有源电力滤波器中的谐波检测电路设计

摘要：针对现在有源电力滤波器中谐波检测的缺陷，设计出一种基于DSP、AD756和MAX260等硬件相结合的谐波检测电路。分析了 ip-iq谐波电流检测算法，并且在硬件上实现。介绍了硬件结构原理，给出硬件设计框图和谐波检测各部分的程序流程，并研制出谐波检测电路。实验结果验证了谐波检测的快速性和准确性，系统运行稳定可靠，有较好的应用前景。
关键词：谐波检测；TMS320F2812；AD7656；PLL；MAX260；C8051F330

    对于有源电力滤波器(APF)而言，实时准确地检测出谐波电流是非常关键的，它的快速性、准确性、灵活性以及可靠性直接决定APF的补偿性能。
    设计的谐波检测电路检测出的多路模拟信号会有一定的延迟性，这会大大影响APF计算谐波的精确性和准确性。本文中谐波检测装置所用的AD7656具有6路同步采样特性，克服了测量结果之间延迟的缺点，使得测量精度高。以上优点弥补了目前APF中谐波电流检测技术的缺陷，而且抗混叠滤波器、隔离放大器、过零检测电路、锁相倍频电路的设计增强了检测的精确性。

1 装置整体运行原理及相关算法
1．1 装置运行原理
    图1为并联型有源电力滤波器的原理结构框图。图中，交流电网对非线性负载电，非线性负载为谐波源，产生谐波并且消耗无功功率。有源电力滤波器由4部分组成：谐波电流检测电路、电流跟踪控制电路、主开关器件驱动电路和主电路。谐波电流检测电路采用基于瞬时无功功率理论的ip-iq算法，根据有源电力滤波器的补偿目的检测出负载电流中的谐波分量，同时还要检测直流侧母线电容电压。然后将这些信号输入电流跟踪控制电路，通过控制算法生成一系列PWM信号，以此作为补偿电流的指令信号。这些信号经过电平转换后输入主开关器件驱动电路，驱动主电路中的主开关器件。此时，APF产生并向电网注入补偿电流，该电流与非线性负载电流相位相反，幅值为负载电流中的谐波分量，从而达到滤波目的。

图1   APF主电路系统构成图

    有源电力滤波器检测模块的工作框图如图2所示。6路电流信号包括三相电流ia、ib、ic以及由APF发出的补偿电流，这6路电流信号经霍尔电流传感器变换后，在高精度取样电阻上形成与原信号成比例的电压信号，霍尔电流传感器采用LEM公司生产的LA55-P，采用这种霍尔传感器加高精度取样电阻的方式，可以获得更好的抗干扰能力，模拟信号变换的精度更高。


    直流母线电压信号经霍尔电压传感器变换后，由于对直流母线电压的精度要求不高，就不再进行信号调理而直接进入A／D芯片的模拟信号输入通道。
    A／D采样启动信号也可以由DSP内部的定时器发出，但是由于电网频率会有所波动，而定时器的计时周期并不会随电网的频率变化而变化，使用内部定时器作为A／D启动信号时，会影响到瞬时无功算法的精度，使用了锁相倍频电路发出的12．8 kHz方波作为A／D芯片采样控制信号。
    在谐波计算当中，需要用到采样点的电角度所对应的正、余弦值，由于将电网频率256倍频，也就是在一个电网电压信号周期内要采256个点，每个点对应角度的正、余弦值已经计算出来，并存储到了非易失性铁电存储器当中。每次DSP启动后，会预先把正、余弦表从铁电存储器中读取到内存中，节省查表时间。
    在DSP的CAP4捕获到过零检测电路信号的上升沿时，就会启动CAP5来捕获12．8 kHz方波的上升沿，同时将查询正弦表和余弦表的指针清零，回到表格首地址，开始下一个周期的查询。[!--empirenews.page--]
1．2 谐波分析算法
    针对APF的谐波电流检测的特点，本课题采用基于瞬时无功功率理论的ip-iq检测法。瞬时无功功率理论是将三相电流变换到α、β坐标，大大地简化了负载有功功率和无功功率的计算，在检测三相电路谐波及无功电流中得到了成功的应用。经坐标变换后，电网基波电流的瞬时
无功功率和有功功率在α、β坐标系中已成为直流成分，因而只要用低通滤波器滤除交流成分，将直流成分逆变换后，就得到电网基波电流。这样，电网电流减去已检测出的基波电流，就得到电网的谐波电流。
    基于ip-iq算法的谐波电流检测方法原理图如图3所示。



