CN102830268B - 一种基于dsp的sapf的实时相移检测***及其工作方法 - Google Patents

Abstract

一种基于DSP的SAPF的实时相移检测***，其特征在于它包括信号整形变换处理电路、DSP中央数据处理电路、隔离与驱动电路和晶闸管电路；其工作方法包括坐标变换、滤波、计算、移相、坐标反变换；其优越性在于：1.采用实时相移方法，能实时的检测出三相电压畸变且不对称时基波正序有功电流；2.提高了控制的速度和精度，***具有很好的调节性能和可靠性；3.大大提高了装置容量以及电压等级，增强了电网的稳定性，避免因谐波污染影响整个***的运行；4.具有广阔的市场应用前景。

Description

一种基于DSP的SAPF的实时相移检测***及其工作方法

(一)技术领域：

本发明属于电力***并联型有源电力滤波器(Shunt Active PowerFilter——SAPF)检测与控制技术领域，尤其是一种基于DSP(DigitalSignal Pprocessor——高速数字信号处理器)的SAPF的实时相移检测***及其工作方法。

(二)背景技术：

有源电力滤波器是一种基于电力电子技术的谐波与无功补偿***，并接于电源和谐波源负载之间，具有很好的动态性能和谐波特性。有源电力滤波器可以看作一个受控电流源，其基本工作原理是检测出***中所含的谐波及无功电流，并产生与其大小相等、相位差180°的补偿电流，注入输电线路，抵消***中的谐波及无功电流。目前广泛应用的i_p-i_q检测方法虽然在非理想电网电压下可以准确地检测出***中的谐波电流，但不能准确地检测***中的无功电流，其原因是在电网电压不对称时，电压的实际过零点与电压基波过零点存在有相位差。而实际的电网电压波形很多情况下都存在不同程度的畸变和不对称。

(三)发明内容：

发明目的在于提出一种基于DSP的SAPF的实时相移检测***及其工作方法，它可以克服现有技术的不足，通过dq变换同步提取出电压和电流的基波正序分量，经过坐标变换，移相、从而得出电流基波正序有功分量，能实时的检测出三相电压畸变且不对称时基波正序有功电流，***结构简单，工作方法简单易行。

本发明的技术方案：一种基于DSP的SAPF的实时相移检测***，其特征在于它包括信号整形变换处理电路、DSP中央数据处理电路、隔离与驱动电路和晶闸管电路；其中，所述信号整形变换处理电路的输入端连接外部的电压互感器和电流互感器，其输出端连接DSP中央数据处理电路的输入端；所述隔离与驱动电路的输入端连接DSP中央数据处理电路的输出端，其输出端连接晶闸管电路的门极输入端。

所述晶闸管电路是三相门极可关断晶闸管IGBT电路，每相回路中均有4个IGBT管构成。

所述信号整形变换处理电路由电压、电流交流采样前端电路和频率方波变换电路构成；交流采样前端电路将采集的电压、电流信号处理后送入中央数据处理电路中的A/D模块输入端；频率方波变换电路将电压信号变换为方波信号输入到中央数据处理电路中的捕捉模块输入端。

所述电压、电流交流采样前端电路由二极管D11、二极管D12、二极管D21、二极管D22构成输入限幅保护，用电阻R24、电阻R25、电阻R26、电阻R34、电阻R35、电阻R36、电容C11、电容C12、电容C16、电容C17构成互感器相移补偿及阻容滤波电路；所说的频率方波变换电路由电阻R1、电阻R2、电阻R4、电阻R5及比较器LM339构成迟滞电压比较器，用电阻R7、电阻R8构成分压电路，将采集的信号处理后送入中央数据处理电路中的捕捉模块进行采样；其连接为常规连接。

所述DSP中央数据处理电路包括DSP芯片、电源管理模块、晶振电路和数据总线驱动电路；所述DSP芯片的输入端与电源管理模块的输出端连接，同时还接收晶振电路发出的时钟信号连接，其输出端与数据总线驱动电路呈双向连接。

所述DSP芯片是包含大容量快速闪存、32位定时器、2个事件管理器和SPI、SCI、CAN接口，可提供PWM控制脉冲信号的TI公司的TMS320F2812DSP芯片。

