基于TMS320C32的直流侧有源电力滤波器的控制器

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基于TMS320C32的直流侧有源电力滤波器的控制器

摘要：介绍了如何基于DSP技术（TMS320C32）实现直流侧有源电力滤波器（Active Power Filter，即APF）；并在介绍TMS320C32的主要特点、功能及其结构的基础上，重点陈述了它在直流侧有源电力滤波器中应用的硬件结构和算法流程。
     关键词：TMS320C32 直流侧有源电力滤波器 高压直流输 电源滤波器
随着电力电子技术在电力系统中的应用越来越广泛，电力系统的谐波污染问题也日益严重。有源电力滤波器是最近二十年兴起的电力系统谐波和无功的消除手段。目前，实际应用中的有源电力滤波器系统都是由国外公司研制的。国家计委为了实现交互流滤波装置的自主设计和生产，组织清华大学和锦州电容器厂合作，研制三峡高压直流输电的滤波装置。现阶段研制的是直流侧有源电力滤波器的样机，意在为高压直流输电（High Voltage Direct Current，HVDC）的直流侧有电力滤波器系统积累工程经验和理论指导。直流侧有源电力滤波器的关键技术在于系统的拓扑选择和谐波参考信号的精度分离以及控制。


图1 有源电力滤波器样机总体结构


       在直流侧有源电力滤波器的控制中，选用TI公司的DSP（TMS320C32）作为直流侧有源电力滤波器的控制器的核心，和以前的模拟控制及滤波的方式相比，算法灵活，结构易调整。
1 有源电力滤波器原理
通常采用无源滤波器（Passive Filter，PF）对谐波进行抑制，但无源滤波器存在一些难以克服的缺点：容易与电力系统发生谐振；补偿效果依赖于系统阻抗特性；受温度漂移、电网上谐波污染、滤波电容老化及非线性负荷变化的影响严重。
有源电力滤波器克服了传统的无源滤波器的缺点。由于大功率器件IGBT（Insolated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管）的发展，有源电力滤波器和传统的无源滤波器构成的混合型滤波器已成为电力系统谐波补偿的主要手段。



       有源电力滤波器和弱电领域的有源滤波器存在区别和联系。有源电力滤波器的作用是消除电力系统谐波，这和弱电领域用DSP或者运算放大器实现的滤波器的滤波功用类似，都是抑制一定频率范围的信号；但是它们消除谐波的途径完全不同，弱电应用中的有源滤波器一般通过对需要的频率分量形成通路，对其它频率分量产生很大的阻碍，起到选出需要的频率分量的作用。

而有源电力滤波器是通过产生与电网中谐波成份大小相等、方向相反的谐波电流，注入电网，从而将电网中的谐波抵消掉。简而言之，有源电力滤波器以补偿的手段，达到了滤波的效果。这种结构与算法上的差异是由强电系统自身特别决定的。
有源电力滤波器工作原理是：用电流互感器采集直流线路上的电流，经A/D采样，将所得的电流信号进行谐波分离算法的处理，得到谐波参考信号，作为PWM的调制信号，与三角波相比，从而得到开关信号，用此开关信号去控制IGBT单相桥，根据PWM技术的原理，将上下桥臂的开关信号反接，就可得到与线上谐波信号大小相等、方向相反的皮电流，将线上的谐波电流抵消掉。这是前馈控制部分。再将有源滤波器接入点后的线上电流的谐波分量反馈回来，作为调节器的输入，调整前馈控制的误差。
需要注意的是，我们前面所说的控制器，实质上具有分离谐波参考信号和对有源电力滤波器进行控制两方面的功能。
机样系统直流线上电压约为800V，容量约为5kW，用LEM公司生产的多极电流传感器LTS 6-NP采集直流线路上的电流。直流侧有源电力滤波器样机系统的总体结构如图1所示。
2 基于DSP的有源电力滤波器控制系统结构
TMS320C32是浮点DSP TMS320C3x的系列产品，工作频率为40MHz；哈佛总线，并且拥有独特的指令结构、硬件乘加运算；外部存储空间有256K×32Bit的FLASH、2K×8Bit的NVRAM和256K×32Bit的SRAM。



       选用TMS320C32的原因主要是定点DSP小数点定标变化困难，数据容易溢出，需要做繁琐的前期数值仿真来估计数据溢出的范围，而TMS320C32是浮点DSP，有效数据空间大，数值算法实现就简单多了。
基于DSP的控制板的硬件结构如图2所示。
3 程序流程
主程序流程如图3所示。



       为了提高控制系统的可靠性，在样机主控制程序中加入了自检功能。主控制程序流程如图4所示。
控制系统工作流程如下：系统上电复位后，TMS320C32首先进行初始化，定时器开始计时，计时时间到，进入A/D中断，程序自检，如果程序跑出了设定的范围，则返回入口处重新执行；否则，读取A/D采样的数据，将A/D采样得到的整形量转变为浮点标么值，通过谐波分离算法，将信号中的交流分量提取出来，交流分量乘以调节系数得到调制信号，将此调制信号送给PWM电路进行调制，得到有电源电力滤波器主电路的开关管IGBT的控制信号，此控制信号经过IGBT驱动电路放大后，控制IGBT的通断，产生需要补偿的谐波电流。



4 仿真结果
对上述控制算法在样机系统模型上进行了计算机仿真。补偿前直流线路上的电流波形形如图5所示。补偿后线上的电流如图6所示。


从图5、图6的对比可以看出，有源电力滤波器的滤波效果是非常明显的。由于有源电力滤波器处理的信号特点和一些技术上难以克服的困难，日本等研究有源电力滤波器比较早的国家提出有源电力滤波器的性能指标，要求有源电力滤波器补偿的谐波份量占总谐波的75%及以上。从仿真结果来看，该有源滤波器的补偿效果高达93.9%。
图7和图8给出总谐波畸变率（Total Harmonic Distortion，即THD）的对照图。在交流系统中，总谐波畸变率定义为所谐波有效值之和与基波分量有效值的比值。样机系统是面向直流的系统，系统中没有基波分量，对于总谐波畸变率的计算相应地变为所有谐波有效值之和与直流分量的比值。图7是补偿前的总谐波畸变率，图8是补偿后的总谐波畸变率。补偿了总谐波含量的90%以上，达到了有源电力滤波器的基本要求。
文中对TMS320C32应用于直流侧有源电力滤波器的控制进行了完整的介绍。基于TMS320C32实现直流侧有源电力滤波器的控制，具有速度快、功能强、可编程、易调试的优点，有着广阔的应用前景。