數字信號處理器（DSP）在串聯(lián)型電力有源濾波器

1引言

應用電力電子技術(shù)抑制諧波，以改善電能質(zhì)量的新技術(shù)——電力有源濾波器（ActivePowerFilter）已成為近年來(lái)電力系統研究領(lǐng)域中新的熱點(diǎn)。國際上以抑制諧波電流為目的的并聯(lián)型電力有源濾波器應用居多，而隨著(zhù)電壓敏感性負載不斷增多，以電壓畸變治理為主的串聯(lián)型有源濾波器，正顯示著(zhù)越來(lái)越大的利用價(jià)值。同時(shí)，它又是進(jìn)一步研究綜合電能質(zhì)量補償器的前提條件，因此，對串聯(lián)型有源濾波器進(jìn)行研究有著(zhù)重大的意義。

在串聯(lián)型有源濾波器的研制過(guò)程中，我們采用了美國德州儀器公司（TI）的TMS320F240數字信號處理器（DigitalSignalProcessor），極大地方便了軟硬件的開(kāi)發(fā)，加快了研制的進(jìn)程。

TMS320F240具有下述特點(diǎn)【2】【3】：

（1）50ns的指令周期，在一個(gè)指令周期內可完成

一次乘法和一次加法；

（2）大容量的片內存儲器：包含544字×16位的

片內數據/程序雙口（Dual?Access）RAM，16k字×16位的片內FlashEEPRO，共計224k字×16位存儲器地址范圍（64k數據，64k程序和I/O以及32k全局存儲器空間）；

（3）事件管理模塊：12路比較/脈沖寬度調制

（PWM）通道，3個(gè)16位通用定時(shí)器，3個(gè)死區控制的16位全比較單元，4個(gè)捕獲單元；

（4）雙10位A/D轉換模塊；

（5）基于鎖相環(huán)（PLL）的時(shí)鐘模塊；

（6）看門(mén)狗定時(shí)器模塊（具有實(shí)時(shí)中斷功能）；

（7）6個(gè)外部中斷（電源驅動(dòng)保護、復位、NMI及3種可屏蔽中斷）。

充分使用TMS320F240DSP芯片構成的實(shí)用系統，具有擴充的外圍電路少、控制電路簡(jiǎn)單、控制手段靈活、易調試和易維護等很多特點(diǎn)。

2以DSP為核心的硬件結構

串聯(lián)型電力有源濾波器主電路由串聯(lián)電路和并聯(lián)電路組成，結構如圖1所示。

圖1串聯(lián)型電力有源濾波器主電路

圖2以DSP為核心的控制結構框圖

串聯(lián)電路功能是：檢測電網(wǎng)畸變電壓，分離出需要補償的電壓并產(chǎn)生控制信號，生成補償電壓注入電網(wǎng)，實(shí)現電壓補償的功能。并聯(lián)電路功能是：檢測有源濾波器輸入電流，生成電流控制信號，從而維持電容電壓恒定和保證設備功率因數。同時(shí)，作為一個(gè)實(shí)用裝置，還必須實(shí)現相應的投入、切除手段和故障情況下的保護手段。

控制電路以DSP為核心，其結構框圖如圖2所示。

電網(wǎng)電壓、電流經(jīng)過(guò)傳感器后變成＋5V～－5V的弱電信號,經(jīng)過(guò)調理電路后變成0～5V的信號,其中從電壓互感器來(lái)的A相電壓信號經(jīng)帶通濾波后送入鎖相分頻模塊,產(chǎn)生采樣保持分頻窄脈沖信號來(lái)控制保持電路,使之每個(gè)工頻周期保持指定點(diǎn)。而分頻窄脈沖經(jīng)過(guò)處理電路的處理后作為DSP內部A/D的起動(dòng)信號使用。

