基于DSP的谐波控制器的系统研制

0 引言

随着电力系统的不断发展和用电负荷的不断增长,电力系统中的电能质量问题越来越突出,一方面,大量敏感性负荷对电能质量的要求越来越高,而另一方面,越来越多的非线性负荷不断接入电网,使电力系统总体的电能质量状况不断恶化。

谐波是电能质量中很重要的一个方面,谐波的存在对电力系统产生的危害有以下几个方面：

1)可能使电力系统继电保护装置和自动装置产生误动或拒动;
2)使各种电气设备产生附加损耗和发热,使电机产生机械振动及噪声;
3)谐波电流在电网中流动增加损耗,影响电网及各种电气设备的经济运行;
4)谐波电流通过电磁感应、电容耦合以及电气传导等作用,对周围的通信系统产生干扰;
5)谐波使电网中广泛使用的各种测量仪表产生误差;
6)增加了电网中发生谐波谐振的可能,从而造成很高的过电流或过电压而引发事故的危险性。

随着谐波污染的日益严重和对电能质量要求的提高,对谐波抑制的要求也越来越高,如何根据现场的谐波污染状况进行滤波器的投切也变得更加重要。针对这种情况,研制了一种谐波控制器,它可以对现场的谐波和无功等进行监测,根据现场谐波状况对滤波器进行自动投切,达到抑制谐波、改善电能质量的目的。下面介绍基于DSP芯片TMS32LF2407的谐波控制器的硬、软件设计。

1 谐波控制器的硬件设计

谐波控制器的基本原理是实时对电流、电压进行采样,将采到的数据经过D5P进行数据分析后,得到现场谐波的状况,从而决策是否对滤波器进行投切。

美国TI公司生产的TMS32LF2407型DSP芯片是一款高性能16位定点DSP,该系列DSP控制器将实时信号处理能力和控制器外设功能集于一 身,特别适合于工业控制应用。其芯片供电电压为3.3V,降低了控制器的功耗。高达40M 1PS的执行速度(工作最高频率为40MEz),片内有32K字的Flash程序存贮器,544字的DARAM和2K字的SARAM,可以外扩存贮器总共有：194K字空间,片内集成了看门狗(WDT);提供多达16路模拟输入的10位A／D,最小转换时间为375ns;高达40个可单独编程或复用的通用输入/输出引脚。具有低成本、低功耗、高速运算能力和高性能处理能力的优点。因此,该DSP芯片可以满足作为此系统主控芯片的要求。

所研制的谐波控制器的硬件结构图如图1所示。

通过图1可知,此硬件电路主要包括采样电路、中央处理单元、复位电路、键盘和液晶显示功能、执行机构等几个部分。下面就硬件电路设汁中要特别注意的地方进行阐述：

1.1 采样电路

由于TMS32LF2407芯片的AD采样最大只能送入3.3V的电压信号,因此,在将电流、电压信号送到AD口之前要经过电流互感器和电压互感器进行调理,为了使引入的信号免受外界的干扰,互感器类型的选择和调理电路的抗千扰要特别地注意。此外,采样电路还应该要注意的一点是：由于 TMS32LF2407的AD口很脆弱,也就是说AD口不能送入峰值超过3.3V的电压信号,否则AD口将被烧坏,因此,最好添加一个限幅电路。具体的调理电路如图2所示。

1.2 过零检测电路

为了使主芯片能够实现同步采样,进而提高数据处理的真实性,因此,在电路中应该加入过零检测电路。过零检测电路也就是方波发生电路,它对谐波分析同步采样起着很重要的作用。它将电压信号变为同频率的方波信号,DSP通过捕获方波的上升沿来跟踪电网频率,为保证同步采样提供了条件。具体的检测电路如图3所示。

1.3 执行单元

在执行单元中,继电器的供电电源是12V,而DSP的供电电源和IO口输出的高电平为3.3V,为防止高于3.3V的电压引入DSP,导致DSP的损坏, 继电器控制信号的输出采用了光耦器件817进行隔离,继电器开关侧使用了阻容吸收电路来减小在开关开合时的冲击。具体电路如图4所示。

2 谐波控制器的软件设计

软件设计的核心就是对信号中的谐波分量进行分析,DSP在两个信号周期采样128个点,基于这些采样点进行快速付里叶变换(FFT)运算,从而分析得到信号中谐波的含量。谐波分量的分析精度取决于FFT的精度和同步采样。当采样频率是信号频率的整数倍时,即实现同步采样,采用矩形截断,并用FFT算法进行频谱分析,不会产生任何泄漏现象,可以精确重现信号频谱。如果能自动达到同步采样,对算法本身的要求就不需要太高,因为,同步采样后采用矩形窗进行 FFT,矩形窗就意味着采样的数据可以直接作为FFT子函数的输入。过零检测电路就是为了实现同步采样,DSP捕获方波电路产生的方波上升沿,可以求出方波频率即信号频率。根据此频率可确定采样时间和两点间的采样间隔时间(两次AD转换之间的时间),通过这个方法就叮以实现同步采样,获得精确的频谱。每次 FFT运算前都会重新根