（控制理论与控制工程专业论文）基于瞬时无功功率理论的dsp谐波检测的应用研究.pdf

t t l i 山东大学硕士学位论文 基于瞬时无功功率理论的d s p 谐波检测的应用研究 摘要 随着电力电子技术的迅猛发展，各种电力电子装置在电力系统、交通、 工业以及家庭等众多领域中的应用越来越广泛，由此带来的谐波和无功问题 也日趋严重，特别是电力电子装置产生的谐波对公用电网产生的危害，引起 了人们越来越多的关注。 本文基于瞬时无功功率理论的i p i q 算法，重点研究了采伟j t m s 3 2 0 f 2 4 0 芯片对电网中的谐波电流进行准确实时检测的方法，并借助m a t l a b 进行了仿 真。论文分六个部分。 第一部分为绪论，主要介绍了电力系统谐波的危害，有源电力滤波器的 发展，以及d s p 技术的特点。 第二部分介绍了传统的功率理论和瞬时无功功率理论，并就目前已经存 在的谐波检测方法进行了分析和比较，最后重点阐述了基于瞬时无功功率理 论的q p ( 或p q ) 、i ，一i q 算法，并指出各自的优缺点。 第三部分介绍了有源电力滤波器的分类，并重点介绍了目前使用比较多 的并联型和串联型有源电力滤波器。 第四部分主要介绍了硬件方面的实现。本部分首先给出了硬件原理框图， 然后重点阐述了d s p 外围扩展、数据采样转换、p 删信号的产生、保护电路 和串口通讯等模块的实现方法。 第五部分主要介绍了系统软件的设计，并给出了a d 转换、谐波计算、 p 喇输出等子程序的程序框图。 第六部分是仿真部分借助m a t l a b 中的s i m u l i n k 仿真模块建立了谐波 检测部分的仿真模型，采用i ，一i 。算法对谐波检测进行了仿真，并对仿真结果 进行了分析 关键词：谐波，瞬时无功功率理论，d s p ，有源电力滤波器，仿真 山东大学硕士学位论文 s t u d ya b o u tt h ea p p l l c a t i o no fh a r m o n i cd e t e c t l 0 n wit hd s pb a s e do nin s t a n t a n e o u sr e a c tiv ep o w e rt h e o r y a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fp o w e re l e c t r o n i c s ，a lls o r t so fp o w e r e l e c t r o n i cd e v i c e sh a v eb e e nu s e dm o r ea n dm o r ew i d e l yi nm a n yf i e l d s ， s u c ha sp o w e rs y s t e m ，t r a f f i c ，i n d u s t r ya n df a m il y ，e t c a n dt h e p r o b l e m so fh a r m o n i ca n dr e a c t i v ec u r r e n t st h a tt h e yb r i n ga b o u ta r e b e c o m i n gi n c r e a s i n g l ys e r i o u s ，e s p e c i a l l yt h eh a r mo ft h eh a r m o n i co f e l e c t r o n i cd e v i c e st op u b l i cp o w e rn e t w o r k ，w h i c hh a sb e e np a i dm u c h a t t e n t i o n b a s e do nt h ei p i qa l g o r i t h mo ft h ei n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e r t h e o r y ，t h em e t h o do ft h er e a l t i m ea n da c c u r a t ed e t e c t i o no fh a r m o n i c i np o w e rn e t w o r kw i t ht h eu s eo ft h et m s 3 2 0 f 2 4 0d s pi sm a i n l yc o n s i d e r e d i nt h i sp a p e r a n ds o m es i m u l a t i o n sw i t hm a t l a ba r eg i v e n t h ep a p e r i sa r r a n g e di nt h ef o l l o w i n gs i xs e c t i o n s t h ef i r s ts e c t i o ni n t r o d u c e st h eh a r mo ft h eh a r