DSP在電力系統(tǒng)諧波控制中的運(yùn)用

徐旭東

摘? 要：電網(wǎng)電力諧波的抑制對(duì)改善電力系統(tǒng)中的諧波污染有著重要的意義。結(jié)合工作實(shí)踐，對(duì)DSP在電力系統(tǒng)諧波控制中的運(yùn)用作一簡(jiǎn)單的分析，最終給出了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的總體框圖。

關(guān)鍵詞：諧波抑制;有源電力濾波器;TMS320F240

引言：隨著工業(yè)的發(fā)展，電力電子裝置的應(yīng)用越來越廣泛，如大功率可控硅器件、開關(guān)電源、變頻調(diào)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(huì)從電網(wǎng)上吸收或帶入諧波電流，進(jìn)而引起電網(wǎng)上電壓的畸變，這將會(huì)給電網(wǎng)中其它設(shè)備的安全運(yùn)行帶來不利的影響。為此，抑制電網(wǎng)諧波，提高設(shè)備功率因數(shù)業(yè)已成為目前電力系統(tǒng)研究所面臨的一項(xiàng)重大課題。

電力系統(tǒng)中諧波控制的途徑主要有兩種：傳統(tǒng)的LC或LCR無源濾波技術(shù)在抑制諧波和補(bǔ)償無功功率方面具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便的優(yōu)點(diǎn)，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(wǎng)對(duì)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(shù)。其工作原理首先檢測(cè)電網(wǎng)中存在的諧波電流，其后通過控制有源變流器， 來產(chǎn)生與諧波電流大小相等、相位相反的補(bǔ)償電流注入電網(wǎng)，以達(dá)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(xiǎn)，相對(duì)體積重量較小等優(yōu)點(diǎn)，業(yè)已成為現(xiàn)代電力諧波抑制的重要途徑。

有源電力濾波技術(shù)的關(guān)鍵是實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地檢測(cè)出被補(bǔ)償設(shè)備的諧波與無功電流。由于運(yùn)算的實(shí)時(shí)性與系統(tǒng)的性能相關(guān)，而傳統(tǒng)的工控機(jī)或單片機(jī)雖具有很好的工控能力，但其對(duì)數(shù)字信號(hào)處理的能力卻難以滿足現(xiàn)代工業(yè)的要求。隨著目前DSP日新月異的發(fā)展，特別是美國TI公司開發(fā)的DSP的不斷更新?lián)Q代，這些條件為電力電子裝置諧波抑制所需的控制系統(tǒng)提供了極好的硬件條件，利用這些硬件我們可以容易對(duì)實(shí)現(xiàn)負(fù)載電流中的諧波的實(shí)時(shí)檢測(cè)、分析和計(jì)算。且其具有較高的可靠性、靈活性和極高的控制精度，進(jìn)而以保證了諧波抑制的精確度。

作者選用了一種實(shí)時(shí)計(jì)算能力很強(qiáng)的DSP芯片，在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種基于該芯片的控制系統(tǒng)，完成了補(bǔ)償電流的實(shí)時(shí)檢測(cè)和計(jì)算，最終達(dá)到了抑制諧波目的。

一、有源電力濾波電路的原理及總體構(gòu)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(cè)及控制電路完成對(duì)負(fù)載電流的檢測(cè)，從電網(wǎng)中分離出諧波和基波無功電流分量。主電路輸出電流檢測(cè)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(fù)載電流il按傅里葉級(jí)數(shù)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(dāng)系統(tǒng)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(shí)，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(tǒng)電源電流只包含基波電流iιp和iιq，從而達(dá)到了抑制高次諧波之目的。由上面的式子還可以看到，當(dāng)控制有源濾波器的輸出電流使其ic=ih+iιq時(shí)，is=iιp，這時(shí)有源電力濾波器還可進(jìn)行無功功率的補(bǔ)償，從而使系統(tǒng)電源只為負(fù)載提供基波中的有功電流。

