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(多图) 基于DSP ARM的并联有源电力滤波器控制器

21ic?? 2011年07月15日 ?? 收藏0

  1 引言

  近年来,随着电力电子设备及非线性、冲击性设备的广泛应用。在电网中产生的谐波对电网系统造成了严重的污染,因此消除电网中的谐波污染已成为电能质量研究的一个重要课题。目前普遍采用的并联型无源滤波器存在着滤波效果差,对电网参数敏感。元件体积庞大。严重时会导致串并联谐振事故等缺陷。采用现代电力电子技术、数字信号处理(DSP)技术和先进控制理论的有源电力滤波器(APF)技术㈣对电网谐波进行动态实时补偿。是目前解决谐波污染问题最有效和最具潜力的途径。

  传统的并联型APF的控制方法大都基于瞬时无功理论、自适应理论等计算测量方法,首先计算出负载电流中的谐波成分,然后根据计算出的谐波电流值。分别进行补偿电流和直流侧电容电压的控制。这种方式需进行较复杂的数学运算,影响装置的响应速度。在负荷变化时容易发生电流畸变。

  针对三相系统采用了一种基于直流侧电容电压控锘lJl51的APF控制算法,从瞬时有功和无功功率在系统中传递的角度出发,以调节电网输入APF的有功功率为目标,直接对输入电流进行控制,省去了检测有功和无功电流分量的繁琐过程,使检测谐波的过程变得简单。并设计了一种基于DSP和ARM的全数字并联APF控制器。

  2 控制策略

  2.1 直流侧电容电压控制算法

  通过控制算法使电源侧向电容注入适当的能量,以补偿电力电子器件开断造成的损耗,维持直流侧电容电压H由的稳定。实际补偿装置中的损耗功率在一个周期内的积分不为零,会引起u也周期值的变化,该周期值的变化反应了逆变器两侧有功功率的传递。

  算法控制在交流侧由电源输入有功电流以补偿开关器件的损耗。交流侧补偿功率PA一个周期内的积分为:

公式

  在一个周期内的能量变化即直流电容上储存的电量可表示为:

公式

  联立式(1)和式(2),补偿目标是使两式相等。以一个r为单位。可以计算出交流侧等效补偿电流的大小。图1示出据此设计的直流侧电压的单周期控制框图。进行周期采样,通过比例积分环节对采样得到的电压比较值进行修正之后,可以得出损耗电流的幅值k。使损耗电流与系统电压同相位,以保证其为等效有功电流:控制有功的传递情况,以保证稳定在某一值附近。

直流侧电压的单周期控制框图

  由图1可以看出,u出的调节形成负反馈,满足了出始终在某一固定值附近的要求。

  2.2 谐波补偿

  对于某一稳定谐波源,可通过在控制回路叠加谐波检测环节来补偿负荷的谐波,既可选择全补偿亦可选择对特定谐波进行补偿。同时,在谐波检测环节加限幅环节。以抵消负荷突变造成的影响,起到保护电路的作用。谐波电流的提取可按FFI'方法计算:

公式

  2.3 总控制框图

  图2示出总控制框图。目标电流输出包括了控制和谐波电流检测两部分内容。与补偿器实际输出的补偿电流进行滞环比较。输出三相PWM信号去控制变流器。

总控制框图

  3 有源电力滤波器控制系统设计

  所设计的APF控制系统采用DSP+ARM双核结构。DSP完成采样控制、A/D转换、电压调节和指令电流计算等功能,ARM实现外围扩展功能。

  采用近年新推出的一款32位定点数字信号处理器TMS320F2808。它具有丰富的片内外围设置:

  两个事件管理器模块各包含两个16位定时器。完成PWM信号产生、信号指示和故障保护功能;最小转换时间为160 ns的12位ADC完成数据采集:CAN,SCI和SPI通信接口完成快速通信功能。其最高主频为100 MHz.单个指令周期为10 ns.可以很好地满足APF控制系统的控制要求。

  采用LPC2364型ARM芯片。它基于一个支持实时仿真和嵌入式跟踪的ARMTTDMI.STMCPU微控制器,功能强大且成本效率高。支持10/100 Ethernet、全速USB2.0和CAN2.0B.具有高达512 kB的FLASH和58 kB的SRAM.可以方便地实现液晶显示器与键盘组成的人机接口。以及与上位机的通信功能。控制系统框图如图3所示。

控制系统框图

  电网中的三相电压信号、直流侧电压信号、负载电流信号以及APF输出信号经过信号调理后送往DSP进行转换。DSP内置A/D模块具有12位分辨率、流水线结构。根据所采样的数据,TMS320F2808运算得到的如与APF实际输出的补偿电流进行滞环比较。输出三相PWM信号控制变流器。同时,采用逻辑器件组成了硬件死区控制方式,配合IGBT模块设计了相应的逻辑硬件驱动保护。以提高系统的可靠性。

  DSP与ARM之间采用CAN通信方式,通信速度可达l Mb/s。能很好地满足高速传输数据的要求。


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DSP? ARM? 电力滤波器? APF?

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