無(wú)功與諧波電流檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

孫 謀，文小玲，黃文慧，李鳳旭

(武漢工程大學(xué)，湖北 武漢 430074)

0 引 言

電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，一方面給電能的變換和應(yīng)用帶來(lái)了方便，另一方面又給電力系統(tǒng)帶來(lái)了較嚴(yán)重的電能質(zhì)量問(wèn)題，如諧波污染、無(wú)功問(wèn)題、電壓波動(dòng)及不平衡等.有源電力濾波器(Active Power Filter，APF)被公認(rèn)為是治理電網(wǎng)諧波及無(wú)功污染、改善電能質(zhì)量最有效的手段[1-2].

從有源電力濾波器的工作原理可知，諧波電流的準(zhǔn)確和快速檢測(cè)是決定有源電力濾波裝置補(bǔ)償性能好壞的關(guān)鍵技術(shù)之一.本文詳細(xì)論述了以TMS320LF2407 DSP(數(shù)字信號(hào)處理器)為核心的無(wú)功與諧波電流檢測(cè)的系統(tǒng)硬件組成原理、電壓同步信號(hào)檢測(cè)電路、電壓信號(hào)檢測(cè)電路、電流信號(hào)檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)方法，以及系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)方法.最后，針對(duì)不同性質(zhì)的負(fù)載，對(duì)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究.

1 硬件設(shè)計(jì)

基于TMS320LF2407 DSP的無(wú)功與諧波電流檢測(cè)系統(tǒng)組成原理框圖如圖1所示，主要由DSP處理器、電流信號(hào)采樣電路、電壓信號(hào)采樣電路、電網(wǎng)電壓同步信號(hào)檢測(cè)電路組成.

圖1 諧波電流檢測(cè)系統(tǒng)組成原理框圖

電流信號(hào)采樣電路原理圖如圖2所示.電流流經(jīng)電流傳感器CHB-25NP以后，由R1分壓電阻，得到一個(gè)雙極性電壓信號(hào)；由R2和C1組成的低通濾波器濾除其中的高頻成分后，經(jīng)電壓跟隨器隔離、在雙極性電壓信號(hào)上疊加一個(gè)3.3 V的電壓、把雙極性信號(hào)變成單極性信號(hào)(A/D輸入要求為單極性信號(hào))；再用一個(gè)電壓跟隨器進(jìn)行信號(hào)隔離，由R5限流、D1與D2限幅以后得到一個(gè)符合A/D(模數(shù)轉(zhuǎn)換)輸入要求的信號(hào)，送入到DSP的A/D輸入通道.

圖2 電流信號(hào)采樣電路

電壓信號(hào)采樣電路和電流信號(hào)采樣電路的基本原理一樣，篇幅有限，這里不再贅述.

如圖3所示為電網(wǎng)電壓同步信號(hào)檢測(cè)電路.首先，由R2把a(bǔ)相電壓信號(hào)限流以后接至電壓傳感器CHV-25 V，并經(jīng)分壓電阻R3得到一個(gè)雙極性電壓信號(hào)；然后，由R4和C1組成的低通濾波器濾除其中的高頻成分；最后，經(jīng)電壓跟隨器和過(guò)零比較器得到帶有a相電壓相位信息的方波信號(hào)，再經(jīng)DW2穩(wěn)壓二極管穩(wěn)定方波幅值以后直接輸入到DSP的捕獲通道CAP6.DSP內(nèi)部通過(guò)CAP6捕獲方波上升沿的時(shí)刻解決與電網(wǎng)信號(hào)同步的問(wèn)題.

圖3 電壓同步信號(hào)檢測(cè)電路

2 軟件設(shè)計(jì)

諧波電流檢測(cè)法主要有：基于Fryze(人名)傳統(tǒng)功率定義的檢測(cè)法[3]，基于正弦函數(shù)正交特性的檢測(cè)法[4]，同步檢測(cè)法[5]，基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的檢測(cè)法等[6-9].其中，瞬時(shí)無(wú)功功率理論突破了傳統(tǒng)的以平均值為基礎(chǔ)的功率定義，系統(tǒng)地定義了瞬時(shí)有功功率、瞬時(shí)無(wú)功功率等瞬時(shí)功率量.在許多方面取得了成功的應(yīng)用.

