基于FPGA的有源滤波装置中的测控电路的制作方法

本实用新型属于一种电力电子设备应用技术领域，涉及有源滤波装置的测控电路设计。

背景技术：

随着电网中整流器、变频调速装置以及各种以开关方式工作的电力电子装置的不断增加，这些负荷的非线性、冲突性和不平衡性的用电特性，使得电力系统中电压、电流发生畸变，电网中的谐波含量大大增加。这些典型的非线性负荷从电网吸收或注入谐波电流，从而导致电网的功率因数降低、电网电压波形发生畸变、电压波动与闪变和三相不平衡等电能质量问题。因此谐波与闪变问题受到了越来越多的关注。为了提高电能质量，改善电网中的谐波与闪变污染问题，有源电力滤波器以其良好的动态响应速度和补偿特性在电力系统得到了一定的应用。

测控电路作为静止有源滤波装置的核心设备，其性能决定整个有源电力滤波装置的性能。目前数字信号处理技术、微处理器技术等方面的发展，为高性能测控平台的研制提供了必要的技术基础。目前有源滤波装置的测控平台主要是采用单片机、复杂可编程逻辑器件等芯片构成，使其测控的精度与测控响应速度无法满足谐波高效滤除与无功动态补偿等功能的综合实现，因此必需要重新设计高性能的测控平台以保证有源滤波装置的可靠运行。

技术实现要素：

为了满足在电网中有源电力滤波装置能够实现无功动态补偿和谐波治理，本实用新型的目的是提供一种基于FPGA的有源滤波装置中的测控电路。

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种基于FPGA的有源滤波装置中的测控电路，包括：DSP处理器模块、FPGA处理器模块、A/D采样单元、控制信号输出及输入电路和同步检测电路；其中所述同步检测电路适于检测三相电网电压的相位，并将相位信号发送至DSP处理器模块、FPGA处理器模块；所述A/D采样单元中包括：第一、第二A/D采样电路，所述FPGA处理器模块适于根据相位信号控制第一A/D采样电路对负载电流和有源滤波装置的桥臂电流进行采样，并根据该采样值获得负载电流中的三相无功与谐波电流分量；所述DSP处理器模块适于根据相位信号控制第二A/D采样电路对有源滤波装置的直流侧电压进行采样，并根据该采样值获得直流电压的控制数据；所述DSP处理器模块将控制数据发送至FPGA处理器模块；所述FPGA处理器模块还适于根据三相无功与谐波电流分量和控制数据进行相加后，得到实际低压有源滤波装置的电流输出指令信号，将该电流输出指令信号与实际的有源滤波装置三相输出电流信号相减后得到控制差值，并将该控制差值送至DSP处理器模块；DSP处理器模块根据控制差值由其内的PWM单元产生有源滤波装置对应的PWM控制信号，通过控制信号输出电路对该PWM控制信号隔离后送至有源滤波装置的IGBT器件，以驱动IGBT器件的导通与关断。

进一步，所述测控电路还包括：人机接口电路及通讯电路，所述人机接口电路及通讯电路包括：与DSP处理器模块相连的触摸屏，以及RS-232和/或RS-485串行数据通讯接口。

进一步，所述同步检测电路包括：三相同步变压器电路和波形整理与过零点检测电路；其中所述三相同步变压器电路适于对电网电压进行隔离降压输出，所述波形整理与过零点检测电路适于将该输出电压转换为与三相电压交流信号同相位的方波信号，即相位信号发送至DSP处理器模块和FPGA处理器模块。

本实用新型的有源滤波装置的测控电路具有的优点如下：

针对有源滤波装置的工作特点，将无功电流检测与直流侧电压控制这两个测控功有DSP处理器模块和FPGA处理器模块分别实现，保证了有源滤波装置的工作可靠性；并且发挥了FPGA处理器模块的并行处理的特点，保证了计算速度；由DSP处理器模块中的PWM单元实现对有源滤波装置的PWM控制信号的生产，保证了控制的完全数字化实现；通过触摸屏实现了有源滤波装置的人机接口，比传统的键盘和显示屏的方式更加直观，操作更加便捷。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

图1为本实用新型的测控电路的系统结构；

图2(a)为三相同步变压器的电路原理图；

图2(b)为波形整理与过零点检测电路的电路原理图；

图3(a)为电流传感器的电路原理图；

图3(b)为电压传感器的电路原理图；

图3(c)为采样芯片的电路原理图；

图4为DSP处理器模块及外围电路原理图。

具体实施方式

现在结合附图对本实用新型作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本实用新型的基本结构，因此其仅显示与本实用新型有关的构成。

