DSP在電力系統諧波控制中的運用

徐旭東

摘? 要：電網電力諧波的抑制對改善電力系統中的諧波污染有著重要的意義。結合工作實踐，對DSP在電力系統諧波控制中的運用作一簡單的分析，最終給出了系統實現的總體框圖。

關鍵詞：諧波抑制;有源電力濾波器;TMS320F240

引言：隨著工業的發展，電力電子裝置的應用越來越廣泛，如大功率可控硅器件、開關電源、變頻調速等，這些器件的使用一方面可以使電能得到有效的利用，然而另一方面其它們的非線性和不平衡用電特性將會從電網上吸收或帶入諧波電流，進而引起電網上電壓的畸變，這將會給電網中其它設備的安全運行帶來不利的影響。為此，抑制電網諧波，提高設備功率因數業已成為目前電力系統研究所面臨的一項重大課題。

電力系統中諧波控制的途徑主要有兩種：傳統的LC或LCR無源濾波技術在抑制諧波和補償無功功率方面具有結構簡單、使用方便的優點，但由于它存在著一些固有方法上的缺陷， 因此難以滿足目前公共電網對用戶諧波畸變水平越來越高的要求;目前，諧波控制的重要措施是采用有源電力濾波技術。其工作原理首先檢測電網中存在的諧波電流，其后通過控制有源變流器， 來產生與諧波電流大小相等、相位相反的補償電流注入電網，以達到削減諧波電流目的。與無源濾波器相比，APF具有易控制，無諧波放大危險，相對體積重量較小等優點，業已成為現代電力諧波抑制的重要途徑。

有源電力濾波技術的關鍵是實時、準確地檢測出被補償設備的諧波與無功電流。由于運算的實時性與系統的性能相關，而傳統的工控機或單片機雖具有很好的工控能力，但其對數字信號處理的能力卻難以滿足現代工業的要求。隨著目前DSP日新月異的發展，特別是美國TI公司開發的DSP的不斷更新換代，這些條件為電力電子裝置諧波抑制所需的控制系統提供了極好的硬件條件，利用這些硬件我們可以容易對實現負載電流中的諧波的實時檢測、分析和計算。且其具有較高的可靠性、靈活性和極高的控制精度，進而以保證了諧波抑制的精確度。

作者選用了一種實時計算能力很強的DSP芯片，在此基礎上，設計了一種基于該芯片的控制系統，完成了補償電流的實時檢測和計算，最終達到了抑制諧波目的。

一、有源電力濾波電路的原理及總體構成框圖

（一）有源濾波電路原理。有源電力濾波電路總體框圖如圖1所示：圖中，檢測及控制電路完成對負載電流的檢測，從電網中分離出諧波和基波無功電流分量。主電路輸出電流檢測的目的是使主電路輸出電流能更好地跟蹤由于各種因素引起的諧波大小變化。負載電流il按傅里葉級數展開后得：iι=∑Insin（nω+θn）=Iιcosθιsinωt+Iιsinθιcosωt+∑Insin（nω+θn）=iιp+iιq+ih

式中：iιp=Iιcosθιsinωt表示基波有功電流

iιq=Iιsinθιcosωt表示基波無功電流

ih=∑Insin（nω+θn）表示高次諧波電流

當系統電源電流用is表示，有ιι=ιs+ιc源電力濾波器輸出電流用ic表示時，有。若通過DSP控制濾波器的輸出電流，令ic=ih，則有is=iιp+iιq，即系統電源電流只包含基波電流iιp和iιq，從而達到了抑制高次諧波之目的。由上面的式子還可以看到，當控制有源濾波器的輸出電流使其ic=ih+iιq時，is=iιp，這時有源電力濾波器還可進行無功功率的補償，從而使系統電源只為負載提供基波中的有功電流。

