基于ＤＳＰ單周控制有源電力濾波器的研究

摘 要：針對有源電力濾波器中畸變電流檢測的快速實時響應問題，研究有源電力濾波器的單周控制原理與控制策略，提出單相并聯型有源電力濾波器的單周控制模型。并在以DSP為核心控制器的基礎上，設計單周控制有源電力濾波器，對其進行了實驗研究，對試驗的結果進行了分析。實驗結果表明，該法實時性好、控制電路結構簡單、動態特性好。

關鍵詞：諧波；DSP；單周控制；有源電力濾波器

中圖分類號：TN713文獻標識碼：A

文章編號：1004373X(2008)2004203

Study of One-cycle Control Active Power Filter Based on DSP

WU Gang，SHEN Jinfei，WANG Yiwang

(Institute of Electrical Automation，Southern Yangtze University，Wuxi，214122，China)

Abstract：Aiming at the problem of APF distortion in the current real-time response to the rapid detection，APF in the one-cycle control theory and control strategy，and the one-cycle control model of single-phase parallel active power filter are proposed.On the basis of a DSP controller as the core，one-cycle control APF is designed.An experimental study about it is conducted，and the test results are analyzed.The experimental results show that，the method has a good real-time quality，simple control circuit structure and good dynamic characteristics.

Keywords：harmonious;DSP;one-cycle control;active power filter

各種非線性負載應用日益廣泛，電網中的無功功率和諧波污染已經成為一個非常嚴重的問題。為了消除無功和諧波對電網造成的污染，有源濾波器(APF)得到了飛速發展。其采用的控制方法主要分為三角載波線性控制、滯環比較控制、無差拍控制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，滯環控制開關頻率變化以及畸變電流檢測的快速實時響應等。隨著微機控制技術的不斷發展以及數字信號處理器(DSP)運算速度的不斷提高，無差拍控制法，單周控制法及其他快速優化控制法將在APF中得到進一步的應用。

單周控制法作為一種非線性控制法，最早由美國學者Keyue M.Smedley和Slobodan Cuk提出。其基本思想是：控制開關的占空比，使每個周期內開關量的平均值與控制參考信號相等或成一定比例，從而消除穩態和瞬態誤差。目前已成功地應用到DC-DC變換、音頻開關放大器、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構簡單可靠，而且具有很好的動態和靜態補償特性及控制器簡單的優點。抗電源干擾能力強，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個比較器、1個可復位積分器及時鐘組成，其中控制器可以采用RS觸發器或D觸發器。開關K，K1為一對互補的開關，頻率為fs=1/Ts。在每一個周期開始，即t=0時，時鐘信號到，開關K閉合，K1斷開，輸出y(t)的波形和輸入x(t)的波形相同，積分器由0開始積分。在t=dTs時(其中d為占空比，d=Ton/Ts，根據模擬控制參考vref調制，且0

圖1 單周控制原理圖

從圖1中可以看出，輸入信號x(t)被開關斬波形成輸出信號y(t)，輸出信號y(t)的頻率和脈寬是與開關函數一致，而輸出信號y(t)的包絡線與輸入信號x(t)一致。占空比D為模擬控制參考信號Vref所調制，從而達到對控制變量平均值進行控制的目的。

1.2 主電路分析與控制量關系

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

圖2 單周控制有源電力濾波器結構框圖

如果圖2中開關S1，S2，S3和S4采用單周控制器輸出的調制脈寬波進行控制，并分別設開關S1，S2在一個時鐘控制周期中導通的占空比為d1和d2；相應地開關S3，S4在一個單周期內開通的占空比則分別為(1-d1)和(1-d2)。

APF工作時能量在交流電源和APF直流側電容之間交換，故變換器應工作在四象限。在電源電壓US的正半周，開關S4應該始終開通，同時S2則始終關閉，開關S1，S3由脈寬調制波控制其互補開閉；在電源電壓US的負半周，開關S3應該始終開通，同時S4則始終關閉，而S1，S2由脈寬調制波控制其互補開閉。根據單周控制原理，由圖2可知，在一個單周期內有下式(1)：

∫d1Ts0ucdt=∫Ts0(us+uL)dt

∫d2Ts0ucdt=∫Ts0-(us+uL)dt(1)

其中Ts為開關周期。由于在一個單時鐘周期內，電容電壓uc、電源電壓us和電感電壓uL均可以視為常數，可以被提到積分號外面，因此可得:

d1uc=us+uL，d2uc=-(uS+uL)(2)

由于ul<

d1uc=us，d2uc=-us(3)

式(3)就是主電路中交流電壓與變換器直流側電壓的關系。然而，式(3)似乎表明直流電壓等于交流電壓。實際不然，式(3)所表示的實際上是在一個時鐘控制周期內，交流電壓與直流電壓的關系。

2 單周控制模型

在APF控制下，從電源角度看，APF與非線性負載并聯后構成的總負載應該有單位功率因數，即單周控制APF的控制目標就是使電源的總負載呈電阻性，即電路應該滿足下式:

Us=Reis(4)

式(4)中Us為電源電壓；is為電源中電流，它應是具有單一頻率的正弦電流且與Us同相位；Re為總的等效負載電阻。把式(4)代入式(3)可得:

d1uc=Reis，d2uc=-Reis(5)

上式兩端同乘采樣電阻Rs/Rc并令:

u′c=Rsuc/Re(6)

則有:

d1u′c=Rsis，d2u′c=Rsis(7)

