并聯型有源濾波器諧波檢測的DSP實現

李 嵐 邢雪菲

（太原理工大學電氣與動力工程學院，太原 030024）

并聯型有源濾波器諧波檢測的DSP實現

李 嵐 邢雪菲

（太原理工大學電氣與動力工程學院，太原 030024）

本文利用TMS320F2812DSP芯片實現了有源濾波器設計中的諧波檢測。諧波檢測方法采用基于瞬時無功功率理論的ip-iq檢測法，并利用CCS開發軟件在以TMS320F2812DSP為核心的硬件實驗平臺上實現了該算法。最后將得到的實驗結果與Matlab中的仿真結果相比較，分析結果表明所設計實驗系統能夠快速、準確檢測出諧波電流，滿足有源濾波器對諧波檢測的要求。

瞬時無功功率；ip-iq檢測法；TMS320F2812DSP；PLL

1 引言

近年來，隨著電力電子技術的飛速發展，電網中出現了越來越多的非線性裝置與負載，同時也將大量的諧波注入了電網，諧波污染問題日益嚴重。目前，諧波抑制的一個重要趨勢是采用有源電力濾波器（APF），其基本原理是從補償對象中檢測出諧波電流，再由補償裝置產生一個與該諧波電流大小相等、方向相反的補償電流，從而使電網電流只含有基波分量[1]。因而，正確地檢測出諧波電流的含量是APF正常工作的前提，而且諧波電流檢測的實時性和精度將直接影響APF投入后的補償效果。

本文在深入研究了基于瞬時無功功率理論的檢測法的基礎上，選擇了檢測精度高、實現較為簡單的ip- iq諧波檢測法。采用 32位的定點 DSP芯片TMS320F2812作為數字信號處理器，針對三相三線制電路搭建了一套實驗平臺，實現了對諧波電流的檢測，并將實際檢測結果與Matlab仿真結果相比較，實驗結果進一步證明了這種算法的準確性。

2 基于瞬時無功功率理論的ip- iq檢測法

2.1 瞬時無功功率理論

假設三相電路各相電壓和電流值分別為ea、eb、ec和ia、ib、ic，將其分別變換到α- β兩相正交坐標系下，得到 eα、 eβ和 iα、 iβ如下所示

則三相電路的瞬時有功功率p和瞬時無功功率q可由下式計算

將-α β坐標系下的電流v變換到p-q坐標系下，可得有功電流ip和無功電流iq

各變量的相量關系如圖1所示。

圖1 相量圖

2.2 ip-iq 檢測法

ip-iq檢測方法的運算框圖如圖2所示。

圖2 ip-iq 檢測法運算框圖

其中，PLL是鎖相環，它與正、余弦發生電路共同為 pq變換（由兩相靜止的αβ坐標系和兩相旋轉的pq坐標系之間的變換）提供所需的與a相電網電壓同相位的正弦信號sin t和余弦信號cost；LPF是低通濾波器。

根據瞬時無功功率理論，三相電網電流ia、ib、ic經3/2變換、pq變換之后可得

計算出有功電流ip和無功電流iq之后，再經過低通濾波器 LPF，即可得到有功電流和無功電流的直流分量和，然后再通過坐標反變換就能計算出電網電流ia、ib、ic的基波分量iaf、ibf、icf。公式如下：

最后用電網電流ia、ib、ic減去基波分量iaf、ibf、icf，即可得到電網電流ia、ib、ic中的諧波分量iah、ibh、ich

3 諧波檢測法在DSP TMS320F2812上的實現

本文選用32位定點DSP TMS320F2812芯片作為微處理器，具體的實現步驟可大致分為三個部分：捕獲電路及正、余弦信號的產生、A/D采樣及精度校正、算法的編程。

3.1 鎖相環PLL電路

該電路的作用是為 pq變換所需的正余弦信號提供啟動信號。采用 CD4046鎖相環芯片，如圖3所示，首先將a相電壓信號經過降壓、移相、過零比較、調理等處理，之后送入鎖相環芯片的輸入端，最后將鎖相環的輸出信號經鉗位之后送入DSP的捕獲單元。

圖3 捕獲調理及鎖相環電路

有了捕獲的啟動信號之后，運用查表法產生正、余弦信號，具體做法是首先給定一個順序含有N個正弦值的表，然后在諧波計算時通過指針遞增來進行查表。

在三相三線制電路中由于沒有中線，不能直接檢測a相電壓，只能檢測到a、b兩相間的線電壓uab，所以在實際電路中，DSP的捕獲單元檢測到的實際上是線電壓uab調理后得到的矩形波的上升沿，而在諧波計算中用到的是與相電壓ua同相位的正余弦信號，又因為線電壓uab超前相電壓ua30°，所以，在查表時必須將得到啟動信號的對應值轉換成相電壓信號的對應值，即查表時，uab電角度為0°對應ua電角度330°時的值[2]。

