DSP在电能质量补偿器中的应用

只看该作者 · 2011-12-6 12:54

系统概述
　　随着计算机设备、微电子设备等敏感负荷不断增加，人们对供电质量的要求日益提高，而大量非线性负载的使用，又给电网带来谐波等扰动，恶化电能质量。世界上许多国家都已制定了限制谐波的国家标准或规定，我国自1984年以来先后颁布了《电力系统谐波管理暂行规定（SD126－84）》，《电能质量－公用电网谐波（GB／T14549－93）》，《电能质量－电压允许波动和闪变（GB12326－90）》等规约。串联型电能质量补偿器（Series Power Quality Compensator，简称SPQC），通过3个变压器串入电网，当系统电压发生扰动时，由检测模块得到电压补偿量，在理想情况下该补偿量与电压扰动大小相等，方向相反，作为指令信号经PWM控制器产生触发信号，驱动IGBT组成的逆变器，产生补偿所需电压，经变压器返回系统，抵消电源电压中的扰动，使负荷侧保持一个幅值恒定的正弦电压波形。笔者研制的SPQC采用数字控制技术，以TI公司的数字信号处理器（DSP）TMS320F240为核心，加上检测电路（包括采样、调理、锁相等）和其它外围控制电路构成整个控制系统。TMS320F240除具有一般DSP运算速度极快功能外，还有以下特点：50ns指令周期，大容量的片内存储器，15路模拟输入通道，每8路通过一个多路转换器提供给一个ADC，即同时可进行2路10bitADC操作，最大转换时间为6．5μs；F240具有3个全比较单元，包括3个16位比较寄存器，6个比较／脉宽调制PWM输出引脚；具有3个简单比较单元，包括3个比较／PWM输出。在SPQC系统中，TMS320F240所完成功能如下。硬件：1）构成电压电流检测回路，2）输出PWM信号到并联、串联逆变主回路。软件：1）实现检测信号的A／D变换，2）实现串联并联补偿信号算法，3）实现PWM控制信号的产生，4）实现投切控制和故障保护控制。
2　硬件设计
　　检测控制系统框图如图2—1所示。电源侧三相交流电压电流和逆变器电容上的直流电压，经电压、电流互感器和电压跟随器LF412，变换为－5～＋5V直流脉动电压，再送入采样保持电路LF398，分别传送到串联逆变DSP板和并联整流DSP板。为保证各路信号在同一时刻采样并保持到下一采样周期，利用CD4046B和计数器CD4040B设计了PLL锁相倍频电路产生同步信号。A相电压在送采样保持器同时，经PLL产生和A相电压同步的基频信号和发AD转换。DSP获取了模拟信号，经其内部的A／D转换器转换成相应数字量后，根据串联侧和并联侧APF的控制算法，产生PWM信号，再由PWM驱动器驱动IGBT工作。

