖7和8。圖9是用示波器看到的A相電網(wǎng)電流波形，圖10、11和12是用CCStudio v3.3平臺自帶的圖形觀察工具得到的A相電網(wǎng)電流波形、A相基波和諧波波形。

5 結(jié)束語

本文以TI公司的TMS320F2812為核心，搭建軟硬件平臺，完成了三相諧波檢測，具體分析了算法原理以及濾波器的數(shù)字化設(shè)計，實驗結(jié)果證明了算法及濾波器設(shè)計的有效性，滿足諧波檢測的精確性和實時性，對有源濾波器的成功設(shè)計及有源濾波器的整體性能有著重要的意義。

［1］王兆安，楊君，劉進(jìn)軍.諧波抑制和無功功率補(bǔ)償［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

［2］姚為正，王群，劉進(jìn)軍，等.基于瞬時無功功率理論的諧波電壓瞬時檢測方法［J］.西安交通大學(xué)學(xué)報，1998，32(12):8-11.

［3］高學(xué)軍，周志華，溫世伶.有源濾波器中數(shù)字低通濾波器的設(shè)計及其DSP 實現(xiàn)［J］.電氣傳動，2008，38(1):60-64.

［4］唐忠，陳永煒，廖代發(fā)，等.諧波檢測電路低通濾波器參數(shù)的優(yōu)化［J］.上海電力學(xué)院學(xué)報.2009，25(4):374-378.

［5］張喻，陳新.基于DSP2812的軟件鎖相［J］.電力電子技術(shù)，2008，42(2):75-77.

［6］宋壽鵬.數(shù)值濾波器設(shè)計及工程應(yīng)用［M］.江蘇:江蘇大學(xué)出版社，2009.