摘 要： 根据并联型电力有源滤波装置的原理、主电路结构特点以及对控制系统的要求，提出了基于TMS320F2812型DSP的数模混合控制系统设计方案，详细阐述了控制系统的硬件电路及软件设计。实验结果证明，该控制系统能够满足有源滤波装置对谐波的动态跟踪和快速补偿的要求，具有良好的工作特性。 

    关键词： 有源滤波装置; 数模混合控制; 谐波; 数字信号处理器

    随着大功率的整流、变频等电力电子装置在工业用电设备中的广泛应用，用电负荷的非线性因素比重越来越大，这些负荷会产生大量的谐波注入电网使供电系统中的电压、电流发生严重的畸变，造成电网污染、电能质量恶化。电力谐波不但消耗电网中的有功和无功功率、增加电力设备及线路的损耗、导致继电保护设备的误动作等影响电力系统的正常运行，而且还会干扰通信系统和电子设备。如何消除电网谐波、改善电能质量已成为近年来研究的热点。有源电力滤波装置APF(Active Power Filter)以其良好的动态性能和补偿精度，代表了谐波补偿装置的发展方向，其中应用最多的是并联型APF。 

    APF对控制系统的实时性、精度以及电磁兼容性要求很高。微电子技术、微处理器的迅速发展使APF的控制系统从模拟向全数字化发展。全数字化控制系统尤其是采用双CPU的控制系统，具有速度快和精度高、控制策略多样性等优点，但不可避免地存在软硬件设计复杂、电磁兼容性差等不足之处。本文采用基于TMS320F2812的数字模拟混合控制系统，其谐波指令运算由DSP数字控制电路实现，补偿电流生成控制由模拟电路实现。这种控制系统与全数字控制系统相比具有测量准确、响应速度快、电路设计简单、抗干扰能力强的优点。 

1  并联型APF的原理、结构及控制方法 

    本文中的有源滤波装置将三相结构分解成3个单相滤波系统，其优势在于亦适用于三相不平衡电力系统中，另外对系统中的3次谐波也有更好的解耦滤波性能。并联型APF的结构如图1所示。主电路由n个IGBT逆变桥并联组成，各个模块的交流侧经过各自的连接电抗、高通滤波并联接入电网。APF根据控制电路计算出的电流指令，通过各自的电流跟踪控制环节产生补偿电流注入电网，达到抵消滤除电网中谐波的目的。 

    APF控制系统包括指令电流运算、补偿电流跟踪控制以及PWM驱动电路环节。根据APF工作原理，其控制系统应当满足以下基本要求：(1)能够快速、准确地从负载电流中检测出谐波成分，形成指令电流；(2)能够良好地控制各个滤波模块产生动态跟踪的高精度补偿电流；(3)补偿电流时始终将逆变器直流侧电压稳定在特定值400V；(4)能够让各个滤波模块合理分担补偿需求。 

    按照其控制系统要求，图2给出了模块化并联型APF控制系统的控制方法原理框图，其谐波电流检测及补偿电流控制方法为： 

    (1) 对电网电压进行采样，低通滤波锁相后形成与电网电压同步的正弦、余弦信号，用于谐波电流检测运算，同时保证电流采样时刻也与该正弦、余弦信号同步。 

    (2) 三相负载电流经基于时域的谐波运算提取到所需补偿的谐波电流，通过直流电压闭环PI控制得到用于稳定直流电压稳定的有功电流，两种电流叠加形成逆变器的指令电流，将指令电流均分后作为各模块的补偿电流给定，与各个模块的输出反馈电流作差，采用滞环控制环节生成PWM信号，经驱动电路控制逆变器产生补偿电流。 

2  控制系统的硬件设计 

    根据控制方案的特点，设计了以TMS320F2812型DSP为核心的数模混合控制系统。负载电流的检测和运算通过DSP数字电路实现，可以保证系统的检测分析精确度和稳定性，补偿电流生成控制电路由模拟电路实现，可以保证补偿电流跟踪的快速响应以及滞环宽度的均匀控制。控制系统硬件结构如图3所示。 

