摘 要：簡要介紹有源電力濾波器的基本原理和DSP的發(fā)展及其性能特點；詳細(xì)討論一種利用雙DSP構(gòu)成的有源濾波器檢測及控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)方法。
關(guān)鍵詞：有源濾波器 電力系統(tǒng) 數(shù)字信號處理器（DSP）
前 言
近年來，非線性負(fù)荷的廣泛應(yīng)用對供電質(zhì)量造成了嚴(yán)重污染，電力系統(tǒng)中的諧波日益嚴(yán)重；同時，保證電網(wǎng)安全、穩(wěn)定運行，為用戶提供高質(zhì)量的電能的要求越來越高。有源電力濾波器作為抑制諧波的有效手段得到了廣泛的重視并取得了很大的發(fā)展。
圖1為并聯(lián)型有源電力濾波器的原理圖[1]。從圖1中可以看出，有源濾波器的結(jié)構(gòu)主要有三個部分：諧波電流檢測回路、控制回路和PWM逆變器。其中，諧波電流檢測回路和控制回路是有源濾波器的關(guān)鍵部分。實時、精確地檢測出負(fù)荷電流中的諧波成分，并且實時、可靠地控制高頻逆變器的開關(guān)工作是保證有源濾波器補償效果和精度的關(guān)鍵。因此，采用什么樣的硬件來構(gòu)成諧波電流檢測回路和控制回路是很重要的。本文介紹一種基于雙DSP的有源濾波器檢測和控制回路的基本結(jié)構(gòu)及其實現(xiàn)方法。
1 有源電力濾波器的補償原理
有源電力濾波器的實質(zhì)就是一個任意波形發(fā)生器。通過一定的算法檢測到負(fù)荷側(cè)所需要的諧波電流，就發(fā)出相應(yīng)的諧波電流，從而達(dá)到補償?shù)哪康�。�?jīng)補償后系統(tǒng)電流is將接近理想的正弦波。對于逆變主電路，我們是采用PWM控制的，其理論基礎(chǔ)是采樣控制理論中的一個重要結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。沖量即指窄脈沖的面積；所說的效果相同指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。通過計算得到需要補償?shù)闹C波分量后，對補償電流進(jìn)行PWM調(diào)制來控制開關(guān)的通斷，從而在逆變電路的輸出端得到一組等幅而不等寬的矩形脈沖波形，經(jīng)出口濾去載波后即得實際補償電流。這就是補償?shù)幕驹怼?br>
圖2所示為并聯(lián)型有源電力濾波器逆變主電路。圖2中交流側(cè)的電感和電容構(gòu)成單調(diào)諧濾波器，用于濾去載波分量；電感同時又作為慣性環(huán)節(jié)。直流側(cè)的電容主要起能量緩沖的作用。
2 數(shù)字信號處理器
數(shù)字信號處理器（以下簡稱DSP）從20世紀(jì)80年代初發(fā)展到現(xiàn)在，已經(jīng)歷了四代，發(fā)展速度極 快[2]。DSP是一種特別適合于數(shù)字信號處理的微處理器。它的最大特點是速度快、精度高、穩(wěn)定性好，是為實時地實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理和其它精密計算的應(yīng)用而精心設(shè)計的，并為這些應(yīng)用提供了如快速傅里葉變換、數(shù)字濾波、頻率合成、相關(guān)及卷積等信號處理算法的極好的軟、硬件工具。在眾多產(chǎn)品中，美國TI公司的TMS320系列DSP在國際上占有較大的市場份額，廣泛應(yīng)用于數(shù)字信號處理的各個領(lǐng)域中。
DSP為了實現(xiàn)快速數(shù)字信號處理，采用了特殊的硬件結(jié)構(gòu)及軟件指令，包括：
（1）哈佛結(jié)構(gòu)
其主要特點是將程序和數(shù)據(jù)存儲在不同的存儲空間，即程序和數(shù)據(jù)存儲器是兩個相互獨立的存儲器，每個存儲器獨立編址，獨立訪問。
（2）流水線操作
與哈佛結(jié)構(gòu)相關(guān)，DSP廣泛采用流水線以減少指令執(zhí)行時間，從而增強了處理器的處理能力。DSP的流水線深度從2級到4級不等，也就是說可以并行處理2~4條指令。
�。�3）專用的硬件乘法器
在通用的微處理器中，乘法是由一系列的加法來實現(xiàn)的，故需多個指令周期來完成。相比而言，DSP的專用硬件乘法器使得乘法可在一個指令周期內(nèi)完成，從而大大提高了運算速度。
�。�4）特殊的DSP指令
特殊的DSP指令是DSP實現(xiàn)快速數(shù)字信號處理算法的一個重要環(huán)節(jié)。例如，TMS320C10的一個指令LTD，它在一個指令周期內(nèi)完成LT、DMOV和APAC三條指令。LTD和MPY指令可以將FIR濾波器抽頭計算由4條降為2條。
�。�5）快速的指令周期
集成電路的優(yōu)化設(shè)計可使得DSP的指令周期在200 ns以下，特別是新一代DSP的問世，使指令周期降到20 ns以下。
