（电力电子与电力传动专业论文）并联型有源电力滤波器仿真及其设计.pdf

a b s t r a c t a c t i v ep o w e rf i l t e r ( a p f ) i sav e r ye f f e c t i v ed e v i c et oc o n t r o lh a r m o n i cp o i l u t l o n i nt h ep 洲e rs y s t e m i ti sw e l lk n o w n t h a tb e c a u s eo ft h ew i d e s p r e a du s eo fp o w e r e l e c t r o n i cd e v i c e sa n dt h en o n - l i n e a rl o a d s ，t h eh a r m o n i cc u r r e n t sa n dr e a c t i v ec u r r e n t m a s s i v ea r ei n j e c t e di n t op o w e rg r i d s ，w h i c hm a k eal a r g ea m o u n to fe n e r g yw a s t e a n dh i g h l i g h tt h r e a tt ot h es a f eo p e r a t i o na n dn o r m a lu s eo f t h ep o w e rg r i d sa n do f e l e c t r i c a ie q u i p m e n t s a st h es t r a t e g i co fb u i l d i n ga c o n s e r v a t i o n 。o r i e n t e ds o c i e t yw a s p r o p o s e di nc h i n a ，s ”1lt hf i v e y e a rp l a n ”，t h er e s e a r c ho fu s i n gt h e a p fa p p l i c a t i o n f o rh a m o n i ca n dr e a c t i v em a n a g e m e n tw i l lh a v ev e r yb r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c t s t h i sp a p e rd e s c r i b e st h eb a s i cp r i n c i p l e so f t h ea p f , t h ec u r r e n tc l a s s i f i c a t l o no f t h ea p fa n ds e v e r a lc i r c u i tt o p o l o g i e s ，a n a l y z i n g t h es t r u c t u r eo ft h r e e 。p h a s e t h r e e - w i r ea n dt h r e e p h a s ef o u r - w i r eo ft h ea p fs y s t e m ，e s t a b l i s h i n gt w om o d e l s t o f i g u r eo u tt h el i m i t a t i o n so ft h r e e p h a s et h r e e - w i r ea p fp o w e r s u p p l ys y s t e mm t h e a c t u a la p p l i c a t i o n ，i n t r o d u c i n gt h r e ec u r r e n tc o n t r o lm e t h o d sa n das p a c e v e c t o r c o n t r o im e t h o d ，i n t r o d u c i n gt h r e eh a r m o n i cd e t e c t i o nt h e o r i e si nh a r m o n i c d e t e c t i o n ， m a k i n gad e t a i l e dt h e o r e t i c a la n a l y s i so nt h ed e s i g no f t h ea p fs y s t e mw h i c hb a s e d o nt h ei 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 , e s t a b l i s h i n gat h r e e 。