1 引言
應(yīng)用電力電子技術(shù)抑制諧波,,以改善電能質(zhì)量的新技術(shù)——電力有源濾波器" title="有源濾波器">有源濾波器(ActivePowerFilter)已成為近年來電力系統(tǒng)研究領(lǐng)域中新的熱點(diǎn)。國際上以抑制諧波電流為目的的并聯(lián)型電力有源濾波器應(yīng)用居多,,而隨著電壓敏感性負(fù)載不斷增多,,以電壓畸變治理為主的串聯(lián)型" title="串聯(lián)型">串聯(lián)型有源濾波器,正顯示著越來越大的利用價(jià)值。同時(shí),,它又是進(jìn)一步研究綜合電能質(zhì)量補(bǔ)償器的前提條件,,因此,對(duì)串聯(lián)型有源濾波器進(jìn)行研究有著重大的意義,。
在串聯(lián)型有源濾波器的研制過程中,,我們采用了美國德州儀器公司(TI)的TMS320F240數(shù)字信號(hào)處理器(DigitalSignalProcessor),極大地方便了軟硬件的開發(fā),,加快了研制的進(jìn)程,。
TMS320F240具有下述特點(diǎn)【2】【3】:
(1)50ns的指令周期,在一個(gè)指令周期內(nèi)可完成一次乘法和一次加法,;
(2)大容量的片內(nèi)存儲(chǔ)器:包含544字×16位的片內(nèi)數(shù)據(jù)/程序雙口(DualAccess)RAM,,16k字×16位的片內(nèi)FlashEEPRO,共計(jì)224k字×16位存儲(chǔ)器地址范圍(64k數(shù)據(jù),,64k程序和I/O以及32k全局存儲(chǔ)器空間),;
(3)事件管理模塊:12路比較/脈沖寬度調(diào)制(PWM)通道,3個(gè)16位通用定時(shí)器,,3個(gè)死區(qū)控制的16位全比較單元,,4個(gè)捕獲單元;
(4)雙10位A/D轉(zhuǎn)換模塊,;
(5)基于鎖相環(huán)(PLL)的時(shí)鐘模塊,;
(6)看門狗定時(shí)器模塊(具有實(shí)時(shí)中斷功能);
(7)6個(gè)外部中斷(電源驅(qū)動(dòng)保護(hù),、復(fù)位,、NMI及3種可屏蔽中斷)。
充分使用TMS320F240DSP" title="DSP">DSP芯片構(gòu)成的實(shí)用系統(tǒng),,具有擴(kuò)充的外圍電路少,、控制電路簡單、控制手段靈活,、易調(diào)試和易維護(hù)等很多特點(diǎn),。
2 以DSP為核心的硬件結(jié)構(gòu)
串聯(lián)型電力有源濾波器主電路由串聯(lián)電路和并聯(lián)電路組成,結(jié)構(gòu)如圖1所示,。
圖1 串聯(lián)型電力有源濾波器主電路
圖2以DSP為核心的控制結(jié)構(gòu)框圖
串聯(lián)電路功能是:檢測電網(wǎng)畸變電壓,,分離出需要補(bǔ)償?shù)碾妷翰a(chǎn)生控制信號(hào),生成補(bǔ)償電壓注入電網(wǎng),,實(shí)現(xiàn)電壓補(bǔ)償?shù)墓δ?。并?lián)電路功能是:檢測有源濾波器輸入電流,生成電流控制信號(hào),,從而維持電容電壓恒定和保證設(shè)備功率因數(shù),。同時(shí),,作為一個(gè)實(shí)用裝置,還必須實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的投入,、切除手段和故障情況下的保護(hù)手段,。
控制電路以DSP為核心,其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示,。
電網(wǎng)電壓,、電流經(jīng)過傳感器后變成+5V~-5V的弱電信號(hào),經(jīng)過調(diào)理電路后變成0~5V的信號(hào),其中從電壓互感器來的A相電壓信號(hào)經(jīng)帶通濾波后送入鎖相分頻模塊,產(chǎn)生采樣保持分頻窄脈沖信號(hào)來控制保持電路,使之每個(gè)工頻周期保持指定點(diǎn)。而分頻窄脈沖經(jīng)過處理電路的處理后作為DSP內(nèi)部A/D的起動(dòng)信號(hào)使用,。
