CN102214923A - 基于双dsp和fpga控制系统的有源滤波装置控制器 - Google Patents

基于双dsp和fpga控制系统的有源滤波装置控制器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于双DSP和FPGA控制系统的有源滤波装置控制器，所述的控制器包括：数据采集单元，用于采集系统电压、电流的数据信息进行处理，并负责把输入的模拟信号转变成DSP和FPGA系统可识别的数字信号并传递给中央数据处理单元；中央数据处理单元，用于处理数据；人机界面及控制面板单元，实现控制及保护功能元，该单元直接与DSPA芯片连接；对其进行人工控制。本发明的有益效果是：双DSP的配置，使得一片DSP只负责算法运算，没有其他的负担，从而保证了控制算法运算的可靠性和时效性。通过FPGA产生脉冲比通过DSP产生脉冲更加可靠，保证输出脉冲的精度，使脉冲输出足够精确，保证有源滤波装置的补偿效果。

Description

基于双DSP和FPGA控制系统的有源滤波装置控制器
技术领域
本发明涉及一种电力有源滤波装置，具体涉及该装置的控制系统部分。
背景技术
现代电网中的负荷千差万别，尤其随着经济发展，大量非线性负荷增加，特别是电力电子技术(广泛应用的大功率可控硅等)、节能技术(变频器的大量使用)和控制技术的进步，在市政、交通、冶金钢铁、医院、商业大楼、通信、化工等各行各业大量使用各种整流设备(包括交直流电源、UPS等)、交直流换流设备、电力电子调压设备；工业中电熔炼设备、电化学设备、矿井起重设备、露天采掘设备等；这些非线性负载会产生大量的谐波电流并注入到电网中，使电网电压产生畸变，这种“谐波污染”会对电网和用户带来越来越多的干扰和影响，影响用电设备安全，增加电能损耗。
目前“谐波污染”治理的方法主要有无源滤波技术和有源滤波技术两种。无源滤波装置是目前最为常规的谐波抑制手段，无源滤波回路由电容器串联电抗器形成串联谐振，对基波呈容性，电容对基波频率产生无功功率补偿，对谐波形成低阻抗，让谐波流入滤波器以减少对电网的注入。无源滤波装置结构简单，成本较低，但是也存在着难以克服的缺陷。而有源滤波技术作为一种新型的谐波治理技术，在消除谐波污染、提高电能质量方面，与无源滤波技术相比，无疑是有长足的进步，并且具有以下特点：
1、实现了动态补偿，可对频率和大小均变化的无功功率进行补偿，对补偿对象的变化有极快的响应速度。有源电力滤波器能做到小于1MS的快速响应。
2、有源滤波装置是一个高阻抗电流源，它的接入对系统阻抗不会产生影响。
3、当电网结构发生变化时装置受电网阻抗的影响不大，不存在与电网阻抗发生谐振的危险，同时能抑制串并联谐振。
4、补偿无功功率时不需要储能元件，补偿谐波时所需要的储能元件不大。
5、用同一台装置可同时补偿多次谐波电流和非整数倍次的谐波电流，既可以对一个谐波和无功源进行单独补偿，也可对多个谐波和无功源进行集中补偿。
6、当线路中的谐波电流突然增大时有源滤波器不会发生过载，并且能正常发挥作用，不需要与系统断开。
7、装置可以仅输出所需要补偿的高次谐波电流，不输出基波无功功率，不但减小了有源滤波器的总容量，还可以避免轻负荷时发生无功倒送现象。
虽然有源滤波装置有着上述种种好处，但是目前很多有源滤波装置由于控制器存在缺陷，例如仅使用一个DSP芯片，无法保护控制的可靠性和时效性，
发明内容
本发明克服了现有技术的不足，提供一种基于双DSP和FPGA控制系统的有源滤波装置控制器，该控制器采用双DSP的配置，使得一片DSP只负责算法运算，保证了控制算法运算的可靠性和时效性。同时通过FPGA实现脉冲比通过DSP产生脉冲更加可靠，保证了输出脉冲的精度，解决了现有技术中存在技术问题。
为解决上述的技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种基于双DSP和FPGA控制系统的有源滤波装置控制器，所述的控制器包括数据采集单元、中央数据处理板、：
数据采集单元，用于采集系统电压、电流的数据信息进行处理，并负责把输入的模拟信号转变成DSP和FPGA芯片可识别的数字信号并传递给中央数据处理模块；
中央数据处理单元，用于对采集到的电压电流信息的运算把谐波电流从复杂电流中分离出来，提供给控制算法产生正确的脉冲，以实现有源滤波装置的控制目的；同时该单元根据采集的信息，判断控制器和滤波装置是否处于正常运行状态，当发现有源电力滤波器出现过流或过压时，发出适当的信号使滤波装置处于整流状态，避免开关器件损坏，当电压或电流恢复正常以后，再恢复正常的驱动脉冲，使滤波装置复位并继续投入运行，而控制器或装置的故障不是暂时性的，则发出跳闸信号，彻底切断有源电力滤波装置和控制器的联系；而该单元包括两个DSP芯片和一个FPGA芯片，两个DSP芯片同时与FPGA芯片相连接，其中DSP A芯片仅负责通讯数据管理，而另一只DSP B芯片只负责算法运算，而FPGA芯片实现脉冲发生并进行保护电路逻辑处理；FPGA芯片与有源滤波装置的IGBT驱动模块也直接相连，并向其发出控制及保护信号；