p h a s e f o u r - w i r e s v s t e ms i m u l a t i o nm o d e lb a s ；e do ni 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 yo f t h ea p f s v s t e mi nm a t l a b ，v e r i f y i n gt h ef e a s i b l eo 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 呵 i nt h es o f t w a r es i m u l a t i o n a f t e ram o u n to ft h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dv e r i f i c a t i o n ，t h i s p a p e rd e s i g n sa d u a l c p ud e v i c eo fa p f , i n c l u d i n gm i c r o c o m p u t e ra st h em a i nc p u a n dd s pa st h e s e c o n dc p u t h ew o r ko fh a r d w a r ed e s i g n i n gc o n t a i n s ：m i c r o c o m p u t e r c l o c kc l r c u l t a n de m u l a t o ri n t e r f a c ec i r c u i t s ，d s pc l o c kc i r c u i ta n de x t e r n a lm e m o r ye x p a n s l o n c i r c u i t a p fs y s t e mv o l t a g ed e t e c t i o nc i r c u i lt h ea b s o l u t ev a l u e o fc u r r e n tc o n v e r s l o n c i r c u i ta n dx 3 0o n t h ep a p e ra l s od e s i g n st h em a i na n di n t e r r u p t sp r o g r a m 8 o f m i c r o c o m p u t e r t h em a i np r o g r a ma n ds t a r t e dm o v i n gp r o c e d u r e s o fd s ea ：f t e r d e b u g g i n ga l lt h ep r o g r a m s ，t h ed e v i c ew a sc o n d u c t e da c t u a l t e s t sa n de x p e r i m e n t a l a n a l y s i s k e yw o r d s ：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 sr e a c t i v ep o w e rt h e o r y ；m i c r o c o m p u t e r ； d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r 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工作和取得的 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，也不包含为获得丕鲞盘鲎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已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：稽专、乞 签字日期：硼。驴年秀月谚日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丕壅盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权吞盗盘堂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：磊黯、花 签字r 期：抽尸年扩月谚r 导师签名： 画亍秀、 签字同期：姗年黟月谚同 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 电力电子技术的快速发展使得人们对电能有了更加充分和合理的利用，各种 整流和逆变装置在家用电器和工业电气设备中的广泛应用，提高了生产的效率和 人们的生活水平。但是电力电子装置作为非线性负荷的使用致使电网的电压和电 流发生畸变，这些高度非线性设备数量和额定容量的日益增大使得电力系统谐波 污染问题日益严重，已成为了影响电能质量的公害，对电力系统的安全、经济运 行造成极大的影响；而另一方面工业、企业和居民用电设备的不断更新换代，大 量精密敏感设备的使用，对电能质量的要求越来越高，对电网中的谐波含量以及 用电设备的功率因数有更加严格的限制。