（电力系统及其自动化专业论文）基于dsp的电力有源滤波器研究.pdf

硕士论文 基于d s p 的电力有源滤波器研究 a b s t r a c t a c t i v ep o w e rf i l t e ri san e we l e c t r i c a ld e v i c ew h i c hi su s e dt oc o n s 仃a i nd y n a m i c h a r m o n i ca n dc o m p e n s a t er e a c t i v ep o w e r n l ep a p e rm o s t l ya n a l y z e st h et h e o r y s y s t e ms t r u c t u r e ，a n dc o m p e n s a t ec h a r a c t e r i s t i co f a c t i v ep o w e r f i l t e r m a n ym e n t h o d s o fh a r m o n i cm e a s u r e m e n ta r ed i s c u s s e di nt h e p a p e r , e s p e c i a l l y t h ei n s t a n t a n e o u s r e a c t i v em e n t h o d t h ei n s t a n t a n e o u sr e a c t i v em c n t h o dw a ss i m u l a t e db ym a r l a b ，t h e h a r m o n i cm e a s u r e m e n tb a s e do nt h et h e o r yo fi n s t a m , a n e o u sr e a c t i v ew a sr e a l i z e db y u s i n gt h e s o f t w a r eo fc o d ec o m p o s e r i nt h ee n d ，t h e p a p e ra n a l y s e st h ew o r k i n g t h e o r yo ft h ea p fc i r c u i t a n dc o n s l i x l c t st h es i m u l a t i n gc i r c u i tu s i n gt h ei r f l 6 3 0 g m o sm o n o l i t h i ci c k e y w o r d ：a c t i v ep o w e rf i l t e r , i n s t a n t a n e o u s r e a c t i v e p o w e r , d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s i n g ，h a r m o n i cm e a s u r e m e n t i i 硕一卜论文 基于d s p 的屯力有源滤波器研究 1 引言 1 1 概述 电能质量问题的提出由来已久，在电力系统发展的早期，电力负荷的组成比 较简单，主要由同步电动机、异步电动机和各种照明设备等线性负荷组成，因此 衡量电能质量的指标也比较简单，那时主要有频率偏移和电压偏移两种。后来， 随着电力电子技术的发展，非线性电力电子器件和装置在现代工业中得到了广泛 应用，同时为了解决电力系统自身发展存在的问题，支流输电和f a c t s 技术又不 断投入实际工程应用，调速电机以及无功功率补偿电容器也大量投入运营。这些 设备的运行均使得电网中电压和电流波形畸变越来越严重，谐波水平不断上升。 另外，电弧炉、大型轧钢机、电力机车等冲击性波动性负荷运行，也给电网带来 大量的高次谐波，而且还会产生电压波动、闪变、三相不平衡等电能质量问题。 可是，随着各种复杂的、精密的、对电能质量敏感的用电设备不断普及，人们对 电能质量的要求越来越高。所有这些，都使得电能质量成为目前研究的热点。 电能质量的优劣直接关系到国民经济的总体效益，参照国际标准，我国已经 制定了关于电能质量的一系列标准，其中包括对谐波和功率因素的限制。这些标 准的贯彻和执行，给基础自动化技术发展提出了一个必须考虑的问题，即电网污 染的综合治理。改善电能质量，提高电力系统稳定性，将有显著的经济效益和社 会效益“1 。改善电能质量的装置和措施很多。一神方法是采用以大功率电力电子 器件为核心单元的新型装置，用来有效抑制或抵消电力系统中出现的各种短时、 瞬时扰动，该方法可以很好地适用于稳态电压调整。电能质量控制装置有三大类： 无功补偿装置、滤波器和着重于解决暂态电能质量问题的统一电能质量调节器 ( u p q c ) 。 下面主要对其中的滤波器进行探讨。采用电力滤波装置就近吸收谐波源所产 生的谐波电流，是抑制谐波污染的有效措施，所以通常采用由电力电容器、电抗 器和电阻器适当组合而成的无源滤波装置进行滤波“，它与谐波源并联运行， 如图1 1 所示。