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。由鎖相環可以得到電網的相位值θ，再通過正余弦發生器產生信號，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系統設計

3.1 硬件部分

APF系統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測量電網系統輸出電流波形，在0.03s時刻將有源濾波裝置投入到系統，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，使系統裝置穩定可靠，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．