（二）系統總體結構框圖。圖2為并聯混合型有源電力濾波器系統的結構框圖。圖中LR表示濾波電感，Ls表示電力系統阻抗的等效電感，通常諧波源為帶感性的負載，無源濾波器由3次、5次和高通濾波器組成。有源濾波器主電路是由自關斷電力半導體器件（圖中為電力MOS管）構成的電壓源型PWM逆變器構成，它通過變壓器與無源濾波器串聯后與電網相并聯，因而稱之為并聯混合型結構。通過DSP對有源濾波器的實時控制，可實現整個濾波器總的等效串聯諧波阻抗為零，確保了全部的負載諧波電流流進無源濾波器支路，從而達到提高無源濾波器的濾波效果。此外，適當控制有源濾波器還可以抑制電力系統的等效阻抗和無源濾波器之間可能產生的串、并聯諧振。

圖2? 并聯型混合有源電力濾波器系列

二、基于TMS320F240的控制系統設計

（一）系統硬件組成框圖。芯片TMS320F240是美國TI公司專門為控制電機、逆變器等而設計的一款DSP控制器，其內部集成了通用定時器，A/D轉換器，PWM電路，捕獲單元，比較單元。該芯片以C2XLP 16位定點DSP CPU為內核，內部時鐘頻率為20MHz，可在一條指令周期內完成16×16位的乘法運算。CPU片內閃爍存儲器容量為32K。此外該芯片還配置了功能完善的外部設備。由于TMS320F240的集成度很高，所需的外部擴展電路較少。因此本文選用TMS320F240作為有源電力濾波器系統控制電路的核心進行設計，其主要完成對IPM的過流欠流和過壓保護及其驅動、電流采樣與轉換。系統硬件框圖如圖3所示。其中電流采樣與信號轉換模塊完成電網諧波電流的檢測及將諧波電流轉換為TMS320F240片內ADC模塊所要求的0～5V的電壓信號;TMS320F240的輸出通過驅動模塊控制MOSFET主電路，經變壓器變壓后與無源濾波器相串聯，無源濾波器的輸出并聯接至電網;為了保護DSP芯片，設計了相應的IPM保護模塊，當系統發生過流、欠流或過壓等故障時，保護模塊可以迅速關斷MOSFET。

圖3? 系統硬件框圖

（二）系統軟件流程圖。系統軟件主要包括主程序、保護中斷服務程序和算法控制中斷服務程序。主程序完成TMS320F240系統的初始化和各個控制字的設置以及設置定時器啟動計數后，就等待中斷。根據不同的中斷進入相應的中斷服務程序。其中，保護中斷服務程序根據電壓過壓、電流過流或欠壓等異常情況對系統進行保護操作，然后使系統斷電，等待維修人員檢測故障類型并進行相應的處理;算法控制中斷服務程序則對采樣得到的各個信號進行轉換，計算出補償的參考信號，通過DSP的事件管理器發出逆變器所需的三相PWM信號，最后輸出實時的控制信號。程序流程圖如圖4所示。

三、結束語

電網諧波污染會給整個系統的安全經濟運行帶來不利的影響，而使用有源電力濾波技術為解決這一問題提供了有效手段，而實現有源濾波功能的關鍵是對諧波電流有效實時的檢測，數字信號處理器運算速度快，用它作為控制核心來檢測諧波電流和控制補償電流的產生，可以實現諧波的實時動態補償，智能化程度高。

圖4? 程序流程框圖

參考文獻：

[1]? 張雄偉，曹鐵勇編著.DSP芯片的原理與開發應用（第二版）. 電子工業出版社，2000

[2] 張衛寧編著.DSPs原理及應用.? 國防工業出版社， 20024

[3] 李藝琳.DSP在有源電力濾波器控制系統中的應用.哈爾濱商業大學學報（自然版），2003，19（2）

[4] 顧建軍，劉漢奎等.并聯型有源濾波器數字化控制系統的研究.電工技術雜志，2002，10

[5] 王時勝，黃偉棟等.DSP在電力有源濾波器的應用研究.南昌大學學報（工科版），2003，25（12）

[6] 李藝琳.DSP在有源電力濾波器控制系統中的應用.哈爾濱商業大學學報（自然版），2003，19（2）endprint

摘? 要：電網電力諧波的抑制對改善電力系統中的諧波污染有著重要的意義。結合工作實踐，對DSP在電力系統諧波控制中的運用作一簡單的分析，最終給出了系統實現的總體框圖。

