基于双DSP的电力谐波补偿系统.pdf
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1、 1 0 2 工业仪表与自动化装置 2 0 1 1年第 4期 基 于双 DS P 的 电 力谐 波补偿 系统 苏冉 , 吴旭光 , 牛云, 刘鑫 ( 西北工业大学, 西安 7 1 0 0 7 2 ) 摘要 : 在电力谐 波补偿的过程中, 对谐 波的补偿精度和 实时性都有较高要求 , 针对单片机芯 片 和单一 D S P芯片对数据处理能力薄弱的缺陷, 提出了双 D S P+ M C U的控制策略, 设计了以高性能 D S P T MS 3 2 0 F 2 8 3 3 5和 D S P T MS 3 2 0 C 6 7 1 3双 D S P为核心的谐 波补偿 系统。该 系统在保证电力系统 运行稳定
2、的前提 下, 提高了谐波补偿的实时性 , 在 实际电网谐 波补偿 实验 中取得 了很好的效果 达 到了滤波次数可达 3 1次谐波并高速实时响应的 目的。 关键词:双 D S P ; 谐波补偿 : 电力滤波 中图分类号 : T P 3 1 6 文献标志码 : A 文章编号 : 1 0 0 0 0 6 8 2 ( 2 0 1 1 ) 0 4 0 1 0 20 4 Po we r h a r mo n i c c o mpe n s a t i o n s y s t e m ba s e d o n d ua l DS Ps S U R a n,W U Xu g u a n g , NI U Yu
3、 n , L I U Xi n ( N o r t h w e s t e r n P o l y t e c h n ic a l U n i v e r s i t y , X i a n 7 1 0 0 7 2 ,C h i n a ) Abs t r a c t : P o we r h a r mo n i c c o mp e n s a t i o n r e q u i r e s hi g h e r a c c u r a c y a n d r e a l t i me r e qu i r e me n t s ,f o c u s o n t he de f e c
4、t s o f d a t a p r o c e s s i n g a bi l i t y wi t h MCU c h i p s a n d a s i n g l e DS P c h i p,p r e s e n t t wo DS P + MCU c o n t r o l s t r a t e g y,a h a rm o n i c c o mpe n s a t i o n s y s t e m b a s e d o n c o mb i n i ng t h e h i g h pe r f o rm a n c e DS P TMS 3 2 0F 2 8 33
5、 5 c hi ps a n d DS P TMS 3 2 0C6 7 1 3 i s de s i g n e d,wh i c h i mp r o v e s t h e s y s t e m r e s p o ns e o f r e a 1 t i me i n e n s u ri n g t h e s t a b i l i t y o f t h e p o we r s y s t e m o p e r a t i o n T h i s s y s t e m o b t a i n s g o o d r e s u l t s i n t h e r e a l
6、 e l e c t r i c p o we r h a r mo n i c c o mp e ns a t i o n e x p e r i me n t ,r e a l i z i ng t he fil t e r i n g n u mbe r c a n r e a c h 3 l a n d h i g h s p e e d r e a l t i me r e s p o ns e Ke y wo r ds: d u a l DS Ps ;h a r mo n i c c o mp e ns a t i o n;a c t i v e po we r f i l t e
7、 r 0 引言 1 总体方案 随着新技术产业的飞速发展以及传统行业采用 计算机管理及新的控制技术 的应用 , 对供 电可靠性 和电能质量敏感的负荷所 占的比重越来越 大, 用户 对 电能质量 的要求越来越高 。为了实时动态精确地 补偿谐波 电流和无功功率 , 使 电网中电流只含基 波分量 , 就要安装谐波补偿装置来补偿谐波 , 要最大 程度提高电能质量 , 就必须提高 电流 的补偿精度和 系统的动态性能 , 以往 的以单个微控芯片或者单 个 D S P芯片为核心的补偿 系统往往难 以达到补偿的精 确性和快速性。该文基于 T I 推出的高性能低功耗 D S P, 设计 了双 D S P与微控芯片
