基于DSP的有源電力濾波控制技術(shù)研究與應(yīng)用

張利娜 馬大為

(1.河南遠(yuǎn)程電器有限公司，河南 焦作 454150;2.河南千年冷凍設(shè)備有限公司，河南 焦作 454150)

在研究諧波抑制以及無功補(bǔ)償?shù)难b置當(dāng)中，有源電力濾波器被世界各國所重視，其主要原因是:其是一種比較理想的電網(wǎng)諧波的抑制裝置。根據(jù)對(duì)有源電力濾波進(jìn)行的研究，濾波器各環(huán)節(jié)可以采用模擬式進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，然而，模擬式的調(diào)整相對(duì)困難，對(duì)于系統(tǒng)的抗干擾能力也比較差。隨著DSP 技術(shù)的不斷發(fā)展，其具有對(duì)各種信號(hào)處理算法的優(yōu)點(diǎn)，且結(jié)構(gòu)獨(dú)特。使其逐漸成為一種主流的有源電力濾波器，為獲取單元，為電子裝置實(shí)現(xiàn)數(shù)字化提供了理想的手段。本文結(jié)合模擬電力的有源電力濾波器，討論了基于DSP 的有源電力濾波器技術(shù)控制和應(yīng)用方法。

1 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理

圖1 并聯(lián)型有源濾波器的原理圖

圖1 所顯示的是并聯(lián)型的有源電力濾波器，其中e1為交流電源，負(fù)載主要為諧波源，它主要產(chǎn)生諧波以及對(duì)無功功率進(jìn)行消耗。并聯(lián)型有源電力濾波器的系統(tǒng)為APF 系統(tǒng)，其主要通過兩個(gè)部分組成，分別是電流運(yùn)算電路以及補(bǔ)償電流發(fā)生電路。

指令電流運(yùn)算電路的主要作用是通過檢測補(bǔ)償對(duì)象的斜坡，補(bǔ)償電流的主要作用是根據(jù)相關(guān)的指令發(fā)出信號(hào)，并對(duì)逆變主電路進(jìn)行控制。當(dāng)作為主電路的PWM 變流器面對(duì)補(bǔ)償電流的時(shí)候，其主要的作用就會(huì)變成逆變器。為了能夠維持電壓的恒定性，逆變器需要從電網(wǎng)當(dāng)中吸收電力。由此看來，PWM 變流器既可以在逆變狀態(tài)之下進(jìn)行工作，也可以在整流狀態(tài)下進(jìn)行工作。

TMS320f2812 核心的APF 控制系統(tǒng)

圖2 APF 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

TMS320F281 是美國推出的數(shù)字信號(hào)處理器，它具有豐富的外圍設(shè)備，主要包括:EV(事件管理)模塊，分別是A 和B，每一個(gè)模塊都擁有16 位定時(shí)器、三個(gè)捕獲單元，可以用作對(duì)PWM 信號(hào)的產(chǎn)生、提示和保護(hù)。它具有CAN，SCI 以及SPI 的通信接口，具有快速通信的優(yōu)點(diǎn)。除此之外，TMS320F281 擁有非常強(qiáng)大的控制功能，能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行強(qiáng)化處理，能夠滿足對(duì)有源濾波器控制方面的要求。

2 諧波電流的檢測和補(bǔ)償電流的生成

關(guān)于諧波電流的檢測和控制主要分為兩個(gè)部分:第一，諧波電流的檢測方法。第二，補(bǔ)償電流的控制策略。本文通過利用瞬時(shí)無功理論的方法(ip－iq)來實(shí)現(xiàn)對(duì)諧波和無功電流方面的提取，有效且準(zhǔn)確地提高了檢測的精準(zhǔn)度。下面本文對(duì)補(bǔ)償電流的生成以及諧波電流的檢測進(jìn)行分析。

2.1 諧波電流的檢測

APF 進(jìn)行精準(zhǔn)補(bǔ)償?shù)囊粋€(gè)重要關(guān)鍵點(diǎn)就在于，要準(zhǔn)確地檢測處多變的諧波電流。在諧波電流的檢測方面，目前已經(jīng)創(chuàng)造出了很多方法。例如:基于瞬時(shí)無功理論P(yáng)—Q 法以及ip－iq法等。

