基于自适应低通滤波器的瞬时无功功率谐波检测系统的制作方法
【专利摘要】一种基于自适应低通滤波器的瞬时无功功率谐波检测系统，其特征在于它是由电流检测模块、AD采样模块、调理电路模块、A/D转换模块和谐波电流计算电路模块所构成；其方法包括：信号检测；调理；A/D转换；电流跟踪控制；其优越性在于：设计简单；稳态精度高，瞬态响应速度快；可靠性高。
【专利说明】
基于自适应低通滤波器的瞬时无功功率谐波检测系统(—)
【技术领域】
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[0001]本发明属于电力电子【技术领域】，集硬件技术和软件编程于一体，特别是一种基于自适应低通滤波器的瞬时无功功率谐波检测系统及方法。
(二)【背景技术】:
[0002]近年来，随着电力电子器件的大规模使用，电力系统中非线性负载大量增加，导致电网中电流波形畸变严重，产生大量谐波，不仅给电能的生产和传输带来危害，同时也影响电气设备的正常工作。谐波所造成的危害日趋严重，同时也造成了极大的电能损耗。在全球能源日趋紧张和环境污染空前加剧的情况下，对电力系统中谐波污染的治理和电能的合理利用，提高电能质量，成为电力电子【技术领域】十分紧迫和必须面对的问题。
[0003]有源电力滤波器作为一种新型的滤波装置，可以对频率和大小都变化的谐波以及变化的无功功率进行补偿，其应用可以克服LC滤波器等传统的谐波抑制和无功补偿方法的缺点，已经受到各国研究工作者的极大关注。
[0004]谐波电流的检测作为有源电力滤波器的最关键的一项技术之一，一直以来都是人们的研究热点。目前有源电力滤波器中基于瞬时无功功率理论的谐波和无功电流检测方法应用最多。而在基于瞬时无功功率理论的谐波和无功电流的检测方法中，都要用到低通滤波器(LPF)。因此，低通滤波算法的性能直接决定着检测方法的精确性和动态跟踪速度，LPF截止频率低时，有较高的检测精度，但动态性能较差；LPF截止频率高时，有较好的动态性，但检测精度较差。因此低通滤波器算法的性能将最终影响到有源电力滤波器的谐波补偿性能，其研究十分有必要。
(三)
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种基于自适应低通滤波器的瞬时无功功率谐波检测系统及方法，它采用高性能的信号处理器和灵活的检测技术以获得高精度、快响应的检测效果，大大的提高了有源电力滤波器中谐波电流的检测精度与动态响应性能。
[0006]本发明的技术方案:一种基于自适应低通滤波器的瞬时无功功率谐波检测系统，其特征在于它是由电流检测模块、AD采样模块、调理电路模块、Α/D转换模块和谐波电流计算电路模块所构成；其中，所述AD采样模块的输入端通过电流检测模块与外电网相连接，其输出端连接调理电路模块；所述调理电路模块与谐波电流计算电路模块通过Α/D转换模块连接；所述谐波电流计算模块的输出端与电流跟踪控制电路共同作用控制驱动电路的动作。
[0007]所述电流检测模块是由电流互感器组成。
[0008]所述AD采样模块是不可控整流电路或可控整流电路组成；其中，不可控整流电路由二极管桥路组成，可控整流电路由可关断晶闸管或者绝缘栅双极型晶闸管类的大功率电力电子器件搭构成桥式电路。
[0009]所述Α/D转换模块内部采用开关电容逐次近似来得到模数转换结果的采用Burr-Brown公司的模数转换芯片ADS1211，芯片有4路模拟信号输入通道，通过芯片内部参数设置选择不同通道输入，进行A/D转换输出。
[0010]所述谐波电流计算电路模块包括坐标变换模块、低通滤波器模块、反坐标变换模块以及求和模块；其中，所述坐标变换模块用于将所述经采样处理后的电网电流信号，含谐波分量，从三相静止坐标系转换到两相旋转坐标系的坐标变换模块，转换后的电流信号转换为q轴电流以及d轴电流；所述低通滤波器模块是用于获取q轴电流或d轴电流的直流分量的LPF低通滤波器；所述反坐标变换模块是将d轴与q轴电流的直流分量转换为原三相静止坐标系下的电流信号的反坐标变换模块；所述求和模块是将转换到原三相静止坐标系下的电流信号，即基波电流，与原电网电流相减来获取谐波电流信号的求和模块。
