一種有源電力濾波器控制與通信系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)與電力電子技術(shù)中的有源電力濾波器控制與通信系統(tǒng)，尤其是涉及一種采用Concerto+FPGA構(gòu)架的有源電力濾波器控制與通信系統(tǒng)，包括信號預(yù)處理模塊、硬件保護(hù)模塊、I/O擴(kuò)展輸出模塊、光纖驅(qū)動模塊、通訊模塊以及由Concerto+FPGA組成的主控制器模塊，其中信號通過預(yù)處理模塊送入主控制器模塊，經(jīng)過一系列算法計算后通過I/O控制接口模塊以及光纖驅(qū)動模塊來控制有源電力濾波器中逆變器的開關(guān)管通斷，保護(hù)模塊用來實現(xiàn)系統(tǒng)故障保護(hù)，通訊模塊通過CAN總線實現(xiàn)實時參數(shù)顯示和有源電力濾波器的遠(yuǎn)程監(jiān)控。
【專利說明】—種有源電力濾波器控制與通信系統(tǒng)
[0001]
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)與電力電子技術(shù)中的有源電力濾波器控制與通信系統(tǒng)，尤其是涉及一種以 Concerto(DSP C2000 內(nèi)核 +Cortex_M3 內(nèi)核)和 FPGA(Field — ProgrammableGate Array,現(xiàn)場可編程門陣列)為主控芯片的有源電力濾波器控制與通信系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0003]隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，電力電子設(shè)備廣泛的應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域?，F(xiàn)代用電負(fù)荷結(jié)構(gòu)發(fā)生了質(zhì)的變化，各種非線性和時變性用電設(shè)備如逆變器、整流器、煉鋼電弧爐、軋鋼機(jī)等的接入，對電能質(zhì)量造成其日益明顯的負(fù)面效應(yīng)。據(jù)2008年11月歐盟電能質(zhì)量調(diào)查報告顯示，僅在歐洲每年因電能質(zhì)量和電器污染引起的經(jīng)濟(jì)損失就高達(dá)1500億美元。雖然國內(nèi)目前還未見圍繞電能質(zhì)量問題而展開的調(diào)查，但是可以預(yù)見的是，電能質(zhì)量直接關(guān)系到國民經(jīng)濟(jì)的總體效益，如何提高電能質(zhì)量已成為一個急迫解決的重要課題。[0004]有源電力濾波器作為一種新型電力電子裝置，不僅能對電力系統(tǒng)諧波進(jìn)行有效地抑制，還在一定程度上兼有無功功率動態(tài)補(bǔ)償?shù)墓δ?。其控制裝置的優(yōu)劣決定了整個系統(tǒng)的性能指標(biāo)和補(bǔ)償效果。隨著數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展和成熟，利用全數(shù)字化控制技術(shù)來改善控制系統(tǒng)性能也得到了越來越多的認(rèn)可。有源電力濾波器的特征要求快速、無靜差的跟蹤上諧波信號，決定了其對控制的實時性要求非常高，控制系統(tǒng)必須能實時檢測出負(fù)載電流中包含的諧波/無功分量，利用生成的指令電流實時地控制主電路逆變部分的輸出，達(dá)到動態(tài)補(bǔ)償電網(wǎng)諧波/無功電流的目的。然而傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)普遍存在運行速度較慢，采樣精度不高，跟蹤性能不好，控制與通信不能兼顧等特點。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明主要是解決現(xiàn)有技術(shù)所存在的技術(shù)問題；提供了一種不僅能通過先進(jìn)的數(shù)字信號處理算法以及現(xiàn)代控制理論實現(xiàn)實時的諧波分離與補(bǔ)償跟蹤，還能通過ConcertoF28M35x的Cortex-M3內(nèi)核與觸摸屏和其他控制系統(tǒng)通信，非常利于有源電力濾波器的監(jiān)控管理和模塊化設(shè)的一種采用Concerto+FPGA構(gòu)架的有源電力濾波器控制與通信系統(tǒng)。
[0006]本發(fā)明的上述技術(shù)問題主要是通過下述技術(shù)方案得以解決的:
