（电路与系统专业论文）基于FPGA的可控双调谐滤波器的研究与设计[电路与系统专业优秀论文].pdf

硕士论文基于f p g a 的可控双调谐滤波器的研究与设计 摘要 随着电力系统规模的不断增大，各种电力电子装置的大量使用，使得谐波污染日益 严重。目前治理谐波普遍采用的方法是装设无源滤波器，但无源滤波器的滤波效果严重 依赖于电网特性，滤波元件会因制造工艺、温度漂移、老化等原因而发生参数偏移，使 其很难工作在最佳状态，严重影响了无源滤波器的性能。利用可控电抗器构成可控双调 谐滤波器，弥补了传统无源滤波器的不足，能够跟踪谐波并抑制谐波放大。但面临着如 何实时和精确的检测出滤波支路的谐波问题。随着近年来超大规模、超高速的可编程逻 辑器件f p g a 的快速发展，由于其具有高集成度、高速、可编程等优点，在超高速信号 处理和实时测控方面有非常广泛的应用。本文应用f p g a 来实现f f t 算法，设计了一 个基于f p g a 完成谐波检测、可控双调谐滤波器完成谐波抑制的系统。 本文首先根据谐波检测与抑制的需要，提出了基于f p g a 的可控双调谐滤波器的设 计方案。重点设计了基于f p g a 谐波检测系统。采用6 路1 6 位高速a d 转换器同时对 多路谐波信号进行高速高精度采样。f p g a 部分采用模块化的设计思想，设计以x i l i n x i s e 为软件平台，采用v e r i l o g 和口核的方法，并通过m o d e l s i m 仿真工具进行时序仿 真，完成1 0 2 4 点的基4f f t 运算时间仅为6 9 1 “s ，所抑制谐波的幅值和相位的相对误 差均小于1 2 。在此基础上在p s c a d 中搭建可控双调谐滤波器的仿真电路，设置了元 件参数变化和电网频率波动，对其滤波性能进行仿真，验证了可控双调谐滤波器的有效 性。 关键词：谐波检测，谐波抑制，可控电抗器，f p g a ，双调谐滤波器 a b s t m c t 硕士论文 a b s t r a c w i t ht h eu n c e a s i n ge n l a r g e m e n to ft h es c a l eo fp o w e rs y s t e ma n dt h ew i d eu s eo f v a r i o u sp o w e re l e c t r o n i ci n s t a l l a t i o n s ，h a r m o n i cp o l l u t i o ni sb e c o m i n gi n c r e a s i n g l ys e r i o u s g e n e r a lt u n e df i l t e ri sw i d e l yu s e di nh a r m o n i cs u p p r e s s i o nr e c e n t l y , b u tt h eg e n e r a lt u n e d f i l t e ri sr a t h e rs e n s i t i v et op a r a m e t e r sc h a n g e so ff i l t e ra n dp o w e rn e t w o r kc h a r a c t e r i s t i c t h u s ，i tc a n n o tw o r kw e l lw i t ht h ea f f e c t e dp e r f o r m a n c e t h i sp a p e ra p p l i e st h ec o n t r o l l a b l e r e a c t o rt oc o n s t r u c tc o n t r o l l a b l ed o u b l e t u n e df i l t e rw h i c hm a k e su pf o rt h es h o r t c o m i n g so f t r a d i t i o n a lp a s s i v ef i l t e r , t r a c k sh a r m o n i ca n ds u p p r e s s e sh a r m o n i c h o w e v e r , i ti sf a c e dw i t h t h ep r o b l e mo fr e a l t i m ea n da c c u r a t ed e t e c t i o no ft h eh a r m o n i co ff i l t e r ss p u r 仃a c k i n r e c e n ty e a r s ，w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fu l t r a l a r g e s c a l ea n dh i 曲一s p e e dp r o g r a m m a b l e l o g i cd e v