電力濾波器硬件電路設(shè)計

1、1.有源電力濾波器裝置的工作原理1.1工作原理有源電力濾波器從與負(fù)載聯(lián)接形式的角度可分為并聯(lián)型有源電力濾波器和串聯(lián)型有源電力濾波器兩大類。有源電力濾波器采用并聯(lián)型聯(lián)接形式是最基本也是目前國際上應(yīng)用最廣泛的形式，裝置可對負(fù)載的諧波及無功進(jìn)行動態(tài)補(bǔ)償。并聯(lián)連接的方式由于不需要改變系統(tǒng)本來的接線，只需將調(diào)節(jié)裝置并入即可，容易被用戶接受。此外，即使當(dāng)有源電力濾波器發(fā)生故障時也可自動切除，因而不會對負(fù)載供電產(chǎn)生影響。從目前國際上實際投入運行的設(shè)備來看，調(diào)節(jié)裝置與負(fù)載連接方式絕大多數(shù)均采用并聯(lián)型。因此，本次研制的裝置在結(jié)構(gòu)上也采用并聯(lián)型有源電力濾波器。圖3-1 并聯(lián)型有源電力濾波器系統(tǒng)構(gòu)成圖3-1所示為最

2、基本的有源電力濾波器系統(tǒng)構(gòu)成的原理圖。圖中eS表示交流電源，負(fù)載為諧波源，它產(chǎn)生諧波并消耗無功。有源電力濾波器系統(tǒng)由兩大部分組成，即指令電流運算電路和補(bǔ)償電流發(fā)生電路。其中指令電流運算電路的核心是檢測出補(bǔ)償對象電流中的諧波和無功等電流分量，因此有時也稱之為諧波和無功電流檢測電路。補(bǔ)償電流發(fā)生電路的作用是根據(jù)指令電流運算電路得出的補(bǔ)償電流的指令信號，產(chǎn)生實際的補(bǔ)償電流，它由電流跟蹤控制電路、驅(qū)動電路和主電路三個部分構(gòu)成。主電路目前均采用PWM變流器。變流器和與其相連的電感、直流側(cè)貯能元件共同組成有源電力濾波器的主電路。有源電力濾波器的基本工作原理是：檢測補(bǔ)償對象的電壓和電流，經(jīng)指令電流運算電路計

3、算得出補(bǔ)償電流的指令信號，該信號經(jīng)補(bǔ)償電流發(fā)生電路放大，得出補(bǔ)償電流，補(bǔ)償電流與負(fù)載電流中要補(bǔ)償?shù)闹C波及無功等電流抵消，最終得到期望的電源電流。例如，當(dāng)需要補(bǔ)償負(fù)載所產(chǎn)生的諧波電流時，有源電力濾波器檢測出補(bǔ)償對象負(fù)載電流iL的諧波分量iLh，將其反極性后作為補(bǔ)償電流的指令信號iC*，由補(bǔ)償電流發(fā)生電路產(chǎn)生的補(bǔ)償電流iC即與負(fù)載電流中的諧波分量iLh大小相等、方向相反，因而二者互相抵消，使得電源電流iS中只含基波，不含諧波。這樣就達(dá)到了抑制電源電流諧波的目的。上述原理可用如下的一組公式描述： (1) (2) (3) (4)式中iLf為負(fù)載電流的基波分量。如果要求有源電力濾波器在補(bǔ)償諧波的同時，補(bǔ)

4、償負(fù)載的無功，則只要在補(bǔ)償電流的指令信號中增加與負(fù)載電流的基波無功分量反極性的成分即可。這樣，補(bǔ)償電流與負(fù)載電流中的諧波及無功成分相抵消，電源電流等于負(fù)載電流的基波有功分量。就主電路中變流器部分而言有四相變流器和三相變流器兩種不同的方式，對應(yīng)的控制電路也有其各自的特點。根據(jù)實際補(bǔ)償要求，我們采用三相變流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖3-2所示為采用三相變流器的主電路結(jié)構(gòu)及其與負(fù)載之間的連線關(guān)系圖。圖3-2采用三相變流器的主電路結(jié)構(gòu)及其與負(fù)載之間的連線1.2系統(tǒng)控制方案1.2.1 諧波的檢測和補(bǔ)償方法諧波的檢測方法可以有負(fù)載電流檢測、電源電流檢測、電源電壓檢測等檢測方法，從實際應(yīng)用的裝置來看，采用負(fù)載電流的檢

