CN203149028U

CN203149028U - 一种自适应谐波电流检测系统

Info

Publication number: CN203149028U
Application number: CN 201320120325
Authority: CN
Inventors: 马立新; 王玉珠
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2013-03-18
Filing date: 2013-03-18
Publication date: 2013-08-21
Anticipated expiration: 2023-03-18

Abstract

本实用新型涉及一种自适应谐波电流检测系统，包括两个电流互感器、电压互感器、信号调理电路、过零比较电路、AD采集模块、DSP微处理器、FPGA数据计算芯片，电压互感器采集的单相电压信号经过信号调理电路和过零比较电路后送DSP微处理器；两个电流互感器采集负载电流和电网电流信号进入信号调理电路进行滤波和放大处理后进入AD采集模块，经过模数转换后数据送DSP微处理器，DSP微处理器输出采集控制信号送AD采集模块；DSP微处理器数据送FPGA数据计算芯片，FPGA数据计算芯片输出调制波送入DSP微处理器。提高数据采集及处理的效率，提高谐波检测的速度和精度，极大地提高了有源电力滤波器治理谐波的性能。

Description

一种自适应谐波电流检测系统

技术领域

本实用新型涉及一种谐波电流信号检测，特别涉及一种基于FPGA(现场可编程门阵列)+DSP(数字信号处理)技术的自适应谐波电流检测系统。

背景技术

随着电力电子装置日益广泛的应用，由此引起的谐波污染问题受到重视，因此对电网中的谐波含量进行实时分析、检测、抑制是十分必要的。有源电力滤波器（Active Power Filter，APF）是一种对实时变化的谐波和无功进行补偿的电力电子装置，被视为抑制谐波最有效、最具潜力的手段，其工作性能很大程度上取决于它所采用的谐波电流检测方法。

目前常见的谐波检测方法有快速傅里叶变换法、基于瞬时无功功率理论的方法、小波变换法等。尽管这些算法在谐波检测方面做出很多贡献，但还是由于各自的不足限制了进一步的应用。近年来，基于自适应噪声对消原理的谐波电流检测方法，由于其对元件参数变化和电网频率变化不敏感，易于通过模拟硬件电路实现，具有较强的自适应能力和鲁棒性，得到了广泛的研究，并且证明了自适应谐波电流检测方法是可行的。基于最小均方（Least Mean Square，LMS）算法针对传统定步长自适应算法的缺点，上海交通大学的王俊杰等在2011年第1期《电力电子技术》发表的论文“有源电力滤波器多重因子自适应谐波检测法”以及江苏大学的刘国海等在2010年第6期《数据采集与处理》上发表的论文“一种LMS/LMF自适应谐波检测方法”，这些算法虽然能够解决收敛速度与稳态误差这一矛盾，但是计算方法比较复杂，大量的数据处理增加了处理器的运算负担，如果仅仅依靠传统采用的单一DSP芯片来处理，谐波治理往往达不到实时性要求。

因此，研究一种既可以准确检测出谐波电流，同时检测过程满足实时性要求且运算处理能力较强的谐波电流检测系统成为APF研究的重点及热点问题。

发明内容

本实用新型是针对传统定步长自适应谐波检测算法无法解决收敛速度和稳态误差的矛盾的问题，提出了一种自适应谐波电流检测系统, 充分发挥FPGA和DSP的各自优势，有力保证了整个系统能够准确实时地检测出谐波电流。。

本实用新型的技术方案为：一种自适应谐波电流检测系统，包括两个电流互感器、电压互感器、信号调理电路、过零比较电路、AD采集模块、DSP微处理器、FPGA数据计算芯片，电压互感器采集的单相电压信号经过信号调理电路和过零比较电路后，送DSP微处理器作为采样频率；两个电流互感器采集负载电流和电网电流信号进入信号调理电路进行滤波和放大处理后，再送入AD采集模块，AD采集模块经过模数转换后数据送DSP微处理器，DSP微处理器输出采集控制信号送AD采集模块；DSP微处理器数据送FPGA数据计算芯片，FPGA数据计算芯片输出调制波送入DSP微处理器。

所述AD采集模块选用具有独立六路通道的AD7656芯片。

所述DSP微处理器选用TMS320F2812芯片。

所述FPGA数据计算芯片选用Altera公司的Cyclone II EP2C20芯片。

本实用新型的有益效果在于：本实用新型自适应谐波电流检测系统,系统基于FPGA+DSP技术与改进，充分发挥两种处理芯片的各自优势，提高数据采集及处理的效率，并且改进的算法通过引入动量项来提高谐波检测的速度和精度，极大地提高了有源电力滤波器治理谐波的性能。