8、相组合的架构形式 , 克服了单片机芯片和单一 D S P芯片对数据处理能 力不足的缺陷, 提高了补偿性能。 收稿 日期 : 2 0 1 1 0 42 9 作者简介: 苏冉 ( 1 9 8 5 ) , 男, 河南人, 工学硕士, 主要从事单片 机、 A R M、 D S P 等在控制检测系统中的研究与应用。 兼顾系统的处理速度 、 功耗与扩展需要 , 设计选 用 T I公 司的两款高性 能低功耗 的 T MS 3 2 0 F 2 8 3 3 5 型 D S P与 T MS 3 2 0 C 6 7 1 3型 D S P作 为主从处理器 。 主 D S P为定点处理器 , 时钟频率可达 1 5 0
9、MH z , 有 3 个 3 2位通用定 时器 , l 8路 P WM, 6个 D MA通道等 丰富的外设资源 ; 从 D S P是一款浮点处理器 , 最高 时钟频率可达 2 0 0 MH z , 完全 可满足设计需求 。设 计采用有源电力滤波主电路与负载并联接入电网的 并联方式。并联 型有 源电力 滤波器 。 与电力系 统并联等效为一个受控 电流源 , 当通过耦合变压器 并入系统时不会对电力系统运行造成影响 , 具有使 用方便灵活以及各种保护简单 的优点。设计 中, 补 偿系统通过实时检测负载的谐波 和无功分量, 采 用 P WM变换技术, 将与谐波和无功分量大小相等、 方向相反的电流注入供
10、配电系统 中, 实现抑制谐波 、 动态补偿无功功率的功能。 硬件设计充分利用 D S P与微控 l,J 片 2 0 1 1 年第 4期 工业仪表与 自动化装置 1 0 3 上资源 , 以减少设计 的复杂度。MC U采用 A R M 9 , 用 于与 D S P进行数据交换、 显示 、 控制、 连网以及完成设 定采样率 、 同步跟踪等功能, 在实现系统设计所要求 的实时性的同时, 也为用户提供友好 的监测和控制界 面。系统整体框图如图 1 所示。主要 由前级处理电 路、 D S P预处理和相关数据计算模块、 主控制器芯片、 键盘与显示 、 通信接 口、 后级处理电路等构成。 臣; 霄 曙 图 1
11、 系统整体框图 2 硬件设计 2 1 处理器的选型及所起的作用 从 D S P T M S 3 2 0 C 6 7 1 3通过 E D MA ( 增强型直接存 储寄存器) 方式接收由采样芯片 A D模块采集到的电 网三相电压和三相电流信号, 由于实际电网频率存在 波动, 不可能稳定在 5 0 H z , 所以以固定的频率采样必 然会引入同步误差, 因此需要将送入从 D S P的采样数 据进行准同步采样_ 5 J , 相应的预处理, 以达到消除同步 误差 目的。系统利 用准 同步采样 与快速傅 立 叶变 换 一 ( v r r ) 相结合的检测方法对谐波进行检测。 该方法是建立在傅里叶分析的基础
12、上, 因此要求 被补偿的波形是周期变化的, 否则会带来较大误差。 通过 F F T变换将检测到的一个周期 的谐波信号进行 分解 , 得各次谐波的幅值和相位系数, 再将拟抵消 的 谐波分量进行 F F T r 反变换, 即可得补偿信号。其优点 是可以选择拟消除的谐波次数 , 简单 易实现, 缺点是 需要测得一个周期的电流值 , 且需进行两次变换 , 计 算量大 , 需花费较多的计算时间, 从 而使得检测方法 具有较长时间的延迟。由于从 D S P的时钟周期为 5 B S , 经测算 , 从 D S P通过使用准 同步采样与快速傅立 叶变换( v r r ) 相结合的检测方法对所采集到的数据 进行
13、傅立叶级数分析 , 计算出瞬时谐波及无功电流分 量值所需时间远远小于采样周期 , 能较好的满足系统 需求。从 D S P把检测到的畸变电流 ( 或电压) 分解为 高次谐波代数和的形式后, 再将其合成为总的补偿电 流, 并同时计算出对无功功率的补偿电流, 而后通过 M C B S P ( 多通道缓冲串行接 口) 方式将采样数据的预 处理结果和补偿电流信号的计算结果一同上传至主 D S P 。在系统中采用按时间抽取的基 一 2 F F r算法对 数据进行相应的处理, 这种方法简便、 快捷, 可以大大 减少在运算过程 中的计算量。 主 D S P T MS 3 2 0 F 2 8 3 3 5接收由从
14、 D S P送来 的补 偿 电流信号, 同时接 收由后级补偿 电路送入电网中 的补偿 电流信号 , 经过 比较与计算 , 主 D S P运用基 于闭环控制 的 P I D控制算法 计算后送出 P WM 波形 , 通过控制 I G B T _ 1 模块 的开通与关断工作 状态来控制直流侧稳压源的充放 电, 实现对电网中 谐波和无功功率补偿 。通过 瞬时 电流跟踪控制 , 实 现谐波电流动态补偿 , 自动跟踪负载谐波变化 , 具有 高度可控性和快速响应性 。 主控制芯片采用 A R M9的 $ 3 C 2 4 4 0 。$ 3 C 2 4 4 0 能够运行 L i n u x 、 Wi n c e
15、等大型操作系统, 而且可以 构成非常典 型的 C P U+O S嵌人式 系统。$ 3 C 2 4 4 0 用于接收 D S P芯片计算的各项电网参数和 P WM波 形的占空比及补偿信号等, 对有关数据进行相关存 储处理而后送显示器、 接口通信等外围设备; 显示器 主要用于将测得的电参数如电流、 电压、 功率等 以曲 线和数值两种形式进行实时、 历史记录显示 ; 联 网主 要是与控制室进行通信 , 便于远程监控。 2 2 前级处理电路 前级处理电路如图 2所示。主要包括: 电压电流 传感器、 信号调理电路、 多路转换及 A D采样电路等。 I 高 H H信 笔 理 H采 路 H吉 I 图 2 前
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