一種基於數位訊號處理晶片控制的有源電力濾波器裝置的製作方法
2023-05-26 07:16:26
專利名稱：一種基於數位訊號處理晶片控制的有源電力濾波器裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於電力裝置有源電力濾波器(Active Power Filter，APF)控制技術 領域，是一種基於新型數位訊號處理器(digital signalprocessor, DSP)的有源電力濾波 器控制裝置。
背景技術：
有源電力濾波器是一種電力電子補償裝置，並接於電源和重要負荷之間，具有很 好的動態性能和諧波特性。有源電力濾波器可以看作一個受控電流源，其基本工作原理是 將裝置中所含諧波及無功電流檢出，並產生與其大小相等、相 位差180°的補償電流，注入 輸電線路，抵消其中的諧波及無功電流。五電平有源電力濾波器通常由五電平變流裝置、濾 波電感以及採樣電路和控制裝置構成，其控制裝置多由定點型DSP作為控制核心，整個裝 置的一，二次側控制信號和反饋信號多採用模擬信號傳輸的方式，控制裝置存在硬體電路 複雜、調試困難、抗幹擾能力差和編程複雜等缺點。由於大功率電路對觸發脈衝要求很高， 傳統控制裝置無論在控制精度還是控制速度上都難以滿足現代功率電路的要求。隨著數字 化控制技術的迅猛發展以及電力行業對電能質量要求越來越高，對控制裝置的要求也不斷 提高，傳統控制裝置已經難以滿足現代工業對控制性能的要求。
實用新型內容本實用新型的目的在於提供一種基於數位訊號處理晶片控制的五電平有源電 力濾波器的裝置，它結合高性能的數位訊號處理器DSP和複雜可編程邏輯器件(Complex Programmable Logic Device, CPLD)，以及採用先進的光纖通訊裝置，可較好的克服上述傳 統控制裝置的缺點，是一種編程方便、速度快、抗幹擾能力強、精度高的控制裝置。本實用新型的詳細技術方案一種基於數位訊號處理晶片控制的有源電力濾波器 裝置，其特徵在於它是由控制面板、中央數據處理電路、光電轉換電路、光纖通訊裝置和驅 動電路、五電平功率電路和電流採樣電路組成。其中，所說的中央數據處理電路包括DSP和 CPLD的兩個電路單元；所說的控制面板與DSP是雙向連接；所說的DSP電路單元與CPLD電 路單元之間為雙向連接；所說的CPLD電路單元的輸出端與光電轉換電路的輸入端連接；所 說的光電轉換電路的輸出端與光纖通訊裝置和驅動電路的輸入端連接；所說的光纖通訊裝 置和驅動電路的輸出端與五電平功率電路的輸入端連接；所說的五電平功率電路的輸出端 與電力裝置的輸入端連接；所說的電流採樣電路的輸入端與電力裝置的輸出端連接，其輸 出端與DSP電路單元的輸入端連接。上述所說的中央數據處理電路由電源裝置、晶振電路、DSP電路單元、開入/開出 控制電路、人機界面-控制面板、網線和CPLD擴展晶片組成；其中，所說的電源裝置是為中 央數據處理電路各個模塊提供電源的電源裝置；所說的晶振電路的輸出端與DSP電路單元 的輸出引腳連接；所說的開入/開出控制電路由中央數據處理電路的一塊姐妹電路構成， 且與中央數據處理電路呈雙向連接；人機界面-控制面板依網線與DSP電路單元呈雙向連接；所說的CPLD擴展晶片與DSP電路單元呈雙向連接。上述所說的DSP為TMS320F28335浮點型DSP。