3.2 A/D采樣及精度校正

TMS320F2812自帶一個 12位 16通道的模/數轉換（ADC）模塊，其采樣精度有一定的誤差，因此有必要對采樣結果進行精度校正，以滿足APF的精度要求。造成TMS320F2812采樣精度不高的原因主要是由于存在增益誤差和偏移誤差，要提高精度就必須對這兩項誤差進行補償[3]。增益誤差和偏移誤差的計算方法如下

式中，X為理想采樣值，Y為實際采樣值；Gain為校正后的增益，Offset為校正后的偏移量，計算公式為：其中X1，Y1和X2，Y2分別為前后兩次的理想采樣值和實際采樣值。

A/D采樣程序流程如圖4所示。

圖4 A/D采樣程序流程

4 諧波算法的軟件實現

程序設計中，主要用到了以下幾個 TMS320F 2812的內部模塊：PLL模塊、看門狗模塊、中斷控制模塊、事件管理器模塊和A/D轉換模塊等。整個程序分為主程序和中斷服務程序，主程序的功能是對所涉及到的寄存器、函數、常量、變量進行初始化，中斷服務程序包括捕獲中斷程序和諧波計算程序[4]。程序框圖如圖5所示。

5 實驗結果及分析

在理論分析的基礎上，搭建了系統實驗平臺，如圖6所示。其中，三相對稱電網電壓為380V，諧波源為三相橋式整流電路，整流橋負載阻感負載

圖5 程序流程圖

圖6 實驗系統硬件電路

實驗結果如圖7所示。其中，圖7（a）為正弦波線電壓 uab及經鎖相環電路測得的鎖相環輸出信號波形，由圖可見二者的相位完全一致；圖7（b）為三相負載電流中的其中一相ia，可以看出由于負載的影響，已經使得電網電流產生了嚴重的畸變；圖7（c）為負載電流變換到α-β兩相正交坐標系得到的 iα、iβ波形；圖7（d）為電流iα、iβ變換到-q坐標系得到的ip、iq波形；圖7（e）為有功電流ip和無功電流iq經低通濾波、pq反變換后得到的基波電流波形；圖7（f）為實際測得的諧波電流波形。

圖7 實驗結果波形

圖8為利用Matlab仿真得到的諧波電流波形，將其與實際測得的諧波電流波形對比可見實際與仿真得到波形基本一致。

圖9是諧波電流波形與補償電流波形，補償電流是采用三角波控制方法控制IPM輸出的電流，由圖可見，補償電流與諧波電流基本滿足大小相等、方向相反，可實現控制要求。

圖8 Matlab仿真a、b兩相諧波電流波形

圖9 諧波電流與補償電流波形

6 結論

本文選用 TMS320F2812DSP芯片作為微處理器，搭建了諧波檢測的實驗平臺，諧波計算方法選用了檢測精度高、實現較為簡單的ip- iq檢測法，通過 C語言編程實現，并將實際檢測結果與Matlab中的仿真結果相比較，結果證明實驗中成功計算出了諧波電流，并且具有良好的實時性和準確性，實現了諧波電流檢測的數字化。

[1] 王兆安,楊君,劉進軍.諧波抑制和無功功率補償[M]. 北京:北京機械工業出版社,1998.

[2] 王凱.基于 TMS320F2812的有源電力濾波器研究[D]. 太原理工大學, 2010.

[3] 馬進,曾建軍,萬浩平.一種高精度A/D采樣方法在TMS320F2812上的C語言實現[J].工業控制計算機,2009,22(3):27-28.

[4] 王冬平,陳樹君, 黃繼強,殷樹言. 基于瞬時無功功率理論的諧波檢測的 DSP實現[J].北京工業大學學報, 2002, 28(4): 495-499.

Implementation of Harmonic Detection with DSP for Parallel Active Power Filter

Li Lan Xing Xuefei
(College of Electrical and Power Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024)

Harmonic detection in the design of active power filter is implemented using digital signal processor (DSP) TMS320F2812in this paper. The ip-iqdetecting method based on instantaneous reactive power theory is adopted as harmonic detection method, and it’s realized on the hardware experimental platform with digital signal processor TMS320F2812as the core using the development software CCS.Finally, the experimental results are compared with the Matlab simulation results, and the analysis results show that the harmonic current can be detected quickly and accurately in the experimental system designed,which meets the harmonic detection requirements of active power filter (APF).

instantaneous reactive power；harmonic detection TMS320F2812DSP；phase-locked loop

李 嵐（1962-），女，博士，主要研究方向：電機調速及其控制；諧波抑制與無功補償。

邢雪菲（1986-），女，碩士研究生，主要研究方向：諧波抑制；無功補償。