并聯(lián)型有源濾波器諧波檢測的DSP實(shí)現(xiàn)

李 嵐 邢雪菲

（太原理工大學(xué)電氣與動(dòng)力工程學(xué)院，太原 030024）

并聯(lián)型有源濾波器諧波檢測的DSP實(shí)現(xiàn)

李 嵐 邢雪菲

（太原理工大學(xué)電氣與動(dòng)力工程學(xué)院，太原 030024）

本文利用TMS320F2812DSP芯片實(shí)現(xiàn)了有源濾波器設(shè)計(jì)中的諧波檢測。諧波檢測方法采用基于瞬時(shí)無功功率理論的ip-iq檢測法，并利用CCS開發(fā)軟件在以TMS320F2812DSP為核心的硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了該算法。最后將得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與Matlab中的仿真結(jié)果相比較，分析結(jié)果表明所設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能夠快速、準(zhǔn)確檢測出諧波電流，滿足有源濾波器對(duì)諧波檢測的要求。

瞬時(shí)無功功率；ip-iq檢測法；TMS320F2812DSP；PLL

1 引言

近年來，隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，電網(wǎng)中出現(xiàn)了越來越多的非線性裝置與負(fù)載，同時(shí)也將大量的諧波注入了電網(wǎng)，諧波污染問題日益嚴(yán)重。目前，諧波抑制的一個(gè)重要趨勢是采用有源電力濾波器（APF），其基本原理是從補(bǔ)償對(duì)象中檢測出諧波電流，再由補(bǔ)償裝置產(chǎn)生一個(gè)與該諧波電流大小相等、方向相反的補(bǔ)償電流，從而使電網(wǎng)電流只含有基波分量[1]。因而，正確地檢測出諧波電流的含量是APF正常工作的前提，而且諧波電流檢測的實(shí)時(shí)性和精度將直接影響APF投入后的補(bǔ)償效果。

本文在深入研究了基于瞬時(shí)無功功率理論的檢測法的基礎(chǔ)上，選擇了檢測精度高、實(shí)現(xiàn)較為簡單的ip- iq諧波檢測法。采用 32位的定點(diǎn) DSP芯片TMS320F2812作為數(shù)字信號(hào)處理器，針對(duì)三相三線制電路搭建了一套實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)諧波電流的檢測，并將實(shí)際檢測結(jié)果與Matlab仿真結(jié)果相比較，實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步證明了這種算法的準(zhǔn)確性。

2 基于瞬時(shí)無功功率理論的ip- iq檢測法

2.1 瞬時(shí)無功功率理論

假設(shè)三相電路各相電壓和電流值分別為ea、eb、ec和ia、ib、ic，將其分別變換到α- β兩相正交坐標(biāo)系下，得到 eα、 eβ和 iα、 iβ如下所示

則三相電路的瞬時(shí)有功功率p和瞬時(shí)無功功率q可由下式計(jì)算

將-α β坐標(biāo)系下的電流v變換到p-q坐標(biāo)系下，可得有功電流ip和無功電流iq

各變量的相量關(guān)系如圖1所示。

圖1 相量圖

2.2 ip-iq 檢測法

ip-iq檢測方法的運(yùn)算框圖如圖2所示。

圖2 ip-iq 檢測法運(yùn)算框圖

其中，PLL是鎖相環(huán)，它與正、余弦發(fā)生電路共同為 pq變換（由兩相靜止的αβ坐標(biāo)系和兩相旋轉(zhuǎn)的pq坐標(biāo)系之間的變換）提供所需的與a相電網(wǎng)電壓同相位的正弦信號(hào)sin t和余弦信號(hào)cost；LPF是低通濾波器。

根據(jù)瞬時(shí)無功功率理論，三相電網(wǎng)電流ia、ib、ic經(jīng)3/2變換、pq變換之后可得

計(jì)算出有功電流ip和無功電流iq之后，再經(jīng)過低通濾波器 LPF，即可得到有功電流和無功電流的直流分量和，然后再通過坐標(biāo)反變換就能計(jì)算出電網(wǎng)電流ia、ib、ic的基波分量iaf、ibf、icf。公式如下：

