基于TMS320F2812的并联型有源电力滤波器.pdf

2 0 1 2年第 4期 工业仪表与自动化装置 4 7 基 于 T MS 3 2 0 F 2 8 1 2的 并联 型 有 源 电 力滤 波器 陈若珠 ， 骆水莲 ( 兰州理工大学 电气工程与信息工程学院， 兰州 7 3 0 0 5 0 ) 摘要： 电力电子技术的迅速发展 ， 使得电力网中的非线性 负载元件 的数量越 来越 多， 而这些非 线性负载又是 电网谐波的主要来源， 谐波会给电网带来严重的污染， 使谐 波的含量降低到规定的范 围之 内是现代 电力行业迫切 需要解决的一个问题 。在治理谐波的领域 中， 有源 电力滤波器 已经走 在 了时代 的最前列。该文以数 字处理 器芯片 T MS 3 2 0 F 2 8 1 2为核 心设计的有源电力滤波器控 制 系 统 ， 补偿 电流的计算是通过瞬时无功功率理论 的计算方法来实现 的。首先在 MA T L A B环境 中搭 建 有源电力滤波器的仿真模型， 得 出可行性的分析结果。接着设计 了基 于 T MS 3 2 0 F 2 8 1 2的并联型有 源电力滤波器控制 系统的硬 件和软件 结构 ， 通过在样机 上试 用的结果表 明， 在技 术上是 完全 可 行 的。 关键词 ： 谐波 ； 瞬时无功功率； D S P 中图分类号 ： T M7 文献标 志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 00 6 8 2 ( 2 0 1 2 ) 0 4 0 0 4 7 0 4 Pa r a l l e l a c t i v e po we r fil t e r ba s e d o n TM S3 2 0F2 8 1 2 C HE N Ru o z h u，L UO S h u i l i a n ( L a n z h o u U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ，L a n z h o u 7 3 0 0 5 0， C h i n a ) Abs t r a c t： T he a mo u n t o f n o n l i n e a r l o a d e l e me n t i s mo r e a n d mo r e i n t h e p o we r n e t wo r k wi t h r a p i d d e v e l o p me n t o f p o we r e l e c t r o n i c s ，a nd t h e n o n l i n e a r l o a d i s t h e ma i n s o u r c e o f h a r mo ni c t o po we r g r i d， t h e h a r mo n i c s g e n e r a t e d b y n o n l i n e a r l o a d e l e me n t h a s b r o u g h t t h e s e ri o u s p o l l u t i o n t o p o w e r g rid T o k e e p h a r mo n i c c o n t e n t i n t h e r a n g e o f p r o v i s i o n s i s u r g e n t p r o b l e m i n mo d e m e l e c t r i c p o we r i n d u s t r y On t h e fie l d o f s up p r e s i n g h a rm o n i ca c t i v e p o we r fil t e r s h a v e be e n wa l k i n g i n t h e f o r e f r o n t o f t h e t i me s Th i s t h e s i s t a k e s d i g i t a l p r o c e s s o r c h i p T MS 3 2 0 F 2 8 1 2 a s t h e c o r e t o d e s i g n c o n t r o l s y s t e m o f a c t i v e p o we r fi l - t e r T h e c alc u l a t i o n o f c o mp e n s a t i o n c u r r e n t i s a c c o mp l i s h e d t h r o u g h t h e t h e o ry o f i n s t a n t a n e o u s r e a c t i v e p o w e r me t h o d F i r s t ，t o b u i l d a c t i v e p o we r fi l t e r s i mu l a t i o n mo d e l i n t h e MA T L AB e n v i r o n me n t i n o r d e r t o g e t a n a l y s i s r e s u l t s a b o u t f e a s i b i l i t y o f c o n t r o l s y s t e mTh e n d e s i g n