有源电力滤波器控制器的研制及应用---毕业论文

学位论文1有源电力滤波器控制器的研制及应用有源电力滤波器控制器的研制及应用有源电力滤波器控制器的研制及应用有源电力滤波器控制器的研制及应用目目目目录录录录目目目目录录录录1第第第第1章章章章绪绪绪绪论论论论311电力系统谐波3111电力系统谐波产生的原因3112电力系统谐波危害4113电力系统谐波研究现状612电力系统谐波治理方法713有源电力滤波器的发展现状814有源电力滤波器控制器的技术特点1115本文的研究背景及主要内容13第第第第2章章章章有源电力滤波器控制器硬件研制有源电力滤波器控制器硬件研制有源电力滤波器控制器硬件研制有源电力滤波器控制器硬件研制1421基于DSP的控制器系统硬件结构14211主处理器模块介绍1421112407A型数字处理器特点142112内部锁相环PLL环路滤波电路参数设计1721132407A电源的设计17212采样电路模块的设计18213硬件倍频电路模块的设计19214串行通信接口电路的设计21215脉冲出发电路及IPM模块驱动电路设计21216液晶显示和矩阵键盘电路设计2322基于DSP的控制器PCB制板注意事项2523本章小结26第第第第3章章章章谐波实时电流检测方法及谐波实时电流检测方法及谐波实时电流检测方法及谐波实时电流检测方法及DSP实现实现实现实现2731常用谐波检测算法2732简化的DFT滑窗迭代算法29321傅立叶变换基础29322DFT频域滤波器原理分析30323DFT滑窗迭代算法时域实现33有源电力滤波器控制器的研制及应用2324DFT滑窗迭代算法的软件实现3533本章小结38第第第第4章章章章有源电力滤波控制器系统软件设计有源电力滤波控制器系统软件设计有源电力滤波控制器系统软件设计有源电力滤波控制器系统软件设计3941系统软件开发环境及前期数据格式设计39411DSP开发环境程序开发流程39412数据格式的设定4042监控模块软件设计41421键盘控制程序设计42422液晶显示菜单程序设计424221S1D1335控制指令的介绍434222S1D1335的显示方式444223菜单设计底层驱动模块45423液晶菜单界面模块设计4643PWM发波程序设计4944PI控制程序设计5245主程序及中断程序的设计5446本章小结57第第第第5章章章章有源电力滤波器的工程应用有源电力滤波器的工程应用有源电力滤波器的工程应用有源电力滤波器的工程应用5851工程项目的背景介绍5852工程项目方案设计59521串联谐振注入式HAPF补偿方案介绍60522无源支路参数和容量设计61523输出滤波器和耦合变压器设计63524逆变电路的设计6553串联谐振注入式HAPF的工程应用66531高压开关柜、无源支路和隔离变压器67532有源逆变屏及有源逆变控制器68533有源输出屏68534现场应用效果6954本章小结69第第第第6章章章章总结与展望总结与展望总结与展望总结与展望70参考文献参考文献参考文献参考文献72学位论文3第第第第1章章章章绪绪绪绪论论论论随着现代工业的发展，一方面企业对用电质量要求越来越高，另一方面电力电子装置的大量应用，工业电网中非线性负载越来越多，严重影响了工业用电的质量，这二者形成严重的矛盾，使得谐波问题引起人们越来越多的关注。随着电力电子技术的发展，在谐波抑制方面也取得了一些突破性的进展。本章首先介绍了电力系统谐波，简要叙述了谐波抑制的主要方法，介绍了有源滤波器的发展状况并就有源电力滤波器的控制器的一些技术性能作一些说明，最后介绍了论文的研究背景和主要内容。11电力系统谐波电力系统谐波电力系统谐波电力系统谐波目前，世界各国电力工业中，几乎都是采用正弦供电方式。在理想的电力系统中，电源以单一恒定频率（50HZ或60HZ）的正弦变化规律向电网供电，系统中各点的电流、电压都是以单一恒定的供电频率随时间按正弦规律变化的量。一般来说，一个实际的电力系统基本上能满足理想电力系统的条件。但随着技术的发展，电力系统中的非线性负载的比重不断增加，理想电力系统的近似程度变差，直接表现是电力系统中的电流和电压波形产生畸变。从频域的观点，在这些电流和电压的波形中，不仅包含与供电电源同频率的正弦量（称为基波分量），而且出现一系列频率为基波频率整倍数的正弦波分量（称为高次谐波分量），这一系列正弦分量统称为电力谐波。在IEEE标准5191981中谐波定义为“谐波为一周期波或量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍”。在国际电工标准（IEC5552）与国际大电网会议CIGRE的文献中定义“谐波分量为周期量的傅立叶级数中大于1的H次分量”。111电力系统谐波产生的原因电力系统谐波产生的原因电力系统谐波产生的原因电力系统谐波产生的原因在早期的电网中，电力传输线路中谐波含量并不高，可以忽略不计，但是随着科技的进步，现代电网中谐波的含量比例越来越高。电网谐波主要来自于3个方面一是发电源质量不高产生谐波；二是输配电系统产生谐波；三是用电设备产生的谐波。其中用电设备产生的谐波最多。发电机由于三相绕组在制作上很难做到绝对对称，铁心也很难做到绝对均匀一致和其他一些原因，发电源多少也会产生一些谐波，但一般来说很少。这种谐波电动势的频率和幅值只取决于发电机本身的结构和工作情况，基本与外接负载无关，可以看作谐波电压源。