（二）系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖。圖2為并聯(lián)混合型有源電力濾波器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。圖中LR表示濾波電感，Ls表示電力系統(tǒng)阻抗的等效電感，通常諧波源為帶感性的負(fù)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(guān)斷電力半導(dǎo)體器件（圖中為電力MOS管）構(gòu)成的電壓源型PWM逆變器構(gòu)成，它通過變壓器與無源濾波器串聯(lián)后與電網(wǎng)相并聯(lián)，因而稱之為并聯(lián)混合型結(jié)構(gòu)。通過DSP對(duì)有源濾波器的實(shí)時(shí)控制，可實(shí)現(xiàn)整個(gè)濾波器總的等效串聯(lián)諧波阻抗為零，確保了全部的負(fù)載諧波電流流進(jìn)無源濾波器支路，從而達(dá)到提高無源濾波器的濾波效果。此外，適當(dāng)控制有源濾波器還可以抑制電力系統(tǒng)的等效阻抗和無源濾波器之間可能產(chǎn)生的串、并聯(lián)諧振。

圖2? 并聯(lián)型混合有源電力濾波器系列

二、基于TMS320F240的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（一）系統(tǒng)硬件組成框圖。芯片TMS320F240是美國TI公司專門為控制電機(jī)、逆變器等而設(shè)計(jì)的一款DSP控制器，其內(nèi)部集成了通用定時(shí)器，A/D轉(zhuǎn)換器，PWM電路，捕獲單元，比較單元。該芯片以C2XLP 16位定點(diǎn)DSP CPU為內(nèi)核，內(nèi)部時(shí)鐘頻率為20MHz，可在一條指令周期內(nèi)完成16×16位的乘法運(yùn)算。CPU片內(nèi)閃爍存儲(chǔ)器容量為32K。此外該芯片還配置了功能完善的外部設(shè)備。由于TMS320F240的集成度很高，所需的外部擴(kuò)展電路較少。因此本文選用TMS320F240作為有源電力濾波器系統(tǒng)控制電路的核心進(jìn)行設(shè)計(jì)，其主要完成對(duì)IPM的過流欠流和過壓保護(hù)及其驅(qū)動(dòng)、電流采樣與轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)硬件框圖如圖3所示。其中電流采樣與信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊完成電網(wǎng)諧波電流的檢測(cè)及將諧波電流轉(zhuǎn)換為TMS320F240片內(nèi)ADC模塊所要求的0～5V的電壓信號(hào);TMS320F240的輸出通過驅(qū)動(dòng)模塊控制MOSFET主電路，經(jīng)變壓器變壓后與無源濾波器相串聯(lián)，無源濾波器的輸出并聯(lián)接至電網(wǎng);為了保護(hù)DSP芯片，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的IPM保護(hù)模塊，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生過流、欠流或過壓等故障時(shí)，保護(hù)模塊可以迅速關(guān)斷MOSFET。

圖3? 系統(tǒng)硬件框圖

（二）系統(tǒng)軟件流程圖。系統(tǒng)軟件主要包括主程序、保護(hù)中斷服務(wù)程序和算法控制中斷服務(wù)程序。主程序完成TMS320F240系統(tǒng)的初始化和各個(gè)控制字的設(shè)置以及設(shè)置定時(shí)器啟動(dòng)計(jì)數(shù)后，就等待中斷。根據(jù)不同的中斷進(jìn)入相應(yīng)的中斷服務(wù)程序。其中，保護(hù)中斷服務(wù)程序根據(jù)電壓過壓、電流過流或欠壓等異常情況對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)操作，然后使系統(tǒng)斷電，等待維修人員檢測(cè)故障類型并進(jìn)行相應(yīng)的處理;算法控制中斷服務(wù)程序則對(duì)采樣得到的各個(gè)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，計(jì)算出補(bǔ)償?shù)膮⒖夹盘?hào)，通過DSP的事件管理器發(fā)出逆變器所需的三相PWM信號(hào)，最后輸出實(shí)時(shí)的控制信號(hào)。程序流程圖如圖4所示。

