基于双DSP的电力谐波补偿系统.pdf

1 0 2 工业仪表与自动化装置 2 0 1 1年第 4期 基 于双 DS P 的 电 力谐 波补偿 系统 苏冉 ， 吴旭光 ， 牛云， 刘鑫 ( 西北工业大学， 西安 7 1 0 0 7 2 ) 摘要 ： 在电力谐 波补偿的过程中， 对谐 波的补偿精度和 实时性都有较高要求 ， 针对单片机芯 片 和单一 D S P芯片对数据处理能力薄弱的缺陷， 提出了双 D S P+ M C U的控制策略， 设计了以高性能 D S P T MS 3 2 0 F 2 8 3 3 5和 D S P T MS 3 2 0 C 6 7 1 3双 D S P为核心的谐 波补偿 系统。该 系统在保证电力系统 运行稳定的前提 下， 提高了谐波补偿的实时性 ， 在 实际电网谐 波补偿 实验 中取得 了很好的效果 达 到了滤波次数可达 3 1次谐波并高速实时响应的 目的。 关键词：双 D S P ； 谐波补偿 ： 电力滤波 中图分类号 ： T P 3 1 6 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 0 6 8 2 ( 2 0 1 1 ) 0 4 0 1 0 20 4 Po we r h a r mo n i c c o mpe n s a t i o n s y s t e m ba s e d o n d ua l DS Ps S U R a n，W U Xu g u a n g ， NI U Yu n ， L I U Xi n ( N o r t h w e s t e r n P o l y t e c h n ic a l U n i v e r s i t y ， X i a n 7 1 0 0 7 2 ，C h i n a ) Abs t r a c t ： P o we r h a r mo n i c c o mp e n s a t i o n r e q u i r e s hi g h e r a c c u r a c y a n d r e a l t i me r e qu i r e me n t s ，f o c u s o n t he de f e c t s o f d a t a p r o c e s s i n g a bi l i t y wi t h MCU c h i p s a n d a s i n g l e DS P c h i p，p r e s e n t t wo DS P + MCU c o n t r o l s t r a t e g y，a h a rm o n i c c o mpe n s a t i o n s y s t e m b a s e d o n c o mb i n i ng t h e h i g h pe r f o rm a n c e DS P TMS 3 2 0F 2 8 33 5 c hi ps a n d DS P TMS 3 2 0C6 7 1 3 i s de s i g n e d，wh i c h i mp r o v e s t h e s y s t e m r e s p o ns e o f r e a 1 t i me i n e n s u ri n g t h e s t a b i l i t y o f t h e p o we r s y s t e m o p e r a t i o n T h i s s y s t e m o b t a i n s g o o d r e s u l t s i n t h e r e a l e l e c t r i c p o we r h a r mo n i c c o mp e ns a t i o n e x p e r i me n t ，r e a l i z i ng t he fil t e r i n g n u mbe r c a n r e a c h 3 l a n d h i g h s p e e d r e a l t i me r e s p o ns e Ke y wo r ds： d u a l DS Ps ；h a r mo n i c c o mp e ns a t i o n；a c t i v e po we r f i l t e r 0 引言 1 总体方案 随着新技术产业的飞速发展以及传统行业采用 计算机管理及新的控制技术 的应用 ， 对供 电可靠性 和电能质量敏感的负荷所 占的比重越来越 大， 用户 对 电能质量 的要求越来越高 。