无源滤波器的工作原理是利用r l c 电路的串联谐振特点，即在谐 振频率上r l c 电路的阻抗与电力系统的阻抗相比很小，而在非谐振频率时，其阻 抗大得多的特点，将串联谐振电路的谐振点调整到某一特征谐波频率，则可滤去 谐波源的某一高次谐波。用若干个不同谐振频率的谐振电路便可分别滤去谐波源 输出的相应特征次谐波o h ”。 硕士论文 基于d s p 的电力有源滤波器研究 图1 1 无源1 滤波器基本结构 无源滤波器具有投资少、效率高、结构简单、运行可靠等优点，在吸收高次 谐波方面效果明显。但由于无源滤波器是通过在系统中为谐波提供一并联低阻通 路，以起到滤波作用，它的滤波特性由系统和滤波器的阻抗比所决定，因而存在 以下缺点“1 ，已经越来越不能满足用户对电能质量的要求。 1 ) 滤波特性受系统参数的影响较大。特别当电网阻抗及系统结构发生变 化时，会严重影响滤波特性，可能出现过载、串并联谐振等不利现象。 2 ) 只能消除特定次的谐波，而对某些次谐波会产生放大作用； 3 ) 滤波要求和无功补偿、调压要求有时难以协调； 4 ) 谐波电流增大时，滤波器负担会随之加重，可能造成滤波器过载； 5 ) 有效材料消耗多，体积大。 另外一种常见的消除电力电子装置产生的谐波及无功的方法是，在每个电力 电子装置负载中加入高功率因数预调器，保证整个电力电子装置从电网中获取的 电流为正弦电流且相位与电网电压相同。该方法的优点是控制较简单，可同时消 除高次谐波和无功，但预调器需要处理的功率与所联接的电力电子装置要求的功 率相同。 随着电力电子技术的发展和新一代大功率电力电子器件的产生，一种主动式 滤波装置电力有源滤波器进行电网谐波治理成为可能，该方法为消除电力系 统谐波开辟了新途径，同时也解决了无功功率的问题。有源滤波器方案，由于只 补偿负载中的高次谐波和无功分量，因此相应要求有源滤波的容量较小，更适用 于对多非线性负载的高次谐波和无功的集中处理以及对现有设备造成的谐波污 染问题的解决，而且可以灵活地根据不同的补偿指令，可构成不同作用的有源滤 波器卧 善 硕j 论文基于d s p 的电力有源滤波器研究 1 2 电力有源滤波器的现状和发展方向 在上个世纪7 0 年代初，日本学者就提出了有源滤波器的概念，即利用可控 的功率半导体器件向电网注入与原有谐波电流幅值相等、相位相反的电流，使电 源的总谐波电流为零，达到实时补偿谐波电流的目的“。1 。1 9 7 1 年，h s a a k i 和 t i f 【a c h i d a 发表的论文中，首次完整的描述了电力有源滤波器的基本原理。但由 于当时是采用线性放大的方法产生补偿电流，其损耗大，成本高，因而仅在实验 室中研究，未能在工业中使用。1 。接着，美国西屋电气公司的l g y u r y i 提出利 用大功率晶体管组成的p w m 逆变器构成的电力有源滤波器消除电网谐波。由于受 到当时功率半导体器件水平的限制，电力有源滤波器的研制一直处在实验研究阶 段。 进入8 0 年代以后，因为大功率可关断器件的不断进步，以及对非正弦条件 下无功功率补偿理论的深入研究，特别是赤木泰文等人提出了“三相电路瞬时无 功功率理论”，以该理论为基础的谐波和无功电流检测方法在有源滤波器中得到 了成功的应用，极大地促进了电力有源滤波器的发展“。 目前国内主要以无源滤波器抑制电网谐波为主，在有源滤波器的开发和使用 方面还仅限于实验模拟装置，并有少量的工业样机投入试验运行。华北电力试验 研究所、冶金部自动化研究院曾联合进行过a p f 的研发。鹾安交通大学已研制出 1 2 0 k v a 并联电力有源滤波器。 电力有源滤波器在美国、日本、德国等发达工业国家已得到了高度重视，并 广泛用于国民经济的各个生产部门。目前，世界上电力有源滤波器的主要生产厂 家有日本三菱电机公司、美国西屋电气公司、德国西门子公司等。日本作为电力 电子技术最发达的国家，有源滤波器已经到了普及应用阶段。表1 1 给出了在日 本的一些典型的电力有源滤波器实例“”“。 表1 1 电力有源滤波器在日本的应用 硕j 论文基于d s p 的电力有源滤波器研究 1 3 电力有源滤波的分类 从不同观点出发，电力有源滤波器( a c t i r ep o w e rf i l t e r ，简称a p f ) 具有 不同的分类标准n 。根据应用场合不同，可将电力有源滤波器分为有源直流滤波 器和有源交流滤波器两大类。按电力有源滤波器中逆变器直流侧储能元件的不 同，又可分为电压型( 储能元件为电容) 和电流型电力有源滤波器( 储能元件为电 感) ，与电流型电力有源滤波器相比，电压型电力有源滤波器损耗较小、效率高。 此外还有一种有源滤波装置一一有源线路调节器( a c t i v ep o w e rl i n e c e n d it i o n e r ，简称a p l c ) ，其结构与电力有源滤波器相似，很多文献上都将a p l c 等同于a p f 。其实，从原理上看，与a p f 的单节点谐波抑制相比较，a p l c 是向网 络中某个( 或几个) 优选节点注入消谐补偿电流，通过补偿电流在网络中一定范围 内流动，实现该范围内所有节点谐波电压的综合抑制“。 