输配电系统中主要是电力变压器产生谐波，由于变压器铁心的饱和，磁化曲有源电力滤波器控制器的研制及应用4线的非线性，加上设计变压器时考虑经济性，其工作磁密选择在磁化曲线的近饱和段上，这样就使得磁化电流呈尖顶波形，因而含有奇次谐波。它的大小与磁路的结构形式、铁心的饱和程度有关。铁心的饱和程度越高，变压器工作点偏离线性越远，谐波电流也就越大，其中3次谐波电流可达额定电流的05。用电设备产生的谐波是由与电力系统相连的各种非线性负载产生的1,11。这些非线性负载主要是整流器、交流调压电路以及频率变换器等电力电子装置，由于这些电力电子装置都为可变结构非线性电力负荷，工作于非线性状态，在高效利用电能的同时也向电网注入大量的非线性电流，给公共电网的电能质量带来了隐患。另外，工业用的电弧炉、电石炉也是个比较大的谐波源，由于加热原料时电炉的三相电极很难同时接触到高低不平的炉料，使得燃烧不稳定，引起三相负荷不平衡，产生谐波电流，经变压器注入电网。其中主要是2谐波和7次谐波。除此以外,其它像电视机、电池充电器等装置也会产生谐波。虽然单个装置的功耗不大,但由于数量很多,因此它们给供电系统注入的谐波分量也不容忽视。112电力系统谐波危害电力系统谐波危害电力系统谐波危害电力系统谐波危害谐波电流和谐波电压的出现，对公用电网时一种污染。在电力电子设备广泛应用以前，人们对谐波及其危害就进行过一些研究，并有一定认识，但那时谐波污染还不严重，没有引起足够的重视。近几十年来，各种电力电子设备的迅速普及和广泛应用是使谐波污染日趋严重，由谐波引起的各种事故不断发生，如广西苹果铝厂1996年6月因谐波超标，导致电容器爆炸，损坏高压开关和主变压器，造成大面积停电；湖南涟钢1998年7月，因5次谐波超标，导致豹南山110KV变电站停电16小时；由于电气化铁路产生的负序电流和谐波电流的影响，郑州电网继电保护误动，致使京广线中断数小时。由此，谐波的危害的严重性才引起人们的高度重视。大体上说，谐波危害主要表现在以下几个方面181214（1）电力电容器引起的谐波放大。由于电容器的容抗与频率成反比，因此在谐波电压作用下的容抗要比在基波电压作用下的容抗小得多，从而使谐波电流的波形畸变更比谐波电压的波形畸变大得多，即便电压中谐波所占的比例不大，也会产生显著的谐波电流。特别是在发生谐振的情况下，很小的谐波电压就可引起很大的谐波电流，导致电容器因过流而损坏。（2）增加旋转电机的损耗。谐波电压或电流会在电机的定子绕组、转子回路以及定子和转子铁芯中引起附加损耗。由于涡流和集肤效应的关系，定子和转子导体内的这些附加损耗要比直流电阻引起的损耗大。另外，谐波电流还会增大电机的噪音和产生脉动转矩。（3）增加输电线的损耗，缩短输电线寿命。谐波电流一方面在输电线路上产生谐波压降，另一方面增加了输电线路上的电流有效值，从而引起附加输电损耗。学位论文5在电缆输电的情况下，谐波电压以正比于其幅值电压的形式增强了介质的电场强度，这影响了电缆的使用寿命，据有关资料介绍，谐波的影响将使电缆的使用寿命平均下降约60。（4）增加变压器的损耗。变压器在高次谐波电压的作用下，将产生集肤效应和邻近效应，在绕组中引起附加铜耗，同时也使铁耗相应增加。另外，3的倍数次零序电流会在三角形接法的绕组内产生环流，这一额外的环流可能会使绕组电流超过额定值。对于带不对称负载的变压器来说，如果负载电流中含有直流分量，会引起变压器的磁路饱和，从而会大大增加交流激磁电流的谐波分量。（5）造成继电保护、自动装置工作紊乱。谐波能够改变保护继电器的动作特性，这与继电器的设计特点和原理有关。当有谐波畸变时，依靠采样数据或过零工作的数字继电器容易产生误差。谐波对过电流、欠电压、距离、周波等继电器均会起拒动和误动的影响，保护装置失灵和动作不稳定。零序三次谐波电流过大，可能引起接地保护误动作。（6）引起电力测量的误差。测量仪表是在纯正弦波情况下进行校验的，如果供电的波形发生畸变，仪表则容易产生误差。比如，感应式电能表对设计参数以外的频率的响应不灵敏，频率越高，误差越大，而且为负误差，当频率约为1000HZ时，电度表将会停止转动。（7）干扰通讯系统。供电系统中的静止变流器在换相期间电流波形发生急剧变化，该换相电流会在正常供电电压中注入一个脉冲电压，该脉冲电压所包含的谐波频率较高，甚至达到1MHZ，因而会引起电磁干扰，对通信线路、通信设备会产生很大的影响。比如电力载波通信、远动装置信号以及与架空线平行的通讯线路，谐波的影响都很大。（8）延缓电弧熄灭。在超高压长距离输电线路上，较大的谐波电流会使潜供电弧熄灭延缓，导致单相重合闸失败，扩大事故。在消弧线圈接地系统中较大的谐波分量同样会延迟或阻碍消弧线圈的灭弧作用。谐波分量还会使电流过零时的DTDI/值过大，导致断路器断弧困难，影响断流能力。（9）对其它设备的影响。谐波还会对下列设备产生影响导致功率开关器件控制装置误动作；导致功率开关器件故障而损坏；使日光灯的镇流器及补偿用电容器过热和损坏；对计算机产生干扰；影响互感器的测量精度；使熔断器在没有超过整定值时就熔断；影响功率处理器的正常运行；影响电视机的画面质量；有源电力滤波器控制器的研制及应用6影响电子显微镜的清晰度；影响其它换流设备或其它任何由电压过零所控制的设备的同步。