i c e sf p g aw i t ha d v a n t a g e sa sh i g hl e v e lo fi n t e g r a t i o n ，h i 曲- s p e e d ，p r o g r a m m a b l e a n ds oo n ，f p g ai sw i d e l yu s e di nh i 曲一s p e e ds i g n a lp r o c e s s i n ga n dr e a l t i m em o n i t o r i n g t h i sp a p e ru s e sf p g at or e a l i z et h ef f ta l g o r i t h ma n dd e s i g n saf p g a - b a s e ds y s t e mt o c o m p l e t eh a r m o n i cd e t e c t i o na n dt oc o m p l e t eh a r m o n i cs u p p r e s s i o nw i t ht h ec o n t r o l l a b l e d o u b l e t u n e df i l t e n t h i sp a p e rp r o p o s e st h ef p g a b a s e dc o n t r o l l a b l ed o u b l e t u n e df i l t e rd e s i g na c c o r d i n g t on e e d sf r o mh a r m o n i cd e t e c t i o na n ds u p p r e s s i o n t h i sp a p e rf o c u s e so nt h ed e s i g no f f p g a b a s e dh a r m o n i cd e t e c t i o ns y s t e mw h i c hu s e s616 一b i th i g hs p e e da ds w i t c h e st o s y n c h r o n o u s l ys a m p l et h em u l t i - c h a n n e lh a r m o n i cs i g n a l sh i 曲s p e e d i l ya n da c c u r a t e l y t h e d e s i g no ff p g au s e st h e m o d u l a rc o n c e p t ，t a k e sx i l i n xi s ea st h es o f t w a r ep l a t f o r m ， e m p l o y sv e r i l o ga n dt h ei pc o r em e t h o da n du s e st h es i m u l a t i o n t o o lo fm o d e l s i mt op e r f o r m t h et i m i n gs i m u l a t i o n i to n l yt a k e s6 9 1b t st oc o m p l e t e10 2 4b i tt h er a d i x - 4f f t t h er e l a t i v e e r r o ro fh a r m o n i ca m p l i t u d ea n dp h a s ea r e1 e s st h a n1 2 b a s e do nt h i s ，s i m u l a t i o nc i r c u i to f c o n t r o l l a b l ed o u b l e t u n e df i l t e ri sc o n s t r u c t e di np s c a da n dp a r a m e t e r sv a r i a t i o no fp a r t s a n df l u c t u a t i o no fp o w e rf r e q u e n c ya r es e tt oc o n f i r mt h e v a l i d i t y o fc o n t r o l l a b l e d o u h l e - t u n e df i l t e r k e y w o r d s ：h a r m o n i cd e t e c t i o n , h a r m o n i cs u p p r e s s i o n ，f p g a ，c o n t r o l l a b l e r e a c t o r ， d o u b l e t u n e df i l t e r i l 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名： 三! 