三、結(jié)束語

電網(wǎng)諧波污染會(huì)給整個(gè)系統(tǒng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行帶來不利的影響，而使用有源電力濾波技術(shù)為解決這一問題提供了有效手段，而實(shí)現(xiàn)有源濾波功能的關(guān)鍵是對(duì)諧波電流有效實(shí)時(shí)的檢測(cè)，數(shù)字信號(hào)處理器運(yùn)算速度快，用它作為控制核心來檢測(cè)諧波電流和控制補(bǔ)償電流的產(chǎn)生，可以實(shí)現(xiàn)諧波的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，智能化程度高。

圖4? 程序流程框圖

參考文獻(xiàn)：

[1]? 張雄偉，曹鐵勇編著.DSP芯片的原理與開發(fā)應(yīng)用（第二版）. 電子工業(yè)出版社，2000

[2] 張衛(wèi)寧編著.DSPs原理及應(yīng)用.? 國防工業(yè)出版社， 20024

[3] 李藝琳.DSP在有源電力濾波器控制系統(tǒng)中的應(yīng)用.哈爾濱商業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然版），2003，19（2）

[4] 顧建軍，劉漢奎等.并聯(lián)型有源濾波器數(shù)字化控制系統(tǒng)的研究.電工技術(shù)雜志，2002，10

[5] 王時(shí)勝，黃偉棟等.DSP在電力有源濾波器的應(yīng)用研究.南昌大學(xué)學(xué)報(bào)（工科版），2003，25（12）

[6] 李藝琳.DSP在有源電力濾波器控制系統(tǒng)中的應(yīng)用.哈爾濱商業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然版），2003，19（2）endprint

摘? 要：電網(wǎng)電力諧波的抑制對(duì)改善電力系統(tǒng)中的諧波污染有著重要的意義。結(jié)合工作實(shí)踐，對(duì)DSP在電力系統(tǒng)諧波控制中的運(yùn)用作一簡(jiǎn)單的分析，最終給出了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的總體框圖。

關(guān)鍵詞：諧波抑制;有源電力濾波器;TMS320F240

引言：隨著工業(yè)的發(fā)展，電力電子裝置的應(yīng)用越來越廣泛，如大功率可控硅器件、開關(guān)電源、變頻調(diào)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(huì)從電網(wǎng)上吸收或帶入諧波電流，進(jìn)而引起電網(wǎng)上電壓的畸變，這將會(huì)給電網(wǎng)中其它設(shè)備的安全運(yùn)行帶來不利的影響。為此，抑制電網(wǎng)諧波，提高設(shè)備功率因數(shù)業(yè)已成為目前電力系統(tǒng)研究所面臨的一項(xiàng)重大課題。

電力系統(tǒng)中諧波控制的途徑主要有兩種：傳統(tǒng)的LC或LCR無源濾波技術(shù)在抑制諧波和補(bǔ)償無功功率方面具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便的優(yōu)點(diǎn)，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(wǎng)對(duì)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(shù)。其工作原理首先檢測(cè)電網(wǎng)中存在的諧波電流，其后通過控制有源變流器， 來產(chǎn)生與諧波電流大小相等、相位相反的補(bǔ)償電流注入電網(wǎng)，以達(dá)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(xiǎn)，相對(duì)體積重量較小等優(yōu)點(diǎn)，業(yè)已成為現(xiàn)代電力諧波抑制的重要途徑。

有源電力濾波技術(shù)的關(guān)鍵是實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地檢測(cè)出被補(bǔ)償設(shè)備的諧波與無功電流。由于運(yùn)算的實(shí)時(shí)性與系統(tǒng)的性能相關(guān)，而傳統(tǒng)的工控機(jī)或單片機(jī)雖具有很好的工控能力，但其對(duì)數(shù)字信號(hào)處理的能力卻難以滿足現(xiàn)代工業(yè)的要求。隨著目前DSP日新月異的發(fā)展，特別是美國TI公司開發(fā)的DSP的不斷更新?lián)Q代，這些條件為電力電子裝置諧波抑制所需的控制系統(tǒng)提供了極好的硬件條件，利用這些硬件我們可以容易對(duì)實(shí)現(xiàn)負(fù)載電流中的諧波的實(shí)時(shí)檢測(cè)、分析和計(jì)算。且其具有較高的可靠性、靈活性和極高的控制精度，進(jìn)而以保證了諧波抑制的精確度。

