本實用新型屬于一種電力電子設備應用技術領域，涉及有源濾波裝置的測控電路設計。

背景技術：

隨著電網中整流器、變頻調速裝置以及各種以開關方式工作的電力電子裝置的不斷增加，這些負荷的非線性、沖突性和不平衡性的用電特性，使得電力系統中電壓、電流發生畸變，電網中的諧波含量大大增加。這些典型的非線性負荷從電網吸收或注入諧波電流，從而導致電網的功率因數降低、電網電壓波形發生畸變、電壓波動與閃變和三相不平衡等電能質量問題。因此諧波與閃變問題受到了越來越多的關注。為了提高電能質量，改善電網中的諧波與閃變污染問題，有源電力濾波器以其良好的動態響應速度和補償特性在電力系統得到了一定的應用。

測控電路作為靜止有源濾波裝置的核心設備，其性能決定整個有源電力濾波裝置的性能。目前數字信號處理技術、微處理器技術等方面的發展，為高性能測控平臺的研制提供了必要的技術基礎。目前有源濾波裝置的測控平臺主要是采用單片機、復雜可編程邏輯器件等芯片構成，使其測控的精度與測控響應速度無法滿足諧波高效濾除與無功動態補償等功能的綜合實現，因此必需要重新設計高性能的測控平臺以保證有源濾波裝置的可靠運行。

技術實現要素：

為了滿足在電網中有源電力濾波裝置能夠實現無功動態補償和諧波治理，本實用新型的目的是提供一種基于FPGA的有源濾波裝置中的測控電路。

為了解決上述技術問題，本實用新型提供了一種基于FPGA的有源濾波裝置中的測控電路，包括：DSP處理器模塊、FPGA處理器模塊、A/D采樣單元、控制信號輸出及輸入電路和同步檢測電路；其中所述同步檢測電路適于檢測三相電網電壓的相位，并將相位信號發送至DSP處理器模塊、FPGA處理器模塊；所述A/D采樣單元中包括：第一、第二A/D采樣電路，所述FPGA處理器模塊適于根據相位信號控制第一A/D采樣電路對負載電流和有源濾波裝置的橋臂電流進行采樣，并根據該采樣值獲得負載電流中的三相無功與諧波電流分量；所述DSP處理器模塊適于根據相位信號控制第二A/D采樣電路對有源濾波裝置的直流側電壓進行采樣，并根據該采樣值獲得直流電壓的控制數據；所述DSP處理器模塊將控制數據發送至FPGA處理器模塊；所述FPGA處理器模塊還適于根據三相無功與諧波電流分量和控制數據進行相加后，得到實際低壓有源濾波裝置的電流輸出指令信號，將該電流輸出指令信號與實際的有源濾波裝置三相輸出電流信號相減后得到控制差值，并將該控制差值送至DSP處理器模塊；DSP處理器模塊根據控制差值由其內的PWM單元產生有源濾波裝置對應的PWM控制信號，通過控制信號輸出電路對該PWM控制信號隔離后送至有源濾波裝置的IGBT器件，以驅動IGBT器件的導通與關斷。

進一步，所述測控電路還包括：人機接口電路及通訊電路，所述人機接口電路及通訊電路包括：與DSP處理器模塊相連的觸摸屏，以及RS-232和/或RS-485串行數據通訊接口。

進一步，所述同步檢測電路包括：三相同步變壓器電路和波形整理與過零點檢測電路；其中所述三相同步變壓器電路適于對電網電壓進行隔離降壓輸出，所述波形整理與過零點檢測電路適于將該輸出電壓轉換為與三相電壓交流信號同相位的方波信號，即相位信號發送至DSP處理器模塊和FPGA處理器模塊。

本實用新型的有源濾波裝置的測控電路具有的優點如下：

針對有源濾波裝置的工作特點，將無功電流檢測與直流側電壓控制這兩個測控功有DSP處理器模塊和FPGA處理器模塊分別實現，保證了有源濾波裝置的工作可靠性；并且發揮了FPGA處理器模塊的并行處理的特點，保證了計算速度；由DSP處理器模塊中的PWM單元實現對有源濾波裝置的PWM控制信號的生產，保證了控制的完全數字化實現；通過觸摸屏實現了有源濾波裝置的人機接口，比傳統的鍵盤和顯示屏的方式更加直觀，操作更加便捷。