另外一种分法是，根据电力有源滤波器与系统的连接方式不同，将其分为并 联型电力有源滤波器、串联型电力有源滤波器、串一并联型电力有源滤波器和混 合型电力有源滤波器。并联型电力有源滤波器又包括单独使用的并联电力有源滤 波器、与l c 滤波器混合使用方式、注入电路方式和与旋转电机并用方式等：串 联型电力有源滤波器也包括单独使用的串联型电力有源滤波器和与l c 滤波器混 合使用的方式；串一并联型电力有源滤波器是一种新型电力有源滤波器，目前还 处在实验阶段，它兼有串、并联电力有源滤波器的功能，可解决配电系统发生的 绝大多数电能质量问题，具有较高的性价比，是今后值得推广的一种装置。由于 电力有源滤波器造价高，运行损耗大，容量受到限制，将无源滤波器和有源滤波 器组合起来，构成混合型有源滤波器也是一种较好的方案。但从长远角度看，随 着电力电子元件成本不断下降，它将被性价比更高的串一并联电力有源滤波器所 代替“。 串联型电力有源滤波器主要是用于补偿可看作电压源的谐波源，并可进行无 功补偿。其工作原理为：设负载为线性，当电网电压有畸变时，流过负载的电流 为非线性电流。为解决这一问题，将电网电压分为标准正弦电压和畸变电压，使 标准正弦电压降在负载上，而畸变电压由串联电力有源滤波器补偿，从而保证负 载可正常工作。所以串联型电力有源滤波器适用于负载为非线性而电网电压有波 动的情况。目前对单独使用的串联型电力有源滤波器的研究较少，国内外的研究 多集中在其与l c 无源滤波器所构成的串联混合型电力有源滤波器上“7 “”1 ，与l c 滤波器混合使用的串联型电力有源滤波器原理如图1 2 所示。 4 硕土j 论文基于d s p 的电力有源滤波器研究 图1 2 串联型电力有源滤波器与l c 滤波器混合使用方式 这种连接方式在并联的负载和l c 滤波器与电源之间串入电力有源滤波器。 此时谐波基本由l c 滤波器补偿，有源滤波器的作用是改善l c 滤波器的滤波特性。 串联电力有源滤波器看作一个可变阻抗，基波时，并联无源滤波器是作为电容来 改善功率因数的，有源滤波器呈现零阻抗不起任何作用；谐波时，有源滤波器呈 现高阻抗r 。，阻止谐波电流流入电网，而迫使谐波电流流入l c 滤波器。即电力 有源滤波器起到了谐波隔离器的作用。同时还可抑制电网阻抗对l c 滤波器的影 响，以及抑制电网与l c 滤波器之间可能发生的谐振，从而极大地改善l c 滤波器 地性能1 。 并联型电力有源滤波器主要用以消除负载电流的畸变对电网的影响，同时进 行无功补偿。并联型电力有源滤波器的工作原理是：设电网电压为标准对称三相 电压，而负载电流中存在畸变，当此电流流过电网时，将在电网内阻抗上产生畸 变的电压降，等同于在电压上叠加一个畸变的分量，从而使得电网质量变坏。为 此，在电网上并联一个电流源，此电流源发出的电流恰好等于负载电流的畸变部 分，从而消除畸变负载电流对电网的影响。并联型电力有源滤波器的构成原理如 图1 3 所示。 硕士论文基于d s p 的电力有源滤波器研究 图1 3 并联型电力有源滤波器系统构成 其中e 。表示交流电源，负载为谐波源，用于产生谐波并消耗无功。由图1 ，3 可见，并联型电力有源滤波器系统由两大部分组成：指令电流运算电路和补偿电 流发生电路，补偿电流发生电路包括电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路三部 分。其中，电流运算电路也称谐波和无功电流检测电路，用于检测出补偿对象电 流中的谐波和无功等电流分量。补偿电流发生电路的作用是根据指令电流运算电 路得出的补偿电流指令信号，产生实际的补偿电流。p w m 变流器作为电力有源滤 波器的主电路，它在产生补偿电流时，作为逆变器工作。在电网向电力有源滤波 器直流侧储能元件充电时，它又作为整流器工作。根据图1 3 中电流检测电路所 输入电流的不同，并联型电力有源滤波器有3 种控制方式：检测负载电流控制方 式、检测电源电流控制方式和复合控制方式。 并联型电力有源滤波器是各种电力有源滤波器中最基本的一种，它集中体现 了电力有源滤波器的特点“。目前在技术上已相当成熟，已投入工业运行的a p f 多采用此方案。实际应用中用于三相的占多数，所以文中主要讨论使用于三相三 线制系统的并联型电力有源滤波器。对于其它系统，只需在三相三线情况的基础 上适当改变即可。 1 4 论文的主要工作 在对电力有源滤波器的分析和研究基础上，选用德州仪器公司的 t m s 3 2 0 f 2 4 0 型d s p 芯片完成了电力有源滤波器的软硬件设计。本文的主要工作 如下： 1 ) 分析电力有源滤波器的基本工作原理，比较串联和并联型电力有源滤波 器的工作原理及适用特性等，并选用并联型电力有源滤波器作为本文的 藿 一一鲨 厂 ，牌一 一p 可百阜 硕j 论文基于d s p 的电力有源滤波器研究 研究对象。 2 ) 研究各种电力有源滤波器的谐波和无功检测方法，分析比较其优缺点。 确定论文中选用基于瞬时无功功率理论的i 。、i 。算法来研究并联型电力 有源滤波器的谐波检测。 3 ) 借助m a t l a b 软件进行了的i 。、f 。算法仿真，包括数据的坐标正变换，逆 变换和低通滤波器的实现三部分，为软件设计提供了依据。 