5、測方法與用電源電流的檢測方法之比為10:1，從這5年的情況變化可以看出，今后，負(fù)載電流的檢測方法為主要使用方法，本裝置中也采用負(fù)載電流檢測方法。控制電路實時檢測負(fù)載電流，通過采用諧波電流和無功檢測算法，得到負(fù)載電流中各次諧波的幅值及相位。用戶根據(jù)所應(yīng)用系統(tǒng)的情況，可以進(jìn)行全部諧波補(bǔ)償或特定次數(shù)諧波補(bǔ)償。DSP將全部諧波或特定次數(shù)諧波分量進(jìn)行反變換，得到補(bǔ)償電流指令，據(jù)此產(chǎn)生補(bǔ)償諧波電流。1.2.2 控制系統(tǒng)微處理器的選擇采用數(shù)字控制的有源電力濾波器在對負(fù)載進(jìn)行補(bǔ)償時，需要對負(fù)載電流中的諧波及無功分量進(jìn)行實時檢測、分析和計算，特別在需要對負(fù)載中特定諧波進(jìn)行補(bǔ)償時需對負(fù)載電流進(jìn)行傅立葉分析，在產(chǎn)生

6、指令電流時需要進(jìn)行傅立葉反變換。由于計算的實時性與補(bǔ)償效果及系統(tǒng)動態(tài)性能密切相關(guān)，因此本裝置擬采用具有很強(qiáng)計算能力的TMS320C32 DSP實現(xiàn)負(fù)載電流的實時檢測和計算。同時采用片內(nèi)資源豐富，成本低，I/O使用方便的TMS320C24X用于大量的邏輯操作和PWM變流器控制。2.2.有源電力濾波器控制電路設(shè)計有源電力濾波器的控制系統(tǒng)要完成諧波電流指令的運算、電流跟蹤控制的任務(wù)，同時還要兼顧故障保護(hù)、通訊等功能。本章將根據(jù)控制策略，對控制系統(tǒng)的硬件電路進(jìn)行設(shè)計。2.2.1硬件電路設(shè)計2.2.1.1數(shù)字信號處理器(DSP)數(shù)字信號處理器，是一種特別適合于進(jìn)行數(shù)字信號處理運算的微處理器，其主要應(yīng)用是

7、實時快速地實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法。根據(jù)數(shù)字信號處理的要求，DSP一般具有如下的主要特點：1) 在一個指令周期內(nèi)可完成一次乘法和一次加法；2) 程序和數(shù)據(jù)空間分開，可同時訪問指令和數(shù)據(jù)；3) 片內(nèi)具有快速RAM，通常可通過獨立的數(shù)據(jù)總線在兩塊中同時訪問；4) 具有低開銷或無開銷循環(huán)及跳轉(zhuǎn)的硬件支持；5) 快速的中斷處理和硬件I/O支持；6) 具有在單周期內(nèi)操作的多個硬件地址產(chǎn)生器；7) 可并行執(zhí)行多個操作；8) 支持流水線操作，使取址、譯碼和執(zhí)行等操作可以重疊執(zhí)行。由DSP芯片為核心所組成的數(shù)字信號處理系統(tǒng)，具有數(shù)字處理的全部優(yōu)點，主要有以下幾方面：1) 接口方便。DSP系統(tǒng)與其他以現(xiàn)代數(shù)字技

