ADSP-CM403 HAE在太阳能应用中的谐波分析

简介

太阳能光伏逆变器转换来自太阳能面板的电能并高效地 将其部署到公用电网中。早期太阳能PV逆变器只是将 电能转储到公用电网的模块。但是,新设计要求太阳能 光伏逆变器对电网的稳定性作出贡献。

本文将回顾最新的ADI技术如何以HAE(谐波分析引擎) 的方式改善智能电网的集成度,并监控电网上的电源质 量,从而极大地增强电网稳定

智能电网

什么是智能电网?IMS Research将智能电网定义为“一种 自身能够高效匹配和管理发电和用电并可最大程度地利 用各种可用资源的公用供电基础设施”。若要将新一代 太阳能光伏逆变器接入智能电网,则逆变器需要越来越 高的智能程度才能实现。这本身就是一个难题,主要是 因为当电力需求在别处时,此处却连接了过多的电网, 从而发生不平衡。基于这个原因,如前文所述,太阳能 光伏逆变器需要具备更高的智能程度,并且这种智能应 侧重于电网集成,其中系统需协助稳定电网,而非作为 电网的一个简单电源使用。

图1. ADSP-CM403 HAE框图(ADI公司)

这要求更好地对注入电网的电能进行测量、控制和质量 分析。当然,这会促成新指令的发布以及更高的技术要 求,进而直接导致新技术的产生。

ADSP-CM403XY HAE外设模块

HAE模块本质上是一个数字PLL,其简化原理图如下图 所示。HAE连续接收V和I数据,并且数个周期后将锁定 至输入波形的基波。HAE模块的输入范围为45 Hz至66 Hz。 最多可分析40个谐波,每次12个。对于每个谐波,PLL 会试图锁定至所需的信号频率

图2. HAE简化数字PLL

谐波引擎硬件模块与谐波分析仪共同处理结果。由于谐 波引擎产生的结果为最终格式,这些结果数据保存在结 果存储器中。HAE引擎在无衰减的2.8 kHz通带内计算谐 波信息(相当于3.3 kHz的-3 dB带宽),用于45 Hz至66 Hz 范围内的线路频率。

图3. HAE通带频率

同时可使用相电流和来分析零线电流。在新采样周期的 最初时刻,谐波引擎在含有数据RAM内的预定义位置 循环,该数据RAM含有分析仪处理结果。若有需要, 内容可进一步处理。

电压和电流数据可来自Sinc模块或ADC(两者均存储在 SRAM中),并输入至HAE模块,速率为8 kHz。该速率下 可产生一个中断,提示太阳能光伏逆变器输入可用数 据。进行数据分析并执行下列计算时,HAE模块将产生 另一次中断,提示太阳能光伏系统准备显示谐波分析数 据。ADSP-CM403还可将HAE至DMA的全部结果数据 直接传输至SRAM,之后系统代码便可显示结果。这会 导致整个HAE系统的少许代码开销。

ADSP-CM403XY HAE结果

图4中的HAE结果清楚表明观察电压均方根数据时,系 统中存在哪些谐波。图中50 Hz基波清晰可见,但250 Hz 和350 Hz处的较低谐波(如谐波5和7)亦可在本示例结果中 看到。

图4. HAE的V rms示例结果(谐波1-12)

这些计算中采用的特定等式如下所示;下列等式同时适 用于基波和谐波计算。

Harmonic Engine Outputs and Registers where Values are Stored


表1. HAE数学计算
Quantity Definition HAE Registers
RMS of the Fundamental Component V1,I1 F_VRMS, F_IRMS
RMS of the Harmonic Component Vn,In,n = 2,3,...,12 Hnn_VRMS, Hnn_XIRMS
Active Power of the Fundamental Component P1 = V1I1cos( φ1 - γ1) F_ACT
Active Power of the Harmonic Component Pn = VnIncosn - γn), n = 2,3,...,12 Fnn_ACT
Reactive Power of the Fundamental Component Q1 = V1I1sin1 - γ1) F_REACT
Reactive Power of the Harmonic Component Qn = VnInsin1 - γ1), n = 2,3,...,12 Hnn_REACT
 Apparent Power of the Fundamental Component  S1 = V1I1  F_APP
 Apparent Power of the Harmonic Component Sn = VnIn, n = 2,3,...,12   Hnn_APP
 Power Factor of the Fundamental Component Equation 1  F_PF
 Power Factor of the Harmonic Component Equation 2  Hnn_PF
Harmonic Distortion of a Harmonic Component  Equation 3  Hnn_VHDN, Hnn_IHDN

编程示例

INT HAE_CONFIG(VOID)
{ INT I;

HAE_INPUT_DATA(VOUTPUT, SINC_VEXT_DATA);
HAE_INPUT_DATA(IOUTPUT, SINC_IMEAS_DATA);

