一种apf电流滞环跟踪控制的过采样数字实现方法
专利名称：一种apf电流滞环跟踪控制的过采样数字实现方法
技术领域：
本发明涉及电力电子控制方法，尤其涉及一种APF电流滞环跟踪控制的过采样数 字实现方法。
背景技术：
污染电网的电流分量包括各次谐波电流分量、基波负序电流分量、基波正序无功 电流分量、以及零序电流分量等，抑制这些污染电网的电流分量最有效方式是投运有源电 力滤波器(Active Power Filter，简称APF)。APF需要尽可能实时检测出这些电流分量的 瞬时值，并尽可能同步发出与该电流瞬时值大小相同方向相反的电流量，从而消除这些污 染电网的电流分量。理论上，补偿分量瞬时值检测的IpIq谐波检测法是APF检测方法的首 选，具有高速电流动态响应能力的电流滞环跟踪控制方法是电流跟踪控制方法的首选；但 是这种首选方法在具体实现过程具有以下问题电流滞环跟踪控制采用模拟电路更容易实 现，但模拟电路较之数字电路具有明显缺陷。为了采用数字电路实现电流跟踪控制，目前采 用最多的方法是利用常规的定频采样进行滞环控制，这样虽然限制了开关频率，但由于开 关时间选择固定，同一指令量仅能跟踪一次，造成实际电流毛刺忽大忽小，电流控制精度不 高，补偿效果不理想；常规数字采样，各运算控制模块不能根据响应要求进行调节，控制系 统的稳定性和抗扰动能力不高；并且，常规数字采样，未能充分利用DSP处理器主循环运算 和中断运算之间的配合，以保证电流指令量检测的实时性和指令电流滞环跟踪的同步性。
发明内容
发明目的为了克服现有技术中采用数字方法实现指令电流滞环跟踪控制遇到的 技术问题，本发明提供一种APF电流滞环跟踪控制的过采样数字实现方法，利用数字芯片 过采样下抽取因子的不同，满足控制运算模块中动态响应不同的要求；且同一指令量可以 电流滞环跟踪多次，在开关频率恒定的条件下开关时间的选择灵活，具有高精度电流跟踪 控制能力；并充分配合利用DSP数字处理器的两种运算方式，保证补偿量检测的实时性和 补偿电流的同步性。技术方案为实现上述目的，本发明采用的技术方案为一种APF电流滞环跟踪控制的过采样数字实现方法，过采样模拟量输入，各种控 制运算根据其实现的功能设计成具有相应功能的控制运算模块，各个控制运算模块根据 其响应速度选取相应的抽取因子抽取采样数据，并根据抽取的采样数据进行相应的控制运 算；所述控制运算模块根据其实现的功能分为电流滞环跟踪相关运算模块和指令电流相关 运算模块，按照运算时间和响应速度的要求，将电流滞环跟踪相关运算模块置于DSP采样 中断运算中，将指令电流相关运算模块置于DSP主循环运算中，使电流滞环跟踪相关运算 与指令电流相关运算分离，以充分利用DSP采样中断运算和主循环运算的配合，保证指令 电流相关运算过程中电流跟踪的及时性。所述控制运算模块主要包括采样数据读取可靠性分析运算模块、补偿指令电流检测运算模块、直流母线电压控制运算模块、开关频率控制运算模块、补偿指令电流滞环跟踪 控制运算模块和软件电网电压锁相运算模块。所述电流滞环跟踪相关运算模块较指令电流相关运算模块具有更高的响应速度， 因而运算时间较短的电流滞环跟踪相关运算模块能够对运算时间较长的指令电流相关运 算模块运算得出的同一指令进行一次以上跟踪采样，并对设定范围内个数的跟踪采样点选 择开关动作，保证一定中断次数下的开关次数，即维持开关频率的恒定。通过开关频率控制 运算模块能够确定合适的环宽，维持开关频率的恒定，使误差电流基本落在环宽内。响应速度越低的控制运算模块选取抽取因子越大的抽取因子抽取采样数据，通过 抽取因子调节控制运算模块的响应速度，能够实现系统的稳定性。所述各个控制运算模块通过全局变量进行信息交互。有益效果本发明提供的一种APF电流滞环跟踪控制的过采样数字实现方法，利 用数字芯片过采样下抽取因子的不同，满足控制运算模块中动态响应不同的要求；且同一 指令量可以电流滞环跟踪多次，在开关频率恒定的条件下开关时间的选择灵活，具有高精 度电流跟踪控制能力；并充分配合利用DSP数字处理器的两种运算方式，保证补偿量检测 的实时性和补偿电流的同步性。