m o n i ci np o w e r s y s t e m ，t h ed e v e l o p m e n to fa c t i v ep o w e rf i l t e ra n dt h ec h a r a c t e ro f d s p t h es e c o n ds e c t i o ni n t r o d u c e st h ec o n v e n t i o n a lp o w e rt h e o r ya n d i n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e rt h e o r y t h e nt h ee x i s t i n gd e t e c t i o n m e t h o d so ft h eh a r m o n i ca r ea n a l y z e da n dc o m p a r e d l a s t l y ，t h e 够( o rp q ) a l g o r i t h ma n dt h e i p i q a l g o r i t h mb a s e do ni n s t a n t a n e o u s r e a c t i v ep o w e r t h e o r ya r ee x p a t i a t e d a n d t h ec h a r a c t e r so ft h e a l g o r i t h m sa r ea l s oi l l u m i n a t e d t h ec l a s s i f i c a t i o n so fa p fa r ei n t r o d u c e di nt h et h i r ds e c t i o n ， m a i n l yt h ep a r a l l e la p fa n dt h es e r i e sa p f 2 ， f s p 一 ! 山东大学硕士学位论文 t h ef o r t hi l l u s t r a t e st h er e a l i z a t i o no ft h eh a l d v a r e t h e p r i n c i p l eo ft h eh a r d w a r ei sg i v e nf i r s t l y a n dt h i sp a r ta l s op r e s e n t s t h er e a l i z a t i o nm e t h o do fs o m em o d u l e ，s u c ha sp e r i p h e r a ls p r e a do f d s p ，d a t as a m p l i n gt r a n s f o r m ，t h eg e n e r a t i o no fp w ms i g n a l ，p r o t e c t e d c i r c u i ta n dt h es e r i a lc o m m u n i c a t i o n t h ef i f t hp r e s e n t st h ed e s i g no ft h es o f t w a r e ，i n c l u d i n gt h e s u b r o u t i n ef l o wc h a ro fa dt r a n s f o r m , h a r m o n i ca c c o u n ta n dt h eo u t p u t o fp w ms i g n a l s i nt h el a s ts e c t i o n ，am o d e lo fh a r m o n i cm e a s u r e m e n ti ss e tu pw i t h t h es i 姗l i n ki nm a t l a b ，i nw h i c ht h ei p i q a l g o r i t h mi su s e d a n dt h e r e s u l t so fs i m u l a t i o na r ea n a l y z e d k e yw o r d s ：h a r m o n i c ，i n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e rt h e o r y ，d i g i t a l s i g n a lp r o c e s s i n g ，a c t i v ep o w e rf i l t e r ，s i m u l a t i o n f磐， 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：盘曼日期： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：监导师签名：边日期：之业 4 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 随着电力电子技术的迅猛发展，各种电力电子装置在电力系统、交通、 工业以及家庭等众多领域中的应用越来越广泛，由此带来的谐波和无功问题 也日趋严重，特别是电力电子装置产生的谐波对公用电网产生的危害，引起 了人们越来越多的关注。