基于DSP单周控制有源电力滤波器的研究

各种非线性负载应用日益广泛，电网中的无功功率和谐波污染已经成为一个非常严重的问题。为了消除无功和谐波对电网造成的污染，有源滤波器(APF)得到了飞速发展。其采用的控制方法主要分为三角载波线性控制、滞环比较控制、无差拍控制3种类型。这些方法均存在一定的缺陷，如三角载波的波形畸变，滞环控制开关频率变化以及畸变电流检测的快速实时响应等。随着微机控制技术的不断发展以及数字信号处理器(DSP)运算速度的不断提高，无差拍控制法，单周控制法及其他快速优化控制法将在APF中得到进一步的应用。

单周控制法作为一种非线性控制法，最早由美国学者Keyue M.Smedley和Slobodan Cuk提出。其基本思想是：控制开关的占空比，使每个周期内开关量的平均值与控制参考信号相等或成一定比例，从而消除稳态和瞬态误差。目前已成功地应用到DC-DC变换、音频开关放大器、功率因素校正和单相有源电力滤波器等。本文所提出的基于DSP的单周控制有源电力滤波器不仅结构简单可靠，而且具有很好的动态和静态补偿特性及控制器简单的优点。抗电源干扰能力强，鲁棒性好。

1 单周控制有源电力滤波器

1.1 单周控制

单周控制原理如图1所示，它由控制器、1个比较器、1个可复位积分器及时钟组成，其中控制器可以采用RS触发器或D触发器。开关K，K1为一对互补的开关，频率为fs=1／Ts。在每一个周期开始，即t=0时，时钟信号到，开关K闭合，K1断开，输出y(t)的波形和输入x(t)的波形相同，积分器由0开始积分。在t=dTs时(其中d为占空比，d=Ton／Ts，根据模拟控制参考vref调制，且0<d<1)，积分器的输出Vint达到给定参考电压Vref时，比较器输出发生变化，使K断开，K1闭合，积分器复位。等到下一个周期开始的时候，又重复前面的动作。

从图1中可以看出，输人信号x(t)被开关斩波形成输出信号y(t)，输出信号y(t)的频率和脉宽是与开关函数一致，而输出信号y(t)的包络线与输人信号x(t)一致。占空比D为模拟控制参考信号Vref所调制，从而达到对控制变量平均值进行控制的目的。

1.2 主电路分析与控制量关系

图2为包括电源电压US、非线性负载、电压源型变换器以及DSP单周控制器构成的单相并联型APF主电路，其中L为输出滤波电感；C为储能电容；RS为电流取样电阻。

如果图2中开关S1，S2，S3和S4采用单周控制器输出的调制脉宽波进行控制，并分别设开关S1，S2在一个时钟控制周期中导通的占空比为d1和d2；相应地开关S3，S4在一个单周期内开通的占空比则分别为(1-d1)和(1-d2)。

APF工作时能量在交流电源和APF直流侧电容之间交换，故变换器应工作在四象限。在电源电压US的正半周，开关S4应该始终开通，同时S2则始终关闭，开关S1，S3由脉宽调制波控制其互补开闭；在电源电压US的负半周，开关S3应该始终开通，同时S4则始终关闭，而S1，S2由脉宽调制波控制其互补开闭。根据单周控制原理，由图2可知，在一个单周期内有下式(1)：

其中Ts为开关周期。由于在一个单时钟周期内，电容电压uc、电源电压us和电感电压uL均可以视为常数，可以被提到积分号外面，因此可得：

式(3)就是主电路中交流电压与变换器直流侧电压的关系。然而，式(3)似乎表明直流电压等于交流电压。实际不然，式(3)所表示的实际上是在一个时钟控制周期内，交流电压与直流电压的关系。

2 单周控制模型

在APF控制下，从电源角度看，APF与非线性负载并联后构成的总负载应该有单位功率因数，即单周控制APF的控制目标就是使电源的总负载呈电阻性，即电路应该满足下式：


式(6)即为单相并联型APF的单周控制模型。在式(7)的控制关系成立时，电路中的电压电流关系也必然使式(4)成立，即使电路具有单位功率因数。式(7)中u‘c实际上可以对变换器直流侧电容电压做适当分压并经过比例调节器得到，而Rs为与电源串联的取样电阻。同时，式(7)的单周控制模型表明：对电容电压的分压值进行积分，积分输出与式(7)右边的Rsis或-Rsis进行比较，根据比较结果来决定是否使积分器复位，即决定开关的占空比。

由以上分析及式(7)可得到图3的单相并联型APF单周控制模型。该模型采用2个独立复位积分器分别满足式(7)中2个式子的比较量需要。

3 实验与结果分析

为了验证所提出的控制策略，搭建了DSP实验平台，采用TMS320F2812芯片作为IGBT开关的控制板，它具有强大的数学运算和控制功能，可满足控制系统实时控制要求。逆变主电路采用智能功率模块PM50RSA120，其内部集成了IGBT驱动和保护电路。

在软件方面，考虑到DSP的资源情况，由于单周控制要求具有很高的实时性，可以考虑用中断的方式实现。由于C语言具有可读性和可移植性，而系统软件结构又比较复杂，所以主程序结构采用C语言，但由于C程序编译后的效率较低，所以在涉及到大量数据计算时采用汇编语言。软件开发系统模型如图4所示。

电压传感器采到电网电压信号经过电压过零检测送往DSP的外部中断，作为APF的同步信号；通过电流传感器采集到电网电流、负载电流、补偿电流，由于单周控制要求较高的实时性，所以电流信号经过高速ADC模块变换后输入到DSP经过分析采集的电流信号，检测出谐波分量并输出控制信号：控制信号经过驱动电路放大、隔离，送往IPM模块；IPM模块产生PWM输出信号，控制IGBT变流器；变流器产生指定的补偿电流，对电网电流进行补偿。

电源电压为AC100 V／50 Hz，直流侧2个4 700 μF电容串联，逆变器输出电感为1.3 mH，谐波源为二相全桥二极管整流桥。图5所示为实验结果。

由图6可见，滤波前电流严重畸形，但补偿后初级电流显然非常接近正弦，含量很高的谐波已消除。说明该有源滤波控制系统有很好的滤波效果。

当系统不稳定时，APF输出的补偿电流可达稳定时的几倍甚至更高，不仅不能较好地补偿谐波，反而对电网产生冲击并容易造成APF主电路过电流损坏开关器件。因此，在研制单周控制APF时，务必使系统参数匹配，满足全局稳定条件。

4 结 语

本文以单相并联有源电力滤波器为研究对象，设计基于DSP芯片的数字化控制方案，该方案用一片芯片实现单周控制，并介绍该方案的软件设计。虽然实验结果不尽理想，但是基于单周控制的有源电力滤波器因元需检测负载电流和电源电压，其无需使用任何乘法器，故可大大简化谐波检测电路和电流跟踪控制电路，使控制电路简单、可靠无延迟，主电路开关频率恒定、易于实现，并且在一个开关周期，有效地抑制了电源侧地扰动。既没有静态误差，也没有动态误差，故单周控制以其明显优点在有源电力滤波器中显示出广阔的应用前景。