關鍵詞：諧波抑制;有源電力濾波器;TMS320F240

引言：隨著工業的發展，電力電子裝置的應用越來越廣泛，如大功率可控硅器件、開關電源、變頻調速等，這些器件的使用一方面可以使電能得到有效的利用，然而另一方面其它們的非線性和不平衡用電特性將會從電網上吸收或帶入諧波電流，進而引起電網上電壓的畸變，這將會給電網中其它設備的安全運行帶來不利的影響。為此，抑制電網諧波，提高設備功率因數業已成為目前電力系統研究所面臨的一項重大課題。

電力系統中諧波控制的途徑主要有兩種：傳統的LC或LCR無源濾波技術在抑制諧波和補償無功功率方面具有結構簡單、使用方便的優點，但由于它存在著一些固有方法上的缺陷， 因此難以滿足目前公共電網對用戶諧波畸變水平越來越高的要求;目前，諧波控制的重要措施是采用有源電力濾波技術。其工作原理首先檢測電網中存在的諧波電流，其后通過控制有源變流器， 來產生與諧波電流大小相等、相位相反的補償電流注入電網，以達到削減諧波電流目的。與無源濾波器相比，APF具有易控制，無諧波放大危險，相對體積重量較小等優點，業已成為現代電力諧波抑制的重要途徑。

有源電力濾波技術的關鍵是實時、準確地檢測出被補償設備的諧波與無功電流。由于運算的實時性與系統的性能相關，而傳統的工控機或單片機雖具有很好的工控能力，但其對數字信號處理的能力卻難以滿足現代工業的要求。隨著目前DSP日新月異的發展，特別是美國TI公司開發的DSP的不斷更新換代，這些條件為電力電子裝置諧波抑制所需的控制系統提供了極好的硬件條件，利用這些硬件我們可以容易對實現負載電流中的諧波的實時檢測、分析和計算。且其具有較高的可靠性、靈活性和極高的控制精度，進而以保證了諧波抑制的精確度。

作者選用了一種實時計算能力很強的DSP芯片，在此基礎上，設計了一種基于該芯片的控制系統，完成了補償電流的實時檢測和計算，最終達到了抑制諧波目的。

一、有源電力濾波電路的原理及總體構成框圖

（一）有源濾波電路原理。有源電力濾波電路總體框圖如圖1所示：圖中，檢測及控制電路完成對負載電流的檢測，從電網中分離出諧波和基波無功電流分量。主電路輸出電流檢測的目的是使主電路輸出電流能更好地跟蹤由于各種因素引起的諧波大小變化。負載電流il按傅里葉級數展開后得：iι=∑Insin（nω+θn）=Iιcosθιsinωt+Iιsinθιcosωt+∑Insin（nω+θn）=iιp+iιq+ih

式中：iιp=Iιcosθιsinωt表示基波有功電流

iιq=Iιsinθιcosωt表示基波無功電流

ih=∑Insin（nω+θn）表示高次諧波電流

當系統電源電流用is表示，有ιι=ιs+ιc源電力濾波器輸出電流用ic表示時，有。若通過DSP控制濾波器的輸出電流，令ic=ih，則有is=iιp+iιq，即系統電源電流只包含基波電流iιp和iιq，從而達到了抑制高次諧波之目的。由上面的式子還可以看到，當控制有源濾波器的輸出電流使其ic=ih+iιq時，is=iιp，這時有源電力濾波器還可進行無功功率的補償，從而使系統電源只為負載提供基波中的有功電流。