hard wa r e a n d s o f t wa r e s t r u c t u r e s o f a c t i v e p o w e r fi l t e r c o n t r o l s y s t e m b a s e d o n T MS 3 2 0 F 2 8 1 2 T h e r e s u l t s i n t h e p r o t o t y p e s h o w t h a t t h e t e c hn o l g y o f a c t i v e p o we r fi l t e r i s f e a s i b l e Ke y wo r d s ： h a r mo n i c；i n s t a n t a n e o u s r e a c t i v e p o we r ；DS P 0 引言 我国仅 由电能质量问题造成的年电量损失就高 达 4 0 0多亿元。目前谐波 已经成为污染电力系统 的 严重公害之一 ， 所以寻求一种有效的治理谐波 的方 法 已经是摆在我们面前的一个不容忽视的问题 。 电力系统 中对谐波的抑制除了改善谐波源装置 本身 的特性之外 ， 主要是采用滤波装置来降低谐波 收稿 日期 ： 2 0 1 20 3 0 6 作者简介： 陈若珠( 1 9 6 3 ) ， 女， 山西人， 高级工程师， 主要从事舞 台机械控制方面的研究。 含量并实现无功补偿。通常采用 的滤波装置是无源 滤波器和有源 电力滤波器两种装置 ， 一般情况下 ， 无 源滤波器是针对特定次数 的谐波 ， 谐波治理的范围 是非常有 限的， 而且很容易发生谐振 ， 所以一般不予 采用 。有源滤波器是一种 动态 的抑制谐波的装置 ， 可以对任意次的谐波进行动态补偿 ， 克服 了无源滤 波器 的缺点 J ， 是一 种 比较理想 的谐波补偿装 置。 该文在对谐波检测模块以及整个有源电力滤波器系 统性能仿真 的基础上 ， 设计 了一种 以 D S P芯片为核 心 的并联型有源电力滤波器装置， 并 给出了实 际应 用 中的治理效果波形 图。 2 0 1 2年第 4期 工业仪表与自动化装置 4 9 领域中得到了很好的应用。该文采用霍尔电流互感 器 C S 0 2 0 G来 测 量 电流 ， 采 用 霍 尔 电 压 互 感 器 V S M 0 2 5 A来测量电压 ， 由于测量转换之后 的信号范 围还不是 D S P的 A D口的输入信号范 围， 必须经过 信号调理或者提升 电路将信号转换到 D S P的 A D C 口能够接收的0 3 V的范围。 3 2 J T AG 接 口 在进行 D S P系统的开发 中， 需要设计接 口电路 连接仿真器 ， 便于进行程序 的调试和烧写。大多数 仿真器都有 J T A G口， 仿真的时候 J T A G口一定不能 反插 ， 不然仿真器将被烧毁 。常常使用 的 J T A G 口 是 1 4针脚 的， 它 的第 6脚是空脚 ， 所 以在一般情况 下 ， 仿真器 J T A G线的 6脚被设计为填针 的， 为 了避 免发生插反 J T A G 口， 在板子相应 的 6脚被设计 为 拔空的。这样可以有效避免 因 J T A G口插反将仿真 器烧毁现象的发生。 3 3 驱动模块和保护电路 驱动电路和保护 电路的合理设计是 I G B T应用 的核心 ， 如果驱动电路设计 不理想 ， I G B T工作在放 大区， 在很短的时间内承受很大的功耗而被击穿 ， 或 者是 由于 I G B T关断时不够迅速 ， 与另外的 I G B T换 流时失败 ， 造成 直流侧 电源直接短路 而严 重损坏。 该设计选用的是 由 日本三菱 电气公司为驱动 I G B T 而设计的厚膜集成 电路 M5 7 9 6 2 1 L， 在驱动模块 内部 装有 2 5 0 0 V高隔离 电压 的光 电耦合器 ， 过 流保护 电路和过流保护输 出端子 ， 该模块具有封闭性短路 保护功能。同时它也是一种高速驱动 电路 ， 驱动信 号延时最长时间仅仅需要 1 5 s ， 可以驱动 6 0 0 V 4 0 0 A级别的 I G B T模块。 过高 的结温会使得 I G B T的工作 区变窄 ， I G B T 易被损坏 ， 所 以需要在 I G B T的散热器上安装一个 温度继电器 ， 当继电器温度超出设定值时 ， 继电器节 点动作 ， 通过产生信号来封锁驱动信号的输 出来保 护 I G B T 。 3 4其他外围电路 在一个 D S P控制系统中 ， 时钟 电路和复位 电路 是必不可少 的， 时钟信号是由时钟发生器提供的， 文 中采用 内部晶体振荡器方式 ， 即在 2个引脚之 间接 入 1 0 MH z的晶振 ， 连接 2个旁路电容来产生时钟信 号 ， 由于 D S P内部 有复位 电路 ， 所 以只需要在复位 引脚 X R S加一 个 1 0 k Q 的上 拉 电阻就 可 以实现 D S P系统的自动复位。 在用 瞬时无功功率理论来计算谐波 电流时， 要 用到一个与 A相电压同步的过零信号， 这个信号是 由过零信号检测电路产生的。系统要求在一个周期 内采样 1 2 8个点 ， 采样频率为 6 4 k H z ， 采样周期为 1 5 6 2 5 Ix s ， 采样周期信号一般是通过 D S P内部定时 器产生的， 定时器通常是 固定 的， 但是如果 电网的频 率在 5 O Hz 上下波动 ， 采样周期将不是 工频周期 的 1 1 2 8 ， 这样将会对指令 电流的计算结果产生误差 ， 影 响补偿的精度 ， 所以在设计 中要用一个锁相倍频 电路来产生周期信号。 