所述电源管理模块由双电源供电器件TPS73HD301、电阻R15、电阻R16、电容C1、电容C2构成；其连接为常规连接。

所述晶振电路由电容C3、电容C4和晶振体U2构成；其连接为常规连接。

所述数据总线驱动电路由一片双向数据缓冲器74LVC16245构成；其连接为常规连接。

所述隔离与驱动电路包括光电隔离电路和功率放大电路，分别由光电耦合器和功率放大器组成；功率驱动管电路将从DSP中央数据处理电路中采集到的脉冲信号经光电耦合器隔离，然后经三极管进行放大，最后将开关信号输入给晶闸管电路。

一种基于DSP的SAPF的实时相移检测***的工作方法，其特征在于它包括以下步骤：

(1)将信号整形变换处理电路得到的电压信号通过DSP中央数据处理电路进行坐标变换；

(2)同时经过坐标变化的信号继续在DSP中央数据处理电路中进行数字低通滤波得到其直流分量，直流分量通过中央数据处理电路实时计算得到电压基波正序分量的初相角θ；

$\mathrm{\&theta;}\begin{array}{c}\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{tg}}^{-1}\left[\frac{{e_d}^{-}}{-{e_q}^{-}}\right]& ({e_d}^{-}\&GreaterEqual;0)\\ \mathrm{\&pi;}+{\mathrm{tg}}^{-1}\left[\frac{{e_d}^{-}}{{e_q}^{-}}\right]& ({e_d}^{-}<0)\end{array}\right.\end{array}$

其中，e_d ^-、e_q ^-表示电压e的基波分量分别在d-q坐标系中d轴和q轴上的投影；

(3)DSP中央数据处理电路对信号整形变换处理电路中得到的电压信号进行移相，其中移相是将图(4)中的正弦信号sinleos,进行相位修正，修正角为θ，移相后的电压信号相位为sin(ωt+θ)和cos(ωt+θ)；

(4)依据步骤(3)中得到的移相后的电网电压信号，在DSP中央数据处理电路中依据坐标变换公式T对电网电流信号进行坐标变换，同时经过坐标变化的信号继续在DSP中央数据处理电路中进行数字低通滤波得到其直流分量，再经过坐标反变换公式T^-1得到电流的指令信号，将该电流的指令信号从DSP中央数据处理电路输出到隔离与驱动电路，得到IGBT开关信号，

其中，

$T=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}\sin (\mathrm{\&omega;t}+\mathrm{\&theta;})& \sin (\mathrm{\&omega;t}-\frac{2\mathrm{\&pi;}}{3}+\mathrm{\&theta;})& \sin (\mathrm{\&omega;t}+\frac{2\mathrm{\&pi;}}{3}\mathrm{\&theta;})\\ -\cos (\mathrm{\&omega;t}+\mathrm{\&theta;})& -\cos (\mathrm{\&omega;t}-\frac{2\mathrm{\&pi;}}{3}+\mathrm{\&theta;})& -\cos (\mathrm{\&omega;t}+\frac{2\mathrm{\&pi;}}{3}+\mathrm{\&theta;})\end{array}\right]$

$T^{-1}=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{cc}\sin (\mathrm{\&omega;t}+\mathrm{\&theta;})& -\cos (\mathrm{\&omega;t}+\mathrm{\&theta;})\\ \sin (\mathrm{\&omega;t}-\frac{2\mathrm{\&pi;}}{3}+\mathrm{\&theta;})& -\cos (\mathrm{\&omega;t}-\frac{2\mathrm{\&pi;}}{3}+\mathrm{\&theta;})\\ \sin (\mathrm{\&omega;t}+\frac{2\mathrm{\&pi;}}{3}+\mathrm{\&theta;})& -\cos (\mathrm{\&omega;t}+\frac{2\mathrm{\&pi;}}{3}+\mathrm{\&theta;})\end{array}\right].$