如图1所示，本实用新型中测控电路通过同步检测电路检测三相电网电压的相位，将电压相位信号送至DSP处理器模块与FPGA处理器模块，DSP处理器模块根据三相电压的相位信号产生每个基波周期进行256点直流电压A/D采样的触发脉冲以控制AD7656芯片对低压有源滤波装置的直流侧电压进行采样，采样值送至DSP处理器模块中经过PI数字计算得到直流电压的控制数据；

同时由同步检测电路得到的电压相位信号也送至FPGA处理器模块，FPGA处理器模块根据该电压相位信号产生每个基波周期进行256点电流采样的A/D触发脉冲，控制AD7656芯片对三相负载电流和低压有源滤波装置三相输出电流进行采样，并将采样值送至FPGA处理器模块，FPGA处理器模块得到电流采样结果后，通过FPGA处理器模块中的计算实现对负载电流中的三相无功与谐波电流分量的检测，

并通过FPGA处理器模块与DSP处理器模块的数据接口得到DSP处理器模块计算出的直流电压的控制数据；

在FPGA处理器模块中将负载电流中的三相无功分量与谐波电流分量和直流电压的控制数据进行相加后，得到实际低压有源滤波装置的电流输出指令信号，将给电流输出指令信号与实际的有源滤波装置三相输出电流信号进行相减后得到控制差值，通过FPGA处理器模块与DSP处理器模块的数据接口将该控制差值送至DSP处理器模块中；

通过DSP处理器模块中的PWM单元实现有源滤波装置PWM控制信号的产生，通过控制信号输出电路对该PWM控制信号隔离后送至有源滤波装置的IGBT器件驱动IGBT器件的导通与关断就可以实现无功补偿与谐波抑制。

测控电路通过外部设计的保护电路实现对有源滤波装置运行时过电压、过电流、过温等故障的保护，并将保护信号通过控制信号输入电路输入至测控电路，通过DSP处理器模块的控制实现当有源滤波装置发生故障时的保护跳闸与告警；测控电路通过人机接口实现数据显示与参数设定，并通过通讯电路实现数据传输。

如图2(a)和图2(b)所示，关于同步检测电路，有源滤波装置装置为了保证正常工作，需要检测电网电压的相位，本同步检测电路中采用三相隔离变压器构成三相同步变压器电路。三相电网电压经过三相隔离变压器后转为24V的交流电压信号，再经过波形整理与过零点检测电路生成与三相电压交流信号同相位的方波信号，将该方波信号送至DSP处理器模块与处理器模块FPGA即可进行谐波与无功电流的相关检测与计算。

如图3(a)所示，所述A/D采样单元中电流传感器例如但不限于采用瑞士LEM公司的LT308型霍尔电流传感器来实现对电网中负载电流互感器的二次侧电流的转换。采用LEM公司的LT308霍尔电流传感器来实现对低压静止无功发生器输出电流的检测。通过测量霍尔电流传感器的测量端的电阻端电压就可以得出原边上的电流的值。

如图3(b)所示，所述A/D采样单元中电压传感器例如但不限于采用瑞士LEM公司的LV28型霍尔电压传感器。该霍尔电压传感器的原边与副边匝数比为2500：1000，通过测量该霍尔电压传感器M脚上测量电阻Rm上的电压就可以通过乘以转换系数得到原边上的电压。

如图3(c)所示，由于进行三相负载电流、三相桥臂电流和直流电压数据采集，因此设计了最多12通道的模拟量输入，采用2片高速、低功耗的AD7656采样芯片。该芯片是6通道逐次逼近型ADC，内含一个2.5V基准电压源和一个基准缓冲器。该芯片功耗低，转换速度快。

所述A/D采样单元共采用两片AD7656芯片实现模拟量转换，其中一片AD7656由DSP处理器模块进行控制实现对直流侧电压的采样，利用DSP处理器模块的硬件定时器产生定时周期可以调节的触发脉冲作为AD7656通道同步转换触发信号。当AD7656芯片转换完毕后，利用该芯片的busy信号触发DSP处理器模块的外部中断，DSP处理器模块依次从AD7656芯片中读取采样值实现对直流电压的采集。另外一片AD7656芯片由FPGA处理器模块进行控制实现对三相负载电流和三相桥臂电流的检测由FPGA处理器模块产生AD转换触发脉冲，当该AD7656芯片转换结束后，其busy信号的下降沿触发FPGA处理器模块进行数据读取，将三相负载电流和三相桥臂电流读入到FPGA处理器模块中。