附圖說明

下面結合附圖和實施例對本實用新型進一步說明。

圖1為本實用新型的測控電路的系統結構；

圖2(a)為三相同步變壓器的電路原理圖；

圖2(b)為波形整理與過零點檢測電路的電路原理圖；

圖3(a)為電流傳感器的電路原理圖；

圖3(b)為電壓傳感器的電路原理圖；

圖3(c)為采樣芯片的電路原理圖；

圖4為DSP處理器模塊及外圍電路原理圖。

具體實施方式

現在結合附圖對本實用新型作進一步詳細的說明。這些附圖均為簡化的示意圖，僅以示意方式說明本實用新型的基本結構，因此其僅顯示與本實用新型有關的構成。

如圖1所示，本實用新型中測控電路通過同步檢測電路檢測三相電網電壓的相位，將電壓相位信號送至DSP處理器模塊與FPGA處理器模塊，DSP處理器模塊根據三相電壓的相位信號產生每個基波周期進行256點直流電壓A/D采樣的觸發脈沖以控制AD7656芯片對低壓有源濾波裝置的直流側電壓進行采樣，采樣值送至DSP處理器模塊中經過PI數字計算得到直流電壓的控制數據；

同時由同步檢測電路得到的電壓相位信號也送至FPGA處理器模塊，FPGA處理器模塊根據該電壓相位信號產生每個基波周期進行256點電流采樣的A/D觸發脈沖，控制AD7656芯片對三相負載電流和低壓有源濾波裝置三相輸出電流進行采樣，并將采樣值送至FPGA處理器模塊，FPGA處理器模塊得到電流采樣結果后，通過FPGA處理器模塊中的計算實現對負載電流中的三相無功與諧波電流分量的檢測，

并通過FPGA處理器模塊與DSP處理器模塊的數據接口得到DSP處理器模塊計算出的直流電壓的控制數據；

在FPGA處理器模塊中將負載電流中的三相無功分量與諧波電流分量和直流電壓的控制數據進行相加后，得到實際低壓有源濾波裝置的電流輸出指令信號，將給電流輸出指令信號與實際的有源濾波裝置三相輸出電流信號進行相減后得到控制差值，通過FPGA處理器模塊與DSP處理器模塊的數據接口將該控制差值送至DSP處理器模塊中；

通過DSP處理器模塊中的PWM單元實現有源濾波裝置PWM控制信號的產生，通過控制信號輸出電路對該PWM控制信號隔離后送至有源濾波裝置的IGBT器件驅動IGBT器件的導通與關斷就可以實現無功補償與諧波抑制。

測控電路通過外部設計的保護電路實現對有源濾波裝置運行時過電壓、過電流、過溫等故障的保護，并將保護信號通過控制信號輸入電路輸入至測控電路，通過DSP處理器模塊的控制實現當有源濾波裝置發生故障時的保護跳閘與告警；測控電路通過人機接口實現數據顯示與參數設定，并通過通訊電路實現數據傳輸。

如圖2(a)和圖2(b)所示，關于同步檢測電路，有源濾波裝置裝置為了保證正常工作，需要檢測電網電壓的相位，本同步檢測電路中采用三相隔離變壓器構成三相同步變壓器電路。三相電網電壓經過三相隔離變壓器后轉為24V的交流電壓信號，再經過波形整理與過零點檢測電路生成與三相電壓交流信號同相位的方波信號，將該方波信號送至DSP處理器模塊與處理器模塊FPGA即可進行諧波與無功電流的相關檢測與計算。

如圖3(a)所示，所述A/D采樣單元中電流傳感器例如但不限于采用瑞士LEM公司的LT308型霍爾電流傳感器來實現對電網中負載電流互感器的二次側電流的轉換。采用LEM公司的LT308霍爾電流傳感器來實現對低壓靜止無功發生器輸出電流的檢測。通過測量霍爾電流傳感器的測量端的電阻端電壓就可以得出原邊上的電流的值。

如圖3(b)所示，所述A/D采樣單元中電壓傳感器例如但不限于采用瑞士LEM公司的LV28型霍爾電壓傳感器。該霍爾電壓傳感器的原邊與副邊匝數比為2500：1000，通過測量該霍爾電壓傳感器M腳上測量電阻Rm上的電壓就可以通過乘以轉換系數得到原邊上的電壓。

如圖3(c)所示，由于進行三相負載電流、三相橋臂電流和直流電壓數據采集，因此設計了最多12通道的模擬量輸入，采用2片高速、低功耗的AD7656采樣芯片。該芯片是6通道逐次逼近型ADC，內含一個2.5V基準電壓源和一個基準緩沖器。該芯片功耗低，轉換速度快。

所述A/D采樣單元共采用兩片AD7656芯片實現模擬量轉換，其中一片AD7656由DSP處理器模塊進行控制實現對直流側電壓的采樣，利用DSP處理器模塊的硬件定時器產生定時周期可以調節的觸發脈沖作為AD7656通道同步轉換觸發信號。當AD7656芯片轉換完畢后，利用該芯片的busy信號觸發DSP處理器模塊的外部中斷，DSP處理器模塊依次從AD7656芯片中讀取采樣值實現對直流電壓的采集。另外一片AD7656芯片由FPGA處理器模塊進行控制實現對三相負載電流和三相橋臂電流的檢測由FPGA處理器模塊產生AD轉換觸發脈沖，當該AD7656芯片轉換結束后，其busy信號的下降沿觸發FPGA處理器模塊進行數據讀取，將三相負載電流和三相橋臂電流讀入到FPGA處理器模塊中。

