CN103532243B - 一种有源电力滤波器控制与通信系统 - Google Patents

一种有源电力滤波器控制与通信系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及电力系统与电力电子技术中的有源电力滤波器控制与通信系统，尤其是涉及一种采用Concerto+FPGA构架的有源电力滤波器控制与通信系统，包括信号预处理模块、硬件保护模块、I/O扩展输出模块、光纤驱动模块、通讯模块以及由Concerto+FPGA组成的主控制器模块，其中信号通过预处理模块送入主控制器模块，经过一系列算法计算后通过I/O控制接口模块以及光纤驱动模块来控制有源电力滤波器中逆变器的开关管通断，保护模块用来实现系统故障保护，通讯模块通过CAN总线实现实时参数显示和有源电力滤波器的远程监控。

Description

一种有源电力滤波器控制与通信系统
技术领域
本发明涉及电力系统与电力电子技术中的有源电力滤波器控制与通信系统，尤其是涉及一种以Concerto（DSP C2000内核+Cortex-M3内核）和FPGA(Field－Programmable Gate Array, 现场可编程门阵列)为主控芯片的有源电力滤波器控制与通信系统。
背景技术
随着国民经济的发展和人民生活水平的提高，电力电子设备广泛的应用于工业生产领域。现代用电负荷结构发生了质的变化，各种非线性和时变性用电设备如逆变器、整流器、炼钢电弧炉、轧钢机等的接入，对电能质量造成其日益明显的负面效应。据2008年11月欧盟电能质量调查报告显示，仅在欧洲每年因电能质量和电器污染引起的经济损失就高达1500亿美元。虽然国内目前还未见围绕电能质量问题而展开的调查，但是可以预见的是，电能质量直接关系到国民经济的总体效益，如何提高电能质量已成为一个急迫解决的重要课题。
有源电力滤波器作为一种新型电力电子装置，不仅能对电力系统谐波进行有效地抑制，还在一定程度上兼有无功功率动态补偿的功能。其控制装置的优劣决定了整个系统的性能指标和补偿效果。随着数字信号处理技术的发展和成熟，利用全数字化控制技术来改善控制系统性能也得到了越来越多的认可。有源电力滤波器的特征要求快速、无静差的跟踪上谐波信号，决定了其对控制的实时性要求非常高，控制系统必须能实时检测出负载电流中包含的谐波/无功分量，利用生成的指令电流实时地控制主电路逆变部分的输出，达到动态补偿电网谐波/无功电流的目的。然而传统的控制系统普遍存在运行速度较慢，采样精度不高，跟踪性能不好，控制与通信不能兼顾等特点。
发明内容
本发明主要是解决现有技术所存在的技术问题；提供了一种不仅能通过先进的数字信号处理算法以及现代控制理论实现实时的谐波分离与补偿跟踪，还能通过Concerto F28M35x 的Cortex-M3内核与触摸屏和其他控制系统通信，非常利于有源电力滤波器的监控管理和模块化设的一种采用Concerto+FPGA构架的有源电力滤波器控制与通信系统。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：
一种有源电力滤波器控制与通信系统，它包括信号预处理模块、硬件保护模块、I/O扩展输出模块、光纤驱动模块、通讯模块以及由Concerto+FPGA组成的主控制器模块，其中信号通过预处理模块送入主控制器模块，经过一系列算法计算后通过I/O控制接口模块以及光纤驱动模块来控制有源电力滤波器中逆变器的开关管通断，保护模块用来实现系统故障保护，通讯模块通过CAN总线实现实时参数显示和有源电力滤波器的远程监控。
在上述的采用Concerto+FPGA构架的有源电力滤波器控制与通信系统，Concerto芯片采用Concerto F28M35x系列芯片，通过数据总线、地址总线、控制总线与FPGA进行数据交换。
