CN104485668A - 基于积分算法的apf控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于积分算法的APF控制装置，包括AD采样电路、DA检测电路、FPGA、第一DSP及第二DSP，FPGA分别与第一DSP及第二DSP连接，第一DSP与第二DSP相连；第二DSP用于检测特定次谐波信号，并将所检测的特定次谐波信号提供给第一DSP，由第一DSP产生相应的调制波输出给FPGA；FPGA产生载波信号，并与调制波信号进行比较，生成功率管所需的驱动脉冲。本发明通过对两片DSP和FPGA的资源进行合理分配及充分利用，基于积分算法的特定次谐波提取方法更利于理解、计算简单，能够准确检测特定次谐波电流瞬时值的幅值和相位。

Description

基于积分算法的APF控制装置

技术领域

本发明涉及有源电力滤波器(APF)控制系统的研究领域，特别涉及一种基于积分算法的APF控制装置。

背景技术

非线性负荷和各种换流设备的广泛应用，使得电力系统的谐波污染问题变得十分严重。谐波的存在会对电力系统本身以及通信系统等造成一系列的危害,因此，有效地消除电网中的这些有害电流成为一个亟待解决的问题。

有源电力滤波器是一种理想的谐波和无功电流发生器，它需要计算出负载电流所含的谐波成份，并产生与之相位相反的电流注入电网，使得电网电流只含有基波成份，有时只需滤除某些特定次谐波，即可达到滤波的目的。因此，有源电力滤波器需要对电网和自身多路信号进行处理，同时要保证高开关频率，处理速度和精度成为其关键技术问题，对谐波补偿效果起重大作用。

目前，常见的检测谐波的算法有瞬时无功功率分离法、离散傅立叶变换法(DFT)、快速傅立叶FFT等。其中，瞬时无功功率分离法是通过瞬时有功功率理论和瞬时无功功率理论，将信号中的瞬时基波电流和谐波电流快速计算出来，但该方法主要应用于三相三线制电路，在单项电路和三相四线制电路中需要进一步改进，因此需要增加硬件，加大投入。DFT方法虽然可准确检测出稳态信号中任意次谐波的信息，但需采用不同频率的正弦波发生器，且计算量极大，该方法基于频域的分析原理，丢失了信号的时域信息，若信号突变，会导致检测结果存在较大的误差和延迟。快速傅立叶FFT算法是运算量大为简化的DFT，运算时间减少，程序简单、计算效率高，并且对存储量要求不高。FFT算法可以计算到0～fs/2范围内的频谱；然后实际情况可能是：用户只需要检测很窄的频带或几根谱线；另外，虽然FFT相对于DFT已经极大的减小了计算量，但当进行FFT变换时，若点数N的数值较大，则仍然无法在嵌入式系统中实现实时处理。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供基于积分算法的APF控制装置，该装置由一片DSP负责算法的复杂运算；另一片DSP负责通讯、保护等辅助程序，同时负责特定次谐波检测工作，而特定次谐波检测通过由傅立叶级数变换而来的积分算法来实现。

本发明控制装置采用如下技术方案：基于积分算法的APF控制装置，包括AD采样电路、DA检测电路、FPGA、第一DSP及第二DSP，所述AD采样电路、DA检测电路分别与第一DSP连接，FPGA分别与第一DSP及第二DSP连接，第一DSP与第二DSP相连；所述第二DSP用于检测特定次谐波信号，并将所检测的特定次谐波信号提供给第一DSP，由第一DSP产生相应的调制波输出给FPGA；所述FPGA产生载波信号，并与来自第一DSP的调制波信号进行比较，生成功率管所需的驱动脉冲。

所述第二DSP采用积分算法检测特定次谐波信号；积分算法采用如下公式：

$\begin{array}{c}i\_h\left(n\right)=100*\left({\∫}_{t-T}^t\right[i\left(t\right)*\cos \left(\mathrm{n\ωt}\right)-i(t-T)*\cos \left(\mathrm{n\ω}(t-T)\right)]\mathrm{dt}*\cos \left(\mathrm{n\ωt}\right)\\ +100*\left({\∫}_{t-T}^t\right[i\left(t\right)*\sin \left(\mathrm{n\ωt}\right)-i(t-T)*\sin \left(\mathrm{n\ω}(t-T)\right)]\mathrm{dt}*\sin \left(\mathrm{n\ωt}\right)\\ +100*[{\∫}_0^{T}i\left(t\right)*\cos \left(\mathrm{n\ωt}\right)\mathrm{dt}*\cos \left(\mathrm{n\ωt}\right)+{\∫}_0^{T}i\left(t\right)*\sin \left(\mathrm{n\ωt}\right)\mathrm{dt}*\sin \left(\mathrm{n\ωt}\right)]\end{array}$

