kunkun电力滤波器硬件电路设计

1、1. 有源电力滤波器装置的工作原理1.1 工作原理有源电力滤波器从和负载联接形式的角度可分为并联型有源电力滤波器和串联型有源电力滤波器两大类。有源电力滤波器采用并联型联接形式是最基本也是目前国际上使用最广泛的形式，装置可对负载的谐波及无功进行动态补偿。并联连接的方式由于不需要改变系统本来的接线，只需将调节装置并入即可，容易被用户接受。此外，即使当有源电力滤波器发生故障时也可自动切除，因而不会对负载供电产生影响。从目前国际上实际投入运行的设备来看，调节装置和负载连接方式绝大多数均采用并联型。因此，本次研制的装置在结构上也采用并联型有源电力滤波器。isiCiL负载esCR L主指令电流电路运算电路

2、HPFiC*驱动电流跟踪APF电路控制电路图 3-1 并联型有源电力滤波器系统构成图 3-1 所示为最基本的有源电力滤波器系统构成的原理图。 图中 eS表示交流电源，负载为谐波源， 它产生谐波并消耗无功。 有源电力滤波器系统由两大部分组成，即指令电流运算电路和补偿电流发生电路。 其中指令电流运算电路的核心是检测出补偿对象电流中的谐波和无功等电流分量， 因此有时也称之为谐波和无功电流检测电路。补偿电流发生电路的作用是根据指令电流运算电路得出的补偿电流的指令信号， 产生实际的补偿电流， 它由电流跟踪控制电路、 驱动电路和主电路三个部分构成。 主电路目前均采用 PWM 变流器。变流器和和其相连的电感

3、、直流侧贮能元件共同组成有源电力滤波器的主电路。有源电力滤波器的基本工作原理是： 检测补偿对象的电压和电流， 经指令电流运算电路计算得出补偿电流的指令信号， 该信号经补偿电流发生电路放大， 得出补偿电流，补偿电流和负载电流中要补偿的谐波及无功等电流抵消， 最终得到期望的电源电流。例如，当需要补偿负载所产生的谐波电流时，有源电力滤波器检测出补偿对象负载电流 i L 的谐波分量 i Lh，将其反极性后作为补偿电流的指令信号iC* ，由补偿电流发生电路产生的补偿电流iC 即和负载电流中的谐波分量i Lh 大小相等、方向相反，因而二者互相抵消，使得电源电流iS中只含基波，不含谐波。这样就达到了抑制电源

4、电流谐波的目的。上述原理可用如下的一组公式描述：iSi Li C(1)iLi LfiLh(2)iCiLh(3)iSiLiCiLf(4)式中 iLf 为负载电流的基波分量。如果要求有源电力滤波器在补偿谐波的同时，补偿负载的无功， 则只要在补偿电流的指令信号中增加和负载电流的基波无功分量反极性的成分即可。这样，补偿电流和负载电流中的谐波及无功成分相抵消，电源电流等于负载电流的基波有功分量。就主电路中变流器部分而言有四相变流器和三相变流器两种不同的方式，对应的控制电路也有其各自的特点。根据实际补偿要求， 我们采用三相变流器的拓扑结构。图 3-2 所示为采用三相变流器的主电路结构及其和负载之间的连线关

5、系图。eai saCTi La三相ebisbi Lb非线eci sci Lc性不平衡10kV:380V负载1、4PWM电流跟踪3、6控制电路5、2*i cci cbi ca135i c指令电流L计算CTVcVTC462图 3-2 采用三相变流器的主电路结构及其和负载之间的连线1.2 系统控制方案1.2.1谐波的检测和补偿方法谐波的检测方法可以有负载电流检测、电源电流检测、电源电压检测等检测方法，从实际使用的装置来看， 采用负载电流的检测方法和用电源电流的检测方法之比为 10:1，从这 5 年的情况变化可以看出， 今后，负载电流的检测方法为主要使用方法，本装置中也采用负载电流检测方法。控制电路实