2 系统硬件设计
    谐波检测电路由DSP外围电路、模拟信号调理电路、A／D采样电路、过零检测电路及锁相倍频电路等5部分组成。
2．1 模拟信号调理电路
    模拟信号调理电路主要是霍尔电流传感器、可编程有源滤波芯片MAX260组成，其原理框图如图4所示。


    电网电流在经莱姆霍尔电流传感器按一定比例缩小后，在精密采样电阻上形成一个压降，即将电流信号转变为电流压信号(如图5所示)，之后电压信号进入抗混叠滤波器MAX260中，将频率为O．5倍采样频率以上的谐波信号滤除。


    为了避免三相负载电流检测信号中的高频分量造成数字采样中的混叠现象，影响谐波检测的精度，必须设置抗混叠低通滤波器进行滤波；根据香农采样定理，被采样信号中的最高次分量频率应小于或等于采样频率的一半。截止频率设置较低，能保证滤除效果，但是过低的截止频率将使被滤波信号存在过大的相位移，给信号检测的实时性和准确性带来影响。所以，应当合理选择抗混叠低通滤波器的截止频率，使之在保证有效滤除高频噪声的前提下，同时有效保证信号数字采样的精度。
    抗混叠滤波器采用Maxim公司生产的可编程通用有源滤波器芯片MAX260。C8051F330与MAX260的电路连接图如图6所示。MAX260内部有两个滤波器A和B，这两个滤波器均需要一个外部时钟，在这里滤波器A和B共用一个外部时钟，这个外部时钟是由单片机的定时器来完成的。在设置滤波器参数时中，A、B两个滤波器均被设置成二阶的巴特沃斯低通滤波器，截止频率为6000 Hz，通带纹波系数为0．5dB，阻带衰减20dB。为了提高滤波效果，将A和B两个滤波器级联起来，即滤波器A的输出信号作为滤波器B的输入信号，以增强滤波效果。


2．2 AD7656采样电路
    AD7656与DSP7656的接口电路如图7所示。


    AD7656连接外围电路时，在DVCC、AVCC、VDRIVE、REFIN／0UT和VSS引脚须加1组去耦电路，该去耦电路是由1个10 μF和1个100 nF电容组成。去耦电容要尽量靠近器件，以达到更好的去耦效果。AD7656其他关键引脚的连接是STBY接VDRIVE，选择正常模式；RANGE接地表示选择输入范围±10 V；SER／PAR接地。选择并行接口；W／B接地表示16位并行输出；WR／REFEN／DIS接VDRIVE表示选择内部参考。
2．3 过零检测电路
    过零检测电路电路图如图8所示。采用宇波公司的CHV-25P霍尔电压传感器，此霍尔电压传感器的额定电流为10 mA，原边与副边匝数比为2500：1000．所以在将A相电网电压接入霍尔电压传感器前，需要通过一个限流电阻进行限流，以免电流过大将霍尔电压传感器烧坏，它
的M端为副边电流输出端，需要加一支采样电阻，将电阻上的压降引入一个由运算放大器CA3140及4个电阻组成的滞回比较器，然后在其输出端通过一个由两个二极管组成的钳位电路之后，将高低电平锁定为5 V和0 V，然后再进入一个与非门CD4093，对输出信号进行整形。
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2．4 过零信号与电网信号相位差的解决方法
   在示波器上将过零信号与正弦信号拉伸之后发现，过零信号超前正弦信号200 μs。对过零信号进行了硬件补偿。如图9所示，时间常数τ=RC，且τ要满足τ≥200μs的条件。在图中CA3140是一个电压比较器，调节R的阻值就可以调节CA3140输出信号的高电平宽度，然后与输入信号进入与门74LS08，得到输出信号，此输出信号不再具有占空比50％的特点，但这不妨碍过零信号的准确性，因为DSP的CAP4只是捕获其上升沿，将过零方波的上升沿推迟200μ也就达到了过零信号与正弦信号同步的目的。


