CN208753990U

CN208753990U - 一种柔性有源电力滤波器

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Publication number: CN208753990U
Application number: CN201821386887.2U
Authority: CN
Inventors: 周韵玲
Original assignee: Shenzhen Polytechnic
Current assignee: Shenzhen Polytechnic
Priority date: 2018-08-27
Filing date: 2018-08-27
Publication date: 2019-04-16
Anticipated expiration: 2028-08-27

Abstract

本实用新型涉及一种柔性有源电力滤波器，包括FPGA主控装置、DSP主控装置、通信电路、JTAG调试电路、电源电路、复位电路、时钟电路、隔离电路、保护电路、AD转换电路、电流信号调理电路、电压传感器、电压信号调理电路、过零同步检测电路、电流互感器、有源电力滤波器主电路、电压互感器、采样保护电路、电流传感器、LPF低通滤波器以及IPM智能功率模块。本实用新型的柔性有源电力滤波器利用FPGA对谐波电流信号、电压信号进行处理以及利用DSP进行补偿电流控制的数字化控制策略，无需复杂的结构，在不出现过流、过压等故障的同时，又可以增加谐波电流检测以及补偿电流控制的实时性和精确性，具有较好的可行性。

Description

一种柔性有源电力滤波器

技术领域

本实用新型涉及电子器件技术领域，更具体地说，涉及一种柔性有源电力滤波器。

背景技术

从近年来的国内外研究和应用中可以看出有源电力滤波器具有如下的发展趋势：(1)通过采用PWM调制和可提高开关器件开关频率的多重化技术，实现对高次谐波的有效补偿；(2)当前大功率滤波装置从经济上考虑，可以采用有源电力滤波器与LC无源滤波器并联使用的混合型有源电力滤波系统，以减小有源电力滤波器的容量，达到降低成本、提高效率的目的；(3)国外的研究在装置技术上主要需要解决如下问题：提高补偿容量、降低成本和损耗，进一步改善补偿性能，实现多功能化、有源装置小型化等。

关于有源电力滤波器的研究，目前主要集中在以下几个方面：(1)谐波检测理论的进一步研究，基于频域的傅里叶分析方法是最基本和最常用的谐波分析方法；(2)进一步降低补偿装置相对于负载装置的容量，有源电力滤波器中最基本的是并联型有源电力滤波器，其容量取决于公共端点处的电压有效值与补偿电流有效值的乘积；(3)控制系统的进一步简化，有源电力滤波器为了能及时产生补偿电流以抵消谐波源负载的谐波电流，要求其控制电路必须实时检测、计算补偿对象的谐波电流，随着高速数据处理芯片DSP接口功能的日趋完善，采用数字化方法来实现这部分工作的研究也取得了积极的进展。

随着新型电力电子器件的出现和脉宽调制技术的发展，有源电力滤波器的研究进入了新的阶段。三相电路瞬时无功功率理论的提出，加快了有源电力滤波器的研究，使其与工业应用更近了一步。

我国对于有源电力滤波器的研究一直到上世纪80年代末才开始，90年代以来，研究陆续增多。近年来，国内对有源电力滤波器的研究开始大量关注。人们关心的核心主要集中在有源电力滤波器的并联型以及混合型的研究问题上。也有少数人在研究串联型有源电力滤波器，三者之中有源电力滤波器的并联技术发展的最为成熟。

现有技术中，基于模拟电路的有源电力滤波器控制系统实时性好但硬件设计复杂，因此无法充分满足有源电力滤波器的控制要求。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种柔性有源电力滤波器，解决了现有技术中的有源电力滤波器设计复杂的问题。

本实用新型解决技术问题所采用的技术方案是：一种柔性有源电力滤波器，包括FPGA主控装置、DSP主控装置、通信电路、JTAG调试电路、电源电路、复位电路、时钟电路、隔离电路、保护电路、AD转换电路、电流信号调理电路、电压传感器、电压信号调理电路、过零同步检测电路、电流互感器、有源电力滤波器主电路、电压互感器、采样保护电路、电流传感器、LPF低通滤波器以及IPM智能功率模块；

所述FPGA主控装置与所述DSP主控装置相连，所述通信电路、JTAG调试电路、电源电路、复位电路、时钟电路、隔离电路分别与所述FPGA主控装置相连，所述保护电路、AD转换电路、过零同步检测电路分别与所述DSP主控装置相连，所述电流信号调理电路、电压信号调理电路、采样保护电路分别与所述AD转换电路相连，所述电流信号调理电路与所述电压传感器相连，所述电压信号调理电路与所述电流互感器相连，所述有源电力滤波器主电路分别与所述IPM智能功率模块、保护电路、电压传感器、电流互感器相连，所述过零同步检测电路与所述电流传感器相连，所述电压互感器与所述采样保护电路相连，所述低通滤波器与负载相连，所述IPM智能功率模块与所述隔离电路相连。