其中，T为工频周期，i(t)为采样谐波信号，n为谐波次数。

所述公式中的正弦函数和余弦函数用正弦表存储，所述正弦表中的每个数据分别对应一个工频周期内每个采样点的正弦幅值，将所述正弦幅值直接代入所述公式提取谐波。

从以上技术方案可知，本发明通过对两片DSP和FPGA的资源进行合理分配及充分利用，避免有的芯片任务量过多，而有的芯片功能过于简单，并且基于积分算法的特定次谐波提取方法更利于理解、计算简单，能够准确的检测出特定次谐波电流瞬时值的幅值和相位。同时，分别利用DSP复杂运算能力强的优点来处理调制波信号，FPGA并行处理数据速度快的优点来发出载波信号，这样在FPGA中改变开关频率的同时可保证DSP内调制波的精度，并且可有效提高系统的响应速度，更好的满足APF装置高频的特性。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、APF系统功能较多，现有技术将功能程序均放在一片DSP中执行，而另一片DSP只执行通讯等辅助程序，造成一片DSP负担过重，另一片DSP任务过于简单。本发明将主体程序之一的特定次谐波检测功能放在完成辅助程序的第二DSP中进行，使两者任务均衡，既减轻了第一DSP的负担，同时第二DSP又可避免只执行辅助程序而造成的资源浪费。

2、现有技术方案是利用DSP事件管理器中的周期寄存器TxPR的取值来控制系统的开关频率，而TxPR同样控制着执行在周期中断中的所有程序，若要改变开关频率，就需改变TxPR的值，则周期中断中的调制波的检测精度也要随之变化。而本发明利用FPGA超强的并行运算能力，在FPGA中发载波信号，再与第一DSP发来的调制波信号进行比较，通过在FPGA内控制载波频率来调整系统的开关频率，为功率管发送驱动脉冲。一方面减轻了DSP的负担，使基于指令系统的DSP只关注于复杂运算，有利于提高系统实时响应速度。另一方面，避免了系统的开关频率和DSP中断周期的相互影响，保证了在改变开关频率的同时不改变调制波的精度。

3、对于某些只含有某次或某几次特定次谐波的场合，直接提取出其含量较高的特定次谐波，可大大提高APF控制装置的使用效率，本发明使用基于傅立叶级数变换而来的，能同时准确检测谐波幅值和相位瞬时值的积分算法来分离特定次谐波，与目前常用的几种谐波检测算法相比，其算法简单且在程序上更易于实现，计算量小，精度较高，不丢失时域信息，可检测任意一次或同时检测几次电流谐波分量瞬时值。此外，积分算法可完全基于软件实现，具有较高的工程应用价值。

附图说明

图1为本发明装置结构原理框图；

图2为本发明装置中特定次谐波检测软件流程图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1所示，本发明的有源电力滤波器(APF)的控制装置包括AD采样芯片、DA检测芯片、第一DSP、第二DSP和FPGA，以及双口RAM、FLASH存储芯片；AD采样芯片、DA检测芯片分别与第一DSP1连接，FPGA分别与第一DSP、第二DSP连接，第一DSP与第二DSP通过双口RAM连接。本发明将三相电网电压、电流信号，以及逆变器输出的三相电流信号和直流侧电压信号通过信号调理板块送到控制装置的AD采样接口，控制装置上的AD采样芯片将模拟信号转化为数字信号后送给第一DSP，在第一DSP中实现APF系统的主体程序，第二DSP完成辅助功能及特定次谐波检测，第二DSP与FLASH存储芯片连接，而FPGA对APF系统进行整体控制。由于FPGA编程灵活，且进行简单的并行计算时速度极快，因此利用FPGA发出载波信号，控制开关频率，并与DSP发送到FPGA中的调制波信号进行比较后驱动功率管动作，以达到节能高效的效果。

第一DSP对从AD采样芯片接收到的电压、电流信号进行分析，首先对电网进行电压锁相，在完成APF系统软启动进入主程序后，利用基于全补偿的方式分离无功和谐波分量提供给FPGA。

第二DSP采用内部AD转换功能对温度信号进行实时检测，处理各种方式下的通讯数据，故障录波，以及完成特定次谐波的提取。由于采样谐波信号为连续的周期信号，需要检测离散的特定次谐波信号，因此本发明设计了基于傅立叶级数的一种简单的积分算法来分析谐波，以免丢失时域信息，并且能够同时准确地提取谐波的相位和幅值，提高谐波的检测精度。第二DSP检测到某一特定次谐波信号后，提供给第一DSP，由第一DSP产生调制波输出给FPGA。

本发明积分算法提取谐波的公式推导过程如下：

将周期函数f(t)分解成傅立叶级数形式：展开式为：

$a_0+\underset{k=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}[a_k\cos \mathrm{k\ωt}+b_k\sin \mathrm{k\ωt}]$