在最近几十年里，国内外谐波抑制和无功补偿问题 的理论研究和实践应用都有了很大的进展，由最初的使用l c 无源滤波器发展 到现在的有源电力滤波器( a c t i v ep o w e rf i l t e r ，缩写为a p f ) 从八十年 代以来，对a p f 控制方法的研究方兴未艾。传统a p f 主要采用模拟控制，但模 拟控制存在着电路复杂、控制性能差、易受环境干扰等缺点为了克服模拟 控制的不足，适应现代电力系统的要求，先进的数字信号处理d s p ( d i g i t a l s i g n a lp r o c e s s i n g ) 技术逐步被应用到电力系统中，其快速强大的运算和处 理能力以及并行运行的能力得到了充分发挥，满足了电力系统监控的实时性 和算法处理的复杂性等要求，并为不断发展的新理论和新算法应用于电力系 统的实践奠定了技术基础。 本文结合2 0 0 5 年威海市科技发展规划项目“电力系统d s p 数字式测控仪” 的研究，针对谐波检测的实时性、准确性要求，提出了利用t m s 3 2 0 f 2 4 0d s p 芯片实现基于瞬时无功功率理论的i 。一i 。算法的谐波检测方法。分析和实验结 果表明：这种检测和计算方法可以满足谐波检测的要求。 1 1电力系统谐波的研究现状 i 1 1 电力系统谐波的危害 近年来，配电网中整流器、变频调速装置以及各种电力电子设备的不断 增加，这些负荷的非线性和不平衡性等用电特性，对电网造成了严重污染。 谐波的污染与危害主要表现在对电力与信号的干扰和影响上，概括如下 1 ： 在电力危害方面： 1 ) 增加了旋转电机等的附加谐波损耗与发热，缩短其使用寿命； 2 ) 使原有的电量测量定义和方法不适用； 山东大学硕士学位论文 3 ) 使继电保护设备误动作。 在信号干扰方面： 1 ) 对通信系统产生电磁干扰，使电信质量下降； 2 ) 造成重要的和敏感的自动控制与保护装置的误动作； 3 ) 危害到功率处理器自身的正常运行。 1 1 2 电力系统的谐波抑制技术与发展现状 针对上述问题，以往采取的措施是采用l c 无源滤波器抑制谐波，其优点 是投资少、结构简单、维护方便等，因此无源滤波是目前广泛采用的抑制谐 波及无功补偿的主要手段。但该方法有不少缺点 2 ：有效材料消耗大、体积 大；在某些条件下可能和系统发生谐振，引发事故；其滤波特性是由系统和 滤波器的阻抗比所决定的，一旦电网频率变化，其抑制作用就会受到影响。 由于无源滤波器具有以上缺点，随着电力电子技术的不断发展，人们将 滤波器的研究方向逐步转 向a p f 。与无源滤波器相比，a p f 具有高度的可控性 和快速响应性，其具体特点如下： 1 ) 不仅能补偿各次谐波，还可补偿无功，且在性价比上较为合理； 2 ) 滤波特性不受系统阻抗的影响； 3 ) 具有自适应功能，可自动跟踪补偿变化着的谐波。 1 2 有源电力滤波器 早在7 0 年代初期，日本学者就提出了a p f 的概念，但由于受到当时功率半 导体器件水平以及控制策略的限制，a p f 的研制一直处于试验研究阶段，未能 在工业中得到应用。直到进入2 0 世纪8 0 年代，由于大、中功率全控型半导体 器件的发展日趋成熟，脉冲宽度调制( p 喇) 控制技术的进步，以及基于瞬时 无功功率理论的谐波电流瞬时检测方法的提出，a p f 才得以迅速发展。目前， a p f 在提高电能质量、消除三相电力频率中的谐波、抑制电压波动和改善电压 平衡等技术中得到了广泛的应用。 。 随着现代社会对电能质量要求的日益提高，a p f 作为改善电能质量的有效 装置有着广阔的前景 3 ： 2 山东大学硕士学位论文 1 ) 为了降低成本，提高效率和扩大容量，a p f 与l c 无源滤波装置组合的 混合型有源滤波系统将得到广泛的应用； 2 ) 为了适应a p f 多功能复杂控制的需要，在a p f 走向实用化的道路上， 些先进的检测方法和控制方法的提出，实现了对电能质量多项指标的综合 治理； 3 ) 当a p f 容量不大时，通常采用i g b t 和p w m 技术进行谐波补偿；当容量 较大时，可采用g t o 以及多重化技术进行谐波补偿。 i 3d s p 技术简介 电网中对谐波的检测控制要实现实时性、准确性，为了提高系统的运行 速度，本文采用7 以高速数字信号处理而见长的d s p 芯片作为系统c p u 。 d s p 是数字信号处理的简称，它是- f l 涉及电子、计算机、应用数学等许 多学科且广泛应用于许多领域的新兴技术。d s p 技术的实现主要基于d s p 芯： 片。