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摘要:针对有源电力滤波器(APF)要求快速、精确地检测谐波电流的特点,在此利用高速浮点数字信号处理芯片DSP 28335作为处理器,设计了一种全数字单相APF控制器,给出了硬件结构和软件流程。实验表明,该控制器方案较传统利用定点DSP芯片的控制器更加简单、快速、有效。
关键词:有源电力滤波器;控制器;谐波
1 引言
现代电力系统中,由于大量非线性电力电子装置的应用,使得电能质量备受关注。APF能动态、快速补偿谐波,其实时性和精确性至关重要。当前国内的APF控制器多采用定点的DSP完成谐波的计算和控制,在完成浮点运算时,其实时性得不到保证,在此采用具有浮点运算单元的DSP28335作为处理器,可以提高实现算法的速度及补偿的实时性,在此主要讨论单相APF控制器的硬软件实现方案,并给出实验结论,验证控制器方案的正确性和有效性。
2 单相谐波检测工作原理
在三相系统中利用瞬时功率法的ip-iq法已得到广泛应用,但ip-iq法不能直接运用于单相系统,需要经过构造三相电流。该方法算法复杂,在微处理器实现时补偿实时性不佳。文献提出简化的基于鉴相原理的瞬时检测方法,如图1所示。
该方法算法简单,易于实现并且实时性好,在此设计的控制器采用此方法,其原理为:负载电压us经过锁相环(PLL)后,得到与us同频同相的基波信号,再由正、余弦发生器产生与us基波同相的单位正弦和余弦信号,以此为电压的参考信号。设畸变电流为:
用i(t)减去i1(t)可得检测出的谐波电流ib(t)。
需要指出的是该方法虽然称为瞬时谐波检测,但实际上由于算法中LPF的存在,恶化了算法的动态性能,做不到真正意义的“瞬时”。
3 基于DSP 28335的软硬件实现方案
3.1 硬件设计
数字化APF电感器生产控制器要求完成A/D采样、谐波计算、变流器控制、通讯、故障保护与报警等功能。APF常应用在有快速波动负载的系统中,故要求响应时间小,尽量减小时间延时和补偿的相位滞后。在此设计的控制器以DSP 28335为核心。DSP28335是以C28X为核心的32电感生产位浮点高速CPU,系统最高频率可达片式电感器150 MHz,芯片内部集成2×8通道12 bit的AID转换器。具有丰富的I/O口资源,便于外围控制。
图2示出控制器结构框图。
3.2 软件设计
DSP软件主要包括系统初始化程序和中断程序。中断程序包括定时器中断、电压同步锁相中断、故障保护中断、通讯中断、启停中断。定时器中断是整个软件的核心,完成了对负载电流、直流侧电压等模拟量的采集,同时进行谐波补偿量计算,并根据滞环控制逻辑输出控制信号,其流程如图3所示。
电压同步锁相中断是响应电压基波的过零信号,复位DSP内部的正弦、余弦表指针,得到与电压基波同频同相的电压参考信号。故障保护中断程序中对变流器过压、过流、过热及直流侧电压过压的故障信号进行响应,接收到这些故障信号,控制器进入自动保护,封锁控制输出,并报警等待故障信号解除。控制器的通讯部分采用发送查询、接收中断的方式,通讯中断程序中接收主控机的参数设定等命令。启停中断程序中外部的启动和停止命令。
4 注意的问题
4.1 电压过零干扰的处理
由于在该控制器设计中用过零检工字电感器测及正余弦查表的方式代替了图1中的PLL和正弦、余弦发生电路。在该控制器设计中采用LM339比较器检测电压过零时刻,电压过零点的检测对于准确检测出补偿量十分重要,若电压过零点检测不准,则不能保塑封电感证同步采样,导致计算补偿量不准。电压过零的实现是通过对电压信号经过电压比较器,转换为方波信号,DSP 28335捕捉上升沿时刻进而确定周期的开始。由于传感器输出不是理想平滑的电压信号,在过零点处,电压的微小波动会使比较器的输出有很多毛刺。