作者選用了一種實(shí)時(shí)計(jì)算能力很強(qiáng)的DSP芯片，在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種基于該芯片的控制系統(tǒng)，完成了補(bǔ)償電流的實(shí)時(shí)檢測(cè)和計(jì)算，最終達(dá)到了抑制諧波目的。

一、有源電力濾波電路的原理及總體構(gòu)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(cè)及控制電路完成對(duì)負(fù)載電流的檢測(cè)，從電網(wǎng)中分離出諧波和基波無功電流分量。主電路輸出電流檢測(cè)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(fù)載電流il按傅里葉級(jí)數(shù)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(dāng)系統(tǒng)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(shí)，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(tǒng)電源電流只包含基波電流iιp和iιq，從而達(dá)到了抑制高次諧波之目的。由上面的式子還可以看到，當(dāng)控制有源濾波器的輸出電流使其ic=ih+iιq時(shí)，is=iιp，這時(shí)有源電力濾波器還可進(jìn)行無功功率的補(bǔ)償，從而使系統(tǒng)電源只為負(fù)載提供基波中的有功電流。

（二）系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖。圖2為并聯(lián)混合型有源電力濾波器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。圖中LR表示濾波電感，Ls表示電力系統(tǒng)阻抗的等效電感，通常諧波源為帶感性的負(fù)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(guān)斷電力半導(dǎo)體器件（圖中為電力MOS管）構(gòu)成的電壓源型PWM逆變器構(gòu)成，它通過變壓器與無源濾波器串聯(lián)后與電網(wǎng)相并聯(lián)，因而稱之為并聯(lián)混合型結(jié)構(gòu)。通過DSP對(duì)有源濾波器的實(shí)時(shí)控制，可實(shí)現(xiàn)整個(gè)濾波器總的等效串聯(lián)諧波阻抗為零，確保了全部的負(fù)載諧波電流流進(jìn)無源濾波器支路，從而達(dá)到提高無源濾波器的濾波效果。此外，適當(dāng)控制有源濾波器還可以抑制電力系統(tǒng)的等效阻抗和無源濾波器之間可能產(chǎn)生的串、并聯(lián)諧振。

圖2? 并聯(lián)型混合有源電力濾波器系列

二、基于TMS320F240的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（一）系統(tǒng)硬件組成框圖。芯片TMS320F240是美國TI公司專門為控制電機(jī)、逆變器等而設(shè)計(jì)的一款DSP控制器，其內(nèi)部集成了通用定時(shí)器，A/D轉(zhuǎn)換器，PWM電路，捕獲單元，比較單元。該芯片以C2XLP 16位定點(diǎn)DSP CPU為內(nèi)核，內(nèi)部時(shí)鐘頻率為20MHz，可在一條指令周期內(nèi)完成16×16位的乘法運(yùn)算。CPU片內(nèi)閃爍存儲(chǔ)器容量為32K。此外該芯片還配置了功能完善的外部設(shè)備。由于TMS320F240的集成度很高，所需的外部擴(kuò)展電路較少。因此本文選用TMS320F240作為有源電力濾波器系統(tǒng)控制電路的核心進(jìn)行設(shè)計(jì)，其主要完成對(duì)IPM的過流欠流和過壓保護(hù)及其驅(qū)動(dòng)、電流采樣與轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)硬件框圖如圖3所示。其中電流采樣與信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊完成電網(wǎng)諧波電流的檢測(cè)及將諧波電流轉(zhuǎn)換為TMS320F240片內(nèi)ADC模塊所要求的0～5V的電壓信號(hào);TMS320F240的輸出通過驅(qū)動(dòng)模塊控制MOSFET主電路，經(jīng)變壓器變壓后與無源濾波器相串聯(lián)，無源濾波器的輸出并聯(lián)接至電網(wǎng);為了保護(hù)DSP芯片，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的IPM保護(hù)模塊，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生過流、欠流或過壓等故障時(shí)，保護(hù)模塊可以迅速關(guān)斷MOSFET。