8、術(shù)為基礎(chǔ)的系統(tǒng)和設(shè)備都是相互兼容的；2) 編程方便。DSP系統(tǒng)中的可編程的DSP芯片可使設(shè)計人員在開發(fā)過程中靈活方便地對軟件進(jìn)行修改和升級；3) 穩(wěn)定性好。DSP系統(tǒng)以數(shù)字信號處理為基礎(chǔ)，受環(huán)境溫度以及噪聲的影響較小，可靠性高；4) 精度高；5) 集成方便。DSP系統(tǒng)的數(shù)字部件有高度的規(guī)范性，便于大規(guī)模集成。2.2.1.2控制電路的整體結(jié)構(gòu)有源電力濾波器在正常工作時，一方面，需要對負(fù)載電流中的諧波、無功分量進(jìn)行實時檢測、分析和計算。特別是在對負(fù)載中指定次諧波進(jìn)行補(bǔ)償時，需要對負(fù)載電流進(jìn)行多次傅立葉分析，在產(chǎn)生指令電流時，還要進(jìn)行傅立葉反變換。這要求控制系統(tǒng)具有較強(qiáng)的數(shù)字信號處理能力。另一方面，

9、也希望系統(tǒng)能夠有較強(qiáng)的I/O接口能力并且適合于控制電力電子開關(guān)器件。該裝置使用模、數(shù)混合電路實現(xiàn)濾波器控制電路所要完成的功能。其中采樣、同步信號生成、諧波分析、指令生成、通信等功能由數(shù)字電路完成，電流跟蹤控制、保護(hù)、部分I/O接口由模擬電路實現(xiàn)。控制電路構(gòu)成如圖4-5所示。圖4-5 控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)本系統(tǒng)的控制電路是以雙DSP結(jié)構(gòu)為核心的，整體上可以分為數(shù)字系統(tǒng)和模擬系統(tǒng)兩大部分，下面就分別予以介紹。2.2.1.3數(shù)字部分電路設(shè)計本系統(tǒng)采用了以DSP為核心的數(shù)字控制系統(tǒng)，并根據(jù)有源電力濾波器對控制系統(tǒng)的要求，采用了雙DSP結(jié)構(gòu)。分別是TI公司TMS320C32和TMS320F240。其中TMS

10、320C32因其強(qiáng)大的運算能力，但片內(nèi)資源和I/O接口較少；而TMS320F240是TI公司推出的專門面向電機(jī)控制的定點DSP，片內(nèi)資源豐富，成本低，I/O使用方便，但其16位的定點內(nèi)核對精度和速度有一定限制，因此兩者的結(jié)合可充分發(fā)揮這兩種芯片的優(yōu)點，以共同達(dá)到有源電力濾波器對控制系統(tǒng)的要求。兩者通過一片16Kx16bit的雙口RAM(IDT7026)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。另外，本系統(tǒng)還采用了一片CPLD，以協(xié)調(diào)系統(tǒng)內(nèi)部的邏輯。根據(jù)所需的I/O數(shù)目和控制功能，選用的CPLD器件是ALTERA公司的EPM7128SLC84。數(shù)字系統(tǒng)是整個控制電路的核心，主要完成以下功能：1) 數(shù)據(jù)采集。包括負(fù)載電流，直

11、流母線電壓的采集；2) 數(shù)據(jù)處理。包括諧波電流的檢測，指令電流的生成等；3) 整個系統(tǒng)的數(shù)字控制。2.2.1.3.1 TMS320C32子系統(tǒng)TMS320C32子系統(tǒng)組成框圖可參見圖4-6。這部分系統(tǒng)所完成的主要功能有：（1） 負(fù)載電流諧波分析；（2） 無源投切判斷；（3） 補(bǔ)償電流指令的計算。圖4-6 C32子系統(tǒng)構(gòu)成框圖系統(tǒng)主要由TMS320C32，一片EPROM AM27C1001-70（128k×8），兩片高速SRAM CY7C1021-20（64k×16），譯碼電路，數(shù)模轉(zhuǎn)換電路，異步串行通訊接口電路等構(gòu)成。其中EPROM用于存放程序和已初始化數(shù)據(jù)。SRAM用于存