在本实用新型的柔性有源电力滤波器中，所述FPGA主控装置选用EP2C8Q208。

在本实用新型的柔性有源电力滤波器中，所述DSP主控装置选用TMS320F28335芯片作为柔性有源电力滤波器的控制芯片。

在本实用新型的柔性有源电力滤波器中，所述通信电路选用MAX232电平转换芯片。

在本实用新型的柔性有源电力滤波器中，所述的电源电路选用TPS301电源芯片。

在本实用新型的柔性有源电力滤波器中，所述时钟电路采用外接30MHz的外部晶振为所述DSP主控装置提供时钟。

在本实用新型的柔性有源电力滤波器中，所述AD转换电路选用ADS8364。

在本实用新型的柔性有源电力滤波器中，所述电流信号调理电路和所述电压信号调理电路分别选用LMV358运放芯片。

在本实用新型的柔性有源电力滤波器中，所述LPF低通滤波器选用Butterworth型滤波器。

在本实用新型的柔性有源电力滤波器中，所述IPM智能功率模块选用智能IGBT模块PM30CSJ060。

实施本实用新型的柔性有源电力滤波器，具有以下有益效果：本实用新型的柔性有源电力滤波器利用FPGA对谐波电流信号、电压信号进行处理以及利用DSP进行补偿电流控制的数字化控制策略，无需复杂的结构，在不出现过流、过压等故障的同时，又可以增加谐波电流检测以及补偿电流控制的实时性和精确性，具有较好的可行性。

附图说明

图1为本实用新型的柔性有源电力滤波器的总体结构框图；

图2为本实用新型的柔性有源电力滤波器中DSP与FPGA接口电路原理图；

图3为本实用新型的柔性有源电力滤波器中FPGA信号采集系统硬件整体框图；

图4为本实用新型的柔性有源电力滤波器中FPGA主控装置1和计算机RS232接口的连接电路图；

图5为本实用新型的柔性有源电力滤波器中用于TMS320F28335的JTAG调试电路图；

图6为本实用新型的柔性有源电力滤波器中用于TMS320F28335的电源电路图；

图7为本实用新型的柔性有源电力滤波器中用于TMS320F28335的时钟电路图；

图8为本实用新型的柔性有源电力滤波器中AD转换电路与FPGA相连图；

图9为本实用新型的柔性有源电力滤波器中电流信号调理电路图；

图10为本实用新型的柔性有源电力滤波器中电流信号后续电平转换电路原理图；

图11为本实用新型的柔性有源电力滤波器中电压信号调理电路图；

图12为本实用新型的柔性有源电力滤波器中驱动电路和故障输出电路与IPM连接图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本实用新型的柔性有源电力滤波器的结构和作用原理作进一步说明：

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

如图1所示，本实用新型的较佳实施例提供了一种柔性有源电力滤波器，其包括FPGA主控装置1、DSP主控装置2、通信电路3、JTAG调试电路4、电源电路5、复位电路6、时钟电路7、隔离电路8、保护电路9、AD转换电路10、电流信号调理电路11、电压传感器12、电压信号调理电路13、过零同步检测电路14、电流互感器15、有源电力滤波器主电路16、电压互感器17、采样保护电路18、电流传感器20、LPF低通滤波器21以及IPM智能功率模块22。

FPGA主控装置1与DSP主控装置2相连，通信电路3、JTAG调试电路4、电源电路5、复位电路6、时钟电路7、隔离电路8分别与FPGA主控装置1相连，保护电路9、AD转换电路10、过零同步检测电路14分别与DSP主控装置2相连，电流信号调理电路11、电压信号调理电路13、采样保护电路18分别与AD转换电路10相连，电流信号调理电路11与电压传感器12相连，电压信号调理电路13与电流互感器15相连，有源电力滤波器主电路16分别与IPM智能功率模块22、保护电路9、电压传感器12、电流互感器15相连，过零同步检测电路14与电流传感器20相连，电压互感器17与采样保护电路18相连，低通滤波器21与负载19相连，IPM智能功率模块22与隔离电路8相连。