2．5 锁相倍频电路
    锁相倍频电路采用了锁相环芯片(Phase Locked Loop，PLL)74HC4046、累加计数器CD4040和低通滤波器组成，其电路连接图如图10所示。A相电压信号过零信号检测电路后得到与A相电压同步的50 Hz方波，此方渡作为锁相倍频电路的输入信号进入锁相环芯片74HCA046的14号引脚，4号引脚是74HC4046内部压控振荡器的输出端，其输出信号进入二进制计数器CD4040的10号引脚，进行256倍倍频，其倍频信号从二进制计数器CD4040的13号引脚输出又进入74HCA046的3号引脚，即比较信号输入端，74HCA046内部的相位比较器对两个信号进行相位比较后，从相位比较器的输出端13号引脚输入。经过由R1、R2和C组成的低通滤波器，将高频噪声滤除后，再进入74HC4046的内部压控振荡器，作为其控制信号，从上述过程可以看到这是一个闭环控制系统，经过不断的调节，使输出信号频率为输入信号频率的256倍，并且使输入信号与比较信号的频差为0。


    锁相倍频电路能否迅速稳定并准确倍频出12．8 kHz方波，是整个检测模块乃至整个有源电力滤波器在开机后能否在最短时间开始工作的关键，所以，为了研究锁相倍频电路的暂态特性，画出锁相倍频电路这个闭环控制系统的原理框图，如图11所示。



3 系统软件设计
    本检测模块的软件主要包括主程序、A／D采样子程序、谐波电流指令计算子程序、铁存储器数据读写子程序等三部分组成。其中前两项是运行在DSP TMS320F2812上的程序，最后一项是运行在单片机C8051F330上的程序。
3．1 主程序设计
    在系统上电之后，首先进行系统的初始化，按默认值设置系统时钟、各外设时钟、I2C通信速度，还要开启相关外设，如PWM输出、定时器，以及相关外设的中断，如捕获中断、I2C通信中断、定时器中断等等，系统初始化完成之后，通过查询一个标志位判断是否读取铁电存储器当中的数据。铁电存储器存储的数据主要是一个电网周期内256个点所对应的正弦值和余弦值，以及各个外设的设定选项，待将铁电存储器中的数据读取到内存中开辟的单元后，按照这些外设设定选项重新去设定各个外设，设定完成之后，通过一个标志位再次判断是否读取铁电存储器中的数据，之后会进到一个循环当中，不断查询是否要进行谐波电流计算，谐波电流计算完成之后，再判断是否发出相应的PWM波，并按照相应的标志位做出相应的动作，同时这个循环也是一个等待捕获中断的过程，待有捕获中断发生后就会启动外部A／D转换芯片进行采样，并将相关数据传送回DSP中，并置谐波电流计算标志位。
3．2 A／D采样子程序
    在DSP TMS320F2812的CAP5捕获到由锁相倍频电路发出的12．8 kHz方波的上升沿后，GPIOB11就会发出一个低电平信号的片选信号给AD7656的CS端，之后GPIOB10就会发出一个高电平信号来启动 AD7656对6路模拟信号同时进行采样，GPIOB1O与AD7656的CONVSTA、CONVSTB和CONVSTC相连，这样就可以同时启动 AD7656同时对6路模拟信号采样。