一種有源電力濾波器控制與通信系統(tǒng)，它包括信號預(yù)處理模塊、硬件保護(hù)模塊、I/o擴(kuò)展輸出模塊、光纖驅(qū)動模塊、通訊模塊以及由Concerto+FPGA組成的主控制器模塊，其中信號通過預(yù)處理模塊送入主控制器模塊，經(jīng)過一系列算法計算后通過1/0控制接口模塊以及光纖驅(qū)動模塊來控制有源電力濾波器中逆變器的開關(guān)管通斷，保護(hù)模塊用來實現(xiàn)系統(tǒng)故障保護(hù)，通訊模塊通過CAN總線實現(xiàn)實時參數(shù)顯示和有源電力濾波器的遠(yuǎn)程監(jiān)控。
[0007]在上述的采用Concerto+FPGA構(gòu)架的有源電力濾波器控制與通信系統(tǒng)，Concerto芯片采用Concerto F28M35x系列芯片，通過數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線與FPGA進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。
[0008]在上述的采用Concerto+FPGA構(gòu)架的有源電力濾波器控制與通信系統(tǒng)，信號通過預(yù)處理模塊送入主控制器模塊中Concerto F28M35x芯片的內(nèi)置數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，主控制器共需要采集20路信號，由于需要采樣的信號路數(shù)大于數(shù)模轉(zhuǎn)換器通道數(shù)，因此加入多路模擬選擇開關(guān)，將需要快速實時采樣的信號直接送入數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，其它信號經(jīng)模擬開關(guān)送入數(shù)/模轉(zhuǎn)換器。
[0009]在上述的采用Concerto+FPGA構(gòu)架的有源電力濾波器控制與通信系統(tǒng)，所述待檢測的模擬信號從現(xiàn)場霍爾傳感器通過DB9標(biāo)準(zhǔn)接插件輸出，利用帶屏蔽電纜將各路模擬信號輸入到信號預(yù)處理模塊，信號預(yù)處理模塊中包括高精度電阻采樣、由雙極性TVS管組成的限幅環(huán)節(jié)，由高精度、高壓擺率運放組成的二階壓控濾波器，現(xiàn)場傳感器輸出的4-20πιΑ模擬信號通過高精度電阻轉(zhuǎn)化成對應(yīng)的電壓信號，通過TVS管限幅以保護(hù)后續(xù)電路，該電壓信號通過抗混疊濾波器濾除高頻干擾，并輸入給Concerto+FPGA主控制器模塊。
[0010]在上述的采用Concerto+FPGA構(gòu)架的有源電力濾波器控制與通信系統(tǒng)，采用收發(fā)器SN65HVD232D與觸摸屏、上位機(jī)、其它控制系統(tǒng)通過CAN總線通信，傳輸介質(zhì)采用雙絞線。
[0011]在上述的采用Concerto+FPGA構(gòu)架的有源電力濾波器控制與通信系統(tǒng)，控制系統(tǒng)與觸摸屏、上位機(jī)、其他控制系統(tǒng)間通過CAN總線通信，其特征在于:所采用的觸摸屏帶有CAN模塊，支持CAN 1939和CAN-open兩種協(xié)議，通過觸摸屏執(zhí)行各種操作命令，方便地瀏覽輸入、輸出、負(fù)載等相關(guān)參數(shù)及波形，及時獲得有源電力濾波器各模塊當(dāng)前的狀態(tài)和告警信息。
[0012]因此，本發(fā)明具有如下優(yōu)點:1.Concerto F28M35x的DSP C2000內(nèi)核負(fù)責(zé)采樣等一系列的控制算法，并將調(diào)制信息通過數(shù)據(jù)地址總線送入FPGA。這樣控制子系統(tǒng)不受來自通信方面的壓力，保證了控制算法執(zhí)行的可靠性與實效性；2.Concerto F28M35x的Cortex-M3內(nèi)核負(fù)責(zé)與觸摸屏和其他控制系統(tǒng)通信，不受嚴(yán)格的控制環(huán)路中斷的牽制；