12、放實時運行的程序和數(shù)據(jù)，雙口RAM用于存放準(zhǔn)備與F240交換的數(shù)據(jù)。TMS320C32復(fù)位后，由內(nèi)部固化的自引導(dǎo)程序（BOOT）將存于EPROM的程序和數(shù)據(jù)搬移至高速RAM，然后在高速SRAM中運行程序。TMS320C32的程序存儲器的寬度可以是16位或32位。當(dāng)采用16位程序存儲器時，C32至少需要用兩個指令周期來完成一個32位指令的取指，因此本系統(tǒng)采用32位寬的程序存儲器。C32的外部數(shù)據(jù)存儲器接口可以存取8/16/32位三種寬度的數(shù)據(jù)存儲器。為了存取三種寬度的數(shù)據(jù)類型，C32存儲器接口采用STRB0、STRB1兩組選通信號，這兩組選通信號的區(qū)別是尋址范圍不同。每組選通信號由四個引腳組成，

13、作為字節(jié)使能和額外的地址線。C32對這些引腳的特性是根據(jù)選通線對應(yīng)的總線控制寄存器確定的，通過設(shè)置這個控制寄存器的某些比特位，可以指定數(shù)據(jù)類型和外部存儲器寬度。本控制系統(tǒng)的C32系統(tǒng)就充分利用了C32的這種靈活結(jié)構(gòu)，采用8位寬的普通EPROM作為程序存儲器，節(jié)省了成本。32位寬的數(shù)據(jù)存儲器，提高了系統(tǒng)運行速度。而采用16位寬的雙口RAM，便于和16位的定點TMS320F240進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。2.2.1.3.2 TMS320F240子系統(tǒng)設(shè)計TMS320F240子系統(tǒng)組成框圖可參見圖4-7。這部分子系統(tǒng)所完成的主要功能有：1) 數(shù)據(jù)采集；2) 進(jìn)線電壓同步；3) 無源投切信號發(fā)送；4) 重要數(shù)據(jù)的

14、存儲。圖4-7 F240子系統(tǒng)構(gòu)成框圖數(shù)據(jù)采集主要通過外擴(kuò)四片AD7892來實現(xiàn)。AD7892是高速單路12位A/D轉(zhuǎn)換器（500KSPS）。采樣轉(zhuǎn)換時間為2s，+5V供電，模擬量輸入范圍為±10V（AD7892-1），模擬輸入通道有過壓保護(hù)功能。具有高速并行接口，以2的補(bǔ)碼形式輸出。負(fù)載的三相電流信號，以及直流母線電壓分別經(jīng)相應(yīng)的隔離和調(diào)理電路進(jìn)入四片AD7892的模擬輸入通道。再統(tǒng)通過F240來控制四片A/D轉(zhuǎn)換器的啟動和轉(zhuǎn)換結(jié)果的讀取。采樣時間的基準(zhǔn)由模擬電路進(jìn)線電壓同步電路和F240的捕獲單元共同完成。如圖4-8所示，進(jìn)線的a相電壓,經(jīng)隔離降壓后,進(jìn)入控制板,經(jīng)二階帶通濾波器

15、濾波后,由6N137整形成與a相電壓同頻同相的5V方波信號,進(jìn)入F240的CAPTURE1，F(xiàn)240的捕獲單元捕捉方波信號的上跳沿,記錄事件發(fā)生時刻，并計算a相電壓頻率，再根據(jù)采樣信號頻率，最終確定采樣時刻。圖4-8 進(jìn)線電壓同步電路2.2.1.3.3系統(tǒng)接口電路設(shè)計1） 雙端口RAM與普通的RAM不同，雙端口RAM是一種特殊的存儲器，它具有兩組數(shù)據(jù)總線和地址總線，可以同時訪問不同的存儲器單元，當(dāng)兩組地址總線完全相同時，由片內(nèi)總線仲裁邏輯向后訪問的一方發(fā)出等待信號，使該方進(jìn)入等待，待另一方訪問結(jié)束之后等待撤消，等待方繼續(xù)訪問這一地址。由于雙端口RAM的特殊結(jié)構(gòu)，使得雙DSP可以方便快速地進(jìn)行數(shù)

