技术领域
[0001] 本
发明涉及一种基于三电平拓扑采用双DSP主控的
电流平衡补偿滤波控制方法，属于电
力设备及电气工程领域。
背景技术
[0002] 近些年来，随着电力
电子技术的迅猛发展，大量非线性负载尤其是整流负载在配
电网中分布越来越广泛，这就导致整个电网充斥着大量的谐波。在三相四线的低压系统中单相负载的运行造成了有功
不平衡电流的产生。往往在同一系统中即存在着谐波电流和
无功电流也存在着有功不平衡电流，这导致多种不利条件共同存在于同一电网中，传统的装置只能实现单一的消除功能，这就造成了用户往往需要购买多种设备治理电网，不但成本大大增加而且对有限面积的变配电控制室造成了很大的安装压力，对电网供电部
门和用户带来了非常恶劣的影响，因此非常有必要对电网污染采取综合的治理措施。并联功率平衡补偿装置采用全控型电力电子器件，通过先进的谐波、无功、有功检测和控制策略，能够实现谐波和
无功功率、有功功率的灵活有效补偿，在配电网领域获得了广泛的应用，用于对用户的谐波污染、功率因数低和三相不平衡这三种
电能质量问题进行有效的治理。
[0003] 目前，补偿、滤波控制中采用的传统的PI、PR、PIR等控制策略都为实现更好的电网治理效果。但传统的单主控控制方式只能实现单一的治理功能，由于受到芯片自身性能的制约无法将三种治理电网方法同时加入到单一主控中，即使强制加入到一起也会导致CPU运算率超高，芯片高度发热、运算周期内数据无法算完等问题以及IO不够使用等棘手问题。最终导致电网治理效果不理想。考虑到上述问题，本设计对单一主控进行全面升级，采用双DSP芯片(TMS28335)主控协同工作，高速分工运算数据，运算数据相互校验，运算功能多元化支持，芯片之间采用高速CAN通信同步数据。最终实现对电网中的无功电流、谐波电流以及不平衡电流同时治理的目的。
发明内容
[0004] 本发明的目的是为了解决现有的有功平衡装置、无功补偿装置、有源滤波装置实现功能单一、运算效率低、运行CPU使用率高、芯片发热严重、滤除高次谐波能力有限、多功能同时实现效果不理想等存在的问题，进而提供一种基于三电平拓扑双DSP主控的补偿滤波控制方法。
[0005] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
[0006] 一种基于三电平拓扑双DSP主控的补偿滤波控制方法，具体步骤为：
[0007] 步骤一：双DSP校验系统参数
[0008] 外部显示屏通过RS232
接口将系统参数数据传输给DSP2，DSP2初步校验无误后发送给DSP1，DSP1再次校验无误后存储并通知DSP2，DSP2存储数据后通知外部显示屏；
[0010] DSP1通过ADC引脚采集网侧
电压、直流
母线电压、设备电流和IGBT
温度信号，采集网测电压数据后通过
锁相环锁定交流
相位为公频50Hz，并将相位值转换为三
角函数Uasin及Uacos；采集的
直流母线电压滤波后传递给增量式PI
控制器，采用增量式PI控制器闭环控制直流母线电压并调节至目标值720VDC，PI控制器输出值通过C32变换转换为
三相电流给定；采集设备电流用于后续步骤中的比例控制器闭环控制以及设备瞬时过流保护；采集IGBT温度用于控制设备
风机启停以及IGBT过温保护跳闸；
[0011] 步骤三：DSP2系统数据采集运算
[0012] DSP2通过ADC引脚采集网测电压、负载电流、三电平母线电压以及负一半母线电压计算电压相位、补偿电流、平衡电流、3到49次谐波电流以及正负母线均压电流；DSP2采集网侧电压后通过
软件锁相环并根据步骤二中DSP1的计算方法计算得出Uasin2及Uacos2；DSP2采集三电平母线电压以及负一半母线电压后计算出正一半的母线电压及负一半的母线电压后做差作为正负母线均压参考，母线均压参考作为2次谐波电流给定后通过C23变换转换为三相均压电流参考；DSP2通过采集负载电流经过C32变换计算得出无功补偿电流以及三相有功平衡电流以及3到49次谐波电流；