d s p 芯片是基于超大规模集成电路技术和计算机技术发展起来的一种高； 速专用微处理器，可以实现各种数字信号处理的算法，一般具有以下特点 4 ： 1 ) d s p 普遍采用了数据总线和程序总线分离的哈佛结构及改进的哈佛 结构，比传统处理器的冯诺依曼结构具有更高的指令执行速度； 2 ) d s p 采用流水线技术，即每条指令都由多个功能单元分别完成取指、二 译码、取数、执行等步骤，从而在不提高时钟频率的条件下减少了每条指令 的执行时间； 3 ) d s p 大都配有独立的乘法器和加法器，使得在同一时钟周期内可以 完成相乘、累加两个运算； 4 ) 配有中断处理器和定时控制器，可以很方便地构成一个小规模系统： 5 ) 低功耗。 基本d s p 系统的构成为 5 ： 图1 1 基本d s p 应用系统 3 山东大学硕士学位论文 2 1 传统的功率理论 第二章谐波电流的检测方法 传统的无功功率的概念是建立在正弦交流电路的基础上的。在正弦交流 电路中，电压和电流的瞬时值e 、i 的表达式为： e = x 2 e s i n c o t ( 2 1 1 ) i = d 2 i s m ( t 一妒) = 五s i i l t c o s 一压i c o s r o t s i n # ( 2 1 2 ) 式中，e 、i 电压、电流的有效值； 电压与电流之问的相位差。 则瞬时功率p 为： p = e i = , j 2 e s m 国t x 五s m ( m t 一) = e i 【c o s 一c o s ( 2 0 j t 一妒) 】 ( 2 1 3 ) 从上式可以看出，瞬时功率由两部分组成，即恒定分量p 。= e l c o s # 和按双倍 频率交变的正弦分量p ：- = e l c o s ( 2 r o t 一声) ，则在某一个周期t 内的平均功率为： p _ - i f p d t = t f t e l c o s 妒一c o s ( 2 r o t - ) 】d t = e l c o s 妒 ( 2 1 4 ) p = e l c o s # 为消耗在电阻元件上的平均功率，称为有功功率。 记i 。= $ 芝i s i n r o t c o s ，与电压同相位，称为有功分量。 r s i n 声s i n 2 t d t = 0 ，在一个周期内其平均功率为0 ，即不消耗能量的 功率，其瞬间功率最大值q = e l s i n 妒，称为无功功率。 + 记i 。= - 压i c o s c o t s i n # ，与电压相位相差9 0 。，称为无功分量。 当电流和电压均为正弦波时，无功功率是代表负荷和电源之间的能量来 回交换的一种量度。换句话说，无功功率是电源与磁场、电源与电场或者磁 场与电场之间，按双倍频率进行交换而无能量消耗的电功率，它在交流系统 中是必不可少的 6 。 4 它 图2 1 三相电路电压、电流矢量图 设三相电路为三相三线制，各相电压和电流的瞬时值为e i 、e b e 。和 i 、i 。、i 。，定义如下： c i = e s i n w t e b = e s i n ( t 一2 ) ( 2 2 1 ) ， e 。= e s i n ( c o t + 2 ) i b - - - - i s i n ( 国t 一妒一2 ) ( 2 2 2 ) 忙i s i n ( t 一+ 2 ) ，l， 对三相电压电流进行坐标变换，变换到口一两相正交的坐标系，就可以 z 1 0 两相瞬时电压。一。口和瞬时电流i 矿i p 具体定义的变换如下： 阱敛 | 组z 5 山东大学硕士学位论文 式中c 。= 店 卧圈 ll l 22 0 压压 22 ( 2 2 4 ) o c 一系统中的旋转电流矢量i 和旋转电压矢量e 的点积为瞬时有功功率 p 即：p = i e = e a i a + e ，i ， ( 2 2 5 ) 同样的，旋转电流矢量i 和旋转电压矢量e 的叉积为瞬时无功功率q ，即： q - - i x e - - i 。，- i ，e 。 ， ( 2 2 6 ) 写成矩阵形式： 乏o , l r ：厅1c 捌 亿z 式峨- 乏吃e p 将式( 2 2 3 ) 和式( 2 2 4 ) 代入上式，可得到p 、q 对于三相电压和电 流的表达式： p = e a i + o b i h + e 。i 。 ( 2 2 8 ) q = 每【( e b e o ) i 。+ ( e 。一e 。) i b + ( c 一e h ) i 。】 ( 2 2 9 ) 由式( 2 2 8 ) 可以看出，三相电路的瞬时有功功率就是三相电路的瞬时 功率。传统理论中的有功功率、无功功率等都是在平均值的基础上定义的， 它们只适用于电压、电流均为正弦波时的情况。而瞬时无功功率理论中的概 念，都是在瞬时值的基础上定义的，它不仅适用于正弦波，也适用于非正弦 波和任何过渡过程的情况。可见，瞬时无功功率理论就是将传统三相电路功 率理论中的正弦信号的有效值、初相角、有功功率和无功功率突破时间平均 值的概念而引申为瞬时量，是对传统功率理论的自然扩展。因此，瞬时无功 功率理论包容了传统的无功功率理论，比传统理论具有更大的适用范围。 