为了实时动态精确地 补偿谐波 电流和无功功率 ， 使 电网中电流只含基 波分量 ， 就要安装谐波补偿装置来补偿谐波 ， 要最大 程度提高电能质量 ， 就必须提高 电流 的补偿精度和 系统的动态性能 ， 以往 的以单个微控芯片或者单 个 D S P芯片为核心的补偿 系统往往难 以达到补偿的精 确性和快速性。该文基于 T I 推出的高性能低功耗 D S P， 设计 了双 D S P与微控芯片相组合的架构形式 ， 克服了单片机芯片和单一 D S P芯片对数据处理能 力不足的缺陷， 提高了补偿性能。 收稿 日期 ： 2 0 1 1 0 42 9 作者简介： 苏冉 ( 1 9 8 5 ) ， 男， 河南人， 工学硕士， 主要从事单片 机、 A R M、 D S P 等在控制检测系统中的研究与应用。 兼顾系统的处理速度 、 功耗与扩展需要 ， 设计选 用 T I公 司的两款高性 能低功耗 的 T MS 3 2 0 F 2 8 3 3 5 型 D S P与 T MS 3 2 0 C 6 7 1 3型 D S P作 为主从处理器 。 主 D S P为定点处理器 ， 时钟频率可达 1 5 0 MH z ， 有 3 个 3 2位通用定 时器 ， l 8路 P WM， 6个 D MA通道等 丰富的外设资源 ； 从 D S P是一款浮点处理器 ， 最高 时钟频率可达 2 0 0 MH z ， 完全 可满足设计需求 。设 计采用有源电力滤波主电路与负载并联接入电网的 并联方式。并联 型有 源电力 滤波器 。 与电力系 统并联等效为一个受控 电流源 ， 当通过耦合变压器 并入系统时不会对电力系统运行造成影响 ， 具有使 用方便灵活以及各种保护简单 的优点。设计 中， 补 偿系统通过实时检测负载的谐波 和无功分量， 采 用 P WM变换技术， 将与谐波和无功分量大小相等、 方向相反的电流注入供配电系统 中， 实现抑制谐波 、 动态补偿无功功率的功能。 硬件设计充分利用 D S P与微控 l，J 片 2 0 1 1 年第 4期 工业仪表与 自动化装置 1 0 3 上资源 ， 以减少设计 的复杂度。MC U采用 A R M 9 ， 用 于与 D S P进行数据交换、 显示 、 控制、 连网以及完成设 定采样率 、 同步跟踪等功能， 在实现系统设计所要求 的实时性的同时， 也为用户提供友好 的监测和控制界 面。系统整体框图如图 1 所示。主要 由前级处理电 路、 D S P预处理和相关数据计算模块、 主控制器芯片、 键盘与显示 、 通信接 口、 后级处理电路等构成。 臣； 霄 曙 图 1 系统整体框图 2 硬件设计 2 1 处理器的选型及所起的作用 从 D S P T M S 3 2 0 C 6 7 1 3通过 E D MA ( 增强型直接存 储寄存器) 方式接收由采样芯片 A D模块采集到的电 网三相电压和三相电流信号， 由于实际电网频率存在 波动， 不可能稳定在 5 0 H z ， 所以以固定的频率采样必 然会引入同步误差， 因此需要将送入从 D S P的采样数 据进行准同步采样_ 5 J ， 相应的预处理， 以达到消除同步 误差 目的。系统利 用准 同步采样 与快速傅 立 叶变 换 一 ( v r r ) 相结合的检测方法对谐波进行检测。 该方法是建立在傅里叶分析的基础上， 因此要求 被补偿的波形是周期变化的， 否则会带来较大误差。 通过 F F T变换将检测到的一个周期 的谐波信号进行 分解 ， 得各次谐波的幅值和相位系数， 再将拟抵消 的 谐波分量进行 F F T r 反变换， 即可得补偿信号。其优点 是可以选择拟消除的谐波次数 ， 简单 易实现， 缺点是 需要测得一个周期的电流值 ， 且需进行两次变换 ， 计 算量大 ， 需花费较多的计算时间， 从 而使得检测方法 具有较长时间的延迟。由于从 D S P的时钟周期为 5 B S ， 经测算 ， 从 D S P通过使用准 同步采样与快速傅立 叶变换( v r r ) 相结合的检测方法对所采集到的数据 进行傅立叶级数分析 ， 计算出瞬时谐波及无功电流分 量值所需时间远远小于采样周期 ， 能较好的满足系统 需求。从 D S P把检测到的畸变电流 ( 或电压) 分解为 高次谐波代数和的形式后， 再将其合成为总的补偿电 流， 并同时计算出对无功功率的补偿电流， 而后通过 M C B S P ( 多通道缓冲串行接 口) 方式将采样数据的预 处理结果和补偿电流信号的计算结果一同上传至主 D S P 。