RESULT = ADI_HAE_OPEN(DEVNUM, DEVMEMORY, MEMORY_SIZE, &DEV);
RESULT = ADI_HAE_REGISTERCALLBACK(DEV, HAECALLBACK, 0);
RESULT = ADI_HAE_SELECTLINEFREQ(DEV, ADI_HAE_LINE_FREQ_50);
RESULT = ADI_HAE_CONFIGRESULTS(DEV, ADI_HAE_RESULT_MODE_IMMEDIATE, ADI_HAE_SETTLE_TIME_512, ADI_HAE_UPDATE_RATE_128000);
RESULT = ADI_HAE_SETVOLTAGELEVEL (DEV, 1.0);
RESULT = ADI_HAE_ENABLEINPUTPROCESSING(DEV, FALSE, FALSE); /* FILTER ENABLED */
/* ENABLE ALL HARMONICS (IN ORDER) */
RESULT = ADI_HAE_HARMONICINDEX (DEV, ADI_HAE_HARMONIC_INDEX_1, 1);
RESULT = ADI_HAE_HARMONICINDEX (DEV, ADI_HAE_HARMONIC_INDEX_2, 2);
RESULT = ADI_HAE_HARMONICINDEX (DEV, ADI_HAE_HARMONIC_INDEX_3, 3);
RESULT = ADI_HAE_HARMONICINDEX (DEV, ADI_HAE_HARMONIC_INDEX_4, 4);
RESULT = ADI_HAE_HARMONICINDEX (DEV, ADI_HAE_HARMONIC_INDEX_5, 5);
RESULT = ADI_HAE_HARMONICINDEX (DEV, ADI_HAE_HARMONIC_INDEX_6, 6);
RESULT = ADI_HAE_HARMONICINDEX (DEV, ADI_HAE_HARMONIC_INDEX_7, 7);
RESULT = ADI_HAE_HARMONICINDEX (DEV, ADI_HAE_HARMONIC_INDEX_8, 8);
RESULT = ADI_HAE_HARMONICINDEX (DEV, ADI_HAE_HARMONIC_INDEX_9, 9);
RESULT = ADI_HAE_HARMONICINDEX (DEV, ADI_HAE_HARMONIC_INDEX_10, 10);
RESULT = ADI_HAE_HARMONICINDEX (DEV, ADI_HAE_HARMONIC_INDEX_11, 11);
RESULT = ADI_HAE_HARMONICINDEX (DEV, ADI_HAE_HARMONIC_INDEX_12, 12);

RESULT = ADI_HAE_SUBMITTXBUFFER(DEV, &TXBUFFER1[0], SIZEOF(TXBUFFER1));
RESULT = ADI_HAE_SUBMITTXBUFFER(DEV, &TXBUFFER2[0], SIZEOF(TXBUFFER2));
RESULT = ADI_HAE_ENABLEINTERRUPT(DEV, ADI_HAE_INT_RX, TRUE);
RESULT = ADI_HAE_ENABLEINTERRUPT(DEV, ADI_HAE_INT_TX, TRUE);
RESULT = ADI_HAE_CONFIGSAMPLEDIVIDER(DEV, 100000000);
RESULT = ADI_HAE_RUN(DEV, TRUE);
// RESULT = ADI_HAE_CLOSE(DEV);

}

/* EVENTS */

VOID HAECALLBACK(VOID* PHANDLE, UINT32_T EVENT, VOID* PARG) /* ISR ROUTINE TO LOAD / UNLOAD DATA FROM HAE

{

UINT32_T N;
ADI_HAE_EVENT EEVENT = (ADI_HAE_EVENT)EVENT; /* RESULTS RECEIVED FROM HAE 128MS */
IF (EEVENT == ADI_HAE_EVENT_RESULTS_READY)

{ /* GET RESULTS */

PRESULTS = (ADI_HAE_RESULT_STRUCT*)PARG; /* POINTER TO TXBUFFER1 OR TXBUFFER2 */

/* DO SOMETHING WITH THE RESULTS */
FOR (N=0; N<NUM_CHANNELS; N++)

{

IRMS[N] = PRESULTS[N].IRMS;

VRMS[N] = PRESULTS[N].VRMS;
ACTIVEPWR[N] = PRESULTS[N].ACTIVEPWR;

}

} /* TRANSMIT INPUT SAMPLES TO HAE – 8KHZ */

IF (EEVENT == ADI_HAE_EVENT_INPUT_SAMPLE)

{ /* FIND LATETS SAMPLES FROM SINC BUFFER . */

ADI_HAE_INPUTSAMPLE(DEV, (SINC_IMEAS_DATA[PWM_SINC_LOOP]),(SINC_VEXT_DATA[PWM_SINC_LOOP]));
INDEX++;
  IF (INDEX >= NUM_SAMPLES) INDEX = 0;

}

COUNT++;

}

作者

Martin Murnane

Martin Murnane

Martin Murnane 是工业和仪器仪表部太阳能PV系统工程师,专注于能源/太阳能PV应用。加入ADI公司之前,他曾从事过能源循环利用系统中电力电子技术(Schaffner Systems)、基于Windows的应用软件/数据库开发(Dell Computers)以及采用应变计技术的HW/FW产品开发(BMS)等领域的工作。Martin毕业于利默里克大学,获电子工程学士学位。