6 ， 些奎查兰堡主兰垡丝塞 2 3 谐波电流的检测方法 2 3 1 检测方法比较 到目前为止，谐波的检测方法己经有很多种，主要包括提取基波分量法 8 1 9 、基于f f t 的傅里叶分析法 1 0 1 1 、基于瞬时无功功率理论的 够( 或p q ) 算法及i ，一i 。算法 1 9 , 1 3 等。 提取基波分量法是最早出现的谐波检测方法之一，其原理是从需要补偿 的电流中提取基波分量，它与原信号之差就是所需补偿的谐波分量。但是这 种方法存在着设计难、误差大、对系统频率波动和电路元件参数十分敏感等 很多缺点，因此极少被采用。 基于f f t 的傅里叶分析法原理比较清楚，通过y e t 将检测到的一个周期 的电流信号进行分解，得到各次谐波的幅值和相位参数，将拟抵消的谐波分 量通过傅里叶变换得到所需的误差信号，再将该误差信号进行f f t 反变换， 即可得到补偿信号。这种方法思路简明、原理清楚，但是它具有一定的延时， 检测的结果实际上是较长时间前的谐波和无功电流，实时性较差，再加上其 较为复杂的运算，使这种方法的应用范围受到了很大的限制。 基于瞬时无功功率理论的筇( 或p q ) 算法和i ，一i 。算法在原理上是一样 的。用这两种方法检测谐波和无功时，进行的运算大多都是瞬时值运算，响 应速度很快，特别适合于变化快、冲击大的无功和谐波补偿。两者在只检测 无功电流时，都可以完全无延时地得出检测结果；检测谐波时，因被检测对 象中谐波的构成和采用滤波器的不同，会有不同的延时，但最多不会超过一 个电源周期，可见这两种方法具有很好的实时性与筇( 或p q ) 算法相比， i 。一i 。算法借助了构想的正、余弦函数，没有直接使用系统电压信息参与运算， 当系统电压波形畸变时，畸变成分在运算过程中不出现，检测结果不受影响， 因此本文采用了这种方法。 7 山东大学硕士学位论文 2 3 2 筇( 或i x l ) 算法 图2 2o 猡( 或p q ) 算法原理图 功率p 和瞬时无功功率q ，再经低通滤波器( l p f ) 后，得到其直流分量i 、一q 。 当电源电压波形无畸变时，p 为基波有功电流与电压作用所产生，q 为基波无 功电流与电压作用所产生。因此，经过矩阵的逆变换后，即可以由p 、q 计算 出被检测电流i 、i b 、i 。的基波分量i t 、i b f 、i c f 为； 小圈 汜s ， 将i 缸、i b f 、i d 与i 、i b 、i 。相减，即可得到i 。、i b 、i 。的谐波分量k 、i 、i 曲。 的原因会有一定畸变。当电网电压有畸变时，采用a 猡( 或p q ) 算法进行计算时， 2 3 3 i p i q 算法 8 图2 3 i 。一i q 算法原理图 山东大学硕士学位论文 图2 3 是i p - i q 算法的原理框图。其中s i n 国t 和c o s 国t 可以根据线电压由 锁相环电路( p l l ) 和正、余弦发生电路得到。 瞬时有功电流i ，和瞬时无功电流i 。的表达式为： 附 1 f s 岫t 一 - c , o s c o 。t = 后 。1 李2 爿 i = c c 靶睦 s m 国t s 蚴一扣蚴t + 扣 一c o s t c o s ( 口t 一詈万) 一c o s ( c ”t + ；，r ) ( 2 3 2 ) 设i d 、i b f 、i d 分别为各相的基波电流，i ，、i 。为变换后的基波分量，则 经反变换后，可得到计算基波分量的公式为： m 厘 廿、了 = 居 1 0 1压 22 一三 压 2 2 s m g t s i n t 一= 2 石) j s i n ( t + ：2 石) j - s i n t t l j l 圈i q j 屯圈 一c o s t c o s ( m t - - 昙万) j c o s ( r o t + 万1 j 设i 吐、i 埔、i 。为各相总的谐波电流，则有： i = i 一i 。，i 址= i b i m ，i 曲= k i d ( 2 3 3 ) 这就是补偿装置需要产生的补偿电流。令( 2 3 3 ) 式中e = o ，即可得 到基波有功电流分量，该分量与被检测电流相减可同时得到无功、谐波的补 偿分量当电网电压对称且无畸变时，i p - i 。算法可以迅速准确地检测出电网 电流中的谐波和无功分量。当电网电压不对称或发生畸变时，由于该算法没 9 山东大学硕士学位论文 有直接使用系统的电压信息，只借助于构想的正余弦函数来实现三相基波坐 标变换，因此可以准确地得到补偿分量。通过上述分析，可得出如下结论： 1 ) i ，一i 。算法只需要三相电路的瞬时电流和某相( 如a 相) 电网电压的频 率或周期信息，不需要准确地知道电网电压的幅值和初始相位信息。因此， 外部信号检测电路很简单。 2 ) i 。一i q 算法检测谐波电流的准确性不受电网电压畸变或不对称的影响。 由于i 。一i 。算法不需要电网电压准确的初始相位信息，因此在用查表法实现与 电网电压同步的s i n 珊( 、c o s o ， t 函数时，表格的起始点可从任一点开始。这一 部分将在第五章谐波电流计算中做详细阐述。 