发明的工作原理：中央数据处理电路所编软件程序设定各种执行条件控制高速DSP芯片对数据总线驱动电路的输入信号进行辨识、处理并发出相关控制指令；电源管理模块负责提供电能；晶振电路向高速DSP芯片提供时钟信号；数据总线驱动电路主要负责数据缓冲和电平转换。信号整形变换处理电路将A/D转化所得的数字量接收到高速DSP后，对数据进行补偿、数字滤波后，对应相应的标准值转化为标幺值，运算得出控制角，并转化计数值，产生2个(三相共计6个)不同的控制脉冲(+A1、-A1、+A2、-A2)。

DSP中央数据处理电路所编软件程序设定各种执行条件控制DSP芯片对数据总线驱动电路的输入信号进行辨识、处理并发出相关控制指令；电源管理模块负责提供电能；晶振电路向DSP芯片提供时钟信号；数据总线驱动电路主要负责数据缓冲。

本发明的优越性在于：1、采用实时相移方法，能实时的检测出三相电压畸变且不对称时基波正序有功电流；2、利用高性能数字信号处理芯片实现有源电力补偿器的控制，很大程度上提高控制的速度和精度，减少普通模拟调制方式和单片机处理速度限制而引起的控制滞后和精度缺陷，使整个控制***具有很好的调节性能和可靠性；3、采用H桥电路作为APF的主电路拓扑结构，大大提高了装置容量以及电压等级，增强了电网的稳定性，避免因谐波污染影响整个***的运行；4、具有广阔的市场应用前景。

(四)附图说明：

图1为本发明所涉一种基于DSP的SAPF的实时相移检测***的整体结构示意图。

图2为本发明所涉一种基于DSP的SAPF的实时相移检测***中信号整形变换处理电路的电路结构示意图。

图3为本发明所涉一种基于DSP的SAPF的实时相移检测***中DSP中央数据处理电路的电路结构示意图。

图4为本发明所涉一种基于DSP的SAPF的实时相移检测***中实时相移检测方法的结构示意图。

图5为本发明所涉一种基于DSP的SAPF的实时相移检测***中晶闸管电路的单相电路。

(五)具体实施方式：

实施例：一种基于DSP的SAPF的实时相移检测***(见图1)，其特征在于它包括信号整形变换处理电路、DSP中央数据处理电路、隔离与驱动电路和晶闸管电路；其中，所述信号整形变换处理电路的输入端连接外部的电压互感器和电流互感器，其输出端连接DSP中央数据处理电路的输入端；所述隔离与驱动电路的输入端连接DSP中央数据处理电路的输出端，其输出端连接晶闸管电路的门极输入端。

所述晶闸管电路是三相门极可关断晶闸管IGBT电路，每相回路中均有4个IGBT管构成。

所述信号整形变换处理电路(见图2)由电压、电流交流采样前端电路和频率方波变换电路构成；交流采样前端电路将采集的电压、电流信号处理后送入中央数据处理电路中的A/D模块输入端；频率方波变换电路将电压信号变换为方波信号输入到中央数据处理电路中的捕捉模块输入端。

所述电压、电流交流采样前端电路(见图2)由二极管D11、二极管D12、二极管D21、二极管D22构成输入限幅保护，用电阻R24、电阻R25、电阻R26、电阻R34、电阻R35、电阻R36、电容C11、电容C12、电容C16、电容C17构成互感器相移补偿及阻容滤波电路；所说的频率方波变换电路由电阻R1、电阻R2、电阻R4、电阻R5及比较器LM339构成迟滞电压比较器，用电阻R7、电阻R8构成分压电路，将采集的信号处理后送入中央数据处理电路中的捕捉模块进行采样；其连接为常规连接。

所述DSP中央数据处理电路(见图3)包括DSP芯片、电源管理模块、晶振电路和数据总线驱动电路；所述DSP芯片的输入端与电源管理模块的输出端连接，同时还接收晶振电路发出的时钟信号连接，其输出端与数据总线驱动电路呈双向连接。

所述DSP芯片(见图3)是包含大容量快速闪存、32位定时器、2个事件管理器和SPI、SCI、CAN接口，可提供PWM控制脉冲信号的TI公司的TMS320F2812DSP芯片。

