基于DSP的單相有源電力濾波器的研究與設計

邵賀鋒全惠敏

（1.中國建筑西南設計研究院有限公司，成都 610041；2.湖南大學電氣與信息工程學院，長沙 410082）

基于DSP的單相有源電力濾波器的研究與設計

邵賀鋒1全惠敏2

（1.中國建筑西南設計研究院有限公司，成都 610041；2.湖南大學電氣與信息工程學院，長沙 410082）

首先介紹了單相有源電力濾波器的基本原理與系統結構，然后闡述了基于鑒相原理的諧波檢測方法與系統總體的控制策略。針對有源電力濾波器高速，精確的要求，利用高速浮點數字信號處理芯片TMS320F28335作為主控器，設計了一套全新的單相有源電力濾波器，文中給出具體的硬件設計和軟件流程。最后，通過實驗表明，本文所設計的系統正確性和有效性。

有源電力濾波器；諧波檢測；控制策略；硬件設計

現代電力系統中，各種非線性負載的廣泛使用，引入了大量的諧波，給電力系統造成了嚴重的危害。有源電力濾波器以其優越的補償性能成為諧波抑制的重要手段，是改善電能質量的一個重要發展趨勢。

目前國內外對有源電力濾波器的研究主要集中在三相有源電力濾波器上[1-2]。然而單相設備在電力電子設備及日常生活中占的比例要遠遠大于三相設備，在民用建筑中單相設備占總容量的70%左右；大功率的應用場合，三個單相APF組成的系統比一個三相APF更適合不平衡負載[3]。隨著單相設備的廣泛使用，由單相設備引起的諧波問題也日趨嚴重。

本文對單相有源電力濾波器進行了研究，利用TI最新的浮點型控制芯片TMS320F28335作為控制器對單相有源電力濾波器進行了設計，給出了單相有源電力濾波器的軟硬件設計，搭建了系統平臺。最后進行了實驗驗證改設計方案的正確性和有效性。

1 基本原理及系統結構

有源電力濾波器是一種可以對動態變化的諧波無功進行補償的裝置，它能夠對各次諧波進行主動跟蹤和補償。其通過采樣負載電流和電壓，通過指令電流運算電路計算出補償電流的指令信號，反相后用該信號控制逆變器的導通，得出補償電流，從而抵消負載中相應電流，實現了動態跟蹤補償，而且既可以補償諧波又可以補償無功[4]。圖 1所示為單相并聯型有源電力濾波器的原理圖。

從圖1中可以看出，有源電力濾波器與非線性負載都并聯在單相電源上。接入電網的非線性負載產生負載電流，向電網注入諧波和無功電流，系統通過傳感器將采集到的負載電流送到諧波電流檢測運算電路，經計算得出的指令信號來控制補償電流發生電路（由電流跟蹤控制電路、驅動電路和逆變器主電路三個部分構成）工作，逆變器輸出的電壓與電網電壓的壓差作用在濾波電感上，產生補償電流注入電網，從而補償了諧波無功電流，使電網電流信號呈現標準的正弦波形。

圖1 單相有源電力濾波器原理圖

2 諧波檢測與控制策略

諧波檢測是有源電力濾波器的關鍵環節，其快速性與精確度直接影響補償電流的輸出結果。本文選擇了基于鑒相原理的諧波檢測方法。以電網電壓信號為基準信號，通過鎖相環產生出標準的正弦與余弦信號，把檢測到的瞬時電流與標準的正余弦信號進行線性變化處理再通過低通濾波器后濾出其直流分量，從而得到諧波和無功電流[5]。該方法高效、簡便，易于在實驗中實現。圖2所示為帶直流側電壓控制的諧波檢測過程。

圖2 諧波檢測過程

將檢測到的諧波電流進行系統閉環總體控制，本系統的外環是直流側電壓環控制，內環是逆變器輸出的補償電流控制。有源電力濾波器的直流側電壓一般是由功率管反并聯的二極管電網電壓整流來獲得，通過控制電壓環可以達到直流側與電網有功能量的交換，保證有源電力濾波器在啟動時直流側充電到預期電壓。在正常運行時控制電壓環從電網得到有功功率，維持直流側電壓穩定[6-7]。

圖中，Udc為直流側實際電壓，Uref為直流側給定電壓，兩者的差值經PI調節器調節后疊加到諧波檢測出來的有功電流的直流分量Ip上，然后再乘以標準正弦信號，就得到了瞬時有功電流。檢測到的負載電流 is(t)減去該有功電流就可得到諧波和無功電流之和ih(t)。

圖3所示為系統控制圖，本文選擇 PI+三角波的調制方法。將反相后得到的其與逆變器輸出的補償電流ic(t)做差，該誤差信號經PI調節后與三角波信號比較，產生相應的PWM信號控制逆變器導通。

圖3 系統控制圖

3 系統軟硬件設計

單相并聯型有源電力濾波器的硬件系統主要由APF主電路、DSP控制板、信號采樣調理電路、MOSFET驅動電路等組成，本設計系統采用TMS320F28335作為主控芯片，搭建了系統平臺如圖4所示。