上述所說的光纖通訊裝置和驅動電路主要包括通訊光纖、驅動電路和驅動電路側的光電轉換單元；所說的驅動電路側的光電轉換單元的輸入端依通訊光纖接收由CPLD擴 展晶片發出的控制脈衝，其輸出端與驅動電路的輸入端連接；所說的驅動電路將輸出的驅 動脈衝輸出給五電平功率電路；所說的通訊光纖含24路驅動電路光纖和6路反饋信號傳輸 光纖；其中24路驅動電路光纖是用來將CPLD擴展晶片輸出的24路控制脈衝輸出至驅動電 路的通訊光纖，所說的6路反饋信號傳輸光纖是將驅動電路的工作狀態反饋給CPLD的傳輸 光纖。上述所說的驅動電路側光電轉換單元包括濾波電容C01、信號接收光纖頭 0P2521、上拉電阻RD1、二極體D2、放電電阻R5、電容C4、電容C5、斯密特觸發器40106晶片； 其中，所說的濾波電容COl連接信號接收光纖頭0P2521的引腳；所說的上拉電阻RDl與信 號接收光纖頭0P2521的引腳連接；所說的二極體D2和放電電阻R5並聯後串在信號接收光 纖頭0P2521和斯密特觸發器40106晶片之間；所說的電容C4、電容C5分別與斯密特觸發 器40106晶片的引腳連接。上述所說的驅動電路由包括2SD315A驅動晶片的驅動電路組成；其中驅動晶片的 輸入端接收斯密特觸發器40106晶片的輸出信號；所說的驅動晶片的輸出端與五電平功率 單元的輸入端連接。上述所說的五電平功率電路包括單相8個含續流二極體的IGBT主管、濾波電感 Lf ；所說的每相8個含續流二極體的IGBT主管呈串聯連接，其一端連接到濾波電感端，另一 端連接到一起；所說的每單相8支IGBT主管與濾波電感Lf連接，並串聯到電力裝置中。本實用新型的優越性和技術效果在於1、利用高性能浮點型數位訊號處理晶片實 現五電平有源電力濾波器的控制，很大程度上提高控制的速度和精度，改善了傳統定點型 DSP編程複雜的問題，使整個控制裝置具有很好的調節性能和可靠性；2、採用DSP+CPLD組 成控制裝置，硬體電路簡單、輸出觸發脈衝安全可靠、實時控制精度高，可較大提高裝置的 穩定性和可靠性；3、採用光纖通訊裝置，改善了傳統模擬信號傳輸方式引起的信號衰弱，抗 幹擾能力差的問題；4、採用五電平功率模塊電路作為APF的主電路拓撲結構，可提高了裝 置容量以及補償電壓，改善輸出電壓的諧波特性；4、採用2SD315A驅動晶片作為驅動脈衝 的觸發晶片，具有驅動能力強、控制方便、並具有過壓、過流的保護功能；5、具有廣闊的市場 應用前景。
附圖1為本實用新型所涉一種基於數位訊號處理晶片控制的有源電力濾波器的 裝置的整體結構示意圖。附圖2為本實用新型所涉一種基於數位訊號處理晶片控制的有源電力濾波器的 裝置中的中央數據處理電路結構示意圖。附圖3為本實用新型所涉一種基於數位訊號處理晶片控制的有源電力濾波器的 裝置中的光纖通訊電路和功率驅動電路結構示意圖。其中，圖3-A為驅動電路側的光電轉換單元的電路結構圖；圖3-B為驅動電路的結構框圖。附圖4為本實用新型所涉一種基於數位訊號處理晶片控制的有源電力濾波器的 裝置中的五電平有源電力濾波器裝置電路。
具體實施方式
實施例一種基於數位訊號處理晶片控制的有源電力濾波器的裝置(見圖1)，包 括含電流互感器的電力裝置，其特徵在於它是由控制面板、中央數據處理電路、光電轉換電 路、光纖通訊裝置和驅動電路、三電平功率電路和電壓採樣電路組成；其中，所說的中央數 據處理電路包括DSP和CPLD的兩個電路單元；所說的控制面板與DSP是雙向連接；所說的 DSP電路單元與CPLD電路單元之間為雙向連接；所說的CPLD電路單元的輸出端與光電轉 換電路的輸入端連接；所說的光電轉換電路的輸出端與光纖通訊裝置和驅動電路的輸入端 連接；所說的光纖通訊裝置和驅動電路的輸出端與五電平功率電路的輸入端連接；所說的 五電平功率電路的輸出端與電力裝置的輸入端連接；所說的電流採樣電路的輸入端與電力 裝置的輸出端連接，其輸出端與DSP電路單元的輸入端連接。