所述电源管理模块(见图3)由双电源供电器件TPS73HD301、电阻R15、电阻R16、电容C1、电容C2构成；其连接为常规连接。

所述晶振电路(见图3)由电容C3、电容C4和晶振体U2构成；其连接为常规连接。

所述数据总线驱动电路由一片双向数据缓冲器74LVC16245构成；其连接为常规连接。

所述隔离与驱动电路包括光电隔离电路和功率放大电路，分别由光电耦合器和功率放大器组成；功率驱动管电路将从DSP中央数据处理电路中采集到的脉冲信号经光电耦合器隔离，然后经三极管进行放大，最后将开关信号输入给晶闸管电路。

一种基于DSP的SAPF的实时相移检测***的工作方法(见图4、图5)，其特征在于它包括以下步骤：

(1)将信号整形变换处理电路得到的电压信号通过DSP中央数据处理电路进行坐标变换；

(2)同时经过坐标变化的信号继续在DSP中央数据处理电路中进行数字低通滤波得到其直流分量，直流分量通过中央数据处理电路实时计算得到电压基波正序分量的初相角θ；

$\mathrm{\&theta;}\begin{array}{c}\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{tg}}^{-1}\left[\frac{{e_d}^{-}}{-{e_q}^{-}}\right]& ({e_d}^{-}\&GreaterEqual;0)\\ \mathrm{\&pi;}+{\mathrm{tg}}^{-1}\left[\frac{{e_d}^{-}}{{e_q}^{-}}\right]& ({e_d}^{-}<0)\end{array}\right.\end{array}$

其中，e_d ^-、e_q ^-表示电压e的基波分量分别在d-q坐标系中d轴和q轴上的投影；

(3)DSP中央数据处理电路对信号整形变换处理电路中得到的电压信号进行移相，其中移相是将图(4)中的正弦信号sinleos,进行相位修正，修正角为θ，移相后的电压信号相位为sin(ωt+θ)和cos(ωt+θ)；

(4)依据步骤(3)中得到的移相后的电网电压信号，在DSP中央数据处理电路中依据坐标变换公式T对电网电流信号进行坐标变换，同时经过坐标变化的信号继续在DSP中央数据处理电路中进行数字低通滤波得到其直流分量，再经过坐标反变换公式T^-1得到电流的指令信号，将该电流的指令信号从DSP中央数据处理电路输出到隔离与驱动电路，得到IGBT开关信号，

其中，

$T=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}\sin (\mathrm{\&omega;t}+\mathrm{\&theta;})& \sin (\mathrm{\&omega;t}-\frac{2\mathrm{\&pi;}}{3}+\mathrm{\&theta;})& \sin (\mathrm{\&omega;t}+\frac{2\mathrm{\&pi;}}{3}\mathrm{\&theta;})\\ -\cos (\mathrm{\&omega;t}+\mathrm{\&theta;})& -\cos (\mathrm{\&omega;t}-\frac{2\mathrm{\&pi;}}{3}+\mathrm{\&theta;})& -\cos (\mathrm{\&omega;t}+\frac{2\mathrm{\&pi;}}{3}+\mathrm{\&theta;})\end{array}\right]$

$T^{-1}=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{cc}\sin (\mathrm{\&omega;t}+\mathrm{\&theta;})& -\cos (\mathrm{\&omega;t}+\mathrm{\&theta;})\\ \sin (\mathrm{\&omega;t}-\frac{2\mathrm{\&pi;}}{3}+\mathrm{\&theta;})& -\cos (\mathrm{\&omega;t}-\frac{2\mathrm{\&pi;}}{3}+\mathrm{\&theta;})\\ \sin (\mathrm{\&omega;t}+\frac{2\mathrm{\&pi;}}{3}+\mathrm{\&theta;})& -\cos (\mathrm{\&omega;t}+\frac{2\mathrm{\&pi;}}{3}+\mathrm{\&theta;})\end{array}\right].$

Claims (7)

