無功與諧波電流檢測系統的設計

孫 謀，文小玲，黃文慧，李鳳旭

(武漢工程大學，湖北 武漢 430074)

0 引 言

電力電子技術的飛速發展，一方面給電能的變換和應用帶來了方便，另一方面又給電力系統帶來了較嚴重的電能質量問題，如諧波污染、無功問題、電壓波動及不平衡等.有源電力濾波器(Active Power Filter，APF)被公認為是治理電網諧波及無功污染、改善電能質量最有效的手段[1-2].

從有源電力濾波器的工作原理可知，諧波電流的準確和快速檢測是決定有源電力濾波裝置補償性能好壞的關鍵技術之一.本文詳細論述了以TMS320LF2407 DSP(數字信號處理器)為核心的無功與諧波電流檢測的系統硬件組成原理、電壓同步信號檢測電路、電壓信號檢測電路、電流信號檢測電路的設計方法，以及系統軟件的設計方法.最后，針對不同性質的負載，對所設計的系統進行了實驗研究.

1 硬件設計

基于TMS320LF2407 DSP的無功與諧波電流檢測系統組成原理框圖如圖1所示，主要由DSP處理器、電流信號采樣電路、電壓信號采樣電路、電網電壓同步信號檢測電路組成.

圖1 諧波電流檢測系統組成原理框圖

電流信號采樣電路原理圖如圖2所示.電流流經電流傳感器CHB-25NP以后，由R1分壓電阻，得到一個雙極性電壓信號；由R2和C1組成的低通濾波器濾除其中的高頻成分后，經電壓跟隨器隔離、在雙極性電壓信號上疊加一個3.3 V的電壓、把雙極性信號變成單極性信號(A/D輸入要求為單極性信號)；再用一個電壓跟隨器進行信號隔離，由R5限流、D1與D2限幅以后得到一個符合A/D(模數轉換)輸入要求的信號，送入到DSP的A/D輸入通道.

圖2 電流信號采樣電路

電壓信號采樣電路和電流信號采樣電路的基本原理一樣，篇幅有限，這里不再贅述.

如圖3所示為電網電壓同步信號檢測電路.首先，由R2把a相電壓信號限流以后接至電壓傳感器CHV-25 V，并經分壓電阻R3得到一個雙極性電壓信號；然后，由R4和C1組成的低通濾波器濾除其中的高頻成分；最后，經電壓跟隨器和過零比較器得到帶有a相電壓相位信息的方波信號，再經DW2穩壓二極管穩定方波幅值以后直接輸入到DSP的捕獲通道CAP6.DSP內部通過CAP6捕獲方波上升沿的時刻解決與電網信號同步的問題.

圖3 電壓同步信號檢測電路

2 軟件設計

諧波電流檢測法主要有：基于Fryze(人名)傳統功率定義的檢測法[3]，基于正弦函數正交特性的檢測法[4]，同步檢測法[5]，基于瞬時無功功率理論的檢測法等[6-9].其中，瞬時無功功率理論突破了傳統的以平均值為基礎的功率定義，系統地定義了瞬時有功功率、瞬時無功功率等瞬時功率量.在許多方面取得了成功的應用.

2.1 ip-iq算法

基于瞬時無功功率理論的ip-iq(基于瞬時有功電流-無功電流)算法物理概念明確、硬件實現簡單、檢測精度高，延時小、動態特性好，檢測結果不受電網電壓波形畸變的影響而獲得廣泛應用.

要實現ip-iq算法，需要用到三相電流信號、a相電網電壓同步信號、已獲得與電網電壓同相位的正余弦信號sinωt和cosωt.為了加快運算速度，設計時sinωt和cosωt的值利用查表法取得.系統的采樣頻率取6.4 kHz，即每個工頻周期采128個點.

ip-iq算法的系統軟件主要是由CAP6(DSP處理器6號捕獲通道)中斷服務程序、T1(定時器)中斷服務程序和A/D中斷服務程序組成.CAP6中斷服務程序主要是解決指令電流與a相電壓同步及程序內部正余弦表指針復位的問題；T1中斷服務程序觸發A/D采樣；A/D中斷服務程序完成ip-iq算法.

如圖4所示為CAP6中斷服務程序的程序流程圖.CAP6捕獲到一個上升沿以后，產生一個中斷.當CAP6中斷到來時，首先計算出工頻周期T是否在允許的范圍內，若不在允許范圍內，則認為是外部噪聲引起的干擾、直接中斷返回；若在允許范圍內，則把T除以128以后賦值給定時器T1的周期寄存器，然后復位T1和正余弦表指針.