关于FPGA(现场可编程逻辑阵列)处理器模块，DSP处理器模块通过FPGA处理器模块实现了对负载电流中谐波与无功分量的检测，扩展I/O实现开关量的输入和输出，并完成一些简单的逻辑功能。FPGA处理器模块例如但不限于采用Altera公司的EP3C40Q240C8N芯片。该芯片是Altera公司的Cyclone III系列FPGA处理器模块，具有2475个逻辑块，有128个I/O引脚，可以方便地进行编程以实现一定的逻辑运算与处理功能。

FPGA电路的主要功能：

(1)EP3C40Q240C8N芯片的151引脚为外部50MHz信号(有源晶振)输入，内部经过FPGA的时钟PLL单元生成100MHz、50MHz、25MHz的时钟信号，提供给FPGA内部进行谐波与无功分量的检测与控制。

(2)EP3C40Q240C8N芯片的41、43、44、45、46、49、50、51、52、55、56、57、63、68、69、70管脚构成16位的AD数据接口，接到AD7656的16位数据管脚，EP3C40Q240C8N芯片的18、21、22、37、39管脚作为AD的片选、读、写、转换控制管脚分别接到AD7656的片选、读、写、转换、转换完成管脚，通过FPGA的控制实现启动AD7656的AD转换，并将结果读入到EP3C40Q240C8N芯片中，以实现对三相负载电流和三相桥臂电流的检测。

(3)EP3C40Q240C8N芯片将读到的三相负载电流进行谐波与无功分量的运算，得到对应的谐波与无功检测结果，同时EP3C40Q240C8N芯片的93、94、95、98、99、100、103、106、107、110、111、112、113、114、117、118管脚作为与DSP处理器模块的数据接口，从DSP处理器模块中获得直流侧电压的控制数据，将谐波与无功检测结果和直流侧电压的控制数据相加后，再与三相桥臂电流进行相减得到对应的差值，该差值即为有源滤波装置的控制数据，然后将该控制数据通过FPGA与DSP的数据接口送至DSP处理器模块，由DSP处理器模块实现对有源滤波装置的PWM控制。

如图4所示，关于DSP处理器模块，DSP处理器模块例如但不限于采用美国TI公司的32位定点型数字信号处理器TMS320F2812芯片，它具有强大的事件管理能力和嵌入式控制功能，又具有丰富的片内外围资源，特别适用于大批的数据处理。它具备16×16位和32×32位乘法累加操作；16×16位两个双累加器；哈弗总线结构：统一寻址模式；可达4MB的程序/数据寻址空间；具有128K Flash存储器；1K的OTP型只读存储器；18K SARAM(单周期单次随机存储器，具有12路比较/脉冲宽度调制(PWM)通道；可工作于六种方式的4个16位通用定时器等功能模块。所述TMS320F2812芯片主要实现以下功能：

TMS320F2812芯片通过内部的定时器产生周期为40μs的方波信号，用以实现对AD7656的控制，实现对直流量的检测，通过DSP的数据接口读取直流侧电压的检测结果；TMS320F2812芯片将得到的直流侧电压的检测结果与预设的直流侧控制电压值进行比较与控制，输出直流侧电压的控制数据给FPGA处理器模块；TMS320F2812芯片从FPGA处理器模块获得有源滤波装置装置的控制数据，并利用DSP芯片的PWM控制单元生成有源滤波装置装置中IGBT器件的驱动控制信号；TMS320F2812芯片接收装置保护电路中的控制、保护信号，以实现对有源滤波装置保护控制功能。

关于控制信号输出及输入电路，由DSP处理器模块生成的有源滤波装置装置中IGBT器件的驱动控制信号，以及有源滤波装置装置的开关控制信号需要经过控制信号输出电路隔离，该电路采用安捷伦公司的HCPL4504高速光耦进行隔离，同时外部输入的有源滤波装置装置控制信号也经过TLP521光耦进行隔离，保证了外部控制信号与有源滤波装置装置测控电路的隔离。

关于人机接口电路及通讯电路，有源滤波装置装置通过触摸屏实现人机接口功能，将有源滤波装置装置运行时的参数显示，操作人员通过触摸屏实现参数设定，信息读取等功能，该有源滤波装置装置通过串行通信实现数据传输，低压有源滤波装置测控电路里配有RS-232/485两种串行数据通讯接口。

以上述依据本实用新型的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项实用新型技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项实用新型的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。