1 0 山东大学硕士学位论文 第三章有源电力滤波器的构成 3 1 有源电力滤波器的工作原理 a p e 是通过实时检测电网谐波，利用可控电力电子器件产生与之大小相 等、相位相反的电流，注入电网，从而达到实时补偿谐波的目的 图3 1 有源电力滤波器的构成 图3 1 所示的a p f 的基本工作原理是：实时检测补偿对象的电压和电流， 经指令电流运算电路得出补偿电流的指令信号，该信号经补偿电流发生电路 放大，得出补偿电流，补偿电流与待补偿的谐波及无功电流大小相等、相位 相反，相互抵消，最终得到期望的电网电流，使电网电流成为与电压同相位 的正弦波，从而达到抑制谐波、补偿无功的目的。例如，当需要补偿负载所 产生的谐波电流时，检测出补偿对象负载电流i 。的谐波分量也，将其反极性 后作为补偿电流的指令信号i ，经由补偿电流发生电路后产生补偿电流i 。，与 负载电流中的谐波分量i 。大小相等、方向相反，两者互相抵消，使电源电流 i 。中只含基波电流分量，不含谐波电流分量，这样就达到了抑制谐波的目的。 如果要求在补偿谐波的同时，补偿负载的无功电流，则只要在补偿电流的指 令信号中增加与负载电流的基波无功分量反极性的成分即可 1 4 i t s 。 3 2 有源电力滤波器的分类及特点 目前投入使用的a p f 种类繁多，其分类方法也多种多样。图3 2 从不同的 角度对a p f 进行了分类 1 6 。 山东大学硕士学位论文 有 源 电 力 滤 波 罂 直流 a p f 交流 a p f 萼塌 蠹 注入回路方式 l 与l c 串联 与l c 并联 串联谐振式 并联谐振式 串并联混合型( 统一电能调节器) 图3 2 有源电力滤波器的分类 3 2 1 并联型有源电力滤波器 并联型a p f 是最基本的方式，它通过检测负载电流，产生与之大小相等、 相位相反的谐波电流注入电网，从而抵消负载谐波电流。并联型a p f 相当于一 个受控电流源，可消除谐波，也可补偿无功。它适用于感性电流源型负载的 谐波和无功补偿，只流过补偿电流和小部分的基波电流，而且并联型a p f 可以 并联使用以提供大的电流。 屯神瞩磷 ( a )( b ) ( c ) 图3 3 并联型有源电力滤波器 一、单独使用的并联型有源电力滤波器 1 9 8 6 年，h a k a g i 提出了用并联a p f 消除谐波的方法 1 7 ，如图3 3 ( a ) 所示。图中负载为谐波源，逆变器和与其相连的电感、电容共同组成a p f 的 主电路。这种逆变器并联在电网上，跟踪负载电流中的谐波分量，产生与之 相反的谐波电流，从而抵消线路中的谐波电流。这种滤波器具有比较好的滤 波性能，但是由于电网基波电压全部加在逆变器上，因此装置容量较大，对 大容量谐波负载的补偿存在困难，这是单独使用的并联型a p f 的最主要缺陷。 山东大学硕士学位论文 二、与l c 混合使用的并联型有源电力滤波器 为使a p f 适用于大容量负载的补偿，可以将有源滤波与无源滤波相结合进 行补偿。这种方式是单独使用的a p f 再加上一个l c 无源滤波器，利用l c 无源滤 波器分担a p f 的部分补偿任务。l c 无源滤波器结构简单，易于实现且成本低， 而a p f b 偿性能好，两者结合使用，既可克服a p e 容量大，成本高的缺点，又 可使整个系统获得良好的性能。 ( 一) 并联型a p f 与并联无源滤波器的混合方案 这种方案是g n t a k e d am 等人在1 9 8 7 年提出的，如图3 3 ( b ) 所示。该方 案中无源滤波器承担了大部分的补偿谐波和无功的任务，a p f 只改善整个装置 的性能，其所需的容量与单独使用方式相比可大幅度降低。但这种结构的缺 点是：在a p f 与无源滤波器之间以及电网与a p f 之间存在着谐波通道，这会使 a p f 注入电网的谐波又流入无源滤波器中 ( 二) a p f 与无源滤波器串联后并联接入电网的混合方案 _ h f u j i t a 等人在1 9 9 0 年提出了a p f 与无源滤波器串联后并联接入电网的 方案 1 8 ，如图3 3 ( c ) 所示。无源滤波器一般由5 次、7 次单调谐波滤波器 和高通滤波器构成，a p f 由电压源型逆变器构成，经变压器耦合与无源滤波器 串联后并接在电网上。该方案中，谐波和无功功率主要由l c 滤波器补偿，而 a p f 的作用是改善l c 滤波器的滤波特性，克服l j c 滤波器易受电网阻抗的影响、 易与电网阻抗发生谐振等缺点。在这种方案中，a p f 为电流控制电压源，不承 受交流电源的基波电压，因此装置容量小由于注入变压器是连接在y 型连接 的无源滤波器的中性点上，保护和隔离方便，因此更适用于高压系统。该电 路的缺点是：使电源中的谐波电压非常敏感。 3 2 2 串联型有源电力滤波器 ( a )( b ) 图3 4 串联型有源电力滤波器 山东大学硕士学位论文 一、单独使用的串联型有源电力滤波器( s a p f ) 串联型a p f 如图3 4 ( a ) 所示。串联型a p f 通过一个耦合变压器连接到电 网中，检测电源电压，产生与电源谐波电压大小相等、相位相反的补偿电压， 从而使负载端电压接近正弦波。