[0013] 步骤四：DSP1和DSP2通过高速CAN总线传输数据
[0014] DSP1与DSP2的CAN总线接口通过转换
电路后连接在一起，通过软件程序配置，实现1Mbps通信速度，50us的计算周期内可传输128个字节数据，通过CAN总线邮箱传递数据，邮箱数据长度4*16位，前三个16位数据传递实时数据三相电流补偿值即有功平衡电流、无功补偿电流、谐波电流以及均压电流之和，DSP1每个计算周期50us内都能接收到DSP2传递过来的三相电流补偿值并将三个电流补偿值加载到比例运算控制器中实现闭环控制；DSP1接收到第四个16位数据Uasin2值后与自身算出的Uasin值进行比较，当两个DSP算出的
相位差值超过允许范围时每个DSP各自本周期相位值与上一周期相位值做比较，取差值小的值作为本周期相位值；
[0015] 步骤五：DSP1的补偿控制
[0016] DSP1接收DSP2通信传输的三相平衡电流、无功补偿电流、谐波电流及均压参考值后将三相平衡电流、无功补偿电流、谐波电流及均压参考值与DSP1算出的三相电流给定求和后作为新的三相电流参考；新的三相电流参考与三相设备电流做差后乘以比例系数K再与滤波后的三相网侧电压相加从而组成比例控制器，比例控制器输出值与直流母线电压相比得到三相PWM信号调节占空比，其中电压参考作为PWM给定；补偿滤波装置的A、B、C相每相4只IGBT
串联由四路PWM信号控制，共12路PWM信号控制IGBT
开关实现补偿调节功能；
[0017] 步骤六，保护策略
[0018] IGBT温度保护：通过频压转换电路将
频率转换成电压信号经过ADC引脚进入到DSP1中，DSP1通过判定该温度值进行设备
散热风机的启停控制及温度过高保护；
[0019] 驱动故障保护：DSP1通过CAP接口接收驱动故障信号，软件通过检测CAP接口边沿状态进行中断响应，瞬间封锁PWM信号并跳闸报警；
[0020] 过流保护：ADC通过检测设备电流进行设备过流保护，当某一个计算周期50us内出现电流值超过保护值时软件迅速闭锁PWM信号并跳闸报警；
[0021]
电压保护：ADC通过检测直流母线电压保护设备中的电容器，当设备出现故障直流电压过高时，软件会在一个计算周期50us内做出响应，瞬间闭锁PWM信号并跳闸报警。
[0022] 本发明一种基于三电平拓扑双DSP主控的补偿滤波控制方法，所述三相电流给定作为维持直流母线恒定在720VDC的值。
[0023] 本发明一种基于三电平拓扑双DSP主控的补偿滤波控制方法，所述步骤五中的DSP1接收DSP2通信传输的三相平衡电流、无功补偿电流、滤波电流及均压参考值为补偿电网中有功平衡电流、无功电流、谐波电流以及系统均压的电流值。
[0024] 本发明一种基于三电平拓扑采用双DSP主控的电流平衡补偿滤波控制方法，同时实现无功电流补偿、有功功率平衡、谐波滤除功能，治理电网电能质量高效、精确、稳定，相比传统控制方法运算速度快，运算频率高(周期可达20KHz)、补偿
精度高、CPU占有率低、芯片发热量低、同时实现补偿滤波平衡功能、同时滤除3到49次谐波、闭环控制调节、保护功能齐全。
附图说明
[0027] 图3为本发明的系统参数通信框图。
[0028] 图4为本发明的DSP1系统数据采集运算及闭环控制框图。
[0029] 图5为本发明的DSP2系统数据采集控制框图。
[0030] 图6为本发明的CAN总线高速通信电路图。
[0031] 图7为本发明的保护策略框图。
[0032] 图8为本发明中频压保护电路的电路图。
[0033] 图9为本发明补偿前负载所产生的畸变电流
波形。
[0034] 图10为本发明补偿后电网的电流波形。
[0035] 图11为本发明补偿后电网电压波形。
[0036] 图12为本发明补偿前后电流波形对比。
具体实施方式