[0011 ] 所述谐波电流计算电路模块采用TI公司的TMS320F2812的DSP芯片实现。
[0012]所述LPF低通滤波器具有两个不同的截止频率，能根据电网电流的不同特点来自动选择何种模式，来获取稳态的高精度与瞬态的快速响应速度。
[0013]一种基于自适应低通滤波器的瞬时无功功率谐波检测方法，其特征在于它是由以下步骤所构成:
[0014]⑴电流检测模块从电网采集三相电流信号量；
[0015]⑵电流信号量经过调理电路模块，变换得到后续模块允许的工作电压幅值；
[0016](3) A/D转换模块将采集到的模拟量转换成数字量，其输出信号传输给谐波电流计算模块；
[0017]⑷谐波电流计算模块通过对上述的数字量进行分析处理，得到电流跟踪控制电路的指令信号。具体实现步骤如下:1)含谐波分量的电网电流信号通过坐标变换模块，从三相静止坐标系变换到两相旋转坐标系中，在该坐标系下进行分解得到d轴电流和q轴电流；
2)d轴电流和q轴电流经过低通滤波器模块，得到d轴电流和q轴电流的直流分量；3) d轴电流和q轴电流的直流分量经过坐标反变换模块，得到电网电流的基波分量；4)基波分量和电网电流经过求和模块相减，得到电网电流的谐波分量，也即电流跟踪控制电路的指令信号。
[0018]本发明的工作原理:电流互感器(CT)从电网提取三相电流信号，AD采样电路对该电流信号进行采样。经调理电路对采样得到的三相电网电流进行调整；利用A/D转换模块对经调理过后的电流信号进行模数转换；最后利用谐波电流计算电路进行计算提取得到电网电流中的谐波电流。
[0019]上述计算提取过程具体包括如下步骤:
[0020](I)建立帕克变换矩阵，将三相电网电流信号从三相静止坐标系变换到两相旋转坐标系中，得到d轴电流与q轴电流；
[0021](2)利用所述的自适应低通滤波器，分离出d轴电流和q轴电流的直流分量；
[0022](3)将得到的电流的直流分量进行坐标反变换并与原电网电流相减，得到电网电流中的谐波分量。
[0023]模数转换要通过软件来实现，其软件流程如下:①启动模数转换信号；②在AUT0_SEQ_SR寄存器中装初值；③进行模数转换，每转换一次，AUT0_SEQ_SR寄存器中的值就自动减I 将转换结果保存到相应的寄存器中；⑤判断转换是否完成；若完成，就申请中断，转换结束；否则就继续转换。
[0024]ADS1211是具有高精度宽动态范围的A/D转换芯片，其内部由可编程增益放大器、二阶Σ -Δ调制器、调制控制单元、可编程数字滤波器和微处理器组成。
[0025]TMS320F2812是32位定点DSP芯片，它既有数字信号处理能力，又具有强大的事件管理能力和嵌入式控制功能，整个谐波电流计算电路以TMS320F2812为控制核心，包括电源电路、处理结果输出的SCI接口电路、A/D转换控制和为调试方便扩展的SDRAM单元等部分。
[0026]DSP内部的软件设计包括以下两个内容:
[0027]a)TMS320F2812的初始化。主要是寄存器状态设定、复用I/O引脚的功能设定和写ADS1211转换的控制字。
[0028]b)谐波电流计算的实现。
[0029]本发明的优越性在于:①硬件装置与计算机软件编程相结合，硬件装置设计简单，软件编程通俗易懂；②通过判断电流的瞬态与暂态，设计一种自适应改进低通滤波器，在两个不同截止频率的滤波器之间切换，以此获得稳态的高精度，与瞬态的快速响应速度；③利用计算机高速的数据计算和数据处理能力，大大提高了该检测系统的可靠性。
(四)【专利附图】
【附图说明】:
[0030]图1为本发明所涉一种基于自适应低通滤波器的瞬时无功功率谐波检测系统的总体结构框图。
[0031]图2为本发明所涉一种基于自适应低通滤波器的瞬时无功功率谐波检测系统中的检测方法原理示意图。
[0032]图3为本发明所涉一种基于自适应低通滤波器的瞬时无功功率谐波检测方法中的调理电路不意图。
[0033]图4为本发明所涉一种基于自适应低通滤波器的瞬时无功功率谐波检测方法中的A/D转换芯片ADS1211的控制电路示意图。
[0034]图5为本发明所涉一种基于自适应低通滤波器的瞬时无功功率谐波检测方法中的采样子程序结构示意图。