其中，根据欧拉-傅立叶公式：

$a_k=\frac{1}{\mathrm{\π}}{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}f\left(t\right)\cos \left(\mathrm{k\ωt}\right)d\left(\mathrm{\ωt}\right)$

$b_k=\frac{1}{\mathrm{\π}}{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}f\left(t\right)\sin \left(\mathrm{k\ωt}\right)d\left(\mathrm{\ωt}\right)$

将级数逐项积分有：

$\begin{array}{c}f\left(t\right)=\underset{K=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}[\left(\frac{1}{\mathrm{\π}}{\∫}_t^{t+2\mathrm{\π}}f\left(t\right)\cos \left(\mathrm{k\ωt}\right)d\left(\mathrm{\ωt}\right)\right)\·\cos \left(\mathrm{k\ωt}\right)+\left(\frac{1}{\mathrm{\π}}{\∫}_t^{t+2\mathrm{\π}}f\left(t\right)\sin \left(\mathrm{k\ωt}\right)d\left(\mathrm{\ωt}\right)\right)\·\sin \left(\mathrm{k\ωt}\right)]\\ +\frac{1}{T}{\∫}_0^{T}f\left(t\right)\mathrm{dt}\end{array}$

根据此周期函数的傅立叶级数展开式，在工频周期(f＝50HZ)下,ω＝2πf＝100π，可推导出适用于APF系统的检测特定次谐波的公式为：

$\begin{array}{c}i\_h\left(n\right)=100*\left({\∫}_{t-T}^t\right[i\left(t\right)*\cos \left(\mathrm{n\ωt}\right)-i(t-T)*\cos \left(\mathrm{n\ω}(t-T)\right)]\mathrm{dt}*\cos \left(\mathrm{n\ωt}\right)\\ +100*\left({\∫}_{t-T}^t\right[i\left(t\right)*\sin \left(\mathrm{n\ωt}\right)-i(t-T)*\sin \left(\mathrm{n\ω}(t-T)\right)]\mathrm{dt}*\sin \left(\mathrm{n\ωt}\right)\\ +100*[{\∫}_0^{T}i\left(t\right)*\cos \left(\mathrm{n\ωt}\right)\mathrm{dt}*\cos \left(\mathrm{n\ωt}\right)+{\∫}_0^{T}i\left(t\right)*\sin \left(\mathrm{n\ωt}\right)\mathrm{dt}*\sin \left(\mathrm{n\ωt}\right)]\end{array}$

其中，T为工频周期，i(t)为采样谐波信号，n为谐波次数。

上述公式的软件实现过程如下：

若系统开关频率设为18k(18k为采样频率，可根据精度要求改变)，工频周期0.02s，则一个工频周期的采样点个数为0.02/(1/18k)＝360。上述检测特定次谐波公式中，所涉及到的正弦函数和余弦函数都可用正弦表存储，正弦表中的每个数据分别对应0.02s(即一个工频周期)内每隔1/18k时间(即每个采样点)的正弦幅值，将此正弦幅值直接代入检测特定次谐波公式提取谐波，可简化计算。本实施例先将此正弦表在主程序中列出，可方便各功能程序通过查找正弦表来调用。

特定次谐波检测的主要实现步骤如图2所示：谐波提取子程序的输入为谐波电流i(t)、由锁相子程序得到的锁相角k(k为正弦表中的第k个点，取0～359之间的任意整数)、需检测的谐波次数n，则n次谐波的角度为ωt＝n*k。在主程序内存入以360个数据为一个周期的正弦表sin(m)＝sintable[(n*k)％360]，则余弦表为cos(m)＝sintable[(n*(k+90))％360](m为0～359之间的任意整数)，由此可确定上述公式中的正余弦变换量sin(m)和cos(m)的幅值。再将上述公式逐步分解，i₁(m)、i₂(m)分别为i(t)分解后的第m+1个实部和虚部，将其数值依次存储在外部RAM相应的地址空间中，之后再被新值替换。上述检测特定次谐波公式可按两部分考虑，即0≦t<0.02s时和t≧0.02s时，若i₁(m)、i₂(m)在外部RAM地址空间中存储数据M<360时，即0≦t<0.02s时，采样信号i(t)按直流分量 $i\_h\left(0\right)=100*[{\&Integral;}_0^{T}i\left(t\right)*\cos \left(\mathrm{n\&omega;t}\right)\mathrm{dt}*\cos \left(\mathrm{n\&omega;t}\right)+{\&Integral;}_0^{T}i\left(t\right)*\sin \left(\mathrm{n\&omega;t}\right)\mathrm{dt}*\sin \left(\mathrm{n\&omega;t}\right)]$ 处理，其中，i_h₁(m)、i_h₂(m)分别表示i₁(m)、i₂(m)通过累加方式处理的积分结果。直至M≧360后，令M＝360，不再处理直流分量部分，此时，i_h(0)作为i_h(m)的初值，按t≧0.02s的方式处理，i₁₀(m)、i₂₀(m)分别表示从外部RAM中提取的上一周期的i₁(m)、i₂(m)值，t≧0.02s时，分别计算相邻两周期(周期时间为0.02s)同一位置的两个数据的差值Δi₁(m)、Δi₂(m)，按谐波提取公式将增量Δi₁(m)、Δi₂(m)在每个工频周期内积分，初值分别为i_h₁(0)、i_h₂(0)，则i_h₁(0)、i_h₂(0)在增量的积分作用下不断更新，但始终保持360个(即一个周期)数值之和，即可得到提取出的n次谐波分量i_h(n)。对Δi₁(m)、Δi₂(m)积分是利用累加的处理方法：