16、據(jù)交換，從而大大提高了雙DSP芯片間的并行處理能力。雙端口RAM唯一可能發(fā)生沖突的是CPU對雙端口RAM的同一個存儲單元同時讀或同時寫，為了避免這種情況的發(fā)生，雙端口采用Semaphore信號（以下簡稱SEM信號）來避免這種沖突。SEM邏輯是與雙端口RAM存儲單元無關(guān)的8個單元，這些單元用來產(chǎn)生并存儲一個標(biāo)志，以向另外一側(cè)說明共享的資源一側(cè)正占用。SEM信號為低電平有效，將“0”寫入寄存器申請控制權(quán)，寫入“1”釋放控制權(quán)。本系統(tǒng)選用的雙口RAM是IDT7026（16k×16bit），它具有完整的仲裁邏輯。2） CPLD在本控制系統(tǒng)中，使用了一片復(fù)雜可編程邏輯器件CPLD。CPLD主要

17、實現(xiàn)以下功能：（1） C32，F(xiàn)240的地址譯碼；（2） F240與外配A/D接口所需的等待狀態(tài)發(fā)生器；（3） 雙端口RAM的SEM邏輯電路。圖4-9 CPLD 功能框圖可編程邏輯器件CPLD的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是用可編程“熔絲”將“與”門陣列、“或”門陣列及寄存器互連起來，具有結(jié)構(gòu)靈活、集成度高等特點，其最終的邏輯結(jié)構(gòu)和功能由用戶編程決定。基于在系統(tǒng)編程（In-System Programmability）的CPLD輸入、輸出引腳是由用戶定義的，內(nèi)部邏輯設(shè)計的變動，不影響引腳的定義，所以PCB的設(shè)計與邏輯設(shè)計是相互獨立的，便于設(shè)計人員維護(hù)、現(xiàn)場升級器件，修改設(shè)計中的錯誤，增加額外的功能和特性。根據(jù)所需

18、的I/O數(shù)目和控制功能，本文選用的CPLD器件是ALTERA公司的EPM7128STC100-15。EPM7128STC100-15內(nèi)有邊界掃描測試電路，符合JTAG標(biāo)準(zhǔn)，支持在系統(tǒng)編程，內(nèi)含8個邏輯陣列塊，共計128個邏輯宏單元，有84個I/O，可滿足設(shè)計的需要。2.2.1.3.4 數(shù)字部分電路板硬件接口數(shù)字運算板電路由輔助電源板1提供+15V、-15V、+5V、-5V電壓。電壓霍爾采樣直流電壓信號，3路電流霍爾采樣負(fù)載電流信號送入數(shù)字運算板。由同步變壓器得到的同步信號送入數(shù)字運算板。數(shù)字運算板輸出3路電流指令信號給電流跟蹤電路，并與監(jiān)控柜進(jìn)行通訊，與電流跟蹤板交換邏輯狀態(tài)。圖4-10 數(shù)字

19、運算板接口說明2.2.1.4模擬部分電路設(shè)計2.2.1.4.1電流跟蹤控制電路設(shè)計電流跟蹤電路主要完成根據(jù)運算電路輸出的指令信號，生成適當(dāng)?shù)腜WM信號，從而使變流器的輸出電流能夠很好的跟蹤指令波形。圖4-11為電流跟蹤電路的原理框圖。圖4-11電流跟蹤電路的原理框圖1） 三角波生成電路如圖4-12所示。圖4-12 三角波生成電路利用集成波形發(fā)生器ICL8038生成所需要的三角波形。圖14中8038所輸出的三角波周期可分為兩部分，即上升時間t1和下降時間t2。其中上升時間，下降時間，輸出三角波頻率。信號發(fā)生器所生成的三角波信號經(jīng)過比例環(huán)節(jié)作為一路跟蹤電路的載波信號TRIANGAL_1。2）PWM波形生成電路如圖4-13 所示（以A相為例）。圖4-13 PWM波形生成電路電流反饋信號IAF和指令信號IAH相疊加后，經(jīng)過比例積分環(huán)節(jié)送到后一級運算放大器與載波信號相比較，生成該相的PWM信號。2.2.1.4.2保護(hù)電路設(shè)計1) 作為使用于電力系統(tǒng)中的設(shè)備，濾波器在發(fā)生故障的時候需要能夠做出適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)動作。當(dāng)發(fā)生直流側(cè)過