專利名稱：基于dsp的級聯(lián)式有源電力濾波器改進瞬時檢測與控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)級聯(lián)式有源電力濾波器(Active Power FiIter，APF)檢測與 控制技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于數(shù)字信號處理器(digital signal processor，DSP)的級聯(lián)式 有源電力濾波器檢測與控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
有源電力濾波器是一種電力電子補償系統(tǒng)，并接于電源和重要負荷之間，具有很 好的動態(tài)性能和諧波特性。有源電力濾波器可以看作一個受控電流源，其基本工作原理是 將系統(tǒng)中所含諧波及無功電流檢出，并產(chǎn)生與其大小相等、相位差180°的補償電流，注入 輸電線路，抵消其中的諧波及無功電流。目前廣泛應(yīng)用的ip-iq檢測方法雖然在非理想電網(wǎng) 電壓下可以準確地檢測諧波電流，但不能準確地檢測無功電流，其原因是在電網(wǎng)電壓不對 稱時，電壓的實際過零點與電壓基波過零點存在有相位差。而實際的電網(wǎng)電壓波形很多情 況下都存在不同程度的畸變和不對稱。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種基于DSP的級聯(lián)式有源 電力濾波器改進瞬時檢測與控制系統(tǒng)。本發(fā)明提出基于dq變換理論的改進瞬時檢測方法，通過dq變換同步提取出電壓 和電流的基波正序分量，經(jīng)過坐標變換、投影從而得出電流基波正序有功分量，能實時的檢 測出三相電壓畸變且不對稱時基波正序有功電流。本發(fā)明提供的基于DSP的級聯(lián)式有源電力濾波器改進瞬時檢測與控制系統(tǒng)，應(yīng)用 DSP實現(xiàn)改進瞬時檢測方法，該系統(tǒng)包括，信號整形變換處理電路輸入端連接外部電路的電壓互感器和電流互感器，其輸 出端連接中央數(shù)據(jù)處理電路的輸入端，用于信號采集及電平轉(zhuǎn)換；中央數(shù)據(jù)處理電路輸出端連接隔離與驅(qū)動電路，用于實現(xiàn)改進瞬時檢測方法所 需要的計算；隔離與驅(qū)動電路輸出端連接門極可關(guān)斷晶閘管電路各個IGBT門極輸入端，用于 驅(qū)動脈沖生成；門極可關(guān)斷晶閘管電路用于逆變產(chǎn)生補償電流。上述所說的信號整形變換處理電路由電壓、電流交流采樣前端電路和頻率方波變 換電路構(gòu)成；電壓、電流交流采樣前端電路將采集的電壓、電流信號處理后送入中央數(shù)據(jù)處 理電路中的A/D模塊輸入端；頻率方波變換電路將電壓信號變換為方波信號輸入到中央數(shù) 據(jù)處理電路中的捕捉模塊輸入端。上述所說的電壓、電流交流采樣前端電路用第一至第四二極管構(gòu)成輸入限幅保 護，用第一至第六電阻、及第一至第四電容構(gòu)成互感器相移補償及阻容濾波電路；所說的頻率方波變換電路用第七至第十電阻及比較器LM339構(gòu)成遲滯電壓比較器，用第十一至第 十二電阻構(gòu)成分壓電路，將采集的信號處理后送入中央數(shù)據(jù)處理電路中的捕捉模塊進行采樣。
上述所說的改進瞬時檢測方法是將信號整形變換處理電路得到的電壓、電流信號 通過中央數(shù)據(jù)處理電路進行坐標變換，再通過低通濾波器得到其直流分量，通過中央數(shù)據(jù) 處理電路對電壓與電流直流分量進行向量合成、向量投影計算，再經(jīng)過坐標反變換得到電 流的指令信號，將信號從中央數(shù)據(jù)處理電路輸出到隔離與驅(qū)動電路。上述所說的中央數(shù)據(jù)處理電路包括DSP芯片、電源管理模塊、晶振電路和數(shù)據(jù)總 線驅(qū)動電路；根據(jù)上述所編軟件程序設(shè)定各種執(zhí)行條件控制DSP芯片對數(shù)據(jù)總線驅(qū)動電路 的輸入信號進行辨識、處理并發(fā)出相關(guān)控制指令；電源管理模塊負責提供電能；晶振電路 向DSP芯片提供時鐘信號；數(shù)據(jù)總線驅(qū)動電路主要負責數(shù)據(jù)緩沖和電平轉(zhuǎn)換。