4 ) 在d s p 芯片( t m s 3 2 0 f 2 4 0 ) 的c o d ec o m p o s e r 集成环境中，利用汇编语 言编程实现了i 。、f 。算法的各个环节。 5 ) 在分析电力有源滤波器主电路的工作原理的基础上，选用功率场效应管 ( i r f l 6 3 0 g ) 设计了驱动电路和模拟主电路。 6 ) 利用数据采集电路和d s p 芯片( t m s 3 2 0 f 2 4 0 ) ，搭接实验平台，完成数 据采集，谐波检测和分析。 硕士论文 基于d s p 的电力有源滤波器研究 2 电力有源滤波器检测控制算法的研究 2 1 检测控制算法概述 在电力有源滤波器中，实时、准确地检测出补偿对象的电压、电流是非常重 要的。最早的谐波电流检测方法是采用模拟滤波器实现的提取基波分量法。该方 法的原理是在检测到的信号中，利用陷波器将基波电流分量滤除，得到谐波分量 ”“，其结构如图2 1 所示。通常采用带通滤波器得出基波分量，但所采用的高阶 滤波器会产生附加相移，造成输出信号畸变，影响补偿效果。此外，这种方法还 存在设计困难、误差大、对电网频率波动和电路元件参数较敏感等缺点，因此目 前已经较少采用。 负载电流 口塑p 竺 图2 1 陷波器电流检测法 谐波检测的第二种方法是基于频率分析的数字化方法。”。该方法将检测 信号送入采样一保持电路，在同步或准同步脉冲的作用下，对模拟信号进行离散 化，然后利用快速傅立叶变换( f f t ) 等进行数字处理，得到各种高次谐波分量 的幅值和相位，将需要抵消的谐波分量通过带通滤波器，再将该信号进行f f t 反变换，即可得到补偿信号。这种检测方法采用信号的数字化处理，稳定性好， 可以选择拟消除的谐波次数。缺点是需进行两次f f t 变换，瞬时性差。若采用软 件实现分析过程，则响应时间相对较长，使得检测方法具有较长时间的延迟，实 时性不好，不适于有源型抑制装置对高次谐波的检测。同时，由于电网频率是不 断波动的，被检测信号中除了含有基波和整数次谐波外，还可能含有非整数次谐 波，所以即使采用了跟踪锁相技术，也难以实现严格的同步采样，使f f t 产生泄 漏误差，难以获得高精度的谐波测量结果。 第三种检测方法是自适应检测法。”“”。该方法基于自适应干扰抵消原理， 将电压作为参考输入，负载电流作为原始输入，从负载电流中消去与电压波形相 同的有功分量，得到需要补偿的谐波与无功分量。该自适应检测系统的特点是在 电压波形畸变情况下也具有较好的自适应能力。缺点是动态响应速度较慢。 硕士_ i 宅文摹于d s p 的电力有源滤波器研究 第四种方法是基于“瞬时无功理论”的瞬时空间矢量法“”。“3 。该方法是目 前电力有源滤波器中应用最广的一种检测方法，根据统计在电力有源滤波器得到 广泛应用的日本，采用“瞬时无功功率理论”的系统已经占到总数的8 3 7 。 用这种方法检测谐波，除了低通滤波器消除了的直流分量外，其它是瞬时值运算， 所以响应速度很快。它还解决了电源频率波动和负载波形的影响问题。特别适合 于变化快，冲击大的无功功率补偿和高次谐波的生成。该方法在只检测无功电流 时，可以完全无延时地得出检测结果。检测谐波电流时，因被检测对象电流中谐 波的构成和采用滤波器的不同，会有不同的延时，但延时最多不超过一个电源周 期。对于电网中最典型的谐波源三相桥整流器，其检测的延时约为i 6 周期。 此外，还有其它一系列谐波检测算法，如基于准同步采样的算法”“，局部余 弦变换法。，人工神经网络算法等。”。“3 。鉴于前面所提到的瞬时无功功率算法 的诸多优点，所以本文采用该算法实现谐波检测。 2 2 三相电路瞬时无功功率理论 赤木最初提出的瞬时无功功率理论亦称pq 理论，是以瞬时实功率p 和瞬时 虚功率q 的定义为基础，现主要包括p q 法、i 。一i 。法。p q 法适用于电网电压 对称且无畸变情况下谐波电流的检测；i 。一i 。法不仅在电网电压畸变时适用，在 电网电压不对称时也同样有效；目前，基于瞬时无功理论，又推出了其它一系列 算法，如基于同步旋转坐标变化的d q 法等，该方法可以在电网电压不对称、 畸变情况下检测出谐波电流。 2 2 1 传统的功率定义 由定义可知，任何一端口的瞬时功率p 等于端口的瞬时电压和瞬时电流的乘 积，即 p = “2 正弦稳态时，设正弦电压和电流分别为： “：而s i n w t f _ 厨s i n ( w t 一妒) = q r 2 1 s i n w t c o s 一扫c o s w t s i nc p 则瞬时功率p 为 ( 2 2 1 1 ) ( 2 2 1 2 ) p = u i = j 2 u s i n w t x f 2 1 s i n ( w t 一妒) = u l e o s c o s ( 2 w t 一妒) ( 2 2 1 _ 4 ) 式( 2 2 1 4 ) 中，第一项为常数，它是瞬时功率中不可逆的部分，第二项 为正弦分量，是瞬时功率中可逆部分，它一个周期内正负交替变化两次，表明负 载和电源之间周期性地交换能量，一个周期内的平均功率为零。