本实用新型采用DSP和FPGA相结合的控制方案对谐波电流进行检测补偿。其中，FPGA主控装置1、AD转换电路10、电流信号调理电路11、电压传感器12、电压信号调理电路13、过零同步检测电路14、电流互感器15、电压互感器17、电流传感器20相互配合，用于从电网中检测出谐波和无功电流分量。DSP主控装置2、通信电路3、JTAG调试电路4、复位电路6、时钟电路7、隔离电路8相互配合，用于控制产生实际所需的补偿电流产生一个大小与谐波电流相等但方向相反的补偿电流，从而达到消除电网中谐波的目的，使电网电流只含有基波分量。

需要说明的是，FPGA主控装置1与DSP主控装置2并不依赖于对算法的改进，其算法均是已有公开的算法。而且上述这些电路和器件均是现有技术中已有的，具体结构等不再赘述。

其中，图2是DSP与FPGA接口电路原理图。图3是FPGA信号采集系统硬件整体框图。

FPGA主控装置1选用EP2C8Q208。该EP2C8Q208极大地提高了设计的灵活性，实现了高性能的系统集成，主要特性包括：成本优化的架构、高性能、低功耗、工艺技术、嵌入式存储器、嵌入式乘法器、外部存储器接口、差分FO支持、单端I/O支持、接口和协议支持、时钟管理电路、NiosnΙΙ嵌入式处理器、片内匹配、快速接通能力、热插拔及上电程序、循环冗余校验(CRC)、串行配置器件。FPGA主控装置1通过编程不但能够获得谐波电流检测信号，从而根据检测信号对负载电流、实际补偿电流进行计算处理，而且还可以对柔性有源电力滤波器进行过压、过流以及开关器件的保护。其中，具体的处理和补偿所依赖的算法采用现有的公开算法。

DSP主控装置2选用TMS320F28335芯片作为柔性有源电力滤波器的控制芯片，即是信号处理器。DSP主控装置2主要用于实现补偿电流控制模块，以及处理数字化控制算法和产生PWM脉冲。该控制芯片是新一代工业级的单精度浮点型DSP处理器。TMS320F28335的基本特征包括：(1)采用高性能静态CMOS技术，具有150MHz的时钟频率，低功耗设计；(2)片内集成了32位高性能的CPU，3个32位CPU定时器，该CPU又具有如下特点：①16×l6位和32×32位MAC操作，16×l6双通道MAC；②采用哈佛总线结构；③具有快速的中断响应和中断处理以及统一标准的存储器编程模式；④高效率的程序代码，包括C、C++和汇编语言；(3)包含6通道的DMA控制器，支持ADC、MeBSP、ePWM和SARAM；(4)片上的存储器包括高达256K×l6位Flash程序存储器，自带128位加密位，以及34K×16位SARAM、1K×l6位OTPROM、5K×16位BootRAM；(5)时钟与系统控制模块支持动态锁相环比率变化、片上振荡器和看门狗定时器模块；(6)8个外部中断，外设中断允许PIE模块，支持58个外设中断；(7)多达18路PWM输出；(8)串口通信设备包括：2个MCBSP模块、1个SPI模块、1个IIC总线、2路CAN接口通讯、3个串行通讯接口SCI(UART)等；(9)片内集成12位16通道的ADC，双采样/保持器，最快转换周期为60ns；(10)多达88个独立可编程多路复用1/0引脚(GPIO)，支持JTAG接口技术。

通信电路3选用MAX232电平转换芯片，硬件连接简单，其主要功能是实现与FPGA主控装置1的通信，采用的是RS232通讯协议。对于FPGA主控装置1，只需要选择两个普通的I/O引脚分别与接口芯片MAX232对应引脚T2IN、R2OUT相连即可实现RS232电平和TTL/CMOS电平的转换。FPGA主控装置1和计算机RS232接口的连接电路如图4所示，图4中的电容C32、C35、C39、C42是电荷泵升压及电压反转部分电路，其值为0.1uF。

JTAG调试电路如图5所示，采用低成本设计，其主要功能是作为程序调试接口，方便后期软件调试，以及功能测试。

电源电路5选用TPS301电源芯片。该电源芯片可以由5V电源同时产生不同的电压3.3V和1.9V，其主要功能是保证DSP主控装置2选用的TMS320F28335芯片的供电需求，正常工作，由于该芯片上自带电源监控和复位管理功能，从而简化了电路，保证了TMS320F28335的稳定运行，具体如图6所示。

时钟电路7采用外接30MHz的外部晶振为DSP主控装置2提供时钟，其主要功能是为DSP主控装置2选用的TMS320F28335提供外部时钟时序参考。晶振负载电容选择为24pF，晶振负载电容主要用来纠正晶体的振荡频率的，其大小可以参照公式C_L＝[C_aC_b/(C_a+C_b)]+C_p，C_p为寄生电容，如图7所示。

