基于DSP的諧波控制器的系統研制

0 引言

隨著(zhù)電力系統的不斷發(fā)展和用電負荷的不斷增長(cháng),電力系統中的電能質(zhì)量問(wèn)題越來(lái)越突出,一方面,大量敏感性負荷對電能質(zhì)量的要求越來(lái)越高,而另一方面,越來(lái)越多的非線(xiàn)性負荷不斷接入電網(wǎng),使電力系統總體的電能質(zhì)量狀況不斷惡化。

諧波是電能質(zhì)量中很重要的一個(gè)方面,諧波的存在對電力系統產(chǎn)生的危害有以下幾個(gè)方面：

1)可能使電力系統繼電保護裝置和自動(dòng)裝置產(chǎn)生誤動(dòng)或拒動(dòng);
2)使各種電氣設備產(chǎn)生附加損耗和發(fā)熱,使電機產(chǎn)生機械振動(dòng)及噪聲;
3)諧波電流在電網(wǎng)中流動(dòng)增加損耗,影響電網(wǎng)及各種電氣設備的經(jīng)濟運行;
4)諧波電流通過(guò)電磁感應、電容耦合以及電氣傳導等作用,對周?chē)耐ㄐ畔到y產(chǎn)生干擾;
5)諧波使電網(wǎng)中廣泛使用的各種測量?jì)x表產(chǎn)生誤差;
6)增加了電網(wǎng)中發(fā)生諧波諧振的可能,從而造成很高的過(guò)電流或過(guò)電壓而引發(fā)事故的危險性。

隨著(zhù)諧波污染的日益嚴重和對電能質(zhì)量要求的提高,對諧波抑制的要求也越來(lái)越高,如何根據現場(chǎng)的諧波污染狀況進(jìn)行濾波器的投切也變得更加重要。針對這種情況,研制了一種諧波控制器,它可以對現場(chǎng)的諧波和無(wú)功等進(jìn)行監測,根據現場(chǎng)諧波狀況對濾波器進(jìn)行自動(dòng)投切,達到抑制諧波、改善電能質(zhì)量的目的。下面介紹基于DSP芯片TMS32LF2407的諧波控制器的硬、軟件設計。

1 諧波控制器的硬件設計

諧波控制器的基本原理是實(shí)時(shí)對電流、電壓進(jìn)行采樣,將采到的數據經(jīng)過(guò)D5P進(jìn)行數據分析后,得到現場(chǎng)諧波的狀況,從而決策是否對濾波器進(jìn)行投切。

美國TI公司生產(chǎn)的TMS32LF2407型DSP芯片是一款高性能16位定點(diǎn)DSP,該系列DSP控制器將實(shí)時(shí)信號處理能力和控制器外設功能集于一 身,特別適合于工業(yè)控制應用。其芯片供電電壓為3.3V,降低了控制器的功耗。高達40M 1PS的執行速度(工作最高頻率為40MEz),片內有32K字的Flash程序存貯器,544字的DARAM和2K字的SARAM,可以外擴存貯器總共有：194K字空間,片內集成了看門(mén)狗(WDT);提供多達16路模擬輸入的10位A／D,最小轉換時(shí)間為375ns;高達40個(gè)可單獨編程或復用的通用輸入/輸出引腳。具有低成本、低功耗、高速運算能力和高性能處理能力的優(yōu)點(diǎn)。因此,該DSP芯片可以滿(mǎn)足作為此系統主控芯片的要求。

所研制的諧波控制器的硬件結構圖如圖1所示。

通過(guò)圖1可知,此硬件電路主要包括采樣電路、中央處理單元、復位電路、鍵盤(pán)和液晶顯示功能、執行機構等幾個(gè)部分。下面就硬件電路設汁中要特別注意的地方進(jìn)行闡述：

1.1 采樣電路

由于TMS32LF2407芯片的AD采樣最大只能送入3.3V的電壓信號,因此,在將電流、電壓信號送到AD口之前要經(jīng)過(guò)電流互感器和電壓互感器進(jìn)行調理,為了使引入的信號免受外界的干擾,互感器類(lèi)型的選擇和調理電路的抗千擾要特別地注意。此外,采樣電路還應該要注意的一點(diǎn)是：由于 TMS32LF2407的AD口很脆弱,也就是說(shuō)AD口不能送入峰值超過(guò)3.3V的電壓信號,否則AD口將被燒壞,因此,最好添加一個(gè)限幅電路。具體的調理電路如圖2所示。

1.2 過(guò)零檢測電路

為了使主芯片能夠實(shí)現同步采樣,進(jìn)而提高數據處理的真實(shí)性,因此,在電路中應該加入過(guò)零檢測電路。過(guò)零檢測電路也就是方波發(fā)生電路,它對諧波分析同步采樣起著(zhù)很重要的作用。它將電壓信號變?yōu)橥l率的方波信號,DSP通過(guò)捕獲方波的上升沿來(lái)跟蹤電網(wǎng)頻率,為保證同步采樣提供了條件。具體的檢測電路如圖3所示。

1.3 執行單元

在執行單元中,繼電器的供電電源是12V,而DSP的供電電源和IO口輸出的高電平為3.3V,為防止高于3.3V的電壓引入DSP,導致DSP的損壞, 繼電器控制信號的輸出采用了光耦器件817進(jìn)行隔離,繼電器開(kāi)關(guān)側使用了阻容吸收電路來(lái)減小在開(kāi)關(guān)開(kāi)合時(shí)的沖擊。具體電路如圖4所示。