（电气工程专业论文）多种通信方式的有源滤波器人机界面设计.pdf

中文摘要 中文摘要 随着电力电子技术的发展以及各种用电设备对电能质量要求的不断提高，谐 波抑制和无功补偿问题越来越得到人们的重视。以微处理器为控制核心的有源电 力滤波器作为动态抑制谐波和补偿无功的电力电子装置，对比其他无源滤波等装 置有不可比拟的优势。 本文在综合国内外有关文献的基础上，介绍了有源电力滤波器的发展历程、 现状和趋势，着重分析有源电力滤波器控制系统的基本工作原理。 有源滤波器控制系统可分成相对独立的两部分：下位控制器和人机界面。本 文着重介绍了人机界面的硬件和软件设计、实现过程。在硬件设计上采用了嵌入 式微处理器一a r m ，利用a r m 丰富的外设和事物处理能力，不仅提供给用户一 个友好的人机接口，可以现场设簧参数，监视和控制有源滤波器的运行情况等， 还扩展了多种通信接口，包括c a n r s 2 3 2 u s b s d 存储卡。 下位控制器和人机界面之间通过c a n 接口通信，下位控制器负责数据的采集 处理和工作过程的控制，人机界面负责传递用户的各种命令，并实现与外界的通 信，减轻了下位控制器的负担，从而有助于有源滤波器整体性能的改善。 关键词：有源滤波器；人机界面；通信系统 分类号： a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f p o w e re l e c t r o n i c st e c h n o l o g y , a sw e l la sh i g h e r s t a n d a r dr e q u i r e m e n tf o rp o w e rq u a l i t y , h a r m o n i cs u p p r e s s i o na n dr e a c t i v ep o w e r c o m p e n s a t i o n h a sg o tm o r ea t t e n t i o n a sa d y n a m i cc o m p e n s a t i o ne q u i p m e n t , a c t i v e p o w e rf i l t e rh a sm u c hm o r ea d v a n t a g e st h a no t h e rc o m p e n s a t i o nm e t h o d s a f t e r r e a d i n gc o n s i d e r a b l ea m o u n to f r e l a t e dl i t e r a t u r e ，w ec o n c l u d et h e b a c k g r o u n d ，d e v e l o p m e n ta n df u t u r ep r o s p e c to fa c t i v ep o w e rf i l t e r ，t h ep r i n c p l eo n w h i c ht h ea c t i v ep o w e rf i l t e rc o n t r o l l e rw o r k si sd e s c r i b e di nd e t a i li nt h ep a p e r t h ea c t i v ep o w e rf i l t e rc o n t r o ls y s t e mi sm a d eu po ft h em a n - m a c h i n ei n t e r f a c ea n d t h ec o n t r o l l e rb e l o wi t t h ep a p e rm a i n l yf o c u s e so nt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g n o ft h em a n - m a c h i n ei n t e r f a c e w ea d o p tt h ee m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o r a r m ，w h i c h h a sap o w e r f u la b i l i t yo fh a n d l i n gm a t t e r sa n dc o n t a i n sa b u n d a n to f p e r i p h e r a l so nc h i p 鹪w e l l t h em a n - m a c h i n ei n t e r f a c en o to n l yo f f e r su s e r saf r i e n d l yi n t e r f a c e ，f o re x a m p l e ， i t sc o n v e n i e n tf o ru s e r st os e tp a r a m e t e r s ，m o n i t o ra n da d m i n i s t e ra c t i v ep o w