AD转换电路10选用ADS8364。基于该数模转换芯片的优良特性，比如其具有高速并行接口，可以同时采样多路信号。图8为ADS8364与FPGA主控装置1的相连图。其主要功能在于在系统可编程器FPGA不能处理复杂的模拟信号，而其只能对数字信号进行处理运算，所以需要AD转换电路10来实现这一要求。

电流信号调理电路11和电压信号调理电路13分别选用LMV358运放芯片。

电流信号调理电路11采用LMV358运放芯片为主设计，其主要功能是对电流信号进行调理，以保证AD转换电路10能够稳定的正常工作，其具体电路图如图9所示，图中电阻电容取值需要根据电网具体电压值进行选择，通常采用的ADS8364数模转换芯片所能接受的电压则在0-2.5V之间，所以还需要增加其它电路作为电压处理，保证ADS8364能够稳定的正常工作。图10即为后续电压处理电路电平调整电路。

电压信号调理电路13采用LMV358运放设计，其主要功能是对电压进行放大采样处理，以保证处理后的信号更好的配合AD转换电路10，保证信号采样处理正常进行。如图11所示，电压信号调理电路13设电网电压为380V，取R19为380K，则流经互感器电流为-1mA～+1mA，取Ra为3K，则输出电压为-3V～+3V，D1、D2的作用是保护运算放大器，所以可得输出电压在-3V～3V区间。与电流信号采集电路目的一致，电压采集的目的最终也是要送至ADS8364，所以也需要有电压处理电路对最终输出部分进行处理。

LPF低通滤波器21选用Butterworth型滤波器。其主要功能在于：谐波和无功电流计算程序中低通数字滤波是关键，为了更好的实现有源电力滤波器治理以及补偿谐波的性能，在选择低通滤波器时可以从响应速度和滤波质量等因素考虑，当截止频率cut-off选择越低时，Butterworth型滤波器可以有较高的检测精度，由其频率特性曲线知其特性在零点附近最好。

图12为驱动电路和故障输出电路与IPM连接图。IPM智能功率模块22选用智能IGBT模块PM30CSJ060。该IPM的性能优良，其自身配置有保护电路，可以有效降低系统设计的成本。其主要功能在于：PWM信号生成以后作用于功率开关器件，可控制其不同的通断组合。TMS320F28335还提供了一个功率驱动保护中断引脚PDPINT，当IPM智能功率模块22的故障输出信号或其它外加的故障诊断信号将PDPINT拉低时，F28335的PWM输出全部被置为高阻态，以保护IPM功率模块，F28335处理产生了六路PWM脉冲，经光耦隔离电路到IPM控制端，作用于IPM。当系统发生一些常见故障时。保护电路便会起到该有的保护作用。

上述柔性有源电力滤波器的滤波原理：负载19为谐波源，有源电力滤波器主电路16采用典型的三相桥式全控变流器，整个系统主要分成以下几个部分：电压型变流器主电路，其功能是根据来自DSP的PWM脉冲信号，而产生系统所需的补偿电流；系统电流电压信号采集，其任务是采集所需要的电流或电压信号并加以调理，然后送给FPGA进行处理计算；以DSP+FPGA为核心的控制系统，这部分的作用是完成A/D转换，指令电流信号的运算及PWM脉冲信号的生成。

本实用新型主要包括以FPGA为核心的谐波检测系统和以DSP为核心的补偿电流控制系统，利用ADS8364构建了AD转换电路，并设计了电流电压信号处理电路、DSP与FPGA接口电路(参见图2)，而补偿电流控制模块以DSP信号处理器实现。

本实用新型采取了数字信号处理器DSP和在系统可编程器FPGA相结合的技术来实现电网谐波检测及治理。FPGA通过在线编程的能力再加上相关电路的配合使用可以获得谐波数据，从而根据所得到的数据信息对负载电流、实际补偿电流进行计算处理，而且还可以对有源电力滤波器进行过压、过流以及开关器件的保护。因FPGA极大的减轻了DSP的负担，所以此时通过DSP产生的PWM驱动脉冲更加可靠。本实用新型中利用FPGA对谐波电流信号、电压信号进行计算处理以及DSP进行控制的数字化控制策略，在使有源电力滤波器不出现过流、过压等故障的同时，又可以增加谐波电流检测以及补偿电流控制的实时性和精确性，具有较好的可行性。通过大量实验验证及MATLAB算法仿真所得数据，验证此柔性有源电力滤波器可对电网谐波进行有效检测及治理，保障了电网电能的能量净化及诸如电机等易受谐波污染设备的可靠稳定运行。

