专利名称：基于dsp的级联式有源电力滤波器改进瞬时检测与控制系统的制作方法
技术领域：
本发明属于电力系统级联式有源电力滤波器(Active Power FiIter，APF)检测与 控制技术领域，涉及一种基于数字信号处理器(digital signal processor，DSP)的级联式 有源电力滤波器检测与控制系统。
背景技术：
有源电力滤波器是一种电力电子补偿系统，并接于电源和重要负荷之间，具有很 好的动态性能和谐波特性。有源电力滤波器可以看作一个受控电流源，其基本工作原理是 将系统中所含谐波及无功电流检出，并产生与其大小相等、相位差180°的补偿电流，注入 输电线路，抵消其中的谐波及无功电流。目前广泛应用的ip-iq检测方法虽然在非理想电网 电压下可以准确地检测谐波电流，但不能准确地检测无功电流，其原因是在电网电压不对 称时，电压的实际过零点与电压基波过零点存在有相位差。而实际的电网电压波形很多情 况下都存在不同程度的畸变和不对称。
发明内容本发明的目的是克服现有技术存在的上述不足，提供一种基于DSP的级联式有源 电力滤波器改进瞬时检测与控制系统。本发明提出基于dq变换理论的改进瞬时检测方法，通过dq变换同步提取出电压 和电流的基波正序分量，经过坐标变换、投影从而得出电流基波正序有功分量，能实时的检 测出三相电压畸变且不对称时基波正序有功电流。本发明提供的基于DSP的级联式有源电力滤波器改进瞬时检测与控制系统，应用 DSP实现改进瞬时检测方法，该系统包括，信号整形变换处理电路输入端连接外部电路的电压互感器和电流互感器，其输 出端连接中央数据处理电路的输入端，用于信号采集及电平转换；中央数据处理电路输出端连接隔离与驱动电路，用于实现改进瞬时检测方法所 需要的计算；隔离与驱动电路输出端连接门极可关断晶闸管电路各个IGBT门极输入端，用于 驱动脉冲生成；门极可关断晶闸管电路用于逆变产生补偿电流。上述所说的信号整形变换处理电路由电压、电流交流采样前端电路和频率方波变 换电路构成；电压、电流交流采样前端电路将采集的电压、电流信号处理后送入中央数据处 理电路中的A/D模块输入端；频率方波变换电路将电压信号变换为方波信号输入到中央数 据处理电路中的捕捉模块输入端。上述所说的电压、电流交流采样前端电路用第一至第四二极管构成输入限幅保 护，用第一至第六电阻、及第一至第四电容构成互感器相移补偿及阻容滤波电路；所说的频率方波变换电路用第七至第十电阻及比较器LM339构成迟滞电压比较器，用第十一至第 十二电阻构成分压电路，将采集的信号处理后送入中央数据处理电路中的捕捉模块进行采样。
上述所说的改进瞬时检测方法是将信号整形变换处理电路得到的电压、电流信号 通过中央数据处理电路进行坐标变换，再通过低通滤波器得到其直流分量，通过中央数据 处理电路对电压与电流直流分量进行向量合成、向量投影计算，再经过坐标反变换得到电 流的指令信号，将信号从中央数据处理电路输出到隔离与驱动电路。上述所说的中央数据处理电路包括DSP芯片、电源管理模块、晶振电路和数据总 线驱动电路；根据上述所编软件程序设定各种执行条件控制DSP芯片对数据总线驱动电路 的输入信号进行辨识、处理并发出相关控制指令；电源管理模块负责提供电能；晶振电路 向DSP芯片提供时钟信号；数据总线驱动电路主要负责数据缓冲和电平转换。上述所说的DSP芯片，包含大容量快速闪存、多个32位定时器、2个事件管理器和 SPI, SCI, CAN多种接口，可提供多达16路的P丽控制脉冲信号。上述所说的门极可关断晶闸管电路包括单相回路中的4个桥式连接IGBT单元； 它们的控制信号来自隔离与驱动电路。本发明的工作原理信号整形变换处理电路把输电线路电压互感器二次侧电压及电流感器二次侧电 流变换为较低幅值交流电压，处理后送入到以DSP为核心的中央数据处理电路中。正常工 作时，APF依据系统电压与电流的瞬时值，通过中央数据处理电路按照改进的瞬时检测方 法计算出功率电路的触发角，给出逆变器控制PWM信号，经脉冲放大电路放大后触发相关 IGBT单元，输出补偿电流，遏制系统谐波。本发明的优点和有益效果1、采用改进的瞬时检测方法，能实时的检测出三相电压畸变且不对称时基波正序 有功电流；2、利用高性能数字信号处理芯片实现有源电力补偿器的控制，很大程度上提高 控制的速度和精度，减少普通模拟调制方式和单片机处理速度限制而引起的控制滞后和精 度缺陷，使整个控制系统具有很好的调节性能和可靠性；3、采用级联H桥电路作为APF的主 电路拓扑结构，大大提高了装置容量以及电压等级，增强了电网的稳定性，避免因谐波污染 影响整个系统的运行；4、具有广阔的市场应用前景。