串联型a p f 相当于受控电压源，以电压源的方 式补偿电网中存在的电压畸变，其主要优点是能补偿电网谐波电压和三相不 平衡电压。但与并联a p f 相比，主要缺点是流过很高的负载电流，使变压器的 体积变大，损耗大。目前单独使用串联型a p f 的方式并不多见。 二、串联a p f 与并联无源滤波器组成的混合型有源电力滤波器 串联a p f 与并联无源滤波器p f 组成的混合a p f 是由f z p e n g 等人在1 9 8 8 年 提出的 1 9 ，如图3 4 ( b ) 所示。此方案结合了a p f 和无源滤波器的优点，具 有较好的滤波特性。因为大部分谐波由成本较低的无源滤波器滤除，所以a p f 的容量可以做得很小，但装置的容量可以做得很大。该方案中，a p f 对谐波呈 现高阻抗，而对基波电流呈现低阻抗。因此，a p e 相当于一个电源和负载之间 的谐波隔离装置。这种串联混合有源滤波器以其卓越的滤波性能、较小的a p f 容量得到了广泛的关注，但存在着保护困难等缺点。 3 2 3 并联与串联有源电力滤波器混合型方案 为了充分发挥串联a p f 与并联a p f 各自的优点，可以将二者混合起来使用， 这就是统一电能质量调节器( u p q c ) 的基本结构，这种方案是在1 9 9 6 年由日 本学者h a k a g i 提出的 2 0 2 1 。在该系统中，串联型a p f 通过变压器接入主 电路中，对电力系统和负载之间的谐波起隔离作用。而并联型a p f 直接与主电 路相连，主要进行谐波电流消除、无功电流补偿。两个a p f 都采用电压型逆变 器结构，系统输入和输出波形畸变小；电压调节动态响应时间短，范围宽， 精度高；能适用于各种用电负载，可以抑制电网三相交流电压的不均衡。对 这种装置的电路结构和控制方法的研究是目前电力电子技术领域的一个研究 热点和发展方向。 1 4 生奎查兰堡主堂垡丝苎 第四章硬件结构的实现 4 1 系统硬件原理框图 图4 1 系统硬件原理框图 由于目前电力系统中大量的谐波负载是整流桥类负载，故选取带阻容负 载的相控整流桥作为被补偿的谐波负载。图4 1 所示系统的无源滤波器包括5 次谐波滤波器，7 次谐波滤波器和高通滤波器，a p f 由电压源型p w m 逆变器构成， 通过变压器与无源滤波器串联连接后并联在电网当中。 整个系统由三个部分组成( 详见附录1 ) ： 1 ) 检测部分。采用的是霍尔电流传感器( l e m 模块) l a 2 5 一n p ，对系统电 流进行采样转换。 2 ) 控制部分。检测到的电流信号送至i m s 3 2 0 f 2 4 0 的 d c 端口进行a d 转 换，对得到的数字信号通过谐波计算得到负载谐波电流i 。，发出控制逆变器 各臂开关元件通断的p w m 信号 3 ) 输出部分由高频滤波器和变压器组成，逆变器输出的高频脉冲经 变压器后输入到高频滤波器中，其波形中的脉动成分由滤波器滤除后，所得 到的补偿电流输入系统。 山东大学硕士学位论文 4 2t m s 3 2 0 f 2 4 0 简介 t m s 3 2 0 f 2 4 0 是德州仪器公司推出的t m s 3 2 0 f c 2 x x 系列中的第一个d s p 控制器标准器件，是专门针对电机、逆变器、机器人等控制而设计的一种单 片d s p 控制器，外形为1 3 2 引脚的p q 封装。t m s 3 2 0 f 2 4 0 的诞生确定了单片 数字电机控制器的标准。 t m s 3 2 0 f 2 4 0 以1 6 位定点d s pc p u 为内核，具有3 2 位中央算术逻辑单元 和专用的硬件乘法器，可在一个指令周期内完成一条1 6 x 1 6 位的乘法运算。 在2 0 e - _ i z 的内部时钟频率下，单周期指令执行时间为5 0 n s 。c p 8 存储器可寻 址的存储空间为2 2 4 k 字节，并有1 6 k 的片内闪烁存储器。 t m s 3 2 0 f 2 4 0 在基本哈佛结构的基础上又作了改进，它允许数据存放在程 序存储器中，并被算术运算指令直接使用，并将指令存储在高速缓冲器中， 当执行此指令时，不需要从存储器中读取指令，节约了一个指令周期的时间。 另外，t m s 3 2 0 f 2 4 0 具有丰富的指令系统，编程容易灵活。t m s 3 2 0 f 2 4 0 还配置 了完善的外围设备，包括1 个优化的事件管理模块( e v ) 、2 个8 通道的1 0 位a d 转换器、1 个传输通信接口模块、2 8 个可独立编程的i 0 引脚以及中 断管理系统等。用于p w m 控制的事件管理模块可产生三相六路完善的p w m 信 号，并且可以内部编程设定死区时间。正因为t m s 3 2 0 f 2 4 0 具有指令执行的高 速性和内部p w m 产生功能，可以方便的实现数字信号的高速处理和控制，因 此采用它来研制谐波检测的数字测控仪，为系统的全数字控制提供了必要的 硬件和软件基础。 在本设计中，主要用到了事件管理器( e v ) 模块中的定时器单元( g p ) 及p w m 单元、a d 转换器等。 