??? 摘 要： 根據并聯型電力有源濾波裝置的原理、主電路結構特點以及對控制系統的要求，提出了基于TMS320F2812型DSP的數模混合控制系統設計方案，詳細闡述了控制系統的硬件電路及軟件設計。實驗結果證明，該控制系統能夠滿足有源濾波裝置對諧波的動態跟蹤和快速補償的要求，具有良好的工作特性。?

??? 關鍵詞： 有源濾波裝置; 數模混合控制; 諧波; 數字信號處理器

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??? 隨著大功率的整流、變頻等電力電子裝置在工業用電設備中的廣泛應用，用電負荷的非線性因素比重越來越大，這些負荷會產生大量的諧波注入電網使供電系統中的電壓、電流發生嚴重的畸變，造成電網污染、電能質量惡化。電力諧波不但消耗電網中的有功和無功功率、增加電力設備及線路的損耗、導致繼電保護設備的誤動作等影響電力系統的正常運行，而且還會干擾通信系統和電子設備。如何消除電網諧波、改善電能質量已成為近年來研究的熱點。有源電力濾波裝置APF(Active Power Filter)以其良好的動態性能和補償精度，代表了諧波補償裝置的發展方向，其中應用最多的是并聯型APF。?

??? APF對控制系統的實時性、精度以及電磁兼容性要求很高。微電子技術、微處理器的迅速發展使APF的控制系統從模擬向全數字化發展。全數字化控制系統尤其是采用雙CPU的控制系統，具有速度快和精度高、控制策略多樣性等優點，但不可避免地存在軟硬件設計復雜、電磁兼容性差等不足之處。本文采用基于TMS320F2812的數字模擬混合控制系統，其諧波指令運算由DSP數字控制電路實現，補償電流生成控制由模擬電路實現。這種控制系統與全數字控制系統相比具有測量準確、響應速度快、電路設計簡單、抗干擾能力強的優點。?

1? 并聯型APF的原理、結構及控制方法?

??? 本文中的有源濾波裝置將三相結構分解成3個單相濾波系統，其優勢在于亦適用于三相不平衡電力系統中，另外對系統中的3次諧波也有更好的解耦濾波性能。并聯型APF的結構如圖1所示。主電路由n個IGBT逆變橋并聯組成，各個模塊的交流側經過各自的連接電抗、高通濾波并聯接入電網。APF根據控制電路計算出的電流指令，通過各自的電流跟蹤控制環節產生補償電流注入電網，達到抵消濾除電網中諧波的目的。?

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??? APF控制系統包括指令電流運算、補償電流跟蹤控制以及PWM驅動電路環節。根據APF工作原理，其控制系統應當滿足以下基本要求：(1)能夠快速、準確地從負載電流中檢測出諧波成分，形成指令電流；(2)能夠良好地控制各個濾波模塊產生動態跟蹤的高精度補償電流；(3)補償電流時始終將逆變器直流側電壓穩定在特定值400V；(4)能夠讓各個濾波模塊合理分擔補償需求。?

??? 按照其控制系統要求，圖2給出了模塊化并聯型APF控制系統的控制方法原理框圖，其諧波電流檢測及補償電流控制方法為：?

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??? (1) 對電網電壓進行采樣，低通濾波鎖相后形成與電網電壓同步的正弦、余弦信號，用于諧波電流檢測運算，同時保證電流采樣時刻也與該正弦、余弦信號同步。?

??? (2) 三相負載電流經基于時域的諧波運算提取到所需補償的諧波電流，通過直流電壓閉環PI控制得到用于穩定直流電壓穩定的有功電流，兩種電流疊加形成逆變器的指令電流，將指令電流均分后作為各模塊的補償電流給定，與各個模塊的輸出反饋電流作差，采用滯環控制環節生成PWM信號，經驅動電路控制逆變器產生補償電流。?

2? 控制系統的硬件設計?

??? 根據控制方案的特點，設計了以TMS320F2812型DSP為核心的數模混合控制系統。負載電流的檢測和運算通過DSP數字電路實現，可以保證系統的檢測分析精確度和穩定性，補償電流生成控制電路由模擬電路實現，可以保證補償電流跟蹤的快速響應以及滯環寬度的均勻控制。控制系統硬件結構如圖3所示。?

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2.1 A/D采樣及DSP運算電路?