在系统中采用按时间抽取的基 一 2 F F r算法对 数据进行相应的处理， 这种方法简便、 快捷， 可以大大 减少在运算过程 中的计算量。 主 D S P T MS 3 2 0 F 2 8 3 3 5接收由从 D S P送来 的补 偿 电流信号， 同时接 收由后级补偿 电路送入电网中 的补偿 电流信号 ， 经过 比较与计算 ， 主 D S P运用基 于闭环控制 的 P I D控制算法 计算后送出 P WM 波形 ， 通过控制 I G B T _ 1 模块 的开通与关断工作 状态来控制直流侧稳压源的充放 电， 实现对电网中 谐波和无功功率补偿 。通过 瞬时 电流跟踪控制 ， 实 现谐波电流动态补偿 ， 自动跟踪负载谐波变化 ， 具有 高度可控性和快速响应性 。 主控制芯片采用 A R M9的 $ 3 C 2 4 4 0 。$ 3 C 2 4 4 0 能够运行 L i n u x 、 Wi n c e等大型操作系统， 而且可以 构成非常典 型的 C P U+O S嵌人式 系统。$ 3 C 2 4 4 0 用于接收 D S P芯片计算的各项电网参数和 P WM波 形的占空比及补偿信号等， 对有关数据进行相关存 储处理而后送显示器、 接口通信等外围设备； 显示器 主要用于将测得的电参数如电流、 电压、 功率等 以曲 线和数值两种形式进行实时、 历史记录显示 ； 联 网主 要是与控制室进行通信 ， 便于远程监控。 2 2 前级处理电路 前级处理电路如图 2所示。主要包括： 电压电流 传感器、 信号调理电路、 多路转换及 A D采样电路等。 I 高 H H信 笔 理 H采 路 H吉 I 图 2 前级处理 电路 2 2 1 传感器选择 电压传感器采用型号为 H N V 4 O O T的霍尔 电压 传感器， 输出信号为电压信号， 不需要取样电阻就可 以直接进入信号调理 电路 ， 以减少功耗 。其还具有 体积小、 高度电绝缘、 高可靠性、 高过载容量等特点； 且以并联 的方式外挂到电网上 ， 方便装拆。 电流传感器采用型号为 H N C一 5 0 B的霍尔电 流传感器， 能在电隔离条件下测量直流、 交流、 脉冲、 以及各种不规则波形的电流 。具有低温漂、 宽频带、 抗干扰能力强 、 输出为电流信号的特点， 所以需要在 进入下一级前加入取样电阻 。当测量电流与传感器 箭头方向一致时， 输 出端可获得同相 电流 ， 以串联方 式接入 电网中， 用户在需要安装设备时接入即可。 霍尔传感器的输出是线性变化的， 且由于其输 出电压较高， 使用起来非常方便。 2 2 2 信号调理电路 由于输入的模拟信号变化范围较大， 为使输入 的模拟信号与 A D采样所需求的信号相匹配， 通常 在 A D采样电路加入前端调理电路， 以缩放和平移 要采样的信号， 从而使调理后的信号满足 A D对各 1 0 4 工业仪表与自动化装置 2 0 1 1 年第 4期 路信号电平范围和信号质量 的要求。调理部分在这 一 环节中起着至关 重要 的作用 ， 它主要完成强弱 电 隔离 ， 电平转换和信号放大及滤波等功能， 以利 于后 续控制器进行 A D转换和控制。 系统中， 信号调理电路对经传感器采样后的 6路 电压和电流信号进行 了相应 的放大、 滤波、 再放大处 理。一次放大与电压、 电流传感器之间采用 了光耦隔 离， 以保证后面的电路安全。一次放大选用运算放大 器 O P 1 7 7 ， O P 1 7 7是超高精度低噪声 、 双极性输入运算 放大器 ， 具有失调电压在室温下的最大值仅为 2 5 Ix V， 电源电流最大值达 2 m A等优良特I生； 二次放大采用仪 表放大器 A D 6 2 0芯片， A D 6 2 0是一款低成本、 高精度的 仪表放大器， 只需改变外围电路一个电阻就可以改变 放大器的增益， 增益范围为1 1 0 0 0 0 ； 此处增益值 由 T M S 3 2 0 F 2 8 3 3 5 进行控制 ， 也可以人为的手动操作 ， 可以 根据具体应用对象选择合适的增益值。 2 2 3 A D采样 电路模块 A D采样 芯片选用 A D I 公 司生产 A D 7 6 5 6芯 片。A D 7 6 5 6是 高集成 度 、 6通 道 1 6 b i t 逐 次逼 近 ( S A R) 型 A D C， 可处理输入 频率高达 8 MH z的信 号 ， 且输入范围广 ， 可接收 5 V或 -4 - 1 0 V范围内的 模拟输入信号 。