（二）系統總體結構框圖。圖2為并聯混合型有源電力濾波器系統的結構框圖。圖中LR表示濾波電感，Ls表示電力系統阻抗的等效電感，通常諧波源為帶感性的負載，無源濾波器由3次、5次和高通濾波器組成。有源濾波器主電路是由自關斷電力半導體器件（圖中為電力MOS管）構成的電壓源型PWM逆變器構成，它通過變壓器與無源濾波器串聯后與電網相并聯，因而稱之為并聯混合型結構。通過DSP對有源濾波器的實時控制，可實現整個濾波器總的等效串聯諧波阻抗為零，確保了全部的負載諧波電流流進無源濾波器支路，從而達到提高無源濾波器的濾波效果。此外，適當控制有源濾波器還可以抑制電力系統的等效阻抗和無源濾波器之間可能產生的串、并聯諧振。

圖2? 并聯型混合有源電力濾波器系列

二、基于TMS320F240的控制系統設計

（一）系統硬件組成框圖。芯片TMS320F240是美國TI公司專門為控制電機、逆變器等而設計的一款DSP控制器，其內部集成了通用定時器，A/D轉換器，PWM電路，捕獲單元，比較單元。該芯片以C2XLP 16位定點DSP CPU為內核，內部時鐘頻率為20MHz，可在一條指令周期內完成16×16位的乘法運算。CPU片內閃爍存儲器容量為32K。此外該芯片還配置了功能完善的外部設備。由于TMS320F240的集成度很高，所需的外部擴展電路較少。因此本文選用TMS320F240作為有源電力濾波器系統控制電路的核心進行設計，其主要完成對IPM的過流欠流和過壓保護及其驅動、電流采樣與轉換。系統硬件框圖如圖3所示。其中電流采樣與信號轉換模塊完成電網諧波電流的檢測及將諧波電流轉換為TMS320F240片內ADC模塊所要求的0～5V的電壓信號;TMS320F240的輸出通過驅動模塊控制MOSFET主電路，經變壓器變壓后與無源濾波器相串聯，無源濾波器的輸出并聯接至電網;為了保護DSP芯片，設計了相應的IPM保護模塊，當系統發生過流、欠流或過壓等故障時，保護模塊可以迅速關斷MOSFET。

圖3? 系統硬件框圖

（二）系統軟件流程圖。系統軟件主要包括主程序、保護中斷服務程序和算法控制中斷服務程序。主程序完成TMS320F240系統的初始化和各個控制字的設置以及設置定時器啟動計數后，就等待中斷。根據不同的中斷進入相應的中斷服務程序。其中，保護中斷服務程序根據電壓過壓、電流過流或欠壓等異常情況對系統進行保護操作，然后使系統斷電，等待維修人員檢測故障類型并進行相應的處理;算法控制中斷服務程序則對采樣得到的各個信號進行轉換，計算出補償的參考信號，通過DSP的事件管理器發出逆變器所需的三相PWM信號，最后輸出實時的控制信號。程序流程圖如圖4所示。

三、結束語

電網諧波污染會給整個系統的安全經濟運行帶來不利的影響，而使用有源電力濾波技術為解決這一問題提供了有效手段，而實現有源濾波功能的關鍵是對諧波電流有效實時的檢測，數字信號處理器運算速度快，用它作為控制核心來檢測諧波電流和控制補償電流的產生，可以實現諧波的實時動態補償，智能化程度高。

圖4? 程序流程框圖

參考文獻：

[1]? 張雄偉，曹鐵勇編著.DSP芯片的原理與開發應用（第二版）. 電子工業出版社，2000

[2] 張衛寧編著.DSPs原理及應用.? 國防工業出版社， 20024

[3] 李藝琳.DSP在有源電力濾波器控制系統中的應用.哈爾濱商業大學學報（自然版），2003，19（2）

[4] 顧建軍，劉漢奎等.并聯型有源濾波器數字化控制系統的研究.電工技術雜志，2002，10

[5] 王時勝，黃偉棟等.DSP在電力有源濾波器的應用研究.南昌大學學報（工科版），2003，25（12）

[6] 李藝琳.DSP在有源電力濾波器控制系統中的應用.哈爾濱商業大學學報（自然版），2003，19（2）endprint

摘? 要：電網電力諧波的抑制對改善電力系統中的諧波污染有著重要的意義。結合工作實踐，對DSP在電力系統諧波控制中的運用作一簡單的分析，最終給出了系統實現的總體框圖。