4 DS P系统软件结构总图 在 D S P芯片的开发过程中 ， 通常硬件 的开发工 具主要包括仿真器和 D S P实验板 ， 仿真器采用的是 闻亭公 司基于 U S B 2 0接 口的 T D $ 5 1 0仿真器 ， 实验 板为基于 T MS 3 2 0 F 2 8 1 2芯片 自制的实验电路板 ； 采 用 C C S作为软件开发和调试工具 ， C C S是一种针对 标准的 T MS 3 2 0调试接 口的代码调试器 ， 在 Wi n d o w s 下集成开发 ， 是 T I 公司在 1 9 9 9年推出的。C C S提供 了环境配置， 源文件编译， 程序调试、 跟踪和分析等工 具 ， 可以帮助用户在一个软件环境下完成编辑 ， 编译 链接 。图6是有源电力滤波器软件系统流程图。 系统自 检l l 系统复位 初始化变量 l 雨 森 凋用显示子程序 回 一 罩一 5 0 工业仪表与自动化装置 2 0 1 2年第 4期 5 实验结果 6 结语 图 7图 l 0是某 变频器在有源 电力滤波器投 入试用前后的电流波形和频谱， 从图中可以看出， 电 流波形 明显有了改善 ， 谐波的含量大大降低 。 图7 A P F投入使用之前变频器电流波形图 I I I 1 一 I I I I 一 一 一 一 一 一 2 5 8 l l 1 4 1 7 2 0 2 3 2 6 2 9 3 2 3 5 3 8 4 1 4 4 4 7 5 O 图 8 A P F投入使用之前变频器电流频谱图 5 图9 A P F投入使用之后变频器电流波形图 2 5 8 l l 1 4 I 7 2 O 2 3 2 6 2 9 3 2 3 5 3 8 4I 4 4 4 7 5 O 图 1 0 A P F投入使用之后变频器电流频谱图 该设计从瞬时无功功率理论 出发 ， 在 MA T L A B 中搭建 A P F的仿真模型 ， 得 出合理 的仿真波形 ， 接 着设计了基于 D S P的有源 电力滤波器 系统 的软件 和硬件 ， 最后将 A P F样机用于某一变频器得出治理 后 的电流波形 ， 电流波形得到明显 的改善 ， 证 明了电 力有源滤波器是治理谐波的有效工具。电力有源滤 波器技术 在 电力 行业有 很大 的推广 价值 ， 尤 其是 D S P芯片在处理数据方面完全可以满足实时 眭的要 求 。在现有的基础上还可以根据市场需求进行功能 扩展 ， 比如可以扩展带液晶显示的监测和控制台， 便 于工作人员实地查看装置运行情况 ； 在通讯 网络 畅 通 的情况下 ， 还可以应用 G P R S无线通讯技术 ， 扩展 为远程监测甚至远程控制 ， 为电力系统工作人员带 来很大的便利 。所 以基于 D S P的有源 电力滤波器 在以后 的电力谐波治理中有很广 阔的应用前景 。 参考文献： 1 陈恺 ， 王如政 电力系统谐波治理与有源滤波器 J 华 东电力 ， 2 0 0 8 ， 3 6 ( 8 ) ： 5 5 5 7 2 王庆详 电网谐波的产生及其检测方法分析 J 电子 技术应用， 2 0 0 9 ( 9 ) ： 1 8 1 1 8 4 3 许克明， 徐云， 刘付平 电力系统高次谐波 M 重庆 ： 重庆大学出版社， 1 9 9 0 4 田立军， 荆锴 电力系统谐波检测与治理 D 济南 ： 山 东大学 ， 2 0 0 9 5 G e o r g e J Wa k i l e h 电力系统谐波 M 徐政 ， 译 北京 ： 机械工、 I 出版社 ， 2 0 0 3 ( 上接第 1 7页) 数据的全部或部分遭到破坏 。因此数据库系统必须 具有把数据库系统从故 障状态恢复到一个 已知的正 确状态 。分 布式 事务的两段 提交协议 ( 2 P C协议 ) 是一种用于故障恢复的方法 ， 在系统运行 日志无丢 失的情况下 ， 对任何故障均有一定的恢复能力。 4 结束语 I n t e r n e t 的发展也推动着分布式数据库系统 的 发展 ， 但在安全性方 面也带来 了更为 复杂的问题。 该文针对分布式数据库 系统的主要安全隐患介绍 了 一 些解决这些问题的关键技术。从分布式数据库安 全的研究来看 ， 目前存在几种方向 ： 一是从一般数据 库安全理论出发 ， 将其理论放在分布式数据库的具 体环境下进行考察 ， 然后进行修正 ； 二是从数据库安 全的焦点问题人手 ， 主要研究分布式数据库 中这些 问题的实现 ； 三是着重分析分布式数据库 的安全风 险而缺乏对具体实施 的关注。这些研究思路 同分布 式数据库安全需求 的满足还存在一定 的距离 ， 这方 面的工作还有待进一步的研究 。 参考文献 ： 1 邵佩英 分布式数据库系统及其应用 M 北京： 科学 出版社 ， 2 0 0 0 2 贾焰 ， 王志英 分布式数据库技术 M 北京： 国防工 业出版社， 2 0 0 0 3 李平安 分布式数据库系统概论 M 北京 ： 科学出版 社 ， 1 9 9 2 4 郑振媚， 于戈， 郭敏 分布式数据库 M 北京： 科学出 版社 ， 1 9 9 8 5 吴江， 李太勇， 吴晓知 分布式数据库系统 中的安全策 略研究 J 网络安全技术与运用 ， 2 0 0 6 ( 0 4 ) ： 2 32 5 6 B ri n k K n i g h t S Q L S e r v e r 2 0 0 0 f o r E x p e ri e n c e d D B A S M 北京： 清华大学出版社， 2 0 0 3 加 O