本实用新型结合了DSP强大的数据信号处理能力以及FPGA的在系统可编程功能设计了数字化有源电力滤波器系统。由于独立的DSP芯片既要处理复杂的控制算法，又要产生PWM脉冲，单靠DSP芯片的控制系统已经很难满足要求。为提高有源电力滤波器的检测谐波及治理谐波污染的性能，本实用新型采用DSP和FPGA相结合的控制方案弥补了上述不足，其中FPGA芯片通过编程不但能够获得谐波电流检测信号，从而根据检测信号对负载电流、实际补偿电流进行计算处理，而且还可以对有源电力滤波器进行过压、过流以及开关器件的保护。因FPGA极大的减轻了DSP的负担，所以此时通过DSP产生的驱动脉冲更加可靠。进而保证了谐波电流检测的实时性及准确性以及更好的治理谐波污染。

本实用新型的柔性有源电力滤波器的数字控制有以下优点：增强了系统的综合性能，提高了系统的抗干扰性，可通过编写相应的软件来对其操控，另外要想对其进行相应改变以实现更多的功能无需改变复杂的硬件，只需要改变相应软件算法即可；它的另一个优点就是易调试。

应当理解的是，对本领域技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，但这些改进或变换都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围之内。

Claims

1.一种柔性有源电力滤波器，其特征在于，包括FPGA主控装置(1)、DSP主控装置(2)、通信电路(3)、JTAG调试电路(4)、电源电路(5)、复位电路(6)、时钟电路(7)、隔离电路(8)、保护电路(9)、AD转换电路(10)、电流信号调理电路(11)、电压传感器(12)、电压信号调理电路(13)、过零同步检测电路(14)、电流互感器(15)、有源电力滤波器主电路(16)、电压互感器(17)、采样保护电路(18)、电流传感器(20)、LPF低通滤波器(21)以及IPM智能功率模块(22)；

所述FPGA主控装置(1)与所述DSP主控装置(2)相连，所述通信电路(3)、JTAG调试电路(4)、电源电路(5)、复位电路(6)、时钟电路(7)、隔离电路(8)分别与所述FPGA主控装置(1)相连，所述保护电路(9)、AD转换电路(10)、过零同步检测电路(14)分别与所述DSP主控装置(2)相连，所述电流信号调理电路(11)、电压信号调理电路(13)、采样保护电路(18)分别与所述AD转换电路(10)相连，所述电流信号调理电路(11)与所述电压传感器(12)相连，所述电压信号调理电路(13)与所述电流互感器(15)相连，所述有源电力滤波器主电路(16)分别与所述IPM智能功率模块(22)、保护电路(9)、电压传感器(12)、电流互感器(15)相连，所述过零同步检测电路(14)与所述电流传感器(20)相连，所述电压互感器(17)与所述采样保护电路(18)相连，所述低通滤波器(21)与负载(19)相连，所述IPM智能功率模块(22)与所述隔离电路(8)相连。

2.根据权利要求1所述的柔性有源电力滤波器，其特征在于，所述FPGA主控装置(1)选用EP2C8Q208。

3.根据权利要求1所述的柔性有源电力滤波器，其特征在于，所述DSP主控装置(2)选用TMS320F28335芯片作为柔性有源电力滤波器的控制芯片。

4.根据权利要求1所述的柔性有源电力滤波器，其特征在于，所述通信电路(3)选用MAX232电平转换芯片。

5.根据权利要求1所述的柔性有源电力滤波器，其特征在于，所述的电源电路(5)选用TPS301电源芯片。

6.根据权利要求1所述的柔性有源电力滤波器，其特征在于，所述时钟电路(7)采用外接30MHz的外部晶振为所述DSP主控装置提供时钟。

7.根据权利要求1所述的柔性有源电力滤波器，其特征在于，所述AD转换电路(10)选用ADS8364。

8.根据权利要求1所述的柔性有源电力滤波器，其特征在于，所述电流信号调理电路(11)和所述电压信号调理电路(13)分别选用LMV358运放芯片。

9.根据权利要求1所述的柔性有源电力滤波器，其特征在于，所述LPF低通滤波器(21)选用Butterworth型滤波器。

10.根据权利要求1所述的柔性有源电力滤波器，其特征在于，所述IPM智能功率模块(22)选用智能IGBT模块PM30CSJ060。