關鍵詞：諧波抑制;有源電力濾波器;TMS320F240

引言：隨著工業的發展，電力電子裝置的應用越來越廣泛，如大功率可控硅器件、開關電源、變頻調速等，這些器件的使用一方面可以使電能得到有效的利用，然而另一方面其它們的非線性和不平衡用電特性將會從電網上吸收或帶入諧波電流，進而引起電網上電壓的畸變，這將會給電網中其它設備的安全運行帶來不利的影響。為此，抑制電網諧波，提高設備功率因數業已成為目前電力系統研究所面臨的一項重大課題。

電力系統中諧波控制的途徑主要有兩種：傳統的LC或LCR無源濾波技術在抑制諧波和補償無功功率方面具有結構簡單、使用方便的優點，但由于它存在著一些固有方法上的缺陷， 因此難以滿足目前公共電網對用戶諧波畸變水平越來越高的要求;目前，諧波控制的重要措施是采用有源電力濾波技術。其工作原理首先檢測電網中存在的諧波電流，其后通過控制有源變流器， 來產生與諧波電流大小相等、相位相反的補償電流注入電網，以達到削減諧波電流目的。與無源濾波器相比，APF具有易控制，無諧波放大危險，相對體積重量較小等優點，業已成為現代電力諧波抑制的重要途徑。

有源電力濾波技術的關鍵是實時、準確地檢測出被補償設備的諧波與無功電流。由于運算的實時性與系統的性能相關，而傳統的工控機或單片機雖具有很好的工控能力，但其對數字信號處理的能力卻難以滿足現代工業的要求。隨著目前DSP日新月異的發展，特別是美國TI公司開發的DSP的不斷更新換代，這些條件為電力電子裝置諧波抑制所需的控制系統提供了極好的硬件條件，利用這些硬件我們可以容易對實現負載電流中的諧波的實時檢測、分析和計算。且其具有較高的可靠性、靈活性和極高的控制精度，進而以保證了諧波抑制的精確度。

作者選用了一種實時計算能力很強的DSP芯片，在此基礎上，設計了一種基于該芯片的控制系統，完成了補償電流的實時檢測和計算，最終達到了抑制諧波目的。

一、有源電力濾波電路的原理及總體構成框圖

（一）有源濾波電路原理。有源電力濾波電路總體框圖如圖1所示：圖中，檢測及控制電路完成對負載電流的檢測，從電網中分離出諧波和基波無功電流分量。主電路輸出電流檢測的目的是使主電路輸出電流能更好地跟蹤由于各種因素引起的諧波大小變化。負載電流il按傅里葉級數展開后得：iι=∑Insin（nω+θn）=Iιcosθιsinωt+Iιsinθιcosωt+∑Insin（nω+θn）=iιp+iιq+ih

式中：iιp=Iιcosθιsinωt表示基波有功電流

iιq=Iιsinθιcosωt表示基波無功電流

ih=∑Insin（nω+θn）表示高次諧波電流

當系統電源電流用is表示，有ιι=ιs+ιc源電力濾波器輸出電流用ic表示時，有。若通過DSP控制濾波器的輸出電流，令ic=ih，則有is=iιp+iιq，即系統電源電流只包含基波電流iιp和iιq，從而達到了抑制高次諧波之目的。由上面的式子還可以看到，當控制有源濾波器的輸出電流使其ic=ih+iιq時，is=iιp，這時有源電力濾波器還可進行無功功率的補償，從而使系統電源只為負載提供基波中的有功電流。