图1为本发明所涉基于DSP的有源电力补偿器改进瞬时检测与控制系统的整体结 构示意图。图2为本发明所涉基于DSP的有源电力补偿器改进瞬时检测与控制系统中的信号 整形变换处理电路结构示意图。图3为本发明所涉基于DSP的有源电力补偿器改进瞬时检测与控制系统中的中央 数据处理电路结构示意图。图4为本发明所涉基于DSP的有源电力补偿器改进瞬时检测与控制系统中的改进 的瞬时检测方法结构示意图。图5为本发明所涉基于DSP的有源电力补偿器改进瞬时检测与控制系统中的门极可关断晶闸管电路的单相电路。
具体实施方式
实施例一种基于DSP的级联十一电平有源电力滤波器改进瞬时检测与控制系统(见图 1)，它以美国德州仪器推出的高性能DSP芯片TMS320F2812为中央处理器，整个系统由信号 整形变换处理电路、中央数据处理电路、隔离与驱动电路和门极可关断晶闸管电路组成，实 现了改进的瞬时检测方法。其中所说的信号整形变换处理电路的输入端连接外部电路的 电压互感器和电流互感器，其输出端连接中央数据处理电路的输入端，中央数据处理电路 的输出端连接隔离与驱动电路，隔离与驱动电路的输出端连接门极可关断晶闸管电路各个 IGBT门极输入端。上述所说的信号整形变换处理电路由电压、电流交流采样前端电路和频率方波变 换电路构成；电压、电流交流采样前端电路将采集的电压、电流信号处理后送入中央数据处 理电路中的A/D模块输入端；频率方波变换电路将电压信号变换为方波信号输入到中央数 据处理电路中的捕捉模块输入端。上述所说的电压、电流交流采样前端电路(见图2)用第一至第四二极管D11、D12、 D21、D22构成输入限幅保护，用第一至第六电阻R24、R25、R26、R34、R35、R36、及第一至第四 电容C11、C12、C16、C17构成互感器相移补偿及阻容滤波电路；所说的频率方波变换电路用 第七至第十电阻R1、R2、R4、R5及比较器LM339构成迟滞电压比较器，用第十一至第十二电阻 R7、R8构成分压电路，将采集的信号处理后送入中央数据处理电路中的捕捉模块进行采样。上述所说的中央数据处理电路包括DSP芯片、电源管理模块、晶振电路和数据总 线驱动电路；根据改进的瞬时检测方法原理(见图4)所编软件程序设定各种执行条件控 制DSP芯片对数据总线驱动电路的输入信号进行辨识、处理并发出相关控制指令；电源管 理模块负责提供电能；晶振电路向DSP芯片提供时钟信号；数据总线驱动电路主要负责数 据缓冲和电平转换。上述所说的DSP芯片(见图3)包含大容量快速闪存、多个32位定时器、2个事件 管理器和SPI、SCI、CAN多种接口，提供所需的12路PWM控制脉冲信号；电源管理模块由双 电源供电器件TPS73HD301及周边电阻R15、R16、电容Cl、C2构成；晶振电路由给DSP芯片 提供时钟信号的电容C3、C4和晶振体U2构成。数据总线驱动电路由一片双向数据缓冲器 74LVC16245构成；该电路工作过程为将A/D转化所得的数字量接收到DSP后，对数据进行 补偿、数字滤波后，对应相应的标准值转化为标么值，运算得出控制角，并转化计数值，产生 4个(三相共计12个)不同的控制脉冲(+Al、-Al、+A2、-A2)。上述所说的改进瞬时检测方法(见图4)是将信号整形变换处理电路得到的电压、 电流信号通过中央数据处理电路进行坐标变换，再通过低通滤波器得到其直流分量，通过 中央数据处理电路对电压与电流直流分量进行向量合成、向量投影计算，再经过坐标反变 换得到电流的指令信号，将信号从中央数据处理电路输出到隔离与驱动电路。上述所说的门极可关断晶闸管电路(见图5)包括单相交流回路中的四个IGBT 单元，该电路工作过程为控制脉冲来自经过功率驱动管电路放大处理后的信号，电路中的 4个IGBT单元G1、G2、G3和G4，按照一定的时序接收来自功率驱动管电路的信号得以触发。