乜盘军 口子年_ 7 月 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：日 硕士论文 基于f p g a 的可控双调谐滤波器的研究与设计 1 绪论 1 1 选题背景与研究意义 1 1 1 谐波的产生和危害 电力系统中的谐波是指频率是工频整数倍的正弦波，由具有非线性伏安特性的设备 造成。电网谐波产生主要来自两方面： 一是各种非线性电力电子设备，如电弧炉、电力机车、晶闸管整流设备、变频装置、 p c 机、打印机、荧光灯、调速马达驱动、充电器等。这些设备从电路中获取跃变的脉 冲电流而不是平滑的正弦波，结果使含有谐波的畸变电流回流到电力系统中。 二是电力变压器产生谐波。由于变压器铁芯的饱和、磁化曲线的非线性加上变压器 设计时对经济性的考虑，其工作磁密选择在磁化曲线的近饱和段上，这就使得磁化电流 呈尖顶波形，从而产生奇次谐波。 谐波对电气设备的危害是多方面的。谐波电流经过变压器、交流电动机等，可使铁 芯损耗增加，从而使设备过热，缩短设备使用寿命；谐波电流还会加大电机、变压器、 电缆等电气元件的绝缘介质电离程度，使绝缘加速老化；谐波电压很容易使电容器过电 荷，引起电容器烧毁：谐波电压会导致电力线路损耗上升，且它所引起的电力系统线路 过电压有可能击穿线路设备的绝缘层；高次谐波除了以上所述对电气设备、元件产生的 不良影响外，还会使继电器保护自动装置误动作，对附近通信设备和线路等产生信号干 扰【1 ，2 】。 1 1 2 课题研究的目的和意义 近年来，由于电力系统规模的不断增大，各种电力电子装置的大量使用，使得谐波 污染日益严重。为了最大限度地减少谐波影响，谐波抑制及补偿装置的研制已势在必行。 而解决这一问题的关键在于精确实时地确定谐波的成分、幅值和相位等因素。这也正是 本课题的研究重点。 电力系统中的谐波己经逐渐发展成为影响电力系统安全的重要因素，与电磁干扰、 功率因数降低并列为电力系统中的三大公害。因此解决电力系统谐波问题己经显得非常 迫切。电力系统谐波问题涉及面很广，包括谐波检测、谐波源分析、电网谐波潮流计算、 谐波抑制、谐波标准以及在谐波情况下各种电气量的测量和分析等。谐波的检测和治理 等被摆到了十分重要的位置。谐波检测是谐波抑制的重要前提条件，也是分析解决谐波 抑制问题的基本出发点。谐波抑制是提高电能质量，保证供用电设备安全可靠运行的重 要手段之一。因此进行谐波检测和抑制的研究具有重要理论意义和实用价值。 l 绪论 硕士论文 1 2 电网谐波的相关标准 早在二十世纪六、七十年代，许多发达的工业化国家，电力公司以及国际电工组织 就开始认识到电力网络中谐波污染的存在及危害。以电力谐波管理为起点，我国从8 0 年代起就开展电能质量领域的技术监督和管理工作，1 9 8 4 年由前水利电力部颁发了电 力系统谐波管理暂行规定( s d l 2 3 8 4 ) ，并于1 9 9 3 年由国家技术监督局颁布了电能 质量公用电网谐波国家标准( g b t 1 4 5 4 9 9 3 ) ，规定了公用电网的允许值及其测量方法。 谐波作为电流和电压畸变周期波形的分量，它们的频率是基波频率的整数倍。为了 定量表示电力系统正弦波形的畸变程度，采用以各次谐波含量及谐波总量大小表示谐波 波形畸变指标 3 a 。 1 非正弦电路参数 对于一个畸变的非正弦周期函数，可以用傅立叶级数表示： f ( t ) = a o + a l 。c o s ( o l t + 伊1 ) + + 么，聊c o s ( o t + 伊 ) + ( 1 2 1 ) 其中4 为直流分量；a 枷为周期分量( 包含基波和各次谐波) 的峰值；钆是相应周期 分量的初相角。 式( 1 2 1 ) 中任意两项都是相互正交的，即任意两项的乘积在一个周期内的积分是 零。电压和电流的有效值分别为 u = 研+ ：。研，= 露+ 二露 ( 1 2 2 ) 对于包含谐波的非正弦电路，其电流f ( f ) 、电压“( f ) 都可以用上式表达其函数形式， 可计算有功功率p 为 多= 去r ”砸) 砸) d ( 研) = 砜厶+ 艺h = 1 厶c o s 皖 ( 1 2 3 ) 式中：皖是矗次电压与h 次电流的初相位差，砜、，。是h 次电压、电流的有效值，大小 为峰值的l 2 k 倍。其视在功率为 s = u i = 二u ；：。，； ( 1 2 4 ) 2 谐波含有率( h r ) h 次谐波分量的有效值( 或幅值) 与基波分量的有效值( 或幅值) 之比，用百分数 表示，就是 次谐波含有率，即 第h 次谐波电压含有率 h r u = 1 0 0 ( 1 2 25 ： u 1 第h 次谐波电流含有率 2 硕士论文 基于f p g a 的可控双调谐滤波器的研究与设计 h r i m = 鲁。 式中，u 。、i h 是第h 次谐波电压和电流有效值( 或取幅值) ； 有效值( 或取幅值) 。 ( 1 2 6 ) u 、厶是基波电压和电流 3 总谐波畸变率( t h d ) 谐波电压总量为 = 昵+ 四+ + 玩+ - - , z ：瑶 ( 1 2 7 ) 谐波电流总量为 k = i ；+ i + i ；：+ 一：层 ( 1 2 8 ) 谐波电压、电流总量的有效值与基波分量的有效值之比，用百分数表示，就是电压 和电流总谐波畸变率，即 掰d ，l _ 鲁x 1 0 0 = 压丽1 0 0 ( 1 2 9 ) t h d ，= 1 ，1 - i 1 0 0 = ：2 ( h e j ) 2 1 0 0 ( 1 2 1 0 ) 限制电力系统的谐波，防止谐波危害，就是把上列指标限制到国家标准规定的范围 之内。 1 3 ，国内j l - 谐波检测和抑制研究现状 1 3 1 谐波检测理论发展 常规的谐波测量方法主要有：模拟带通或带阻滤波器测量谐波；基于瞬时无功功率 的谐波测量；基于傅立叶变换的谐波测量；自适应检测法；小波分析法等。但是，各种 基本方法在实际运用中均有不同程度局限及缺点。针对这一问题，在以上各种方法基础 上的拓展和改进方法应运而掣弘门。 1 采用模拟带通或带阻滤波器 最早的谐波测量是采用模拟滤波器实现。即采用滤波器将基波电流分量滤除，得到 谐波分量，或采用带通滤波器得出基波分量，再与被检测电流相减得到谐波分量。该检 测方法的优点是电路结构简单，造价低，输出阻抗低，品质因素易于控制。但该方法也 有许多缺点，如滤波器的中心频率对元件参数十分敏感，受外界环境影响较大，难以获 得理想的幅频和相频特性，当电网频率发生波动时，不仅影响检测精度，而且检测出的 谐波电流中含有较多的基波分量，大大增加了有源补偿器的容量和运行损耗。 3 1 绪论硕士论文 2 瞬时功率矢量法 1 9 8 4 年，日本学者h a k a g i 等提出瞬时无功功率理论，该方法实时性较好，在检 测谐波电流时延时最多不超过一个电源周期，常用于无功补偿和有源滤波时的谐波测 量。由于其检测结果为总的畸变电流值，若要得到各次谐波值，必需进行分离，硬件电 路较复杂。 3 基于傅里叶变换 基于傅里叶变换的谐波测量。该方法可以同时得到谐波的幅值和相位，而且功能较 多，计算方便，因此是当今应用最多也是最广泛的一种方法。为了提高其测量精度而采 用的各种f f t 的改进方法有的实现方便但误差较大，有的精度虽高但结构过于复杂， 因此迫切的需要有一种方法能够在不增加电路和算法复杂度的前提下提高测量精度。 4 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。在此基础上，又有学者提出一种基于神经元的自适应谐波的电流检测法。 5 小波分析法 在对谐波电流进行动态控制时，不必分解出各次谐波分量，只需检测出除基波电流 外的总畸变电流，但对出现谐波的时间感兴趣，对此傅里叶变换无能为力。小波变换由 于克服了傅里叶变换在频域完全局部化而在时域完全无局部性的缺点，即它在时域和频 域同时具有局部性，因此通过小波变换对谐波信号进行分析可获得所对应的时间信息。 小波变换应用在谐波测量方面尚处于初始阶段。将小波变换和神经网络结合起来对谐波 进行分析，并设计和开发基于小波变换的谐波监测仪将会是非常有意义的工作。 综上所述，带阻滤波法是早期模拟式谐波测量装置的基本原理；基于瞬时无功功率 理论的瞬时空间矢量法可用于谐波的瞬时检测，也可用于无功补偿等谐波治理领域，且 方法简单易行，性能良好，并已趋于完善和成熟，今后仍将占主导地位；基于神经元的 自适应谐波电流检测法和小波分析法，是正在研究的新方法，可以提高谐波测量的实时 性和精度，但实际应用还有待于进一步验证。就目前的电力系统的谐波检测理论，要设 计实现一个实用的电力谐波检测系统，基于傅里叶变换的谐波测量理论仍然具有重要的 地位，并且经过广泛的研究和各种改进措施的提出，己经使得该理论趋于成熟和完美。 早期的可编程逻辑器件由于结构的限制实现时域检测算法较困难。随着大规模的 c p l d 和f p g a 的出现，利用可编程逻辑器件实现f f t 算法已经不再困难。在国内电力 系统中的绝大部分电参数的测量和分析都是用软件实现。但是随着电力工业不断向前发 展以及电力用户对电能质量的要求越来越高，电力系统中需要处理的数据量进一步加 大，对数据的实时性要求也更高。软件实现的方法对c p u 资源的占用日益成为一个突 4 硕士论文 基于f f g a 的可控双调谐滤波器的研究与设计 出的问题，采用f p g a 硬件实现，运算速度快，并行性好，能够满足电力系统谐波检测 等实时性要求较高的场合。已经逐渐开始受到人们的关注。 1 3 2 谐波抑制的发展 谐波抑制的基本措施可以从两方面入手：一是从谐波源出发，减少谐波的产生。电 力电子装置是电力系统中最严重、最突出的谐波源。在广泛应用的各种电力电子装置中， 整流装置所占比例最大。通过多相整流技术、脉宽调制整流技术和有源功率因数校正器 等技术提高整流装置的功率因数，减少整流装置的谐波输出。二是安装滤波装置。滤波 装置可以分为两大类：无源滤波器和有源滤波器 1 0 】。 1 无源滤波器 目前，无源滤波是实际工程中应用最多、效果较好、价格较低，无源滤波器也称为 l c 滤波器，它是由滤波电容器、电抗器和电阻器适当组合而成的滤波装置。