e rf i l t e ro n t h es p o t ，b u ta l s oe x p a n dm u l t i p l ec o m m u n i c a t i o nm o d e , i n c l u d i n gc a n ，r s 2 3 2 ，u s b a n ds d _ c a r d ，t om e e td i f f e r e n td e m a n d si nd a t ae x c h a n g i n g i no r d e rt oi n s u r et h e r e l i a b l i t yo fc o m m u n i c a t i o n , o p t o c o u p l e ri s o l a t i o ni su s e di nh a r d w a r ec i r c u i t ，a n da l s oa m a c h a n i s mt or e s e n dd a t a sa n dc h e c kt h eb u r s te r r o ra p p e a r e di nt h et r a n s m i s s i o n p r o c e d u r e i ss e tu pi ns o f t w a r ed e s i g n t h e1 0 w e rc o n t r o l l e rc o m m u n i c a t ew i t hm a n m a c h i n ei n t e r f a c ei nc a nm o d e t h e l o w e rc o n t r o l l e rh a sar e s p o n s b i l i t yt os a m p l ed a t a sa n ds e t t l et h ew o r k i n gp r o c e s s ，a n d t h em a n - m a n c h i n ei n t e r f a c eh e l p st ot r a n s m i tv a i r o u sc o m m a n d so fu s e r sr e a l i z e c o m m u n i c a t i o nb e t w e e na c t i v ep o w e rf i l t e ra n do u t e t rl i m i t m a n m a n c h i n ei n t e r f a c el i g h t e n t h eb u r d e no nl o w e rc o n t r o l l e r , s oi ti si n s t r u m e n t a li ni m p r o v i n gp e r f o r m a n c eo ft h e a c t i v ep o w e rf i l t e r k e y w o r d s ：a c t i v ep o w e rf i l t e r ；m a n - m a n c h i n ei n t e r f a c e ；c o m m u n i c a t i o n c l a s s n 0 ： 学位论文数据集 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究j 亡作和取得的研究成果，除 了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的 同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期： 年月日 7 6 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权北京交 通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：簪务砀 签字日期：弘d 7 年7 月压日 导师签名： 嗜阂宥 签字日期：7 哆年7 月妇 致谢 本论文的工作是在我的导师曾国宏副教授的悉心指导下完成的。在我攻读硕 士学位期间，导师在科研和生活上给了我悉心的指导和照顾，他严谨的治学态度、 科学的工作方法和积极向上的生活态度给了我极大的帮助和影响。同时，本论文 的选题、撰写和审阅等环节更是凝聚了导师的大量心血。在此衷心感谢两年来曾 国宏副教授对我的关心和指导。 特别感谢师兄刘斌和师姐郑丹在论文研究过程中对我的指导及帮助，他们乐 于助人、积极向上，是我学习和生活中的榜样。 在课题研究阶段还得到了岳玲玲、宋更付、张中向、胡海江、李欣嫒和王宝 归等同学热情的帮助，使我的论文得以顺利完成，在此向他们表达我的感激之情。 最后还要感谢我的家人，以及曾经帮助过我的老师、同学和朋友，他们的理 解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 绪论 1 绪论 近三四十年来，各种电力电子装置的迅速普及使得公共电网的谐波污染日益 严重，电网的电压和电流发生畸变，给电网中其他设备的运行带来不利的影响。 