（电路与系统专业论文）基于瞬时无功功率理论的谐波检测在dsp上的研究与实现.pdf

硕士论文 摘要 随着电力系统中大功率干扰性负荷迅速增加，电力电子器件等非线性负载广泛应 用，谐波对电网的影响和危害日益严重，若不加以控制，会严重影响整个电网安全、经 济的运行。谐波测量是谐波问题研究的主要方面，实时、准确地检测电网中的谐波含 量，确切掌握电网中谐波的实际状况，对于防止谐波的危害，保障电网安全运行是十 分必要的。 本文以三相三线制对称电路作为研究对象，以瞬时无功功率理论为基础，采用先 进的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 d s p 处理芯片为硬件核心。深入研究瞬时无功功率理论中的f 。一检 测方法，在i a t l a b 中建立仿真模型，针对d s p 芯片的工作特性修正系统各项参数； 在c c s 软件环境中进行软件设计和调试；最终实现具体的试验电路。 研究中采用的检测方法具有计算量小，精度高，速度快的特点实验结果证明， 该系统能实时、准确、可靠地检测出电网谐波总量。 本设计为有源电力滤波器等谐波治理和分析装置提供了行之有效的快速检测方 法，可以更好的进行谐波电流补偿，保证电网高质量运行。 关键词：谐波电流，瞬时无功功率理论，d s p ，数字滤波器 a b s t r a c t 硕士论文 a b s t r a c t 1 1 砖a f f e c t i o na n dh a r mt oe l e c t r i cn e t w o r k sf r o mh a r m o n i ca r ei n c r e a s i n g l ys e r i o u s a l o n gw i t hm o r ea p p l i c a t i o no fn o n - l i n e rl o a d s ，s u c ha sh i g h - p o w e rd i s t u r b i n gl o a d si n p o w e rs y s t e ma n dp o w e rd e e t r o n i ce q u i p m e n ti f c a n tc o n t r o lh a r m o n i c ，w h i c hw i l la f f e c t t h ew h o l ee l e c t r i cn e t w o r k sr u n n i n gs a f ea n de c o n o m i c a l l y h a r m o n i cm e a s u r i n gi st h e m a i na s p e c ti nh a r m o n i cp r o b l e m sr e s e a r c h rw i l lb ev e r yn e c e s s a r yt op r e v e n tt h e h a r m o n i cb a n ea n dt oa s s u r es a f er u n n i n go fp o w e rs y s t e mw i 血d e t e c t i n ga c c u r a t e h a r m o n i cc o n t e n tr e a lt i m ea n d 扛u e p r e d o m i n a t i n gh a r m o n i cp r a c t i c es t a t u sf i r m l y i nt h ep a p e r , t a k et h et h r e e - p h a s et h r e e - w i r es y m m e t r i c a lc i r c u i t sa sr e s e a r c ho b j e c t , t a k et 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 ya sa c a d e m i cb a s i c ，u s e dt h ea d v a n c e dd s p p r o c e s sc h i p t m s 3 2 0 f 2 8 1 2a sh a l d w a r ec o r e s t u d i e d f p 一m o a s u r e m c l l t i n 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 yd e e p l y , e s t a b l i s h e de m u l a t i o nm o d e li nm a t l a b ， m o d i f i e ds o m ep a r a m e t e r si ns y s t e mc o