[0037] 下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明：本
实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式，但本发明的保护范围不限于下述实施例。
[0038] 实施例一：如图1-12所示，本实施例所涉及的一种基于三电平拓扑双DSP主控的补偿滤波控制方法，稳定高速精准的综合实现无功功率补偿、有功功率平衡、3至49次谐波滤除等功能，由以下步骤实现：
[0039] 步骤一，锁相环锁定交流相位
[0040]
[0041]
[0042] 由于系统计算频率为20Khz，即一个公频周期(50HZ)下400次周期循环，即N＝400,ConversionCount1为周期计数(0-N)，FONE＝1/N,FTWO＝2/N，PI2为2*π＝2*3.1416，first_i＝0代表第一个周期，下一个周期后first_i＝1，Ua为网侧交流电压周期数组，UaN为网侧实时电压值，Fa为网测电压峰值，Uacos、Uasin为锁相后的相位，其它变量为中间变量。
[0043] 步骤二，DSP1采用增量式PI闭环控制直流母线电压调节至目标值[0044] Udc_deltanew＝Udc_ref-Udcdc；/
[0045] Ip_delta＝Kpdc*(Udc_deltanew-Udc_deltapre)+Kidc*Udc_deltanew；
[0046] Udc_deltapre＝Udc_deltanew；
[0047] Ip＝Ip+Ip_delta；
[0048] if(Ip>PI_MAX)Ip＝PI_MAX；//PI
[0049] if(Ip<-PI_MAX)Ip＝-PI_MAX；
[0050] Udcdc为直流母线信号滤波之后的值，Udc_ref为直流母线整定值(目标值)，Kpdc,kidc为PI值(实验得出)，Ip为PI调节输出值(直流母线闭环给定)，PI_MAX为PI调节限定值，其它变量为增量式PI建立中间值。
[0051] 步骤三，DSP1采用比例运算控制器计算出PWM信号调节占空比
[0052]
[0053]
[0054] PWMV值为1，Ip为直流母线整定经PI控制器后的输出值，Ica为A相设备电流，Icaref为A相控制电流输出值,Icbref为B相控制电流输出值,Iccref为C相控制电流输出值，flag_UdcOK＝1为直流母线整定完成标志，Ila_all为A相所有补偿电流之和即为无功补偿电流、有功平衡电流、谐波补偿电流以及设备母线均压电流之和，该值通过DSP2中CAN总线高速通信获得。K为比例控制器比例系数。Uaref为A相控制电压输出值，比例控制器将Icaref控制电流转换为Uaref控制电压。控制电压除以当前直流母线得到最终PWM控制电压的装载值，该值通过控制PWM驱动开关器件，通过连接到三电平全桥整流逆变电路中实现电网质量的并联动态治理。
[0055] 步骤四、A、B、C相，每相4只IGBT串联由四路PWM信号控制
[0056]
[0057]
[0058] Uraq为A相控制电压输出值将该值装入PWM控制器中，以50us频率为调节周期,以40K的转载速度进行装载(每周期装载两次),EPwm1Regs.CMPA为1路PWM控制寄存器，EPwm1Regs.CMPB为2路PWM控制寄存器，EPwm2Regs.CMPA为3路PWM控制寄存器，EPwm2Regs.CMPB为4路PWM控制寄存器，通过信号采集运算输出实现整个系统的闭环控制(B相、C相与A相PWM算法相同不在列举)；
[0059] 步骤五、DSP2的控制实时算法
[0060] 1、采集网侧交流电压进行锁相，锁相算法通过DSP1中算法，计算得出Uasin2和Uacos2
[0061] 2、采集负载电流信号，计算无功补偿电流、有功平衡电流
[0062]
