王晓峰 孙建军 伍晓峰 查晓明

　　摘 要：简要介绍有源电力滤波器的基本原理和dsp的发展及其性能特点；详细讨论一种利用双dsp构成的有源滤波器检测及控制系统的基本结构和实现方法。

　　关键词：有源滤波器 电力系统 数字信号处理器（dsp）

前 言

　　近年来，非线性负荷的广泛应用对供电质量造成了严重污染，电力系统中的谐波日益严重；同时，保证电网安全、稳定运行，为用户提供高质量的电能的要求越来越高。有源电力滤波器作为抑制谐波的有效手段得到了广泛的重视并取得了很大的发展。

　　并联型有源电力滤波器的原理图[1]。有源滤波器的结构主要有三个部分：谐波电流检测回路、控制回路和pwm逆变器。其中，谐波电流检测回路和控制回路是有源滤波器的关键部分。实时、精确地检测出负荷电流中的谐波成分，并且实时、可靠地控制高频逆变器的开关工作是保证有源滤波器补偿效果和精度的关键。因此，采用什么样的硬件来构成谐波电流检测回路和控制回路是很重要的。本文介绍一种基于双dsp的有源滤波器检测和控制回路的基本结构及其实现方法。



1 有源电力滤波器的补偿原理

　　有源电力滤波器的实质就是一个任意波形发生器。通过一定的算法检测到负荷侧所需要的谐波电流，就发出相应的谐波电流，从而达到补偿的目的。经补偿后系统电流is将接近理想的正弦波。对于逆变主电路，我们是采用pwm控制的，其理论基础是采样控制理论中的一个重要结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量即指窄脉冲的面积；所说的效果相同指环节的输出响应波形基本相同。通过计算得到需要补偿的谐波分量后，对补偿电流进行pwm调制来控制开关的通断，从而在逆变电路的输出端得到一组等幅而不等宽的矩形脉冲波形，经出口滤去载波后即得实际补偿电流。这就是补偿的基本原理。

　　并联型有源电力滤波器逆变主电路。交流侧的电感和电容构成单调谐滤波器，用于滤去载波分量；电感同时又作为惯性环节。直流侧的电容主要起能量缓冲的作用。

2 数字信号处理器

　　数字信号处理器（以下简称dsp）从20世纪80年代初发展到现在，已经历了四代，发展速度极 快[2]。dsp是一种特别适合于数字信号处理的微处理器。它的最大特点是速度快、精度高、稳定性好，是为实时地实现各种数字信号处理和其它精密计算的应用而精心设计的，并为这些应用提供了如快速傅里叶变换、数字滤波、频率合成、相关及卷积等信号处理算法的极好的软、硬件工具。在众多产品中，美国ti公司的tms320系列dsp在国际上占有较大的市场份额，广泛应用于数字信号处理的各个领域中。

　　dsp为了实现快速数字信号处理，采用了特殊的硬件结构及软件指令，包括：

　　（1）哈佛结构

　　其主要特点是将程序和数据存储在不同的存储空间，即程序和数据存储器是两个相互独立的存储器，每个存储器独立编址，独立访问。

　　（2）流水线操作

　　与哈佛结构相关，dsp广泛采用流水线以减少指令执行时间，从而增强了处理器的处理能力。dsp的流水线深度从2级到4级不等，也就是说可以并行处理2~4条指令。

　　（3）专用的硬件乘法器

　　在通用的微处理器中，乘法是由一系列的加法来实现的，故需多个指令周期来完成。相比而言，dsp的专用硬件乘法器使得乘法可在一个指令周期内完成，从而大大提高了运算速度。

　　（4）特殊的dsp指令

　　特殊的dsp指令是dsp实现快速数字信号处理算法的一个重要环节。例如，tms320c10的一个指令ltd，它在一个指令周期内完成lt、dmov和apac三条指令。ltd和mpy指令可以将fir滤波器抽头计算由4条降为2条。

　　（5）快速的指令周期

　　集成电路的优化设计可使得dsp的指令周期在200 ns以下，特别是新一代dsp的问世，使指令周期降到20 ns以下。

　　dsp以上这些优点可以满足实时、快速地完成有源滤波器控制和采样计算的要求。在此我们采用的是由美国ti公司生产的tms320f240和tms320f206型号的dsp（以下简称为f240和f206）。其中f240是基于16位定点数字处理器tms320c2xx家族的一位新成员，是为数字电机和运动控制运用而优化设计的[3]。它把具有低功耗、高性能处理能力的c2xx核心cpu与电机/运动控制的几个先进外围设备结合在一起。这些外围设备包括了事件管理器ev模块和1个双10位模数转换器adc。ev模块提供通用定时器和比较寄存器，可以产生多达12个pwm输出；adc可以在6.6μs内同时完成2路模数转换。

　　根据f240和f206的特点，我们设计的系统结构如图3所示。f240负责采样、计算和控制，2个dsp通过双口ram通信，系统通过f206与上位机进行串口通信及完成系统电压和电流的频谱分析等数字信号处理功能。此外f206负责人机接口：显示器和键盘。

3 控