[0035]图6为本发明所涉一种基于自适应低通滤波器的瞬时无功功率谐波检测方法中的谐波电流计算的子程序示意图。
(五)【具体实施方式】:
[0036]实施例:一种基于自适应低通滤波器的瞬时无功功率谐波检测系统(见图1)，其特征在于它是由电流检测模块、AD采样模块、调理电路模块、A/D转换模块和谐波电流计算电路模块所构成；其中，所述AD采样模块的输入端通过电流检测模块与外电网相连接，其输出端连接调理电路模块；所述调理电路模块与谐波电流计算电路模块通过A/D转换模块连接；所述谐波电流计算模块的输出端与电流跟踪控制电路共同作用控制驱动电路的动作。
[0037]所述电流检测模块是由电流互感器组成。
[0038]所述AD采样模块是不可控整流电路或可控整流电路组成；其中，不可控整流电路由二极管桥路组成，可控整流电路由可关断晶闸管或者绝缘栅双极型晶闸管类的大功率电力电子器件搭构成桥式电路。
[0039]所述Α/D转换模块内部采用开关电容逐次近似来得到模数转换结果的采用Burr-Brown公司的模数转换芯片ADS1211，芯片有4路模拟信号输入通道，通过芯片内部参数设置选择不同通道输入，进行Α/D转换输出(见图4)。
[0040]所述谐波电流计算电路模块包括坐标变换模块、低通滤波器模块、反坐标变换模块以及求和模块；其中，所述坐标变换模块用于将所述经采样处理后的电网电流信号，含谐波分量，从三相静止坐标系转换到两相旋转坐标系的坐标变换模块，转换后的电流信号转换为q轴电流以及d轴电流；所述低通滤波器模块是用于获取q轴电流或d轴电流的直流分量的LPF低通滤波器；所述反坐标变换模块是将d轴与q轴电流的直流分量转换为原三相静止坐标系下的电流信号的反坐标变换模块；所述求和模块是将转换到原三相静止坐标系下的电流信号，即基波电流，与原电网电流相减来获取谐波电流信号的求和模块。
[0041 ] 所述谐波电流计算电路模块采用TI公司的TMS320F2812的DSP芯片实现。
[0042]所述LPF低通滤波器具有两个不同的截止频率，能根据电网电流的不同特点来自动选择何种模式，来获取稳态的高精度与瞬态的快速响应速度。
[0043]一种基于自适应低通滤波器的瞬时无功功率谐波检测方法(见图2、图3、图5、图6)，其特征在于它是由以下步骤所构成:
[0044]⑴电流检测模块从电网采集三相电流信号量；
[0045]⑵电流信号量经过调理电路模块，变换得到后续模块允许的工作电压幅值；
[0046](3) A/D转换模块将采集到的模拟量转换成数字量，其输出信号传输给谐波电流计算模块；
[0047]⑷谐波电流计算模块通过对上述的数字量进行分析处理，得到电流跟踪控制电路的指令信号。具体实现步骤如下:1)含谐波分量的电网电流信号通过坐标变换模块，从三相静止坐标系变换到两相旋转坐标系中，在该坐标系下进行分解得到d轴电流和q轴电流；
2)d轴电流和q轴电流经过低通滤波器模块，得到d轴电流和q轴电流的直流分量；3) d轴电流和q轴电流的直流分量经过坐标反变换模块，得到电网电流的基波分量；4)基波分量和电网电流经过求和模块相减，得到电网电流的谐波分量，也即电流跟踪控制电路的指令信号。
[0048]一种基于自适应低通滤波器的瞬时无功功率谐波检测方法(见图1)，特征在于它是由硬件设备和计算机软件组成。其中硬件设备由电流检测模块、AD采样模块、调理电路模块、Α/D转换模块和谐波电流计算电路模块所构成。所说的AD采样模块的输入端通过电流检测模块与外电网相连接，其输出端连接调理电路模块，调理电路模块与谐波电流计算电路模块相连接，谐波电流计算模块的输出端与电流控制模块共同作用控制驱动电路的动作。
[0049]上述所说的Α/D转换模块拟采用Burr-Brown公司的模数转换芯片ADS1211。ADS1211是具有高精度宽动态范围的Α/D转换芯片，其内部由可编程增益放大器、二阶Σ -Δ调制器、调制控制单元、可编程数字滤波器和微处理器组成。
[0050]上述所说的谐波电流计算电路模块拟采用TI公司的TMS320F2812。TMS320F2812是32位定点DSP芯片，它既有数字信号处理能力，又具有强大的事件管理能力和嵌入式控制功能，整个谐波电流计算电路以TMS320F2812为控制核心，包括电源电路、处理结果输出的SCI接口电路、A/D转换控制和为调试方便扩展的SDRAM单元等部分。