在上述的采用Concerto+FPGA构架的有源电力滤波器控制与通信系统，信号通过预处理模块送入主控制器模块中Concerto F28M35x芯片的内置数/模转换器，主控制器共需要采集20路信号，由于需要采样的信号路数大于数模转换器通道数，因此加入多路模拟选择开关，将需要快速实时采样的信号直接送入数/模转换器，其它信号经模拟开关送入数/模转换器。
在上述的采用Concerto+FPGA构架的有源电力滤波器控制与通信系统，所述待检测的模拟信号从现场霍尔传感器通过DB9标准接插件输出，利用带屏蔽电缆将各路模拟信号输入到信号预处理模块，信号预处理模块中包括高精度电阻采样、由双极性TVS管组成的限幅环节，由高精度、高压摆率运放组成的二阶压控滤波器，现场传感器输出的4~20mA模拟信号通过高精度电阻转化成对应的电压信号，通过TVS管限幅以保护后续电路，该电压信号通过抗混叠滤波器滤除高频干扰，并输入给Concerto+FPGA主控制器模块。
在上述的采用Concerto+FPGA构架的有源电力滤波器控制与通信系统，采用收发器SN65HVD232D与触摸屏、上位机、其它控制系统通过CAN总线通信，传输介质采用双绞线。
在上述的采用Concerto+FPGA构架的有源电力滤波器控制与通信系统，控制系统与触摸屏、上位机、其他控制系统间通过CAN总线通信，其特征在于：所采用的触摸屏带有CAN模块，支持CAN 1939和CAN-open两种协议，通过触摸屏执行各种操作命令，方便地浏览输入、输出、负载等相关参数及波形，及时获得有源电力滤波器各模块当前的状态和告警信息。
因此，本发明具有如下优点：1.Concerto F28M35x的DSP C2000内核负责采样等一系列的控制算法，并将调制信息通过数据地址总线送入FPGA。这样控制子系统不受来自通信方面的压力，保证了控制算法执行的可靠性与实效性；2.Concerto F28M35x的Cortex-M3内核负责与触摸屏和其他控制系统通信，不受严格的控制环路中断的牵制；3.通过FPGA实现脉冲比通过DSP产生脉冲更加可靠，因为采用DSP产生脉冲，一旦死机就需要复位才能正常工作，时间较长。而采用FPGA产生脉冲，FPGA不会重新启动，即使出错也可能只是一个指令周期出错，不会导致整个FPGA工作不正常，所以也不会使FPGA出现过电流、过电压等故障，导致有源滤波器停止工作；4.控制板与开关管之间采用光纤连接，实现了PWM信号的光电隔离，直接避免了嘈杂环境下的电磁干扰，极大的增强的系统运行的稳定性和可靠性；5.控制系统与触摸屏、上位机、其他控制系统间通过CAN总线通信；CAN现场总线网络中的网络结点最大可以达到110个，最高通信速率可以达到1Mbps，并且在网络中某个通信结点出现故障时整个网络的通信功能不受影响。采用CAN现场总线后可扩充并联系统中有源电力滤波器的数量，并且安装和扩充都非常简便。同时由于CAN现场总线本身所具有的数据校验和错误处理功能保证了有源电力滤波器之间数据通信的可靠性，可有效防止来自现场的干扰。
附图说明
图1是本发明专利Concerto+FPGA控制与通信系统框图。
图2是Concerto F28M35x芯片的结构框图。
图3是信号预处理模块抗混叠滤波电路。
图4a是硬件保护模块中直流侧过压保护电路图。
图4b是硬件保护模块中直流侧欠压保护电路图。
图4c是硬件保护模块中过流保护电路图。
图5是光纤驱动模块驱动原理图。
图6是本发明中显示与通讯模块的结构框图。
图7 CAN总线与控制系统通信模块的接法图。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例：
下面结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述：
如图1所示，本发明专利为一种有源电力滤波器控制与通信系统，