因此，抑制电网中的谐波、提高装置的功率因数成为电力电子和电力系统等研究 领域所面临的一个重大课题。 谐波治理的措施主要有两种：一是对电力电子装置本身进行改造，使其不产 生谐波，且功率因数可控制为l ，这当然只适用于作为主要谐波源的电力电子装置； 另一种就是装设谐波补偿装置来补偿谐波，这对各种谐波源都是适用的。 装设谐波补偿装置的传统方法就是采用l c 调谐滤波器。这种方法既可以补偿 谐波，又可以补偿无功功率，而且结构简单，一直被广泛使用。这种方法的主要 缺点是补偿特性受电网阻抗和运行状态影响，易和系统发生并联谐振，导致谐波 放大，使l c 滤波器过载甚至烧毁。此外，它只能补偿固定频率的谐波，补偿效果 也不甚理想。尽管如此，l c 滤波器当前仍然是补偿谐波的最主要手段。 目前，谐波治理的一个重要趋势是采用有源电力滤波器( a c t i v ep o w e rf i l t e r ) 。 在谐波源附近和公用网结点装设并联型或串联型a p f ，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的补偿。与传统的l c 滤波器相比， a p f 具有以下一些优点【l 】： 1 ) 滤波性能不受系统阻抗的影响； 2 ) 不会与系统阻抗发生串联或并联谐振，系统结构变化不会影响治理效果； 3 ) 一台装置能完成对各次谐波的治理； 4 ) 实现了动态治理，能够迅速响应谐波的频率和幅值发生的变化； 5 ) 由于装置本身设计了输出功率限制，因此即使谐波含量增大也不会过载； 6 ) 具备多种补偿功能，可以对无功功率和负序分量进行补偿； 7 ) 谐波补偿特性不受电网频率变化的影响； 8 ) 可以对多个谐波源进行集中治理。 1 1 有源滤波器的结构和基本原理 并联型有源滤波器的基本工作原理【2 1 可以表述为：通过电压和电流传感器检测 补偿对象( 非线性负载) 的电压和电流信号，然后经指令电流运算单元计算出补偿电 流的指令信号，再经p w m 控制信号单元将其转换为p w m 指令，控制逆变器输出 与负载中所产生的谐波或无功电流大小相等、相位相反的补偿电流，最终得到期 北京交通大学硕士学位论文 望的电源电流，原理框图如图1 1 所示。按电路功能划分，有源滤波器由以下3 个 部分组成： 图1 1 有源滤波器的原理框图 f i g 1 1p r i n c i p l eb l o c kd i a g r a mo fa c t i v ep o w e rf i l t e r 1 1 1 有源滤波器的控制电路 控制电路又分成相对独立的两部分：下位控制器和人机界面，完成图1 1 虚线 框所示功能。随着高速d s p 的广泛应用，采用d s p 来控制有源电力滤波器逐渐成 为一种趋势。选用t i 系列浮点数字信号控制器t m s 3 2 0 f 2 8 3 3 5 作为核心处理器， 其上集成了多种先进的外设，为电机及其他运动控制领域应用的实现提供了良好 的平台。t m s 3 2 0 f 2 8 3 3 5 具有1 5 0 m h z 的高速处理能力，具备3 2 位浮点处理单元， 6 个d m a 通道支持a d c 、m c b s p 和e m i f ，有多达1 8 路的p w m 输出，其中有 6 路为t i 特有的更高精度的p w m 输出( h i 冲w m ) ，1 2 位1 6 通道a d c 。新型f 2 8 3 3 x 浮点控制器与t i 前代领先数字信号控制器相比，性能平均提高5 0 ，并与定点 c 2 8 x 控制器软件兼容1 3 j 。 d s p 主要是用来开发嵌入式的信号处理系统，不强调入机交互，一般不需要 很多通信接口。为了实现多种通信方式的人机界面，方便程序调试和现场数据采 集，选用a r m 作为人机界面部分的控制器。a r m 具有丰富的外设，标准化和通 用性做的很好，c p u 为核心的系统方便人机交互以及和标准接口设备通信。 1 1 2 有源滤波器的主电路形式 有源滤波器的主要作用是缓冲基波和谐波的能量，并按一定规律输入输出电 压或电流，因此有源滤波器的主电路有四象限变流器其储能环节组成。按照有源 电力滤波器的主电路形式分类，根据其直流侧储能元件的不同可分为电压型和电 流型，如图1 2 所示。 电压型变流器的储能环节采用电容器，直流侧电压经过闭环控制保持基本不 2 绪论 变，可等效为一个可控电压源【4 】。它的控制方法是根据要求控制输出电压，使之与 电源电压在输出端电抗器相减而得到所需要的补偿电流。电压型变流器具有电路 结构简单、对半导体器件要求不高、能量损耗小、控制易于实现等优点。但它存 在一个严重的缺点：由于直流侧为电容，一旦发生某个桥臂短路，就会造成直流 贯通短路，所以电压型变流器可靠性相对较低，必须在软硬件上采取保护措施， 即同一桥臂的上、下元件必需保持互锁关系，并有死区封锁时间。本课题也采用 了电压型结构。 电流型有源滤波器的变流器的储能环节是电感元件，经闭环控制保持直流侧 电流基本不变，可等效为一个可控的电流源。它是将直流电流调制成一个脉冲列， 再通过交流输出端上的交流滤波器解调成所要求的电流。其直流侧电流应与最大 补偿电流相匹配。由于电流型变流器直流侧的储能元件是电感，故在装置发生贯 穿短路等故障时，有限制故障电流急剧增加的作用。