3.通過FPGA實現(xiàn)脈沖比通過DSP產(chǎn)生脈沖更加可靠，因為采用DSP產(chǎn)生脈沖，一旦死機(jī)就需要復(fù)位才能正常工作，時間較長。而采用FPGA產(chǎn)生脈沖，F(xiàn)PGA不會重新啟動，即使出錯也可能只是一個指令周期出錯，不會導(dǎo)致整個FPGA工作不正常，所以也不會使FPGA出現(xiàn)過電流、過電壓等故障，導(dǎo)致有源濾波器停止工作；4.控制板與開關(guān)管之間采用光纖連接，實現(xiàn)了 PWM信號的光電隔離，直接避免了嘈雜環(huán)境下的電磁干擾，極大的增強(qiáng)的系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和可靠性；5.控制系統(tǒng)與觸摸屏、上位機(jī)、其他控制系統(tǒng)間通過CAN總線通信；CAN現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)結(jié)點最大可以達(dá)到110個，最高通信速率可以達(dá)到1Mbps，并且在網(wǎng)絡(luò)中某個通信結(jié)點出現(xiàn)故障時整個網(wǎng)絡(luò)的通信功能不受影響。采用CAN現(xiàn)場總線后可擴(kuò)充并聯(lián)系統(tǒng)中有源電力濾波器的數(shù)量，并且安裝和擴(kuò)充都非常簡便。同時由于CAN現(xiàn)場總線本身所具有的數(shù)據(jù)校驗和錯誤處理功能保證了有源電力濾波器之間數(shù)據(jù)通信的可靠性，可有效防止來自現(xiàn)場的干擾。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1是本發(fā)明專利Concerto+FPGA控制與通信系統(tǒng)框圖。
[0014]圖2是Concerto F28M35x芯片的結(jié)構(gòu)框圖。[0015]圖3是信號預(yù)處理模塊抗混疊濾波電路。
[0016]圖4a是硬件保護(hù)模塊中直流側(cè)過壓保護(hù)電路圖。
[0017]圖4b是硬件保護(hù)模塊中直流側(cè)欠壓保護(hù)電路圖。
[0018]圖4c是硬件保護(hù)模塊中過流保護(hù)電路圖。
[0019]圖5是光纖驅(qū)動模塊驅(qū)動原理圖。
[0020]圖6是本發(fā)明中顯示與通訊模塊的結(jié)構(gòu)框圖。
[0021]圖7 CAN總線與控制系統(tǒng)通信模塊的接法圖。
【具體實施方式】
[0022]下面通過實施例，并結(jié)合附圖，對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步具體的說明。
[0023]實施例:
下面結(jié)合附圖對技術(shù)方案的實施作進(jìn)一步的詳細(xì)描述:
如圖1所示，本發(fā)明專利為一種有源電力濾波器控制與通信系統(tǒng)，
其主要包括6個基本模塊:信號預(yù)處理模塊1、硬件保護(hù)模塊2、Concerto+FPGA主控制器模塊3、I/O擴(kuò)展輸出模塊4、光纖驅(qū)動模塊5、通訊模塊6。
[0024]如圖2所示，F(xiàn)28M35X的結(jié)構(gòu)包括以DSP C28x為基礎(chǔ)的控制子系統(tǒng)，此系統(tǒng)包含多個控制外設(shè)，如PWM模塊、捕捉模塊、編碼器，以及獨立的RAM、ROM、FLASH、通訊模塊。
[0025]如圖2所示，F(xiàn)28M35X的結(jié)構(gòu)包括以Cortex_M3內(nèi)核的主機(jī)子系統(tǒng)，具有用于通信所需的高級連接外設(shè)；包括以太網(wǎng)、移動USB，特別是獨有的雙CAN結(jié)構(gòu)。兩個子系統(tǒng)的指定閃存可達(dá)512KB，因此，為了最大發(fā)揮每個子系統(tǒng)的性能優(yōu)勢，開發(fā)人員將代碼執(zhí)行與內(nèi)核隔離開。另外，F(xiàn)28M35X還包含多達(dá)64KB的共享RAM，供開發(fā)人員將其按照設(shè)計需求靈活支配。
[0026]如圖2所示，Cortex_M3內(nèi)核的顯著特征是可以通過內(nèi)嵌的中斷控制器(NVIC)向中斷提供集成硬件支持，從而為有源電力濾波器提供可靠的性能中斷、存儲保護(hù)單元。兩個內(nèi)核擁有獨立專用的內(nèi)存。
[0027]如圖2所示，這款芯片中加入了 IPC (跨處理器通訊結(jié)構(gòu))。因此可以解決兩個內(nèi)核同時安裝于一個芯片時芯片之間固有延遲的問題。
[0028]如圖1、圖3所示，待檢測的模擬信號從現(xiàn)場霍爾傳感器通過DB9標(biāo)準(zhǔn)接插件輸出，利用帶屏蔽電纜將各路模擬信號輸入到信號預(yù)處理模塊I。預(yù)處理模塊中包括高精度電阻采樣、由雙極性TVS管組成的限幅環(huán)節(jié)，由高精度、高壓擺率運放組成的二階壓控濾波器?，F(xiàn)場傳感器輸出的r20mA模擬信號通過高精度電阻轉(zhuǎn)化成對應(yīng)的電壓信號，通過TVS管限幅以保護(hù)后續(xù)電路，該電壓信號通過抗混疊濾波器濾除高頻干擾，并輸入給Concerto+FPGA主控制器模塊3。
