摘要:为减少目前电力系统中的谐波与无功功率污染问题,提高电能的有效利用率,本论文提出了一种能够去消谐波次数达31次和补偿无功功率的并联型智能化数字有源电力滤波器的设计与实现。文中简述了本系统的滤波原理和所要实现的功能,阐明了与液晶显示相结合的硬件和软件设计及多处理器之间的通讯协议规范;开发原理样机的试验结果表明本设计能够达到所要求的技术指标。另外,硬软件设计为以后的二次性开发提供了良好的条件。
关键词:有源电力滤波器;消谐波;无功补偿;通讯协议
0 引言
随着信息产业和新技术产业的飞速发展以及传统行业采用计算机管理及新的控制技术的应用,对供电可靠性和电能质量敏感的关注度所占的比重越来越大,用户对电能质量的要求越来越高。同时人们对要求实施“绿色电力电子”的呼声的日益高涨,降低
电力系统中的谐波污染,提高电能的利用率已经成为电工技术界迫切需要解决的问题。另外,随着数字信号处理技术的高速发展,智能化与全数字化相结合的技术也是社会的发展趋势,所以设计一种智能化、全数字化低成本的有源电力滤波系统[1]具有很大
的应用价值和市场前景。
1 滤波原理
智能化数字有源电力滤波器采用并联的方式,通过实时检测负载的谐波和无功分量,采用PWM变换及IGBT模块技术,将与谐波和无功分量大小相等、方向相反的电流注入供配电系统中,实现抑制谐波、动态补偿无功的功能。
系统硬件设计
本系统设计采用双DSP+单片机的组合架构形式,既解决了DSP芯片控制能力稍显不足的问题,又克服了单片机芯片和单一DSP芯片对数据处理能力薄弱的缺陷,为硬件设计和软件开发提供了很好地平台,可以实现系统设计所要求的快速实时性能的同时为用户提供友好的监测和控制界面。但是,引入强大的多处理器后,随之而来的便是多处理器之间的通讯问题,如果处理不好,反而会适得其反。因此,硬件设计的合理性是保证整体系统能完成高效工作的关键所在。
硬件设计实现上充分利用DSP与单片机的丰富的片上资源,以减少硬件设计上的繁杂。本系统硬件设计[2、4]构成如图(1)所示,主要由前级处理电路、DSP预处理和相关数据计算模块、主控制器单片机、键盘与显示器LCD 、与外设通讯接口、越限报警装置、后级处理电路等。
2.1 处理器选型
本系统DSP芯片选用TMS320C6713和图(1) 系统硬件设计
TMS320f28335两片芯片,均是由TI公司生产的高速处理器,分别作为主从处理器。
主DSP芯片TMS320C6713的速度可达200MHz,主要通过EDMA方式接收经由采样芯片采集的电网电压电流信号,利用准同步采样方法对采样数据进行快速的预处理并同时计算出对谐波和无功功率的补偿电流,而后通过SPI方式将采样数据预处理结果和补偿电流信号计算结果一同上传至从DSP芯片TMS320f28335。采用EDMA传送方式无需占用CPU处理时间,节省资源,为快速处理其他事务做足准备;由于实际电网频率存在波动,不可能稳定在50Hz,所以以固定的频率采样必然会引入同步误差,因此需要将采样数据送入DSP芯片进行准同步采样进行相应的预处理以达到消除同步误差目的。
从DSP根据数据预处理结果进行电网电压、电流、频率、功率等实时数据计算,同时接受由后级补偿电路和采样电路传送到送入电网中的补偿电流信号,经过与主DSP送来的补偿电流信号比较计算后送出pwm波形控制IGBT模块的工作,实现对电网中谐波和无功功率的补偿。
主控制芯片Msp430f5438,接收主从DSP芯片计算的各项电网参数和PWM波形的占空比及补偿信号等,对有关数据进行相关存储处理而后送显示器、接口通讯等外围设备。显示主要用于将测得的电参数如电流、电压、功率等以曲线和数值两种形式进行实时显示,报警则是对数据进行安全检测后,如果越限则报警。
2.2 前级处理电路
前级处理电路如图(2)所示,包括:电压电流传感器、信号调理电路[5]、多路转换及A/D采样电路。其中电压电流传感器均采用霍尔传感器,采用电压传感器并联至电网,电
流传感器穿过电线的设计,而后由采样电阻将电流信号转换为电压信号的信号调理和采样等处理。
图(2) 前级处理电路
2.2.1 信号调理电路
信号调理电路模块,对经由传感器采样来的电压信号进行放大、滤波、再放大的处理以满足AD模块的采样要求,一次放大与电感器之间利用光耦隔离以保护后面的电路安全。二次放大采用仪表放大器AD620芯片,只需改变外围电路电阻值就可以改变放大器的增益,增益范围为1-10000,增益范围广的特点扩展了本系统的应用空间与对象;此处增益的控制由从DSP芯片进行控制,可以根据具体应用对象选择合适的增益。
2.2.2 采样电路
A/D采样电路模块,AD采样芯片选用ADI公司生产的拥有独立的6通道16bit AD7656芯片,采样率可达250KSPS,远远满足本系统设计所要求的6.4KSPS,由于理想电网频率为50Hz,每周期采样128个点,即设置采样频率为6.4K;经仿真实验此采样率可以满足设计要求;拥有6通道可以同时对三路电压和电流进行采样,这样可以减小它们之间的由于相位差所带来的误差,减少了软件编程的工作量。
2.3 后级处理电路
后级处理电路如图(3)所示,包括IGBT模块、直流侧电压模块[3]、电流传感器、信号调理电路、A/D采样电路。其中IGBT[6]模块由从DSP输出PWM波形控制其开关的打开与关闭以控制直流侧电压模块大电容的充放电,目的将与谐波和无功分量大小相等、方向相反的电流注入供配电系统中,实现抑制谐波、动态补偿无功功率的功能。 电流传感器、信号处理电路和A/D采样电路对直流侧大电容进行采样后送入从DSP构成闭环控制系统。由从DSP根据主DSP送来的补偿电流与后级采样信号分析比较,根据PID控制算法计算出PWM波形的占空比以控制IGBT模块。采用闭环控制系统可以有效减小干扰实现精确控制。电流传感器、信号调理电路、A/D采样电路的设计与前级处理电路相同,如此可大大节省设计周期。
图(3)后级处理电路
软件设计
由于智能化数字有源电力滤波器的实时监测与控制要求,给软件编写带来很大的困难。为解决这个问题,系统在进行软件设计时将仪表的控制、信号检测、采样数据处理与分析,测量数据的存储、结果图形化显示等全部设计由系统软件[6]完成,使软件具备自动测试、数据处理、测量数据管理、结果图形化显示、帮助等功能,同时软件的操作界面友好、清晰简捷、适合使用,极大的降低了对复杂测试对象的测试难度。
系统的软件设计主流程图如图(4)所示:
图(4)主程序流程图
智能化数字有源电力滤波器软件设计为多任务多进程。整个系统在上电后,进行初始化设置,包括各个外围模块初始化与电网极限参数的预定设置等;系统正常启动后,进行键盘扫描,等待中断;若无中断则按照初始化设定的循环显示电网参数值等并进行数据分析与处理实时报警,若有中断产生,则执行相应的中断处理程序。用户的操作尽可以通过LCD显示界面进行。