无源滤波 器的种类很多，可以分为六种类型，如图1 3 1 所示。 ( a ) ( b ) ( c ) ( d )( e )( f ) ( a ) 单调谐滤波器( b ) 双调谐滤波器( c ) 三调谐滤波器 ( d ) 一阶高通滤波器( e ) 二阶高通滤波器( f ) c 型阻尼滤波器 图1 3 1 各种无源滤波器的电路结构 其中单调谐滤波主要适用于某次谐波的治理。双调谐滤波可以同时吸收两种频率的 谐波。三调谐滤波器可以同时吸收三种频率的谐波，但结构比较复杂，调谐相对较困难， 实际工程中较少应用。高通滤波主要适用于高次谐波的治理，它可与单调谐滤波器配合， 滤除高于该次以上谐波。c 型阻尼滤波器既可抑制低次谐波，又兼具高通滤波性能，同 时有电阻r 的基波有功功率损耗最小的特性，用于电弧炉滤波，对二次谐波特别有效。 无源滤波器在工业应用上已经有相当长的历史。它不但能够起到滤波作用，还可以进行 无功补偿。它设计简单，成本低，但是它的滤波效果依赖于系统阻抗特性，容易受温度 漂移、网络上谐波污染程度、滤波电容老化及非线性负荷变化的影响。 2 有源滤波器 有源滤波器【l l 】是随着电力电子技术、p w m 技术的发展和以三相电路瞬时无功功率 理论为基础的谐波和无功电流检测方法的出现，得到了极大的发展。它的基本思想如图 1 3 2 所示。 5 1 绪论 硕士论文 图1 3 2 有源电力滤波器原理图 谐波源一般为非线性负载，产生谐波电流瓦；有源电力滤波器表现为电流控制电流 源，它的作用是产生和谐波源谐波电流具有相同的幅值、相位相反的补偿电流来达到滤 除谐波的目的，使得流向电网的谐波电流为零。供电系统一般为被保护对象。与无源滤 波器相比，有源滤波器是一种主动型的补偿装置，具有良好的动态性能。 目前有源滤波技术已在日本美国等少数工业发达国家得到应用，有工业装置投入运 行，装置容量最高可达2 0 m v a 。在日本，自1 9 8 1 年以来，已经有5 0 0 多台有源滤波器 投入市场。a b b 公司承建的k o n t i s k a nh v d c 工程跨越k a a e g a t t 海峡联接瑞典和丹麦 电网，位于瑞典一方的l i n d o m e 换流站在世界上第一次采用了有源直流滤波技术。 3 自调谐滤波器 自调谐滤波器【1 2 】是近年来出现的一种新型滤波装置，它可以连续调节电容和电感 ( 通常是调节电感) ，保持滤波器在谐振点附近工作。自调谐滤波器原理如图1 3 3 所示， 其功能的实现依赖于可控电抗器。可控电抗器的工作原理是，在电抗器中有一个铁心， 在铁心上有控制绕组，调节控制绕组中的直流电流影响电抗器中的总磁通，从而改变电 感的电抗值。由电压互感器p t 取得系统电压，由电流互感器c t 从滤波支路取得该支 路电流，分别经由带通滤波器得到需要消除次数的谐波电压和谐波电流，经过鉴相器， 得到该次谐波电压和谐波电流的相位差，将鉴相器输出值作为p i 控制的控制量，控制 可控电抗器的大小，使滤波器处在谐振状态。相对于有源电力滤波器，这种滤波器成 本较低，容易推广。 1 9 9 3 年，a b b 公司成功的将自调谐滤波器( a u t o m a t i c a l l yt u n e da cf i l t e r s 或者 c o n t i n u o u s l yt u n e da cf i l t e r ，c o n t u n e ) 应用于k o n t i s k a n2 ( 丹麦和瑞典之间高压直流 输电系统的简称) 工程中【1 3 】。国内有清华大学、西安交通大学、华中科技大学、南京理 工大学等一些高校在进行这方面的研究，取得了一定的成果。对于自调谐滤波器中的关 键器件可控电抗器的研究在国内还处于初级阶段，研究新的结构形式、采用新材料作为 铁芯都是今后的工作方向。 6 硕士论文 基于f p g a 的可控双调谐滤波器的研究与设计 图1 3 3 自调谐滤波器原理图 电能质量已成为供用电双方共同关注的问题，谐波是电能质量的一个主要方面，作 为谐波抑制装置的滤波器必将得到广泛应用，常规l c 调谐滤波器和新型有源滤波器各 有其优缺点和应用范围，但将有源技术和调谐滤波器相结合而形成的自动连续调谐滤波 器会成为谐波抑制装置的一个重要发展方向。另外由无源滤波器p p f ( p a s s i v ep o w e r f i l t e r ) 和有源滤波器构成的混合滤波系统h p f s m y b r i dp o w e rf i l t e rs y s t e m ) 因具有成本 低和滤波效果好等优点，日益得到人们的重视，也是将来一个重要的发展方向【1 4 1 。 1 4 本文研究的主要内容及主要工作 本文从谐波检测和抑制两个方面出发，针对当前滤波器多采用单调谐滤波器，而双 调谐滤波器在我国的葛南工程和天广工程成功应用，使其日益受到工程界的重视。同时 与单调谐滤波器相比，双调谐滤波器可以同时滤除两个不同频率的谐波外，还有投资少、 经济性好等优点。但为了解决无源滤波器如制造误差、元件老化、环境温度变化等因素 使得元件参数发生偏差，或电网频率由于负荷变化而波动，导致了滤波器失谐的问题， 引入了可控电抗器构成可控双调谐滤波器。