图1为本发明采用的数控策略实现示意图2为DSP过采样实现示意图3为控制运算模块的响应速度和抽取因子关系示意图4为直流母线电压控制运算模块实现示意图5为IpIq谐波检测实现示意图6为指令生成和指令跟踪关系示意图7为本发明方法中过采样控制补偿后网侧和负载电流波形图8为本发明方法中过采样控制补偿后网侧电流FFT分析结果；
图9为现有技术中常规定频采样控制补偿后网侧和负载电流波形图10为现有技术中常规定频采样控制补偿后网侧电流FFT分析结果
图11为图7、图9中负载侧电流FFT分析结果。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作更进一步的说明。一种APF电流滞环跟踪控制的过采样数字实现方法，整个控制运算基于如图1所 示的Ti DSP M812芯片，过采样模拟量输入，事件管理器模块(简称EV模块)的两个计数 器完成ADC过采样触发。各种控制运算根据其实现的功能设计成具有相应功能的控制运算 模块，主要包括采样数据读取可靠性分析运算模块、补偿指令电流检测运算模块、直流母线 电压控制运算模块、开关频率控制运算模块、补偿指令电流滞环跟踪控制运算模块和软件 电网电压锁相运算模块；各个控制运算模块通过全局变量进行信息交互。控制系统过采样环节如图2所示，通过DSP的EV模块的两个计数器GPTl和GPT2 完成采样触发，其中，GPTl完成等间隔采样触发，GPT2完成当前采样点的过采样触发；在GPTl触发采样后启动GPT2进行高频采样一定次数，GPT2采样数据作为备选数据，GPTl采 样触发通过锁相环与电网三相电压基波正序分量频率相位同步。所述控制运算模块细分7个模块，包括补偿指令量直流输出检测运算模块、补偿 指令量交流输出检测运算模块、直流母线电压控制运算模块、开关频率控制运算模块、软件 电网电压锁相运算模块、采样数据读取及可靠性分析运算模块和补偿指令电流滞环跟踪控 制运算模块。如图3所示为各控制运算模块的响应速度和抽取因子关系示意图，响应速度 越低的控制运算模块选取抽取因子越大的抽取因子抽取采样数据；响应速度不高的控制运 算模块，由于其运算输出相对较稳定，所以选择较大的抽取因子，以减少其运算量，如此处 理，也能够增加系统的稳定性和可靠性。直流母线电压控制运算模块的结构如图4所示，直流输出指令值IB_UdcIp*为注 入APF三相有功电流矢量的模值，对于APF该值一般是变动不大的稳定直流量，动态响应速 度不高，因此采用M点的平均值运算(等效于M因子抽取和滤波环节)，这样即可大大减少 计算量，又增加了系统控制稳定性和抗扰动性。主控DSP运行中有两种形式可以进行运算，为主循环运算和采用中断运算。如图 3所示，将响应速度要求较高的控制运算放于采样中断运算中，将响应速度要求较低的控制 运算放于主循环运算中，这样可以减少中断运算量，保证采样中断运算的短时性和及时性， 同时，保证主循环长时运算的快速性，在短时中断后又能够继续运算，与采样中断运算近似 并行。各运算模块的合理放置，在运算量不增加的情况下，减小了运算的时延，保证了数字 运算的实时性。IpIq谐波检测实现方法如图5所示，在图5中，将其分为补偿指令量直流输出检 测运算模块和补偿指令量交流输出检测运算模块。补偿指令量直流输出检测运算模块输出 直流量ILp_DC(基波正序有功分量在P轴上投影的直流量)和ILq_DC (基波正序有功分量 在Q轴上投影的直流量)，该模块运算量大，是检测延时的主要部分，但其值基本不会变化， 动态响应速度要求不高，所以将其放在主循环运算中，并采用一定的抽取因子减少计算次 数。