基于DSP的諧波控制器的系統(tǒng)研制

0 引言

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

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

1)可能使電力系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置和自動裝置產(chǎn)生誤動或拒動;
2)使各種電氣設(shè)備產(chǎn)生附加損耗和發(fā)熱,使電機(jī)產(chǎn)生機(jī)械振動及噪聲;
3)諧波電流在電網(wǎng)中流動增加損耗,影響電網(wǎng)及各種電氣設(shè)備的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行;
4)諧波電流通過電磁感應(yīng)、電容耦合以及電氣傳導(dǎo)等作用,對周圍的通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾;
5)諧波使電網(wǎng)中廣泛使用的各種測量儀表產(chǎn)生誤差;
6)增加了電網(wǎng)中發(fā)生諧波諧振的可能,從而造成很高的過電流或過電壓而引發(fā)事故的危險性。

隨著諧波污染的日益嚴(yán)重和對電能質(zhì)量要求的提高,對諧波抑制的要求也越來越高,如何根據(jù)現(xiàn)場的諧波污染狀況進(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(xiàn)場的諧波和無功等進(jìn)行監(jiān)測,根據(jù)現(xiàn)場諧波狀況對濾波器進(jìn)行自動投切,達(dá)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(shè)計。

1 諧波控制器的硬件設(shè)計

諧波控制器的基本原理是實(shí)時對電流、電壓進(jìn)行采樣,將采到的數(shù)據(jù)經(jīng)過D5P進(jìn)行數(shù)據(jù)分析后,得到現(xiàn)場諧波的狀況,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)時信號處理能力和控制器外設(shè)功能集于一 身,特別適合于工業(yè)控制應(yīng)用。其芯片供電電壓為3.3V,降低了控制器的功耗。高達(dá)40M 1PS的執(zhí)行速度(工作最高頻率為40MEz),片內(nèi)有32K字的Flash程序存貯器,544字的DARAM和2K字的SARAM,可以外擴(kuò)存貯器總共有：194K字空間,片內(nèi)集成了看門狗(WDT);提供多達(dá)16路模擬輸入的10位A／D,最小轉(zhuǎn)換時間為375ns;高達(dá)40個可單獨(dú)編程或復(fù)用的通用輸入/輸出引腳。具有低成本、低功耗、高速運(yùn)算能力和高性能處理能力的優(yōu)點(diǎn)。因此,該DSP芯片可以滿足作為此系統(tǒng)主控芯片的要求。

所研制的諧波控制器的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

通過圖1可知,此硬件電路主要包括采樣電路、中央處理單元、復(fù)位電路、鍵盤和液晶顯示功能、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等幾個部分。下面就硬件電路設(shè)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)過電流互感器和電壓互感器進(jìn)行調(diào)理,為了使引入的信號免受外界的干擾,互感器類型的選擇和調(diào)理電路的抗千擾要特別地注意。此外,采樣電路還應(yīng)該要注意的一點(diǎn)是：由于 TMS32LF2407的AD口很脆弱,也就是說AD口不能送入峰值超過3.3V的電壓信號,否則AD口將被燒壞,因此,最好添加一個限幅電路。具體的調(diào)理電路如圖2所示。

1.2 過零檢測電路

為了使主芯片能夠?qū)崿F(xiàn)同步采樣,進(jìn)而提高數(shù)據(jù)處理的真實(shí)性,因此,在電路中應(yīng)該加入過零檢測電路。過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通過捕獲方波的上升沿來跟蹤電網(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(zhí)行單元

在執(zhí)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(dǎo)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,繼電器開關(guān)側(cè)使用了阻容吸收電路來減小在開關(guān)開合時的沖擊。具體電路如圖4所示。