6、时检测负载电流，通过采用谐波电流和无功检测算法，得到负载电流中各次谐波的幅值及相位。 用户根据所使用系统的情况， 可以进行全部谐波补偿或特定次数谐波补偿。 DSP 将全部谐波或特定次数谐波分量进行反变换，得到补偿电流指令，据此产生补偿谐波电流。1.2.2控制系统微处理器的选择采用数字控制的有源电力滤波器在对负载进行补偿时，需要对负载电流中的谐波及无功分量进行实时检测、分析和计算，特别在需要对负载中特定谐波进行补偿时需对负载电流进行傅立叶分析，在产生指令电流时需要进行傅立叶反变换。由于计算的实时性和补偿效果及系统动态性能密切相关，因此本装置拟采用具有很强计算能力的TMS320C32 DSP 实现

7、负载电流的实时检测和计算。同时采用片内资源丰富， 成本低，I/O 使用方便的 TMS320C24X 用于大量的逻辑操作和PWM 变流器控制。2.2. 有源电力滤波器控制电路设计有源电力滤波器的控制系统要完成谐波电流指令的运算、电流跟踪控制的任务，同时还要兼顾故障保护、通讯等功能。本章将根据控制策略，对控制系统的硬件电路进行设计。2.2.1硬件电路设计2.2.1.1数字信号处理器 (DSP)数字信号处理器，是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器，其主要使用是实时快速地实现各种数字信号处理算法。根据数字信号处理的要求， DSP 一般具有如下的主要特点：1) 在一个指令周期内可完成一次乘法和

8、一次加法；2) 程序和数据空间分开，可同时访问指令和数据；3) 片内具有快速 RAM ，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问；4) 具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持；5) 快速的中断处理和硬件 I/O 支持；6) 具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器；7) 可并行执行多个操作；8) 支持流水线操作，使取址、译码和执行等操作可以重叠执行。由 DSP 芯片为核心所组成的数字信号处理系统， 具有数字处理的全部优点，主要有以下几方面：1) 接口方便。DSP 系统和其他以现代数字技术为基础的系统和设备都是相互兼容的；2) 编程方便。 DSP 系统中的可编程的 DSP 芯片可使设计人员在开发过

9、程中灵活方便地对软件进行修改和升级；3) 稳定性好。DSP 系统以数字信号处理为基础， 受环境温度以及噪声的影响较小，可靠性高；4) 精度高；5) 集成方便。 DSP 系统的数字部件有高度的规范性，便于大规模集成。2.2.1.2控制电路的整体结构有源电力滤波器在正常工作时，一方面，需要对负载电流中的谐波、无功分量进行实时检测、 分析和计算。 特别是在对负载中指定次谐波进行补偿时，需要对负载电流进行多次傅立叶分析，在产生指令电流时，还要进行傅立叶反变换。这要求控制系统具有较强的数字信号处理能力。另一方面，也希望系统能够有较强的 I/O 接口能力并且适合于控制电力电子开关器件。该装置使用模、数混合

10、电路实现滤波器控制电路所要完成的功能。其中采样、同步信号生成、谐波分析、指令生成、通信等功能由数字电路完成，电流跟踪控制、保护、部分I/O 接口由模拟电路实现。控制电路构成如图4-5 所示。保护、 I/OCPLD电路C32DRAMF240电流跟随子系统子系统控制电路数字电路部分模拟电路部分图 4-5控制系统整体结构本系统的控制电路是以双DSP 结构为核心的，整体上可以分为数字系统和模拟系统两大部分，下面就分别予以介绍。2.2.1.3数字部分电路设计本系统采用了以DSP 为核心的数字控制系统，并根据有源电力滤波器对控制系统的要求，采用了双 DSP 结构。分别是 TI 公司 TMS320C32 和

11、 TMS320F240。其中TMS320C32因其强大的运算能力，但片内资源和I/O接口较少；而TMS320F240 是TI公司推出的专门面向电机控制的定点DSP，片内资源丰富，成本低， I/O 使用方便，但其16 位的定点内核对精度和速度有一定限制，因此两者的结合可充分发挥这两种芯片的优点，以共同达到有源电力滤波器对控制系统的要求。两者通过一片16Kx16bit 的双口 RAM(IDT7026) 进行数据交换。另外，本系统还采用了一片CPLD，以协调系统内部的逻辑。 根据所需的 I/O数目和控制功能，选用的CPLD器件是 ALTERA公司的 EPM7128SLC84。数字系统是整个控制电路的