据中国电力报道，我国仅由电能质 量问题造成的年电能损失就高达4 0 0 多亿元，冶金、铁路、矿山等企业的谐波严 重超标，因谐波问题导致的开关跳闸、大面积停电等电力系统事故也屡见不鲜， 因此对电网的谐波污染进行综合治理势在必行。传统的无缘滤波器体积和重量 大，只能针对某次谐波进行补偿，功能比较单一，而有源电力滤波器由于具有高 度可控性和快速响应性，并且能跟踪补偿各次谐波，特性不受负载影响，无谐波 放大的危险，因而受到广泛的重视，成为目前比较热门的研究课题【1 4 】。 1 2 谐波的产生和影响 1 2 1 谐波的基本概念 国际电i ( i e c ：i n t e r n a t i o n a le l e c t r o t e c h n i c a lc o m m i s s i o n ) 标准( i e c 5 5 5 2 ，19 8 2 ) 定义谐波为：谐波分量为周期量的傅里叶级数大于1 的h 次分量，把谐波次数h 定义为：以谐波频率和基波频率之比表示的整数。 在供电电网中，人们预期交流电压和交流电流都呈正弦波形。其中正弦电压 通常可以表示为 “( f ) = 4 2 u s i n ( c o t + 口) ( 1 1 ) 式中：u 电压有效值： 口初相角； 彩角频率，彩= 2 n f = 2 万t ： 厂频率： 第一章绪论 丁周期。 正弦电压加在线性无源元件电阻、电感和电容上，其电压和电流分别为比例、 积分和微分关系，仍为同频率的正弦波。当正弦电压施加在非线性电路上的时候， 负载电流呈现非正弦波，非正弦电流在电网阻抗上产生压降，使得电压波形也产 生畸变，成为非正弦波。对于周期为t = 2 r d o ) 的非正弦电压u ( c o t ) ，一般满足狄里 赫利条件，可分解为如下的傅里叶级数： u ( c o t ) = a o + ( 口。c o sn o t + b s i nn o t ) ( 1 2 ) 式中 口o - 去f 2 u ( c o t ) c l ( 刎) 口。= 1 f u ( 国f ) c o s n c o t d ( 国f ) 6 。= 昙知( 国f ) s i n ，z 彩纠( 国f ) 式子( 1 2 ) 的傅里叶级数中，频率为1 t 的分量称为基波，频率大于整数倍 基波频率的分量称为谐波，谐波次数为谐波频率和基波频率的整数比，我国电力 系统的基波频率为5 0 h z ，因此2 次谐波频率为10 0 h z ，3 次谐波频率为15 0 h z 。 1 2 2 谐波的影响 谐波在电网中流动会在线路中产生有功功率损耗，谐波的高频特性在导线产 生的集肤效应使得谐波电阻增大，进一步增加了线路的附加损耗；在电缆输电系 统中，谐波除了会产生上述损耗外，还会使电压波形出现尖峰，加速电缆绝缘的 老化，引起浸渍绝缘的局部放电，缩短电缆使用寿命；电网中的断路器在电流谐 波较大时，在电流过零时刻的d i d t 有可能是正常时候的若干倍数，从而使得断 路器的开断能力降低，有的断路器的磁吹线圈在谐波电流严重的情况下无法工作 致使断路器损坏。 在居民用电中，家用电器的普遍使用产生大量的3 次谐波，这些电流流过中 线将产生甚至比各相电流还要大的电流，而正常设计的中线由于没有过多考虑如 此巨大的电流，因此导线的线径比较细，在大量3 次谐波电流通过时候会使导线 过载过热、绝缘损坏，甚至短路发生火灾。 在工业生产中，谐波会引起电机和变压器的附加损耗和过热，产生机械振动、 噪声和过电压。同步电机会由于谐波电流的集肤效应使得转子中的阻尼绕组、槽 楔和套箍发热，谐波在异步电机中产生谐波电压引起的磁饱和会进一步增加电机 的附加损耗和发热。流入变压器的谐波电流增加了变压器的铁损耗和铜损耗，高 第一章绪论 频的谐波使得变压器的集肤效应严重，铁损耗更大，加剧变压器的发热，还会使 变压器产生噪音 5 , 6 1 。 1 3 有源电力滤波器的研究意义 功率半导体开关器件的长足进步，控制技术日益先进，变流设备的功率等级 提升极快，电能质量的安全问题越来越受到人们的重视，电能质量控制刻不容缓。 为了解决电力电子装置和其它谐波源对公用电网的污染问题，当前主要有两种办 法，其一是被动抑制法即对电力系统中的谐波进行滤波和补偿，第二是主动抑制 法即对电力电子装置本身进行谐波抑制，将其功率因数尽可能的接近等于l 。 由于采用变流举措的负载设备日益增多，其负载性质越来越复杂，使得谐波 源多种多样，传统的被动补偿装置存在许多不足以至于难以达到实际的要求，因 此，亟需一种新的电力电子设备来提高电能的质量。随着g t o 、i g b t 和i g c t 等大功率可关断器件的开发成功和应用技术的不断成熟，使得电能补偿装置的实 现成为可能，采用有源电力滤波器对电网进行滤波或者谐波补偿的方法逐渐被重 视起来，关于有源电力滤波器的研究近些年成为一个非常具有研究意义的课题。 随着我国“十一五”计划关于节约能源问题的重视，有源电力滤波器的研究势必 会有广阔的前景。 1 4 有源电力滤波器的分类 传统的无功功率补偿和谐波抑制是采用无源电容补偿和无源滤波器的无源 补偿法，将补偿电容和l c 滤波器并联在电源和负载之间，为谐波电流提供一个 低阻抗通路的同时，也为负载提供所需无功电流。