谐波检测电路设计

谐波检测电路设计
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。

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。

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。

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。

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。