2.1 ip-iq算法

基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的ip-iq(基于瞬時(shí)有功電流-無(wú)功電流)算法物理概念明確、硬件實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、檢測(cè)精度高，延時(shí)小、動(dòng)態(tài)特性好，檢測(cè)結(jié)果不受電網(wǎng)電壓波形畸變的影響而獲得廣泛應(yīng)用.

要實(shí)現(xiàn)ip-iq算法，需要用到三相電流信號(hào)、a相電網(wǎng)電壓同步信號(hào)、已獲得與電網(wǎng)電壓同相位的正余弦信號(hào)sinωt和cosωt.為了加快運(yùn)算速度，設(shè)計(jì)時(shí)sinωt和cosωt的值利用查表法取得.系統(tǒng)的采樣頻率取6.4 kHz，即每個(gè)工頻周期采128個(gè)點(diǎn).

ip-iq算法的系統(tǒng)軟件主要是由CAP6(DSP處理器6號(hào)捕獲通道)中斷服務(wù)程序、T1(定時(shí)器)中斷服務(wù)程序和A/D中斷服務(wù)程序組成.CAP6中斷服務(wù)程序主要是解決指令電流與a相電壓同步及程序內(nèi)部正余弦表指針復(fù)位的問(wèn)題；T1中斷服務(wù)程序觸發(fā)A/D采樣；A/D中斷服務(wù)程序完成ip-iq算法.

如圖4所示為CAP6中斷服務(wù)程序的程序流程圖.CAP6捕獲到一個(gè)上升沿以后，產(chǎn)生一個(gè)中斷.當(dāng)CAP6中斷到來(lái)時(shí)，首先計(jì)算出工頻周期T是否在允許的范圍內(nèi)，若不在允許范圍內(nèi)，則認(rèn)為是外部噪聲引起的干擾、直接中斷返回；若在允許范圍內(nèi)，則把T除以128以后賦值給定時(shí)器T1的周期寄存器，然后復(fù)位T1和正余弦表指針.

圖4 CAP6中斷服務(wù)程序流程圖

T1中斷服務(wù)程序的作用就是觸發(fā)A/D采樣，每發(fā)生一次T1周期中斷就觸發(fā)一次A/D采樣，因此A/D采樣的周期受T1周期中斷間隔時(shí)間確定，T1周期寄存器的值為工頻周期的1/128，因此一個(gè)工頻周期內(nèi)將采樣128次.

圖5 A/D中斷服務(wù)程序流程圖

2.2 改進(jìn)ip-iq算法

雖然ip-iq算法有很多優(yōu)點(diǎn)，但它的缺點(diǎn)也很明顯，不管電網(wǎng)電壓是否對(duì)稱有畸變，只要存在電壓相位檢測(cè)誤差，ip-iq法就不能準(zhǔn)確檢測(cè)出正序基波有功電流分量.改進(jìn)ip-iq算法利用同頻率同相序的電壓、電流旋轉(zhuǎn)矢量在任意時(shí)刻的角度差均為常數(shù)這一原理，以固定頻率如50 Hz的正、余弦信號(hào)sinωt、cosωt為基準(zhǔn)進(jìn)行同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換求取三相正序基波電壓新相角.理論上該方法可完全消除電壓相位檢測(cè)誤差對(duì)電流正序基波有功分量檢測(cè)精度的影響，且其檢測(cè)精度不受電壓、電流波形是否對(duì)稱和畸變的影響.

要實(shí)現(xiàn)改進(jìn)ip-iq算法，需要用到三相電流、電壓瞬時(shí)值、固定頻率為50 Hz的正余弦信號(hào)sinωt和cosωt.其軟件設(shè)計(jì)思路和主要結(jié)構(gòu)與ip-iq算法基本一致，不同之處主要是A/D中斷服務(wù)程序.如圖6所示為改進(jìn)ip-iq算法的A/D中斷服務(wù)程序流程圖.

