基于DSP的三相不對稱有源電力濾波器設計

三峽大學電氣與新能源學院 楊 苗

1.引言

隨著人工智能和自動化技術被應用于諧波檢測中，諧波檢測精度越來越高、響應速度越來越快，但與此同時計算越來越復雜、計算量越來越大等問題逐漸突顯出來。經過眾多學者和專家的不斷研究，基于瞬時無功功率的p — q、ip— iq諧波計算方法逐漸成為了APF諧波檢測領域的主流[1]。這兩種電流檢測方法在三相電壓對稱且無畸變時，均能準確的檢測出諧波及無功電流，但在三相電壓不對稱或發(fā)生畸變時，p — q法會出現較大偏差，ip— iq法則因存在電壓畸變，雖然能夠準確檢測出基波正序電流分量，但是由于a相電壓和實際a相基波正序電壓存在相位差，不能正確檢測出有功和無功電流[2][3]。同時，為達到智能電網對于APF系統(tǒng)實時性、多功能和智能化的設計目的，對于控制處理器的性能要求進一步提升[4][5]。

基于此背景，本文提出了一種改進的諧波電流檢測方法，該方法能夠很好地克服由于三相電網電壓不對稱或發(fā)生畸變帶來的不利影響，從而準確的檢測出諧波和無功電流，并以雙DSP為控制核心，提高了系統(tǒng)的實時性和效率。

2.改進諧波電流檢測算法

在三相電壓不對稱情況下，傳統(tǒng)ip— iq電流檢測法不能精確檢測基波無功電流分量主要是由于電網a相電壓ea的初相角與a相正序電壓ea1的初相角存在相位差，而且相位差的變化是不確定的。為有效消除相位差的變化對諧波電流檢測的影響，提出了改進型諧波和無功檢測方法，其原理如圖1。

圖1

設定電網中的三相電壓表示成下面的矩陣：

在式（1）中，將電壓量分解為正序電壓分量和負序電壓分量，分別以下標+n和 — n表示。由鎖相環(huán)可以得到電網的相位值θ，再通過正余弦發(fā)生器產生信號，然后可以建立如下所示的變換矩陣：

接著經過數字濾波器，從交流信號中分離出直流分量：

再由與之對應的反變換矩陣，對上面的式子進行C反變換，得到：最終得到正序基波電壓的正弦、余弦信號sin(wt )、cos(wt )：

這個矩陣中sin(wt )和cos(wt )與三相不對稱電壓中正序基波電壓的a相同步，從而徹底消除位移角所引起的基波無功電流的檢測誤差問題。

3.APF系統(tǒng)設計

3.1 硬件部分

APF系統(tǒng)主要由信號采樣調理電路、主控芯片DSP、驅動保護電路、逆變主電路等部分組成，這些模塊間的相互配合完成對電網電流電壓的檢測調理，通過雙閉環(huán)控制方式生成PWM脈沖，驅動IGBT生成補償電流，從而實現對電網諧波電流的抑制。其總體結構如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體結構框圖

3.2 雙DSP軟件實現

本文選取TI公司的TMS320F28335作為有源電力濾波器的控制芯片。DSP-A的各個功能模塊按照上電之后的工作順序分為：上電寄存器初始化模塊、人機交互主循環(huán)模塊、PWM/核心控制中斷模塊。DSP-B和DSP-A的程序的結構類似，工作順序可以分為三類，分別是上電DSP內部寄存器部分的初始化、主循環(huán)的計算模塊、與DSP-A的數據交換的中斷函數。DSP-A 的主程序流程如圖3所示，DSP-B的主程序及中斷函數的流程框圖如4所示。

圖3 DSP-A主函數流程圖

圖4 DSP-B中斷程序及主函數流程圖

兩個DSP之間的數據交換采用共用內存的方式，按照兩者中斷的工作時序實現。選用的內存為雙口RAM，內部具有自動的仲裁機制，每次操作只允許其中的一個控制器對其進行寫操作，但兩者可以同時對數據進行讀操作。進入通信主循環(huán)之后，DSP-A與觸摸屏的通信采用的是半雙工的RS485方式。

4.系統(tǒng)仿真及實驗結果

為了驗證所設計控制器的有效性，利用進行仿真實驗，計算的步進為2μs，求解方式為離散模式下的常微分方程形式。使用SimScope測量電網系統(tǒng)輸出電流波形，在0.03s時刻將有源濾波裝置投入到系統(tǒng)，從圖5可以看出電網的電流波形明顯改善，三相不對稱系統(tǒng)中改進的諧波電流檢測方法具有很好的作用檢測精度和動態(tài)響應特性。

圖5 電網的電流波形變化

實驗樣機裝置采用全數字的控制方式，主電路為380V三相交流電，負載為阻性三相整流器，其中電阻為12歐。在不超過裝置補償容量的情況下，負載電流THD≥20%，諧波補償率≥85%。試驗時首先啟動運行負載裝置產生相應諧波電流，再啟動APF裝置，通過示波器和電能質量分析儀測定補償效果。試驗結果：測量數據見圖6.1和圖6.2，符合標準。

圖6 .1 APF投入之前的電流波形

圖6 .2 APF投入之后的電流波形

5.總結

本文設計了一種以雙DSP為控制核心的針對三相電壓不對稱或發(fā)生畸變情況下的有源電力濾波器。通過仿真分析并制作實驗樣機驗證，表明提出的改進諧波電流檢測方法，能夠很好地補償諧波和無功電流。以雙DSP為控制核心，使系統(tǒng)裝置穩(wěn)定可靠，并且功耗低，有效提升了有源電力濾波器諧波補償的效率和精度。

[1]何英杰,劉進軍,王兆安等.一種基于瞬時無功功率理論的數字諧波檢測[J].電工技術學報,2010,25(8):185-192．

[2]楊君,王兆安,邱關源.不對稱三相電路諧波及基波負序電流實時檢測方法研究[J].西安交通大學學報,1996,30(3):94-100.

[3]楊金.基于改進諧波檢測法的SVPWM控制有源電力濾波器的研究[D].華南理工大學,2010.

[4]公偉勇.基于雙DSP控制系統(tǒng)的三相并聯型有源電力濾波器研究[D].華南理工大學,2011.

[5]劉彬,姜憲明,冬雷,楊耕.基于雙DSP的有源電力濾波器全數字控制器設計[J].電力電子技術,2010,44(7):25-27．