113电力系统谐波研究现状电力系统谐波研究现状电力系统谐波研究现状电力系统谐波研究现状电力系统谐波是由于波形畸变产生的，从交流电出现、应用发展到现在，如何将波形畸变限制在一定的范围内一直是电力工程师关心的问题。在20世纪20年代和30年代的德国，研究者由静止变流器引起的波形畸变提出了电力系统谐波的概念。当时最有影响的是RISSIKH所著的THEMERCURYARCCURRENTCONVERTER15，另一篇有关静止变流器产生谐波的经典论文是READJC在1945年发表的THECALCULATIONOFRECTIFIERANDCONVERTERPERFORMANCECHARACTERISTICS16，至今仍被研究者广泛引用。50年代和60年代在高压直流输电方面推进了变流器谐波的研究。在这一时期发表了大量的论文。KIMBARKEW在其著作DIRECTCURRENTTRANSMISSION17中对此进行了总结，该书包括了电力系统谐波方面60篇以上的参考文献。70年代以后，国际上召开了多次有关谐波问题的学术会议，其中从1984年开始，每两年召开一次的电力系统谐波国际会议（ICHPS）极大地推动了谐波领域的研究和交流，不少国家和国际学术组织都制定了限制电力系统谐波和用电设备谐波的标淮和规定，同时对谐波治理问题的研究也蓬勃发展起来。我国对电力系统谐波问题的研究起步较晚。吴竞昌等1988年出版的电力系统谐波1一书是我国有关谐波问题早期较有影响的著作。随后，许克明等也于1991年出版了电力系统高次谐波18，张一中等1992年出版了电力谐波2，夏道止等1994年出版了高压直流输电系统的谐波分析及滤波3，林海雪等1998年出版了电力网中的谐波4，这些著作都对人们认识和研究谐波作出了很大的贡献。此外，唐统一等和容健纲等分别于1991年和1994年独立翻译了ARRILAGAJ等的电力系统谐波56，也在国内有较大的影响。1998年，王兆安等出版的谐波抑制和无功功率补偿12是国内迄今为止较为全面的介绍谐波分析和治理方法的著作，特别是其中关于有源滤波器的分析和阐述，被国内许多研究者广泛引用和参考。近些年来，国内期刊和有关会议上发表的谐波相关问题的研究论文也非常多，谐波问题已经成为研究热点。因此可以说，我国对谐波问题的研究起步于80年代，在整个90年代有了长足的发展，与国外研究水平的差距正在不断减小。另外，谐波标准做为电力系统谐波的一个分支也在蓬勃的发展之中。美国海军早在20世纪70年代就发现谐波影响并第一个制订了谐波限制标准USMILSTD461，目前仍然被美国军方广泛使用。1982年国际电工委员会（INTERNATIONALELECTROTECHNICALCOMMISSION简写为IEC）第一次指定了通用电器设备产生谐波的限制标准，即IEC55，并在其后的执行过程中修订完善，目前已学位论文7经被世界许多国家承认和接受，在欧、美等发达国家已经成为强行执行的标准。1993年美国电气与工程协会（IEEE）进一步完善了IEC55标准，并在其基础上补充了对高压、大功率用电负荷产生谐波的限制标准，这就是IEEE/ANSISTANDARD519谐波限制标准。我国原水利电力部于1984年根据原国家经济委员会批转的全国供电用电规则的规定，制定并发布了SD12684电力系统谐波管理暂行规定19。国家技术监督局于1993年又发布了中华人民共和国国家标准GB/T1454993电能质量公用电网谐波20，从1994年3月1日开始实施。该标准对50HZ、110KV及以下的公用电网各次谐波电压极其供电的电力用户注入的谐波电流作了明确的规定。对220KV以上的电网及其供电用户，以110KV电网的规定作为参考标准，或者以保证220KV下一级电网符合标准的要求为依据。该标准还规定了谐波测量和测量数据处理以及确定谐波水平的方法21,22。1998年，为了进一步限制电网谐波，我国颁发了GB1762511998低压电气及电子设备发出的谐波电流限制（设备每相电流小于16A），即IEC610032标准，对低压电气以及电子设备发出的谐波电流进行了限制。12电力系统谐波治理方法电力系统谐波治理方法电力系统谐波治理方法电力系统谐波治理方法谐波治理的措施主要有三种一是受端治理，即从受到谐波影响的设备或系统出发，提高它们抗谐波干扰能力；二是主动治理，即从谐波源本身出发，使谐波源不产生谐波或降低谐波源产生的谐波；三是被动治理，即外加滤波器，吸收谐波源产生的注入电网的谐波，或者阻碍电力系统的谐波流入负载端。受端治理的措施主要有以下几种（1）选择合理的供电方式。将谐波源由较大容量的供电点或由高一级电压的电网供电，可以减小谐波对系统和其它用电设备的影响，这必须在电网规划和设计阶段考虑。（2）避免电容器对谐波的放大。改变电容器的串联电抗器，或将电容器组的某些支路改为滤波器，或限定电容器组的投入容量，可以有效地减小电容器对谐波的放大并保证电容器组的安全运行。（3）提高设备抗谐波干扰能力。改进设备性能，使其在谐波环境中能够正常工作，当然这是有一定限度的，谐波较大时设备仍将受到严重影响。（4）改善谐波保护性能。对谐波敏感设备采用灵敏的谐波保护装置，这能够保证在谐波超标情况下，设备不致于损坏，但不能保障设备的正常工作。主动治理谐波的措施主要有以下几种（1）增加变流装置的相数或脉冲数。改造变流装置或利用相互间有一定移相角的换流变压器，可有效减小谐波含量，其中包括多脉整流和准多脉整流技术2324，但是装置更加复杂。