传统系统的功率 碗士论文 基于d s p 的电力有源滤波器研究 定义如下： 有功功率p ，又称平均功率： p = r p 破= f 明【c o s z ，- c o s ( 2 w t - ( o 舭= u 1 c o s 妒 式( 2 2 1 3 ) 中，前一项2 ，s i n w r c o s 妒可以表示为i 。，它与电压同相位，把 这种产生有功功率的电流分量称为有功分量。 无功功率： o = u s i n 妒( 2 2 1 6 ) o 反映了内部与外部往返交换能量的情况，但不表示单位时间所作的功。在 式( 2 2 1 3 ) 中，一2 i c o s w l s i n _ 5 0 可表示为i 。，它与电压相位相差9 0 ，把这 种产生无功功率的电流分量称为无功电流分量。 视在功率： 2 2 2 瞬时无功理论 s = u i 下面介绍以瞬时有功电流f ，和瞬时无功电流f 。为基础的理论体系，以及它与 传统功率定义之间的关系。 设三相电路为三相三线制，各相电压和电流的瞬时值分别为e a , ，和 i a , i a ，i 。变换到a 一卢两相正交的坐标系。“，可以得到口、卢两相瞬时电压p 。、 。，和瞬时电流、i 口 式中c 3 2 = 历 ： 讣圈 脚。：i i 一1 21 2 i 2 一以2 i 在图2 2 所示的口一卢平面上，矢量p 。、e ，和、珏分别可以合成为旋转电 压矢量e 和电流矢量i e = 8 口+ e 口= e l 伊e i = i n + i 口= f 么竹 硕。卜论文基于d s p 的电力有源滤波器研究 式中，p 、f 为e 、i 的幅角 图2 2a 一声坐标系中的电压、电流矢量 根据后面算法的需要，下面对瞬时无功理论中的几个定义进行解释。 定义1 ：三相电路瞬时有功电流f ，和瞬时无功电流f 。分别为矢量i 和矢量p 及 其法线上的投影。即 i 。5 ；c o s 妒 i 。= zs i n 妒 式中，妒= 纯一吼。口一平面中的i p 和i 。如图2 2 所示。 定义2 ：三相电路瞬时无功功率q ( 瞬时有功功率p ) 为电压矢量e 的模和 三相电路瞬时无功电流f p ( 三相电路瞬时有功电流f 。) 的乘积。即： p 。e z 口 q 2e z 口 将式( 2 2 2 5 ) 、式( 2 2 2 6 ) 及p = 吼一伊，分别代入式 ( 2 2 2 8 ) 中，并写成矩阵式得出 卧e a1 l 世 , o 圹lc 七 批。= 卜翻 把式( 2 2 2 1 ) 、式( 2 2 2 2 ) 代入上式，可得出p 、日对于三相电压、 砸士论文 基于d s p 的电力有源滤波器研究 电流的表达式 p = e 口i 。+ e 6 1 6 + e 。i c g = 西1 一p 。) f 。+ ( p c - - e a ) f 6 十( e a - - e b ) f 。 从式( 2 2 2 1 0 ) 可以看出，三相电路瞬时有功功率就是三相电路的瞬时功 率。 由图2 2 我们还可得出以下一系列定义： 1 ) a 、卢相的瞬时无功电流i 。、i 自( 瞬时有功电流i 。、) ，为三相电流瞬时 无功电流i 。( 瞬时有功电流i 。) 在a 、卢轴上的投影： 2 ) 口、相的瞬时无功功率q 。、g 。( 瞬时有功功率儿、p 。) ，为该相瞬时电 压和瞬时无功电流( 瞬时有功电流) 的乘积： 3 ) 三相电路各相的瞬时无功电流f 。、i 栅、f 。( 瞬时有功电流f ，、f 印、f 。) 是口、 卢两相瞬时无功电流f 。、i 廊( 瞬时有功电流0 、i 印) 通过两相到三相变换 所得的结果： 4 ) 日、b 、c 各相的瞬时无功功率q 。、q 。、g 。( 瞬时有功功率儿、仇、n ) 分别为该相瞬时电压和瞬时无功电流( 瞬时有功电流) 的乘积。 比较上述两种定义可以发现，传统理论中的有功功率、无功功率等都是在平 均值基础或相量的意义上定义的，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。从以上各定义还可以看出，瞬 时无功功率理论的概念，在形式上和传统理论非常相似，但它突破了传统功率理 论中用平均值定义功率量的局限，可以看成传统理论的推广和延伸。 2 3 电力有源滤波器谐波和无功电流检测算法 以瞬时无功功率理论为基础，计算三相电路瞬时有功功率p 、瞬时无功功率 q 或三相电路瞬时有功电流f ，和瞬时无功电流f ，为出发点，即可得出三相电路谐 波和无功电流检测的两种方法，分别称之为p 、q 运算方式和f ，、i 。运算方式a 2 3 1 p 、q 检测算法 碗卜论文 基于d s p 的电力有源滤波器研究 p 、q 检测方法的原理如图2 3 所示。 图2 3 p 、q 运算方式的原理图 + 一- k 该谐波检测方法根据瞬时无功理论定义，计算出三相电路瞬时有功功率p 和 瞬时无功功率q ，再经过低通滤波器( l p f ) 后，得到瞬时有功p 、瞬时无功q 的 直流分量；、一q 。当电网电压波形无畸变时，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。于是，经过矩阵的逆变换，即可由p 、 q 即可计算出被检测电流i 。、i 6 、i 。的基波分量i 扩i ”i d 3 。 理想情况下，电网电压波形应为正弦波。