权利要求
一种基于DSP的级联式有源电力滤波器改进瞬时检测与控制系统，其特征在于该系统包括，信号整形变换处理电路输入端连接外部电路的电压互感器和电流互感器，其输出端连接中央数据处理电路的输入端，用于信号采集及电平转换；中央数据处理电路输出端连接隔离与驱动电路，用于实现改进瞬时检测方法所需要的计算；隔离与驱动电路输出端连接门极可关断晶闸管电路各个IGBT门极输入端，用于驱动脉冲生成；门极可关断晶闸管电路用于逆变产生补偿电流。
2.根据权利要求1所说的基于DSP的有源电力补偿器改进瞬时检测与控制系统，其特 征在于所说的改进瞬时检测方法的具体过程是将信号整形变换处理电路得到的电压、电 流信号通过中央数据处理电路进行坐标变换，再通过低通滤波器得到其直流分量，通过中 央数据处理电路对电压与电流直流分量进行向量合成、向量投影计算，再经过坐标反变换 得到电流的指令信号，将信号从中央数据处理电路输出到隔离与驱动电路。
3.根据权利要求1所说的基于DSP的有源电力补偿器改进瞬时检测与控制系统，其特 征在于所说的信号整形变换处理电路由电压、电流交流采样前端电路和频率方波变换电路 构成；由电压、电流交流采样前端电路与中央数据处理电路中的A/D模块输入端相连，其中 电压交流采样前端电路连接频率方波变换电路后，再与中央数据处理电路中的捕捉模块输 入端相连，电压、电流交流采样前端电路将采集的电压、电流信号处理后送入中央数据处理 电路中的A/D模块输入端；频率方波变换电路将电压信号变换为方波信号输入到中央数据 处理电路中的捕捉模块输入端。
4.根据权利要求3所说的基于DSP的有源电力补偿器改进瞬时检测与控制系统，其特 征在于所说的电压、电流交流采样前端电路用第一至第四二极管构成输入限幅保护，用第 一至第六电阻、及第一至第四电容构成互感器相移补偿及阻容滤波电路；所说的频率方波 变换电路用第七至第十电阻及比较器LM339构成迟滞电压比较器，用第十一至第十二电阻 构成分压电路，将采集的信号处理后送入中央数据处理电路中的捕捉模块进行采样。
5.根据权利要求1所说的基于DSP的有源电力补偿器改进瞬时检测与控制系统，其特 征在于所说的中央数据处理电路包括DSP芯片、电源管理模块、晶振电路和数据总线驱动 电路；根据权利要求2所编软件程序设定各种执行条件控制DSP芯片对数据总线驱动电路 的输入信号进行辨识、处理并发出相关控制指令；电源管理模块负责提供电能；晶振电路 向DSP芯片提供时钟信号；数据总线驱动电路主要负责数据缓冲和电平转换。
6.根据权利要求5所说的基于DSP的有源电力补偿器改进瞬时检测与控制系统，其特 征在于所说的DSP芯片，包含大容量快速闪存、多个32位定时器、2个事件管理器和SPI、 SCI、CAN多种接口，可提供多达16路的PWM控制脉冲信号。
7.根据权利要求1所说的基于DSP的有源电力补偿器改进瞬时检测与控制系统，其特 征在于所说的门极可关断晶闸管电路包括单相回路中的4个IGBT单元采用桥式连接；它 们的控制信号来自隔离与驱动电路。
全文摘要
一种基于DSP的级联式有源电力滤波器改进瞬时检测与控制系统。该系统包括，信号整形变换处理电路、中央数据处理电路、隔离与驱动电路以及门极可关断晶闸管电路。该系统提出基于dq变换理论的改进瞬时检测方法，通过dq变换同步提取出电压和电流的基波正序分量，经过坐标变换，投影从而得出电流基波正序有功分量，能实时的检测出三相电压畸变且不对称时基波正序有功电流，利用高性能数字信号处理芯片实现级联多电平有源电力补偿器的控制，很大程度上提高控制的速度和精度，提高了装置容量和电压等级，增强电网的稳定性，避免因谐波污染影响整个系统的运行。
文档编号H02J3/01GK101964529SQ201010280210
公开日2011年2月2日 申请日期2010年9月14日 优先权日2010年9月14日
发明者刘思佳, 周雪松, 宋代春, 权博, 李圣明, 梁芳, 田程文, 陈浩, 马幼捷 申请人:天津理工大学