1.一种基于DSP的SAPF的实时相移检测***，其特征在于它包括信号整形变换处理电路、DSP中央数据处理电路、隔离与驱动电路和晶闸管电路；其中，所述信号整形变换处理电路的输入端连接外部的电压互感器和电流互感器，其输出端连接DSP中央数据处理电路的输入端；所述隔离与驱动电路的输入端连接DSP中央数据处理电路的输出端，其输出端连接晶闸管电路的门极输入端；其工作方法为：

(1)将信号整形变换处理电路得到的电压信号通过DSP中央数据处理电路进行坐标变换；

(2)同时经过坐标变化的信号继续在DSP中央数据处理电路中进行数字低通滤波得到其直流分量，直流分量通过DSP中央数据处理电路实时计算得到电压基波正序分量的初相角θ；

$\mathrm{\&theta;}=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{tg}}^{-1}\left[\frac{{e_d}^{-}}{-{e_q}^{-}}\right]& ({e_d}^{-}\&GreaterEqual;0)\\ \mathrm{\&pi;}+{\mathrm{tg}}^{-1}\left[\frac{{e_d}^{-}}{-{e_q}^{-}}\right]& ({e_d}^{-}<0)\end{array}\right.$

其中，e_d ^-、e_q ^-表示电压e的基波分量分别在d-q坐标系中d轴和q轴上的投影；

(3)DSP中央数据处理电路对信号整形变换处理电路中得到的电压信号进行移相，其中移相是将正弦信号sin/cos，进行相位修正，修正角为θ，移相后的电压信号相位为sin(ωt+θ)和cos(ωt+θ)；

(4)依据步骤(3)中得到的移相后的电网电压信号，在DSP中央数据处理电路中依据坐标变换公式T对电网电流信号进行坐标变换，同时经过坐标变化的信号继续在DSP中央数据处理电路中进行数字低通滤波得到其直流分量，再经过坐标反变换公式T^-1得到电流的指令信号，将该电流的指令信号从DSP中央数据处理电路输出到隔离与驱动电路，得到IGBT开关信号，

其中，

$T=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}\sin (\mathrm{\&omega;t}+\mathrm{\&theta;})& \sin (\mathrm{\&omega;t}-\frac{2\mathrm{\&pi;}}{3}+\mathrm{\&theta;})& \sin (\mathrm{\&omega;t}+\frac{2\mathrm{\&pi;}}{3}+\mathrm{\&theta;})\\ -\cos (\mathrm{\&omega;t}+\mathrm{\&theta;})& -\cos (\mathrm{\&omega;t}-\frac{2\mathrm{\&pi;}}{3}+\mathrm{\&theta;})& -\cos (\mathrm{\&omega;t}+\frac{2\mathrm{\&pi;}}{3}+\mathrm{\&theta;})\end{array}\right]$

$T^{-1}=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{cc}\sin (\mathrm{\&omega;t}+\mathrm{\&theta;})& -\cos (\mathrm{\&omega;t}+\mathrm{\&theta;})\\ \sin (\mathrm{\&omega;t}-\frac{2\mathrm{\&pi;}}{3}+\mathrm{\&theta;})& -\cos (\mathrm{\&omega;t}-\frac{2\mathrm{\&pi;}}{3}+\mathrm{\&theta;})\\ \sin (\mathrm{\&omega;t}+\frac{2\mathrm{\&pi;}}{3}+\mathrm{\&theta;})& -\cos (\mathrm{\&omega;t}+\frac{2\mathrm{\&pi;}}{3}+\mathrm{\&theta;})\end{array}\right].$

2.根据权利要求1所述一种基于DSP的SAPF的实时相移检测***，其特征在于所述晶闸管电路是三相门极可关断晶闸管IGBT电路，每相回路中均有4个IGBT管构成。

3.根据权利要求1所述一种基于DSP的SAPF的实时相移检测***，其特征在于所述信号整形变换处理电路由电压、电流交流采样前端电路和频率方波变换电路构成；交流采样前端电路将采集的电压、电流信号处理后送入DSP中央数据处理电路中的A/D模块输入端；频率方波变换电路将电压信号变换为方波信号输入到DSP中央数据处理电路中的捕捉模块输入端。

