基于DSP+ARM的并聯(lián)有源電力濾波器控制器

1 引言

近年來(lái)，隨著(zhù)電力電子設備及非線(xiàn)性、沖擊性設備的廣泛應用。在電網(wǎng)中產(chǎn)生的諧波對電網(wǎng)系統造成了嚴重的污染，因此消除電網(wǎng)中的諧波污染已成為電能質(zhì)量研究的一個(gè)重要課題。目前普遍采用的并聯(lián)型無(wú)源濾波器存在著(zhù)濾波效果差，對電網(wǎng)參數敏感。元件體積龐大。嚴重時(shí)會(huì )導致串并聯(lián)諧振事故等缺陷。采用現代電力電子技術(shù)、數字信號處理（DSP）技術(shù)和先進(jìn)控制理論的有源電力濾波器（APF）技術(shù)㈣對電網(wǎng)諧波進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)補償。是目前解決諧波污染問(wèn)題最有效和最具潛力的途徑。

傳統的并聯(lián)型APF的控制方法大都基于瞬時(shí)無(wú)功理論、自適應理論等計算測量方法，首先計算出負載電流中的諧波成分，然后根據計算出的諧波電流值。分別進(jìn)行補償電流和直流側電容電壓的控制。這種方式需進(jìn)行較復雜的數學(xué)運算，影響裝置的響應速度。在負荷變化時(shí)容易發(fā)生電流畸變。

針對三相系統采用了一種基于直流側電容電壓控锘lJl51的APF控制算法，從瞬時(shí)有功和無(wú)功功率在系統中傳遞的角度出發(fā)，以調節電網(wǎng)輸入APF的有功功率為目標，直接對輸入電流進(jìn)行控制，省去了檢測有功和無(wú)功電流分量的繁瑣過(guò)程，使檢測諧波的過(guò)程變得簡(jiǎn)單。并設計了一種基于DSP和ARM的全數字并聯(lián)APF控制器。

2 控制策略

2.1 直流側電容電壓控制算法

通過(guò)控制算法使電源側向電容注入適當的能量，以補償電力電子器件開(kāi)斷造成的損耗，維持直流側電容電壓H由的穩定。實(shí)際補償裝置中的損耗功率在一個(gè)周期內的積分不為零，會(huì )引起u也周期值的變化，該周期值的變化反應了逆變器兩側有功功率的傳遞。

算法控制在交流側由電源輸入有功電流以補償開(kāi)關(guān)器件的損耗。交流側補償功率PA一個(gè)周期內的積分為：



在一個(gè)周期內的能量變化即直流電容上儲存的電量可表示為：



聯(lián)立式（1）和式（2），補償目標是使兩式相等。以一個(gè)r為單位?？梢杂嬎愠鼋涣鱾鹊刃аa償電流的大小。圖1示出據此設計的直流側電壓的單周期控制框圖。進(jìn)行周期采樣，通過(guò)比例積分環(huán)節對采樣得到的電壓比較值進(jìn)行修正之后，可以得出損耗電流的幅值k。使損耗電流與系統電壓同相位，以保證其為等效有功電流：控制有功的傳遞情況，以保證穩定在某一值附近。

由圖1可以看出，u出的調節形成負反饋，滿(mǎn)足了出始終在某一固定值附近的要求。



2.2 諧波補償

對于某一穩定諧波源，可通過(guò)在控制回路疊加諧波檢測環(huán)節來(lái)補償負荷的諧波，既可選擇全補償亦可選擇對特定諧波進(jìn)行補償。同時(shí)，在諧波檢測環(huán)節加限幅環(huán)節。以抵消負荷突變造成的影響，起到保護電路的作用。諧波電流的提取可按FFI’方法計算：



2.3 總控制框圖

圖2示出總控制框圖。目標電流輸出包括了控制和諧波電流檢測兩部分內容。與補償器實(shí)際輸出的補償電流進(jìn)行滯環(huán)比較。輸出三相PWM信號去控制變流器。