补偿指令量交流输出检测运算模块计算量少，只需要进行直流量转交流量的运算即可 (cos θ ‘，sine'为此次中断电网电压基波正序分量矢量方向)，将其放在采样中断运算 中，这样在计算次数不增加，计算时延很小的情况下，生成了更多实时的指令量，实时性和 检测精度都得到了保证。由于运算时间较长的指令电流相关运算模块的抽取因子Ml大于运算时间较短的 电流滞环跟踪相关运算模块的抽取因子M2，如图6所示，同一指令生成后被N次采样跟踪， 在这N次采用跟踪中进行L次开关动作，并同时在开关频率控制运算模块中进行环宽调节， 使得N次中N-L次电流偏差落在环宽内，从而在实现了开关频率控制的同时，开关时间选 择范围很宽，接近模拟电路滞环电流跟踪控制，较现有技术的开关时间选择固定的定频采 样滞环，解决了检测延迟带来的影响，同时提高了电流控制精度，抑制了毛刺忽大忽小的现 象。实际应用时的补偿效果如图7图、8所示；图9、图10为现有技术中定频采样滞环下的 补偿效果；图11为图7、图9中负载侧电流FFT分析结果，其中，图7和图9中的CH1-CH2为 网侧电流，CH3-CH4为负载侧电流。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出对于本技术领域的普通技术人 员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
权利要求
1.一种APF电流滞环跟踪控制的过采样数字实现方法，其特征在于所述过采样数字 实现方法中，各种控制运算根据其实现的功能设计成具有相应功能的控制运算模块，各个 控制运算模块根据其响应速度选取相应的抽取因子抽取采样数据，并根据抽取的采样数据 进行相应的控制运算；所述控制运算模块根据其实现的功能分为电流滞环跟踪相关运算模 块和指令电流相关运算模块，其中电流滞环跟踪相关运算模块置于DSP采样中断运算中， 指令电流相关运算模块置于DSP主循环运算中。
2.根据权利要求1所述的APF电流滞环跟踪控制的过采样数字实现方法，其特征在于 所述控制运算模块包括采样数据读取可靠性分析运算模块、补偿指令电流检测运算模块、 直流母线电压控制运算模块、开关频率控制运算模块、补偿指令电流滞环跟踪控制运算模 块和软件电网电压锁相运算模块。
3.根据权利要求1所述的APF电流滞环跟踪控制的过采样数字实现方法，其特征在于 所述电流滞环跟踪相关运算模块对指令电流相关运算模块运算得出的同一指令进行一次 以上跟踪采样，并对设定范围内个数的跟踪采样点选择开关动作。
4.根据权利要求1所述的APF电流滞环跟踪控制的过采样数字实现方法，其特征在于 响应速度越低的控制运算模块选取抽取因子越大的抽取因子抽取采样数据。
5.根据权利要求1所述的APF电流滞环跟踪控制的过采样数字实现方法，其特征在于 所述各个控制运算模块通过全局变量进行信息交互。
全文摘要
本发明公开了一种APF电流滞环跟踪控制的过采样数字实现方法，各种控制运算根据其实现的功能设计成具有相应功能的控制运算模块，各个控制运算模块选取相应的抽取因子抽取采样数据，并根据采样数据进行相应的控制运算；所述控制运算模块根据其实现的功能分为电流滞环跟踪相关运算模块和指令电流相关运算模块，按照运算时间和响应速度的要求，将电流滞环跟踪相关运算模块置于DSP采样中断运算中，将指令电流相关运算模块置于DSP主循环运算中。本发明提供的方法，利用数字芯片过采样下抽取因子的不同，满足控制运算模块中动态响应不同的要求，具有高精度电流跟踪控制能力，并能够保证补偿量检测的实时性和补偿电流的同步性。
文档编号H02J3/01GK102104253SQ20101060074
公开日2011年6月22日 申请日期2010年12月22日 优先权日2010年12月22日