根据本滤波器的控制原理对电力系统谐波检 测实时性和测量精度要求较高，研究了一种基于f p g a 的高速度、高精度的谐波检测的 系统的实现方法。其中选用了1 6 位6 通道的高速并行的a d 转换器对信号进行采样和 数模转换。通过对滤波支路检测的谐波电压和谐波电流的相位差对可控电抗器进行调 节，使双调谐滤波器恢复谐振。 论文的主要工作： 1 研究了双调谐滤波器特性和参数的设计。介绍了可控电抗器的原理，测量其参 数，获得其控制性能。并提出了基于f p g a 的可控双调谐滤波器整体设计方案。 2 研究了基于f p g a 的谐波检测的实现，设计了前期信号处理电路，以及在f p g a 内部实现了a d 采样控制状态机、数字锁相环( d p l l ) 、小数分频器、异步f i f o 等模块， 并在m o d e l s i m 中对设计进行验证。 3 分析了f f t 基2 算法和基4 算法的区别。设计了信号处理单元、6 路异步f i f o 信号控制单元。最后对两种信号进行时序仿真，并与m a t l a b 计算的理论值进行了比 7 l 绪论硕士论文 较。 4 分析了元件参数变化和电网频率波动对可控双调谐滤波器的影响。并以整流电 路和直流输电工程为背景在p s c a d 中建立模型，对谐波抑制的效果进行仿真。 硕士论文基于f p g a 的可控双调谐滤波器的研究与设计 2 基于f p g a 的可控双调谐滤波器整体方案的设计 2 1 双调谐滤波器原理 2 1 1 双调谐滤波器的特性 图2 1 1 是双调谐滤波器的结构图，主要是由一个串联谐振回路和一个并联谐振回 路串联组成【1 5 , 1 6 。 图2 1 1 双调谐滤波器结构图 对于电阻r 、电感l 。和电容q 组成的串联谐振回路的阻抗为 乙却( 鸣一剖 仁， 由式( 2 1 1 ) 可得串联谐振回路阻抗特性如图2 1 2 所示。由于串联回路具有单调谐 的性质。串联电路调谐频率q = l 雨。当r e q 时z 1 ( 国) 呈感性。 、 ，| 一。 容叭 感性 | ， 。 7 ) 图2 1 2 串联回路阻抗特性 对于电阻r 2 、电感厶和电容c 2 组成并联谐振回路化简 乙= 而东丽+ 急爱黼 耻， 9 2 基于f p g a 的可控双调谐滤波器整体方案的设计 硕士论文 当恐1 崛，式( 2 1 2 ) 可以化简为 乞2 南+ 篙特 亿， 并联电路发生谐振时的阻抗z 2 的虚部趋于无穷大，则并联谐振频率为 哆1 厨。并联谐振回路阻抗特性如图2 1 3 所示，当c o 哆时，z 2 ( 缈) 呈容性。 i z 2 ) i f 感性 窖拦 0唑埘 图2 1 3 并联回路阻抗特性 两个回路的等值阻抗分别是z 1 和z 2 ，所承受的电压强度分别为 u = 鲁w ( 2 1 4 )1 z ，+ z ， 、 = 鲁v ( 2 1 5 ) 。 z 。+ z 、 、 在基波情况下f 乙l iz 2i ，因而串联谐振回路承受的电压大大高于并联谐振回路的 电压。滤波器的无功功率为两个回路提供无功量之和，由于串联回路中电容器上的电压 比加在并联回路中电容器上的电压大得多，所以无功功率主要由串联回路中的电容器提 供。当两个回路串接的时候，由于两个回路的阻抗特性曲线的交点，又构成了新的频率 阻抗关系，产生了双调谐滤波器的两个新的谐振点，和：，如图2 1 4 所示。 1 0 蜀+ l z ( 功) i 溶性 碗足沪 f 五一国2 1 、2 蜀+鱼(rob2-a靖1)- 图2 1 4 双调谐滤波器的阻抗特性 只有在两个回路谐振点频率嵋和吐相等时，得出的复合阻抗频率特性最好。即 硕士论文基于f p g a 的可控双调谐滤波器的研究与设计 2 q = 踢2 了露耳2 了霉i 但i 回 过去通常是采用近似的公式求取调谐频率，即c o l = c 0 2 = ( c o t , 。+ c o b 2 ) 2 。但这个公式 难以同时准确得到两个要求的谐振频率。尤其是在要求两个谐振频率c o j , 。、c o b ：相差较大 时，这种设计偏差就更大。按照图2 1 1 的电路，可得双调谐滤波器的阻抗 z = 互+ 乙= 墨+ 南+ 歹( 码一面1 + 惫) c 2 乃 当双调谐滤波器发生谐振时，z 的虚部为零。则有 国4 厶q 厶c 2 一国2 ( 厶c l + q 厶+ 厶c 2 ) + 1 = 0 ( 2 1 8 ) 又因为c o , ，、c o h ：分别是双调谐滤波器的两个谐振频率，又根据韦达定理可得 2丽1coj,lco,2 ( 2 _ 9 ) 2 丽 2 _ 功 通常调谐频率l 、嘞2 是已知的，则将式( 2 1 6 ) 代入式( 2 1 9 ) 可得 c o o = c o , 2c 0 25 i c a , 2 ( 2 。l 。1 0 ) 这个关系式是唯一的，应用式( 2 1 1 0 ) 就能够保证魄，、魄：同时满足设计要求。当 考虑蜀、岛时，将式( 2 1 1 0 ) 代入式( 2 1 7 ) ，可得双调谐滤波器在魄，处的阻抗比吨2 处 的阻抗大，具体见图2 1 4 双调谐滤波器阻抗特性。 