无源补偿方法具有简单方便的 特点，但是缺点十分明显：只能抑制固定的几种谐波，有可能发生谐振的情况， 将谐波进一步放大；只能补偿固定的无功电流，对于变化的无功电流不能准确补 偿；滤波特性受系统参数的影响较大，有时很难与净化稳压或者调压要求相协调； 体积重量比较大1 7 j 。 有源电力滤波器( a c t i v ep o w e rf i l t e r , a p f ) 有效的克服了无源补偿的缺点， 成为当前谐波抑制和无功补偿的重要手段。它具有较高的可控性和快速响应特 性，可以跟踪补偿各次谐波，自动产生负载所需的无功电流，特性不受系统参数 影响，不会跟电路发生谐振，体积小重量轻。 根据应用场合的不同，a p f 可以分为有源直流滤波器和有源交流滤波器两大 类。前者主要用来消除高压直流( h v d c ) 系统中换流器直流侧的电流、电压谐波， 后者则应用于交流电力系统。 根据直流侧储能元件的不同，a p f 又分为电流型和电压型。电压型a p f 效 第一章绪论 率高，初期投资少，可任意并联扩容，易于单机小型化，适用于电网谐波补偿， 因此目前实用装置9 0 以上是电压型，技术相对成熟、完善。电流型a p f 作为 非正弦电流源来满足非线性负载的谐波电流要求，其结构简单、性能可靠，但损 耗较大，不适用于大容量系统。 根据a p f 与电网连接方式不同，可分为并联型、串联型和串并联型a p f 。并 联型a p f 是将其并联在电网和负载之间，多数情况下主要用于对被看作是电流源 的谐波源进行补偿，例如对直流侧为阻感负载的整流电路进行补偿，此时有源电 力滤波器向电网注入的是补偿电流，抵消谐波源产生的谐波和无功电流，还原电 网为正弦波电流。串联型a p f 是将其串联在电网和负载之间，多数用在被看作是 电压源的谐波源进行补偿，例如对电容滤波的整流电路进行补偿，此时a p f 向电 网注入的是补偿电压，以抵消负载产生的谐波电压，使输入的电压波形成为正弦 波。串并联型a p f 中和了串联型和并联型a p f 的优点，既可以对电流源也可以对 电压源谐波源进行补偿，但是其造价一般比较高昂，应用不多【8 1 。 人们对滤波器经过多年的研究，结合各种滤波器的优点，尽量发挥a p f 的特 长，提高其性能，降低其成本，研究产生了各种混合型a p f l 9 1 。如图1 - l 所示为 电力滤波器的系统结构分类。 图1 1 电力滤波器系统结构分类 1 5 有源电力滤波器的现状与发展 作为改善供电质量的一项关键技术，目前有源电力滤波器在美国、日本等发达 工业国家已广泛用于国民经济的各个生产部门，并且谐波补偿的次数逐步提高 ( 典型值达2 5 次) ，单机装置的容量也逐步提高( a p f 的最大容量可达5 0 m v a ) ，其 应用领域正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。日 本自1 9 8 2 年世界上第一台有源滤波装置问世以来，已有2 0 0 多台有源电力滤波 器投入运行，最大的一台容量达到2 0 m v a l l 0 ，l 。 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 4 第一章绪论 术界和企业界的充分重视，并投人了大量的人力和物力，但和电子工业发达的国 家相比仍有一定的差距。到目前为止，我国也有几台类似产品投入工业试运行， 如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做了大量的工作，也取得了相当的成 果，但依然有一些技术需要进一步完善。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，但相对而言成本较高，在一些具体实现技术上也正在进一步研究之中。总 的来讲，目前我国有源电力滤波技术的工业应用仍处于试验和攻坚阶段，特别是 在既治理谐波又补偿无功功率的系统方面，还有许多基础理论与技术有待于深入 研究。 1 6 本文所做的主要工作 1 分析三相三线制和三相四线制并联型a p f 的基本原理和主电路结构并比 较两者之间的区别和应用范围，介绍a p f 系统中普遍采用的几种谐波检测理论 和控制方法。 2 建立数学模型将a p f 中复杂的电路关系转化为简单的数学表达式，在 m a t l a b s i m u l i n k 中建立三相四线制a p f 的仿真模型，通过仿真波形分析基于 瞬时无功功率理论的谐波检测方法在三相四线制a p f 系统中应用的可行性。 3 设计并开发单片机和d s p 的相关硬件电路和软件程序，设计a p f 控制电 路包括：c p u 电路、检测电路和驱动电路等。 4 估算主电路参数，组建实验室的并联型a p f 实验平台，进行实验结果分 析。 第二章并联型a p f 的原理与控制方法 第二章并联型a p f 的原理与控制方法 2 1 并联型a p f 的主电路结构 2 1 1 有源电力滤波器原理 图2 1 所示为并联型有源电力滤波器的原理图。非线性负载为主要谐波源， 电源为交流电源，其原理是a p f 检钡j j * b 偿对象的电压和电流信号，经过指令电 流运算电路得出补偿电流的指令信号，再经过补偿电流放大电路，得出补偿电流， 补偿电流跟电路中的谐波电流和无功电流抵消，电源电流即为期望的无谐波电 流。 