有源电力滤波器控制器的研制及应用8（2）改变谐波源的配置或工作方式。具有谐波互补性的装置应集中，否则应适当分散或交替使用，适当限制会大量产生谐波的工作方式。（3）采用多重化技术。将多个变流器联合起来使用，用多重化技术将多个方波叠加，以消除频率较低的谐波，得到接近正弦波的阶梯波，但装置复杂，成本较高。（4）谐波叠加注入。利用三次倍数的谐波和外部的三次倍数的谐波源，把谐波电流加到产生的矩形波形上3233，可用于降低给定的运行点处的某些谐波。缺点是必须保证三次倍数的谐波源与系统的同步，且谐波发生器的功率消耗常常高达整流器直流功率的10。（5）采用PWM技术。采用脉宽调制PWM（PULSEWIDTHMODULATION）技术，使得变流器产生的谐波频率较高、幅值较小，波形接近正弦波，只适用于自关断器件构成的变流器。（6）设计或采用高功率因数变流器。比如采用矩阵式变频器、四象限变流器等，可以使变流器产生的谐波非常少，且功率因数可控制为1。被动治理谐波的措施主要有以下几种（1）采用无源滤波器PF（PASSIVEFILTER）。在谐波源附近或公用电网节点装设单调谐及高通滤波器，可以吸收谐波电流，同时还可以进行无功功率补偿，运行维护也简单。（2）采用有源滤波器APF（ACTIVEPOWERFILTER）。在谐波源附近和公用电网节点装设并联型或串联型APF，可以有效地起到补偿或隔离谐波的作用，并联型还可以进行无功功率补偿，但装置造价较高。（3）采用混合型有源滤波器HAPF（HYBRIDACTIVEPOWERFILTER）。HAPF兼具PF成本低廉和APF性能优越的优点，属于APF的分支和发展。HAPF的种类很多，大致可分为与PF的混合、与其它变流器的混合等两类。13有源电力滤波器的发展现状有源电力滤波器的发展现状有源电力滤波器的发展现状有源电力滤波器的发展现状有源电力滤波器的基本工作原理是由HSASAKI和HMACHIDA于1971年首先提出的25。他们首次提出了有源滤波器的原始结构模型，并建立了有源滤波器的基本理论。他们提出的有源电力滤波器向电网注入一个与负载谐波电流幅值相等、相位相反的电流，从而抵消了电网中的谐波电流。但由于当时是采用线性放大的方法产生小补偿电流，其损耗大，成本高，因而仅在实验室研究，未能在工业中实用。1976年，LGYUGYI和ECSTYAULA提出了用PWM逆变器构成的有源电力滤波器26。这些采用PWM逆变器构成的有源电力滤波电路现已成为有源电力滤波器的基本结构。20世纪80年代，随着电力电子技术和PWM控制技术的发展，对有源电力滤波器的研究逐渐活跃起来，成为电力电子技术领域的研究热点之一。学位论文91983年赤木泰文等人提出的“三相电路瞬时无功功率理论”27极大的推动了有源电力滤波器的发展及其工程应用。在国外，有源电力滤波器已开始在工业和民用设备上得到广泛使用，并且谐波补偿的次数逐步提高，有的可以高达25次谐波；单机装置的容量逐步提高。如在日本和美国，应用领域可以接受的APF的容量已增加到50MVA，其应用领域从补偿用户自身的谐波向改善整个电力系统供电质量的方向发展。我国在有源电力滤波器的应用研究方面，继日本、美国、德国等之后，得到学术界和企业界的充分重视，并投入了大量的人力和物力，到目前为止，国内对有源电力滤波器的研究基本上都局限于仿真研究和小型试验装置，工程实践应用仅仅也只是小功率的应用28,29，而正式投入电网运行的几乎为零30，只有几台类似产品投入工业试运行，如华北电力试验研究所、冶金部自动化研究院和北京供电公司联合开发、研究的有源高次谐波抑制装置于1992年在北京木材厂中心变电站投入工业运行，该装置采用了三个单相全控桥逆变器（功率开关为GTR），用于低压电网单个谐波源的谐波补偿，装置容量小,且只能补偿几个特定次数的谐波（5、7、11、13次）,调制载波的频率（33KHZ）不高；河南电力局与清华大学联合开发的200MVA静止无功发生器（包含有源谐波器）在郑州孟砦变电站进行300KVA中间工业样机试运行，该样机主电路由18脉冲电压逆变器、直流储能电容器、9台曲折绕组变压器及系统的连接变压器组成，18脉冲逆变器分为3个6单相脉冲电压逆变器（功率开关为GTO），系统结构复杂，尺寸庞大，功耗大，价值昂贵，很难推广应用；华南理工大学研制了混合型有源电力滤波器用于牵引变电站的谐波治理，该装置在减小滤波器有源部分容量和技术实现上有一定的改进，但其滤波效果和隔离基波电压的无源网络阻抗存在矛盾，也就是说，无源网络的阻抗大，则有源部分的容量小但系统滤波效果不好，无源网络的阻抗小，则滤波效果好但有源部分的容量大；西安交通大学提出了四重化变流器作为大容量有源电力滤波器主电路的方法，该方法有效地解决了大容量和开关频率的矛盾，但该方法的成本高、技术实现难度大，且未见有实际应用的报道。总的来说，国内有源电力滤波器的应用技术和电子工业发达的国家相比有一定的差距。最早的有源电力滤波器是单独使用的并联型有源电力滤波器，经过多年的发展，为了尽量发挥有源电力滤波器的特长，提高其性能并尽量降低其容量，结合无源电力滤波器的特点发展成了串联混合型有源电力滤波器、并联混合型有源电力滤波器等等，为了适应不同的补偿对象，发展了各种各样的有源滤波器形式。根据有源滤波器和电网的连接方式，APF可以分为并联型和串联型两大类。