其主要包括6个基本模块：信号预处理模块1、硬件保护模块2、Concerto+FPGA主控制器模块3、I/O扩展输出模块4、光纤驱动模块5、通讯模块6。
如图2所示，F28M35x的结构包括以DSP C28x为基础的控制子系统，此系统包含多个控制外设，如PWM模块、捕捉模块、编码器，以及独立的RAM、ROM、FLASH、通讯模块。
如图2所示，F28M35x的结构包括以Cortex-M3内核的主机子系统，具有用于通信所需的高级连接外设；包括以太网、移动USB，特别是独有的双CAN结构。两个子系统的指定闪存可达512KB，因此，为了最大发挥每个子系统的性能优势，开发人员将代码执行与内核隔离开。另外，F28M35x还包含多达64KB的共享RAM，供开发人员将其按照设计需求灵活支配。
如图2所示，Cortex-M3内核的显著特征是可以通过内嵌的中断控制器(NVIC)向中断提供集成硬件支持，从而为有源电力滤波器提供可靠的性能中断、存储保护单元。两个内核拥有独立专用的内存。
如图2所示，这款芯片中加入了IPC（跨处理器通讯结构）。因此可以解决两个内核同时安装于一个芯片时芯片之间固有延迟的问题。
如图1、图3所示，待检测的模拟信号从现场霍尔传感器通过DB9标准接插件输出，利用带屏蔽电缆将各路模拟信号输入到信号预处理模块1。预处理模块中包括高精度电阻采样、由双极性TVS管组成的限幅环节，由高精度、高压摆率运放组成的二阶压控滤波器。现场传感器输出的4~20mA模拟信号通过高精度电阻转化成对应的电压信号，通过TVS管限幅以保护后续电路，该电压信号通过抗混叠滤波器滤除高频干扰，并输入给Concerto+FPGA主控制器模块3。
如图1所示，C28x负责采样控制计算，通过数据总线和地址总线将调制信息送入FPGA的数据锁存器中锁存，然后由FPGA完成整个调制过程，产生相应的PWM波形。
如图1所示，Concerto+FPGA主控制器模块3中包含两个片外并行双极性ADC，该ADC同时支持内部参考电压基准和外部参考电压基准，通过Concerto和FPGA的控制信号使能同步采样转换。ADC的转换结果由地址总线直接输入Concerto+FPGA主控制器进行后续算法处理。
如图1、图4a至图4c所示，硬件保护模块2作为一种模拟方式保护，其快速性和可靠性是软件保护所不具备的，硬件保护模块2提供过流、过压、欠压等重要故障保护。具体思路是通过运放进行模拟电平变换，并将该变换结果送入一个高速比较器，整定保护阀值由电位器灵活提供。当某一时刻模拟信号超过了保护阀值的上下限，高速比较器输出一个电平并将其锁存用于硬件封锁PWM输出以及告知用户故障信号。
如图1所示，I/O控制接口模块4用于输入/输出的开关量信号控制。由Concerto+FPGA主控制器模块3输出的信号经过光耦隔离、驱动放大、限流、电平转换等电路输出，值得注意的是开光量输出控制信号带载能力有限，若是需要控制大功率负载还需要配置一套适合的驱动电路。由外部输入的开光量控制信号也经过光耦隔离、驱动放大、限流、电平转换等电路输入至Concerto+FPGA主控制器模块3。
如图1、图5所示，光纤驱动模块5中，采用安捷伦公司的HFBR2521和HFBR1521配合SN75451驱动芯片来驱动功率器件。光纤的高速传输以及极强的抗干扰特性为PWM信号的输出提供了有力保障。由DSP输出的PWM信号通过电平转换芯片以及光纤隔离驱动信号送入光纤输出接插头，以光的形式在光纤介质中传输给另一侧驱动控制电路。
如图1、图6所示，模块6是本发明专利通讯系统；Concerto F28M35x内嵌有CAN控制器，控制系统可以通过CAN总线与触摸屏、上位机、其它控制系统通信。
如图6所示，此控制系统可以通过CAN总线与触摸屏、上位机、其它控制系统通信。采用最新支持CAN1939和CAN-open两种协议的触摸屏，用户可通过触摸屏执行各种操作命令，方便地浏览输入、输出、负载等相关参数及波形，及时获得有源电力滤波器各模块当前的状态和告警信息。