n t r a p o s e dw i t hd s p sw o r kc h a r a c t e r i s t i c ；d e s i g n e d a n dd e b u g g e dt h es o f t w a r ei nc c s ；砒l a s t ，a c h i e v et h em a t e r i a lc i r c u i t t h ed e t e c t n e a s u r e m e n th a v et h es p e c i a l t yo f at i t t l ea c o t m t m e n t 、h i g hp r e s i s i o na n d h i g hs p e e di nt h ei n v e r s t i g a t i o 几t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h es y s t e mc a nm e a s u r e h a r m o n i ct o t a lc o n t e n ti ne l e c t r i cn e t w o r k sr e a lt i m e 、n 佻a n dr e l i a b l y t h ed e s i g ns u p p l i e saf a s ta n de f f e c t i v ed e t e c t i n gm e t h o df o rh a r m o n i cf a t h e ra n d a n a l y z e se q u i p m e n t s ，s u c ha sa c t i v ep o w e rf i l t e r i tc a nh e l pt oc o m p e n s a t ec u r r e n tb e t t e r a n da s s u r et h ee l e c t r i cn e t w o r kw o r kh i g hq u a l i t y k e y w o r d s ：h a r m o n i cc u i t e l l t ，t a n e o u sr e a c t i v ep o w e rt h e o r y ，d s p ，d i g i t a lf i l t e r i l i 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：顾寻色闻 2 卯f 年z 月扣日 学位论文使用授权声朗 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：顽拘雨 二卯年f 月? 一日 南京理工大学硕士学位论文摹于瞬时无功功摩理论的谐波输刑存d s pj - 的研究与实现 1 1 课题研究的背景和意义 第1 章绪论 从二十世纪六七十年代以来，由于电力系统中大功率干扰性负荷迅速增加，家用 电器和电力电子技术等非线性负载广泛应用，产生的谐波对电网影响与危害日益严 重。市场竞争和充分过限利用电工材料，导致电工设备日益倾向于采用在其磁化曲线 临界情况甚至饱和区段下工作，以使这些设备的励磁电流波形严重畸变，这些畸变成 份是电力系统中谐波产生的根源。谐波对电力系统的污染日趋严重，并且危及广大电 力用户，由谐波引起的各种故障和事故不断发生，对国民经济和生产、生活造成了不 必要的损失，因此对谐波进行实时、准确、简单的检测，对谐波进行治理，对改善供 电质量和确保电力系统安全经济运行有着非常积极的意义 谐波对电力系统电磁环境的污染不仅危害电力系统本身，而且在生活的各个方面 危害着广大的电力用户【l 】，主要表现在下列这些方面： ( i ) 消耗无功，增加附加损耗，增加设备的升温。由于集肤效应的存在，尽管谐 波电流占总电流的比例很小，也会增加设备的附加损耗，这些损耗不仅增加电力系统 的损耗，还使设备温升增加，加速设备老化。 ( 2 ) 引起设备过载，恶化绝缘条件，缩短设备寿命。 ( 3 ) 降低负载工作性能。如谐波电流和电机旋转磁场的相互作用产生的脉动转 矩会使电机发生机械振动，这种振动会损坏电机设备，甚至危及人身安全。 ( 4 ) 无功补偿电容器组引起谐波电流的放大，甚至造成谐振。无功补偿电容器 与电力系统中的电感构成了局部电感、电容回路，有时这些组合会对某次的谐波电流 起到放大的作用，加剧谐波的危害，甚至会引起过电流和过电压 ( 5 ) 对继电保护、自动控制装置和计算机产生干扰和造成误动作。因为保护和 控制设备通常是为所加电压和电流为工频和正弦波形而设计的，所以谐波的存在会影 响它们的工作特性，严重时引起误动作。对计算机的干扰严重时使其无法正常工作。 ( 6 ) 影响测量仪器的精度，造成电能计量误差电力测量仪表般是按照工频 正弦波而设计的，当有谐波时将产生误差。 ( 7 ) 对邻近的通信系统产生干扰，轻则产生噪声，降低通信质量，严重的将导 致信息丢失，使通信系统无法正常工作。 由此可见，谐波研究和治理是摆在我国电力工作者面前的一个重要任务。目前， 电力系统的谐波问题在世界范围内已经引起十分广泛的关注，谐波的管理、分析和治 理被摆到十分重要的位置。谐波阿题涉及面广，它包括谐波分析、谐波检测，谐波抑 制等。谐波检测是谐波问题处理的主要依据，实时地检测电网谐波的干扰和分布状况， l 绪论 硕士论文 已成为保证电网安全经济运行、高质量供电必不可少的措施之一，而谐波数据的实时 获得必需借助于有效的检测方法和检测设备。 谐波问题研究具有重要意义，因为谐波给电力系统、用电设备、通讯领域等方面 带来了严重的影响。有效地消除谐波带来的不良影响，使谐波的危害最大限度的减小， 是目前电力系统急于解决的问题，而解决这个问题的关键在于精确地确定谐波的成 分有效治理谐波是我们进行谐波检测的目的所在。 另外，由于现代工业、商业及居民用户的用电设备对电网供电质量的要求越来越 高，因此，对谐波抑制和谐波补偿装置研究是一个热点有源电力滤波器( a p f ) 等 谐波检测装置如何补偿必须以谐波检测的结果为先导。 电能质量将直接影响到国民经济的总体效益。对于我国来说，实时、准确地对谐 波进行检测，从而有效地对谐波污染进行治理已成为国内外电工领域迫切需要解决的 重要课题之一1 2 - 3 1 。 1 2 目前国内外研究动态及存在问题 1 9 世纪末，当交流电以一种新兴的动力形式出现时，人们就发现了电压、电流 的波形畸变问题，并同时对波形畸变的原理和消除方法进行研究。电力系统的谐波问 题在2 0 世纪2 0 年代和3 0 年代就引起了人们的注意。当时在德国，由于使用静止汞 弧交流器而造成了电压、电流波形的畸变。1 9 4 5 年j c r e a d 发表的有关变流器谐波 的论文是早期有关谐波问题研究的经典论文 到2 0 世纪5 0 年代和6 0 年代，由于高压直流输电技术的发展，发表了有关变流 器引起电力系统谐波问题的大量论文7 0 年代以来，由于电力电子技术的飞速发展， 各种电力电子装置在电力系统、商业、交通及家庭中的应用日益广泛，谐波所造成的 危害也日趋严重。世界各国都对谐波问题予以充分的关注。国际上召开了多次有关谐 波问题的学术会议，不少国家和国际学术组织都制定了限制电力系统谐波和用电设备 谐波的标准和规定 3 1 。 电力谐波的研究，已经超过了电力系统的范畴，渗透到了电工理论、电力电子学、 数字信号处理、计算技术、系统仿真、控制理论与控制技术等其它学术领域，并已形 成特有的理论体系、分析研究方法、控制与治理技术、检测方法与技术、限制标准与 管理制度。从1 9 8 4 年开始，每两年召开一次的电力系统国际谐波会议( i c l i p s ) 为这 个领域的国际交流提供了直接的渠道，推动着谐波研究工作的深入开展 我国对谐波问题的研究起步较晚吴竞昌、夏道止、唐统一、容健纲等人相继发 表了一些有关谐波问题的著作，在国内有较大的影响。最早的谐波电流检测方法是采 用模拟滤波器来实现，这种方法可以检测出各次谐波的含量、原理简单。但装置结构 复杂、元件多，测量精度受元件参数、环境变化影响大，并且无自适应能力。 2 南京理工丈学硕士学位论文基于瞬时无功功宰理论的谐波枪测在d s p 上的研究与实观 随着计算机和微电子技术的发展，开始采用傅立叶变换的方法来检测谐波和无功 电流。这种方法根据采集到的一个电源周期的电流值进行计算，最终得出所需的谐波 和无功电流，它可以精确的分析和检铡整数次谐波，目前应用比较广泛，技术也较成 熟。但由于傅立叶变换要进行两次变换，计算量大，所以检测时间较长，检测结果的 实时性较差睁5 1 。 目前比较流行的是基于瞬时无功功率理论的检测方法。三相电路瞬时无功功率理 论首先于1 9 8 3 年由日本学者赤木泰文提出，此后该理论经不断研究逐渐完善。该理 论使电力有源滤波理论从实验室的理论研究走向工业应用，解决了谐波和无功功率的 瞬时检测及补偿等问题，对治理谐波和研发无功补偿装置起到了很大的推动作用。在 仅检测无功电流时，可以无延时的得出检测结果。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，但是延时时间相比较以前的 方法要短得多1 5 】。由此可见该方法有很好的实时性，本课题中将选用这种检测方法。 后来又提出基于人工神经网络的谐波检测方法。该方法的自适应能力较强、计算 量小、检测精度高、实时性好、抗干扰性好，但其在电力系统的应用还处于初级阶段， 研究和应用时间短，实现技术尚需完善，将其应用于工程实际还有很多问题，如需要 大量的训练样本、没有如何确定需要的样本数的规范方法等。因此目前在工程应用中 还未优先选用坤j 如今利用小波分析方法进行的谐波检测也处于研究中，小波分析克服了傅立叶变 换在频域完全局部化而在时域完全无局部性的缺点。