发明者曹武, 赵剑锋 申请人:东南大学
技术领域：
本发明涉及电力电子控制方法，尤其涉及一种APF电流滞环跟踪控制的过采样数 字实现方法。
背景技术：
污染电网的电流分量包括各次谐波电流分量、基波负序电流分量、基波正序无功 电流分量、以及零序电流分量等，抑制这些污染电网的电流分量最有效方式是投运有源电 力滤波器(Active Power Filter，简称APF)。APF需要尽可能实时检测出这些电流分量的 瞬时值，并尽可能同步发出与该电流瞬时值大小相同方向相反的电流量，从而消除这些污 染电网的电流分量。理论上，补偿分量瞬时值检测的IpIq谐波检测法是APF检测方法的首 选，具有高速电流动态响应能力的电流滞环跟踪控制方法是电流跟踪控制方法的首选；但 是这种首选方法在具体实现过程具有以下问题电流滞环跟踪控制采用模拟电路更容易实 现，但模拟电路较之数字电路具有明显缺陷。为了采用数字电路实现电流跟踪控制，目前采 用最多的方法是利用常规的定频采样进行滞环控制，这样虽然限制了开关频率，但由于开 关时间选择固定，同一指令量仅能跟踪一次，造成实际电流毛刺忽大忽小，电流控制精度不 高，补偿效果不理想；常规数字采样，各运算控制模块不能根据响应要求进行调节，控制系 统的稳定性和抗扰动能力不高；并且，常规数字采样，未能充分利用DSP处理器主循环运算 和中断运算之间的配合，以保证电流指令量检测的实时性和指令电流滞环跟踪的同步性。
发明内容
发明目的为了克服现有技术中采用数字方法实现指令电流滞环跟踪控制遇到的 技术问题，本发明提供一种APF电流滞环跟踪控制的过采样数字实现方法，利用数字芯片 过采样下抽取因子的不同，满足控制运算模块中动态响应不同的要求；且同一指令量可以 电流滞环跟踪多次，在开关频率恒定的条件下开关时间的选择灵活，具有高精度电流跟踪 控制能力；并充分配合利用DSP数字处理器的两种运算方式，保证补偿量检测的实时性和 补偿电流的同步性。技术方案为实现上述目的，本发明采用的技术方案为一种APF电流滞环跟踪控制的过采样数字实现方法，过采样模拟量输入，各种控 制运算根据其实现的功能设计成具有相应功能的控制运算模块，各个控制运算模块根据 其响应速度选取相应的抽取因子抽取采样数据，并根据抽取的采样数据进行相应的控制运 算；所述控制运算模块根据其实现的功能分为电流滞环跟踪相关运算模块和指令电流相关 运算模块，按照运算时间和响应速度的要求，将电流滞环跟踪相关运算模块置于DSP采样 中断运算中，将指令电流相关运算模块置于DSP主循环运算中，使电流滞环跟踪相关运算 与指令电流相关运算分离，以充分利用DSP采样中断运算和主循环运算的配合，保证指令 电流相关运算过程中电流跟踪的及时性。所述控制运算模块主要包括采样数据读取可靠性分析运算模块、补偿指令电流检测运算模块、直流母线电压控制运算模块、开关频率控制运算模块、补偿指令电流滞环跟踪 控制运算模块和软件电网电压锁相运算模块。所述电流滞环跟踪相关运算模块较指令电流相关运算模块具有更高的响应速度， 因而运算时间较短的电流滞环跟踪相关运算模块能够对运算时间较长的指令电流相关运 算模块运算得出的同一指令进行一次以上跟踪采样，并对设定范围内个数的跟踪采样点选 择开关动作，保证一定中断次数下的开关次数，即维持开关频率的恒定。通过开关频率控制 运算模块能够确定合适的环宽，维持开关频率的恒定，使误差电流基本落在环宽内。响应速度越低的控制运算模块选取抽取因子越大的抽取因子抽取采样数据，通过 抽取因子调节控制运算模块的响应速度，能够实现系统的稳定性。所述各个控制运算模块通过全局变量进行信息交互。有益效果本发明提供的一种APF电流滞环跟踪控制的过采样数字实现方法，利 用数字芯片过采样下抽取因子的不同，满足控制运算模块中动态响应不同的要求；且同一 指令量可以电流滞环跟踪多次，在开关频率恒定的条件下开关时间的选择灵活，具有高精 度电流跟踪控制能力；并充分配合利用DSP数字处理器的两种运算方式，保证补偿量检测 的实时性和补偿电流的同步性。