[0051]DSP内部的软件设计包括以下两个内容:
[0052]a)TMS320F2812的初始化。主要是寄存器状态设定、复用I/O引脚的功能设定和写ADS1211转换的控制字。
[0053]b)谐波电流计算的实现。
【权利要求】
1.一种基于自适应低通滤波器的瞬时无功功率谐波检测系统，其特征在于它是由电流检测模块、AD采样模块、调理电路模块、A/D转换模块和谐波电流计算电路模块所构成；其中，所述AD采样模块的输入端通过电流检测模块与外电网相连接，其输出端连接调理电路模块；所述调理电路模块与谐波电流计算电路模块通过A/D转换模块连接；所述谐波电流计算模块的输出端与电流跟踪控制电路共同作用控制驱动电路的动作。
2.根据权利要求1所述一种基于自适应低通滤波器的瞬时无功功率谐波检测系统，其特征在于所述电流检测模块是由电流互感器组成。
3.根据权利要求1所述一种基于自适应低通滤波器的瞬时无功功率谐波检测系统，其特征在于所述AD采样模块是不可控整流电路或可控整流电路组成；其中，不可控整流电路由二极管桥路组成，可控整流电路由可关断晶闸管或者绝缘栅双极型晶闸管类的大功率电力电子器件搭构成桥式电路。
4.根据权利要求1所述一种基于自适应低通滤波器的瞬时无功功率谐波检测系统，其特征在于所述A/D转换模块内部采用开关电容逐次近似来得到模数转换结果的采用Burr-Brown公司的模数转换芯片ADS1211，芯片有4路模拟信号输入通道，通过芯片内部参数设置选择不同通道输入，进行A/D转换输出。
5.根据权利要求1所述一种基于自适应低通滤波器的瞬时无功功率谐波检测系统，其特征在于所述谐波电流计算电路模块包括坐标变换模块、低通滤波器模块、反坐标变换模块以及求和模块；其中，所述坐标变换模块用于将所述经采样处理后的电网电流信号，含谐波分量，从三相静止坐标系转换到两相旋转坐标系的坐标变换模块，转换后的电流信号转换为q轴电流以及d轴电流；所述低通滤波器模块是用于获取q轴电流或d轴电流的直流分量的LPF低通滤波器；所述反坐标变换模块是将d轴与q轴电流的直流分量转换为原三相静止坐标系下的电流信号的反坐标变换模块；所述求和模块是将转换到原三相静止坐标系下的电流信号，即基波电流，与原电网电流相减来获取谐波电流信号的求和模块。
6.根据权利要求5所述一种基于自适应低通滤波器的瞬时无功功率谐波检测系统，其特征在于所述LPF低通滤波器具有两个不同的截止频率，能根据电网电流的不同特点来自动选择何种模式，来获取稳态的高精度与瞬态的快速响应速度。
7.根据权利要求1所述一种基于自适应低通滤波器的瞬时无功功率谐波检测系统，其特征在于所述谐波电流计算电路模块采用TI公司的TMS320F2812的DSP芯片实现。
8.一种基于自适应低通滤波器的瞬时无功功率谐波检测方法，其特征在于它是由以下步骤所构成: ⑴电流检测模块从电网采集三相电流信号量； ⑵电流信号量经过调理电路模块，变换得到后续模块允许的工作电压幅值； ⑶A/D转换模块将采集到的模拟量转换成数字量，其输出信号传输给谐波电流计算模块； ⑷谐波电流计算模块通过对上述的数字量进行分析处理，得到电流跟踪控制电路的指令信号。
9.根据权利要求8所述一种基于自适应低通滤波器的瞬时无功功率谐波检测方法，其特征在于由以下步骤构成:1)含谐波分量的电网电流信号通过坐标变换，从三相静止坐标系变换到两相旋转坐标系中，在该坐标系下进行分解得到d轴电流和q轴电流；2)d轴电流和(1轴电流经过低通滤波器，得到(1轴电流和(1轴电流的直流分量:3) (1轴电流和(1轴电流的直流分量经过坐标反变换，得到电网电流的基波分量基波分量和电网电流经过求和，得到电网电流的谐波分量，也即电流跟踪控制电路的指令信号。
【文档编号】G01R23/165GK104360154SQ201410637118
【公开日】2015年2月18日 申请日期:2014年11月12日 优先权日:2014年11月12日
【发明者】马幼捷, 袁洪德, 周雪松, 王德祥, 刘伟 申请人:天津理工大学