3 有源電力濾波器控制系統設計

所設計的APF控制系統采用DSP+ARM雙核結構。DSP完成采樣控制、A／D轉換、電壓調節和指令電流計算等功能，ARM實(shí)現外圍擴展功能。

采用近年新推出的一款32位定點(diǎn)數字信號處理器TMS320F2808。它具有豐富的片內外圍設置：

兩個(gè)事件管理器模塊各包含兩個(gè)16位定時(shí)器。完成PWM信號產(chǎn)生、信號指示和故障保護功能；最小轉換時(shí)間為160 ns的12位ADC完成數據采集：CAN，SCI和SPI通信接口完成快速通信功能。其最高主頻為100 MHz.單個(gè)指令周期為10 ns.可以很好地滿(mǎn)足APF控制系統的控制要求。

采用LPC2364型ARM芯片。它基于一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和嵌入式跟蹤的ARMTTDMI.STMCPU微控制器，功能強大且成本效率高。支持10／100 Ethernet、全速USB2.0和CAN2.0B.具有高達512 kB的FLASH和58 kB的SRAM.可以方便地實(shí)現液晶顯示器與鍵盤(pán)組成的人機接口。以及與上位機的通信功能?？刂葡到y框圖如圖3所示。



電網(wǎng)中的三相電壓信號、直流側電壓信號、負載電流信號以及APF輸出信號經(jīng)過(guò)信號調理后送往DSP進(jìn)行轉換。DSP內置A／D模塊具有12位分辨率、流水線(xiàn)結構。根據所采樣的數據，TMS320F2808運算得到的如與APF實(shí)際輸出的補償電流進(jìn)行滯環(huán)比較。輸出三相PWM信號控制變流器。同時(shí)，采用邏輯器件組成了硬件死區控制方式，配合IGBT模塊設計了相應的邏輯硬件驅動(dòng)保護。以提高系統的可靠性。

DSP與ARM之間采用CAN通信方式，通信速度可達l Mb／s。能很好地滿(mǎn)足高速傳輸數據的要求。

ARM通過(guò)CAN總線(xiàn)調用刖D數據并擴展FLASH芯片用于存儲數據。芯片采用I／O模式的16 MB容量FLASH。板內可擴展8塊。利用三八譯碼器的輸出作為選通信號。主要用于儲存液晶屏顯示數據：ARM芯片采用標準SPI接口。與顯示板交互數據：帶有標準的232／485接口。用于上位機通訊及通訊口功能的擴展。如打印機等。

系統程序由主程序和定時(shí)器上溢中斷程序組成。

主程序負責DSP系統初始化和變量初始化。完成對三相系統的采樣。執行圖4a中的控制算法，包括數字鎖相環(huán)、電壓PI調節以及id的計算；圖4b所示的中斷程序負責三相滯環(huán)比較控制。



4 仿真與實(shí)驗

在不對稱(chēng)諧波負荷情況下，使用電力仿真軟件EMTP進(jìn)行了仿真（波形略）。從仿真結果來(lái)看，補償前的三相系統電流，屯波形不對稱(chēng)、非正弦，且含有大量諧波；補償后ih，譏，ik對稱(chēng)且與系統電壓同相位。

圖5示出采用所設詩(shī)的APF進(jìn)行補償后的實(shí)測波形。對比兩圖，補償后諧波含量明顯減小，APF諧波補償效果明顯。



5 結論

針對三相系統設計了一種基于DSP—ARM全數字控制的并聯(lián)有源電力濾波器。采用了基于能量守恒原理的直流側電壓控制方法，該方法能對諧波實(shí)現全補償。并且該控制策略對于不平衡的三相系統仍然有效。對不對稱(chēng)諧波源進(jìn)行補償后可使三相電流保持對稱(chēng)。仿真與實(shí)際測試結果表明了該控制策略的正確性?？墒瓜到y具有良好的諧波抑制特性和響應速度。