圖4 CAP6中斷服務程序流程圖

T1中斷服務程序的作用就是觸發A/D采樣，每發生一次T1周期中斷就觸發一次A/D采樣，因此A/D采樣的周期受T1周期中斷間隔時間確定，T1周期寄存器的值為工頻周期的1/128，因此一個工頻周期內將采樣128次.

圖5 A/D中斷服務程序流程圖

2.2 改進ip-iq算法

雖然ip-iq算法有很多優點，但它的缺點也很明顯，不管電網電壓是否對稱有畸變，只要存在電壓相位檢測誤差，ip-iq法就不能準確檢測出正序基波有功電流分量.改進ip-iq算法利用同頻率同相序的電壓、電流旋轉矢量在任意時刻的角度差均為常數這一原理，以固定頻率如50 Hz的正、余弦信號sinωt、cosωt為基準進行同步旋轉坐標變換求取三相正序基波電壓新相角.理論上該方法可完全消除電壓相位檢測誤差對電流正序基波有功分量檢測精度的影響，且其檢測精度不受電壓、電流波形是否對稱和畸變的影響.

要實現改進ip-iq算法，需要用到三相電流、電壓瞬時值、固定頻率為50 Hz的正余弦信號sinωt和cosωt.其軟件設計思路和主要結構與ip-iq算法基本一致，不同之處主要是A/D中斷服務程序.如圖6所示為改進ip-iq算法的A/D中斷服務程序流程圖.

圖6 改進型A/D中斷服務程序流程圖

3 實驗研究

在完成所有硬件和軟件的設計以后，以圖1作為實驗模型，電源相電壓50 V，頻率50 Hz，負載為二極管整流橋帶燈箱，負載電流有效值3 A，利用泰克公司示波器TDS3012B從DSP的D/A轉換器輸出端觀察如下幾種不同條件下的諧波電流及負載電流波形.

圖7所示為二極管整流橋帶燈箱負載與帶燈箱和電感負載情況下的電流波形，且同一圖中上面的波形表示負載電流、下面的波形表示被檢測出的諧波電流.從圖7可以看出，帶燈箱和電感負載的負載電流波峰和波谷明顯要比僅僅帶燈箱負載的負載電流波形平滑些.與此對應的諧波電流也一樣，帶燈箱和電感負載的諧波電流波峰和波谷比僅僅帶燈箱負載的諧波電流波形平滑些.帶燈箱的負載電流中只有諧波電流，而帶燈箱和電感的負載電流中含有諧波和無功電流.

圖7 不同負載下的電流波形

圖8所示為負載電流由3 A突變到5 A(如圖8(a)所示)和負載由5 A突變到3 A(見圖8(b))時的電流波形，且同一圖中上面的波形表示負載電流、下面的波形表示被檢測出的諧波電流.從圖8可以看出，不管是電流突增或電流突減，由該系統提取出的諧波電流都能快速地跟隨負載電流的變化而變化，并且都能快速的穩定下來.

圖8 負載突變時的電流波形

在a相電壓的相位都能被準確地檢測的條件下，ip-iq算法與改進的ip-iq算法都能準確檢測出電網中的諧波和無功分量，因此兩種方法都可獲得上述實驗結果.在a相支路中加入一個電感，改變a相電壓的相位，使電壓相位檢測出現一定的誤差，負載采用燈箱和電感引入無功分量.在此條件下所得到的b相電壓(幅值較大)與b相負載電流基波有功分量(幅值較小)如圖9所示.

圖9 ip-iq法與改進型的ip-iq法比較

從圖9中可以看出，用ip-iq算法得到的b相電壓與b相基波有功分量之間明顯有相位差，而改進ip-iq算法則基本上沒有相位差，因此ip-iq算法在檢測a相電壓相位有誤差時不能準確檢測出負載電流的有功分量.而改進的ip-iq算法依然能準確檢測出電網中的有功分量，但是改進的ip-iq算法硬件電路和軟件設計相對比較復雜.

4 結 語

以上給出了一種諧波電流檢測系統的硬件設計方法及在此硬件基礎上的兩種諧波檢測法的軟件設計，該方法省去了傳統方法中的鎖相環分頻電路，改由軟件的方法實現分頻，簡化了硬件電路，也同時省去了由鎖相環低通濾波所帶來的誤差.在不同性質的穩態負載條件下和負載電流突變的、且a相電壓相位無誤差的條件下，兩種檢測方法都能準確、快速地檢測出負載電流中的諧波電流分量.即使a相電壓相位有誤差，改進ip-iq算法依然能快速準確檢測出負載中的諧波和無功分量.證明該系統的設計是可行而有效的.

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