上述所說的DSP芯片，包含大容量快速閃存、多個32位定時器、2個事件管理器和 SPI, SCI, CAN多種接口，可提供多達16路的P麗控制脈沖信號。上述所說的門極可關(guān)斷晶閘管電路包括單相回路中的4個橋式連接IGBT單元； 它們的控制信號來自隔離與驅(qū)動電路。本發(fā)明的工作原理信號整形變換處理電路把輸電線路電壓互感器二次側(cè)電壓及電流感器二次側(cè)電 流變換為較低幅值交流電壓，處理后送入到以DSP為核心的中央數(shù)據(jù)處理電路中。正常工 作時，APF依據(jù)系統(tǒng)電壓與電流的瞬時值，通過中央數(shù)據(jù)處理電路按照改進的瞬時檢測方 法計算出功率電路的觸發(fā)角，給出逆變器控制PWM信號，經(jīng)脈沖放大電路放大后觸發(fā)相關(guān) IGBT單元，輸出補償電流，遏制系統(tǒng)諧波。本發(fā)明的優(yōu)點和有益效果1、采用改進的瞬時檢測方法，能實時的檢測出三相電壓畸變且不對稱時基波正序 有功電流；2、利用高性能數(shù)字信號處理芯片實現(xiàn)有源電力補償器的控制，很大程度上提高 控制的速度和精度，減少普通模擬調(diào)制方式和單片機處理速度限制而引起的控制滯后和精 度缺陷，使整個控制系統(tǒng)具有很好的調(diào)節(jié)性能和可靠性；3、采用級聯(lián)H橋電路作為APF的主 電路拓撲結(jié)構(gòu)，大大提高了裝置容量以及電壓等級，增強了電網(wǎng)的穩(wěn)定性，避免因諧波污染 影響整個系統(tǒng)的運行；4、具有廣闊的市場應(yīng)用前景。

圖1為本發(fā)明所涉基于DSP的有源電力補償器改進瞬時檢測與控制系統(tǒng)的整體結(jié) 構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明所涉基于DSP的有源電力補償器改進瞬時檢測與控制系統(tǒng)中的信號 整形變換處理電路結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明所涉基于DSP的有源電力補償器改進瞬時檢測與控制系統(tǒng)中的中央 數(shù)據(jù)處理電路結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為本發(fā)明所涉基于DSP的有源電力補償器改進瞬時檢測與控制系統(tǒng)中的改進 的瞬時檢測方法結(jié)構(gòu)示意圖。圖5為本發(fā)明所涉基于DSP的有源電力補償器改進瞬時檢測與控制系統(tǒng)中的門極可關(guān)斷晶閘管電路的單相電路。
具體實施方式
實施例一種基于DSP的級聯(lián)十一電平有源電力濾波器改進瞬時檢測與控制系統(tǒng)(見圖 1)，它以美國德州儀器推出的高性能DSP芯片TMS320F2812為中央處理器，整個系統(tǒng)由信號 整形變換處理電路、中央數(shù)據(jù)處理電路、隔離與驅(qū)動電路和門極可關(guān)斷晶閘管電路組成，實 現(xiàn)了改進的瞬時檢測方法。其中所說的信號整形變換處理電路的輸入端連接外部電路的 電壓互感器和電流互感器，其輸出端連接中央數(shù)據(jù)處理電路的輸入端，中央數(shù)據(jù)處理電路 的輸出端連接隔離與驅(qū)動電路，隔離與驅(qū)動電路的輸出端連接門極可關(guān)斷晶閘管電路各個 IGBT門極輸入端。上述所說的信號整形變換處理電路由電壓、電流交流采樣前端電路和頻率方波變 換電路構(gòu)成；電壓、電流交流采樣前端電路將采集的電壓、電流信號處理后送入中央數(shù)據(jù)處 理電路中的A/D模塊輸入端；頻率方波變換電路將電壓信號變換為方波信號輸入到中央數(shù) 據(jù)處理電路中的捕捉模塊輸入端。