附图说明

图1为本实用新型自适应谐波电流检测系统框图；

图2为本实用新型改进型自适应谐波检测算法由FPGA实现的功能模块图。

具体实施方式

如图1所示自适应谐波电流检测系统框图，包括两个电流互感器4和6、电压互感器2、信号调理电路7、过零比较电路8、AD采集模块9、DSP微处理器10、FPGA数据计算芯片11。

电网A相电压1经过电压互感器2变为幅值较小且相位相同的正弦波信号，该信号经过信号调理电路7和过零比较电路8后变为同步采样方波信号，将同步方波信号送至DSP微处理器10的捕获口，对其进行上升沿捕获，再通过软件倍频便得到AD采集模块的采样频率。负载电流3和电网电流5分别经过电流互感器4、6后进入信号调理电路7进行滤波和放大处理后，再送入AD采集模块9进行采样，其控制工作由DSP微处理器10来完成。采集的数据经过预处理后存入DSP微处理器10的RAM中以供FPGA数据计算芯片11计算时取用，由FPGA数据计算芯片11计算出来的调制波送入DSP微处理器10，DSP微处理器10再根据调制波生成PWM脉冲。

考虑数据采集的精度，本系统中AD采集模块并未选用TMS320F2812内部集成的12位ADC模块，而是采用了高集成度、具有独立六路通道的AD7656芯片。为了避免锁相环失锁现象，系统设计了过零比较电路8，通过检测A相电压的零相位点，触发AD采集模块进行采样。本系统FPGA数据计算芯片选用Altera公司推出的中等规模、低成本的Cyclone II EP2C20芯片，DSP微处理器选用了目前数字控制系统中常用的TMS320F2812芯片。

由于FPGA数据计算芯片11有内置的乘法器和加法器，而且改进的自适应谐波检测算法具有大量的乘法和累加重复性的数据处理运算，所以采用FPGA数据计算芯片11作为数据计算芯片可以提高运算速度，保证检测过程满足实时性。如图2所示为改进型自适应谐波检测算法由FPGA实现的功能模块图。控制模块用于初始化各模块，控制各个模块完成特定的功能，并协调各个模块的操作。存储模块由权值存储器、步长存储器和输入信号存储器组成，在控制模块作用下完成数据的读写操作。改进型自适应谐波检测算法计算过程如下：（1）FPGA数据计算芯片11从DSP微处理器10中取出预处理过的负载电流和参考输入信号；（2）参考输入信号与权值的各分量对应相乘并累加得到自适应滤波器的输出信号；（3）负载电流信号与自适应滤波器的输出信号相减，得到误差反馈信号；（4）误差反馈信号用于调整步长和更新权值，最终目的使得权值接近最佳权系数，这时自适应滤波器的输出信号可在幅值和相位上逼近基波电流，此时误差反馈信号就为要检测出的谐波电流。图2中的误差反馈信号计算模块实现改进算法计算过程的（2）、（3），权值更新模块和步长调整模块用来实现过程（4）。

本实用新型将FPGA+DSP高性能数据处理技术和引入动量项的改进型自适应谐波检测算法相结合，增强了实时计算能力，明显地提高了谐波检测的精度和速度。本实用新型硬件电路简单可靠，软件编程灵活易变更，可方便应用于三相系统和非三相系统，具有广泛的工程应用性。

Claims

1.一种自适应谐波电流检测系统，其特征在于，包括两个电流互感器、电压互感器、信号调理电路、过零比较电路、AD采集模块、DSP微处理器、FPGA数据计算芯片，电压互感器采集的单相电压信号经过信号调理电路和过零比较电路后，送DSP微处理器作为采样频率；两个电流互感器采集负载电流和电网电流信号进入信号调理电路进行滤波和放大处理后，再送入AD采集模块，AD采集模块经过模数转换后数据送DSP微处理器，DSP微处理器输出采集控制信号送AD采集模块；DSP微处理器数据送FPGA数据计算芯片，FPGA数据计算芯片输出调制波送入DSP微处理器。

2.根据权利要求1所述自适应谐波电流检测系统，其特征在于，所述AD采集模块选用具有独立六路通道的AD7656芯片。

3.根据权利要求1所述自适应谐波电流检测系统，其特征在于，所述DSP微处理器选用TMS320F2812芯片。

4.根据权利要求1所述自适应谐波电流检测系统，其特征在于，所述FPGA数据计算芯片选用Altera公司的Cyclone II EP2C20芯片。