式(6)即為單相并聯型APF的單周控制模型。在式(7)的控制關系成立時，電路中的電壓電流關系也必然使式(4)成立，即使電路具有單位功率因數。式(7)中u′c實際上可以對變換器直流側電容電壓做適當分壓并經過比例調節器得到，而Rs為與電源串聯的取樣電阻。同時，式(7)的單周控制模型表明：對電容電壓的分壓值進行積分，積分輸出與式(7)右邊的Rsis或-Rsis進行比較，根據比較結果來決定是否使積分器復位，即決定開關的占空比。

由以上分析及式(7)可得到圖3的單相并聯型APF單周控制模型。該模型采用2個獨立復位積分器分別滿足式(7)中2個式子的比較量需要。

積分器的積分時間常數應滿足下式:

1τ1∫d1Ts0u′cdt = 1τ1u′cd1Ts=d1u′c

1τ2∫d2Ts0u′cdt=1τ2u′cd2Ts=d2u′c(8)

因此可以得到積分器的積分時間常數τ1，τ2。

τ1=τ2=Ts(9)

由式(7)給出的控制關系所得該模型的單周控制波形示意圖見圖3，從圖3可見，is的正、負半周中始終存在

d1u′c=0和d2u′c=0(10)

故is正半周期間應始終為S4開通，S2關閉；負半周期間應始終S3開通，S1關閉。

3 實驗與結果分析

為了驗證所提出的控制策略，搭建了DSP實驗平臺，采用TMS320F2812芯片作為IGBT開關的控制板，它具有強大的數學運算和控制功能，可滿足控制系統實時控制要求。逆變主電路采用智能功率模塊PM50RSA120，其內部集成了IGBT驅動和保護電路。

圖3 單周控制波形圖

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時性，可以考慮用中斷的方式實現。由于C語言具有可讀性和可移植性，而系統軟件結構又比較復雜，所以主程序結構采用C語言，但由于C程序編譯后的效率較低，所以在涉及到大量數據計算時采用匯編語言。軟件開發系統模型如圖4所示。

圖4 軟件開發系統模型

電壓傳感器采到電網電壓信號經過電壓過零檢測送往DSP的外部中斷，作為APF的同步信號；通過電流傳感器采集到電網電流、負載電流、補償電流，由于單周控制要求較高的實時性，所以電流信號經過高速ADC模塊變換后輸入到DSP經過分析采集的電流信號，檢測出諧波分量并輸出控制信號:控制信號經過驅動電路放大、隔離，送往IPM模塊；IPM模塊產生PWM輸出信號，控制IGBT變流器；變流器產生指定的補償電流，對電網電流進行補償。

電源電壓為AC100 V/50 Hz，直流側2個4 700 μF電容串聯，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所示為實驗結果。

圖5 補償前電流波形

由圖6可見，濾波前電流嚴重畸形，但補償后初級電流顯然非常接近正弦，含量很高的諧波已消除。說明該有源濾波控制系統有很好的濾波效果。

圖6 補償后電流波形

當系統不穩定時，APF輸出的補償電流可達穩定時的幾倍甚至更高，不僅不能較好地補償諧波，反而對電網產生沖擊并容易造成APF主電路過電流損壞開關器件。因此，在研制單周控制APF時，務必使系統參數匹配，滿足全局穩定條件。

圖7 補償后電壓波形

4 結 語

本文以單相并聯有源電力濾波器為研究對象，設計基于DSP芯片的數字化控制方案，該方案用一片芯片實現單周控制，并介紹該方案的軟件設計。雖然實驗結果不盡理想，但是基于單周控制的有源電力濾波器因無需檢測負載電流和電源電壓，其無需使用任何乘法器，故可大大簡化諧波檢測電路和電流跟蹤控制電路，使控制電路簡單、可靠無延遲，主電路開關頻率恒定、易于實現，并且在一個開關周期，有效地抑制了電源側地擾動，既沒有靜態誤差，也沒有動態誤差，故單周控制以其明顯優點在有源電力濾波器中顯示出廣闊的應用前景。

參考文獻

［1］周林，沈小莉.單周控制技術在有源電力濾波中的應用［J］.電力電子技術，2004，38(4):11-13.

［2］余鳳兵，梁冠安.單周控制并聯型有源電力濾波器的仿真研究［J］.船電技術，2006(1):12-15.

［3］鐘龍翔，梁冠安，余鳳兵.單周期控制有源電力濾波器直流分量抑制新方法［J］.通信電源技術，2006，23(1):16-18.

［4］鄒榮盛，劉會金，周青山.單周控制有源濾波器控制新方法［J］.電力科學與工程，2004(2):45-48.

［5］李陽，傅仲文.有源電力濾波器參考電流算法的實現方案［J］.電測與儀表，2005，42(9):16-19.

［6］紀飛峰，解大，姚鋼.基于直流側電壓周期離散控制的單相并聯有源濾波器［J］.中國電機工程學報，2005，25(20):37-43.

［7］Meo S，Perfetto A.Comparison of Different Control Techniques f_or Acrive Filter Application［A］.Proceedings of the FourthIEEE international Caracas Conference on Devices，Circuits and Systems［C］.2002:464-469.

［8］Dragan Maksimovic，Robert Erickson.Modeling of Cross Regulation in Multiple Output Flyback Converters ［C］.IEEE APECRecord，1999:1 066-1 072.

［9］International Rectifier Corp.IR1150S Datasheet［Z］.International Rectifier Corp，2005.

［10］Mattavelli P，Marafao F.Repetitive-based Control f_or Selective Harmonic Compensation in Active Power Filters［J］.IEEE Trans.on Industrial Electronics，2004，51(5):1 018-1 024.

作者簡介

吳 剛 男，1983年出生，江蘇泰州人，碩士研究生。研究方向為電力電子。

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