圖3? 系統(tǒng)硬件框圖

（二）系統(tǒng)軟件流程圖。系統(tǒng)軟件主要包括主程序、保護(hù)中斷服務(wù)程序和算法控制中斷服務(wù)程序。主程序完成TMS320F240系統(tǒng)的初始化和各個(gè)控制字的設(shè)置以及設(shè)置定時(shí)器啟動(dòng)計(jì)數(shù)后，就等待中斷。根據(jù)不同的中斷進(jìn)入相應(yīng)的中斷服務(wù)程序。其中，保護(hù)中斷服務(wù)程序根據(jù)電壓過壓、電流過流或欠壓等異常情況對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)操作，然后使系統(tǒng)斷電，等待維修人員檢測(cè)故障類型并進(jìn)行相應(yīng)的處理;算法控制中斷服務(wù)程序則對(duì)采樣得到的各個(gè)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，計(jì)算出補(bǔ)償?shù)膮⒖夹盘?hào)，通過DSP的事件管理器發(fā)出逆變器所需的三相PWM信號(hào)，最后輸出實(shí)時(shí)的控制信號(hào)。程序流程圖如圖4所示。

三、結(jié)束語

電網(wǎng)諧波污染會(huì)給整個(gè)系統(tǒng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行帶來不利的影響，而使用有源電力濾波技術(shù)為解決這一問題提供了有效手段，而實(shí)現(xiàn)有源濾波功能的關(guān)鍵是對(duì)諧波電流有效實(shí)時(shí)的檢測(cè)，數(shù)字信號(hào)處理器運(yùn)算速度快，用它作為控制核心來檢測(cè)諧波電流和控制補(bǔ)償電流的產(chǎn)生，可以實(shí)現(xiàn)諧波的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，智能化程度高。

圖4? 程序流程框圖

參考文獻(xiàn)：

[1]? 張雄偉，曹鐵勇編著.DSP芯片的原理與開發(fā)應(yīng)用（第二版）. 電子工業(yè)出版社，2000

[2] 張衛(wèi)寧編著.DSPs原理及應(yīng)用.? 國防工業(yè)出版社， 20024

[3] 李藝琳.DSP在有源電力濾波器控制系統(tǒng)中的應(yīng)用.哈爾濱商業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然版），2003，19（2）

[4] 顧建軍，劉漢奎等.并聯(lián)型有源濾波器數(shù)字化控制系統(tǒng)的研究.電工技術(shù)雜志，2002，10

[5] 王時(shí)勝，黃偉棟等.DSP在電力有源濾波器的應(yīng)用研究.南昌大學(xué)學(xué)報(bào)（工科版），2003，25（12）

[6] 李藝琳.DSP在有源電力濾波器控制系統(tǒng)中的應(yīng)用.哈爾濱商業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然版），2003，19（2）endprint

摘? 要：電網(wǎng)電力諧波的抑制對(duì)改善電力系統(tǒng)中的諧波污染有著重要的意義。結(jié)合工作實(shí)踐，對(duì)DSP在電力系統(tǒng)諧波控制中的運(yùn)用作一簡(jiǎn)單的分析，最終給出了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的總體框圖。