1986年AKAGIH提出了并联型APF单独使用方式27，它是最早期的有源滤波装置。有源电力滤波器控制器的研制及应用10谐波源变流器APF图图图图11单独使用的并联型单独使用的并联型单独使用的并联型单独使用的并联型APF这种方式的主电路结构简单，但由于逆变器直接承受基波电压，所以其成本高且不适合高电压系统的补偿。为降低成本、减小逆变器的容量和适应高电压的要求，人们利用PF的成本低的优点，提出了各种APF与PF混合使用方式。1987年TAKEDAM等人提出用并联型APF和并联PF相结合的混合型APF31。PF谐波源变流器APF图图图图12并联型并联型并联型并联型APF并联并联并联并联PF的的的的HAPF该方式利用无源部分滤除了大部分的谐波，所以其有源部分的谐波容量较小，且PF能够提供一定的无功功率，但逆变器仍然直接承受了基波电压，所以功率开关器件的耐压等级并没有降低。1990年FUJITAH等人提出将APF与PF相串联后与电网并联的混合型方案32。谐波源PFAPF变流器图图图图13APF与与与与PF串联后并联接入电网的串联后并联接入电网的串联后并联接入电网的串联后并联接入电网的HAPF这种方式利用无源部分承受了大部分的基波电压，所以逆变器承受的基波电压小，适合于高电压系统的应用。但由于流过无源部分的基波电流都流入逆变器，所以不能利用PF提供大容量的无功功率。利用无源元件LC的串、并联谐振特性，人们提出了注入式APF的结构33,34。将LC对基波串联谐振电路作为有源部分的注入电路，能够大大降低APF承受的基波电压和容量，且可以利用无源元件提供学位论文11无功功率，但其谐波容量相对较大，而且所能提供的无功容量有限。随着电力电子技术的发展，全控型功率开关器件（如可关断晶闸管GTO和绝缘栅双极性晶体管IGBT）的电压和电流额定值不断提高，成本不断降低，人们从双或多逆变器的方向提出了各种APF的拓扑结构，来满足工业应用的要求。1994年，AKAGIH等提出一种将串联型APF和并联型APF进行混合的方式，也称为统一电能质量调节器（UNIFIEDPOWERQUALITYCONDITIONER，UPQC）35。谐波源UPQC变流器变流器图图图图14并联型并联型并联型并联型APF串联型串联型串联型串联型APF的的的的HAPF这种方式从理论上讲，可以抑制电压闪变、电压波动、不对称和谐波，但由于采用了双逆变器，所以存在控制复杂和成本高的缺点。上述描述了并联型APF的发展现状，有源滤波器还有另外一大类串联型APF,图15为典型的串连APF拓扑结构36。变流器APF谐波源图图图图15单独使用的串联型单独使用的串联型单独使用的串联型单独使用的串联型APF串联型APF单独使用方式能有效滤除电网的谐波电压，具有有源装置容量小和运行效率高等优点，但存在绝缘强度高、难以适应线路故障条件以及不能进行无功功率动态补偿等缺点，且负载的基波电流全都流过连接用的变压器，其工程实用性受到限制。在串联型APF单独使用方式基础上发展出的串联型APF混合型结构37,38，也都同样存在绝缘强度高和难以适应线路故障的缺点，本文在此就不一一阐述了。14有源电力滤波器控制器的技术特点有源电力滤波器控制器的技术特点有源电力滤波器控制器的技术特点有源电力滤波器控制器的技术特点虽然有源滤波器发展至今，其主电路拓扑结构和控制原理都发生了变化，但都是从最早期的并联型APF，根据对偶原理或通过混合逐步演变而来的。所以，有源电力滤波器控制器的研制及应用12存在对APF的一般性定义将系统中所含有害电流（电压）检出，并产生与其相反的补偿电流（电压），以抵消输电线路中的有害电流（电压）的半导体电力变换装置1,39。有源滤波器一般由三大部分组成检测电路、控制电路和功率变换电路。其中控制电路的实现方式也是最多样化的，它的多样化也体现了控制方法的多样性，而有源电力滤波器的控制器也是各种控制电路的集合。有源电力控制器一般包括硬件电路和软件算法两部分。随着电子元器件技术的发展，控制器硬件也经历了分立元件集成电路单片机DSP（DIGITALSIGNALPROCESS）芯片的一个发展历程；同样软件算法也从早期的与硬件电路捆绑变成如今的独立模块，可以单独开发，而且算法也在不断的改进，它体现出的实时性，稳定性也越来越强。设计一个好的控制器会从如下几个方面来考虑问题控制器的实时性控制器的可靠性控制器的兼容性控制器的可操作性一个性能完备的控制系统要求动态跟踪性能快和稳态误差小，从动态特性方面考虑，控制器的实时性也就是控制器的响应速度必须要满足系统的要求，具体而言，一个性能优良的有源电力滤波器控制器的响应速度一般在一个工频周期也即20MS的时间之内。要满足控制器响应速度快的要求，这就要从硬件和软件上综合考虑，硬件上要选用处理速度快的处理器，现今的DSP芯片最高主频可以达到150MHZ的速度，这里所讲的芯片侧重控制芯片而不是通常意义的偏重于计算的芯片；软件上要选用时间效率高的算法，在有源电力滤波器中，关键是选好谐波检测算法和控制算法，这两个算法是控制器的核心部分。控制器的可靠性是适应工业上的要求，对于电气设备都是全天候的工作，所以控制器的工作场合也必须是时间连续，而且要求控制精度的准确性，这也就是控制器的可靠性。可以说，系统可靠性的评估在现代工业中占有很大的比重，同样，在以安全生产为准绳的电力工业里面，可靠性的重要是由其重要的。