数字信号处理器（DSP）在串联型电力有源滤波器中的应用

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[组图]数字信号处理器（DSP）在串联型电力有源滤波器中的应用

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数字信号处理器（DSP）在串联型电力有源滤波器中的应用

作者：曹然高亮… 文章来源：本站原创点击数：更新时间：2006-12-2

东南大学电气工程系曹然高亮蒋平唐国庆（南京210096）

摘要:讨论了用于补偿电网电压畸变的串联型电力有源滤波器的研制和开发工作中一套切实可用的基于DSP的实现方案,并详细探讨了该实现方案中的一些主要硬件结构和软件设计的控制流程.
关键词:有源滤波器数字信号处理器 TMS320F240 中断

1 引言

    应用电力电子技术抑制谐波，以改善电能质量的新技术——电力有源滤波器（Active Power Filter）已成为近年来电力系统研究领域中新的热点。国际上以抑制谐波电流为目的的并联型电力有源滤波器应用居多，而随着电压敏感性负载不断增多，以电压畸变治理为主的串联型有源滤波器，正显示着越来越大的利用价值。同时，它又是进一步研究综合电能质量补偿器的前提条件，因此，对串联型有源滤波器进行研究有着重大的意义。
    在串联型有源滤波器的研制过程中，我们采用了美国德州仪器公司（TI）的TMS320F240数字信号处理器（DigitalSignalProcessor），极大地方便了软硬件的开发，加快了研制的进程。
    TMS320F240具有下述特点^{【2】【3】}：
    （1）50ns的指令周期，在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法；
    （2）大容量的片内存储器：包含544字×16位的片内数据/程序双口（DualAccess）RAM，16k字×16位的片内FlashEEPRO，共计224k字×16位存储器地址范围（64k数据，64k程序和I/O以及32k全局存储器空间）；
    （3）事件管理模块：12路比较/脉冲宽度调制（PWM）通道，3个16位通用定时器，3个死区控制的16位全比较单元，4个捕获单元；
    （4）双10位A/D转换模块；
    （5）基于锁相环（PLL）的时钟模块；
    （6）看门狗定时器模块（具有实时中断功能）；
    （7）6个外部中断（电源驱动保护、复位、NMI及3种可屏蔽中断）。
    充分使用TMS320F240DSP芯片构成的实用系统，具有扩充的外围电路少、控制电路简单、控制手段灵活、易调试和易维护等很多特点。

2 以DSP为核心的硬件结构

串联型电力有源滤波器主电路由串联电路和并联电路组成，结构如图1所示。

    串联电路功能是：检测电网畸变电压，分离出需要补偿的电压并产生控制信号，生成补偿电压注入电网，实现电压补偿的功能。并联电路功能是：检测有源滤波器输入电流，生成电流控制信号，从而维持电容电压恒定和保证设备功率因数。同时，作为一个实用装置，还必须实现相应的投入、切除手段和故障情况下的保护手段。
    控制电路以DSP为核心，其结构框图如图2所示。
    电网电压、电流经过传感器后变成＋5V～－5V的弱电信号,经过调理电路后变成0～5V的信号,其中从电压互感器来的A相电压信号经带通滤波后送入锁相分频模块,产生采样保持分频窄脉冲信号来控制保持电路,使之每个工频周期保持指定点。而分频窄脉冲经过处理电路的处理后作为DSP内部A/D的起动信号使用。
    主电路的控制采用两片TMS320F240。一片作为主DSP，除负责并联整流控制（产生并联侧整流及输入电流控制PWM信号驱动并联侧主电路）外，还承担整套装置的协调工作，包括投入切除算法控制，故障保护控制及故障检测功能。它的输出信号一部分用于控制驱动模块以得到恒定的直流电容电压，另一部分控制主电路继电器。而另一片作为从DSP，用于串联侧的电压补偿PWM控制信号的产生，TMS320F240将电压电流采样信号经过DSP检测算法运算后生成补偿信号，补偿信号通过TMS320F240内部PWM控制模块产生PWM控制信号送给驱动模块，经由驱动模块驱动主电路生成补偿电压注入电网。

3 DSP软件的设计

DSP完成了APF系统中的绝大多数功能，为了完成这些功能，除用到TMS320F240的核心部分外，还充分应用了F240片内的许多外围模块，如A/D模块，事件处理模块和外部中断功能。整个算法由并联侧与串联侧算法构成。

3．1 并联侧DSP软件算法

    （1）整体软件流程
    并联侧DSP除完成并联整流算法外，还需要完成APF设备的投入和切除算法，故障检测和故障控制算法。图3是并联侧DSP软件算法的流程图。
    如图3所示，当DSP起动后首先进行设备初始化操作，结束后进行设备投入电网操作，然后DSP空闲，等待中断的发生，一旦中断出现，运行相应的中断处理程序，处理完成后DSP空闲等待另一个中断的发生。A/D变换，控制算法和PWM产生等一系列过程都在外部中断XINT3中断服务程序中完成。
    在设备初始化过程中，完成对故障检测中断设置、DSP的PLL锁相时钟模块设置，外部中断XINT2和XINT3的初始化设置和PWM的比较方式、输出方式和死区设置等功能，最后进行继电器控制状态设置，用于控制继电器动作和接收继电器当前状态的I/O口和外部I/O空间。
    （2）中断服务的设计
    并联侧的中断服务子程序是软件算法的最主要的组成部分,控制算法的实现、故障的检测和保护等主要算法都通过中断服务子程序来实现。并联侧中断服务子程序有3个：XINT2中断、XINT3中断、PDPINT（功率驱动保护中断）。

XINT3中断处理程序的作用是对并联侧的输入电流进行处理，并执行相应的控制算法，以取得相应的电压补偿信号，作为PWM控制信号产生的输入。最终通过PWM控制主电路IGBT有规律的开关动作，以维持直流电容电压的恒定。XINT2中断服务在A相电压过零时响应，通过XINT2中断和XINT3中断联合完成控制算法中的同步逻辑。故障中断的作用是当系统发生中断时，检测各故障线的故障信号以判断发生的故障类型，并采取相应的保护措施。

3．2 串联侧DSP软件算法

串联侧仅完成补偿电压控制信号的生成，仅需要XINT2、XINT3中断服务子程序，并在XINT3的中断服务程序中采用相应的电压补偿PWM控制策略。

4 结语

在串联型有源滤波器中采用数字信号处理器，所有算法均通过编程完成，易调试、易维护、所占空间小，不易受干扰，与传统的硬件模拟方法比较有着巨大的优势，在响应速度满意的情况下，可以逐步地取代硬件模拟法。因此，数字信号处理器有着广阔的应用前景，也将会受到越来越多的重视

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