并联型有源滤波器谐波检测的DSP实现

李 岚 邢雪菲

（太原理工大学电气与动力工程学院，太原 030024）

并联型有源滤波器谐波检测的DSP实现

李 岚 邢雪菲

（太原理工大学电气与动力工程学院，太原 030024）

本文利用TMS320F2812DSP芯片实现了有源滤波器设计中的谐波检测。谐波检测方法采用基于瞬时无功功率理论的ip-iq检测法，并利用CCS开发软件在以TMS320F2812DSP为核心的硬件实验平台上实现了该算法。最后将得到的实验结果与Matlab中的仿真结果相比较，分析结果表明所设计实验系统能够快速、准确检测出谐波电流，满足有源滤波器对谐波检测的要求。

瞬时无功功率；ip-iq检测法；TMS320F2812DSP；PLL

1 引言

近年来，随着电力电子技术的飞速发展，电网中出现了越来越多的非线性装置与负载，同时也将大量的谐波注入了电网，谐波污染问题日益严重。目前，谐波抑制的一个重要趋势是采用有源电力滤波器（APF），其基本原理是从补偿对象中检测出谐波电流，再由补偿装置产生一个与该谐波电流大小相等、方向相反的补偿电流，从而使电网电流只含有基波分量[1]。因而，正确地检测出谐波电流的含量是APF正常工作的前提，而且谐波电流检测的实时性和精度将直接影响APF投入后的补偿效果。

本文在深入研究了基于瞬时无功功率理论的检测法的基础上，选择了检测精度高、实现较为简单的ip- iq谐波检测法。采用 32位的定点 DSP芯片TMS320F2812作为数字信号处理器，针对三相三线制电路搭建了一套实验平台，实现了对谐波电流的检测，并将实际检测结果与Matlab仿真结果相比较，实验结果进一步证明了这种算法的准确性。

2 基于瞬时无功功率理论的ip- iq检测法

2.1 瞬时无功功率理论

假设三相电路各相电压和电流值分别为ea、eb、ec和ia、ib、ic，将其分别变换到α- β两相正交坐标系下，得到 eα、 eβ和 iα、 iβ如下所示

则三相电路的瞬时有功功率p和瞬时无功功率q可由下式计算

将-α β坐标系下的电流v变换到p-q坐标系下，可得有功电流ip和无功电流iq

各变量的相量关系如图1所示。

图1 相量图

2.2 ip-iq 检测法

ip-iq检测方法的运算框图如图2所示。

图2 ip-iq 检测法运算框图

其中，PLL是锁相环，它与正、余弦发生电路共同为 pq变换（由两相静止的αβ坐标系和两相旋转的pq坐标系之间的变换）提供所需的与a相电网电压同相位的正弦信号sin t和余弦信号cost；LPF是低通滤波器。

根据瞬时无功功率理论，三相电网电流ia、ib、ic经3/2变换、pq变换之后可得

计算出有功电流ip和无功电流iq之后，再经过低通滤波器 LPF，即可得到有功电流和无功电流的直流分量和，然后再通过坐标反变换就能计算出电网电流ia、ib、ic的基波分量iaf、ibf、icf。公式如下：

最后用电网电流ia、ib、ic减去基波分量iaf、ibf、icf，即可得到电网电流ia、ib、ic中的谐波分量iah、ibh、ich

3 谐波检测法在DSP TMS320F2812上的实现

本文选用32位定点DSP TMS320F2812芯片作为微处理器，具体的实现步骤可大致分为三个部分：捕获电路及正、余弦信号的产生、A/D采样及精度校正、算法的编程。

3.1 锁相环PLL电路

该电路的作用是为 pq变换所需的正余弦信号提供启动信号。采用 CD4046锁相环芯片，如图3所示，首先将a相电压信号经过降压、移相、过零比较、调理等处理，之后送入锁相环芯片的输入端，最后将锁相环的输出信号经钳位之后送入DSP的捕获单元。

图3 捕获调理及锁相环电路

有了捕获的启动信号之后，运用查表法产生正、余弦信号，具体做法是首先给定一个顺序含有N个正弦值的表，然后在谐波计算时通过指针递增来进行查表。

在三相三线制电路中由于没有中线，不能直接检测a相电压，只能检测到a、b两相间的线电压uab，所以在实际电路中，DSP的捕获单元检测到的实际上是线电压uab调理后得到的矩形波的上升沿，而在谐波计算中用到的是与相电压ua同相位的正余弦信号，又因为线电压uab超前相电压ua30°，所以，在查表时必须将得到启动信号的对应值转换成相电压信号的对应值，即查表时，uab电角度为0°对应ua电角度330°时的值[2]。