小波变换应用于谐波测量的方法 还处于初始阶段，把小波变换和神经网络结合起来对谐波进行分析将会值得研究【7 1 。 虽然我国的电力工业取得了迅猛的发展，但是我国对谐波检测装置的研究尚处于 起步阶段，自行研制开发的高质量电力系统自动化检测装置还很少。目前大多谐波的 检测装置是采用单片机来实现的，尽管其构成简单，实现方便、价格也较低廉，但是 它也存在处理功能差，可扩展存储空间小、运算速度较慢，难以运用精确严格的算法 进行大量的实时数据处理等不足。 本文中选用t 髑3 2 0 f 2 8 1 2d s p 芯片作为整个谐波电流检测系统的c p u ，完成采样、 数据处理、对外接口、通信等一系列工作使系统结构简练，降低了系统软、硬件的开 发成本；降低了调试难度，缩短了开发周期；还大大降低系统功耗，提高了性价比。 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 是t i 公司2 0 0 2 年新推出的一种应用于控制领域的定点d s p 芯片，具有 低功耗、低成本、高性能的处理能力等优点( 详见第三章) 更重要的是，t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 片上嵌入了1 2 位的a d 转换器，既有较高的转换精度，又降低了系统开发成本。此 外，芯片上丰富的外设也大大方便了系统开发，降低外部电路设计难度。 3 硕士论文 1 3 谐波电流主要指标和国家电能质量标准 谐波主要由谐波电流源产生：当正弦基波电压篪加于非线性设备时，设备吸收的 电流与施加的电压波形不同，电流因而发生了畸变，由于负荷与电网相连，故谐波电 流注入到电网中，这些设备就成了电力系统的谐波源。电力系统中的谐波是指频率为 基波频率整数倍的正弦波。由于电力谐波产生和传播的机理不同于基波，因此它对电 力中各类设备和组件也起到不同于基波的作用【3 l 。 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口明： ( 1 ) 第h 次谐波电流含有率h m h r 觑氓= 等1 0 0 ( ) ( 1 3 1 ) 1 式中：j 。第h 次谐波电流； 厶基波电流( 方均根值) ( 2 ) 谐波电流含量，。 f 一 = 1 ( 厶) 2 ( 1 3 2 ) yh = 2 ( 3 ) 电流总谐波畸变率t h d l r t h d j = 二兰l o o ( ) ( 1 3 3 ) l ( 4 ) 注入p c c ( 谐波畸变的测试点) 的谐波电流限值l c 厶= 挚k ( 1 3 4 ) d k 2 式中：s 。p c c 点的最小短路容量( m v a ) ； 瓯，基准短路容量( m v a ) ； j 。第h 次谐波电流允许值； 厶短路容量s 。时的第h 次谐波电流允许值。 大功率的非线性、冲击性和不对称性负载接入电网，使电能质量下降，严重地影 响电力系统的安全、高效运行和人民的生活质量。为了保护供用电双方的利益，必须 将电能质量指标限制在一定的范围之内为此，国际电工委员会( i e c ) 、国际大电网 会议( c i g r e ) 、国际供电会议( c i r e d ) 及美国电气和电子工程师学会( i e e e ) 等国 际性学术组织，都相继成立了专门的电力系统谐波工作组，制定了限制电力系统谐波 的相关标准。 我国谐波标准g b t 1 4 5 4 9 - 9 3 电能质量一公用电网谐波是在总结执行d s l 2 6 8 4 4 南京理工大学硕士学位论文基于瞬时无功功牢理论的谐波检耐在d s p 上的研究与实现 t 电力系统谐波管理暂行规定的经验，结合国情，吸取国外谐波标准研究成果的基 础上提出的。本标准适用于交流额定频率为5 0 h z 、标称电压l l o k v 及以下的公用电 网，不适用于暂态现象和短时间电流电网公共接点的全部用户向该电注入的谐波电 流分量( 方均根值) 不应超过表i 3 ，i 中规定值【9 1 。 麦1 3 1 注入公共连接点的谐波电流允许值 标准 基准短路谐波次效及电流允许值a 电压容量 2345678 91 0l l k vm y a 0 3 81 07 86 23 96 22 64 41 92 11 6 2 8 6i 0 04 33 42 13 41 42 41 11 l8 51 6 1 01 0 02 62 01 32 08 51 56 46 85 19 3 3 52 5 01 51 27 71 25 18 83 84 13 15 6 6 65 0 01 61 38 11 35 49 34 14 33 35 9 1 1 07 5 0 1 2 9 ，6 6 09 6 4 06 ，83 03 22 44 3 续表i 3 i 谐波次数及电流允许值a 1 21 31 41 51 6 1 7 1 8 1 9 2 02 12 22 32 42 5 1 3 2 4 1 11 2 9 71 88 61 6 7 88 97 11 46 51 2 7 1 1 3 6 16 8 5 ，31 04 79 o4 34 9 3 97 43 66 8 4 37 93 74 13 ，26 o2 85 42 62 92 34 52 14 1 2 64 72 22 51 93 61 - 73 21 5l81 42 71 32 5 2 75 o2 32 6 2 0 3 81 83 41 61 91 52 81 42 6 2 o3 71 71 91 52 81 32 51 21 41 12 11 01 - 9 注：2 2 0 k v 短路容量取2 0 0 0 m v a 。 