但是实际的电网电压波形由于不同 的原因会有一定畸变，而且这种畸变在一定限度以内允许存在。据调查目前电网 电压的总谐波畸变率平均已达到2 3 ，在波形畸变严重时，其值更高“”1 。 而p 、q 算法在电网电压有畸变等情况下计算的谐波电流与实际的谐波电流是有 差别的，即该条件下，瞬时无功理论中的各定义量不再有明显的物理意义。因为 电网电压有畸变或不对称时，电压中将含有负序分量和零序分量，同次谐波的负 序、零序电压分量和负序、零序电流将产生平均有功分量和无功分量。根据瞬时 无功功率理论可以推出此时的系统有功和无功功率的直流分别为： l e ：，：c o s ( 0 2 一伊：) + e 2 cc o s ( 0 2 一妒：) l = 3 忙?1 ( 2 3 1 1 ) le 群片s i n ( o ；一p ：) 一巧s i n ( o ；- 0 2 ) l 其中，e 、巧为各次电源电压正序、负序分量的有效值；爵、爵为各次电源 电压正序、负序分量的初相角；戎、蝣为各次负载电压正序、负序分量的初相 角。由式( 2 3 1 1 ) 可见，采用p 、q 方法计算的谐波电流和基波正序分量都和 实际的不同。 硕士论文基于d s p 的电力有源滤波器研究 考虑到p 、g 算法的上述缺点，为了可以准确计算出全部的谐波电流，文中 采用了改进的p 、q 算法，即i ，一i 。检测算法。 2 3 2 i ，一i 。检测算法 图2 4 所示为i p i 。检测方法的基本原理 图2 4 i p 、i q 运算方式的原理图 图2 4 中 c ：s i n w f _ c o s 似 l c o s w t s i n w t j 该检测方法中，使用了与a 相电网电压p 同相位的正弦信号s i n w t 和对应的 余弦信号一c o s w t 。根据瞬时无功功率理论可以计算出瞬时有功电流i 。和瞬时无 功电流i 。，经l p f 滤波得出直流分量i ，、f 。，对f ，、f ，进行反变换即可计算出基 波有功分量0 、i 盯、i 盯，进而计算出谐波分量如、i 。、i 。当要检测谐波和无 功电流之和时，只需断开图2 4 中计算i 。的通道即可。而如果只需检测无功电流， 则只要对i 。进行反变换。 与p 、q 运算方式相比，f 。、i 。运算方式的优点在于，由于只选取s i n w t 、 一c o s w t 参与运算，畸变电压的谐波成分在运算过程中不出现，i 。、f 。是由i i 。、i 。产生的，所以该算法的检测结果不受电压波形畸变的影响。而且将基波 分量变换到零频率处，用数字低遥滤波器提取基波信号可以消除模拟低通滤波器 的相位问题，且不会造成对有些频率分量的增大或衰减“”1 ”1 。因此文中选用该 方法进行m a t l a b 仿真实验。 由图2 4 可以得出i 。、i 。算法的变换公式： z = c 乏 = ，。e ，i 。一s 。i n 。w w t ，- - 一c 。o i n s w w ，i 1一三 。鱼 鲤r10ij=rl 硕l 一论文 基于d s p 的电力有源滤波器研究 反变换推算基波电流分量的公式 10l ! 鱼l s i n w ， 22 l | 一c o s w t 1以1 。 22j 9 3 3 i p - i 。算法的拓宽 考虑到i 。一i 。算法仅能检测出三相电路的基波电流，由此得到总谐波电流， 在要求任意次谐波电流的检测中无法满足实际的需要。因此文中从坐标变换的数 学角度进行考虑，根据三相电路任意次谐波电流在以其角频率旋转的坐标系中必 为直流，得到广义d 。一q 。旋转坐标变换理论，该理论可以有效地将各次谐波电 流检测出来，并保证无论三相电压是否畸变都有相同的检测精度“。 首先对三相电路进行如下假设：三相电路无中线、不考虑零序电流，可得 三相电路的电流表达式如下： i 。= 压，。s i n ( m w t + 。) m = l i 。= 砌。s i n m ( w t 一2 州3 ) + 伊。】 m = l i 。= 压，。s i n m ( w t + 2 万3 ) + 】 m = l 其中：m = 3 l l ，= 0 ，1 ，2 ，3 ，m 取正整数；妒。代表第m 次谐波 电流的初始相角。 因为三相电路中仅有m = 3 1 1 次谐波电流存在，三相电流的相序分别为正 序寸b 斗c 和负序c _ b 斗d 。此时考虑定义对应第k 次谐波电流，以k w 角频 率逆时针方向旋转的广义旋转坐标d 。一q 。，同时定义a 一卢两相静止参考坐标 系，口坐标轴定义在口相电流方向，并将d 。一q 。坐标系旋转的初始时刻选择在 口一坐标系的位置，保证任意时刻d 。一q 。坐标系和a 一卢坐标系间的旋转夹角 为k w t 。 和i 。一i 。检测方法类似，首先将三相电流变换到口一坐标系，得 惦e 州们m c s 一 一 ，d1 = 1，j v ? 吖v r。l 砸t 论文 基于d s p 的电力有源滤波器研究 陋t 辨c ，= 佛c 咖o s ：2 m m 扪z 3c 咖o s 。4 掰m r c 3 因为d 。一q 。坐标系和一坐标系的初始位置相同，在任意时刻，d 。一q ； 与盘一轴两坐标系间的旋转夹角均为k w t ，所以从口一变换到d 。