12、核心，主要完成以下功能：1) 数据采集。包括负载电流，直流母线电压的采集；2) 数据处理。包括谐波电流的检测，指令电流的生成等；3) 整个系统的数字控制。2.2.1.3.1 TMS320C32子系统TMS320C32子系统组成框图可参见图4-6 。这部分系统所完成的主要功能有：（1）负载电流谐波分析；（2）无源投切判断；（3）补偿电流指令的计算。BOOT-LOADEPROM(AM27C1001)D/ASRAMMAX54764k×32TMS320C32(CY7C1021×2)双口 RAM16k×16(IDT7026)图 4-6 C32子系统构成框图系统主要由TMS3

13、20C32，一片EPROM AM27C1001-（70128k× 8），两片高速SRAMCY7C1021-20（ 64k×16），译码电路，数模转换电路，异步串行通讯接口电路等构成。其中EPROM用于存放程序和已初始化数据。SRAM用于存放实时运行的程序和数据，双口RAM用于存放准备和F240 交换的数据。 TMS320C32复位后，由内部固化的自引导程序（BOOT）将存于 EPROM的程序和数据搬移至高速RAM，然后在高速 SRAM中运行程序。TMS320C32的程序存储器的宽度可以是16 位或 32 位。当采用 16 位程序存储器时，C32 至少需要用两个指令周期来完成

14、一个32 位指令的取指，因此本系统采用32 位宽的程序存储器。C32 的外部数据存储器接口可以存取8/16/32位三种宽度的数据存储器。为了存取三种宽度的数据类型，C32存储器接口采用STRB0、STRB1两组选通信号，这两组选通信号的区别是寻址范围不同。每组选通信号由四个引脚组成，作为字节使能和额外的地址线。 C32对这些引脚的特性是根据选通线对应的总线控制寄存器确定的， 通过设置这个控制寄存器的某些比特位，可以指定数据类型和外部存储器宽度。本控制系统的 C32系统就充分利用了C32 的这种灵活结构，采用 8 位宽的普通 EPROM作为程序存储器，节省了成本。 32 位宽的数据存储器，提高了

15、系统运行速度。而采用 16 位宽的双口 RAM，便于和 16 位的定点 TMS320F240进行数据交换。2.2.1.3.2TMS320F240 子系统设计TMS320F240子系统组成框图可参见图4-7 。这部分子系统所完成的主要功能有：1) 数据采集；2) 进线电压同步；3) 无源投切信号发送；4) 重要数据的存储。SRAM串行64k×16存储器(CY7C1001)(X24C45)双口 RAMTMS320F240A/D(IDT7026)(7892× 4)图 4-7 F240子系统构成框图数据采集主要通过外扩四片 AD7892来实现。 AD7892是高速单路 12 位 A

16、/D 转换器（ 500KSPS）。采样转换时间为 2s，+5V 供电，模拟量输入范围为± 10V（ AD7892-1），模拟输入通道有过压保护功能。具有高速并行接口，以 2 的补码形式输出。负载的三相电流信号， 以及直流母线电压分别经相应的隔离和调理电路进入四片 AD7892的模拟输入通道。再统通过 F240 来控制四片 A/D 转换器的启动和转换结果的读取。采样时间的基准由模拟电路进线电压同步电路和 F240 的捕获单元共同完成。如图 4-8 所示，进线的 a 相电压 , 经隔离降压后 , 进入控制板 , 经二阶带通滤波器滤波后 , 由 6N137 整形成和 a 相电压同频同相的

17、5V 方波信号 , 进入 F240 的CAPTURE1，F240 的捕获单元捕捉方波信号的上跳沿 , 记录事件发生时刻，并计算a 相电压频率，再根据采样信号频率，最终确定采样时刻。图 4-8进线电压同步电路2.2.1.3.3系统接口电路设计1） 双端口 RAM和普通的 RAM不同，双端口 RAM是一种特殊的存储器， 它具有两组数据总线和地址总线， 可以同时访问不同的存储器单元， 当两组地址总线完全相同时， 由片内总线仲裁逻辑向后访问的一方发出等待信号， 使该方进入等待， 待另一方访问结束之后等待撤消，等待方继续访问这一地址。由于双端口 RAM的特殊结构，使得双 DSP可以方便快速地进行数据交换