4 3d s p 外围扩展 4 3 id s p 存储器扩展 t m s 3 2 0 f 2 4 0 含有5 4 4 字的片内d a r a m ( 双口随机读写存储器) ，对所设 计的系统是不够的，须进行外部存储空间的扩展。考虑t m s 3 2 0 f 2 4 0 的运行速 度问题，为了不影响系统访问外部存储空间的速度，通常选用高速s r a m 进行 1 6 山东大学硕士学位论文 n 6 3 2 0 f 2 4 0 d 0 d 1 5 忱 r d 船 a o a 1 5 瓦 i s 6 1 c 1 0 2 4 ( i ) i o o i 0 7 面i 而 d o o 1 5 瓦 i s 6 1 c 1 0 2 4 ( 2 ) i 0 0 i 0 7 w 。e o e a 1 3 d b o 一嘟 r e s e t 叫而瓦 五引露 k 一 g n d 1 v 矗 o e l e o l d l 聃! ! h c 5 7 3 d 1 d 2 1 1 鹪叫 图4 2t m s 3 2 0 f 2 4 0 外围扩展 外部扩展，使系统工作于全速运行方式。高速s r a m 可以直接与t m s 3 2 0 f 2 4 0 芯片连接，只需将s r a m 的地址线、数据线和t m s 3 2 0 f 2 4 0 的地址线、数据线 相连，并辅以片选线和控制线即可。本文选用的是两片i s s i 公司生产的高速 静态随机存储器i s 6 1 c 1 0 2 4 实现外围存储空间的扩展。i s 6 1 c 1 0 2 4 是一种采 用c m o s 工艺制成的1 2 8 k 、8 位的s r a m 芯片。该芯片单电源5 v 供电，输入输 出电平与1 v r l 电平兼容。 表4 - ii s 6 1 c 1 0 2 4 工作方式选择表 一 _ 、ec eo e1 0 0 1 0 7 工作方式 h 高阻未选中 hlh 高阻输出禁止 h l l 数据输出读操作 llh数据输入 写操作 lll数据输入 写操作 图4 2 所示的存储器扩展电路中，t m s 3 2 0 f 2 4 0 的引脚一d s 为外部r a m 选择 信号的输出端，t m s 3 2 0 f 2 4 0 通过该信号指明对外部r a m 的访问。t m s 3 2 0 f 2 4 0 1 7 总线才被激活；两为低电平，表示外部总线被占用。 4 3 2 键盘、显示 在工业控制中，键盘和显示器是进行人机对话不可缺少的设备。按照闭 合键的识别方式键盘分为编码键盘和非编码键盘，编码键盘是通过专用硬件 实现的，非编码键盘是通过软件实现的。在控制系统中，为了节省硬件，通 常采用非编码键盘。在本系统中，通过7 4 h c 5 7 3 扩展了4 * 4 的1 6 键小键盘， 其中包括o _ 9 十个数字键和六个功能键。键盘扫描方式采用中断扫描方式， 可大大提高工作效率。当有键闭合时，向d s p 发出中断请求，d s p 在中断服务 子程序中对键盘进行扫描。 显示模块采用的是e p s o n 的液晶模块t c m - a 0 9 0 2 ，其功能如表4 - 2 所示。 表4 2t c m - a 0 9 0 2 功能表 符号 i 0 功能 v “ i 电源 v 。 i地 r e s e t i 复位( “1 ”= 初始化) c si 片选 _ r d i 读 w ri 写 a oi寄存器选择 d b 0 d b 7i 数据线 4 4 数据的采样和转换 4 4 i 数据的采样 电流采样与转换电路如图4 3 所示。系统设计的电流采样电路采用霍尔电 流传感器( l e m 模块) l a 2 5 一n p ，它是使用霍尔器件根据磁补偿原理而制作的， 1 8 山东大学硕士学位论文 可以传感从直流到数百千赫兹频率的信号。与普通传感器比较，其优点为： 1 ) l e m 模块可以测量任意波形的电流和电压，如：直流、交流、脉冲波 形等。副边电流忠实的反映原边电流的波形； 2 ) 原边电路与副边电路之间完全绝缘； 3 ) 过载能力强，当原边电流超负荷时，模块达到饱和，可自动保护。 此外l a 2 5 _ n p 还具有精度高、动态性能好、工作频率和测量范围宽以及 可靠性高等优点。可以看出，采用霍尔电流传感器作为检测元件能够比较好 地完成对谐波电流的实时检测，同时也实现了电网与滤波系统的绝缘。 图4 3 电流采样转换电路 由于t m s 3 2 0 f 2 4 0 芯片内的a d c 模块要求输入o 5 v 的单极信号，因此必须 将l e m 输出的小电流信号转换为电压信号，再经放大滤波后送入t m s 3 2 0 f 2 4 0 ， 因此设计了图4 3 所示的电路来进行信号的变换。图中r t 为h a l l 器件所允许 的负载电阻。考虑至l j h a l l 器件输出电流信号较弱，图中运放起放大作用，为 防止运放的零溧，采用i c l 7 6 5 0 斩波自稳零运放。运放7 6 5 0 后面的两个二极管 d l 、d ：可防止模拟输入过大电容c ，是一个滤波小电容，其作用是减小干 扰，它和电阻r 6 构成了一个低通滤波器。电阻r 。为限流电阻，它可在过压时 起限流作用，防止损坏后面的a d 转换电路。图4 3 的输出