2 1 2 双调谐滤波器的参数设计方法 滤波装置设计的基本任务是在确定的系统和谐波源的条件下以最少的投资达到母 线电压谐波含有率和注入系统的各次谐波电流符合规定指标，满足无功补偿容量和电压 调整的要求，并保证装置安全可靠和经济运行。在进行滤波装置参数选择前，必须掌握 以下资料： 系统主接线及设备参数( 主变压器的变比，电压不平衡度等等) ； 电网运行参数( 电压、频率的变化，电压不平衡度等等) ； 系统的谐波阻抗特性； 负荷特性( 负荷的性质、大小，谐波阻抗等等) ； 谐波源的特性( 谐波次数、谐波量和波动性能) ； 系统原有的谐波水平； 无功补偿的要求； 要达到的谐波指标； 滤波器主设备( 电容器和电抗器) 的参数误差和过载能力； 1 1 2 基于f p g a 的可控双调谐滤波器整体方案的设计 硕士论文 x 蚧缆、温发明焚化 根据以上设计要求，合理选择滤波元件参数。常用的双调谐滤波器设计方法有直接 参数法和单调谐滤波器等效法 明。 2 1 2 1 直接参数法 在已知无功功率q 、基波角频率卿和滤波器母线电压为u 情况下，常采用直接参 数法。对于双调谐滤波器的参数设计来说，调谐频率( o h l 、：通常是已知的。将式( 2 1 6 ) 代入式( 2 1 8 ) ，可得 筹一筹( 丢+ 2 + = 。 m ， 虿一虿l 百“厂1 _ u u j j u 根据韦达定理可得 磙+ 碗= 西( 乏+ 2 ) 占 2 ， 魄l 钆2 = 西 ( 2 1 1 3 ) 令向= 。绋，如= ：纬，则有 晏：掣一2 ( 2 1 1 4 ) c 2喀 在基波频率咏下，滤波器的基波阻抗为( 忽略电感内阻墨、r 2 ) ： z ( 仆一詈= 弘厶一丽1 + 且1 - a ，r 2 l 2 c 2 仁5 ， 将式( 2 1 1 2 ) 、式( 2 1 1 3 ) 和式( 2 1 1 4 ) 代入式( 2 1 1 5 ) 可得 q = 锵芳 亿6 ，0 1 = i 二上工u ， ( 忽一1 ) 岛坼u 2 、。 根据式( 2 1 6 ) 可得 厶g = 乞c 22 亩 2 1 7 再将式( 2 1 1 6 ) 代入式( 2 1 1 7 ) 得到c 2 、厶、5 2 得计算公式。 c 2 = 揣妥c o 芦- u ( 2 8 ， ( 7 1 1 一) 2 ( 啊红一1 ) 2 、。 1 2 厶= 岛红一1q 砰+ 碍一砰蟛一1 u 2 ( 2 1 1 9 ) 硕士论文基于f p g a 的可控双调谐滤波器的研究与设计 厶= 蒜舞毪南芬 耻。， 这种由已知的外界参数计算双调谐滤波器的g 、c 2 、厶、厶的方法称为直接参数 法 1 8 】。 2 1 2 2 等效法 图2 1 5 单调谐滤坡器等效为双调谐滤波器 由双调谐滤波器串连谐振的回路阻抗特性如图2 1 2 所示，相当于一个单调谐滤波器 的阻抗特性。因此两个并联的单调谐滤波器可以近似等效为一个双调谐滤波器，如图 2 1 5 所示。分析时，忽略单调谐滤波器的电阻r 和吃及双调谐滤波器的电阻墨和足。 设两个并联的单调谐滤波器总阻抗为乏，则有 磊：丝霉掣 亿m 。， 叱+ 赢“鸣+ 高 设双调谐滤波器总阻抗为z o ，则有 乙= 歹卜一击+ 若蠹) 龇2 ， 由于两组单调谐滤波器与双调谐滤波器等效，故而z 。= z n ，整理得 狄乞厶厶c 2 心耐+ 警+ 警吨心 一警一警一警一半蝴蝴汁西0 2 ( l 寺器量c a ( 2 1 2 3 ，ec 6qc l 42 “ ee c 6 一生一生一垒一生一生一丝一丝) 一i 一上一一1 ) ：0 ggc legc l ec 1 c 6 7 、c 口c 6c 口qg q 7 2 基于f p g a 的可控双调谐滤波器整体方案的设计硕士论文 由式( 2 1 2 3 ) 司得 c l = c 口+ g l ：上丛 厶+ 厶 c ：鱼! 曼鱼2 ( 生姜刍z ( 乞乞一厶q ) 厶：! 生曼二刍鱼2 ： ( 2 1 2 4 ) 由于单调谐滤波器设计简单，可以根据两组并联的单调谐滤波器的参数计算出双调 谐滤波器的各个元件的参数如式( 2 1 2 4 ) 所示，这种设计方法称为等效法。 2 1 3 谐波电流放大分析 双调谐滤波器设计并不是孤立的参数选择，它必须与电网结构联系起来进行综合考 虑。一个完整的滤波器设计过程应包括两个方面：一是滤波器参数的设计，它是根据电 网结构的要求提出的；二是要根据输电系统容量，确定滤波器提供无功的大小。应该注 意，初步设计后的双调谐滤波器参数要并入系统网络，进行系统分析，检查新的网络中 是否会出现谐振现象，如果有，需对参数进行小的修改，以避开系统谐振点。 在工频频率下，双调谐滤波器电容器的容抗比系统的感抗大得多，不会产生谐振。 但对谐波频率而言，系统感抗大大增加而容抗大大减小，就可能产生并联谐振或串联谐 振。这种谐振使谐波电流放大几倍甚至数十倍，造成并联电容补偿装置中的电容器异常 发热，并使电容器的局部放电性能下降，加速绝缘介质的老化，经过一段时间积累，促 使电容器和串联电抗器的损坏。