4.根据权利要求1所述一种基于DSP的SAPF的实时相移检测***，其特征在于所述DSP中央数据处理电路包括DSP芯片、电源管理模块、晶振电路和数据总线驱动电路；所述DSP芯片的输入端与电源管理模块的输出端连接，同时还接收晶振电路发出的时钟信号，其输出端与数据总线驱动电路呈双向连接。

5.根据权利要求4所述一种基于DSP的SAPF的实时相移检测***，其特征在于所述DSP芯片是包含大容量快速闪存、32位定时器、2个事件管理器和SPI、SCI、CAN接口，可提供PWM控制脉冲信号的TI公司的TMS320F2812DSP芯片。

6.根据权利要求1所述一种基于DSP的SAPF的实时相移检测***，其特征在于所述隔离与驱动电路包括光电隔离电路和功率放大电路，分别由光电耦合器和功率放大器组成；功率驱动管电路将从DSP中央数据处理电路中采集到的脉冲信号经光电耦合器隔离，然后经三极管进行放大，最后将开关信号输入给晶闸管电路。

7.一种基于DSP的SAPF的实时相移检测***的工作方法，其特征在于它包括以下步骤：

(1)将信号整形变换处理电路得到的电压信号通过DSP中央数据处理电路进行坐标变换；

(2)同时经过坐标变化的信号继续在DSP中央数据处理电路中进行数字低通滤波得到其直流分量，直流分量通过DSP中央数据处理电路实时计算得到电压基波正序分量的初相角θ；

$\mathrm{\&theta;}=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{tg}}^{-1}\left[\frac{{e_d}^{-}}{-{e_q}^{-}}\right]& ({e_d}^{-}\&GreaterEqual;0)\\ \mathrm{\&pi;}+{\mathrm{tg}}^{-1}\left[\frac{{e_d}^{-}}{-{e_q}^{-}}\right]& ({e_d}^{-}<0)\end{array}\right.$

其中，e_d ^-、e_q ^-表示电压e的基波分量分别在d-q坐标系中d轴和q轴上的投影；

(3)DSP中央数据处理电路对信号整形变换处理电路中得到的电压信号进行移相，其中移相是将正弦信号sin/cos，进行相位修正，修正角为θ，移相后的电压信号相位为sin(ωt+θ)和cos(ωt+θ)；

(4)依据步骤(3)中得到的移相后的电网电压信号，在DSP中央数据处理电路中依据坐标变换公式T对电网电流信号进行坐标变换，同时经过坐标变化的信号继续在DSP中央数据处理电路中进行数字低通滤波得到其直流分量，再经过坐标反变换公式T^-1得到电流的指令信号，将该电流的指令信号从DSP中央数据处理电路输出到隔离与驱动电路，得到IGBT开关信号，

其中，

$T=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}\sin (\mathrm{\&omega;t}+\mathrm{\&theta;})& \sin (\mathrm{\&omega;t}-\frac{2\mathrm{\&pi;}}{3}+\mathrm{\&theta;})& \sin (\mathrm{\&omega;t}+\frac{2\mathrm{\&pi;}}{3}+\mathrm{\&theta;})\\ -\cos (\mathrm{\&omega;t}+\mathrm{\&theta;})& -\cos (\mathrm{\&omega;t}-\frac{2\mathrm{\&pi;}}{3}+\mathrm{\&theta;})& -\cos (\mathrm{\&omega;t}+\frac{2\mathrm{\&pi;}}{3}+\mathrm{\&theta;})\end{array}\right]$

$T^{-1}=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{cc}\sin (\mathrm{\&omega;t}+\mathrm{\&theta;})& -\cos (\mathrm{\&omega;t}+\mathrm{\&theta;})\\ \sin (\mathrm{\&omega;t}-\frac{2\mathrm{\&pi;}}{3}+\mathrm{\&theta;})& -\cos (\mathrm{\&omega;t}-\frac{2\mathrm{\&pi;}}{3}+\mathrm{\&theta;})\\ \sin (\mathrm{\&omega;t}+\frac{2\mathrm{\&pi;}}{3}+\mathrm{\&theta;})& -\cos (\mathrm{\&omega;t}+\frac{2\mathrm{\&pi;}}{3}+\mathrm{\&theta;})\end{array}\right].$