A D 7 6 5 6在每通道 2 5 0 k S P S采样速 率下的精度( 4 L S B最大值积分线性误差 ) 是 同类 其他芯片 的2倍。因为理想电网频率为5 0 Hz ， 设计 中每周期 采样 1 2 8个点 ， 即设置采样频率为每通道 6 4 K， 所 以 A D 7 6 5 6完全满足采样要求 。A D芯片 在每个周期对 6个通道同时进行采样 ， 经过转换后 ， 采用串行接 口模式 ， 即由同一管脚顺序输 出 6路信 号的采样值到 D S P芯片。 2 3后级处理及谐波补偿电路 后级处理及谐波补偿电路包括 A D采样电路 、 后端调理 电路 、 电流传感器 、 直流侧 电压模 块和 I G - B T模块 。电流传感器 、 后 端调理 电路 和 A D采样 电路 对 送 入 到 电 网 的 电 流 进 行 采 样 后 送 入 T MS 3 2 0 F 2 8 3 3 5构成 闭环控制 系统 ， 采 用闭环 控制 系统可以有效减小干扰实现精确控制。信号调理和 采样这一部分与前级处理电路的信号调理模块原理 相一致， 这样减少了系统设计的周期与复杂度。谐 波补偿模块由滤波电容、 电感、 储能电容、 驱动控制 芯片、 I G B T等组成。谐波补偿模块如图3 所示。 I H H H H l 图 3 谐波补偿电路 因为主 D S P的 P WM输出信号不足以驱动 I G B T ， 同时在系统工作过程中还需对 I G B T进行保护 ， 所 以需设计 I G B T的驱 动和保护 电路。I G B T采用 1 M B H 6 0 D一1 0 0 ， 它具有 高速 的开关动 作 ， 响应 时 间、 死 区时间 可控 制等特 性。驱 动控 制芯 片采 用 I R 2 2 1 4 1 ， 1 R 2 2 1 4 1 是半 桥 门驱动控 制芯 片， 具有 耐 压可达 1 2 0 0 V、 过流快速软关断等特性 ； 具体工作 过程是 ： 3片 I R 2 2 1 4 1芯片接收由 T MS 3 2 0 F 2 8 3 3 5处 理器输出的 P WM信号 ， 经过逻辑变换后的 P WM信 号通过光耦 隔离送 至 I R 2 2 1 4 1的输入 端 ， 1 1 1 2 2 1 4 1 将输入端控制信号 的高低 电平分别转换 成 +l 5 V 和 一1 5 V的驱动信号 ， 从而来驱动 I G B T的导通 和 关断。每个 I R 2 2 1 4 1芯片输出 2路控制信号 以驱动 同一路 的 2个 I G B T管 子 即上下桥 臂 的开通 与关 断 ， 以控制直流侧 电容 的充放电， 通过把与谐波和无 功分量大小相等 、 方向相反的电流注入供配电系统 ， 实现对负载的谐波补偿 。 3系统软件设计 3 1 主程序设计 主程序主要完成系统控制寄存器的初始化 ， 如系 统时钟 、 状态寄存器、 事件管理寄存器 、 G P I O寄存器 、 外设接 口 X I N T F寄存器 、 E D MA控制寄存器 、 MC B S P 控制寄存器等。系统初始化 的过程是对整个系统工 作模式的选择和系统参数的配置 ， 它是其他执行子程 序正常运行的基础。主程序流程如图4所示。 系统寄存器初始f j 系统变量初始化 幸 循环等待中断 图 4主程序流程 图 3 2中断服务子程序设计 中断服务子程序流程如图 5所示。 图5 中断服务子程序流程图 2 0 1 1年第 4期 工业仪表与 自动化装置 1 0 5 中断服务子程序主要完成有源电力滤波器控制 系统的整个控制算法 ， 它是有源滤波器软件 系统 的 核心部分 ， 它包括 A D采样控制 、 频率 的测量、 指令 电流的生成、 计算三相桥桥臂 ( I G B T ) 的开通时间、 P WM指令的输出、 直流侧过压检测 、 欠压检测等 ； 中 断服务程序完成各种功能算法之后返 回主程序。为 了保证实时 l生， 系统 以一个采样周期为运行周期 ， 在 每个运行周期 内需完成数据采样 ， 计算 瞬时谐波及 无功电流分量值 ， 产生 6路 P WM 信号， 分别控制 6 只 I G B T管的开关 ， 这几步过程都应在一个运行周 期 内完成。 4 实验数据及分析 系统接入电网后 ， 实验实测波形如图 6 、 图 7所 示。图6一小格是 1 0 m s ， 因此是频率为5 O H z 补偿 前的实测电网电流波形 ， 图 7为补偿后的电流波形 ， 可 以看 出， 带有周期性谐波的电网电流 ， 经过该电力 补偿系统 ， 大部分谐 波被补偿掉 ， 电流信号 变得光 滑， 且没有发生明显的相位偏移 ， 说 明该 电力补偿系 统较好地实现了补偿 的精确性号 陕速性 。 