u d 图2 1 并联型有源电力滤波器原理图 图2 1 中i l 是负载电流，由于负载的非线性使得i l 中包含大量的谐波和无功电 流，电源侧电流i 。随之发生畸变，变成非正弦波。经过a p f 的谐波计算，得出补 偿电流i 。，根据基尔霍夫第一定律1 2 1 有。 t = t + t ( 2 一1 ) 其中负载电流i l 含有基波分量i l 网谐波分量i l h 。 t = 屯，+ l l h ( 2 - 2 ) 所谓谐波补偿，是检测出负载电流中的i l h 分量，将其取反后作为补偿电流指 令信号i 。，由补偿电路产生补偿电流i 。，i 。与负载电流中的谐波分量i l h 大小相等方 向相反，相互抵消，使得电源侧电流中只包含基波，有效防止了谐波对电网污染。 如果要求有源电力滤波器在补偿谐波的同时也补偿无功，则需要检测基波电 流i l f 中的有功分量i l p 和无功分量i l a 。 0 = l 。l p + 么 ( 2 3 ) 6 第二章并联型a p f 的原理与控制方法 此时补偿电流的指令信号i + 。取自负载电流的谐波分量i l h 和基波的无功分量 i l 口之和，再将其取反后经由补偿电流发生电路产生补偿电流信号i 。i 。与负载电 流中的谐波和无功成分大小相等方向相反，互相抵消，电源侧电流变成负载电流 的有功分量，提高了功率因数，有效节约电能。 2 1 2 三相系统有源滤波器主电路 1 三相三线制主电路结构 如图2 - 2 所示，对于没有中线的三相负载，采用三相三线制结构的有源电力 滤波器可以补偿非线性负载的谐波和无功电流。三相三线制结构的变流器由于在 变频等领域应用相当广泛，此种结构的变流器已有成熟的技术并且制作成为工业 模块，许多i g b t 模块都是采用三相三线制结构，因此具有造价低廉，购买和使 用方便等优点。三相三线制有源电力滤波器是目前有源滤波器应用最广泛的一 种。 图2 2 三相三线制a p f 主电路结构 2 三相四线制主电路结构 电力系统中有三相四线制负载，三相电流之和有可能不为零，即中线中存在 零序电流。零序电流中及可能有零序基波分量也可能含有零序谐波分量，普通的 三相三线制主电路的有源电力滤波器无法消除线路中的零序基波和谐波电流，三 相四线制的有源电力滤波器可以有效解决上述问题，这种滤波器不仅可以消除三 相线电流中的正序谐波分量和负序谐波分量，还可以消除三相线电流中的零序谐 波分量，因此功能更加强大。图2 3 所示为常用的电容器中点型的三相四线制有 源电力滤波器，全部的中线电流都流经直流侧的电容器，因此此种滤波器仅适用 于小容量的系统。 第二章并联型a p f 的原理与控制方法 图2 - 3三相四线制a p f 主电路结构 在三相负载不平衡、中线电流较大且造成比较严重的问题或者存在较大的安 全隐患的条件下，有源电力滤波器的主电路结构适合采用三相四线制。三相四线 制a p f 可以看作是对三相三线制a p f 的功能扩展，当负载三相平衡时与三相三 线制a p f 功能相同，但是三相四线制a p f 的结构比较复杂，成本较高，并且直 流侧电容电压的平衡控制比较复杂，容易产生高压对功率器件的寿命产生不利影 响。如果负载的中线电流没有超出规定的许可值，应优先选择三相三线制的有源 电力滤波器。 2 2 谐波和无功功率的检测方法 2 2 1 基于瞬时无功功率理论的p - q 谐波检测方法 p q 法是基于三相电路瞬时无功功率理论的一种谐波检测方法，此种方法 适用于系统的三相电压不含谐波的情况。p - q 谐波检测方法可以迅速准确的检测 出负载电流的谐波分量，具有实时性好、精度高的优点，原理如图2 - 4 所示。 图2 - 4 p - q 谐波检测方法原理图 z z c 6 1 c c 第二章并联型a p f 的原理与控制方法 根据图2 - 4 的定义计算出p 和q 阡巳 | ： = 鞠 ( 2 1 ) 式中 2 匕乏- j p 2 ， 皓信睦1 立 任3 ， z 4 ， z 酽 0铘丹壶c 用囡 亿4 ， 2 2 2 基于瞬时无功功率理论i p i q 谐波检测方法 实际电网中由于非线性负载的应用，使得三相电压中包含谐波分量，电压波 形甚至发生畸变，因此p q 谐波检测方法计算得出的p 和g 中不仅为基波电流和 基波电压得出的功率，还包括其他同次谐波的电流和电压得出的结果，这样p q 法计算得出的三相基波电流中不可避免的包含了谐波的成分，影响了谐波检测的 精度。为了克服这种因为电压质量而影响谐波检测精度的缺点，可以采用i 。i q 谐 波检测方法，如图2 - 5 所示。 图2 - 5 i p - i q 谐波检测方法原理图 参照图2 5 ，可以计算出i p 、i q 的值。 9 z 叩 z 第二章并联型a p f 的原理与控制方法 乏 = c 乏 = c c ，： 朝 ( 2 - 5 ) 式中 s i nc o tc o s 饼i c = 1 i ( 2 6 ) l c o s c o t s i n c o tl 此方法用到与a 相电源电压e 。同相位的正弦信号s i n t 和对应的余弦信号 c o s t ，它们由一个锁相环( p l l ) 和一个正余弦发生电路得到。经过低通滤波器 ( l p f ) 滤波得出i p 、i q 的直流分量f 。