一种基于DSP控制的并联混合型有源滤波器的整体系统

一种基于dsp控制的并联混合型有源滤波器的整体系统
技术领域：
1.本发明涉及一种基于dsp控制的并联混合型有源滤波器的整体系统。


背景技术：

2.随着经济的快速发展、科技的不断创新，越来越多的电力电子装置投入使用，随之而来的是日趋严重的谐波污染问题。有源滤波作为谐波治理的关键技术在我国也已经得到开展，但是有源电力滤波器(apf)的初期投资比较高，对变流器容量的要求也很大，从而限制了其进一步应用与发展。将有源滤波器与无源滤波器相结合所构成的混合有源滤波器(hapf)，可有效地降低有源滤波器的容量，更有利于工程应用。


技术实现要素：

3.本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种基于dsp控制的并联混合型有源滤波器的整体系统，包括并联混合型有源滤波器和基于dsp的控制系统，并联混合型有源滤波器包括两个操作线路通断的空气开关、三个接触器、三个限流电阻和一个放电电阻，其中两个接触器是控制混合有源滤波器的投切和软启动的，另一个接触器用来控制直流侧电容放电；控制系统分为硬件部分和软件部分。
4.本发明的进一步改进在于：硬件部分为控制电路，控制电路包括辅助电源、驱动电路、采样调理电路及保护电路；
5.辅助电源：先将电网的220v交流电经过ac
‑
dc开关电源转化为24v的直流电压；
6.驱动电路：将驱动的pwm信号功率放大，进而对开关管的快速通断进行控制，驱动电路由促使元件开通的正偏压电路和稳定地保持元件处于关断状态、同时加快关断速度的反偏压电路组成；
7.采样调理电路：保证系统按预定的控制策略运行；
8.保护电路：包括逆变器输出补偿过流、直流侧电压过压和驱动过流故障保护，是将由采样调理电路得到的逆变器输出补偿电流和直流母线电压分别与相应的保护设定值进行比较，一方面将信号输入dsp的xint外部中断引脚实现软件保护，另一方面将该信号与控制继电器的输入信号经过一个与门进行硬件控制。
9.本发明的进一步改进在于：控制系统的软件部分包括主程序、定时器中断程序、cap中断程序、ad中断程序；
10.主程序的功能主要包括：系统初始化，保证dsp各部分正常运行，初始化程序有dsp系统初始化、i/o口初始化、定时器初始化、ad采样初始化、pwm控制初始化；启动前故障自检，保证系统可靠运行；主循环；系统在运行主程序过程中等待，等待中断的发生，一旦有中断产生，dsp就会跳出主程序，进入相应的中断服务子程序，处理完成后中断返回，继续等待下一个中断的发生；
11.定时器中断程序：定时器time1的周期为载波三角波的周期，在中断服务子程序中触发ad转换模块，并进行内部过零点检测；
12.cap中断程序：在a相电网电压过零点时，由硬件电路产生一个上升沿，送至dsp的cap口，从而产生中断，进行锁相处理；
13.ad中断程序：在定时器中断程序入口触发adc采样，转换完成后产生ad中断，在ad中断服务子程序中，依次完成ad变换结果的读取、补偿电流指令的计算和发波控制信号的计算的工作。
14.本发明的进一步改进在于：辅助电源采用了双路隔离电源分别对采样调理电路和控制电路进行供电，从而实现电气隔离。
15.本发明的有益效果为：
16.本发明能够对谐波电流进行检测，快速有效，处理速度比较快，能够满足实时性要求，能够很好的反应并联混合油滤波器的滤波效果。
附图说明：
17.图1为并联混合型有源滤波器的系统结构图；
18.图2为控制系统的电路原理框图；
19.图3为驱动芯片及其外围电路图；
20.图4为电流采样调理电路图；
21.图5为电网电压采样调理电路图；
22.图6为电网电压捕获电路图；
23.图7为直流侧电压采样调理电路图；
24.图8为主程序流程图；
25.图9为定时器中断程序流程图；
26.图10为cap中断程序流程图；
27.图11为ad中断程序流程图；
28.图12为谐波补偿实验波形图。
具体实施方式：
29.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。在本发明的一种实施方式中描述的元素和特征可以与一个或更多个其它实施方式中示出的元素和特征相结合。应当注意，为了清楚的目的，说明中省略了与本发明无关的、本领域普通技术人员已知的部件和处理的表示和描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