M 1 O 0ms CHl ， 0 0 0V 4 一 NO V 1 O 1 6：0 41 0 Hz 图 6 补偿前 电网电流波形 |_| | I|I l -r| |I t I |II ： 。 - I 。|_ 。 | II l。 I I t CHl 5 0 0 mV M 1 0 0 i n s CH1 ， 一 2 6 0 mV 4 - NO V 1 0 1 6 ： 1 1 1 0 Hz 图 7 补偿后 电网电流波形 5 结论 系统通过瞬时电流跟踪控制 ， 实现谐 波电流动 态补偿 ， 自动跟踪负载谐波变化 ， 具有高度可控性和 快速响应性。此系统不仅能治理谐波 ， 而且能补偿 无功 、 提高功率因数 。既可对单个谐波补偿 ， 也可对 多个谐波集 中补偿。治理谐波时还可实现对指定某 一 次谐波进行治理。该系统具有优异 的补偿特性 ， 补偿性能不受系统阻抗的影 响 ， 可消除与 系统阻抗 发生谐振的危险， 也可以用来抑制供 电系统 中因谐 波引起 的系统谐 振。在实验 中， 可实现治理谐波补 偿次数达 2 3 1次 ， 达到 了对 电网中谐波和无功功 率 的实时动态精确补偿的 目的， 具有很好 的工程应 用价值 。 参考文献： 1 肖湘宁 电能质量分析与控制 M 北京： 中国电力 出版社 ， 2 0 0 4 2 卓放 ， 杨君， 王兆安 ， 等 有源电力滤波器的发展动态 及其应用 J 电气 自动化 ， 2 0 0 0 ( 4 ) ： 4 6 3 W S h i r e e n I mp l e m e n t a t i o n o f a D S P B a s e d A c t i v e P o w e r F i l t e r F o r E l e c t ri c P o w e r Di s t ri b u t i o n S y s t e ms S u p p l y i n g N o n l e n e a r L o a d s C I E E E ， 2 0 0 0 4 周雒维 有源电力滤波器谐波电流检测和控制新方 法的研究 D 重庆大学博士学位论文， 2 0 0 1 5 涂春鸣， 罗安 电网谐波分析与滤除系统的研制 J 中南工业大学学报 ， 2 0 0 1 ( 6 ) ： 6 3 1 6 3 4 6 贾渊 ， 王俊波 F F T r 快速整序算法的对比、 改进及实现 J 电子科技大学学报， 2 0 0 9 ， 3 8 ( 2 ) ： 2 9 2 2 9 5 7 周俊 ， 王小海基于 B l a c k ma n窗函数的插值 F F r在电 网谐波信号分析中的应用 J 浙江大学学报， 2 0 0 6 ， 3 3 ( 6 ) ： 6 5 0 6 5 3 8 M Ma c h m o u m D S P B a s e d C o n t r o l o f S h u n t A c t i v e P o w e r F i l t e r s F o r Gl o b a l o r S e l e c t i v e Ha r mo n i c s C o mp e n s a t i o n C N i n t h I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n H a r m o n i c s a n d Q u al i t y o f P o w e r ， 2 0 0 0 ： 6 6 1 6 6 6 9 石新春， 霍利民电力电子技术与谐波抑制 J 华北 电力大学学报， 2 0 0 2 ( 1 ) ： 6 9 1 0 王建元 ， 俞红祥 一种新的有源滤波器优化特定消 谐 P WM技术 J 电网技术 ， 2 0 0 3 ， 2 7 ( 1 ) ： 1 1 A r r i l l a g a J ， Wa s t s o n N R， B a t h u m t G N A m u l t i f r e q u e n c y p o w e r fl o w o f g e n e r a l a p p l i c a b i l i t y J I E E E T r a n s o n P o w e r D e l i v e r y ， 2 0 0 4， 1 9 ( 1 ) ： 3 4 2 3 4 9