追求控制器的可靠性，必须先满足硬件的上的可行可靠，在硬件设计方面就要首先考虑，防止通讯干扰，设备的静电屏蔽，强电弱电的耦合等等方面，这是第一个层面要考虑的；另外，还需在软件设计上对程序做一个合理的跟踪，比如设计看门狗电路，防止程序跑飞以及不可预见的事件，系统自检报警程序等都是可以行之有效的方法。控制器的兼容性设计是工业技术设计方面经常用到的准则，好比今天使用的PC机，无论是硬件设备还是软件协议，驱动配置都是要求有兼容性的要求，不然就没有办法实现当今INTERNET的飞速发展。在有源电力滤波器控制器的设计中的兼容性是指在设计的初期要能准确的预测将来技术的走向，或者对于功能的全面学位论文13性有一个事先的考虑，在系统的设施上给将来的扩展留下接口和一些裕量，具体而言，可以将电力保护的单元逐渐集成到有源电力滤波器中，以增加系统的兼容性；其次，在软件的设计上可以采用模块化设计，方便功能的修改和调整。控制器的可操作性是指它的友好的人机操作界面。因为现在的技术水平还不能达到工业设备的完全智能化的要求，所以在操作一台设备时候，友好的人机界面能够在操作人和机器之间建立一个沟通的桥梁，对于指令的准确执行起着很大的作用。现在固定的装置或者便携设备基本都是采用LCD模块来设计，正在逐步取代模拟时代的发光二极管的显示方式，这也是顺应科技发展的一个技术趋势。至于界面的设计它又是多样化的，可操作性和便于理解的使用性是最先考虑的。15本文的研究背景及主要内容本文的研究背景及主要内容本文的研究背景及主要内容本文的研究背景及主要内容本文的研究课题属于国家科技攻关项目电网谐波分析与治理一体化系统（2002BA218C），同时也属于国家自然科学基金（60474041）支持项目，还得到了湖南省发展计划委员会重点项目基金和湖南省电力公司重大科技项目基金的大力支持。研究的目的是应用混合注入式有源电力滤波器对江西某铜箔厂进行谐波治理和无功补偿综合治理。对江西某铜箔厂的现场数据收集显示，其谐波分量主要集中在5次、7次、11次、13次，而且现场的功率因素仅为065，所以，对铜箔厂的治理不仅包括谐波治理，还要补偿3600KVAR的无功功率。本论文以江西某铜箔厂的谐波环境为工程背景，主要内容为应用成熟的有源电力滤波器的拓扑结构，开发一种适合于工程实际的电力滤波器控制器，这其中包括硬件的设计和软件设计以及最后的实施。鉴于此，本文的各章节的设计如下第二章，有源电力滤波器控制器硬件的研制。本章主要讲述了控制器的硬件设计及其它的实现，并以一种模块化的思想介绍了各个模块功能，技术特点，并给出了部分的设计参数。第三章，谐波实时电流检测及DSP实现。本章先比较了一些常用的谐波检测算法，然后根据实际的工程需要提出了一种基于DFT滑窗迭代算法的谐波检测算法，分析算法的机理，给出了仿真波形，并设计程序流程，最后是DSP的实现。第四章，有源电力滤波器控制器系统软件开发。本章主要讲述了在TI公司的开发平台CCS2000上进行控制器的程序设计，对各个程序模块完成的功能进行了一个由整体到局部的描述，并给出了各个子程序的软件流程图。第五章，有源电力滤波器控制的工程应用。本章主要首先概要介绍了在江西某铜箔厂的整个系统设计方案，以及现场数据的展示，然后是讲述了控制器在现场应用的效果，给出了现场的一些照片和实际的波形展示。第六章，为总结和展望部分。有源电力滤波器控制器的研制及应用14第第第第2章章章章有源电力滤波器控制器硬件研制有源电力滤波器控制器硬件研制有源电力滤波器控制器硬件研制有源电力滤波器控制器硬件研制传统的有源电力滤波器采用的是模拟控制系统，它的缺点是电路设计复杂且性能不稳定。有源电力滤波器控制器是整个控制系统的核心部分，它完成的功能包括检测计算，控制算法以及PWM脉宽调制等。单片机在工业控制方面有广泛的应用，所以以往的控制器都是用单片机来实现的，它的优点是稳定性好，缺点是处理速度不够快，控制的实时性不能满足要求。随着控制技术的发展，各种控制算法应运而生，具体而言，在有源电力滤波器控制器的算法中，核心的算法是如何来调制PWM脉冲，来实现逆变电路的稳定快速准确的工作，在硬件上，单片机在PWM调制上不具备优势，必须多片单片机共同来完成，这样会造成硬件结构上的复杂和控制程序上的难度。20世纪60年代以来，随着计算机和信息科学的迅速发展，数字信号处理技术（DSP，DIGITALSIGNALPROCESSING）也飞速崛起，近几十年来，数字信号处理已经在通信、自动化等领域得到了极为广泛的发展。这为有源电力滤波器控制器数字化提供了先决条件，从硬件的完备性，数据处理的快速性，还是算法的兼容性上讲，它既发挥了单片机的各种优势，也克服了以前单片机系统的一些客观的弱点。所以，DSP技术在有源电力滤波器中的应用将是一个很大的契机。正是基于这样一种背景下，本章将分模块的描述控制器的硬件系统结构。21基于基于基于基于DSP的控制器系统硬件结构的控制器系统硬件结构的控制器系统硬件结构的控制器系统硬件结构本章中系统控制器采用的是德州公司的TMS320LF2407A以下简称2407A数字化DSP控制方案。如图21所示，整个控制器包括处理器模块、A/D采样模块、数据存储器扩展模块、液晶显示模块、矩阵键盘输入模块、硬件锁相环模块、PWM硬件死去延时模块和通信模块。