电流型变流器的缺点是由于 在装置中始终有一个与需要补偿电流最大峰值相当的电流流通，损耗较大和由十 是对电流进行调制，需要设置解调滤波器，另外，电感使系统的体积、重量和成 本提高。基于上述原因电流型变流器目前在有源滤波器中较少采用。随着超导储 能技术的不断发展，今后可能会有更多电流型有源滤波器投入使用。 a 三相电压型p w m 变流器b 三相电流型p w m 变流器 图1 2 p w m 变流器结构 f i g 1 2f r a m eo f p w mc o n v e r t e r 1 1 3 主电路的驱动电路 驱动电路提供了主电路与控制电路之间的接口，它能按控制要求对开关器件 施加开通或者关断信号，并使电力电子器件工作在较理想的开关状态，缩短开关 时间，减小开关损耗。此外，一些保护措施也往往设在驱动电路中，或通过驱动 电路实现。典型的门极驱动电路主要有： ( 1 ) 脉冲变压器驱动电路5 1 。脉冲变压器驱动电路如图1 3 所示，v 1 v 4 组 3 北京交通大学硕十学位论文 成脉冲变压器一次侧驱动电路，通过控制v 1 、v 4 和v 2 、v 3 的轮流导通， 将驱动脉冲加至变压器的一次侧，二次侧通过电阻r 1 与i g b t 5 栅极相连， r 1 、r 2 防止i g b t 5 栅极开路并提供充放电回路，r 1 上并联的二极管为加速 二极管，用以提高i g b t 5 的开关速度，稳压二极管v s l 、v s 2 的作用是限制 加在i g b t 5 9 e 端的电压，避免过高的栅射电压击穿栅极。栅射电压一般不应超 过2 0 v 。 ( 2 ) 光耦隔离驱动电路如图1 4 所示。由于i g b t 是高速器件，所选用的光耦 必须是小延时的高速型光耦，由p w m 控制器输出的方波信号加在三极管v 1 的 基极，v 1 驱动光耦将脉冲传递至整形放大电路i c l ，经i c l 放大后驱动由 v 2 、v 3 组成的对管( v 2 、v 3 应选择d 1 0 0 的开关管) 。对管的输出经电 阻r 1 驱动i g b t 4 ，r 3 为栅射结保护电阻，r 2 与稳压管v s l 构成负偏压 产生电路，v s l 通常选用1w 5 1v 的稳压管。此电路的特点是只用l 组供电 就能输出正负驱动脉冲，使电路比较简洁。本课题采用的就是这种方法。 图1 3 脉冲变压器驱动电路 f i g 1 3d r i v i n gc i r c u i tb yu s i n ga p u l s et r a n s f o r m e r 图1 4 光耦隔离驱动电路 f i g 1 4d r i v i n gc i r c u i tb yu s i n go p t o e o u p l e r i s o l a t i o n ( 3 ) 应用成品驱动模块电路来驱动i g b t ，典型电路如图1 5 所示，驱动模 块为惠普公司的h c p l 3 1 6 l 。 图1 5 由驱动模块构成的驱动电路 f i g 1 5d r i v i n gc i r c u r tb yu s i n gd r i v i n gm o d u l e 这种方法可以大大提高设备的可靠性，目f ；i 市场上可以买到的驱动模块主要 有：富士的e x b 8 4 0 、8 4 1 ，三菱的m 5 7 9 6 2 l ，落木源的k a l 0 1 、k a l 0 2 ，惠 普的h c p l 3 1 6 j 、3 1 2 0 等。这类模块均具备过流软关断、高速光耦隔离、欠压 锁定、故障信号输出功能。由于这类模块具有保护功能完善、免调试、可靠性高 4 绪论 的优点，所以应用这类模块驱动i g b t 可以缩短产品开发周期，提高产品可靠 性。 1 2 有源滤波器在国内外的发展状况 有源电力滤波器的发展最早可以追溯到二十世纪六十年代末。1 9 6 9 年 b m b i r d 和j f m a r s h 发表的论文中，描述了通过向交流电网注入三次谐波电流来 减少电源电流中的谐波成分，从而改善电源电流波形的新方法。在该文中虽然没 有出现“有源电力滤波器”一词，但其描述的方法是有源电力滤波器基本思想的萌 芽。 1 9 7 1 年，h s a s a k i 和t m a e h i d a 发表的论文【6 】中，首次完整地描述了有源电力 滤波器的基本原理。1 9 7 6 年，l g y u g 姐等人提出了采用大功率晶体管p w m 控制 变换器构成的有源电力滤波器并正式确立了有源电力滤波器的概念，确立了 有源电力滤波器主电路的基本拓扑结构和控制方法。 进入8 0 年代，随着电力电子技术以及p w m 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。国外有源电 力滤波器的研究以日本为代表，已进入大量实用化阶段。从七十年代有源电力滤 波器的思想产生以来，日本就投入了相当多的人力物力进行了深入的研究，现在 有源电力滤波系统实际应用在日本及欧美国家越来越多。 1 9 8 3 年，日本学者a k a g i h 提出“三相电路瞬时无功功率理论【3 】，以该理论为 基础的谐波和无功电流检测方法【7 】在有源电力滤波器中得到了成功的应用，极大 地促进了有源电力滤波器的发展。