但三相電壓出現(xiàn)不對(duì)稱的情況或者出現(xiàn)畸形的時(shí)候，需要其進(jìn)行克服，則可以采用瞬時(shí)無功率理論的諧波檢測方法進(jìn)行檢測(ip－iq)。這種方法不會(huì)受到電壓變形以及不平衡的影響，并能進(jìn)行精準(zhǔn)的檢測。使用這種方法進(jìn)行諧波檢測的過程主要有以下幾個(gè)步驟:第一，使用鎖相環(huán)Phase—Locked Loop 對(duì)電源進(jìn)行鎖相，然后得到矩陣C。通過輸入電流ia，ib，ic.與矩陣C 相乘。得到直流分量。然后將直流分量進(jìn)行變換就可以對(duì)諧波電流進(jìn)行計(jì)算。

2.2 關(guān)于補(bǔ)償電流的控制方法

補(bǔ)償電流的控制方法非常重要，如何對(duì)變流器的狀態(tài)進(jìn)行控制是一個(gè)必須解決的問題。這就要求補(bǔ)償電流發(fā)生器具有實(shí)時(shí)性的特點(diǎn)。目前，PWM 控制的方法主要有三種形式，分別為比較式、調(diào)制式以及無差拍控制式等。本文主要對(duì)無差拍控制式進(jìn)行介紹。

無差拍控制式實(shí)際上是一種預(yù)測控制的方案。工作的原理是通過利用補(bǔ)償電流的相關(guān)數(shù)值，從而能夠計(jì)算出變流器的電流輸出值。在每一個(gè)開關(guān)周期開始的時(shí)候，對(duì)APF 所產(chǎn)生電流進(jìn)行采樣，并對(duì)本周期的APF 補(bǔ)償電流指令進(jìn)行控制。這種方法能夠讓電流變化和誤差的情況縮小，能夠有利于有源電力濾波器數(shù)字化的控制。

3 采樣周期的相關(guān)設(shè)置

圖3 采樣周期的相關(guān)設(shè)置

關(guān)于周期采樣的設(shè)置，如圖3 所顯示，整個(gè)節(jié)奏的控制是要通過定時(shí)器來決定的。它能夠?yàn)镻WM 的產(chǎn)生提供生產(chǎn)基準(zhǔn)。定時(shí)器也分為定時(shí)器1 和定時(shí)器2。其中，定時(shí)器1 主要為PWM 提供準(zhǔn)確的時(shí)間基準(zhǔn)。定時(shí)器2 則用于提供直流電壓回路的控制基準(zhǔn)。

4 技術(shù)的仿真實(shí)驗(yàn)

本系統(tǒng)可以對(duì)直流側(cè)電阻進(jìn)行控制，其電路的參數(shù)為:電源相電壓為220V，直流側(cè)電容為4650，直流側(cè)給定電壓為700V。其工作的效果如下:補(bǔ)償電源電流的波形比較對(duì)稱，且接近正弦形狀，諧波的含量有所降低。通過相關(guān)的控制，直流側(cè)電壓顯得比較平穩(wěn)，與參考數(shù)據(jù)相接近。由此看來，采用對(duì)諧波進(jìn)行檢測和補(bǔ)償電流進(jìn)行控制，能夠更好地達(dá)到濾波效果。

5 結(jié)束語

本文通過對(duì)基于DSP 有源電力濾波器控制系統(tǒng)的分析，提出了該系統(tǒng)具有速度快、精準(zhǔn)度高、電路設(shè)計(jì)簡單等優(yōu)點(diǎn)，因而具有良好的工作性能。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:ip—iq法以及無差拍控制方法對(duì)于控制系統(tǒng)有一定的優(yōu)勢，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)濾波器的及時(shí)控制，并取得良好的結(jié)果。

［1］王昭，曾國宏.基于DSP 的有源電力濾波器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究［J］.電力電容器.2007.28(05) .