同时使系统谐波含量升高，影响电网的安全经济运行。 1 4 质 ( 、r )r 乃噶 ： f l 。一 ( a ) 供电系统简化电路图( b ) 等效电路图 图2 1 6 并联谐振示意图 图2 ：1 6 ( a ) 为并联谐振的供电电网简化电路图，( b ) 为其等效电路图，图中谐波源l 为 硕士论文 基于f p g a 的可控双调谐滤波器的研究与设计 恒流源，厶等值电抗，系统基波角频率为c o p ，其中q ，c 2 ，厶，厶分别为双调谐滤波 器支路的电感和电容，为方便分析，不考虑滤波器支路元件电阻。 系统等效回路对h 次谐波的阻抗为忍 磊= h 姊厶 ( 2 1 2 5 ) 双调谐滤波器支路的h 次谐波阻抗为z ， z ，= ii 石+ 可丽h c o r l 丽2 叫6 ， 设谐波源电流为厶时，流入电网系统的谐波电流为 s h 和流入双调谐滤波器支路的谐波 电流j 捕可分别表示为 。= 南- i - 叫7 ， o = 一 l 二1 二，j i h、8 益l h = 南1 亿地8 ) 七8 其中变量= iz ，i iz , i ，由此可得出气厶和厶随变化的陆线如图2 1 7 所示。 图2 1 7 s , s , 和l , l s , 随变化的曲线 在谐波源厶作用下，在不同参数配合时流入系统和双调谐滤波器支路的谐波电流 i 血 ih 秘i f i l i h 值觅表2 1 1 o 1 5 2 基于f p g a 的可控双调谐滤波器整体方案的设计硕士论文 表2 1 1 流入系统和滤波器支路的谐波电流 变量区间 谐波电流状态流入系统的谐波电流入滤波器支路的谐波 ( p = z f z , 1流i 。| i ， 电流i 。 i 。 2 系统谐波电流轻度 1 20 1 放大 2 1 严重放大。大于2 大于1 - 1 o 5严重放大大于1大于2 0 5 o 滤波支路谐波电流 l o2 1 轻度放大 0 l 滤波器支路使谐波o o 5 l o 5 分流 l + o 。 滤波器支路基本上0 5 lo 5 o 不起作用 有 设吃是滤波支路阻抗与系统阻抗发生并联谐振的谐波频率次数，则并联谐振发生时 可以求出 吃4 绋4 ( c 1 厶c 2 厶+ c l c 2 厶岛) 一吃2 c o e 2 ( c l 厶+ c 2 厶+ g 厶+ g l s ) + i = 0 ( 2 1 2 9 ) ， 1 吃。一 ( o f ( 2 1 3 0 ) 其中a = g 厶c 2 5 2 + c l 巴厶岛，b = 一( q 厶+ c 2 5 2 + c l 厶- i - g 厶) 。 投入滤波支路时，若系统中存在吃次的谐波电流分量，将会发生对该次谐波电流的 并联谐振，使系统中该次谐波电流严重放大，造成更大的谐波污染。因此在设计和调整 滤波支路参数时应分析系统中的谐波情况和系统参数，设计出合理的滤波器参数。 2 2 可控电抗器简介 2 2 1 双调谐滤波器的失谐问题改进 电力系统在实际运行时，由于电容器和电感线圈的参数会因为周围的温度的变化、 自身发热和电容器绝缘老化等影响发生变化，而且电网的实际运行频率不会总是稳定在 额定值5 0 h z 。从而使得实际参数和相应的谐振频率偏移设计值，导致滤波器失谐。主 要是因为l c 调谐滤波器缺乏在线调控功能，对电网参数和滤波器自身元件参数的变化 不具备跟踪调节能力，这些导致滤波器的滤波性能大打折扣，因此需要对调谐滤波器进 行改造，克服它的缺点，进一步改善滤波器的滤波效果。 针对固定参数交流调谐滤波器的缺点，国内外许多文献 1 9 瑚】提出了能够自动跟踪参 数变换的可控调谐滤波器，其自动调谐功能主要基于可调电容和电感的实现。相对而言， 1 6 碗i 论文 基于f p g a 的日控a 调谐担渡g 的研究与设* 电容器的电容量对环境温度较为敏感，而电感量可调的电抗器更易实现。本文利用一种 连续可调电抗器与滤波电容构成双调谐滤波器，在合理的控制系统的作用下使滤波器连 续工作于最佳调谐状态。 2 2 2 可控电抗器及其特性 本设计中使用的是北京能舆科技发展有限公司专门定做的的可控电抗器。首先对可 控电抗器伏安特性以及其控制特性进行分析。在设计双调谐滤波器时，可控电抗器可取 代固定电感或部分电感。可控电抗器横型实物图如图2 2i 所示。 ( 曲正面( b ) 反动 图2 2l 可控电抗器模型实物闺 实验所用的裂芯式可控电抗器的技术参数为： i 电抗器额定电压：4 0 v 2 电抗器额定电流：1 0 a 3 电抗器工作频率：5 0 h z 4 控制电路工作电压：2 2 0 v ；5 0 h z 5 控制电路工作电流：小于o6 a 6 直流激磁电流：o 15 a ，连续可调并具有稳流特性。 7 装置工作环境：宣内：无导电尘埃；环境温度小于3 5 度。 它的控制原理是采用一种具有一定高度的环型铁心，沿环型内外有直流控制绕组， 沿环型铁心的外围绕有与直流绕组正交的交流主绕组构成电抗器。通过控制直流绕组中 直流电流的大小可以改变交流绕组的等值磁导率，由于交直流磁通正交，交流绕组无磁 通饱和的现象，因此不会产生谐波。 首先通过实验对可控电抗器的特性进行分析，改变可控电抗器的