a k a g i h 在1 9 8 6 年提出用并联有源电力滤波器 消除谐波【9 】。1 9 8 7 年，m t a k e d a 等人提出了用并联有源电力滤波器和并联无源滤 波器相结合的混合型有源电力滤波器方案。f z p e n g 等人在1 9 8 8 年提出将串联有 源电力滤波器加并联无源滤波器的结构【i o 】。1 9 9 4 年，h a k a g i 等人提出了一种综 合了串联有源电力滤波器和并联有源电力滤波器的综合有源滤波器】。 近几年来，国外学者己经将有源电力滤波器实际应用于从系统端与用户端同 时抑制和消除供电系统的谐波，从整体上改善电力系统的供电质量。目前，世界 上a p f 主要生产厂家有日本三菱电机公司、美国西屋电气公司、瑞士a b b 、德国 西门子公司等【l2 1 。1 9 8 3 年，a b b 公司在加拿大某铝电解厂安装了6 3 k w 7 0 m v a 工业用谐波滤波系统；1 9 9 1 年，同本三菱电机公司在日本犬山开关站投入了 1 5 4 k v 8 0 m v a 的a s v g ，随之又研制了2 0 m v a 的a p f 来抑制电弧炉产生的谐波。 自1 9 8 1 年至1 9 9 6 年期间，仅在日本，就有5 0 0 多台a p f 投入运行，容量范围由 5 0 k v a 到6 0 m v a 。有源电力滤波器已广泛应用于工业、商业和机关团体的配电 5 北京交通大学硕士学位论文 网中，如：电弧炉、变频调速装置、电气化铁路、电信电源系统、证券交易供电 系统、机场港口备用电源、医疗成像系统、高层建筑、u p s 发电机组、精密电 子企业、电解电镀企业、石化企业等【l 引。 目前有源电力滤波器在我国的实际应用并不多，与国外相比仍有很大差距， 这与我国目前谐波污染日益严重的状况很不适应。相信随着我国电能质量治理工 作的深入开展和国内对谐波问题重视程度的提高，利用a p f 进行谐波治理将会具 有巨大的市场应用潜力，有源滤波技术必将在我国逐渐得到广泛的应用。 1 3 有源滤波器的发展趋势 随着各国对电网谐波污染治理日益重视，“绿色电力”的呼声愈来愈高，有 源电力滤波器将会得到广泛地推广应用。自8 0 年代以来，由于新型电力半导体器 件的出现和p w m 技术的发展，以及基于瞬时无功功率理论的谐波电流实时检测 方法的提出，电力有源滤波技术得到了迅速发展。目前有源滤波作为改善供电质 量的一项重要技术，在日本、欧洲、美国等工业化国家已得到高度重视和日益广 泛应用，从应用的情况来看，其发展趋势如下： ( 1 ) 为了实现对高次谐波有效补偿，需要开关器件工作在较高频率。电力 电子器件的开关损耗与开关频率成线性关系，随开关频率提高损耗增加。中、小 容量有源滤波器多采用高频电力电子器件，如i g b t ，其可工作在1 0 k h z - 2 0 k h z 开关频率范围内。但是，随着容量增大，器件开关频率下降，因此，高频器件仅 适用于中、小容量有源滤波器。 采用多重化、多电平等技术提高开关器件等效开关频率，弥补大容量电力电 子器件开关频率和耐压水平不足的缺点【l4 1 。对于大功率装置而言，由于功率器件 的开关频率有限，则p w m 调制与多重化并用成为提高等效开关频率的一条重要 途径。例如，采用多组有源滤波器并联使用，通过载波移相等控制，使滤波器组 按照一定规律开通关断，各组p w m 逆变单元产生的补偿电流相加后注入电网， 而等效开关频率却可以提高到实际开关频率的n 倍( n 为并联使用单元数) ，逆变主 电路如图1 6 所示。采用h 桥级联形式的有源滤波主电路结构，每一相都由n 个 h 桥串联而成，而每个桥中开关器件只承受直流侧总电压的n 分之一，因此，通 过这种串联型结构能够实现低压器件对高压系统的谐波补偿，逆变主电路如图 1 7 所示。也有人尝试采用悬浮电容逆变器f c m l ( f l y i n g - c a p a c i t o rm u l t i l e v e l ) 以及 二极管箝位d c m l ( d i o d e c l a m p e dm u l t i l e v e l ) 逆变器多电平结构，用于有源滤 波器控制当中，实现对高压系统谐波补偿，结构如图1 8 所示。此外，还可采用 无源滤波器与有源滤波器串联使用的混合滤波器结构，无源部分用来承受主要基 6 绪论 波电压，有源部分仅承受很小的谐波电压，该结构可直接用于高压电网。 ( 2 ) 大功率补偿装置往往从经济角度考虑，采用与l c 滤波器混合使用的方法 【1 5 】。混合滤波器主要分为两种类型：混合滤波器主要分为两种类型：一种是采用 “大容量无源滤波器+ 小容量有源滤波器 。该系统中，无源滤波器用于滤除占主 要成分的低次谐波，而有源滤波器用于补偿无源滤波器补偿剩下的谐波，该结构 优点是系统总体成本低，缺点是无法克服无源滤波器本身所固有的缺点，如体积 庞大、元器件易于老化等。另一种是采用“大容量有源滤波器+ 小容量无源滤波 器”。该系统中1 3 次及以上的高次谐波由l c 无源高通滤波器吸收，低次谐波由有 源滤波器来补偿，这样不仅可有效地降低了对功率器件的开关频率要求，同时还 可以利用a p f 的阻尼作用来抑制l c 滤波器与系统阻抗之间可能产生的谐振。 