（二）系統總體結構框圖。圖2為并聯混合型有源電力濾波器系統的結構框圖。圖中LR表示濾波電感，Ls表示電力系統阻抗的等效電感，通常諧波源為帶感性的負載，無源濾波器由3次、5次和高通濾波器組成。有源濾波器主電路是由自關斷電力半導體器件（圖中為電力MOS管）構成的電壓源型PWM逆變器構成，它通過變壓器與無源濾波器串聯后與電網相并聯，因而稱之為并聯混合型結構。通過DSP對有源濾波器的實時控制，可實現整個濾波器總的等效串聯諧波阻抗為零，確保了全部的負載諧波電流流進無源濾波器支路，從而達到提高無源濾波器的濾波效果。此外，適當控制有源濾波器還可以抑制電力系統的等效阻抗和無源濾波器之間可能產生的串、并聯諧振。

圖2? 并聯型混合有源電力濾波器系列

二、基于TMS320F240的控制系統設計

（一）系統硬件組成框圖。芯片TMS320F240是美國TI公司專門為控制電機、逆變器等而設計的一款DSP控制器，其內部集成了通用定時器，A/D轉換器，PWM電路，捕獲單元，比較單元。該芯片以C2XLP 16位定點DSP CPU為內核，內部時鐘頻率為20MHz，可在一條指令周期內完成16×16位的乘法運算。CPU片內閃爍存儲器容量為32K。此外該芯片還配置了功能完善的外部設備。由于TMS320F240的集成度很高，所需的外部擴展電路較少。因此本文選用TMS320F240作為有源電力濾波器系統控制電路的核心進行設計，其主要完成對IPM的過流欠流和過壓保護及其驅動、電流采樣與轉換。系統硬件框圖如圖3所示。其中電流采樣與信號轉換模塊完成電網諧波電流的檢測及將諧波電流轉換為TMS320F240片內ADC模塊所要求的0～5V的電壓信號;TMS320F240的輸出通過驅動模塊控制MOSFET主電路，經變壓器變壓后與無源濾波器相串聯，無源濾波器的輸出并聯接至電網;為了保護DSP芯片，設計了相應的IPM保護模塊，當系統發生過流、欠流或過壓等故障時，保護模塊可以迅速關斷MOSFET。

圖3? 系統硬件框圖

（二）系統軟件流程圖。系統軟件主要包括主程序、保護中斷服務程序和算法控制中斷服務程序。主程序完成TMS320F240系統的初始化和各個控制字的設置以及設置定時器啟動計數后，就等待中斷。根據不同的中斷進入相應的中斷服務程序。其中，保護中斷服務程序根據電壓過壓、電流過流或欠壓等異常情況對系統進行保護操作，然后使系統斷電，等待維修人員檢測故障類型并進行相應的處理;算法控制中斷服務程序則對采樣得到的各個信號進行轉換，計算出補償的參考信號，通過DSP的事件管理器發出逆變器所需的三相PWM信號，最后輸出實時的控制信號。程序流程圖如圖4所示。

三、結束語

電網諧波污染會給整個系統的安全經濟運行帶來不利的影響，而使用有源電力濾波技術為解決這一問題提供了有效手段，而實現有源濾波功能的關鍵是對諧波電流有效實時的檢測，數字信號處理器運算速度快，用它作為控制核心來檢測諧波電流和控制補償電流的產生，可以實現諧波的實時動態補償，智能化程度高。

圖4? 程序流程框圖

參考文獻：

[1]? 張雄偉，曹鐵勇編著.DSP芯片的原理與開發應用（第二版）. 電子工業出版社，2000

[2] 張衛寧編著.DSPs原理及應用.? 國防工業出版社， 20024

[3] 李藝琳.DSP在有源電力濾波器控制系統中的應用.哈爾濱商業大學學報（自然版），2003，19（2）

[4] 顧建軍，劉漢奎等.并聯型有源濾波器數字化控制系統的研究.電工技術雜志，2002，10

[5] 王時勝，黃偉棟等.DSP在電力有源濾波器的應用研究.南昌大學學報（工科版），2003，25（12）

[6] 李藝琳.DSP在有源電力濾波器控制系統中的應用.哈爾濱商業大學學報（自然版），2003，19（2）endprint