關(guān)鍵詞：諧波抑制;有源電力濾波器;TMS320F240

引言：隨著工業(yè)的發(fā)展，電力電子裝置的應(yīng)用越來越廣泛，如大功率可控硅器件、開關(guān)電源、變頻調(diào)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(huì)從電網(wǎng)上吸收或帶入諧波電流，進(jìn)而引起電網(wǎng)上電壓的畸變，這將會(huì)給電網(wǎng)中其它設(shè)備的安全運(yùn)行帶來不利的影響。為此，抑制電網(wǎng)諧波，提高設(shè)備功率因數(shù)業(yè)已成為目前電力系統(tǒng)研究所面臨的一項(xiàng)重大課題。

電力系統(tǒng)中諧波控制的途徑主要有兩種：傳統(tǒng)的LC或LCR無源濾波技術(shù)在抑制諧波和補(bǔ)償無功功率方面具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便的優(yōu)點(diǎn)，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(wǎng)對(duì)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(shù)。其工作原理首先檢測(cè)電網(wǎng)中存在的諧波電流，其后通過控制有源變流器， 來產(chǎn)生與諧波電流大小相等、相位相反的補(bǔ)償電流注入電網(wǎng)，以達(dá)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(xiǎn)，相對(duì)體積重量較小等優(yōu)點(diǎn)，業(yè)已成為現(xiàn)代電力諧波抑制的重要途徑。

有源電力濾波技術(shù)的關(guān)鍵是實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地檢測(cè)出被補(bǔ)償設(shè)備的諧波與無功電流。由于運(yùn)算的實(shí)時(shí)性與系統(tǒng)的性能相關(guān)，而傳統(tǒng)的工控機(jī)或單片機(jī)雖具有很好的工控能力，但其對(duì)數(shù)字信號(hào)處理的能力卻難以滿足現(xiàn)代工業(yè)的要求。隨著目前DSP日新月異的發(fā)展，特別是美國TI公司開發(fā)的DSP的不斷更新?lián)Q代，這些條件為電力電子裝置諧波抑制所需的控制系統(tǒng)提供了極好的硬件條件，利用這些硬件我們可以容易對(duì)實(shí)現(xiàn)負(fù)載電流中的諧波的實(shí)時(shí)檢測(cè)、分析和計(jì)算。且其具有較高的可靠性、靈活性和極高的控制精度，進(jìn)而以保證了諧波抑制的精確度。

作者選用了一種實(shí)時(shí)計(jì)算能力很強(qiáng)的DSP芯片，在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種基于該芯片的控制系統(tǒng)，完成了補(bǔ)償電流的實(shí)時(shí)檢測(cè)和計(jì)算，最終達(dá)到了抑制諧波目的。

一、有源電力濾波電路的原理及總體構(gòu)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(cè)及控制電路完成對(duì)負(fù)載電流的檢測(cè)，從電網(wǎng)中分離出諧波和基波無功電流分量。主電路輸出電流檢測(cè)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(fù)載電流il按傅里葉級(jí)數(shù)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(dāng)系統(tǒng)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(shí)，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(tǒng)電源電流只包含基波電流iιp和iιq，從而達(dá)到了抑制高次諧波之目的。由上面的式子還可以看到，當(dāng)控制有源濾波器的輸出電流使其ic=ih+iιq時(shí)，is=iιp，這時(shí)有源電力濾波器還可進(jìn)行無功功率的補(bǔ)償，從而使系統(tǒng)電源只為負(fù)載提供基波中的有功電流。

（二）系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖。圖2為并聯(lián)混合型有源電力濾波器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。圖中LR表示濾波電感，Ls表示電力系統(tǒng)阻抗的等效電感，通常諧波源為帶感性的負(fù)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(guān)斷電力半導(dǎo)體器件（圖中為電力MOS管）構(gòu)成的電壓源型PWM逆變器構(gòu)成，它通過變壓器與無源濾波器串聯(lián)后與電網(wǎng)相并聯(lián)，因而稱之為并聯(lián)混合型結(jié)構(gòu)。通過DSP對(duì)有源濾波器的實(shí)時(shí)控制，可實(shí)現(xiàn)整個(gè)濾波器總的等效串聯(lián)諧波阻抗為零，確保了全部的負(fù)載諧波電流流進(jìn)無源濾波器支路，從而達(dá)到提高無源濾波器的濾波效果。此外，適當(dāng)控制有源濾波器還可以抑制電力系統(tǒng)的等效阻抗和無源濾波器之間可能產(chǎn)生的串、并聯(lián)諧振。