x＝1，2；T_S为采样时间。

整个软件流程即为实现上述谐波提取公式的过程，由此实现步骤可以看出，此方法便于理解，程序上易于实现，并且只包含加、减、乘的简单运算，而且可根据n值的选取提取任一特定次谐波，也可同时提取多次指定次谐波含量，此时只需将n取不同数值，多次调用子程序即可。

整个APF控制装置由FPGA为DSP、外部RAM、双口RAM和AD芯片提供片选控制信号和分配地址空间，使各芯片协调工作。并且利用verilog语言编写连续载波信号，嵌入FPGA中，等待与第一DSP发送的指令调制波信号进行比较，进而发出驱动脉冲。同时控制电流、温度等速断保护信号，如有异常，可利用FPGA的快速性，迅速封锁驱动脉冲，保护功率开关管。

上述实施例为本发明的一种实施方式，但本发明的实施方式并不限定于此，从事该领域技术人员在未背离本发明精神和原则下所做的任何修改、替换、改进，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.基于积分算法的APF控制装置，包括AD采样电路、DA检测电路、FPGA、第一DSP及第二DSP，其特征在于，所述AD采样电路、DA检测电路分别与第一DSP连接，FPGA分别与第一DSP及第二DSP连接，第一DSP与第二DSP相连；所述第二DSP用于检测特定次谐波信号，并将所检测的特定次谐波信号提供给第一DSP，由第一DSP产生相应的调制波输出给FPGA；所述FPGA产生载波信号，并与来自第一DSP的调制波信号进行比较，生成功率管所需的驱动脉冲。

2.根据权利要求1所述的基于积分算法的APF控制装置，其特征在于，所述第二DSP采用积分算法检测特定次谐波信号。

3.根据权利要求2所述的基于积分算法的APF控制装置，其特征在于，所述积分算法采用如下公式：

$\begin{array}{c}i\_h\left(n\right)=100*\left({\&Integral;}_{t-T}^t\right[i\left(t\right)*\cos \left(\mathrm{n\&omega;t}\right)-i(t-T)*\cos \left(\mathrm{n\&omega;}(t-T\right))]\mathrm{dt}*\cos \left(\mathrm{n\&omega;t}\right)\\ +100*\left({\&Integral;}_{t-T}^t\right[i\left(t\right)*\sin \left(\mathrm{n\&omega;t}\right)-i(t-T)*\sin \left(\mathrm{n\&omega;}(t-T\right))]\mathrm{dt}*\sin \left(\mathrm{n\&omega;t}\right)\\ +100*[{\&Integral;}_0^{T}i\left(t\right)*\cos \left(\mathrm{n\&omega;t}\right)\mathrm{dt}*\cos \left(\mathrm{n\&omega;t}\right)+{\&Integral;}_0^{T}i\left(t\right)*\sin \left(\mathrm{n\&omega;t}\right)\mathrm{dt}*\sin \left(\mathrm{n\&omega;t}\right)]\end{array}$

其中，T为工频周期，i(t)为采样谐波信号，n为谐波次数。

4.根据权利要求1所述的基于积分算法的APF控制装置，其特征在于，所述第一DSP与第二DSP通过双口RAM连接。

5.根据权利要求1所述的基于积分算法的APF控制装置，其特征在于，所述第二DSP还用于处理通讯数据。

6.根据权利要求1所述的基于积分算法的APF控制装置，其特征在于，所述APF控制装置还包括FLASH存储芯片，FLASH存储芯片与第二DSP连接。

7.根据权利要求3所述的基于积分算法的APF控制装置，其特征在于，所述公式中的正弦函数和余弦函数用正弦表存储，所述正弦表中的每个数据分别对应一个工频周期内每个采样点的正弦幅值，将所述正弦幅值直接代入所述公式提取谐波。