18、， 从而大大提高了双 DSP芯片间的并行处理能力。双端口 RAM唯一可能发生冲突的是 CPU对双端口 RAM的同一个存储单元同时读或同时写， 为了避免这种情况的发生， 双端口采用 Semaphore信号（以下简称SEM信号）来避免这种冲突。 SEM逻辑是和双端口 RAM存储单元无关的 8 个单元，这些单元用来产生并存储一个标志，以向另外一侧说明共享的资源一侧正占用。SEM信号为低电平有效，将“ 0”写入寄存器申请控制权，写入“ 1”释放控制权。本系统选用的双口 RAM是 IDT7026（16k×16bit ），它具有完整的仲裁逻辑。2） CPLD在本控制系统中，使用了一片复杂可编程逻

19、辑器件CPLD。CPLD主要实现以下功能：（1）C32，F240 的地址译码；（2）F240 和外配 A/D 接口所需的等待状态发生器；（3）双端口 RAM的 SEM逻辑电路。TMS320C32系统双口 RAM等待状态逻辑和译码电路控制逻辑发生器TMS320F240系统开关量综合保护输入缓冲逻辑和译码电路逻辑输出锁存电路图 4-9 CPLD 功能框图可编程逻辑器件 CPLD的内部结构是用可编程 “熔丝” 将“和”门阵列、“或”门阵列及寄存器互连起来， 具有结构灵活、 集成度高等特点， 其最终的逻辑结构和功能由用户编程决定。 基于在系统编程（In-System Programmability ）

20、的 CPLD 输入、输出引脚是由用户定义的，内部逻辑设计的变动，不影响引脚的定义，所以 PCB的设计和逻辑设计是相互独立的， 便于设计人员维护、 现场升级器件， 修改设计中的错误，增加额外的功能和特性。根据所需的 I/O 数目和控制功能，本文选用的 CPLD器件是 ALTERA公司的EPM7128STC100-15。EPM7128STC100-15内有边界扫描测试电路， 符合 JTAG标准，支持在系统编程，内含 8 个逻辑阵列块，共计 128 个逻辑宏单元，有 84 个 I/O ，可满足设计的需要。2.2.1.3.4数字部分电路板硬件接口数字运算板电路由辅助电源板1 提供 +15V、-15V、

21、+5V、-5V 电压。电压霍尔采样直流电压信号， 3 路电流霍尔采样负载电流信号送入数字运算板。由同步变压器得到的同步信号送入数字运算板。数字运算板输出3 路电流指令信号给电流跟踪电路，并和监控柜进行通讯，和电流跟踪板交换逻辑状态。号)信态板压踪状电跟辑步流逻同电(负载电流3路( 霍尔)指令信号 3路( 电流跟踪板)数字运算板直流电压( 电压霍尔)无源投切信号)1(1V()5V1(+5V+551-图 4-10数字运算板接口说明2.2.1.4模拟部分电路设计2.2.1.4.1电流跟踪控制电路设计电流跟踪电路主要完成根据运算电路输出的指令信号，生成适当的 PWM信号，从而使变流器的输出电流能够很好

22、的跟踪指令波形。图 4-11 为电流跟踪电路的原理框图。*i c1比较器1 PWM 驱动i cic1信号1A+-三角波发生电路图 4-11 电流跟踪电路的原理框图1） 三角波生成电路如图4-12 所示。图 4-12三角波生成电路利用集成波形发生器ICL8038 生成所需要的三角波形。 图 14 中 8038 所输出的三角波周期可分为两部分，即上升时间t 1 和下降时间 t 2。其中上升时间t1(R58 W5 ) C9 ，下降时间 t2( R58W5 ) ( R57 W4 ) C9 ，输出三角波频率0.660.66f 1(t1 t 2 ) 。信号发生器所生成的三角波信号经过比例环节作为一路跟踪电路的载波信号 TRIANGAL_。12）PWM 波形生成电路如图4-13 所示（以 A 相为例）。图 4-13 PWM波形生成电路电流反馈信号 IAF 和指令信号 IAH 相叠加后， 经过比例积分环节送到后一级运算放大器和载波信号相比较，生成该相的PWM信号。2.2.1.4.2保护电路设计1) 作为使用于电力系统中的设备，滤波器在发生故障的时候需要能够做出适当的保护动作。 当发生直流侧过电压或开关器件发生过流故障时， 滤波器需要能够从电网中自动切除出来。 当被不正确的接入电网时， 滤波器自动保护封锁驱动脉冲。过流保护功能在驱动电路中实现。 直流母线过