最后用電網(wǎng)電流ia、ib、ic減去基波分量iaf、ibf、icf，即可得到電網(wǎng)電流ia、ib、ic中的諧波分量iah、ibh、ich

3 諧波檢測法在DSP TMS320F2812上的實(shí)現(xiàn)

本文選用32位定點(diǎn)DSP TMS320F2812芯片作為微處理器，具體的實(shí)現(xiàn)步驟可大致分為三個(gè)部分：捕獲電路及正、余弦信號(hào)的產(chǎn)生、A/D采樣及精度校正、算法的編程。

3.1 鎖相環(huán)PLL電路

該電路的作用是為 pq變換所需的正余弦信號(hào)提供啟動(dòng)信號(hào)。采用 CD4046鎖相環(huán)芯片，如圖3所示，首先將a相電壓信號(hào)經(jīng)過降壓、移相、過零比較、調(diào)理等處理，之后送入鎖相環(huán)芯片的輸入端，最后將鎖相環(huán)的輸出信號(hào)經(jīng)鉗位之后送入DSP的捕獲單元。

圖3 捕獲調(diào)理及鎖相環(huán)電路

有了捕獲的啟動(dòng)信號(hào)之后，運(yùn)用查表法產(chǎn)生正、余弦信號(hào)，具體做法是首先給定一個(gè)順序含有N個(gè)正弦值的表，然后在諧波計(jì)算時(shí)通過指針遞增來進(jìn)行查表。

在三相三線制電路中由于沒有中線，不能直接檢測a相電壓，只能檢測到a、b兩相間的線電壓uab，所以在實(shí)際電路中，DSP的捕獲單元檢測到的實(shí)際上是線電壓uab調(diào)理后得到的矩形波的上升沿，而在諧波計(jì)算中用到的是與相電壓ua同相位的正余弦信號(hào)，又因?yàn)榫€電壓uab超前相電壓ua30°，所以，在查表時(shí)必須將得到啟動(dòng)信號(hào)的對(duì)應(yīng)值轉(zhuǎn)換成相電壓信號(hào)的對(duì)應(yīng)值，即查表時(shí)，uab電角度為0°對(duì)應(yīng)ua電角度330°時(shí)的值[2]。

3.2 A/D采樣及精度校正

TMS320F2812自帶一個(gè) 12位 16通道的模/數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）模塊，其采樣精度有一定的誤差，因此有必要對(duì)采樣結(jié)果進(jìn)行精度校正，以滿足APF的精度要求。造成TMS320F2812采樣精度不高的原因主要是由于存在增益誤差和偏移誤差，要提高精度就必須對(duì)這兩項(xiàng)誤差進(jìn)行補(bǔ)償[3]。增益誤差和偏移誤差的計(jì)算方法如下

式中，X為理想采樣值，Y為實(shí)際采樣值；Gain為校正后的增益，Offset為校正后的偏移量，計(jì)算公式為：其中X1，Y1和X2，Y2分別為前后兩次的理想采樣值和實(shí)際采樣值。

A/D采樣程序流程如圖4所示。

圖4 A/D采樣程序流程

4 諧波算法的軟件實(shí)現(xiàn)

程序設(shè)計(jì)中，主要用到了以下幾個(gè) TMS320F 2812的內(nèi)部模塊：PLL模塊、看門狗模塊、中斷控制模塊、事件管理器模塊和A/D轉(zhuǎn)換模塊等。整個(gè)程序分為主程序和中斷服務(wù)程序，主程序的功能是對(duì)所涉及到的寄存器、函數(shù)、常量、變量進(jìn)行初始化，中斷服務(wù)程序包括捕獲中斷程序和諧波計(jì)算程序[4]。程序框圖如圖5所示。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

