基于DSP ARM的并联有源电力滤波器控制器

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1 引言　
　
近年来，随着电力电子设备及非线性、冲击性设备的广泛应用。在电网中产生的谐波对电网系统造成了严重的污染，因此消除电网中的谐波污染已成为电能质量研究的一个重要课题。目前普遍采用的并联型无源滤波器存在着滤波效果差，对电网参数敏感。元件体积庞大。严重时会导致串并联谐振事故等缺陷。采用现代电力电子技术、数字信号处理（DSP）技术和先进控制理论的有源电力滤波器（APF）技术㈣对电网谐波进行动态实时补偿。是目前解决谐波污染问题最有效和最具潜力的途径。　
　
传统的并联型APF的控制方法大都基于瞬时无功理论、自适应理论等计算测量方法，首先计算出负载电流中的谐波成分，然后根据计算出的谐波电流值。分别进行补偿电流和直流侧电容电压的控制。这种方式需进行较复杂的数学运算，影响装置的响应速度。在负荷变化时容易发生电流畸变。　
　
针对三相系统采用了一种基于直流侧电容电压控锘lJl51的APF控制算法，从瞬时有功和无功功率在系统中传递的角度出发，以调节电网输入APF的有功功率为目标，直接对输入电流进行控制，省去了检测有功和无功电流分量的繁琐过程，使检测谐波的过程变得简单。并设计了一种基于DSP和ARM的全数字并联APF控制器。
　　
2 控制策略　　

2.1 直流侧电容电压控制算法　
　
通过控制算法使电源侧向电容注入适当的能量，以补偿电力电子器件开断造成的损耗，维持直流侧电容电压H由的稳定。实际补偿装置中的损耗功率在一个周期内的积分不为零，会引起u也周期值的变化，该周期值的变化反应了逆变器两侧有功功率的传递。

算法控制在交流侧由电源输入有功电流以补偿开关器件的损耗。交流侧补偿功率PA一个周期内的积分为：

                        （1）

在一个周期内的能量变化即直流电容上储存的电量可表示为：

                                          （2）

联立式（1）和式（2），补偿目标是使两式相等。以一个r为单位。可以计算出交流侧等效补偿电流的大小。图1示出据此设计的直流侧电压的单周期控制框图。进行周期采样，通过比例积分环节对采样得到的电压比较值进行修正之后，可以得出损耗电流的幅值k。使损耗电流与系统电压同相位，以保证其为等效有功电流：控制有功的传递情况，以保证稳定在某一值附近。


由图1可以看出，u出的调节形成负反馈，满足了出始终在某一固定值附近的要求。

2.2 谐波补偿　
　
对于某一稳定谐波源，可通过在控制回路叠加谐波检测环节来补偿负荷的谐波，既可选择全补偿亦可选择对特定谐波进行补偿。同时，在谐波检测环节加限幅环节。以抵消负荷突变造成的影响，起到保护电路的作用。谐波电流的提取可按FFI'方法计算：

2.3 总控制框图　　

图2示出总控制框图。目标电流输出包括了控制和谐波电流检测两部分内容。与补偿器实际输出的补偿电流进行滞环比较。输出三相PWM信号去控制变流器。

3 有源电力滤波器控制系统设计
　　

所设计的APF控制系统采用DSP+ARM双核结构。DSP完成采样控制、A／D转换、电压调节和指令电流计算等功能，ARM实现外围扩展功能。　
　
采用近年新推出的一款32位定点数字信号处理器TMS320F2808。它具有丰富的片内外围设置：
　　
两个事件管理器模块各包含两个16位定时器。完成PWM信号产生、信号指示和故障保护功能；最小转换时间为160 ns的12位ADC完成数据采集：CAN，SCI和SPI通信接口完成快速通信功能。其最高主频为100 MHz.单个指令周期为10 ns.可以很好地满足APF控制系统的控制要求。

采用LPC2364型ARM芯片。它基于一个支持实时仿真和嵌入式跟踪的ARMTTDMI.STMCPU微控制器，功能强大且成本效率高。支持10／100 Ethernet、全速USB2.0和CAN2.0B.具有高达512 kB的FLASH和58 kB的SRAM.可以方便地实现液晶显示器与键盘组成的人机接口。以及与上位机的通信功能。控制系统框图如图3所示。

电网中的三相电压信号、直流侧电压信号、负载电流信号以及APF输出信号经过信号调理后送往DSP进行转换。DSP内置A／D模块具有12位分辨率、流水线结构。根据所采样的数据，TMS320F2808运算得到的如与APF实际输出的补偿电流进行滞环比较。输出三相PWM信号控制变流器。同时，采用逻辑器件组成了硬件死区控制方式，配合IGBT模块设计了相应的逻辑硬件驱动保护。以提高系统的可靠性。　
　
DSP与ARM之间采用CAN通信方式，通信速度可达l Mb／s。能很好地满足高速传输数据的要求。　
　
ARM通过CAN总线调用刖D数据并扩展FLASH芯片用于存储数据。芯片采用I／O模式的16 MB容量FLASH。板内可扩展8块。利用三八译码器的输出作为选通信号。主要用于储存液晶屏显示数据：ARM芯片采用标准SPI接口。与显示板交互数据：带有标准的232／485接口。用于上位机通讯及通讯口功能的扩展。如打印机等。


　系统程序由主程序和定时器上溢中断程序组成。
　　
主程序负责DSP系统初始化和变量初始化。完成对三相系统的采样。执行图4a中的控制算法，包括数字锁相环、电压PI调节以及id的计算；图4b所示的中断程序负责三相滞环比较控制。

4 仿真与实验　
　
在不对称谐波负荷情况下，使用电力仿真软件EMTP进行了仿真（波形略）。从仿真结果来看，补偿前的三相系统电流，屯波形不对称、非正弦，且含有大量谐波；补偿后ih，讥，ik对称且与系统电压同相位。　
　
图5示出采用所设诗的APF进行补偿后的实测波形。对比两图，补偿后谐波含量明显减小，APF谐波补偿效果明显。

5 结论　　

针对三相系统设计了一种基于DSP—ARM全数字控制的并联有源电力滤波器。采用了基于能量守恒原理的直流侧电压控制方法，该方法能对谐波实现全补偿。并且该控制策略对于不平衡的三相系统仍然有效。对不对称谐波源进行补偿后可使三相电流保持对称。仿真与实际测试结果表明了该控制策略的正确性。可使系统具有良好的谐波抑制特性和响应速度。