2.1 A/D采样及DSP运算电路 

    运算芯片采用TI公司的32位定点数字信号处理器TMS320F2812，该芯片带有最小转换时间80ns的12位ADC，可以完成负载电流以及直流电压的采样；最高时钟频率可达150MHz，单指令周期仅为6.67ns，可以满足有源滤波控制系统的实时要求。TMS320F2812负责对采样数据进行计算分析，提取出谐波指令信号并通过D/A转换输出指令电流波形。 

2.2 补偿电流生成控制电路 

    补偿电流生成控制电路由模拟电路实现，将DSP运算电路计算出的谐波指令与滤波模块输出电流反馈的差值作为滞环比较器的输入，形成闭环控制的PWM驱动信号，送至驱动电路，控制各滤波模块生成所需的补偿电流。 

2.3 电源及保护电路 

    电源电路由交流220V供电，产生控制电路元件、电流霍耳传感器及驱动所需的5V电压， DSP所需的3.3V、1.8V核心电压由专用电源芯片提供。故障保护电路监测直流电压、负载电流以及输出补偿电流，当直流过压、负载轻载、过载以及输出过流时，实施保护动作，封锁IGBT。 

3 控制系统的软件设计 

    DSP的程序由主程序、谐波电流检测及计算、直流环节PI调节、D/A转换子程序组成。 

    控制电路软件程序流程如图4所示，主程序完成系统初始化后开中断等待，中断的作用是使正弦数组与电源电压同步，A/D转换根据电网电压的同步信号启动，一个周波采样1 024个点，采样周期约为20μs。为保证采样点数的一致性，对电网同步信号进行了锁相。谐波计算采用了基于鉴相原理的瞬时谐波电流检测方法，利用三角函数的正交性提取滤波装置需要的最关键的两个变量——负载基波电流的幅值和相位。该方法计算简单，容易理解，便于编程，程序中采用队列操作，循环计算，多为加、减和乘法运算，运算速度快，有利于提高滤波器的补偿效果。 

    TMS320F2812对上一周期的负载电流和直流电压采样数据进行计算，通过负载电流检测出谐波，并对直流电压进行PI调节，生成控制直流电压保持稳定的基波有功电流，再将谐波与基波有功电流叠加生成电流指令，通过D/A转换输出至补偿电流跟踪电路。D/A转换输出与电网电压同步，每周期采样1 024点。 

4 实验结果 

    对采用该控制系统的有源电力滤波装置进行了补偿实验。实验条件：380V三相四线制系统，负载为二极管整流桥带电阻性负载。 

    图5给出了补偿前的负载电流波形和频谱。采用FLUKE 43B谐波测试分析仪。补偿前电流THD为22.4%。主要特征谐波为3次、5次、7次谐波。 

    谐波补偿后的电源电流波形及频谱如图6所示。补偿后电流THD为2%。 

    图7为直流电压和补偿电流波形。从图中可以看出，直流电压始终稳定在400V，从而保证了滤波效果。 

    本文设计的有源滤波数模混合控制系统结构简单，抗干扰能力强。采用高度集成的单数字处理器在保证信号检测、运算精度的基础上，简化了电路，缩小了控制器的体积；采用模拟电路的补偿电流控制电路，克服了数字电路跟踪补偿电流电磁兼容性差的缺点。 

    采用的谐波检测算法计算简单，便于编程，也适合于三相不平衡系统的补偿，应用范围广。滤波模块单相化可以将三相共补与三相分补相统一，不需改变硬件和软件结构，根据实际需要对各相滤波模块参数设定即可。 

    采用本文设计的控制系统的有源电力滤波装置，具有滤除380V及以下配电系统2～41次谐波的功能，可达到降低线路损耗、改善电能质量的重要作用，具有良好的工程应用价值。

参考文献  

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

[2] 卓放，王跃，何益宏,等．全数字化控制实现的三相四线制有源电力滤波器．电工电能新技术，2001，20(3)：1-4. 

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