主電路的控制采用兩片TMS320F240,。一片作為主DSP,除負(fù)責(zé)并聯(lián)整流控制(產(chǎn)生并聯(lián)側(cè)整流及輸入電流控制PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)并聯(lián)側(cè)主電路)外,,還承擔(dān)整套裝置的協(xié)調(diào)工作,,包括投入切除算法控制,故障保護(hù)控制及故障檢測功能,。它的輸出信號(hào)一部分用于控制驅(qū)動(dòng)模塊以得到恒定的直流電容電壓,,另一部分控制主電路繼電器。而另一片作為從DSP,,用于串聯(lián)側(cè)的電壓補(bǔ)償PWM控制信號(hào)的產(chǎn)生,,TMS320F240將電壓電流采樣信號(hào)經(jīng)過DSP檢測算法運(yùn)算后生成補(bǔ)償信號(hào),補(bǔ)償信號(hào)通過TMS320F240內(nèi)部PWM控制模塊產(chǎn)生PWM控制信號(hào)送給驅(qū)動(dòng)模塊,,經(jīng)由驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)主電路生成補(bǔ)償電壓注入電網(wǎng),。
3 DSP軟件的設(shè)計(jì)
DSP完成了APF系統(tǒng)中的絕大多數(shù)功能,為了完成這些功能,,除用到TMS320F240的核心部分外,,還充分應(yīng)用了F240片內(nèi)的許多外圍模塊,如A/D模塊,,事件處理模塊和外部中斷功能,。整個(gè)算法由并聯(lián)側(cè)與串聯(lián)側(cè)算法構(gòu)成。
3.1 并聯(lián)側(cè)DSP軟件算法
(1)整體軟件流程
并聯(lián)側(cè)DSP除完成并聯(lián)整流算法外,,還需要完成APF設(shè)備的投入和切除算法,故障檢測和故障控制算法,。圖3是并聯(lián)側(cè)DSP軟件算法的流程圖,。
如圖3所示,當(dāng)DSP起動(dòng)后首先進(jìn)行設(shè)備初始化操作,,結(jié)束后進(jìn)行設(shè)備投入電網(wǎng)操作,,然后DSP空閑,等待中斷的發(fā)生,,一旦中斷出現(xiàn),,運(yùn)行相應(yīng)的中斷處理程序,,處理完成后DSP空閑等待另一個(gè)中斷的發(fā)生。A/D變換,,控制算法和PWM產(chǎn)生等一系列過程都在外部中斷XINT3中斷服務(wù)程序中完成,。
在設(shè)備初始化過程中,完成對(duì)故障檢測中斷設(shè)置,、DSP的PLL鎖相時(shí)鐘模塊設(shè)置,,外部中斷XINT2和XINT3的初始化設(shè)置和PWM的比較方式、輸出方式和死區(qū)設(shè)置等功能,,最后進(jìn)行繼電器控制狀態(tài)設(shè)置,,用于控制繼電器動(dòng)作和接收繼電器當(dāng)前狀態(tài)的I/O口和外部I/O空間。
(2)中斷服務(wù)的設(shè)計(jì)
圖3并聯(lián)側(cè)DSP軟件算法的流程圖
并聯(lián)側(cè)的中斷服務(wù)子程序是軟件算法的最主要的組成部分,控制算法的實(shí)現(xiàn),、故障的檢測和保護(hù)等主要算法都通過中斷服務(wù)子程序來實(shí)現(xiàn),。并聯(lián)側(cè)中斷服務(wù)子程序有3個(gè):XINT2中斷、XINT3中斷,、PDPINT(功率驅(qū)動(dòng)保護(hù)中斷),。
XINT3中斷處理程序的作用是對(duì)并聯(lián)側(cè)的輸入電流進(jìn)行處理,并執(zhí)行相應(yīng)的控制算法,,以取得相應(yīng)的電壓補(bǔ)償信號(hào),,作為PWM控制信號(hào)產(chǎn)生的輸入。最終通過PWM控制主電路IGBT有規(guī)律的開關(guān)動(dòng)作,,以維持直流電容電壓的恒定,。XINT2中斷服務(wù)在A相電壓過零時(shí)響應(yīng),通過XINT2中斷和XINT3中斷聯(lián)合完成控制算法中的同步邏輯,。故障中斷的作用是當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生中斷時(shí),,檢測各故障線的故障信號(hào)以判斷發(fā)生的故障類型,并采取相應(yīng)的保護(hù)措施,。
3.2串聯(lián)側(cè)DSP軟件算法
串聯(lián)側(cè)僅完成補(bǔ)償電壓控制信號(hào)的生成,,僅需要XINT2、XINT3中斷服務(wù)子程序,,并在XINT3的中斷服務(wù)程序中采用相應(yīng)的電壓補(bǔ)償PWM控制策略,。
4 結(jié)語
在串聯(lián)型有源濾波器中采用數(shù)字信號(hào)處理器,所有算法均通過編程完成,,易調(diào)試,、易維護(hù)、所占空間小,,不易受干擾,,與傳統(tǒng)的硬件模擬方法比較有著巨大的優(yōu)勢,在響應(yīng)速度滿意的情況下,,可以逐步地取代硬件模擬法,。因此,,數(shù)字信號(hào)處理器有著廣闊的應(yīng)用前景,也將會(huì)受到越來越多的重視,。