211主处理器模块介绍主处理器模块介绍主处理器模块介绍主处理器模块介绍TI（TEXASINSTRUMENTS）公司的TMS2407LF240X系列DSP控制器是在24X的基础上低功耗改进型，它是为了满足控制应用而设计的。2407A是此系列中的一个分支，通过把一个高性能的DSP内核和微处理器的片内外设集成为一个芯片的方案，2407A成为传统的微控制单元（MCU）和昂贵的多片设计的一种廉价的替代品。每秒3000万条指令（30MIPS）的处理速度，使2407A型DSP控制器可以提供超过传统的16位微控制器和微处理器的能力。21112407A型数字处理器特点型数字处理器特点型数字处理器特点型数字处理器特点学位论文15图图图图21DSP控制器系统硬件结构控制器系统硬件结构控制器系统硬件结构控制器系统硬件结构（1）改进哈佛结构40，41哈佛结构与传统的冯诺依曼（VONNEUMAN）结构相比，其主要特点是程序和数据存储具有独立的存储空间，有各自独立的程序总线和数据总线，每个存储器独立编址，独立访问。大大地提高了数据处理能力，非常适合于实时的数字信号处理。TI公司的DSP芯片结构是基本哈佛结构的改进类型，改进之处是在数据总线和程序总线之间进行局部的交叉连接，这一改进允许数据存放在程序存储器中，并被算术运算指令直接使用，增强了芯片的灵活性，只要调度好两个独立的总线就可使处理能力达到最高，以实现全速运行。（2）流水线操作与哈佛结构相匹配，DSP芯片指令系统广泛采用流水线操作以减少指令执行时间，增强处理器的处理能力，把指令周期减小到最小值。2407A采用四级流水线深度，也就是说，处理器可以并行处理四条指令，每条指令处于流水线的不同阶段。（3）专用硬件乘法器在数据处理中，乘法是其中的重要组成部分。乘法速度越快，DSP处理器的性能越高。在通用的微处理器中，乘法指令是由一系列加法和移位来实现的，故需要许多个指令周期来完成。例如，执行一条字相乘，80C196系列芯片要20个状态周期（如16MHZ的晶振，约要25S）。相比之下，DSP芯片的特征是有一个专用的硬件乘法器。在TMS320系列中，由于具有专用的硬件乘法器，乘法可在一条指令周期内完成。2407A的一条指令周期为25NS。由此可见，对于运算较复杂的算法，DSP的速度比微处理器快很多。AIAUBICIBUCU有源电力滤波器控制器的研制及应用16（4）特殊的DSP指令DSP芯片为了方便数字信号处理、提高运算速度采用了一套专用的特殊指令系统。MACD指令是专门为数字信号处理中大量使用的乘加运算而设计的与MAC指令类似，在对于片内RAM控制进行操作，且使用的是间接寻址时，MACD首先累加先前乘积，然后把指定的数据空间的值和程序存储空间的值相乘，乘积的结果放在PREG中，并按PM的值指定的操作进行移位，同时把指定数据存储单元的内容拷贝到该数据存储单元的地址加1的单元中，这样就使得最旧的数据被抛弃，最新的值补充到数据缓冲区的底端，使数据一次通过数据缓冲区（5）丰富的片内外设图22是2407A的系统配置结构。从图中可以清晰的看出，2407A具有丰富的片上资源544字16位的双口RAM（DARAM），2K字16位的静态RAM（SARAM），32K字的FLASH，内部锁相环电路PLL，串行外设接口SPI，串行通信接口SCI，看门狗电路，CAN（CONTROLLERAREANETWORK）总线控制器模块，内部16通道10位精度的A/D转换电路以及用于PWM脉宽调制的事件管理单元EVA和EVB。图图图图222407A型型型型DSP系统配置结构系统配置结构系统配置结构系统配置结构2407A丰富的片内外设单元使得我们控制器的硬件设计变得非常的简单，需要扩展的外围接口电路很少。其中的事件管理单元EVM模块的PWM输出单元特别为逆变桥电路控制设计，使得三相逆变桥的IGBT模块的驱动信号生成变得非常的容易。全比较PWM输出单元有六个输出管脚，两两互补输出，用于对应铜桥臂IGBT控制。学位论文172112内部锁相环内部锁相环内部锁相环内部锁相环PLL环路滤波电路参数设计环路滤波电路参数设计环路滤波电路参数设计环路滤波电路参数设计2407A内部的PLL模块使用外部滤波器回路来抑制信号抖动和电磁干扰，使抖动信号和干扰影响最小。内部的PLL时钟模块电路如图23所示。滤波器回路的元件为R1，C1和C2，电容C1和C2必须是无极性的。滤波器电路回路连接到2407A芯片的PLLF和PLLF2引脚。在不同的振荡器（XTAL1）频率下的R1，C1和C2推荐值见表21。本文中采用的有源晶振值为10MHZ，所以查表得到R1，C1和C2参数分别为111R；FC6801；FC01502图图图图232407A锁相环时钟模块电路图锁相环时钟模块电路图锁相环时钟模块电路图锁相环时钟模块电路图表表表表21外部滤波器元件参数表外部滤波器元件参数表外部滤波器元件参数表外部滤波器元件参数表XTAL1/CLKIN频率/MHZR1/C1/FC2/F4473900825562700566681800397821500338911002291008200151011068001521132407A电源的设计电源的设计电源的设计电源的设计对于任何一个电气系统来讲，电源是不可或缺的部分。DSP应用电路一般都有5V和33V电源，也就是DSP控制系统一般都是多电源系统。而对于多电源系统，采用的一把策略是将5V的电源经过DC/DC变换得到其它数量级的电源电压，如33V、18V、25V等。