图1为本发明采用的数控策略实现示意图2为DSP过采样实现示意图3为控制运算模块的响应速度和抽取因子关系示意图4为直流母线电压控制运算模块实现示意图5为IpIq谐波检测实现示意图6为指令生成和指令跟踪关系示意图7为本发明方法中过采样控制补偿后网侧和负载电流波形图8为本发明方法中过采样控制补偿后网侧电流FFT分析结果；
图9为现有技术中常规定频采样控制补偿后网侧和负载电流波形图10为现有技术中常规定频采样控制补偿后网侧电流FFT分析结果
图11为图7、图9中负载侧电流FFT分析结果。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作更进一步的说明。一种APF电流滞环跟踪控制的过采样数字实现方法，整个控制运算基于如图1所 示的Ti DSP M812芯片，过采样模拟量输入，事件管理器模块(简称EV模块)的两个计数 器完成ADC过采样触发。各种控制运算根据其实现的功能设计成具有相应功能的控制运算 模块，主要包括采样数据读取可靠性分析运算模块、补偿指令电流检测运算模块、直流母线 电压控制运算模块、开关频率控制运算模块、补偿指令电流滞环跟踪控制运算模块和软件 电网电压锁相运算模块；各个控制运算模块通过全局变量进行信息交互。控制系统过采样环节如图2所示，通过DSP的EV模块的两个计数器GPTl和GPT2 完成采样触发，其中，GPTl完成等间隔采样触发，GPT2完成当前采样点的过采样触发；在GPTl触发采样后启动GPT2进行高频采样一定次数，GPT2采样数据作为备选数据，GPTl采 样触发通过锁相环与电网三相电压基波正序分量频率相位同步。所述控制运算模块细分7个模块，包括补偿指令量直流输出检测运算模块、补偿 指令量交流输出检测运算模块、直流母线电压控制运算模块、开关频率控制运算模块、软件 电网电压锁相运算模块、采样数据读取及可靠性分析运算模块和补偿指令电流滞环跟踪控 制运算模块。如图3所示为各控制运算模块的响应速度和抽取因子关系示意图，响应速度 越低的控制运算模块选取抽取因子越大的抽取因子抽取采样数据；响应速度不高的控制运 算模块，由于其运算输出相对较稳定，所以选择较大的抽取因子，以减少其运算量，如此处 理，也能够增加系统的稳定性和可靠性。直流母线电压控制运算模块的结构如图4所示，直流输出指令值IB_UdcIp*为注 入APF三相有功电流矢量的模值，对于APF该值一般是变动不大的稳定直流量，动态响应速 度不高，因此采用M点的平均值运算(等效于M因子抽取和滤波环节)，这样即可大大减少 计算量，又增加了系统控制稳定性和抗扰动性。主控DSP运行中有两种形式可以进行运算，为主循环运算和采用中断运算。如图 3所示，将响应速度要求较高的控制运算放于采样中断运算中，将响应速度要求较低的控制 运算放于主循环运算中，这样可以减少中断运算量，保证采样中断运算的短时性和及时性， 同时，保证主循环长时运算的快速性，在短时中断后又能够继续运算，与采样中断运算近似 并行。各运算模块的合理放置，在运算量不增加的情况下，减小了运算的时延，保证了数字 运算的实时性。IpIq谐波检测实现方法如图5所示，在图5中，将其分为补偿指令量直流输出检 测运算模块和补偿指令量交流输出检测运算模块。补偿指令量直流输出检测运算模块输出 直流量ILp_DC(基波正序有功分量在P轴上投影的直流量)和ILq_DC (基波正序有功分量 在Q轴上投影的直流量)，该模块运算量大，是检测延时的主要部分，但其值基本不会变化， 动态响应速度要求不高，所以将其放在主循环运算中，并采用一定的抽取因子减少计算次 数。