在理論分析的基礎(chǔ)上，搭建了系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如圖6所示。其中，三相對(duì)稱電網(wǎng)電壓為380V，諧波源為三相橋式整流電路，整流橋負(fù)載阻感負(fù)載

圖5 程序流程圖

圖6 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)硬件電路

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。其中，圖7（a）為正弦波線電壓 uab及經(jīng)鎖相環(huán)電路測得的鎖相環(huán)輸出信號(hào)波形，由圖可見二者的相位完全一致；圖7（b）為三相負(fù)載電流中的其中一相ia，可以看出由于負(fù)載的影響，已經(jīng)使得電網(wǎng)電流產(chǎn)生了嚴(yán)重的畸變；圖7（c）為負(fù)載電流變換到α-β兩相正交坐標(biāo)系得到的 iα、iβ波形；圖7（d）為電流iα、iβ變換到-q坐標(biāo)系得到的ip、iq波形；圖7（e）為有功電流ip和無功電流iq經(jīng)低通濾波、pq反變換后得到的基波電流波形；圖7（f）為實(shí)際測得的諧波電流波形。

圖7 實(shí)驗(yàn)結(jié)果波形

圖8為利用Matlab仿真得到的諧波電流波形，將其與實(shí)際測得的諧波電流波形對(duì)比可見實(shí)際與仿真得到波形基本一致。

圖9是諧波電流波形與補(bǔ)償電流波形，補(bǔ)償電流是采用三角波控制方法控制IPM輸出的電流，由圖可見，補(bǔ)償電流與諧波電流基本滿足大小相等、方向相反，可實(shí)現(xiàn)控制要求。

圖8 Matlab仿真a、b兩相諧波電流波形

圖9 諧波電流與補(bǔ)償電流波形

6 結(jié)論

本文選用 TMS320F2812DSP芯片作為微處理器，搭建了諧波檢測的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，諧波計(jì)算方法選用了檢測精度高、實(shí)現(xiàn)較為簡單的ip- iq檢測法，通過 C語言編程實(shí)現(xiàn)，并將實(shí)際檢測結(jié)果與Matlab中的仿真結(jié)果相比較，結(jié)果證明實(shí)驗(yàn)中成功計(jì)算出了諧波電流，并且具有良好的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)了諧波電流檢測的數(shù)字化。

[1] 王兆安,楊君,劉進(jìn)軍.諧波抑制和無功功率補(bǔ)償[M]. 北京:北京機(jī)械工業(yè)出版社,1998.

[2] 王凱.基于 TMS320F2812的有源電力濾波器研究[D]. 太原理工大學(xué), 2010.

[3] 馬進(jìn),曾建軍,萬浩平.一種高精度A/D采樣方法在TMS320F2812上的C語言實(shí)現(xiàn)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī),2009,22(3):27-28.

[4] 王冬平,陳樹君, 黃繼強(qiáng),殷樹言. 基于瞬時(shí)無功功率理論的諧波檢測的 DSP實(shí)現(xiàn)[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2002, 28(4): 495-499.

Implementation of Harmonic Detection with DSP for Parallel Active Power Filter

Li Lan Xing Xuefei
(College of Electrical and Power Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024)

Harmonic detection in the design of active power filter is implemented using digital signal processor (DSP) TMS320F2812in this paper. The ip-iqdetecting method based on instantaneous reactive power theory is adopted as harmonic detection method, and it’s realized on the hardware experimental platform with digital signal processor TMS320F2812as the core using the development software CCS.Finally, the experimental results are compared with the Matlab simulation results, and the analysis results show that the harmonic current can be detected quickly and accurately in the experimental system designed,which meets the harmonic detection requirements of active power filter (APF).

instantaneous reactive power；harmonic detection TMS320F2812DSP；phase-locked loop

李 嵐（1962-），女，博士，主要研究方向：電機(jī)調(diào)速及其控制；諧波抑制與無功補(bǔ)償。

邢雪菲（1986-），女，碩士研究生，主要研究方向：諧波抑制；無功補(bǔ)償。