上述所說的電壓、電流交流采樣前端電路(見圖2)用第一至第四二極管D11、D12、 D21、D22構(gòu)成輸入限幅保護，用第一至第六電阻R24、R25、R26、R34、R35、R36、及第一至第四 電容C11、C12、C16、C17構(gòu)成互感器相移補償及阻容濾波電路；所說的頻率方波變換電路用 第七至第十電阻R1、R2、R4、R5及比較器LM339構(gòu)成遲滯電壓比較器，用第十一至第十二電阻 R7、R8構(gòu)成分壓電路，將采集的信號處理后送入中央數(shù)據(jù)處理電路中的捕捉模塊進行采樣。上述所說的中央數(shù)據(jù)處理電路包括DSP芯片、電源管理模塊、晶振電路和數(shù)據(jù)總 線驅(qū)動電路；根據(jù)改進的瞬時檢測方法原理(見圖4)所編軟件程序設(shè)定各種執(zhí)行條件控 制DSP芯片對數(shù)據(jù)總線驅(qū)動電路的輸入信號進行辨識、處理并發(fā)出相關(guān)控制指令；電源管 理模塊負責提供電能；晶振電路向DSP芯片提供時鐘信號；數(shù)據(jù)總線驅(qū)動電路主要負責數(shù) 據(jù)緩沖和電平轉(zhuǎn)換。上述所說的DSP芯片(見圖3)包含大容量快速閃存、多個32位定時器、2個事件 管理器和SPI、SCI、CAN多種接口，提供所需的12路PWM控制脈沖信號；電源管理模塊由雙 電源供電器件TPS73HD301及周邊電阻R15、R16、電容Cl、C2構(gòu)成；晶振電路由給DSP芯片 提供時鐘信號的電容C3、C4和晶振體U2構(gòu)成。數(shù)據(jù)總線驅(qū)動電路由一片雙向數(shù)據(jù)緩沖器 74LVC16245構(gòu)成；該電路工作過程為將A/D轉(zhuǎn)化所得的數(shù)字量接收到DSP后，對數(shù)據(jù)進行 補償、數(shù)字濾波后，對應(yīng)相應(yīng)的標準值轉(zhuǎn)化為標么值，運算得出控制角，并轉(zhuǎn)化計數(shù)值，產(chǎn)生 4個(三相共計12個)不同的控制脈沖(+Al、-Al、+A2、-A2)。上述所說的改進瞬時檢測方法(見圖4)是將信號整形變換處理電路得到的電壓、 電流信號通過中央數(shù)據(jù)處理電路進行坐標變換，再通過低通濾波器得到其直流分量，通過 中央數(shù)據(jù)處理電路對電壓與電流直流分量進行向量合成、向量投影計算，再經(jīng)過坐標反變 換得到電流的指令信號，將信號從中央數(shù)據(jù)處理電路輸出到隔離與驅(qū)動電路。上述所說的門極可關(guān)斷晶閘管電路(見圖5)包括單相交流回路中的四個IGBT 單元，該電路工作過程為控制脈沖來自經(jīng)過功率驅(qū)動管電路放大處理后的信號，電路中的 4個IGBT單元G1、G2、G3和G4，按照一定的時序接收來自功率驅(qū)動管電路的信號得以觸發(fā)。
權(quán)利要求
一種基于DSP的級聯(lián)式有源電力濾波器改進瞬時檢測與控制系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)包括，信號整形變換處理電路輸入端連接外部電路的電壓互感器和電流互感器，其輸出端連接中央數(shù)據(jù)處理電路的輸入端，用于信號采集及電平轉(zhuǎn)換；中央數(shù)據(jù)處理電路輸出端連接隔離與驅(qū)動電路，用于實現(xiàn)改進瞬時檢測方法所需要的計算；隔離與驅(qū)動電路輸出端連接門極可關(guān)斷晶閘管電路各個IGBT門極輸入端，用于驅(qū)動脈沖生成；門極可關(guān)斷晶閘管電路用于逆變產(chǎn)生補償電流。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所說的基于DSP的有源電力補償器改進瞬時檢測與控制系統(tǒng)，其特 征在于所說的改進瞬時檢測方法的具體過程是將信號整形變換處理電路得到的電壓、電 流信號通過中央數(shù)據(jù)處理電路進行坐標變換，再通過低通濾波器得到其直流分量，通過中 央數(shù)據(jù)處理電路對電壓與電流直流分量進行向量合成、向量投影計算，再經(jīng)過坐標反變換 得到電流的指令信號，將信號從中央數(shù)據(jù)處理電路輸出到隔離與驅(qū)動電路。