、q ，再经过反变换得出负载电流的基波电 流的基波分量i 小i b f 、i c f 。 磐c 黔c 囡 2 2 3 基于f r y z e 功率定义检测方法 ( 2 - 7 ) 图2 - 6 f r y z e 功率定义谐波检测方法原理图 在时域中把三相系统的非正弦周期电流i 。( t ) 、i b ( t ) 、i e ( t ) 分别相对于各自的相 电压u 。( t ) 、u b ( t ) 、u c ( t ) 分解成两项。 o ) 2 壶“t ( t ) = g u r ( 2 - 8 ) i k q ( t ) = i k ( t ) 一乞o ) ( 2 - 9 ) 式中，k = a 、b 、c ，p 为非正弦条件下的三相有功功率的总和，g 为等效电导， u 为u 的有效值，p 、u k 的表达式为。 1 0 第二章并联型a p f 的原理与控制方法 p ：莩扣“。跣( 0 d r = 莓扣n o 陟 u i = ( 2 - i 0 、 ( 2 1 1 ) 式中，p k ( t ) 为瞬时功率。 从式( 2 8 ) 可知，i p k ( t ) 与u k ( t ) 的波形一致，它是非正弦周期电流i k ( t ) 中有功功率 电流分量，i q k ( t ) 称为广义无功电流。当u k ( t ) 为正弦波时，有功电流i p k ( t ) 即为基波 的有功电流，i q k ( t ) 则为基波的无功与谐波电流之和【1 4 1 。 2 2 4 自适应电流检测法 “口 l c 图2 7自适应检测方法原理图 该方法基于自适应噪声对消原理，在三相系统中把幅值衰减过的电源电压 uk ( k = a ，b ，c ) 作为参考输入，负载电流i k ( k = a ，b ，c ) 作为原始输入。当检测到输出电 流i c k 中含有与r k 相同的干扰成分时，i 。k 通过反馈电路中的乘法器m k 与r k 相乘，乘 积结果通过一个积分器累积放大，只有与r k 相同频率的干扰电流才能产生直流分 量在积分器输出结果，其输出产生一个逐步放大增长的直流量w k ，再经过乘法 器wk 后得到与r k 同向( w k 为正数) 或者反向( w k 为负数) 的反馈量i f l c ，用以抵消原始 输入的负载电流i k 中与r k 同向或者反向的干扰，直到i 。k 中的干扰为零。可以证明 输出信号i f l ( 是参考输入量u l k 的最优最小方差估计，l l 埘e e 2 l 达到最小值，这里e 是误差信号，即为图2 7 系统中的输出电流i 。k 。可见，电源电压经自适应滤波处 第二章并联型a p f 的原理与控制方法 理后，输出一个与负载电流基波有功分量幅值、相位均相等的信号，将此信号从 负载电流中扣除后，即可得到高次谐波和无功电流的分量的总和。 目前已有人用神经网络或硬件实现的方法将自适应滤波理论应用于谐波电 流和基波无功电流的检测，结果表明，其系统工作特性几乎不受元件参数变化的 影响，当电压发生波形畸变或有基波偏差时，检测系统仍能正常工作，具有良好 的自适应能力，但将自适应滤波技术应用于实践构成完整的电力有源滤波器尚不 多见，可以认为这种方法是一种很有发展前途的新方法【1 5 】。 2 3 并联型a p f 的控制方法 2 3 1 滞环比较控制方式 滞环比较器 厂 - - _ _ _ _ _ _ - - - - - - l“ j一- j 图2 8滞环控制原理图 号 仅以单相的控制为例如图2 8 所示，补偿电流的指令信号i 。与实际的补偿电 流信号i 。比较，再把偏差i 。作为输入信号输入滞环比较器中，由滞环比较器产 生控制功率器件开关的p w m 信号。滞环比较控制方式既能降低功率器件的开关 频率又能快速进行电流跟踪，滞环比较器环宽h 的大小决定了电流跟踪的速率， 当i t l 一? r 0 、j 一? ，、二? 、y 图3 7三相四线制a p f 的谐波仿真波形 第三章并r 型a p f 的数学分析和建模仿真 图3 - 8 补偿后的电源三相电流和中线电流仿真波形 从图3 - 6 和圈3 - 8 的比较可以看出，当三相四线制系统中所接三相非线性负 载时候，三相电流发生严重畸变，将产生大量的谐波注入电网中，造成电网污染。 本次仿真模型验证了基于瞬时无功功率理论的i p i q 谐波检测法在三相四线制 a p f 系统中应用的可行性，通过并联三相四线制的有源电力滤波器有效的补偿负 载产生的谐波，极大的改善电网电流的波形，而且对中线电流的波动也能起到抑 制作用。 3 3 小结 本章根据a p f 的主电路中电路关系分别建立了三相三线制a p f 数学模型和 三相四线制a p f 的数学模型，用数学的公式表示了a p f 系统中输出电压、电流 之间的关系。在数学模型的理论基础上，在m a t l a b s i m u l i n k 中建立三相四线 制a p f 的仿真模型，将瞬时无功功率理论的i p i q 检测法应用在模型中进行谐波 检测，并得出负载电流波形和谐波电流波形的比较图形，最后得出补偿后的电流 波形，可以看出应用i p i q 检测法可以实现对非线性三相负载进行谐波补偿。 