一q 坐标的 变换式为： ；： l d k = c 2 嘲 舯争 二盎，黧 此时，将式( 2 3 3 1 ) 至式( 2 3 3 3 ) 分别代入式( 2 3 3 4 ) 和式( 2 3 3 5 ) 计算出第k 次谐波电流的d 。一q 。旋转坐标变换为： 擀巨= = = 设m = k ，代入式( 2 3 3 6 ) ，可得： i l k l = q ：裂 式( 2 3 。3 7 ) 表明，对应于7 1 1 = 七次的电流谐波分量在d 。一q 。旋转坐标系 上为直流量，而其它任意次谐波电流均为交流量。 由此可以得出d ；一g 。旋转坐标变换的物理意义为：把谐波电流看成是一组 在空间以角频率m w 旋转的矢量。所以从d 。一q 。旋转坐标系上看，对应的第k 次 谐波电流空间矢量与d 。q 。旋转坐标相对静止。这一物理意义反映在坐标变换 后，仅有第k 次谐波电流是直流分量。 于是，和i 。一i 。算法的检测思想类似，考虑在d 。一q 。旋转坐标系上构造低 通滤波器，将对应于第k 次谐波电流的直流分量从中滤出，该直流分量再通过坐 标逆变换，则可最终检测出第次三相谐波电流。 再从坐标变换的角度进行分析，比较d 。q 。旋转坐标系中的矩阵c ，和 i 。一i 。检测算法中矩阵c 的不同，可以看出，文中采用的基于瞬时无功功率理论 的i 。一i 。电流检测方法实质上可以看成是广义d 。一q 。旋转坐标变换电流检测方 碗：上论文 基于d s p 的电力有源滤波器研究 法的一个特例。f ，一f 。检测算法相当于在广义d 。一q 。旋转坐标变换中，将三相电 流固定变换到以基波角频率旋转的坐标系统，即k = 1 的d ，一q ，旋转坐标上，使 三相基波电流在旋转坐标系中成为直流分量，再通过低通滤波器即坐标逆变换将 三相基波电流检测出来。 硕士论文基于d s p 的电力有源滤波器研究 3 i v - i 。检测算法的m a t l a b 计算机仿真实现 利用m a t l a b 软件，对i p - i 。检测算法进行了仿真，为算法软件实现提供了理 论依据。由图2 4 可见，在f ，- i 。检测算法的实现流程中，低通滤波器的选取及其 参数选择是整个仿真过程中的重要环节，下面将进行详细探讨。 3 1 低通滤波器的选择 数字滤波与模拟滤波相比，具有很多突出的优点，它可以满足滤波器对幅度 和相位特性的严格要求，可以避免模拟滤波器所无法克服的电压漂移、温度漂移 和噪声等问题，所以文中低通滤波器的选择采用数字滤波器。数字滤波器可分为 无限脉冲响应滤波器( i i r ) 和有限脉冲响应滤波器( f i r ) 。i i r 滤波器差分方程 的一般形式为： 一1 n 一】 y ( ) = 吼x ( n 一尼) + b 女y ( n - k ) ( 3 1 1 ) i i r 滤波器具有无限长的单位脉冲响应，结构上存在反馈回路，是递归型的。 它具有结构简单。运算量小的特点。i i r 滤波器结构具有多种形式，图3 1 所示 图3 。l 直接i i 型i i r 结构 硕t 论文摹于d s p 的电力有源滤波器研究 f i r 滤波器的差分方程如下： 型 y ( n ) = h ( k ) x ( n t ) ( 3 1 2 ) k = 0 在数字滤波器中，f i r 滤波器具有如下几个优点： 1 ) 可以在幅度特性随意设计的同时，保证精确、严格的线性相位； 2 ) 由于f i r 滤波器的单位脉冲响应 ( n ) 是有限长序列，因此f i r 滤波器没有不 稳定的问题； 3 ) 由于f i r 滤波器一般为非递归结构，因此在有限精度运算下，不会出现递归 型结构中的极限振荡等不稳定现在，误差较小； 4 ) f i r 滤波器可采用f f t 算法实现，从而提高运算效率。 f i r 的一般结构如图3 2 所示。 z 一1zz y ( 胛) 图3 2f i r 滤波器的一般结构 考虑到i i r 型滤波器对系统线性相位频率特性有所影响，f i r 型数字滤波器 可以在设计任意幅度频率特性的同时，保证精确严格的线性相位特性，所以选用 f i r 型滤波器进行仿真。 正确的选择窗函数可以提高数字滤波器的性能，常见的窗函数有矩形窗、三 角窗、汉宁窗、凯塞窗等“”，文中分别选用这些窗函数设计数字低通滤波器，对 i 。一i 。算法进行仿真和分析。 3 2 低通滤波器中截止频率的确定 对h 次谐波电流进行变换，设三相电流表达式为 1 9 坝士论文基于d s p 的电力有源滤波器研究 阡 捆。s i n ( n w t + o 。) 妻扬n s i n 【州孚) 弧) 妻捆。s i n 【n ( w t + 刁2 1 - + 纸) 】 ( 3 2 1 ) 代入式( 2 3 2 1 ) 可得： ：拈l 若1 n c 。s k l 干n 、n 干妒n 1i 。， l 妻+ i n s 通【( 1 蚺吨】| 式( 3 2 2 ) 表明，在变换后的坐标系中，最低次谐波分量的频率为工频的两倍，因 此低通滤波器的截止频率必须满足f 0 时，应该使k 。 0 ，而a i 。 0 时， 应该使k 。 