30.并联混合型有源滤波器的整体系统，其系统结构图如图1所示，图中qf1和qf2是操作线路通断的空气开关；km1、km2和km3是接触器，其中km1和km2是控制混合有源滤波器的投切和软启动的。km3用来控制直流侧电容放电；r1‑
r3是限流电阻，r4是放电电阻。
31.并联混合型有源滤波器的整体系统的启动过程可以两个阶段：第一阶段，闭合km1，断开km2，不驱动igbt让逆变器工作在三相不控整流阶段，限流电阻r串在电路中让电压缓慢上升。第二阶段，闭合km1和km2,将r短接，当直流侧电压升至给定电压时，驱动igbt，
进行发波补偿和稳压。从而达到软启动的目的。
32.控制系统部分是整个系统结构的核心。混合有源滤波器对控制系统的实时性有较高的要求，希望其能够快速检测出电网电流的谐波分量，然后生成指令信号，用来驱动控制逆变器的输出，最终达到动态补偿电路谐波电流的目的。
33.为了满足hapf控制系统实时性的要求，需要不断的发展和完善dsp技术，充分利用dsp的数字信号处理能力来改善hapf控制系统的性能。本发明选用德州仪器公司的tms230lf2406作为主控制芯片。
34.tms230lf2406是定点型dsp芯片，采用了数据总线和程序总线相分离的哈佛(harvard)结构，因此具有较高的指令执行速度。同时它还集成了非常丰富的外设，便于提供解决问题的方案。
35.系统在以tms230lf2406作为主控制芯片的基础上，还外扩了一个外部控制器x5043，它是一个具有上电复位、低电压复位控制、可编程看门狗定时器的eeprom芯片。
36.控制系统的硬件设计：
37.如图2所示的控制电路包括供电电源模块、驱动模块、采样模块、io模块以及通讯模块。
38.a、控制系统辅助电源设计：
39.为了提高样机的采样精度和减少各部分相互的干扰，采用了双路隔离电源分别对采样电路和控制电路进行供电，从而实现电气隔离。
40.先将电网的220v交流电经过ac
‑
dc开关电源转化为24v的直流电压。采样电路的供电电源由推挽电路构成，通态阻抗小。原边是通过sg3525驱动两个开关管交替导通，副边是全桥不控整流电路。经过转换电路得到的12v电压给霍尔元件和运放芯片供电。辅助电源采用了双路隔离电源分别对采样电路和控制电路进行供电，从而实现电气隔离。
41.控制电路的电源选用的芯片是tps7333，用来提供dsp工作所需的3.3v电压，它的输入电压正是中另一输出支路产生的5v，因此起到了隔离作用。
42.b、驱动电路设计：
43.驱动电路是电力变化的重要组成部分，其性能是否可靠和稳定直接影响着电路设计的成败。驱动电路由促使元件开通的正偏压电路和稳定地保持元件处于关断状态、同时加快关断速度的反偏压电路组成。本项目设计所选用驱动芯片是三菱公司的m57962l，它的结构及其外围电路图如图3所示。
44.该混合集成驱动器输入信号有效控制电平为低电平，且输入端有光耦进行隔离。m57962m内部具有退饱和检测和保护环节。当发生过流时，1脚会检测到igbt的集射极电压uce过高，此过流信号经过20μs的检测，并对其中的干扰进行滤除，当确定为过流后，5脚的输出信号将会由高到低进行电平转变，同时8脚的光耦导通工作，发出过流保护信号，从而封锁驱动输入，切断igbt，具有很好的可靠性。
45.c、采样调理电路设计：
46.实际系统中，通过传感器或者接收器采样到的信号噪声很大且易受干扰。而这些信号又是需要送到dsp进行处理的，必须将它们的幅值电压控制在一定电压范围之内。这就需要设计一个准确稳定的采样调理电路，保证系统按预定的控制策略运行。
47.其中包括电源电流采样调理电路，如图4所示，整个电流采样调理电路可分为调
压，滤波和限幅三个部分。
48.采样电压经过一个同相比例运算放大器得到输出电压为：
[0049][0050]
将得到的电压信号经过一阶反相输入低通滤波器进行滤波，去除高频信号干扰。最后的限幅电路是将输出电压控制在0～3.3v范围内。用三端二极管d431是为了防止电压过大损坏dsp。
[0051]
最终接到dsp的采样通道的电压为：
[0052][0053]
还包括电网电压采样调理电路，如图5所示，电网电压采样选用的是tva1421电压互感器，它具有精度高、采样范围宽、电压隔离能力强等优点。由于本发明是基于三相三线制电路，所以需要在互感器的原边建立虚零点，这样在副边才能采样到电网的相电压值。tva1421是电流型电压互感器，输出是电流信号，需要经过电阻r250变成电压信号。同时要通过匹配r250和c252，让反相低通滤波器的截止频率能够滤除基波以外的高次谐波。