[0063] 上式为计算过程中C32变换公式，ia,ib,ic为负载电流即adc2013.IA,adc2013.IB,adc2013.IC，得到iα和iβ即IlAlpha，IlBeta。
[0064]
[0065] 上式为C变换公式，得到
直流分量ip和iq即Ilqdc和Ilpdc
[0066]
[0067] 上式为C32变换公式，得到三相
交流分量ialf,iblf,iclf即Ila_p+Ila_q和Ilb_p+Ilb_q和Ilc_p+Ilc_q为A、B、C相无功电流和有功平衡电流之和；
[0068] 实现代码如下：
[0069] IlAlpha＝IA；
[0070] IlBeta＝(-1.1547006)*IC-(IA*(0.5773503))；
[0071] Ilqdc＝(IlAlpha*Uasin)+IlBeta*(-Uacos)；
[0072] IlAlpha_1＝(-(Ilqdc)*Uasin)；//fpark
[0073] IlBeta_1＝-(Ilqdc)*(-Uacos)；
[0074] Ila_q＝IlAlpha_1；////fclack
[0075] Ilc_q＝-((0.8660254038)*IlBeta_1)-(IlAlpha_1*(0.5))；
[0076] Ilb_q＝-(Ila_q+Ilc_q)；
[0077] Ilpdc＝IlAlpha*Uacos+IlBeta*Uasin；
[0078] IlAlpha_2＝(Ilpdc*Uacos)；；
[0079] IlBeta_2＝(Ilpdc*Uasin)；
[0080] Ila_p_1＝IlAlpha_2；//fclack
[0081] Ilc_p_1＝-((0.8660254038)*IlBeta_2)-(IlAlpha_2*(0.5))；
[0082] Ilb_p_1＝-(Ila_p+Ilc_p)；//
[0083] Ila_p_aver＝(Ila_p+Ilb_p+Ilc_p)/3；
[0084] Ila_p＝Ila_p_1-Ila_p_aver；
[0085] Ilb_p＝Ilb_p_1-Ilb_p_aver；
[0086] Ilc_p＝Ilc_p_1-Ilc_p_aver；
[0087] IA为负载A相电流，IC为负载C相电流，通过clack和park变换，将负载电流中的无功分量分离出来，得到无功直流分量Ilqdc，再将直流无功分量Ilqdc反变换回交流量Ila_q、Ilb_q、Ilc_q即为三相无功补偿电流。同理得到三相有功分量Ila_p_1、Ilb_p_1、Ilc_p_1对三相有功电流进行平衡分配得到三相有功平衡电流Ila_p、Ilb_p、Ilc_p。
[0088] 3、计算3到49次谐波电流以5次谐波计算方法为例：
[0089]
[0090] 其中phase5为5次谐波相位基值，CosValue5，SinValue5为5次谐波相位，Ip5dc为5次谐波P轴直流分量，Iq5dc为5次谐波Q轴直流分量，Iaf5，Ibf5，Icf5为5次谐波三相补偿值。以此方法求出3到49次谐波值并求和得出Ila3_49，Ilb3_49，Ilc3_49值。
[0091] 4、计算直流母线均压电流给定：
[0092]
[0093] 其中phase2为均压相位基值，CosValue2，SinValue2为2次谐波相位，Ip2为均压P轴直流分量，Ip2为均压Q轴直流分量，IlAV，IlBV，IlCV为均压三相补偿值。
[0094] 实施例二：如图1-6所示，本实施例所涉及的一种基于三电平拓扑双DSP主控的补偿滤波控制方法，
[0095] 通过图1、图4和图5可知：
[0096] DSP1采集Ua电压给入PLL软件锁相环中，锁定相位后与DSP2相位相互校验，校验成功后作为电压相位基准；
