《武汉工程大学学报》  2011年12期 81-84   出版日期：2011-12-30   ISSN:1674-2869   CN:42-1779/TQ

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无功与谐波电流检测系统的设计


0引言电力电子技术的飞速发展，一方面给电能的变换和应用带来了方便，另一方面又给电力系统带来了较严重的电能质量问题，如谐波污染、无功问题、电压波动及不平衡等.有源电力滤波器（Active Power Filter，APF）被公认为是治理电网谐波及无功污染、改善电能质量最有效的手段［12］.从有源电力滤波器的工作原理可知，谐波电流的准确和快速检测是决定有源电力滤波装置补偿性能好坏的关键技术之一.本文详细论述了以TMS320LF2407 DSP(数字信号处理器)为核心的无功与谐波电流检测的系统硬件组成原理、电压同步信号检测电路、电压信号检测电路、电流信号检测电路的设计方法，以及系统软件的设计方法.最后，针对不同性质的负载，对所设计的系统进行了实验研究.1硬件设计基于TMS320LF2407 DSP的无功与谐波电流检测系统组成原理框图如图1所示，主要由DSP处理器、电流信号采样电路、电压信号采样电路、电网电压同步信号检测电路组成.图1谐波电流检测系统组成原理框图
Fig.1The structure of Harmonic current detection system电流信号采样电路原理图如图2所示.电流流经电流传感器CHB25NP以后，由R1分压电阻，得到一个双极性电压信号；由R2和C1组成的低通滤波器滤除其中的高频成分后，经电压跟随器隔离、在双极性电压信号上叠加一个3.3 V的电压、把双极性信号变成单极性信号（A/D输入要求为单极性信号）；再用一个电压跟随器进行信号隔离，由R5限流、D1与D2限幅以后得到一个符合A/D(模数转换)输入要求的信号，送入到DSP的A/D输入通道.图2电流信号采样电路
Fig.2Current sampling circuit电压信号采样电路和电流信号采样电路的基本原理一样，篇幅有限，这里不再赘述.如图3所示为电网电压同步信号检测电路.首先，由R2把a相电压信号限流以后接至电压传感器CHV25 V，并经分压电阻R3得到一个双极性电压信号；然后，由R4和C1组成的低通滤波器滤除其中的高频成分；最后，经电压跟随器和过零比较器得到带有a相电压相位信息的方波信号，再经DW2稳压二极管稳定方波幅值以后直接输入到DSP的捕获通道CAP6.DSP内部通过CAP6捕获方波上升沿的时刻解决与电网信号同步的问题.图3电压同步信号检测电路
Fig.3Detection circuit of the voltage synchronization signal2软件设计谐波电流检测法主要有：基于Fryze(人名)传统功率定义的检测法［3］，基于正弦函数正交特性的检测法［4］，同步检测法［5］，基于瞬时无功功率理论的检测法等［69］.其中，瞬时无功功率理论突破了传统的以平均值为基础的功率定义，系统地定义了瞬时有功功率、瞬时无功功率等瞬时功率量.在许多方面取得了成功的应用.2.1ipiq算法基于瞬时无功功率理论的ipiq(基于瞬时有功电流无功电流)算法物理概念明确、硬件实现简单、检测精度高，延时小、动态特性好，检测结果不受电网电压波形畸变的影响而获得广泛应用.要实现ipiq算法，需要用到三相电流信号、a相电网电压同步信号、已获得与电网电压同相位的正余弦信号sinωt和cosωt.为了加快运算速度，设计时sinωt和cosωt的值利用查表法取得.系统的采样频率取6.4 kHz，即每个工频周期采128个点.ipiq算法的系统软件主要是由CAP6（DSP处理器6号捕获通道）中断服务程序、T1(定时器)中断服务程序和A/D中断服务程序组成.CAP6中断服务程序主要是解决指令电流与a相电压同步及程序内部正余弦表指针复位的问题；T1中断服务程序触发A/D采样；A/D中断服务程序完成ipiq算法.如图4所示为CAP6中断服务程序的程序流程图.CAP6捕获到一个上升沿以后，产生一个中断.当CAP6中断到来时，首先计算出工频周期T是否在允许的范围内，若不在允许范围内，则认为是外部噪声引起的干扰、直接中断返回；若在允许范围内，则把T除以128以后赋值给定时器T1的周期寄存器，然后复位T1和正余弦表指针.图4CAP6中断服务程序流程图