3.2 A/D采样及精度校正

TMS320F2812自带一个 12位 16通道的模/数转换（ADC）模块，其采样精度有一定的误差，因此有必要对采样结果进行精度校正，以满足APF的精度要求。造成TMS320F2812采样精度不高的原因主要是由于存在增益误差和偏移误差，要提高精度就必须对这两项误差进行补偿[3]。增益误差和偏移误差的计算方法如下

式中，X为理想采样值，Y为实际采样值；Gain为校正后的增益，Offset为校正后的偏移量，计算公式为：其中X1，Y1和X2，Y2分别为前后两次的理想采样值和实际采样值。

A/D采样程序流程如图4所示。

图4 A/D采样程序流程

4 谐波算法的软件实现

程序设计中，主要用到了以下几个 TMS320F 2812的内部模块：PLL模块、看门狗模块、中断控制模块、事件管理器模块和A/D转换模块等。整个程序分为主程序和中断服务程序，主程序的功能是对所涉及到的寄存器、函数、常量、变量进行初始化，中断服务程序包括捕获中断程序和谐波计算程序[4]。程序框图如图5所示。

5 实验结果及分析

在理论分析的基础上，搭建了系统实验平台，如图6所示。其中，三相对称电网电压为380V，谐波源为三相桥式整流电路，整流桥负载阻感负载

图5 程序流程图

图6 实验系统硬件电路

实验结果如图7所示。其中，图7（a）为正弦波线电压 uab及经锁相环电路测得的锁相环输出信号波形，由图可见二者的相位完全一致；图7（b）为三相负载电流中的其中一相ia，可以看出由于负载的影响，已经使得电网电流产生了严重的畸变；图7（c）为负载电流变换到α-β两相正交坐标系得到的 iα、iβ波形；图7（d）为电流iα、iβ变换到-q坐标系得到的ip、iq波形；图7（e）为有功电流ip和无功电流iq经低通滤波、pq反变换后得到的基波电流波形；图7（f）为实际测得的谐波电流波形。

图7 实验结果波形

图8为利用Matlab仿真得到的谐波电流波形，将其与实际测得的谐波电流波形对比可见实际与仿真得到波形基本一致。

图9是谐波电流波形与补偿电流波形，补偿电流是采用三角波控制方法控制IPM输出的电流，由图可见，补偿电流与谐波电流基本满足大小相等、方向相反，可实现控制要求。

图8 Matlab仿真a、b两相谐波电流波形

图9 谐波电流与补偿电流波形

6 结论

本文选用 TMS320F2812DSP芯片作为微处理器，搭建了谐波检测的实验平台，谐波计算方法选用了检测精度高、实现较为简单的ip- iq检测法，通过 C语言编程实现，并将实际检测结果与Matlab中的仿真结果相比较，结果证明实验中成功计算出了谐波电流，并且具有良好的实时性和准确性，实现了谐波电流检测的数字化。

[1] 王兆安,杨君,刘进军.谐波抑制和无功功率补偿[M]. 北京:北京机械工业出版社,1998.

[2] 王凯.基于 TMS320F2812的有源电力滤波器研究[D]. 太原理工大学, 2010.

[3] 马进,曾建军,万浩平.一种高精度A/D采样方法在TMS320F2812上的C语言实现[J].工业控制计算机,2009,22(3):27-28.

[4] 王冬平,陈树君, 黄继强,殷树言. 基于瞬时无功功率理论的谐波检测的 DSP实现[J].北京工业大学学报, 2002, 28(4): 495-499.

Implementation of Harmonic Detection with DSP for Parallel Active Power Filter

Li Lan Xing Xuefei
(College of Electrical and Power Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024)

Harmonic detection in the design of active power filter is implemented using digital signal processor (DSP) TMS320F2812in this paper. The ip-iqdetecting method based on instantaneous reactive power theory is adopted as harmonic detection method, and it’s realized on the hardware experimental platform with digital signal processor TMS320F2812as the core using the development software CCS.Finally, the experimental results are compared with the Matlab simulation results, and the analysis results show that the harmonic current can be detected quickly and accurately in the experimental system designed,which meets the harmonic detection requirements of active power filter (APF).

instantaneous reactive power；harmonic detection TMS320F2812DSP；phase-locked loop

李 岚（1962-），女，博士，主要研究方向：电机调速及其控制；谐波抑制与无功补偿。

邢雪菲（1986-），女，硕士研究生，主要研究方向：谐波抑制；无功补偿。