补偿指令量交流输出检测运算模块计算量少，只需要进行直流量转交流量的运算即可 (cos θ ‘，sine'为此次中断电网电压基波正序分量矢量方向)，将其放在采样中断运算 中，这样在计算次数不增加，计算时延很小的情况下，生成了更多实时的指令量，实时性和 检测精度都得到了保证。由于运算时间较长的指令电流相关运算模块的抽取因子Ml大于运算时间较短的 电流滞环跟踪相关运算模块的抽取因子M2，如图6所示，同一指令生成后被N次采样跟踪， 在这N次采用跟踪中进行L次开关动作，并同时在开关频率控制运算模块中进行环宽调节， 使得N次中N-L次电流偏差落在环宽内，从而在实现了开关频率控制的同时，开关时间选 择范围很宽，接近模拟电路滞环电流跟踪控制，较现有技术的开关时间选择固定的定频采 样滞环，解决了检测延迟带来的影响，同时提高了电流控制精度，抑制了毛刺忽大忽小的现 象。实际应用时的补偿效果如图7图、8所示；图9、图10为现有技术中定频采样滞环下的 补偿效果；图11为图7、图9中负载侧电流FFT分析结果，其中，图7和图9中的CH1-CH2为 网侧电流，CH3-CH4为负载侧电流。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出对于本技术领域的普通技术人 员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
权利要求
1.一种APF电流滞环跟踪控制的过采样数字实现方法，其特征在于所述过采样数字 实现方法中，各种控制运算根据其实现的功能设计成具有相应功能的控制运算模块，各个 控制运算模块根据其响应速度选取相应的抽取因子抽取采样数据，并根据抽取的采样数据 进行相应的控制运算；所述控制运算模块根据其实现的功能分为电流滞环跟踪相关运算模 块和指令电流相关运算模块，其中电流滞环跟踪相关运算模块置于DSP采样中断运算中， 指令电流相关运算模块置于DSP主循环运算中。
2.根据权利要求1所述的APF电流滞环跟踪控制的过采样数字实现方法，其特征在于 所述控制运算模块包括采样数据读取可靠性分析运算模块、补偿指令电流检测运算模块、 直流母线电压控制运算模块、开关频率控制运算模块、补偿指令电流滞环跟踪控制运算模 块和软件电网电压锁相运算模块。
3.根据权利要求1所述的APF电流滞环跟踪控制的过采样数字实现方法，其特征在于 所述电流滞环跟踪相关运算模块对指令电流相关运算模块运算得出的同一指令进行一次 以上跟踪采样，并对设定范围内个数的跟踪采样点选择开关动作。
4.根据权利要求1所述的APF电流滞环跟踪控制的过采样数字实现方法，其特征在于 响应速度越低的控制运算模块选取抽取因子越大的抽取因子抽取采样数据。
5.根据权利要求1所述的APF电流滞环跟踪控制的过采样数字实现方法，其特征在于 所述各个控制运算模块通过全局变量进行信息交互。
全文摘要
本发明公开了一种APF电流滞环跟踪控制的过采样数字实现方法，各种控制运算根据其实现的功能设计成具有相应功能的控制运算模块，各个控制运算模块选取相应的抽取因子抽取采样数据，并根据采样数据进行相应的控制运算；所述控制运算模块根据其实现的功能分为电流滞环跟踪相关运算模块和指令电流相关运算模块，按照运算时间和响应速度的要求，将电流滞环跟踪相关运算模块置于DSP采样中断运算中，将指令电流相关运算模块置于DSP主循环运算中。本发明提供的方法，利用数字芯片过采样下抽取因子的不同，满足控制运算模块中动态响应不同的要求，具有高精度电流跟踪控制能力，并能够保证补偿量检测的实时性和补偿电流的同步性。
文档编号H02J3/01GK102104253SQ20101060074
公开日2011年6月22日 申请日期2010年12月22日 优先权日2010年12月22日
发明者曹武, 赵剑锋 申请人:东南大学
最新回复(0)