c a s ei c a s en c a s en b l o c k b 1 0 c kn 图1 6 并联多重化 f i g 1 6m u l t i i n v e r t e rs h u n t c o n n e c t i o n c c 图1 7h 桥级联型结构 f i g 1 7h b r i d g ec a s c a d e dc o n f i g u r a t i o n 图1 8 1f c m l 结构 c c 7 图1 8 2d c m l 结构 2 北京交通大学硕二 ：学位论文 图1 8 多电平逆变器 f i g 1 8m u l t i l e v e li n v e r t e r ( 3 ) 研究先进的谐波检测方法和控制策略。近年来，日本投入运行的a p f 中 控制装置大多基于瞬时空间矢量理论。但由于电力系统及补偿器具有非线性、多 变量等特点，因此研究具有鲁棒性的谐波检测方法和控制策略成为今后有源滤波 器研究的重点之一。 ( 4 ) 提出新的有源滤波器拓扑结构，提高有源滤波系统补偿性能，简化控制 系统结构，降低有源滤波器成本。 1 4 课题来源和研究意义 本论文的课题来源于北京交通大学与航天科工集团7 0 6 所合作项目“有源电 力滤波器设计与开发，我们负责有源滤波器控制系统的研制。目前我国主要采 用无源滤波技术来抑制电网中谐波，而有源电力滤波器应用很少，鉴于有源电力 滤波器的优良滤波性能，以及我国有源电力滤波器的研究现状和巨大市场潜力， 开展有源电力滤波器的研究，推动其在工业中应用具有重要现实意义。 有源滤波器控制系统由两部分组成：下位控制器和人机界面。下位控制器用 d s p 控制p w m 变流器开关管的通断，实现无功和谐波分量在有源滤波器和负载 之间的能量双向流动，保证电网电压和电流不受负载的影响。本文研制的人机界 面采用嵌入式技术开发，并配有彩色液晶屏，具有可靠性高、操作方便、画面美 观等优点，同时扩展了多种通信接口，便于调试和功能扩展。 1 5 本文所做的工作 作者的主要工作是采用嵌入式技术实现有源滤波器人机界面的硬件和软件 设计，人机界面除了提供给用户一个友好的人机接口外，还扩展了多种通信接口， 包括c a n ，r s 2 3 2 ，u s b ，s d 卡接口等。 本论文的内容如下： 第二章对有源滤波器控制系统作了比较全面的介绍，分析了人机界面和下位 控制器在有源滤波器工作过程中各自承担的工作。第三章详细介绍了人机界面的 硬件设计，具体介绍了人机界面硬件的各单元设计以及硬件设计中的抗干扰措 施。第四章则具体分析了人机界面的软件设计，包括软件的整体架构，主程序以 及各功能模块的程序设计。第五章在以上介绍软件和硬件设计的基础上给出了试 验结果。第六章对人机界面实现的功能进行了总结，并对人机界面还需加以改进 的地方作了说明。 有源滤波器控制系统介绍 2 有源滤波器控制系统介绍 2 1 有源滤波器总体工作流程 有源滤波器总体工作流程如图2 1 所示，关键过程的分析如下： 控制系统自检：该过程在有源滤波器开始工作之前进行，包括是否缺相、辅 助电源是否正常、风扇状态、与人机界面通信是否正常等，这些工作由d s p 控 制系统完成，人机界面显示自检过程的进度信息。 显示系统信息：如果控制系统自检正常，则显示有源滤波器的型号、厂家等 信息，此时有源滤波器处于待机状态，选择管理权限，如果是厂家维护模式，需 要提供密码。 直流侧电容充电过程：有源滤波器的补偿电流是由直流侧电容提供的，因此 在系统投入运行之前需要对直流侧电容进行充电。在这个阶段关闭所有的i g b t ， 利用与其反并联的二极管对直流电容进行充电，相当于三相全桥整流。根据三相 全桥整流理论，这一阶段直流侧电容电压能升到网侧交流电压的线电压的峰值。 但是在有源电力滤波器投入运行的瞬间，变流器直流侧电压和交流侧电压有特别 大的电压差，必然会出现特别大的冲击电流，该冲击电流甚至可以达到初始值的 3 0 0 以上【1 8 】，虽然交流侧电感会对该电流有一定抑制作用，但该电流还是有可 能超过i g b t 反并联二级管中的最大允许正向电流峰值而损毁器件。另外冲击电 压电流也会导致i g b t 器件产生因过压而报警的现象，致使有源电力滤波器不能 正常投入运行。为了避免冲击电流给系统带来的不良影响，本文采用的方法是在 有源电力滤波器的三相交流电感侧串接了三个限流电阻。当有源电力滤波器刚投 入运行时，交流三相接触器s c 断开，限流电阻串接于电路中。当直流侧电压升 到交流侧电压的峰值左右的稳定值后，通过控制接触器s c 将限流电阻切除。 有源滤波器投入运行：待直流侧电容充电完成之后，有源滤波器就可以投入 运行了。运行过程包括电压电流采集、坐标变换、数字滤波、直流侧电压控制、 坐标反变换、s v p w m 控制一系列操作，最后输出p w m 波形控制主电路的i g b t 。 状态检测：包括电源是否缺相、i g b t 是否过压、过流、过热等。有源滤波 器滤除谐波的原理是首先检测出谐波成分，然后控制变流器输出与谐波电流大小 相等、方向相反的电流，从而实现电网电流不发生畸变，因此，有源滤波器本身 可以算作一个谐波源。