上述所說的中央數據處理電路(見圖2)由電源裝置、晶振電路、TMS320F28335浮 點型DSP電路單元、開入/開出控制電路、人機界面-控制面板、網線和CPLD擴展晶片組成； 其中，所說的電源裝置是為中央數據處理電路各個模塊提供電源的電源裝置；所說的晶振 電路的輸出端與DSP電路單元的輸出引腳連接；所說的開入/開出控制電路由中央數據處 理電路的一塊姐妹電路構成，且與中央數據處理電路呈雙向連接；人機界面-控制面板依 網線與DSP電路單元呈雙向連接；所說的CPLD擴展晶片與DSP電路單元呈雙向連接。上述所說的光纖通訊裝置和驅動電路(見圖3)主要包括通訊光纖、驅動電路和驅 動電路側的光電轉換單元；所說的驅動電路側的光電轉換單元的輸入端依通訊光纖接收由 CPLD擴展晶片發出的控制脈衝，其輸出端與驅動電路的輸入端連接；所說的驅動電路將輸 出的驅動脈衝輸出給五電平功率電路；所說的通訊光纖含24路驅動電路光纖和6路反饋信 號傳輸光纖；其中24路驅動電路光纖是用來將CPLD擴展晶片輸出的24路控制脈衝輸出至 驅動電路的通訊光纖，所說的6路反饋信號傳輸光纖是將驅動電路的工作狀態反饋給CPLD 的傳輸光纖。上述所說的驅動電路側光電轉換單元(見圖3-A)包括濾波電容C01、信號接收光 纖頭0P2521、上拉電阻RDl、二極體D2、放電電阻R5、電容C4、電容C5、斯密特觸發器40106 晶片；其中，所說的濾波電容COl連接信號接收光纖頭0P2521的引腳；所說的上拉電阻RDl 與信號接收光纖頭0P2521的引腳連接；所說的二極體D2和放電電阻R5並聯後串在信號接 收光纖頭0P2521和斯密特觸發器40106晶片之間；所說的電容C4、電容C5分別與斯密特 觸發器40106晶片的引腳連接。上述所說的驅動電路(見圖3-B)由包括2SD315A驅動晶片的驅動電路組成；其中 驅動晶片的輸入端接收斯密特觸發器40106晶片的輸出信號；所說的驅動晶片的輸出端與 五電平功率單元的輸入端連接。上述所說的五電平功率電路(見圖4)包括單相8個含續流二極體的IGBT主管、濾 波電感Lf ；所說的每相8個含續流二極體的IGBT主管呈串聯連接，其一端連接到濾波電感端， 另一端連接到一起；所說的每單相8支IGBT主管與濾波電感Lf連接，並串聯到電力裝置中。
權利要求一種基於數位訊號處理晶片控制的有源電力濾波器的裝置，其特徵在於它是由控制面板、中央數據處理電路、光電轉換電路、光纖通訊裝置和驅動電路、五電平功率電路和電流採樣電路組成。其中，所說的中央數據處理電路包括DSP和CPLD的兩個電路單元；所說的控制面板與DSP是雙向連接；所說的DSP電路單元與CPLD電路單元之間為雙向連接；所說的CPLD電路單元的輸出端與光電轉換電路的輸入端連接；所說的光電轉換電路的輸出端與光纖通訊裝置和驅動電路的輸入端連接；所說的光纖通訊裝置和驅動電路的輸出端與五電平功率電路的輸入端連接；所說的五電平功率電路的輸出端與電力裝置的輸入端連接；所說的電流採樣電路的輸入端與電力裝置的輸出端連接，其輸出端與DSP電路單元的輸入端連接。