圖2? 并聯(lián)型混合有源電力濾波器系列

二、基于TMS320F240的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（一）系統(tǒng)硬件組成框圖。芯片TMS320F240是美國TI公司專門為控制電機(jī)、逆變器等而設(shè)計(jì)的一款DSP控制器，其內(nèi)部集成了通用定時(shí)器，A/D轉(zhuǎn)換器，PWM電路，捕獲單元，比較單元。該芯片以C2XLP 16位定點(diǎn)DSP CPU為內(nèi)核，內(nèi)部時(shí)鐘頻率為20MHz，可在一條指令周期內(nèi)完成16×16位的乘法運(yùn)算。CPU片內(nèi)閃爍存儲(chǔ)器容量為32K。此外該芯片還配置了功能完善的外部設(shè)備。由于TMS320F240的集成度很高，所需的外部擴(kuò)展電路較少。因此本文選用TMS320F240作為有源電力濾波器系統(tǒng)控制電路的核心進(jìn)行設(shè)計(jì)，其主要完成對(duì)IPM的過流欠流和過壓保護(hù)及其驅(qū)動(dòng)、電流采樣與轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)硬件框圖如圖3所示。其中電流采樣與信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊完成電網(wǎng)諧波電流的檢測(cè)及將諧波電流轉(zhuǎn)換為TMS320F240片內(nèi)ADC模塊所要求的0～5V的電壓信號(hào);TMS320F240的輸出通過驅(qū)動(dòng)模塊控制MOSFET主電路，經(jīng)變壓器變壓后與無源濾波器相串聯(lián)，無源濾波器的輸出并聯(lián)接至電網(wǎng);為了保護(hù)DSP芯片，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的IPM保護(hù)模塊，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生過流、欠流或過壓等故障時(shí)，保護(hù)模塊可以迅速關(guān)斷MOSFET。

圖3? 系統(tǒng)硬件框圖

（二）系統(tǒng)軟件流程圖。系統(tǒng)軟件主要包括主程序、保護(hù)中斷服務(wù)程序和算法控制中斷服務(wù)程序。主程序完成TMS320F240系統(tǒng)的初始化和各個(gè)控制字的設(shè)置以及設(shè)置定時(shí)器啟動(dòng)計(jì)數(shù)后，就等待中斷。根據(jù)不同的中斷進(jìn)入相應(yīng)的中斷服務(wù)程序。其中，保護(hù)中斷服務(wù)程序根據(jù)電壓過壓、電流過流或欠壓等異常情況對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)操作，然后使系統(tǒng)斷電，等待維修人員檢測(cè)故障類型并進(jìn)行相應(yīng)的處理;算法控制中斷服務(wù)程序則對(duì)采樣得到的各個(gè)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，計(jì)算出補(bǔ)償?shù)膮⒖夹盘?hào)，通過DSP的事件管理器發(fā)出逆變器所需的三相PWM信號(hào)，最后輸出實(shí)時(shí)的控制信號(hào)。程序流程圖如圖4所示。

三、結(jié)束語

電網(wǎng)諧波污染會(huì)給整個(gè)系統(tǒng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行帶來不利的影響，而使用有源電力濾波技術(shù)為解決這一問題提供了有效手段，而實(shí)現(xiàn)有源濾波功能的關(guān)鍵是對(duì)諧波電流有效實(shí)時(shí)的檢測(cè)，數(shù)字信號(hào)處理器運(yùn)算速度快，用它作為控制核心來檢測(cè)諧波電流和控制補(bǔ)償電流的產(chǎn)生，可以實(shí)現(xiàn)諧波的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，智能化程度高。

圖4? 程序流程框圖

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