3　软件设计
　　采用中断方式实现数据采样、A／D转换、串联侧和并联侧控制算法、形成补偿电压信号，输入到PWM控制模块，最终产生PWM信号控制主电路IG－BT有规律的开关动作，以及PI控制以维持直流电容电压的恒定。
　　TMS320F240的中断具有两层结构。当一个A／D中断要求响应时，它通过INT6中断服务申请CPU对它进行处理，此时CPU将当前程序指针指向INT6中断服务程序的入口地址处，接在INT6内核层次上的中断很多，具体要执行哪一个中断服务子程序，必须在INT6中断服务程序中进行判断并发生相应的跳转。DSP将一个保留着各中断相应ID信息的寄存器映射到数据存储空间的特定位置，通过查询该位置的值，可以判断出是否A／D中断发生了。倘若是A／D中断，便转而执行A／D中断服务子程序，否则便返回。
　　第2层的XINT3中断服务子程序用于控制A／D转换、数据采样、完成控制算法并输出PWM信号。由于至少要采样三相电压瞬时值（Ua，Ub，Uc）和逆变电容直流电压值（Ucd），而TMS320F240内只允许两路同时采样，所以必须采样两次才能进行一次运算。在A／D服务子程序开始判断是该触发周期内的第1次采样还是第2次采样。倘是第1次，在XINT3服务子程序中，首先设置第1次AD控制字（Ua，Ub），然后用查询方式判断A／D转换是否结束，一旦结束，对采样值处理并保存后再设置第2次AD控制字（Uc，Ucd），转换结束后进行控制算法和PWM输出，并将采样周期数加1，即将正弦余弦表指针AR1、AR2加1，准备下一次采样。
XINT2中断用于A相电压Ua是否过0的判断，作为每个电网周期第一个ADC时刻的同步信号。由带通滤波器、锁相倍频器和单稳触发器等电路输出的与电网电压基波同频同相的正向过零脉冲作XINT2的触发信号。为进行畸变电流瞬时检测算法，在数据空间中开一段连续存储空间，存放一张正弦余弦表。表长与采样周期有关，每周采样128次，正弦表包含128个正弦值，从0～360°均分，使用辅助寄存器AR1作为正弦表指针，AR2作为余弦表指针，每次采样处理后，将AR1、AR2分别加1，这样得到与采样后A相电压同相的sinωt和cosωt值。指针在A相电压过0时复位。XINT2中断服务子程序是将正弦表指针AR1指向正弦表头，余弦表指针AR2指向余弦表头，完成A相电压正向过零复位的逻辑。
　　SPQC的主电路提供了完善的故障检测模块，当系统发生故障时，除了将对应故障信号传送给DSP外，还产生一个总故障信号，表示目前系统中存在着故障，该信号连接到PDPINT中断源上，每当有一故障发生，PDPINT引脚被置为低电平。当PDPINT中断使能时，DSP立刻将所有事件管理器输出脚置为高阻态，防止主电路误操作，这是故障防护第一环。然后判断目前系统发生的是何种故障，以采取不同对策。通过硬件上特定连接，将故障信号集中映射到程序空间几个位置，每一种故障对应着该地址的一位，检查该位状态就可判断是否存在故障。将该扫描指令放在PDPINT中断响应子程序中，判断出发生的故障类型后，便让程序跳转到为每个故障特制的保护子程序中，以有效处理各种故障。
　　电压电流畸变检测有多种方法：基于Fryze时域分析的有功电流分析法、基于频域分析的FFT法、基于日本学者Akagi提出的瞬时无功理论的检测法、自适应检测法等，各有其特点和应用范围。笔者采用基于瞬时无功功率理论的畸变电流瞬时控制方法，即瞬时空间矢量法。把三相电路各相电压电流的瞬时值分别变换到α－β两相正交坐标系上，定义了基于同步坐标系的瞬时实功与瞬时虚功概念，由此导出准确的瞬时补偿信号。用这种方法检测谐波，采用瞬时值运算，响应速度极快，还解决了电网频率波动和负载波动的响应问题，特别适合于变化快、冲击大的无功功率补偿和高次谐波生成的情况。瞬时空间矢量法控制的基本思想如下：
　　（1）建立αβ二维正交坐标系，将abc三维平面坐标系中的电压参量转化为αβ坐标系中的电压参量。

　　
（2）用标准正弦波、余弦波发生器产生α　β同步坐标系中与检测电压同基频的电流参量。

　　
（3）计算α　β同步坐标系中的瞬时实功p和瞬时虚功q。

　　
式中：是瞬时实功中的直流分量，是瞬时虚功中的交流分量，是瞬时虚功中的交流分量；、与检测电压中的基频分量有关，、与检测电压中的谐波、波动等畸变分量有关。用滤波器取出其交流分量，根据瞬时实功与虚功交流分量及标准基频电流参量，可反求出同步坐标系中的暂态畸变分量。
　　（5）将同步坐标系中的暂态畸变电压分量进行坐标变换，即可得三相实时暂态畸变电压的补偿指令值Ua、Ub、Uc。

　　
用TMS320F240汇编语言编制了控制算法的相应程序。程序框图见图3—1。由于运算量极大，DSP极快的执行速度特别适合于实时检测与控制。控制算法得出的指令码存入比较控制寄存器COM－CON，用3个全比较单元与事件管理器（EV）模块中的GP定时器T1、死区单元和输出逻辑产生可编程死区和输出极性的6个PWM输出。T1设置为连续递增计数模式，重复产生一个与PWM周期相同的计数周期，COMCON中的调制值不断与T1值比较，当两值匹配时在相应PWM输出端产生跳变，当定时周期结束时输出端产生相反跳变，这样所产生的PWM脉冲开关时间与补偿指令值呈正比，以控制主电路的IGBT。

4　实验结果分析
DSP构成的系统，具有扩充外围电路少、控制手段灵活、易调试易维护等优点。该装置的控制采用两片TMS320F240，一片作为主DSP，除负责产生并联侧整流及输入电流控制PWM信号外，还承担整套装置协调工作，包括投切控制，故障保护控制等。另一片为从DSP，用于产生串联侧电压补偿PWM信号。电压电流采样信号经DSP检测算法运算后生成补偿信号，通过DSP内部PWM控制模块产生PWM控制信号送给驱动模块，驱动主电路生成补偿电压注入电网。