DSP以上這些優(yōu)點可以滿足實時、快速地完成有源濾波器控制和采樣計算的要求。在此我們采用的是由美國TI公司生產(chǎn)的TMS320F240和TMS320F206型號的DSP（以下簡稱為F240和F206）。其中F240是基于16位定點數(shù)字處理器TMS320C2XX家族的一位新成員，是為數(shù)字電機和運動控制運用而優(yōu)化設(shè)計的[3]。它把具有低功耗、高性能處理能力的C2XX核心CPU與電機/運動控制的幾個先進(jìn)外圍設(shè)備結(jié)合在一起。這些外圍設(shè)備包括了事件管理器EV模塊和1個雙10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC。EV模塊提供通用定時器和比較寄存器，可以產(chǎn)生多達(dá)12個PWM輸出；ADC可以在6.6μs內(nèi)同時完成2路模數(shù)轉(zhuǎn)換。
根據(jù)F240和F206的特點，我們設(shè)計的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。F240負(fù)責(zé)采樣、計算和控制，2個DSP通過雙口RAM通信，系統(tǒng)通過F206與上位機進(jìn)行串口通信及完成系統(tǒng)電壓和電流的頻譜分析等數(shù)字信號處理功能。此外F206負(fù)責(zé)人機接口：顯示器和鍵盤。
3 控制系統(tǒng)的實現(xiàn)
由上述可知，有源電力濾波器的控制系統(tǒng)主要實現(xiàn)兩個方面的功能：補償分量的檢測和PWM脈沖的生成�，F(xiàn)有的PWM脈沖生成電路比較復(fù)雜，編程實現(xiàn)困難，而且可靠性都不高。我們選擇F240就是要利用它內(nèi)在的比較單元和PWM電路來產(chǎn)生PWM脈沖。下面詳細(xì)討論這兩方面的內(nèi)容。
3.1 檢測回路的實現(xiàn)
F240內(nèi)部的ADC模塊包括2個帶有內(nèi)置采樣/保持電路的10位A/D。F240總共有16個模擬輸入通道。每8個通過1個八選一的模擬多路轉(zhuǎn)換器提供給1個A/D，每個A/D單元的最大轉(zhuǎn)換時間為 6.6μs[3]。為保證計算的精度，16路量必須同時采樣，所以在外部另外擴展了16個采樣保持器。
A/D模塊的啟動可以有多種方式：由事件管理器中的定時器啟動、由外部信號啟動、軟件立即啟動。采取哪種方式由ADC控制寄存器的配置決定。為了實現(xiàn)同步采樣，采用了鎖相環(huán)技術(shù)對系統(tǒng)電壓鎖相分頻，用所得到的與系統(tǒng)電壓同相、頻率為系統(tǒng)電壓n倍的脈沖來啟動A/D模塊（n為每工頻周期采樣次數(shù)）。
3.2 補償分量計算
在各種文獻(xiàn)中，提出了多種不同的補償分量計算方法；但是，這些計算方法都涉及到坐標(biāo)變換，使得計算變得復(fù)雜。我們所采用的是一種簡單而實用的計算方法：有功分離法[1]。該方法不用坐標(biāo)變換，在時域內(nèi)就可迅速計算出補償分量；但此法涉及到大量的連乘、累加操作，用一般的處理器計算時間很長，無法滿足實時性的要求。在這里不對該方法進(jìn)行詳細(xì)介紹，只講述用F240編程實現(xiàn)該算法的優(yōu)越性。
（1）從理論上講，有源電力濾波器能發(fā)出任意諧波；但實際上由于受逆變電路主器件IGBT開關(guān)頻率的限制，有源電力濾波器不能發(fā)出次數(shù)太高的諧波。為了保證補償分量計算的精度，在進(jìn)行計算之前要對采樣信號進(jìn)行數(shù)字濾波以去除頻率太高的諧波。以A相負(fù)荷電流為例：假設(shè)A相負(fù)荷電流的采樣值存放在9000H~903FH單元；濾波后的采樣值存放在02C0H~0300H單元；濾波的系數(shù)存放在0FE00H~0FE3FH單元；0380H~03BFH單元作為中間變量，計算程序如下：
LAR AR2, #02C0H
LAR AR0, #903FH
LAR AR6, #3EH
NEXT: MAR *, AR0
LACC *
LDP #7
SACL 0H
ADRK #1
LAR AR1, #03BFH
MAR *, AR1
MPY #0
LACC #0
RPT #62
MACD #0FE00H, *-
APAC
MAR *, AR2
SACH *+, 1
MAR *, AR6
BANZ NEXT, AR6
�。�2）在計算有功分離法中定義的瞬時無功時，需要進(jìn)行一系列的連乘操作。利用F240的乘法器和特殊的指令MAC、TBLW可以快速實現(xiàn)這一操作。假設(shè)A相系統(tǒng)電壓、B相系統(tǒng)電壓、C相系統(tǒng)電壓及A相負(fù)荷電流、B相負(fù)荷電流和C相負(fù)荷電流的轉(zhuǎn)換結(jié)果依次存放在0200H~0380H單元，計算程序如下：
LAR AR1， #02C0H ；
MAR *， AR1 ；
LACC #0FE00H ；
RPT #00BEH ；
TBLW *+ ；
LAR AR1， #0200H ；
MPY #0000H ；
LACC #0000H ；
RPT #00BEH ；
MAC #0FEBFH，+- ；
APAC ；