圖6 改進(jìn)型A/D中斷服務(wù)程序流程圖

3 實(shí)驗(yàn)研究

在完成所有硬件和軟件的設(shè)計(jì)以后，以圖1作為實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，電源相電?0 V，頻率50 Hz，負(fù)載為二極管整流橋帶燈箱，負(fù)載電流有效值3 A，利用泰克公司示波器TDS3012B從DSP的D/A轉(zhuǎn)換器輸出端觀察如下幾種不同條件下的諧波電流及負(fù)載電流波形.

圖7所示為二極管整流橋帶燈箱負(fù)載與帶燈箱和電感負(fù)載情況下的電流波形，且同一圖中上面的波形表示負(fù)載電流、下面的波形表示被檢測(cè)出的諧波電流.從圖7可以看出，帶燈箱和電感負(fù)載的負(fù)載電流波峰和波谷明顯要比僅僅帶燈箱負(fù)載的負(fù)載電流波形平滑些.與此對(duì)應(yīng)的諧波電流也一樣，帶燈箱和電感負(fù)載的諧波電流波峰和波谷比僅僅帶燈箱負(fù)載的諧波電流波形平滑些.帶燈箱的負(fù)載電流中只有諧波電流，而帶燈箱和電感的負(fù)載電流中含有諧波和無(wú)功電流.

圖7 不同負(fù)載下的電流波形

圖8所示為負(fù)載電流由3 A突變到5 A(如圖8(a)所示)和負(fù)載由5 A突變到3 A(見(jiàn)圖8(b))時(shí)的電流波形，且同一圖中上面的波形表示負(fù)載電流、下面的波形表示被檢測(cè)出的諧波電流.從圖8可以看出，不管是電流突增或電流突減，由該系統(tǒng)提取出的諧波電流都能快速地跟隨負(fù)載電流的變化而變化，并且都能快速的穩(wěn)定下來(lái).

圖8 負(fù)載突變時(shí)的電流波形

在a相電壓的相位都能被準(zhǔn)確地檢測(cè)的條件下，ip-iq算法與改進(jìn)的ip-iq算法都能準(zhǔn)確檢測(cè)出電網(wǎng)中的諧波和無(wú)功分量，因此兩種方法都可獲得上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果.在a相支路中加入一個(gè)電感，改變a相電壓的相位，使電壓相位檢測(cè)出現(xiàn)一定的誤差，負(fù)載采用燈箱和電感引入無(wú)功分量.在此條件下所得到的b相電壓(幅值較大)與b相負(fù)載電流基波有功分量(幅值較小)如圖9所示.

圖9 ip-iq法與改進(jìn)型的ip-iq法比較

從圖9中可以看出，用ip-iq算法得到的b相電壓與b相基波有功分量之間明顯有相位差，而改進(jìn)ip-iq算法則基本上沒(méi)有相位差，因此ip-iq算法在檢測(cè)a相電壓相位有誤差時(shí)不能準(zhǔn)確檢測(cè)出負(fù)載電流的有功分量.而改進(jìn)的ip-iq算法依然能準(zhǔn)確檢測(cè)出電網(wǎng)中的有功分量，但是改進(jìn)的ip-iq算法硬件電路和軟件設(shè)計(jì)相對(duì)比較復(fù)雜.

4 結(jié) 語(yǔ)

以上給出了一種諧波電流檢測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方法及在此硬件基礎(chǔ)上的兩種諧波檢測(cè)法的軟件設(shè)計(jì)，該方法省去了傳統(tǒng)方法中的鎖相環(huán)分頻電路，改由軟件的方法實(shí)現(xiàn)分頻，簡(jiǎn)化了硬件電路，也同時(shí)省去了由鎖相環(huán)低通濾波所帶來(lái)的誤差.在不同性質(zhì)的穩(wěn)態(tài)負(fù)載條件下和負(fù)載電流突變的、且a相電壓相位無(wú)誤差的條件下，兩種檢測(cè)方法都能準(zhǔn)確、快速地檢測(cè)出負(fù)載電流中的諧波電流分量.即使a相電壓相位有誤差，改進(jìn)ip-iq算法依然能快速準(zhǔn)確檢測(cè)出負(fù)載中的諧波和無(wú)功分量.證明該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是可行而有效的.

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