人机界面及控制面板单元，该单元直接与DSPA芯片连接；对其进行人工控制与干与。
更进一步的技术方案是：
所述的数据采集单元为有A/D采样模块，此模块由两部分组成：一是信号调理电路，负责把需采样的信号转变成符合下级A/D芯片要求的信号波形；二是A/D芯片，负责把输入的模拟信号转变成DSP和FPGA系统可识别的数字信号。
所述的控制器还包括外部后台工控机，该工控机直接与DSPA芯片连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.双DSP的配置，使得一片DSP只负责算法运算，没有其他的负担，从而保证了控制算法运算的可靠性和时效性。
2.通过FPGA实现脉冲比通过DSP产生脉冲更加可靠，保证了输出脉冲的精度，使脉冲输出足够精确，保证有源滤波装置的补偿效果。
3.保护和容错功能大大加强，本控制器根据采集的信息，判断系统和装置是否处于正常运行状态，当发现有源电力滤波器出现过流或过压时，控制模块发出适当的信号使装置处于整流状态，避免开关器件损坏，当电压或电流恢复正常以后，再恢复正常的驱动脉冲，使装置复位并继续投入运行。如果系统或装置的故障不是暂时性的，则控制系统发出跳闸信号，彻底切断有源电力滤波器和系统的联系。这样的保护方式既保证了对装置本身的保护，又避免了系统的电压或电路冲击引起保护的误动作最大程度地保证有源电力滤波器和负荷的正常工作。
附图说明
图1为本发明结构原理框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步阐述。
如图1所示，一种基于双DSP和FPGA控制系统的有源滤波装置控制器，所述的控制器包括：
A/D采样模块，此模块由两部分组成：一是信号调理电路，负责把需采样的信号转变成符合下级A/D芯片要求的信号波形；二是A/D芯片，负责把输入的模拟信号转变成DSP和FPGA系统可识别的数字信号。
中央数据处理单元，用于对采集到的电压电流信息的运算把谐波电流从复杂电流中分离出来，提供给控制算法产生正确的脉冲，以实现有源滤波装置的控制目的；同时该单元根据采集的信息，判断控制器和滤波装置是否处于正常运行状态，当发现有源电力滤波器出现过流或过压时，发出适当的信号使滤波装置处于整流状态，避免开关器件损坏，当电压或电流恢复正常以后，再恢复正常的驱动脉冲，使滤波装置复位并继续投入运行，而控制器或装置的故障不是暂时性的，则发出跳闸信号，彻底切断有源电力滤波装置和控制器的联系；而该单元包括两个DSP芯片和一个FPGA芯片，两个DSP芯片同时与FPGA芯片相连接，其中DSPA芯片仅负责通讯数据管理，而另一只DSPB芯片只负责算法运算，而FPGA芯片实现脉冲发生并进行保护电路逻辑处理；FPGA芯片与有源滤波装置的IGBT驱动模块也直接相连，并向其发出控制及保护信号；
人机界面及控制面板单元，该单元直接与DSPA芯片连接；对其进行人工控制与干与。所述的控制器还包括外部后台工控机，该工控机直接与DSPA芯片连接。
下面再简述一下本发明的控制及工作原理。
(1)数据采集
有源滤波装置的控制算法和保护功能中需要系统电压、电流的数据信息，这些数据信息的采集工作由A/D采样模块完成。此模块由部分组成：一是信号调理电路，负责把需采样的信号转变成符合下级A/D芯片要求的信号波形；二是A/D芯片，负责把输入的模拟信号转变成DSP芯片和FPGA芯片可识别的数字信号。
(2)谐波检测
谐波检测是控制系统的核心工作，这部分通过对采集到的电压电流信息的运算把谐波电流从复杂电流中分离出来，提供给控制算法产生正确的脉冲，以实现有源滤波装置的控制目的。根据用户的需要，有时还需要检测其他的分量，提供给以后的控制。
(3)脉冲发生
计算出的输出电流波形通过PWM算法，产生控制逆变器开关器件的脉冲信号，使逆变器产生的电流快速准确地跟踪参考电流。本发明采用FPGA实现脉冲发生，保证了输出脉冲的精度，使脉冲输出足够精确，保证有源滤波装置的补偿效果。
(4)保护和容错
根据采集的信息，判断系统和装置是否处于正常运行状态，当发现有源电力滤波器出现过流或过压时，控制模块发出适当的信号使装置处于整流状态，避免开关器件损坏，当电压或电流恢复正常以后，再恢复正常的驱动脉冲，使装置复位并继续投入运行。如果系统或装置的故障不是暂时性的，则控制系统发出跳闸信号，彻底切断有源电力滤波器和系统的联系。这样的保护方式既保证了对装置本身的保护，又避免了系统的电压或电路冲击引起保护的误动作最大程度地保证有源电力滤波器和负荷的正常工作。