2.根據權利要求1中所說的一種基於數位訊號處理晶片控制的有源電力濾波器的裝 置，其特徵在於所說的中央數據處理電路由電源裝置、晶振電路、DSP電路單元、開入/開出 控制電路、人機界面-控制面板、網線和CPLD擴展晶片組成；其中，所說的電源裝置是為中 央數據處理電路各個模塊提供電源的電源裝置；所說的晶振電路的輸出端與DSP電路單元 的輸出引腳連接；所說的開入/開出控制電路由中央數據處理電路的一塊姐妹電路構成， 且與中央數據處理電路呈雙向連接；人機界面-控制面板依網線與DSP電路單元呈雙向連 接；所說的CPLD擴展晶片與DSP電路單元呈雙向連接。
3.根據權利要求1中所說的一種基於數位訊號處理晶片控制的有源電力濾波器的裝 置，其特徵在於所說的DSP為TMS320F28335浮點型DSP。
4.根據權利要求1中所說的一種基於數位訊號處理晶片控制的有源電力濾波器的裝 置，其特徵在於所說的光纖通訊裝置和驅動電路主要包括通訊光纖、驅動電路和驅動電路 側的光電轉換單元；所說的驅動電路側的光電轉換單元的輸入端依通訊光纖接收由CPLD 擴展晶片發出的控制脈衝，其輸出端與驅動電路的輸入端連接；所說的驅動電路將輸出的 驅動脈衝輸出給五電平功率電路；所說的通訊光纖含24路驅動電路光纖和6路反饋信號傳 輸光纖；其中24路驅動電路光纖是用來將CPLD擴展晶片輸出的24路控制脈衝輸出至驅動 電路的通訊光纖，所說的6路反饋信號傳輸光纖是將驅動電路的工作狀態反饋給CPLD的傳 輸光纖。
5.根據權利要求1中所說的一種基於數位訊號處理晶片控制的有源電力濾波器的 裝置，其特徵在於所說的驅動電路側光電轉換單元包括濾波電容C01、信號接收光纖頭 0P2521、上拉電阻RD1、二極體D2、放電電阻R5、電容C4、電容C5、斯密特觸發器40106晶片； 其中，所說的濾波電容COl連接信號接收光纖頭0P2521的引腳；所說的上拉電阻RDl與信 號接收光纖頭0P2521的引腳連接；所說的二極體D2和放電電阻R5並聯後串在信號接收光 纖頭0P2521和斯密特觸發器40106晶片之間；所說的電容C4、電容C5分別與斯密特觸發 器40106晶片的引腳連接。
6.根據權利要求1中所說的一種基於數位訊號處理晶片控制的有源電力濾波器的裝 置，其特徵在於所說的驅動電路由包括2SD315A驅動晶片的驅動電路組成；其中驅動晶片 的輸入端接收斯密特觸發器40106晶片的輸出信號；所說的驅動晶片的輸出端與五電平功 率單元的輸入端連接。
7.根據權利要求1中所說的一種基於數位訊號處理晶片控制的有源電力濾波器的裝 置，其特徵在於所說的五電平功率電路包括單相8個含續流二極體的IGBT主管、濾波電感Lf ；所說的每相8個含續流二極體的IGBT主管呈串聯連接，其一端連接到濾波電感端，另一端連接到一起；所說的每單相8支IGBT主管與濾波電感Lf連接，並串聯到電力裝置中。
專利摘要一種基於數位訊號處理晶片控制的有源電力濾波器的裝置，它是由控制面板、中央數據處理電路、光電轉換電路、光纖通訊裝置和驅動電路、五電平功率電路和電流採樣電路組成。本實用新型提高控制的速度和精度，改善了傳統定點型DSP編程複雜的問題，使整個控制裝置具有很好的調節性能和可靠性；改善了傳統模擬信號傳輸方式引起的信號衰弱，抗幹擾能力差的問題；提高裝置容量以及補償電壓，改善輸出電壓的諧波特性；驅動脈衝的觸發晶片具有驅動能力強、控制方便、並具有過壓、過流的保護功能，有廣闊的市場應用前景。
文檔編號H02J3/01GK201562968SQ200920251230
公開日2010年8月25日 申請日期2009年12月3日 優先權日2009年12月3日
發明者周雪松, 宋代春, 權博, 李聖明, 田密, 程德樹, 馬幼捷 申請人:天津理工大學