如图6所示，基于CAN总线的通讯与远程监控系统通过采集各模块网络节点的电流、电压、频率、温度等实时数据，对是否过流、过热关机、功率和功率因数等数据进行计算，然后将这些数据和状态信息存储在数据存储器中，通过CAN总线传送至监控台的上位机。
如图7所示，F28M35x芯片的主机子系统Cortex-M3内核含有独特的内嵌式双CAN控制器，通过收发器即可实现此节点与总线的接口联结。收发器SN65HVD232D是TI公司生产的CAN协议控制器和物理总线的接口芯片，为CAN控制器提供差动接收能力。终端加接120Ω匹配电阻，保证数据通信的抗干扰能力及可靠性。信息传输采用CAN通信协议，传输介质采用双绞线。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (4)

1.一种有源电力滤波器控制与通信系统，其特征在于，包括信号预处理模块、硬件保护模块、I/O控制接口模块、光纤驱动模块、通讯模块以及由Concerto+FPGA组成的主控制器模块，其中信号通过信号预处理模块送入主控制器模块，经过一系列算法计算后通过I/O控制接口模块以及光纤驱动模块来控制有源电力滤波器中逆变器的开关管通断，硬件保护模块用来实现系统故障保护，通讯模块通过CAN总线实现实时参数显示和有源电力滤波器的远程监控；
Concerto芯片采用Concerto F28M35x系列芯片，通过数据总线、地址总线、控制总线与FPGA进行数据交换；
硬件保护模块作为一种模拟方式保护，其快速性和可靠性是软件保护所不具备的，硬件保护模块提供过流、过压、欠压重要故障保护；具体是通过运放进行模拟电平变换，并将该变换结果送入一个高速比较器，整定保护阀值由电位器灵活提供；当某一时刻模拟信号超过了保护阀值的上下限，高速比较器输出一个电平并将电平锁存，该锁存的电平用于硬件封锁PWM输出以及告知用户故障信号；
模拟信号通过信号预处理模块送入主控制器模块Concerto F28M35x芯片中的内置数/模转换器，数/模转换器还包括一个多路模拟选择开关，需要快速实时采样的信号直接送入数/模转换器，其它信号经多路模拟选择开关送入数/模转换器；
I/O控制接口模块用于输入/输出的开关量信号控制；由Concerto+FPGA主控制器模块输出的信号经过光耦隔离、驱动放大、限流、电平转换电路输出，由于开关量输出控制信号带载能力有限，在需要控制大功率负载时配置一套驱动电路；由外部输入的开关量控制信号也经过光耦隔离、驱动放大、限流、电平转换电路输入至Concerto+FPGA主控制器模块。
2.根据权利要求1所述的一种有源电力滤波器控制与通信系统，其特征在于：所述模拟信号从现场霍尔传感器通过DB9标准接插件输出，利用带屏蔽电缆将各路模拟信号输入到信号预处理模块；所述信号预处理模块中包括高精度采样电阻、由双极性TVS管组成的限幅环节、以及由高精度和高压摆率运放组成的二阶压控滤波器；现场霍尔传感器输出的4～20mA模拟信号通过高精度采样电阻转化成对应的电压信号，通过双极性TVS管限幅以保护后续电路，该电压信号通过二阶压控滤波器滤除高频干扰，并输入给Concerto+FPGA主控制器模块。
3.根据权利要求1所述的一种有源电力滤波器控制与通信系统，其特征在于：采用收发器SN65HVD232D与触摸屏、上位机通过CAN总线通信，传输介质采用双绞线。
4.根据权利要求3所述的一种有源电力滤波器控制与通信系统，其特征在于：该有源电力滤波器控制与通信系统和触摸屏、上位机间通过CAN总线通信，所采用的触摸屏带有CAN模块，支持CAN-1939和CAN-open两种协议。
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