Claims (3)

1.一种基于双DSP和FPGA控制系统的有源滤波装置控制器，其特征在于：所述的控制器包括数据采集单元、中央数据处理板、：
数据采集单元，用于采集系统电压、电流的数据信息进行处理，并负责把输入的模拟信号转变成DSP和FPGA系统可识别的数字信号并传递给中央数据处理单元；
中央数据处理单元，用于对采集到的电压电流信息的运算把谐波电流从复杂电流中分离出来，提供给控制算法产生正确的脉冲，以实现有源滤波装置的控制目的；同时该单元根据采集的信息，判断控制器和滤波装置是否处于正常运行状态，当发现有源电力滤波器出现过流或过压时，发出适当的信号使滤波装置处于整流状态，避免开关器件损坏，当电压或电流恢复正常以后，再恢复正常的驱动脉冲，使滤波装置复位并继续投入运行，而控制器或装置的故障不是暂时性的，则发出跳闸信号，彻底切断有源电力滤波装置和控制器的联系；中央数据处理单元包括两个DSP芯片和一个FPGA芯片，两个DSP芯片同时与FPGA芯片相连接，其中DSP A芯片仅负责通讯数据管理，而另一只DSP B芯片只负责算法运算，而FPGA芯片实现脉冲发生并进行保护电路逻辑处理；FPGA芯片与有源滤波装置的IGBT驱动模块也直接相连，并向其发出控制及保护信号；
人机界面及控制面板单元，该单元直接与DSPA芯片连接；对其进行人工控制。
2.根据权利要求1所述的基于双DSP和FPGA控制系统的有源滤波装置控制器，其特征在于：所述的数据采集单元为有A/D采样模块，此模块由两部分组成：一是信号调理电路，负责把需采样的信号转变成符合下级A/D芯片要求的信号波形；二是A/D芯片，负责把输入的模拟信号转变成DSP和FPGA系统可识别的数字信号。
3.根据权利要求1所述的基于双DSP和FPGA控制系统的有源滤波装置控制器，其特征在于：所述的控制器还包括外部后台工控机，该工控机直接与DSPA芯片连接。
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