如果有源滤波器运行出现故障，不但不能滤除谐波，而且 还向电网注入更多的谐波，因此在滤波运行时，必须时刻检测滤波器的状态，一 9 北京交通大学硕士学位论文 旦出现故障应立即脱离电网，而不应对供电系统造成影响。 图2 1 有源滤波器总体- t 作流程 f i g 2 1w o r k i n gp r o c e s so f a p fc o n t r o l l e r 2 2 有源滤波器控制系统的功能需求分析 由以上对有源滤波器工作过程的分析可知，控制系统是整个系统的核心，控 1 0 有源滤波器控制系统介绍 制系统的灵敏性、可靠性是整个系统有效工作的关键。有源滤波器控制系统包括 下位控制器和人机界面，这两部分各自要实现的功能包括： 2 2 1 下位控制器的功能需求分析 下位控制器d s p 负责电压、电流、温度等信息的采集和工作过程的控制， 其工作流程为：将霍尔传感器传送来的系统电压( 电流) 信号经调理电路处理，使 其成为符合d s p 要求的a d 输入通道要求的信号，经a d 转化后，由d s p 对系 统电压电流进行分析，分离出谐波分量，并产生相应的指令电流和开关状态， p w m 电路生成实际的开关控制信号，经光耦隔离后送到i g b t 驱动板，控制主 电路输出补偿电流。 下位控制器的输入量包括两路交流电网电压、两路交流负载电流、两路交流 电源电流、一路直流侧电容电压和一路温度检测；输出包括p w m 输出和i o 输 出，六路p w m 输出用于控制主电路六个开关管的通断，i o 输出用于驱动继电 器，从而控制接触器、风扇或整个系统的起停。 2 2 2 人机界面的功能需求分析 一、参数设置：系统工程师和使用人员通过人机界面，对有源滤波器的关键 参数、硬件状况等进行设置，包括系统参数设置和用户参数设置。 系统参数包括： 1 ) 额定电压：有源滤波器运行的额定电压，为3 8 0 v a c ； 2 ) 直流侧电压：直流侧电容电压，为7 0 0 1 7 0 0 v ； 3 ) 电网频率设置：有源滤波器运行的电网环境的频率，为5 0 3 h z ； 4 ) p w m 频率设置：频率越高输出波形越好，缺省值为1 0 5 k h z ，最高2 0 k h z ； 5 ) 采样频率设置：采样频率越高越好，缺省值为1 0 5 k h z ； 6 ) 额定输出电流：额定输出谐波电流的有效值，为1 0 0 a ； 7 ) 保护条件设置：确定报警和报故障的限值； 8 ) 并联从机设置：为有源滤波器的多重化工作做准备。 用户参数包括： 1 ) 滤波模式设置：选择实时滤波模式、最佳滤波模式和选频滤波模式； 2 ) 滤除谐波次数：在选频滤波模式下，选择滤除特定次谐波； 3 ) 电流下限设置：当负载电流低于这个值( 可用满载的表示) 时，滤波 器关闭，节省能量； 北京交通大学硕士学位论文 4 ) 运行时间设置：用户可以设置有源滤波器工作一定时间之后自动停机； 5 ) 报警方式设置：发生故障时，通过什么方式报警( 声、光) ； 6 ) 温度过高时处理方式设置：当机箱或i g b t 的温度过高时，可选降低输 出功率、降低频率、停机等。 二、显示功能：按要求对有源滤波器的运行参数进行相应的显示，主要包括： 1 ) 滤波器当前的运行状态：用指示灯闪烁的方式指示有源滤波器当前的运 行状态； 2 ) 滤波效果：显示滤波器投入运行前后电压电流的畸变率、功率因数； 3 ) 电网电压、电流：计算其有效值，并描绘其波形，并根据各次谐波的幅 值绘制其频谱图； 4 ) 补偿输出电流：有源滤波器输出的补偿电流： 5 ) 直流侧电压； 6 ) 温度信息：机箱温度、i g b t 温度等； 7 ) 风扇状态：机箱风扇、i g b t 风扇等。 三、状态监测功能：检测i g b t 过压、过流、过热信号，当出现故障时报警， 并及时采取措施，报警方式和故障处理方式由用户设定。 四、通信功能 人机界面负责完成有源滤波器与外界的通信工作，不仅分担了下位控制器的 负担，而且a r m 具有丰富的外设，标准化和通用性做的很好，c p u 为核心的系 统方便人机交互以及和标准接口设备通信。 人机界面和下位控制器通过c a n 通信实现数据交换，下位控制器定时地将 有源滤波器的当前运行信息送给人机界面，并通过人机界面的液晶显示屏显示， 而人机界面将操作人员的设置命令送给下位控制器，由下位控制器去控制有源滤 波器的运行。 l p c 2 3 7 8 和液晶显示模块之间通过串口通信，液晶模块相当于a r m 的一个 外设，从而方便实现液晶屏的控制。同时，人机界面预留了一个串口，用于与其 他控制器之间的串行通信。 u s b 是近年来流行的计算机外设接口标准，它具有方便易用、传送速度快、 价格低廉等特点，是目前普遍使用的通信方式之一。人机界面上扩展u s b 接口， 可以用u 盘读取有源滤波器的关键参数。 s d 卡是一种大容量、性价比高、体积小、访问接口简单的存储卡，此外， 它还具有低功耗、非易失性、保存数据无需消耗能量等特点，本系统用s d 卡实 现现场数据的采集。 五、人机界面设计的一般原则 1 2 有源滤波器控制系统介绍 按照计算机系统的用户界面上控制输入的方法划分，人机界面的设计大致经 历了四个阶段：第一阶段为命令语言：在图形显示、鼠标、高速工作站等技术出 现之前，现实可行的界面方式只能是命令和询问方式，通信完全以正文形式并通 过用户命令和用户对系统询问的响应来完成。