主電路的控制采用兩片TMS320F240。一片作為主DSP，除負責并聯(lián)整流控制（產(chǎn)生并聯(lián)側整流及輸入電流控制PWM信號驅動(dòng)并聯(lián)側主電路）外，還承擔整套裝置的協(xié)調工作，包括投入切除算法控制，故障保護控制及故障檢測功能。它的輸出信號一部分用于控制驅動(dòng)模塊以得到恒定的直流電容電壓，另一部分控制主電路繼電器。而另一片作為從DSP，用于串聯(lián)側的電壓補償PWM控制信號的產(chǎn)生，TMS320F240將電壓電流采樣信號經(jīng)過(guò)DSP檢測算法運算后生成補償信號，補償信號通過(guò)TMS320F240內部PWM控制模塊產(chǎn)生PWM控制信號送給驅動(dòng)模塊，經(jīng)由驅動(dòng)模塊驅動(dòng)主電路生成補償電壓注入電網(wǎng)。

3DSP軟件的設計

DSP完成了APF系統中的絕大多數功能，為了完成這些功能，除用到TMS320F240的核心部分外，還充分應用了F240片內的許多外圍模塊，如A/D模塊，事件處理模塊和外部中斷功能。整個(gè)算法由并聯(lián)側與串聯(lián)側算法構成。

3．1并聯(lián)側DSP軟件算法

（1）整體軟件流程

并聯(lián)側DSP除完成并聯(lián)整流算法外，還需要完成APF設備的投入和切除算法，故障檢測和故障控制算法。圖3是并聯(lián)側DSP軟件算法的流程圖。

如圖3所示，當DSP起動(dòng)后首先進(jìn)行設備初始化操作，結束后進(jìn)行設備投入電網(wǎng)操作，然后DSP空閑，等待中斷的發(fā)生，一旦中斷出現，運行相應的中斷處理程序，處理完成后DSP空閑等待另一個(gè)中斷的發(fā)生。A/D變換，控制算法和PWM產(chǎn)生等一系列過(guò)程都在外部中斷XINT3中斷服務(wù)程序中完成。

在設備初始化過(guò)程中，完成對故障檢測中斷設置、DSP的PLL鎖相時(shí)鐘模塊設置，外部中斷XINT2和XINT3的初始化設置和PWM的比較方式、輸出方式和死區設置等功能，最后進(jìn)行繼電器控制狀態(tài)設置，用于控制繼電器動(dòng)作和接收繼電器當前狀態(tài)的I/O口和外部I/O空間。

（2）中斷服務(wù)的設計

圖3并聯(lián)側DSP軟件算法的流程圖

并聯(lián)側的中斷服務(wù)子程序是軟件算法的最主要的組成部分,控制算法的實(shí)現、故障的檢測和保護等主要算法都通過(guò)中斷服務(wù)子程序來(lái)實(shí)現。并聯(lián)側中斷服務(wù)子程序有3個(gè)：XINT2中斷、XINT3中斷、PDPINT（功率驅動(dòng)保護中斷）。

XINT3中斷處理程序的作用是對并聯(lián)側的輸入電流進(jìn)行處理，并執行相應的控制算法，以取得相應的電壓補償信號，作為PWM控制信號產(chǎn)生的輸入。最終通過(guò)PWM控制主電路IGBT有規律的開(kāi)關(guān)動(dòng)作，以維持直流電容電壓的恒定。XINT2中斷服務(wù)在A(yíng)相電壓過(guò)零時(shí)響應，通過(guò)XINT2中斷和XINT3中斷聯(lián)合完成控制算法中的同步邏輯。故障中斷的作用是當系統發(fā)生中斷時(shí)，檢測各故障線(xiàn)的故障信號以判斷發(fā)生的故障類(lèi)型，并采取相應的保護措施。

3．2串聯(lián)側DSP軟件算法

串聯(lián)側僅完成補償電壓控制信號的生成，僅需要XINT2、XINT3中斷服務(wù)子程序，并在XINT3的中斷服務(wù)程序中采用相應的電壓補償PWM控制策略。

4結語(yǔ)

在串聯(lián)型有源濾波器中采用數字信號處理器，所有算法均通過(guò)編程完成，易調試、易維護、所占空間小，不易受干擾，與傳統的硬件模擬方法比較有著(zhù)巨大的優(yōu)勢，在響應速度滿(mǎn)意的情況下，可以逐步地取代硬件模擬法。因此，數字信號處理器有著(zhù)廣闊的應用前景，也將會(huì )受到越來(lái)越多的重視。