關于FPGA(現場可編程邏輯陣列)處理器模塊，DSP處理器模塊通過FPGA處理器模塊實現了對負載電流中諧波與無功分量的檢測，擴展I/O實現開關量的輸入和輸出，并完成一些簡單的邏輯功能。FPGA處理器模塊例如但不限于采用Altera公司的EP3C40Q240C8N芯片。該芯片是Altera公司的Cyclone III系列FPGA處理器模塊，具有2475個邏輯塊，有128個I/O引腳，可以方便地進行編程以實現一定的邏輯運算與處理功能。

FPGA電路的主要功能：

(1)EP3C40Q240C8N芯片的151引腳為外部50MHz信號(有源晶振)輸入，內部經過FPGA的時鐘PLL單元生成100MHz、50MHz、25MHz的時鐘信號，提供給FPGA內部進行諧波與無功分量的檢測與控制。

(2)EP3C40Q240C8N芯片的41、43、44、45、46、49、50、51、52、55、56、57、63、68、69、70管腳構成16位的AD數據接口，接到AD7656的16位數據管腳，EP3C40Q240C8N芯片的18、21、22、37、39管腳作為AD的片選、讀、寫、轉換控制管腳分別接到AD7656的片選、讀、寫、轉換、轉換完成管腳，通過FPGA的控制實現啟動AD7656的AD轉換，并將結果讀入到EP3C40Q240C8N芯片中，以實現對三相負載電流和三相橋臂電流的檢測。

(3)EP3C40Q240C8N芯片將讀到的三相負載電流進行諧波與無功分量的運算，得到對應的諧波與無功檢測結果，同時EP3C40Q240C8N芯片的93、94、95、98、99、100、103、106、107、110、111、112、113、114、117、118管腳作為與DSP處理器模塊的數據接口，從DSP處理器模塊中獲得直流側電壓的控制數據，將諧波與無功檢測結果和直流側電壓的控制數據相加后，再與三相橋臂電流進行相減得到對應的差值，該差值即為有源濾波裝置的控制數據，然后將該控制數據通過FPGA與DSP的數據接口送至DSP處理器模塊，由DSP處理器模塊實現對有源濾波裝置的PWM控制。

如圖4所示，關于DSP處理器模塊，DSP處理器模塊例如但不限于采用美國TI公司的32位定點型數字信號處理器TMS320F2812芯片，它具有強大的事件管理能力和嵌入式控制功能，又具有豐富的片內外圍資源，特別適用于大批的數據處理。它具備16×16位和32×32位乘法累加操作；16×16位兩個雙累加器；哈弗總線結構：統一尋址模式；可達4MB的程序/數據尋址空間；具有128K Flash存儲器；1K的OTP型只讀存儲器；18K SARAM(單周期單次隨機存儲器，具有12路比較/脈沖寬度調制(PWM)通道；可工作于六種方式的4個16位通用定時器等功能模塊。所述TMS320F2812芯片主要實現以下功能：

TMS320F2812芯片通過內部的定時器產生周期為40μs的方波信號，用以實現對AD7656的控制，實現對直流量的檢測，通過DSP的數據接口讀取直流側電壓的檢測結果；TMS320F2812芯片將得到的直流側電壓的檢測結果與預設的直流側控制電壓值進行比較與控制，輸出直流側電壓的控制數據給FPGA處理器模塊；TMS320F2812芯片從FPGA處理器模塊獲得有源濾波裝置裝置的控制數據，并利用DSP芯片的PWM控制單元生成有源濾波裝置裝置中IGBT器件的驅動控制信號；TMS320F2812芯片接收裝置保護電路中的控制、保護信號，以實現對有源濾波裝置保護控制功能。

關于控制信號輸出及輸入電路，由DSP處理器模塊生成的有源濾波裝置裝置中IGBT器件的驅動控制信號，以及有源濾波裝置裝置的開關控制信號需要經過控制信號輸出電路隔離，該電路采用安捷倫公司的HCPL4504高速光耦進行隔離，同時外部輸入的有源濾波裝置裝置控制信號也經過TLP521光耦進行隔離，保證了外部控制信號與有源濾波裝置裝置測控電路的隔離。

關于人機接口電路及通訊電路，有源濾波裝置裝置通過觸摸屏實現人機接口功能，將有源濾波裝置裝置運行時的參數顯示，操作人員通過觸摸屏實現參數設定，信息讀取等功能，該有源濾波裝置裝置通過串行通信實現數據傳輸，低壓有源濾波裝置測控電路里配有RS-232/485兩種串行數據通訊接口。

以上述依據本實用新型的理想實施例為啟示，通過上述的說明內容，相關工作人員完全可以在不偏離本項實用新型技術思想的范圍內，進行多樣的變更以及修改。本項實用新型的技術性范圍并不局限于說明書上的內容，必須要根據權利要求范圍來確定其技術性范圍。