第四章单片机在并联型a p f 中的硬件设计和编程 第四章单片机在并联型a p f 中的硬件设计和编程 有源电力滤波器是一个动态谐波抑制和无功补偿的装置，它需要对负载电 流、电压信号进行精确检测并且对谐波进行实时精确计算，还需要有高效的驱动 能力去控制功率开关的工作，因此对系统的控制性能具有很高的要求。近年来的 微处理器控制技术的发展使得各种高度集成芯片的性能不断提升，数字信号处理 技术的发展使得数字控制系统的运算速度和精度有很大的提高，采用集成芯片作 为处理器可以使有源电力滤波器的控制系统简化。本文设计的是一种采用单片机 和数字信号处理器( d s p ) 的双处理器的有源电力滤波器控制电路，单片机作为 主控制芯片负责负载电流、电压信号的采集和功率器件的驱动。本章将介绍单片 机的硬件电路设计和软件程序的编写。 4 1 单片机功能简介 本文设计采用的是瑞萨科技股份有限公司生产的1 6 位单片机，型号为 m 1 6 c 6 2 p 3 1 j ，具有高速处理能力、多种接口、丰富的多功能定时器等功能，还 具有1 m b 的r o m 存储器空间，既能作为单芯片工作的处理器，也能作为处理器 采用外部存储器工作。基本外围功能有：1 0 位a d 转换器、8 位d a 转换器、1 6 位多功能定时器( 含三相马达控制定时器功能) 、时钟同步串行通信接口、c r c 计算电路、看门狗定时器等，m 1 6 c 6 2 p 单片机还内置丰富的外围功能电路。 m i6 c 6 2 p 单片机具有以下特点。 ( 1 ) 3 级流水线指令机构，处理速度高，而且根据各种实际应用采用了功能 强大的位操作指令，代码效率高。 ( 2 ) 功耗低，适合于采用电池的供电设备，3 伏电压，7 m h z 工作频率下功耗 为18 m w 。 ( 3 ) 寻址方式灵活多样，使用频率高的指令可生成短缩型代码，更具有适合 c 编译的指令，代码效率高。 ( 4 ) 辐射噪声小，抗干扰能力强，可极大的减轻用户噪声对策成本。 ( 5 ) 开发环境完善，可同时兼容汇编语言和c 程序语言，调试器所必须的功 能模块内置于芯片，充分发挥单片机的全部功能，配备高性能的仿真器。 第四章单片机在并联型a p f 中的硬件设计和编程 4 2 单片机在a p f 系统中的作用 单片机的控制系统结构如图4 1 所示，整个系统以单片机作为核心处理器， 分为四个主要部分t 第一部分是检测部分，包括对负载电压、直流侧电压和负载 电流的检测，占用单片机的a d 转换端口；第二部分是谐波电流计算部分，根 据瞬时无功功率理论进行谐波计算，瞬时无功功率理论就是建立在快速实时的基 础之上，d s p 的运行速度可达i o o m i p s 足以满足有源滤波器的实时性能要求， 单片机将采集到的负载谐波电流交给d s p ，由d s p 计算出基波电流返回单片机； 第三个部分是i g b t 驱动部分，这里单片机将d s p 计算得到的基波电流和负载 谐波电流求差并反向后得到谐波电流的控制信号，经由外围模拟电路进行电平转 换，控制i g b t 各路桥臂的导通和关断；第四部分是扩展功能，本文尚未用到， 单片机预留部分端口以备将来对a p f 进行功能扩展和完善，比如添加人机交互 功能，通过单片机的通信端口跟液晶显示屏幕连接，可以显示当前电路中的主要 参数，如电压电流值等等，可扩大滤波器系统的实用价值。 单片机作为有源滤波器的主控制芯片有其优势，一方面单片机应用时间和范 围广泛，各个功能开发成熟，对比当前的一些高级运算芯片，单片机产品的性能 价格比更高，另一方面单片机具备丰富的i o 端口，通用的编程开发环境使得以 后对系统的功能扩展和完善变得更为可行，极大的节约开发成本。 负载电压 j 止j 、 扩展功能 电流检测 1 m 1 6 c 6 2 p 单片机 d s p i 皆波 一 i g b t 驱动 电流计算 广 图4 1 以单片机为核心的a p f 系统结构简图 4 3 单片机硬件电路设计 m 1 6 c 6 2 p 单片机有1 0 组端口，每组端口有8 位，端口功能在前文单片机的 原理和性能中已经介绍。本文设计的有源电力滤波器应用到的端口包括数据和地 址总线、定时器端口、a d 采样端口和i o 的端口。 4 3 1 单片机时钟连接电路设计 m 1 6 c 6 2 p 内置4 种时钟发生电路t 主时钟振荡电路，副时钟振荡电路，内 部振荡器和p l l 频率合成器。本文设计采用主时钟振荡电路作为c p u 和外围功 第四章单片机在并联型a p f 中的硬件设计和编程 能的时钟源。主时钟振荡电路通过在x i n x o u t 引脚之间连接谐振器构成振荡 电路。主时钟振荡电路内置反馈电阻，为了在停止模式降低功耗，将反馈电阻与 振荡电路分开。主时钟振荡电路也可以将外部生成的时钟作为振荡源输入到x i n 引脚，设计主时钟连接电路如图4 2 所示，振荡器采用1 0 m h z 晶振，外接两个 3 0 p f 的旁路电容。 x i n r m 1 6 c 6 2 p 1 二 i 一卜 x o u t v s s 上 图4 2 主时钟连接电路图 4 3 2 单片机与仿真器接口电路设计 仿真器帮助用户实现单片机与p c 之间通信，用户可以通过仿真器编辑、观 察单片机内部寄存器状态，程序的调试和烧写均通过仿真器实现。