DSP在串联型电力有源滤波器中的应用

2万 · 2013-5-24 23:50

1 引言 应用电力电子技术抑制谐波，以改善电能质量的新技术——电力有源滤波器（ActivePowerFilter）已成为近年来电力系统研究领域中新的热点。国际上以抑制谐波电流为目的的并联型电力有源滤波器应用居多，而随着电压敏感性负载不断增多，以电压畸变治理为主的串联型有源滤波器，正显示着越来越大的利用价值。同时，它又是进一步研究综合电能质量补偿器的前提条件，因此，对串联型有源滤波器进行研究有着重大的意义。
在串联型有源滤波器的研制过程中，我们采用了美国德州仪器公司（TI）的TMS320F240数字信号处理器（DigitalSignalProcessor），极大地方便了软硬件的开发，加快了研制的进程。
TMS320F240具有下述特点【2】【3】：
（1）50ns的指令周期，在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法；
（2）大容量的片内存储器：包含544字×16位的片内数据/程序双口（DualAccess）RAM，16k字×16位的片内FlashEEPRO，共计224k字×16位存储器地址范围（64k数据，64k程序和I/O以及32k全局存储器空间）；
（3）事件管理模块：12路比较/脉冲宽度调制（PWM）通道，3个16位通用定时器，3个死区控制的16位全比较单元，4个捕获单元；
（4）双10位A/D转换模块；
（5）基于锁相环（PLL）的时钟模块；
（6）看门狗定时器模块（具有实时中断功能）；
（7）6个外部中断（电源驱动保护、复位、NMI及3种可屏蔽中断）。
充分使用TMS320F240DSP芯片构成的实用系统，具有扩充的外围电路少、控制电路简单、控制手段灵活、易调试和易维护等很多特点。
2 以DSP为核心的硬件结构
串联型电力有源滤波器主电路由串联电路和并联电路组成，结构如图1所示。

图1 串联型电力有源滤波器主电路

图2以DSP为核心的控制结构框图

串联电路功能是：检测电网畸变电压，分离出需要补偿的电压并产生控制信号，生成补偿电压注入电网，实现电压补偿的功能。并联电路功能是：检测有源滤波器输入电流，生成电流控制信号，从而维持电容电压恒定和保证设备功率因数。同时，作为一个实用装置，还必须实现相应的投入、切除手段和故障情况下的保护手段。
控制电路以DSP为核心，其结构框图如图2所示。
电网电压、电流经过传感器后变成＋5V～－5V的弱电信号,经过调理电路后变成0～5V的信号,其中从电压互感器来的A相电压信号经带通滤波后送入锁相分频模块,产生采样保持分频窄脉冲信号来控制保持电路,使之每个工频周期保持指定点。而分频窄脉冲经过处理电路的处理后作为DSP内部A/D的起动信号使用。
主电路的控制采用两片TMS320F240。一片作为主DSP，除负责并联整流控制（产生并联侧整流及输入电流控制PWM信号驱动并联侧主电路）外，还承担整套装置的协调工作，包括投入切除算法控制，故障保护控制及故障检测功能。它的输出信号一部分用于控制驱动模块以得到恒定的直流电容电压，另一部分控制主电路继电器。而另一片作为从DSP，用于串联侧的电压补偿PWM控制信号的产生，TMS320F240将电压电流采样信号经过DSP检测算法运算后生成补偿信号，补偿信号通过TMS320F240内部PWM控制模块产生PWM控制信号送给驱动模块，经由驱动模块驱动主电路生成补偿电压注入电网。

2万 · 2013-5-24 23:51

3 DSP软件的设计
DSP完成了APF系统中的绝大多数功能，为了完成这些功能，除用到TMS320F240的核心部分外，还充分应用了F240片内的许多外围模块，如A/D模块，事件处理模块和外部中断功能。整个算法由并联侧与串联侧算法构成。
3．1 并联侧DSP软件算法
（1）整体软件流程
并联侧DSP除完成并联整流算法外，还需要完成APF设备的投入和切除算法，故障检测和故障控制算法。图3是并联侧DSP软件算法的流程图。
如图3所示，当DSP起动后首先进行设备初始化操作，结束后进行设备投入电网操作，然后DSP空闲，等待中断的发生，一旦中断出现，运行相应的中断处理程序，处理完成后DSP空闲等待另一个中断的发生。A/D变换，控制算法和PWM产生等一系列过程都在外部中断XINT3中断服务程序中完成。
在设备初始化过程中，完成对故障检测中断设置、DSP的PLL锁相时钟模块设置，外部中断XINT2和XINT3的初始化设置和PWM的比较方式、输出方式和死区设置等功能，最后进行继电器控制状态设置，用于控制继电器动作和接收继电器当前状态的I/O口和外部I/O空间。
（2）中断服务的设计

图3并联侧DSP软件算法的流程图

并联侧的中断服务子程序是软件算法的最主要的组成部分,控制算法的实现、故障的检测和保护等主要算法都通过中断服务子程序来实现。并联侧中断服务子程序有3个：XINT2中断、XINT3中断、PDPINT（功率驱动保护中断）。
XINT3中断处理程序的作用是对并联侧的输入电流进行处理，并执行相应的控制算法，以取得相应的电压补偿信号，作为PWM控制信号产生的输入。最终通过PWM控制主电路IGBT有规律的开关动作，以维持直流电容电压的恒定。XINT2中断服务在A相电压过零时响应，通过XINT2中断和XINT3中断联合完成控制算法中的同步逻辑。故障中断的作用是当系统发生中断时，检测各故障线的故障信号以判断发生的故障类型，并采取相应的保护措施。

2万 · 2013-5-24 23:51

3．2串联侧DSP软件算法

串联侧仅完成补偿电压控制信号的生成，仅需要XINT2、XINT3中断服务子程序，并在XINT3的中断服务程序中采用相应的电压补偿PWM控制策略。

4 结语

在串联型有源滤波器中采用数字信号处理器，所有算法均通过编程完成，易调试、易维护、所占空间小，不易受干扰，与传统的硬件模拟方法比较有着巨大的优势，在响应速度满意的情况下，可以逐步地取代硬件模拟法。因此，数字信号处理器有着广阔的应用前景，也将会受到越来越多的重视。