專利名稱：基于dsp的級聯式有源電力濾波器改進瞬時檢測與控制系統的制作方法
技術領域：
本發明屬于電力系統級聯式有源電力濾波器(Active Power FiIter，APF)檢測與 控制技術領域，涉及一種基于數字信號處理器(digital signal processor，DSP)的級聯式 有源電力濾波器檢測與控制系統。
背景技術：
有源電力濾波器是一種電力電子補償系統，并接于電源和重要負荷之間，具有很 好的動態性能和諧波特性。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 將系統中所含諧波及無功電流檢出，并產生與其大小相等、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。目前廣泛應用的ip-iq檢測方法雖然在非理想電網 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。而實際的電網電壓波形很多情 況下都存在不同程度的畸變和不對稱。
發明內容本發明的目的是克服現有技術存在的上述不足，提供一種基于DSP的級聯式有源 電力濾波器改進瞬時檢測與控制系統。本發明提出基于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。本發明提供的基于DSP的級聯式有源電力濾波器改進瞬時檢測與控制系統，應用 DSP實現改進瞬時檢測方法，該系統包括，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 出端連接中央數據處理電路的輸入端，用于信號采集及電平轉換；中央數據處理電路輸出端連接隔離與驅動電路，用于實現改進瞬時檢測方法所 需要的計算；隔離與驅動電路輸出端連接門極可關斷晶閘管電路各個IGBT門極輸入端，用于 驅動脈沖生成；門極可關斷晶閘管電路用于逆變產生補償電流。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據處 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 據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成輸入限幅保 護，用第一至第六電阻、及第一至第四電容構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構成遲滯電壓比較器，用第十一至第 十二電阻構成分壓電路，將采集的信號處理后送入中央數據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 通過中央數據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，通過中央數據 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，再經過坐標反變換得到電 流的指令信號，將信號從中央數據處理電路輸出到隔離與驅動電路。上述所說的中央數據處理電路包括DSP芯片、電源管理模塊、晶振電路和數據總 線驅動電路；根據上述所編軟件程序設定各種執行條件控制DSP芯片對數據總線驅動電路 的輸入信號進行辨識、處理并發出相關控制指令；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；數據總線驅動電路主要負責數據緩沖和電平轉換。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動電路。本發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電壓及電流感器二次側電 流變換為較低幅值交流電壓，處理后送入到以DSP為核心的中央數據處理電路中。正常工 作時，APF依據系統電壓與電流的瞬時值，通過中央數據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角，給出逆變器控制PWM信號，經脈沖放大電路放大后觸發相關 IGBT單元，輸出補償電流，遏制系統諧波。本發明的優點和有益效果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、利用高性能數字信號處理芯片實現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，使整個控制系統具有很好的調節性能和可靠性；3、采用級聯H橋電路作為APF的主 電路拓撲結構，大大提高了裝置容量以及電壓等級，增強了電網的穩定性，避免因諧波污染 影響整個系統的運行；4、具有廣闊的市場應用前景。
圖1為本發明所涉基于DSP的有源電力補償器改進瞬時檢測與控制系統的整體結 構示意圖。圖2為本發明所涉基于DSP的有源電力補償器改進瞬時檢測與控制系統中的信號 整形變換處理電路結構示意圖。圖3為本發明所涉基于DSP的有源電力補償器改進瞬時檢測與控制系統中的中央 數據處理電路結構示意圖。圖4為本發明所涉基于DSP的有源電力補償器改進瞬時檢測與控制系統中的改進 的瞬時檢測方法結構示意圖。圖5為本發明所涉基于DSP的有源電力補償器改進瞬時檢測與控制系統中的門極可關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的級聯十一電平有源電力濾波器改進瞬時檢測與控制系統(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，整個系統由信號 整形變換處理電路、中央數據處理電路、隔離與驅動電路和門極可關斷晶閘管電路組成，實 現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據處理電路的輸入端，中央數據處理電路 的輸出端連接隔離與驅動電路，隔離與驅動電路的輸出端連接門極可關斷晶閘管電路各個 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據處 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 據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構成遲滯電壓比較器，用第十一至第十二電阻 R7、R8構成分壓電路，將采集的信號處理后送入中央數據處理電路中的捕捉模塊進行采樣。上述所說的中央數據處理電路包括DSP芯片、電源管理模塊、晶振電路和數據總 線驅動電路；根據改進的瞬時檢測方法原理(見圖4)所編軟件程序設定各種執行條件控 制DSP芯片對數據總線驅動電路的輸入信號進行辨識、處理并發出相關控制指令；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；數據總線驅動電路主要負責數 據緩沖和電平轉換。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構成。數據總線驅動電路由一片雙向數據緩沖器 74LVC16245構成；該電路工作過程為將A/D轉化所得的數字量接收到DSP后，對數據進行 補償、數字濾波后，對應相應的標準值轉化為標么值，運算得出控制角，并轉化計數值，產生 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據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 中央數據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，再經過坐標反變 換得到電流的指令信號，將信號從中央數據處理電路輸出到隔離與驅動電路。上述所說的門極可關斷晶閘管電路(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過功率驅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動管電路的信號得以觸發。
權利要求
一種基于DSP的級聯式有源電力濾波器改進瞬時檢測與控制系統，其特征在于該系統包括，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據處理電路的輸入端，用于信號采集及電平轉換；中央數據處理電路輸出端連接隔離與驅動電路，用于實現改進瞬時檢測方法所需要的計算；隔離與驅動電路輸出端連接門極可關斷晶閘管電路各個IGBT門極輸入端，用于驅動脈沖生成；門極可關斷晶閘管電路用于逆變產生補償電流。
2.根據權利要求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，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 流信號通過中央數據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 央數據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，再經過坐標反變換 得到電流的指令信號，將信號從中央數據處理電路輸出到隔離與驅動電路。
3.根據權利要求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，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 構成；由電壓、電流交流采樣前端電路與中央數據處理電路中的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，再與中央數據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據處理 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據 處理電路中的捕捉模塊輸入端。
4.根據權利要求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，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成輸入限幅保護，用第 一至第六電阻、及第一至第四電容構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構成遲滯電壓比較器，用第十一至第十二電阻 構成分壓電路，將采集的信號處理后送入中央數據處理電路中的捕捉模塊進行采樣。
5.根據權利要求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，其特 征在于所說的中央數據處理電路包括DSP芯片、電源管理模塊、晶振電路和數據總線驅動 電路；根據權利要求2所編軟件程序設定各種執行條件控制DSP芯片對數據總線驅動電路 的輸入信號進行辨識、處理并發出相關控制指令；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；數據總線驅動電路主要負責數據緩沖和電平轉換。
6.根據權利要求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，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.根據權利要求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，其特 征在于所說的門極可關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動電路。
全文摘要
一種基于DSP的級聯式有源電力濾波器改進瞬時檢測與控制系統。該系統包括，信號整形變換處理電路、中央數據處理電路、隔離與驅動電路以及門極可關斷晶閘管電路。該系統提出基于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，利用高性能數字信號處理芯片實現級聯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，增強電網的穩定性，避免因諧波污染影響整個系統的運行。
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 優先權日2010年9月14日
發明者劉思佳, 周雪松, 宋代春, 權博, 李圣明, 梁芳, 田程文, 陳浩, 馬幼捷 申請人:天津理工大學