这种方式使用灵活，便于用户发挥 其创造性，对熟练的用户有很高的工作效率，但对一般用户来说要求高，易出错， 不友善并难于学习，它的错误处理能力也较弱。第二阶段为菜单选项：这种方式 与命令行方式相比不易出错，可以大大缩短用户的培训时间，减少用户的击键次 数，可以使用对话管理工具，错误处理能力有了显著提高。但使用起来仍然乏味， 可能出现菜单层次过多及菜单选项复杂的情形，必须逐级进行选择，不能一步到 位，导致交互速度显得太慢。第三阶段是面向窗口的点选界面，此类界面亦称 w l m p 界面，即窗( w i n d o w s ) 、图标( i c o n s ) 、菜单( m e n u s ) 、指示器( p o i n t i n g d e v i c e ) 四位一体，形成桌面( d e s k t o p ) 。这种方式能同时显示不同种类的信息，使用户可 在几个工作环境中切换而不丢失几个工作之间的联系，用户可通过下拉式菜单方 便执行控制型和对话型任务，引入图标、按钮和滚动杆技术，大大减少键盘输入， 对不精于打字的用户无疑提高了交互效率。第四阶段为自然语言：使用自然语言 与应用软件进行通信，把第三代界面技术与超文本、多任务概念结合起来，使用 户可同时执行多个任务( 以用户的观点) 。随着文字、图形、语音的识别与输术技 术的进一步发展，多媒体技术在人机界面开发领域内的进一步发展，自然语言风 格的人机界面将得以迅速的发展，最终走向实用化。 人机界面的设计一般从可交互性、信息、显示、数据输入等方面考虑。主要 有以下原则：( 1 ) 在同一用户界面中，所有的菜单选择、命令输入、数据显示和 其他功能应保持风格的一致性。风格一致的人机界面会给人一种简洁、和谐的美 感。( 2 ) 对所有可能造成损害的动作，坚持要求用户确认，例如提问“确定要? 等，对大多数动作应允许恢复( u n d o ) ，对用户出错采取宽容的态度。( 3 ) 用户 界面应能对用户的决定做出及时的响应，提高对话、移动和思考的效率，最大可 能的减少击键次数，缩短鼠标移动距离，避免使用户产生无所适从的感觉。( 4 ) 人机界面应该提供上下文敏感的求助系统，让用户及时获得帮助，尽量用简短的 动词和动词短语提示命令。( 5 ) 合理划分并高效使用显示屏。仅显示与上下文有 关的信息，允许用户对可视环境进行维护：如放大、缩小图像；用窗口分隔不同 种类的信息，只显示有意义的出错信息，避免因数据过于费解造成用户烦恼。原 则6 ：保证信息显示方式与数据输入方式的协调一致，尽量减少用户输入的动作， 隐藏当前状态下不可选用的命令，允许用户自选输入方式，能够删除无现实意义 的输入，允许用户控制交互过程。 对一个人机界面设计质量优劣的评价，目前还没有一个统一的标准。一般地， 1 3 北京交通大学硕：t 学位论文 评价可以从以下几个主要方面进行考虑【l9 】：( 1 ) 用户对人机界面的满意程度；( 2 ) 人机界面的标准化程度；( 3 ) 人机界面的适应性和协调性；( 4 ) 人机界面的应用条 件；( 5 ) 人机界面的性能价格比。目前人们习惯于用“界面友好性 这一抽象概 念来评价一个人机界面的好坏，但“但面友好 与“界面不友好 恐怕无人能定 一个确切的界线，一般认为一个友好的人机界应该至少具备以下特征：( 1 ) 操作 简单，易学，易掌握；( 2 ) 界面美观，操作舒适；( 3 ) 快速反应，响应合理；( 4 ) 用 语通俗，语义一致。需指出，一个用户界面设计质量的优劣，最终还得由用户来 判定，因为软件是供用户使用的，软件的使用者才是最有发言权的人。 2 3 有源滤波器控制系统的组成 由以上的功能需求分析可知，需用到下位控制器d s p 的资源有：a d 模块、 p w m 输出模块、i o 输出模块、c a n 通信模块以及存储和保护功能模块；需要 用到的人机界面控制器a r m 的资源有：r s 2 3 2 通信、c a n 通信、u s b 通信、 s d 卡存储及s r a m 扩展等。控制系统和主电路的接口及控制系统内部的d s p 和a r m 之间的接口关系如下图2 2 所示。 下位控制器 图2 2 有源滤波器控制系统结构 f i g 2 2b l o c ko f a p fc o n t r o l e r 1 4 人机界面 有源滤波器人机界面的硬件设计 3 有源滤波器人机界面的硬件设计 3 1 人机界面硬件的整体结构 在上一章中，我们已经了解到人机界面的作用和功能，合理的硬件设计则 是实现这些功能的关键。我们选用了n x p 公司的l p c 2 3 7 8 芯片作为核心处理器， 该芯片是1 6 3 2 位精简指令结构的处理器。它的性价比很高，是嵌入式系统中处 理器的最佳选择之一。为完成信息显示和通信功能，还需增加外围芯片，主要是 s r a m 芯片i s 6 1 l v 2 5 6 1 6 ，c a n 通信接口芯片p c a 8 2 c 2 5 0 ，串口电平转换芯片 m a x 3 2 3 2 ，以及u s b 接口和s d 卡接口电路。系统的总体结构设计如图3 1 所示， 下面分别介绍硬件电路的各个单元。 图3 1