[0029]如圖1所示，C28x負(fù)責(zé)采樣控制計算，通過數(shù)據(jù)總線和地址總線將調(diào)制信息送入FPGA的數(shù)據(jù)鎖存器中鎖存，然后由FPGA完成整個調(diào)制過程，產(chǎn)生相應(yīng)的PWM波形。
[0030]如圖1所示，Concerto+FPGA主控制器模塊3中包含兩個片外并行雙極性ADC，該ADC同時支持內(nèi)部參考電壓基準(zhǔn)和外部參考電壓基準(zhǔn)，通過Concerto和FPGA的控制信號使能同步采樣轉(zhuǎn)換。ADC的轉(zhuǎn)換結(jié)果由地址總線直接輸入Concerto+FPGA主控制器進(jìn)行后續(xù)算法處理。[0031 ] 如圖1、圖4a至圖4c所示，硬件保護(hù)模塊2作為一種模擬方式保護(hù)，其快速性和可靠性是軟件保護(hù)所不具備的，硬件保護(hù)模塊2提供過流、過壓、欠壓等重要故障保護(hù)。具體思路是通過運放進(jìn)行模擬電平變換，并將該變換結(jié)果送入一個高速比較器，整定保護(hù)閥值由電位器靈活提供。當(dāng)某一時刻模擬信號超過了保護(hù)閥值的上下限，高速比較器輸出一個電平并將其鎖存用于硬件封鎖PWM輸出以及告知用戶故障信號。
[0032]如圖1所示，I/O控制接口模塊4用于輸入/輸出的開關(guān)量信號控制。由Concerto+FPGA主控制器模塊3輸出的信號經(jīng)過光耦隔離、驅(qū)動放大、限流、電平轉(zhuǎn)換等電路輸出，值得注意的是開光量輸出控制信號帶載能力有限，若是需要控制大功率負(fù)載還需要配置一套適合的驅(qū)動電路。由外部輸入的開光量控制信號也經(jīng)過光耦隔離、驅(qū)動放大、限流、電平轉(zhuǎn)換等電路輸入至Concerto+FPGA主控制器模塊3。
[0033]如圖1、圖5所示，光纖驅(qū)動模塊5中，采用安捷倫公司的HFBR2521和HFBR1521配合SN75451驅(qū)動芯片來驅(qū)動功率器件。光纖的高速傳輸以及極強(qiáng)的抗干擾特性為PWM信號的輸出提供了有力保障。由DSP輸出的PWM信號通過電平轉(zhuǎn)換芯片以及光纖隔離驅(qū)動信號送入光纖輸出接插頭，以光的形式在光纖介質(zhì)中傳輸給另一側(cè)驅(qū)動控制電路。
[0034]如圖1、圖6所示，模塊6是本發(fā)明專利通訊系統(tǒng)；Concerto F28M35x內(nèi)嵌有CAN控制器，控制系統(tǒng)可以通過CAN總線與觸摸屏、上位機(jī)、其它控制系統(tǒng)通信。
[0035]如圖6所示，此控制系統(tǒng)可以通過CAN總線與觸摸屏、上位機(jī)、其它控制系統(tǒng)通信。采用最新支持CAN1939和CAN-open兩種協(xié)議的觸摸屏,用戶可通過觸摸屏執(zhí)行各種操作命令，方便地瀏覽輸入、輸出、負(fù)載等相關(guān)參數(shù)及波形，及時獲得有源電力濾波器各模塊當(dāng)前的狀態(tài)和告警信息。
[0036]如圖6所示，基于CAN總線的通訊與遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)通過采集各模塊網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的電流、電壓、頻率、溫度等實時數(shù)據(jù)，對是否過流、過熱關(guān)機(jī)、功率和功率因數(shù)等數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，然后將這些數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息存儲在數(shù)據(jù)存儲器中，通過CAN總線傳送至監(jiān)控臺的上位機(jī)。
[0037]如圖7所示，F(xiàn)28M35X芯片的主機(jī)子系統(tǒng)Cortex_M3內(nèi)核含有獨特的內(nèi)嵌式雙CAN控制器，通過收發(fā)器即可實現(xiàn)此節(jié)點與總線的接口聯(lián)結(jié)。收發(fā)器SN65HVD232D是TI公司生產(chǎn)的CAN協(xié)議控制器和物理總線的接口芯片，為CAN控制器提供差動接收能力。終端加接120Ω匹配電阻，保證數(shù)據(jù)通信的抗干擾能力及可靠性。信息傳輸采用CAN通信協(xié)議，傳輸介質(zhì)采用雙絞線。