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所說的基于DSP的有源電力補償器改進瞬時檢測與控制系統(tǒng)，其特 征在于所說的信號整形變換處理電路由電壓、電流交流采樣前端電路和頻率方波變換電路 構(gòu)成；由電壓、電流交流采樣前端電路與中央數(shù)據(jù)處理電路中的A/D模塊輸入端相連，其中 電壓交流采樣前端電路連接頻率方波變換電路后，再與中央數(shù)據(jù)處理電路中的捕捉模塊輸 入端相連，電壓、電流交流采樣前端電路將采集的電壓、電流信號處理后送入中央數(shù)據(jù)處理 電路中的A/D模塊輸入端；頻率方波變換電路將電壓信號變換為方波信號輸入到中央數(shù)據(jù) 處理電路中的捕捉模塊輸入端。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所說的基于DSP的有源電力補償器改進瞬時檢測與控制系統(tǒng)，其特 征在于所說的電壓、電流交流采樣前端電路用第一至第四二極管構(gòu)成輸入限幅保護，用第 一至第六電阻、及第一至第四電容構(gòu)成互感器相移補償及阻容濾波電路；所說的頻率方波 變換電路用第七至第十電阻及比較器LM339構(gòu)成遲滯電壓比較器，用第十一至第十二電阻 構(gòu)成分壓電路，將采集的信號處理后送入中央數(shù)據(jù)處理電路中的捕捉模塊進行采樣。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所說的基于DSP的有源電力補償器改進瞬時檢測與控制系統(tǒng)，其特 征在于所說的中央數(shù)據(jù)處理電路包括DSP芯片、電源管理模塊、晶振電路和數(shù)據(jù)總線驅(qū)動 電路；根據(jù)權(quán)利要求2所編軟件程序設(shè)定各種執(zhí)行條件控制DSP芯片對數(shù)據(jù)總線驅(qū)動電路 的輸入信號進行辨識、處理并發(fā)出相關(guān)控制指令；電源管理模塊負責提供電能；晶振電路 向DSP芯片提供時鐘信號；數(shù)據(jù)總線驅(qū)動電路主要負責數(shù)據(jù)緩沖和電平轉(zhuǎn)換。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所說的基于DSP的有源電力補償器改進瞬時檢測與控制系統(tǒng)，其特 征在于所說的DSP芯片，包含大容量快速閃存、多個32位定時器、2個事件管理器和SPI、 SCI、CAN多種接口，可提供多達16路的PWM控制脈沖信號。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所說的基于DSP的有源電力補償器改進瞬時檢測與控制系統(tǒng)，其特 征在于所說的門極可關(guān)斷晶閘管電路包括單相回路中的4個IGBT單元采用橋式連接；它 們的控制信號來自隔離與驅(qū)動電路。
全文摘要
一種基于DSP的級聯(lián)式有源電力濾波器改進瞬時檢測與控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括，信號整形變換處理電路、中央數(shù)據(jù)處理電路、隔離與驅(qū)動電路以及門極可關(guān)斷晶閘管電路。該系統(tǒng)提出基于dq變換理論的改進瞬時檢測方法，通過dq變換同步提取出電壓和電流的基波正序分量，經(jīng)過坐標變換，投影從而得出電流基波正序有功分量，能實時的檢測出三相電壓畸變且不對稱時基波正序有功電流，利用高性能數(shù)字信號處理芯片實現(xiàn)級聯(lián)多電平有源電力補償器的控制，很大程度上提高控制的速度和精度，提高了裝置容量和電壓等級，增強電網(wǎng)的穩(wěn)定性，避免因諧波污染影響整個系統(tǒng)的運行。
文檔編號H02J3/01GK101964529SQ201010280210
公開日2011年2月2日 申請日期2010年9月14日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月14日
發(fā)明者劉思佳, 周雪松, 宋代春, 權(quán)博, 李圣明, 梁芳, 田程文, 陳浩, 馬幼捷 申請人:天津理工大學