Fig.4CAP6 interrupting program flow chartT1中断服务程序的作用就是触发A/D采样，每发生一次T1周期中断就触发一次A/D采样，因此A/D采样的周期受T1周期中断间隔时间确定，T1周期寄存器的值为工频周期的1/128，因此一个工频周期内将采样128次.A/D采样结束以后会自动产生一个A/D中断，如图5所示为A/D中断服务程序流程图.A/D中断以后，首先读取A/D采样值，计算有功电流瞬时值ip，并对它进行数字滤波、滤除其中的交流成分、得到直流分量ip；然后对ip进行反变换得到三相基波有功分量if，由采样值减去三相基波有功分量得到所需要的谐波电流即指令电流ih，为了防止边境溢出，判断这个工频周期内是否已经完成了128次A/D采样，如果完成了直接中断返回，如果还没有则正余弦指针加1，最后中断返回.第12期孙谋，等：无功与谐波电流检测系统的设计
武汉工程大学学报第33卷
图5A/D中断服务程序流程图
Fig.5A/D interrupting program flow chart2.2改进ipiq算法虽然ipiq算法有很多优点，但它的缺点也很明显，不管电网电压是否对称有畸变，只要存在电压相位检测误差，ipiq法就不能准确检测出正序基波有功电流分量.改进ipiq算法利用同频率同相序的电压、电流旋转矢量在任意时刻的角度差均为常数这一原理，以固定频率如50 Hz的正、余弦信号sinωt、cosωt为基准进行同步旋转坐标变换求取三相正序基波电压新相角.理论上该方法可完全消除电压相位检测误差对电流正序基波有功分量检测精度的影响，且其检测精度不受电压、电流波形是否对称和畸变的影响.要实现改进ipiq算法，需要用到三相电流、电压瞬时值、固定频率为50 Hz的正余弦信号sinωt和cosωt.其软件设计思路和主要结构与ipiq算法基本一致，不同之处主要是A/D中断服务程序.如图6所示为改进ipiq算法的A/D中断服务程序流程图.图6改进型A/D中断服务程序流程图
Fig.6Improved A/D interrupting program flow chart3实验研究在完成所有硬件和软件的设计以后，以图1作为实验模型，电源相电压50 V，频率50 Hz，负载为二极管整流桥带灯箱，负载电流有效值3 A，利用泰克公司示波器TDS3012B从DSP的D/A转换器输出端观察如下几种不同条件下的谐波电流及负载电流波形.图7所示为二极管整流桥带灯箱负载与带灯箱和电感负载情况下的电流波形，且同一图中上面的波形表示负载电流、下面的波形表示被检测出的谐波电流.从图7可以看出，带灯箱和电感负载的负载电流波峰和波谷明显要比仅仅带灯箱负载的负载电流波形平滑些.与此对应的谐波电流也一样，带灯箱和电感负载的谐波电流波峰和波谷比仅仅带灯箱负载的谐波电流波形平滑些.带灯箱的负载电流中只有谐波电流，而带灯箱和电感的负载电流中含有谐波和无功电流.图7不同负载下的电流波形
Fig.7Current waveforms under different load conditions图8所示为负载电流由3 A突变到5 A（如图8(a)所示）和负载由5 A突变到3 A（见图8(b)）时的电流波形，且同一图中上面的波形表示负载电流、下面的波形表示被检测出的谐波电流.从图8可以看出，不管是电流突增或电流突减，由该系统提取出的谐波电流都能快速地跟随负载电流的变化而变化，并且都能快速的稳定下来.图8负载突变时的电流波形
Fig.8Current waveforms when the load current
changes abruptly在a相电压的相位都能被准确地检测的条件下，ipiq算法与改进的ipiq算法都能准确检测出电网中的谐波和无功分量，因此两种方法都可获得上述实验结果.在a相支路中加入一个电感，改变a相电压的相位，使电压相位检测出现一定的误差，负载采用灯箱和电感引入无功分量.在此条件下所得到的b相电压（幅值较大）与b相负载电流基波有功分量（幅值较小）如图9所示.图9ipiq法与改进型的ipiq法比较
Fig.9Ipiq method compared with improved ipiq method从图9中可以看出，用ipiq算法得到的b相电压与b相基波有功分量之间明显有相位差，而改进ipiq算法则基本上没有相位差，因此ipiq算法在检测a相电压相位有误差时不能准确检测出负载电流的有功分量.而改进的ipiq算法依然能准确检测出电网中的有功分量，但是改进的ipiq算法硬件电路和软件设计相对比较复杂.4结语以上给出了一种谐波电流检测系统的硬件设计方法及在此硬件基础上的两种谐波检测法的软件设计，该方法省去了传统方法中的锁相环分频电路，改由软件的方法实现分频，简化了硬件电路，也同时省去了由锁相环低通滤波所带来的误差.在不同性质的稳态负载条件下和负载电流突变的、且a相电压相位无误差的条件下，两种检测方法都能准确、快速地检测出负载电流中的谐波电流分量.即使a相电压相位有误差，改进ipiq算法依然能快速准确检测出负载中的谐波和无功分量.证明该系统的设计是可行而有效的.参考文献：