[0038]本文中所描述的具體實施例僅僅是對本發(fā)明精神作舉例說明。本發(fā)明所屬【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員可以對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或補(bǔ)充或采用類似的方式替代，但并不會偏離本發(fā)明的精神或者超越所附權(quán)利要求書所定義的范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種有源電力濾波器控制與通信系統(tǒng)，它包括信號預(yù)處理模塊、硬件保護(hù)模塊、I/o擴(kuò)展輸出模塊、光纖驅(qū)動模塊、通訊模塊以及由Concerto+FPGA組成的主控制器模塊，其中信號通過信號預(yù)處理模塊送入主控制器模塊，經(jīng)過一系列算法計算后通過I/O控制接口模塊以及光纖驅(qū)動模塊來控制有源電力濾波器中逆變器的開關(guān)管通斷，保護(hù)模塊用來實現(xiàn)系統(tǒng)故障保護(hù)，通訊模塊通過CAN總線實現(xiàn)實時參數(shù)顯示和有源電力濾波器的遠(yuǎn)程監(jiān)控。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種有源電力濾波器控制與通信系統(tǒng)，其特征在于:Concerto芯片采用Concerto F28M35x系列芯片，通過數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線與FPGA進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種有源電力濾波器控制與通信系統(tǒng)，其特征在于:信號通過信號預(yù)處理模塊送入主控制器模塊中Concerto F28M35x芯片的內(nèi)置數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，還包括一個多路模擬選擇開關(guān)，需要快速實時采樣的信號直接送入數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，其它信號經(jīng)多路模擬選擇開關(guān)送入數(shù)/模轉(zhuǎn)換器。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種有源電力濾波器控制與通信系統(tǒng)，其特征在于:所述待檢測的模擬信號從現(xiàn)場霍爾傳感器通過DB9標(biāo)準(zhǔn)接插件輸出，利用帶屏蔽電纜將各路模擬信號輸入到信號預(yù)處理模塊；所述信號預(yù)處理模塊中包括高精度采樣電阻、由雙極性TVS管組成的限幅環(huán)節(jié)、以及由高精度和高壓擺率運放組成的二階壓控濾波器；現(xiàn)場傳感器輸出的4-20mΑ模擬信號通過高精度電阻轉(zhuǎn)化成對應(yīng)的電壓信號，通過TVS管限幅以保護(hù)后續(xù)電路，該電壓信號通過抗混疊濾波器濾除高頻干擾，并輸入給Concerto+FPGA主控制器模塊。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種有源電力濾波器控制與通信系統(tǒng)，其特征在于:采用收發(fā)器SN65HVD232D與觸摸屏、上位機(jī)、其它控制系統(tǒng)通過CAN總線通信，傳輸介質(zhì)采用雙絞線。
6.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種有源電力濾波器控制與通信系統(tǒng)，其特征在于:控制系統(tǒng)與觸摸屏、上位機(jī)、其他控制系統(tǒng)間通過CAN總線通信，所采用的觸摸屏帶有CAN模塊，支持CAN-1939和CAN-open兩種協(xié)議。
【文檔編號】H02J13/00GK103532243SQ201310523790
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年10月30日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月30日
【發(fā)明者】席自強(qiáng), 肖貞仁 申請人:湖北工業(yè)大學(xué)