[0054][0055]
经过限幅电路得到：
[0056][0057]
基于i
p
‑
i
q
的谐波检测算法中需要准确的采样电网电压某一相的相位，因此需要对u相电压的过零点进行捕捉。如图6所示，采样的电网电压信号，先经过二阶反相低通滤波器，加大高频信号衰减斜率，更好的去除干扰，得到基波电压。再经过一个带正反馈的比较器，可以迅速得到电压的零点时刻，送到捕捉cap口(当输入电压信号为零时，cap口处电平被拉高)。
[0058]
为了对直流侧电压进行稳压控制，需要对它进行实时的采样检测，并且要求有很高的准确性和抗干扰性，还包括直流侧电压采样调理电路，如图7所示，经过若干个分压电阻将直流侧电压降低到dsp可采样的有效范围内，利用一个厚膜adhr200z2将前级采样和后级控制电路进行隔离。该厚膜是由一个光耦隔离芯片和运算放大器共同组成的一个输入输出等比例且具有隔离效果的电路。
[0059]
c、硬件保护电路设计：
[0060]
本发明设计的硬件保护电路包括逆变器输出补偿过流、直流侧电压过压和驱动过流故障保护。是将由采样调理得到的逆变器输出补偿电流和直流母线电压分别与相应的保护设定值进行比较，一方面将信号输入dsp的xint外部中断引脚实现软件保护，另一方面将该信号与控制继电器的输入信号经过一个与门进行硬件控制。
[0061]
c、控制系统的软件设计：
[0062]
tms230lf2406的指令多为单周期指令，并同时支持c语言的编程，因此可以提高运算速度，减少软件开发所需要的时间，实现复杂的控制算法。所设计的软件可以分为以下几个部分：主程序、定时器中断程序、cap中断程序、adc中断程序等。
[0063]
a、主程序设计：
[0064]
主程序的流程图如图8所示。主程序的功能主要包括：(1)系统初始化，保证dsp各部分正常运行。初始化程序有dsp系统初始化、i/o口初始化、定时器初始化、ad采样初始化、pwm控制初始化等。(2)启动前故障自检，保证系统可靠运行。(3)主循环。系统在运行主程序过程中等待，等待中断的发生。一旦有中断产生，dsp就会跳出主程序，进入相应的中断服务子程序，处理完成后中断返回，继续等待下一个中断的发生。
[0065]
b、定时器中断程序设计：
[0066]
定时器time1的周期为载波三角波的周期，在中断服务子程序中触发ad转换模块，并进行内部过零点检测。由于本发明设计的开关频率是6khz，所以定时器的周期取为166us。程序流程图如图9所示。
[0067]
c、cap中断程序设计：
[0068]
在a相电网电压过零点时，由硬件电路产生一个上升沿，送至dsp的cap口，从而产生中断，进行锁相处理。cap中断的流程图如图10所示。
[0069]
d、ad中断程序设计：
[0070]
在定时器中断子程序入口触发adc采样，转换完成后产生ad中断。在ad中断服务子程序中，依次完成ad变换结果的读取、补偿电流指令的计算和发波控制信号的计算等工作。这几步的过程都是在一个采样周期内完成，也就是说系统是以一个采样周期为运行周期，这样就使混合有源电力滤波系统的实时性得到了保证。程序流程图如图11所示。
[0071]
具体实验参数如下表格所示：
[0072]
表1 hapf样机各部分参数
[0073][0074]
谐波电流检测算法采用基于瞬时无功功率的ip
‑
iq法；补偿电流控制策略采用基于检测电网电流的三角波比较调制法，辅以广义积分控制器进行控制。实验结果如图12所
示，上面的波形是三相不可控整流负载，谐波电流成分是整个负载电流的30％，thd约是28％。下面的波形是投入hapf补偿后的电源电流波形，thd约是7％，由于受到开关频率的限制，波形除还有些毛刺外，基本接近正弦波。比较两个波形，可以很好的反应hapf的滤波效果，处理速度比较快，能够满足实时性的要求。
[0075]
最后应说明的是：虽然以上已经详细说明了本发明及其优点，但是应当理解在不超出由所附的权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下可以进行各种改变、替代和变换。而且，本发明的范围不仅限于说明书所描述的过程、设备、手段、方法和步骤的具体实施例。本领域内的普通技术人员从本发明的公开内容将容易理解，根据本发明可以使用执行与在此所述的相应实施例基本相同的功能或者获得与其基本相同的结果的、现有和将来要被开发的过程、设备、手段、方法或者步骤。因此，所附的权利要求旨在在它们的范围内包括这样的过程、设备、手段、方法或者步骤。