[0097] DSP1采集母线电压Udc经过PI控制器后与锁相相位一起进行矩阵C及C32变换变成三相电流给定，该三相电流给定加入比例控制器BL中作为维持直流母线电压到目标值的给定，三相直流母线给定Ipa、Ipb、Ipc与DSP2传输的Ila_all、Ilb_all、Ilc_all共同进入SUM进行求和操作得到系统中需要发送的所有电流之和Icaref、Icbref、Iccref。(Ila_all为A相有功电流、无功电流、滤波电流以及均压电流之和，B、C相与A相相同)[0098] Icaref、Icbref、Iccref和Ua、Ub、Uc以及Ia、Ib、Ic一起输入比例控制器BL中经比例控制器BL将三相电流输出转换为
三相电压输出Uaref、Ubref、Ucref。三相电压输出经PWM控制器产生12路PWM脉冲进行最终控制。
[0099] DSP2采集Ua电压给入PLL软件锁相环中，锁定相位后与DSP1相位相互校验，校验成功后给入PH中计算得出3至49次谐波相位，图中以5次谐波为例，得到5次谐波相位sin5和-cos5并将该值输出到C矩阵运算中。
[0100] DSP2采集三相负载电流Ia、Ib、Ic后经过矩阵C32变换后给入到C控制器中得到Ilq、Ilp、Ip5dc等谐波、无功、有功平衡需求电流直流分量，经LPF对直流分量进行滤波后进行C及C32矩阵反变换最终在SUM中求和得出Ila_all、Ilb_all、Ilc_all输出需求电流之和。
[0101] 通过图2可知：
[0102] 图中具有电网部分、负载部分、IGBT开关管部分、驱动及保护电路部分以及本方法设计的PWM调制控制部分。本方法设计框图为图中虚线框中范围，通过采集各路信号后算出瞬时谐波、有功、无功电流后给入3D-PWM补偿电流控制法中，最终生成12路PWM波。
[0103] 通过图3可知：
[0104] 外部显示屏通过Rs232接口发送系统参数给DSP2，DSP2对系统参数的首尾位、长度及数据和值进行校验，校验无误后通过DSP2的SCI接口将数据传递给DSP1,DSP1对数据的首尾位、长度及数据和值进行校验校验无误后存储数据并通过LCI接口告知DSP2，DSP2接收确认后存储系统参数并发送数据通信成功给外部显示屏,完成整个参数校验过程。
[0105] 通过图6可知：
[0106] CANTXA1、CANRXA1代表DSP1的CAN总线功能引脚，CANTXA2、CANRXA2代表DSP2的CAN总线引脚。通过两片82C250建立双DSP的CAN总线通信通道，通过软件编程通信速率可达1Mbps。
[0107] 通过图7可知：
[0108] Ta、Tb、Tc信号经过ADC引脚进入到DSP1中，DSP1通过判定该温度值进行设备散热风机的启停控制及温度过高保护。
[0109] 驱动故障保护，DEVa、DEVb、DEVc通过CAP接口接收驱动故障信号，故障信号进入到保护器1中软件通过检测CAP接口边沿状态进行中断响应，瞬间封锁PWM信号并跳闸报警。
[0110] 过流保护，Ica、Icb、Icc信号进入到ADC中，信号采集完成后进入保护器1中，通过保护策略进行设备过流保护，当某一个计算周期内(50us)出现电流值超过保护值时软件迅速闭锁PWM信号并跳闸报警。
[0111] 电压保护，ADC检测直流母线电压Udc后将
采样值输出到保护器1中，通过保护策略保护设备中的电容器，当设备出现故障直流电压过高时，软件会在一个计算周期内(50us)做出响应，瞬间闭锁PWM信号并跳闸报警。
[0112] 以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，这些具体实施方式都是基于本发明整体构思下的不同实现方式，而且本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉
本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以
权利要求书的保护范围为准。
