基于浮點DSP芯片實現直流側有源電力濾波器的應用方案

　　作者：金春蓮，于歆杰，王贊基，陳建業，劉兵

隨著電力電子技術在電力系統中的應用越來越廣泛，電力系統的諧波污染問題也日益嚴重。有源電力濾波器是最近二十年興起的電力系統諧波和無功的消除手段。目前，實際應用中的有源電力濾波器系統都是由國外公司研制的。國家計委為了實現交直流濾波裝置的自主設計和生產，組織清華大學和錦州電容器廠合作，研制三峽高壓直流輸電的濾波裝置。現階段研制的是直流側有源電力濾波器的樣機，意在為高壓直流輸電（High Voltage Direct Current ，HVDC）的直流側有源電力濾波器系統積累工程經驗和理論指導。直流側有源電力濾波器的關鍵技術在于系統的拓撲選擇和諧波參考信號的精確分離以及控制。

在直流側有源電力濾波器的控制中，選用TI公司的DSP（TMS320C32）作為直流側有源電力濾波器的控制器的核心，和以前的模擬控制及濾波的方式相比，算法靈活，結構易調整。

1 有源電力濾波器原理

有源電力濾波器克服了傳統的無源濾波器的缺點。由于大功率器件IGBT（Insolated Gate Bipolar Transistor，絕緣柵雙極型晶體管）的發展，有源電力濾波器和傳統的無源濾波器構成的混合型濾波器已成為電力系統諧波補償的主要手段。

有源電力濾波器和弱電領域的有源濾波器存在區別和聯系。有源電力濾波器的作用是消除電力系統諧波，這和弱電領域用DSP或者運算放大器實現的濾波器的濾波功用類似，都是抑制一定頻率范圍的信號；但是它們消除諧波的途徑完全不同，弱電應用中的有源濾波器一般通過對需要的頻率分量形成通路，對其它頻率分量產生很大的阻礙，起到選出需要的頻率分量的作用。而有源電力濾波器是通過產生與電網中諧波成份大小相等、方向相反的諧波電流，注入電網，從而將電網中的諧波抵消掉。簡而言之，有源電力濾波器以補償的手段，達到了濾波的效果。這種結構與算法上的差異是由強電系統自身特點決定的。

有源電力濾波器工作原理是：用電流互感器采集直流線路上的電流，經A/D采樣，將所得的電流信號進行諧波分離算法的處理，得到諧波參考信號，作為PWM的調制信號，與三角波相比，從而得到開關信號，用此開關信號去控制IGBT單相橋，根據PWM技術的原理，將上下橋臂的開關信號反接，就可得到與線上諧波信號大小相等、方向相反的諧波電流，將線上的諧波電流抵消掉。這是前饋控制部分。再將有源濾波器接入點后的線上電流的諧波分量反饋回來，作為調節器的輸入，調整前饋控制的誤差。

需要注意的是，我們前面所說的控制器，實質上具有分離諧波參考信號和對有源電力濾波器進行控制兩方面的功能。

樣機系統直流線上電壓約為800V，容量約為5kW，用LEM公司生產的多極電流傳感器LTS 6-NP采集直流線路上的電流。直流側有源電力濾波器樣機系統的總體結構如圖1所示。

2 基于DSP的有源電力濾波器控制系統結構

TMS320C32是浮點DSP TMS320C3x的系列產品，工作頻率為40MHz；哈佛總線，并且擁有獨特的指令結構、硬件乘加運算；外部存儲空間有256K×32Bit的FLASH、2K×8Bit的NVRAM和256K×32Bit的SRAM。

選用TMS320C32的原因主要是定點DSP小數點定標變化困難，數據容易溢出，需要做繁瑣的前期數值仿真來估計數據溢出的范圍，而TMS320C32是浮點DSP，有效數據空間大，數值算法實現就簡單多了。

基于DSP的控制板的硬件結構如圖2所示。

3 程序流程

主程序流程如圖3所示。

為了提高控制系統的可靠性，在樣機主控制程序中加入了自檢功能。主控制程序流程如圖4所示。

控制系統工作流程如下：系統上電復位后，TMS320C32首先進行初始化，定時器開始計時，計時時間到，進入A/D中斷，程序自檢，如果程序跑出了設定的范圍，則返回入口處重新執行；否則，讀取A/D采樣的數據，將A/D采樣得到的整型量轉變為浮點標么值，通過諧波分離算法，將信號中的交流分量提取出來，交流分量乘以調節系數得到調制信號，將此調制信號送給PWM電路進行調制，得到有源電力濾波器主電路的開關管IGBT的控制信號，此控制信號經過IGBT驅動電路放大后，控制IGBT的通斷，產生需要補償的諧波電流。

4 仿真結果

對上述控制算法在樣機系統模型上進行了計算機仿真。補償前直流線路上的電流波形如圖5所示。補償后線上的電流如圖6所示。

從圖5、圖6的對比可以看出，有源電力濾波器的濾波效果是非常明顯的。由于有源電力濾波器處理的信號特點和一些技術上難以克服的困難，日本等研究有源電力濾波器比較早的國家提出有源電力濾波器的性能指標，要求有源電力濾波器補償的諧波份量占總諧波的75%及以上。從仿真結果來看，該有源濾波器的補償效果高達93.9%。圖7和圖8給出總諧波畸變率（Total Harmonic Distortion，即THD）的對照圖。在交流系統中，總諧波畸變率定義為所有諧波有效值之和與基波分量有效值的比值。樣機系統是面向直流的系統，系統中沒有基波分量，對于總諧波畸變率的計算相應地變為所有諧波有效值之和與直流分量的比值。圖7是補償前的總諧波畸變率，圖8是補償后的總諧波畸變率。補償了總諧波含量的90%以上，達到了有源電力濾波器的基本要求。