??? 運算芯片采用TI公司的32位定點數字信號處理器TMS320F2812，該芯片帶有最小轉換時間80ns的12位ADC，可以完成負載電流以及直流電壓的采樣；最高時鐘頻率可達150MHz，單指令周期僅為6.67ns，可以滿足有源濾波控制系統的實時要求。TMS320F2812負責對采樣數據進行計算分析，提取出諧波指令信號并通過D/A轉換輸出指令電流波形。?

2.2 補償電流生成控制電路?

??? 補償電流生成控制電路由模擬電路實現，將DSP運算電路計算出的諧波指令與濾波模塊輸出電流反饋的差值作為滯環比較器的輸入，形成閉環控制的PWM驅動信號，送至驅動電路，控制各濾波模塊生成所需的補償電流。?

2.3 電源及保護電路?

??? 電源電路由交流220V供電，產生控制電路元件、電流霍耳傳感器及驅動所需的5V電壓， DSP所需的3.3V、1.8V核心電壓由專用電源芯片提供。故障保護電路監測直流電壓、負載電流以及輸出補償電流，當直流過壓、負載輕載、過載以及輸出過流時，實施保護動作，封鎖IGBT。?

3 控制系統的軟件設計?

??? DSP的程序由主程序、諧波電流檢測及計算、直流環節PI調節、D/A轉換子程序組成。?

??? 控制電路軟件程序流程如圖4所示，主程序完成系統初始化后開中斷等待，中斷的作用是使正弦數組與電源電壓同步，A/D轉換根據電網電壓的同步信號啟動，一個周波采樣1 024個點，采樣周期約為20μs。為保證采樣點數的一致性，對電網同步信號進行了鎖相。諧波計算采用了基于鑒相原理的瞬時諧波電流檢測方法，利用三角函數的正交性提取濾波裝置需要的最關鍵的兩個變量——負載基波電流的幅值和相位。該方法計算簡單，容易理解，便于編程，程序中采用隊列操作，循環計算，多為加、減和乘法運算，運算速度快，有利于提高濾波器的補償效果。?

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??? TMS320F2812對上一周期的負載電流和直流電壓采樣數據進行計算，通過負載電流檢測出諧波，并對直流電壓進行PI調節，生成控制直流電壓保持穩定的基波有功電流，再將諧波與基波有功電流疊加生成電流指令，通過D/A轉換輸出至補償電流跟蹤電路。D/A轉換輸出與電網電壓同步，每周期采樣1 024點。?

4 實驗結果?

??? 對采用該控制系統的有源電力濾波裝置進行了補償實驗。實驗條件：380V三相四線制系統，負載為二極管整流橋帶電阻性負載。?

??? 圖5給出了補償前的負載電流波形和頻譜。采用FLUKE 43B諧波測試分析儀。補償前電流THD為22.4%。主要特征諧波為3次、5次、7次諧波。?

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??? 諧波補償后的電源電流波形及頻譜如圖6所示。補償后電流THD為2%。?

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??? 圖7為直流電壓和補償電流波形。從圖中可以看出，直流電壓始終穩定在400V，從而保證了濾波效果。?

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??? 本文設計的有源濾波數模混合控制系統結構簡單，抗干擾能力強。采用高度集成的單數字處理器在保證信號檢測、運算精度的基礎上，簡化了電路，縮小了控制器的體積；采用模擬電路的補償電流控制電路，克服了數字電路跟蹤補償電流電磁兼容性差的缺點。?

??? 采用的諧波檢測算法計算簡單，便于編程，也適合于三相不平衡系統的補償，應用范圍廣。濾波模塊單相化可以將三相共補與三相分補相統一，不需改變硬件和軟件結構，根據實際需要對各相濾波模塊參數設定即可。?

??? 采用本文設計的控制系統的有源電力濾波裝置，具有濾除380V及以下配電系統2～41次諧波的功能，可達到降低線路損耗、改善電能質量的重要作用，具有良好的工程應用價值。

參考文獻 ?

[1]?AKAGI H． New trends in active filters for power conditioning．IEEE Transaction on Industry Application, 1996，32?(6)：1312-1322.?

[2] 卓放，王躍，何益宏,等．全數字化控制實現的三相四線制有源電力濾波器．電工電能新技術，2001，20(3)：1-4.?

[3]?Texas Instruments TMS320F2810，TMS320F2812 digital?signal processors data manual．Texas Instruments，2003.