鲜 o y il引1_1u瞄恼e酗虬嗣；i桃匪h il滥叩a 性吲h il跳叩夏 一u吲h廿 id她匪 j|u阁hh i小班p王 一阑吲hu眺妊越 眺娅、川抖 斟吲h ii眶壬一 旧瞄uu。l雌毕_l l瞄峭髂rl 一瓶啦_上 一 幽阑出蛐瑚蜷_|蛐 幽一雌一 幽 掣 鳓 厂u姑辑u掣r坦雨 1li特辑刚pj 盯乳茸 e蓉_h葛 5 3 基螂留心州套辎越整吾臀群n_匝 硕士论文 基于d s p 的电力有源滤波器研究 6 实验结果 用t m s 3 2 0 f 2 4 0 实现i 。一i 。算法的程序见附录。程序在c o d ec o m p o s e r 环境 中调试成功。 检测结果： 利用计算机、t m s 3 2 0 f 2 4 0 芯片、电流互感器s c t 2 5 4 f k 和模拟负荷，搭建 实验平台。利用t m s 3 2 0 f 2 4 0 编写的汇编程序，实现谐波检测。检测所得a 相补 偿电流指令信号如图6 1 所示。图6 2 所示为产生的p w m 信号波形。 图6 1a 相补偿电流指令信号 图6 , 2 p w m 信号 硕1 。论文基于d s p 的电力有源滤波器研究 结论 电力有源滤波器是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置。 论文对基于t m s 3 2 0 f 2 4 0 型d s p 芯片的电力有源滤波器实现进行了分析和研究， 主要工作如下： 1 ) 分析了并联型和串联型电力有源滤波器，对两者的基本原理、系统构成及补 偿特性等进行了比较。 2 ) 对各种电力有源滤波器的检测方法进行了比较研究，利用m a t l a b 仿真软件 对基于瞬时无功功率理论的i 。一i 。算法进行仿真实验，对算法中选用不同窗 函数的低通滤波器的仿真结果进行了分析比较。 3 ) 利用t m s 3 2 0 f 2 4 0 型d s p 芯片，借助数据采集电路和模拟负荷，进行了数据 采集实验，实现了i 。一i 。算法。对该算法中各个环节的实现进行了详细论述， 主要包括以下几部分：d s p 的初始化、a d 实现、低通滤波、坐标变换和p w m 信号的产生。 4 ) 在研究了并联型电力有源滤波器主电路的工作原理及设计方法的基础上，利 用t m s 3 2 0 f 2 4 0 ，i r f l 6 3 0 6 电力m o s 管和t r 2 1 3 0 驱动模块设计了模拟主电路 及其驱动电路。 由于时间等原因，本文对电力有源滤波器的研究尚存在一些不足之处： 1 ) 本文讨论的主要是补偿负荷侧电流谐波，对电源侧电流的谐波补偿没有进行 详细的分析研究。 2 ) 没有考虑将电力有源滤波器的谐波补偿功能和抑制电压闪变、系统故障诊断 等问题相结合，以进一步提高电网的电能质量。 硕i j 论文 基于d s p 的电力有源滤波器研究 致谢 论文是在陈劲操老师的精心指导下完成的。师从陈劲操教授三年来， 学业上得到了他严师般的精心指导，生活上也得到了他周到的关心和照顾。陈老 师的言传身教使我学到了严谨求实的治学作风、乐观积极的生活态度，让我终身 受益非浅。 论文期间，还得到了郎明君老师，吴军基，都洪基等实验室其他老师和同 学的关心和帮助，在此一并表示衷心感谢! 硕j 一论文基于d s p 的电力有源滤波器研究 参考文献 l 胡铭，陈珩有源滤波技术及其应用电力系统自动化，2 0 0 0 ( 3 ) ：6 6 7 0 2 柳星桥，刘国海综合电力有源滤波系统研究江苏理工大学学报，2 0 0 0 ( 4 ) ：6 5 6 8 3 蒋平，邓俊雄，高亮一种先进的电网谐波检测方法电力系统自动化学报，2 0 0 1 ( 6 ) ：2 0 2 4 4 卢树峰电力有源滤波器的研制硕士论文 5 王兆安，杨君谐波抑制和无功功率补偿第1 版北京：机械工业出版社，1 9 9 8 6 刘进军瞬时无功功率理论与串联混合型单相电力有源滤波器的研究西安交通大学博士 论文，1 9 9 7 7 刘进军，王兆安基于旋转空间矢量分析瞬时无功功率理论及其应用电工技术学报，1 9 9 9 ( 2 ) ：3 3 3 5 8 庄宏成基于d s p 的电力有源滤波器的设计和仿真研究硕士论文 9g y u g y il s t r y c u l aec a c t i v ea cp o w e rf i i t e r s p r o c e e d i n g so fi e e e i a s ，1 9 7 6 ：5 2 9 6 3 0 1 0 杨建萍有源滤波器的研究硕士论文 1 1a k a g ih ，n a b a ea i n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t o r sc o m p r i s i n gs w i t c h i n g d e v i c ew i t h o u te n e r g ys t o r a g ec o m p o n e n t s i e e et r a n so ni n d u s t r ya p p l i c a t i o n s ， 1 9 8 4 ，2 0 ( 3 ) ：6 2 5 6 3 0 1 2 刘凡，杨洪耕串联混合型有源滤波器在电铁谐波抑