基于DSP的滞环跟踪型有源电力滤波器数字控制系统

摘要：介绍了一种基于新型数字信号处理器（DSP）TMS320F2407A数字控制的滞环跟踪型并联有源电力滤波器，以DSP为核心的数字控制电路完成谐波提取、指令电流产生、直流侧电压控制、系统保护等功能，实现了一种全数字控制的有源电力滤波器。
   关键词：数字信号处理器；数字控制；有源电力滤波器
   1  概述
       随着电力电子技术的发展，有源电力滤波器作为抑制电网谐波、补偿供电系统无功功率的新型电力电子装置得到了迅速发展，并已应用于实际工程中。并联型有源电力滤波器是有源电力滤波器中最基本的形式，获得了最为广泛的应用，图1是并联型有源电力滤波器的系统原理框图。
   
   图1并联有源电力滤波器系统原理框图
       DSP数字控制系统检测非线性负载的电流与网侧电压相位，按照一定的算法提取出谐波电流，通过APF向电网实时注入与系统谐波相位相反大小相等的补偿谐波电流以抵消谐波，达到消除系统谐波污染的目的。由于滞环控制具有反应速度快，控制精度较高，不需要了解负载的特性等优点，在有源电力滤波器中采用该控制方法是有利的。本文给出了一种基于DSP的滞环跟踪型有源电力滤波器数字化控制系统。
   2  滞环跟踪型有源电力滤波器系统的总体设计
       滞环跟踪型有源电力滤波器的DSP数字化控制系统框图如图2所示。
   
   图2  系统框图
       以DSP为核心的数字控制系统完成如下功能：
       1)检测非线性负载的电流Ila、Ilb、Ilc与网侧电压相位，提取出谐波，反向后得到谐波补偿指令电流；
       2)检测有源电力滤波器主电路的电流（实际补偿电流）Ica、Icb、Icc，送入滞环电流跟踪控制电路，使其跟踪谐波补偿指令电流，从而抵消电网中的谐波成分；
       3)检测变流器直流侧总电压，通过PID调节，使得直流侧电压稳定；
       4)控制装置的软启动和关机，并提供装置的过流、过压保护。
   3  系统时序的设计
       系统控制核心TMS320F2407A的显着优点是高速AD采样（最快达到500ns），使得系统的控制周期仅为25μs，这意味着三相非线性负载电流采样频率达到了40kHz。负载电流采样周期越短，补偿谐波的实时性、准确性越高。兼顾A/D采样的准确性，取DSP一次A/D转换的时间为1μs，三相非线性负载电流和直流侧电压共需要4μs，采用dq法计算指令电流需要5μs，谐波指令电流的D/A转换一共需要10μs，其他部分占用时间很少，图3是程序中以上主要模块的的时序安排。
   
   图3  程序主要模块的流程图  
   4  谐波电流的计算
       在DSP主程序中，谐波电流的计算是一个非常重要的部分，因为，指令电流计算的准确与实时性直接关系到APF补偿性能的好坏，假如指令电流误差很大，即使滞环跟踪补偿电流发生器输出完全跟踪谐波补偿指令电流，最终的补偿结果误差也会很大。本文采用基于瞬时无功功率理论的d－q法计算谐波指令电流，d－q法的框图如图4所示。
   
   图4  d－q变换框图
       将瞬时A/D采样的三相电流信号经过如下变换，得到d－q坐标系表达式。
   idq0= = = （1）
   式中
   C= × （2）
       在d－q变换后，基波成分转换为直流分量(id，iq)，基波不对称和谐波成分转换为(id，iq，i0)，对于三相三线制系统，i0=0。图4中的低通滤波器用来将与基波成分对应的直流分量分离出来，再经过d－q反变换后，得到三相对称基波，最后与输入的负载电流相减得到谐波、基波的非对称部分。
       采用新型DSP－TMS320F2407A实现图4所示d－q变换，但是对于有限字长DSP－TMS320F2407A，通过LPF传递函数的推导，可以发现其采样频率远不能达到A/D采样的频率，即40kHz。虽然DSP可以通过移位、加法等方法实现32位算术运算，但是这必将大大增加DSP的计算量，并且降低分辨率，无法满足有源电力滤波器的实时性、准确性要求。为解决这个矛盾，我们在谐波提取中采用了两种采样频率工作的方式：d－q变换和LPF采用较低的频率工作；其它部分的工作频率为40kHz。通过频谱分析可知，19次以上谐波含量很少，所以我们可以只补偿19次以下谐波，根据采样理论，我们选择LPF的采样频率为2.5kHz。
   5  直流侧电压控制
       为了保证主电路有良好的补偿电流跟随特性，直流侧电压必须大于电网线电压峰值，方能实现电流可控，因此必须将变流器直流侧电容的总电压控制为一个适当的值，实际选为700V。
       系统处于稳态时，理想的APF是不需从电网获取能量的。实际的APF因其损耗将需要从电网吸收少量能量，其直流侧电容的电压平均值将发生变化，所以必须对直流侧电容电压加以闭环控制。
       图5所示的是具有直流侧电压调节功能的指令电流运算电路框图。
   
   图5  PI调节框图  
       图5中，Vcr是直流侧电压的给定值，Vcf是直流侧电压的反馈值，两者之差经PI调节后再经过限幅处理，限幅是为了保证指令电流的范围在APF容量之内，限幅后得到调节信号Δid，它叠加到有功电流id上（图4）。这使得有源电力滤波器的补偿电流中包含一定的基波有功分量，使电网向有源电力滤波器的直流侧补充能量，将直流侧电压Vc维持在给定值。当Vcf比Vcr小时，经PI调节器的作用，使得Δid为正，由图4可知经过运算最终得到的指令电流中将含有正的有功电流分量，在这个指令电流的作用下，补偿器的主电路在对谐波电流进行补偿的同时，将从电网吸取相应的有功功率，使得变流器的直流侧电容电压上升直至反馈电压与给定值相同。反之，当Vcf比Vcr大时，经PI调节器的作用，使得Δid为负，经过运算最终得到的指令电流中将含有负的有功电流分量，在这个指令电流的作用下，补偿器的主电路在对谐波电流进行补偿的同时，将向电网释放相应的有功功率，使得变流器的直流侧电容电压下降直至反馈电压与给定值相同。
       上述算法由DSP完成，采用增量式PID算法控制,不但简化了硬件电路，并且使得参数变化灵活，达到了良好的动态、静态特性。
   6  实验结果
       从图6及图9中可以看出提取出的谐波中基波残余成分很少，谐波成分很纯，谐波提取达到了很高的准确率。从补偿效果图7来看，数字法实现的谐波提取可以解决DSP有限字长、速度和有源电力滤波器高速、实时性之间的矛盾，DSP数字控制系统能够满足有源电力滤波器要求，从而实现有源电力滤波器控制系统的数字化。在保证检测和控制实时性的同时，可以提供较高的计算精度，而且调试方便，改变控制参数或控制方法容易，性能优于传统的采用模拟电路控制有源电力滤波器的方法。
   
   图6  补偿前的a相电流ila(THD=76％)及提取出的谐波iah
   
   图7  补偿后的a相网侧电流(THD=12％)
   
   图8  负载电流FFT分析
   
   图9  提取谐波的FFT分析