首先，5V电源的得到一般可通过外部开关电源有源电力滤波器控制器的研制及应用18或者交流220V单相电经变压器、桥式整流后再经过电容、电感滤波得到。为得到33V的DSP控制电压，本文采用的DC/DC变换芯片为TPS7333Q，它的基本电气参数见表22，接线连接见图24，其中它的8号引脚可用作DSP的外部复位引脚。图24中的电容C1和C2分别用来消除纹波和稳压的作用。图图图图24DSP控制器电源模块控制器电源模块控制器电源模块控制器电源模块表表表表22TPS7333Q电气参数电气参数电气参数电气参数输入电压/V输出电压/V输出电流/MA工作温度封装形式5最大值典型值最小值50040125DIP，SO33733323212采样电路模块的设计采样电路模块的设计采样电路模块的设计采样电路模块的设计采样电路的设计包括同步信号捕获和外接8通道电流电压采样电路。同步信号捕获单元是为读取母线电压中A相的过零点而设计的，目的是在过零点的时刻发出PWM调制信号，保持补偿谐波电流的相位同步。具体电路如图25所示。25电压过零捕获电路电压过零捕获电路电压过零捕获电路电压过零捕获电路图中入口信号为母线A相电压经过了一级PT之后的标准信号，为100V交流信号，然后经过了电路中的二级PT（电压互感器）转换为5V交流信号，最后经过了型滤波电路，两极稳压管钳住输入运放LM393的电压为07V07V之间，输入电流为零，满足LM393灌电流最大值25NA的技术指标。采样电路是控制器的重要组成部分，其转换精度决定了控制器性能的优劣。432567850F50FRS5V33VTPS7333QC1C2学位论文19虽然2407A内部带有16路10位精度的片上A/D模块，但该模块存在以下缺点只能接收033V的单极性信号输入，对于交流信号需要另外设计限幅抬压电路；同一排序器内各通道串扰严重；10位的转换精度难以满足高性能系统的要求。本章的硬件设计采用了两片精度更高的14BIT的4通道同时采样的MAX125。这款芯片是MAXIM公司生产的高精度型的A/D转换芯片，内部集成了前端采样保持电路（S/H），其输入信号范围5V，通道最大承受过压可达17V，简化了信号调理电路；单路转换时间3S；拥有A、B两组信号输入端，每组四个输入通道。MAXL25可以和DSP并行工作，从而减轻了DSP的工作负担。MAXL25数据、地址线通过总线隔离驱动芯片74HC245与2407A的数据线连接，片选信号通过74HC138译码器得到，启动信号通过硬件倍频电路得到，将在下一节具体介绍硬件倍频电路。具体的采样电路设计见附录1控制系统原理图。213硬件倍频电路模块的设计硬件倍频电路模块的设计硬件倍频电路模块的设计硬件倍频电路模块的设计锁相环（PLL，PHASELOCKEDLOOP）电路是用于生成与输入信号相位同步的新的信号电路。本文中设计的是用锁相环元器件使输出信号为输入信号的128倍的倍频电路。具体的功能为利用普通的工频信号50HZ所转换的方波信号，这在212节中的同步信号捕获中已有介绍，进而将方波信号倍频成64KHZ的方波信号，以此来启动A/D采样芯片，达到每周波均匀采样128点的要求。倍频电路的基本工作原理是将输入波形与VCO（VOLTAGECONTROLLEDOSILLATOR）振荡波形的相位进行比较，使其输入频率与VCO振荡频率同步。如图26所示，VCO输出经分频后的信号与输入波形的相位进行比较时，输入频率与分频后的频率为同一频率，即VCO的振荡频率与分频后的频率同步42。图图图图26倍频原理图倍频原理图倍频原理图倍频原理图在图26的倍频电路中包括两个重要的模块，锁相电路PLL和分频器，硬件设计的重点也就是对PLL器件和分频器器件的选择。本文采用的PLL器件型号为CD4046BE，内部由一个VCO和鉴相器组成，只需在外部设计VCO振荡参有源电力滤波器控制器的研制及应用20数R1、R2、C1和环路滤波器参数R3、C2即可，它的内部结构如图27所示。其中R1、图图图图27CD4046BE内部结构图内部结构图内部结构图内部结构图R2、C1的参数确定可以图28的（A）和（B）中曲线图来确定。其中实验测定FMIN447KHZ，FMAX/FMIN2。由（A）中曲线得出R2100K，C13300PF。由图（B）中曲线得出R2/R11，即R1100K。FMINC1A电容电容电容电容C1与中心频率与中心频率与中心频率与中心频率F0关系曲线关系曲线关系曲线关系曲线（B）R2/R1与与与与FMAX/FMIN的关系曲线的关系曲线的关系曲线的关系曲线图图图图28R1、R2、C1参数确定曲线参数确定曲线参数确定曲线参数确定曲线PLL电路最重要的部分为环路滤波器即图27中的低通滤波器的设计，最终是要确定R3、C2的参数值，从结构图中看出，由R3、C2组成的低通滤波器为一阶系统，实际的实验中未能达到良好的效果，使得PLL的频率偏移很严重，所以学位论文21本设计中采用的环路滤波器为图29（A）所示的二阶电路。使用MULTISIM数字电子设计仿真系统软件对电路中各参数进行优化得到如下参数R3100K，R4137K，C333F，C447F。仿真信号VIN为1V，1KHZ方波信号。按此参数设计的环路滤波器传输特性图如图29（B）所示。（A）环路滤波器仿真电路环路滤波器仿真电路环路滤波器仿真