硬件设计中将 单片机和仿真器接口设计在同一块p c b 板上，仿真器与单片机通过仿真器接口 连接，当程序烧录进单片机内部r o m 中，可以将仿真器摘除。注意不能在连接 器周围3 毫米范围内安装其它部件，否则影响连接器与仿真器接口的正常连接。 根据仿真器连接器的端口配置，设计出仿真器接口电路图，如图4 3 所示。 端口l 连接3 3 v 电源，端口2 连接单片机p 64 端口( i 玎s 1 ) ，端口3 连接单片 机p 65 端口( c l k ) ，端口4 连接单片机p 66 端口( r x d ) ，端口5 和端口6 分别接4 7 k 上拉电阻，端口7 接地，端口8 连接单片机的复位端口( r e s e t ) ， 端口9 连接4 7 k 电阻接地，端口1 0 连接单片机p 67 端口( t x d ) 。 图4 - 3单片机与仿真器接口设计图 第四章单片机在并联型a p f 中的硬件设计和编程 4 3 3 单片机外接存储器电路设计 并联型有源电力滤波器谐波计算在d s p 中完成，负载电流的检测由单片机负 责，因此单片机和d s p 之间需要进行数据交换，单片机将负载的谐波电流送给 d s p ，然后d s p 将计算得出的基波电流传送回单片机，它们之间的媒介是一个 双口r a m 。电路图如4 4 所示，r a m 的右侧使能信号由单片机的片选信号端口 ( c s 3 ) 提供，单片机的写使能端口w r 和b h e 端口通过逻辑门电路“与”以 后控制r a m 的读和写。 单片机和r a m 信息交换分别用到数据和地址总线，在单片机初始化的时候 需要修改相关的寄存器，将总线模式设置成为独立总线模式，2 0 位地址总线宽 度，数据总线宽度为1 6 位，允许片选信号c s 3 选通，读写信号选择r d 、b h e 和 w r 组合。 d sc e lc tc s 3 r 曹 = 玉卜虻e 蕊压卜一 豫 鼙m 理雠 a 0 ： ： 盎m 1 6 c 6 2 p a o 刍 譬 0l佩 。1 d o l l u k l - g h i l； a 1 2 l 1 2 r d o ld o r t m s 3 2 0 矗2 l v c 5 4 0 2 d 0! 广“d 1 2 l 三i i ) 1 2 r i ) 1 2 i 匹 ： ： d 1 2 b 1 0 一 图4 - 4单片机外接存储器电路图 4 3 4 电压周期检测电路设计 。= 图4 - 5 电压周期检测电路图 单片机程序中周期的开始和判断均以a 相电源的电压作为参考，由于未发生 畸变的电源电压为2 2 0 v 有效值的正弦波，单片机的工作电压仅为5 v ，强电和 弱电必须采取隔离措施才能保证安全，变压器可以将强电和弱电隔离。单片机i o 端口只能检测数字信号即高低电平的变化，因此必须设计一个电压转换电路将正 弦波电压转化成为一个脉冲电压。设计转换电路如图4 5 所示，a 相电源电压通 勇 第四章单片机在并联型a p f 中的硬件设计和编程 过变压器实现强弱电隔离，串联5 0 k 的电阻，通过反并联的二极管限制电压后 设计成过零比较器，比较器的工作电压为+ 5 v 。当a 相电压大于零时，比较器输 出电压为+ 5 ，当a 电压小于零时，比较器输出电压为0 ，为了保证输出信号稳定， 在输出端连接一个4 7 k 的上拉电阻。比较器输出信号“u a p u l s e ”连接单片机的 输入端口p 77 和中断端口i n t 0 ，端口p 77 用来计算周期数目和判断相序，i n t 0 端口用来控制周期采样的指针初始化。 4 3 5 电流绝对值转换电路设计 m 1 6 c 6 2 p 单片机具有1 个由电容耦合放大器构成的l o 位逐次逼近式a d 转 换器电路。根据逐次逼近参考电压v r e f 这一原理可知，a d 转换是单极性质的 转换。有源电力滤波器负载电流是一个交变的电流信号，不能直接连接单片机进 行a d 转换，因此设计一个取电流绝对值的电路将交变的负载电流转换成为0 3 3 v 正向电压信号进行a d 转换，如图4 6 所示。 图4 6负载电流取绝对值电路图 图4 - 6 中所示电路仅以a 相为例，其它两相的电路原理相同。电流i 。表示经由 电流传感器转化后得到的电流信号，它实际上是将交变的电流信号线性缩小为峰 值在4 v 内的电压信号。分析后可以得出：当负载电流大于0 时，i 。处电压为正 数，设其值为v i ，由于接到运算放大器的反向端，输出电压v 。为负值，因此二极 管v d l 截止v d 2 导通，得出v ”。：、，。= v i ，经由第二个运算放大器后得到 v o = v i 2 v 。= v i ；当负载电流小于0 时，i 。处电压为负数，第一个运放输出电玉, v o 为 正值，二极管v d l 导通v d 2 截止，得出v o = v 。= 0 ，可知通过第二个运放后输出 电压为v 。= v i 。从上面两种情况可以看出，输出端d a di a 即为a 相负载电流的绝 对值。 如果只把采样得到绝对值电流进行运算，那么负半周期的计算结果势必产生 错误，因此在硬件设计中将绝对值电路的输入端接入一个零比较器，如图4 7 所 第四章单片机在并联型a p f 中的硬件设计和编程 示，经电平转换后分别连接单片机三个输入端口，单片机a d 采