圖4 系統硬件架構圖

由于有源電力濾波器對實時性和高效性要求比較高，所以本文的主控芯片選擇了 TI公司的TMS320F28335。TMS320F28335是TI的2000系列中新推出的一款32位的具有浮點內核的DSP芯片，也是目前工業控制領域最先進的處理器之一。其主頻高達150MHz（6.67ns時鐘周期），內核電壓1.9V/1.8V，IO口電壓為3.3V；具有IEEE-754單精度浮點運算單元（FTU），16×16和32×32介質訪問控制（MAC）運算，哈佛總算結構，快速中斷響應和處理；16位或32位外部接口，可處理超過2M×16位地址范圍；片內存儲器256K×16位Flash存儲器，34K×16位單口隨機存儲器（SARAM），1K×16位一次性可編程（OTP）ROM[8]。

系統通過傳感器將采集到的信號先送到采樣調理電路，經過調理后的信號輸入DSP控制板進行諧波計算，計算得出的指令信號來控制APF主電路的工作，最終主電路輸出的電壓與電網電壓的壓差作用在濾波電感L上，從而產生補償電流注入電網，補償了諧波和無功電流，使電網電流信號呈現標準的正弦波形。

系統軟件包括主程序和中斷程序。主程序流程圖如圖5所示。

圖5 系統主程序流程圖

主程序中主要完成初始化，對系統變量進行定義并且對系統中斷向量以及引腳初始化進行設置。主要包括CPU及外設時鐘的設置、EPWM模塊初始化、ADC模塊初始化、GPIO初始化、外部中斷配置，完成初始化后程序然后進入循環狀態，等待中斷的到來。

中斷程序主要由外部中斷子程序和定時器周期中斷子程序組成，分別如圖 6、圖 7所示。外部中斷子程序用來實現電網電壓同步，正余弦表復位，開啟定時器工作，其通過不斷檢測方波信號的上升沿來初始化系統計數值，然后復位正余弦表。

定時器周期中斷子程序中負責所有的控制過程，包括AD采樣、正弦表地址移位、諧波計算、低通濾波、直流側電壓PI控制、補償電流指令控制、PWM信號生成等。設計中設置采樣周期為6.4kHz，由定時器觸發AD采樣，然后進入諧波計算部分，依次進行數字低通濾波、直流側電壓控制、PI+三角波比較生成PWM信號。

圖6 外部中斷主程序流程圖

圖7 定時器中斷子程序流程圖

4 實驗結果

根據圖4所示的硬件結構，設計了一臺220VA的單相并聯型有源電力濾波實驗裝置，開關頻率選擇為6.4kHz，諧波負載為帶感性負載的單相不控整流電路，在 110V交流系統下實驗。采集觀察補償前后電網電壓與負載電流如圖8所示，對補償前后的負載電流進行FFT分析，所得結果如圖9所示。

圖8 補償前后的電網電壓與電網電流

圖9 補償前后電流畸變率對比

從圖中可以看出，電流畸變率從補償前的29.5%下降到了 3.82%，說明本設計的有源電力濾波器具有良好的補償性能。

5 結論

本文對單相并聯型有源電力濾波器進行了研究，介紹了諧波檢測的一種新方法，并對控制策略進行了分析，在基于TMS320F28335的基礎上搭建了一臺樣機，對所討論的理論進行了實驗驗證，實驗結果表明，該有源電力濾波器具有很好的補償性能。

[1]王兆安,楊君,劉進軍,等.諧波抑制和無功功率補償[M].2版.北京:機械工業出版社,2006.

[2]羅安.電網諧波治理和無功補償技術及裝備[M].北京:中國電力出版社,2006.

[3]戴瑜興.智能建筑配電系統諧波及無功的綜合補償研究[Z].長沙,2003:6-10.

[4]姜齊榮,趙東元,陳建業.有源電力濾波器-結構、原理、控制[M].北京:科學出版社,2005.

[5]杜少武,吳義敏,黃海宏.一種基于 DSP的單相諧波檢測方法的研究[J].電力電子技術,2012,46（2）:80-82.

[6]周林,莊華,栗秋華,等.單相有源電力濾波器的控制方法[J].重慶大學學報(自然科學版),2007,30（1）:32-35.

[7]邢雪菲.基于 DSP的有源濾波裝置諧波檢測及其控制策略的研究[D].太原:太原理工大學,2011:37-45.

[8]符曉,朱洪順.TMS320F2833xDSP應用開發與實踐[M].北京:北京航空航天大學出版社,2013.

Research and Design on a Single-phase Active Power Filter based on DSP

Shao Hefeng1Quan Huimin2
(1.China Southwest Architectural Design and Research Institute Co.,Ltd,Chengdu 610041;2.College of Electrical and Information Engineering,Hu’nan University,Changsha 410082)

Firstly,the basic principle of single-phase active power filter is introduced.Then It analyzes the harmonic detection method based phase distinguishing technology and the control strategy of system.Aiming at the high speed and precision requirements of the active power filter,a new single-phase active power filter is designed by using the high speed floating point digital signal processing chip TMS320F28335.Specific hardware design and software flow are given in this paper.Finally,experiments show that the design of the system is correct and effective.

active power filter;harmonic detection;control strategy;hardware design

邵賀鋒（1989-），男，甘肅省秦安人，助理工程師，從事電網諧波補償、電能質量控制研究的工作。