1 4 本文研究的主要内容及主要工作 本文以三相三线制电网中谐波电流为研究对象提出一种新的研究方案：在兼顾实 时性、精确性和可靠性的原则下，综合考虑软件实现的方便性和硬件实现的实时性， 以一定的硬件电路为基础，利用软件的编程来提高整个系统电流检测的实时性、精确 性和可靠性等性能在这种思想的指导下，本文采用d s p 芯片研究设计了一种快速、 准确的谐波检测系统 谐波检测中一个重要方面是选择合适的检测算法，实时、准确、可靠地测量谐波 电流。通过对频域和时域内各种检测方法的分析和比较，本文选择了瞬时无功功率理 5 绪论 硕士论文 论中的f 。一屯检测法。瞬时无功功率理论是设计的理论核心。文中在深入分析研究瞬 时无功功率理论的基础上，对f ，一检测法加以改进，在m a b l a b 中进行建模仿真， 并通过电压过零采集电流的方法，在准确复位正弦表的同时快速启动系统。 本设计中采用t i 公司最新研制开发的，主要应用于控制领域的高速定点3 2 位数 字信号处理芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 作为硬件处理器。与采用单片机等实现方式相比较，运 算速度提高一个数量级左右，有较强的计算能力，可以完成一些复杂算法，且能快速 响应这种基于d s p 进行系统实现的方式将成为电力系统发展的趋势。 本课题的主要研究内容： ( 1 ) 研究和分析当前电力系统的谐波问题，明确本文研究方向和研究内容。 ( 2 ) 研究现有各种谐波电流检测算法，分析他们的优缺点。在此基础上，对瞬 时无功功率理论中的f 。一检测法进一步研究改进 ( 3 ) 在m a t l a b 中建立谐波检测系统数学模型，进行动态仿真，记录、观察仿真 结果，分析滤波器各项参数设置对检测效果的影响，总结整个系统参数要求 和性能特征。 ( 4 ) 根据系统的性能要求和t 碰s 3 2 0 f 2 8 1 2 的工作特性，完成各外部硬件电路设 计、调试等一系列工作。 ( 5 ) 充分掌握系统功能特点和谐波电流检测方法，将理论算法在d s p 芯片内利 用不同的软件模块进行实现，完成电流信号采集，正弦表复位信号采集、滤 波和各种变换等工作，最终实时、准确的完成谐波电流检测任务。 ( 6 ) 利用三相整流桥和电阻性负载，建立谐波发生电路。运用设计的检测系统 实际地进行谐波电流检测，检查试验方案软硬件配合的工作情况，检测系统 的实时性、精确性和可靠性。 6 南京理r 大学硕士学位论文摹于瞬对无功功率理论的谐波检测在d s p 上的研究与实现 2 1 概述 第2 章瞬时谐波电流的检测 选择正确的检测点，实时、精确地检测出电网中瞬时变化的谐波电流是提高电网 中谐波电流补偿精度的关键问题。谐波电流的检测方法可分为频域和时域两大类，基 于频域的检测方法主要有模拟滤波器检测法和快速傅立叶变换法等，它们可以检测出 谐波的各次分量，技术较成熟，但精确性、实时性有所不足 为了克服频域检测方法的不足，本文应用时域检测方法中的瞬时无功功率理论进 行谐波电流检测。重点研究采用瞬时无功功率理论进行谐波检测和处理，检测的速度 和精度与数据处理的时间和负载的变化率有关，本文采用d s p 作为信号处理器可将检 测速度进一步提高，减少误差。近年来，基于人工神经网络的谐波检测技术、基于小 波分析的谐波检测技术等新型检测技术处于研究和发展之中，但这些方法研究和应用 时间短，实现技术尚未完善，需要进一步的探讨和验证阴。 本文以瞬时无功功率理论为理论基础，兼顾实时性、精确性、可靠性的原则，综 合考虑软件设计的方便性和硬件实现的实时性，将硬件电路和软件程序相结合，提高 系统的整体性能 2 1 1 模拟滤波器 最早的谐波检测方法是采用模拟滤波器来实现的。输入信号经放大后送入组带 通滤波器，滤波器的中心频率z 、石、六是固定的，为工频的整数倍，且石 五 _ 例 ； 翥 f1 0 0 o d e l s s ( a ) c 3 2 在s i m i j l i n k 中的实现图 南京理工大学硕士学位论文摹于瞬时无功功率理论的谐波检测在d s p 上的研究与实现 滔髓耥主蔷幽；篮二二；。二；螽盈蕊5 翁 堕e 雄竖w 窘帆姗f o j 瞅o 嘛馋如 di 圆岛国 茹黾爨loq l - g 丝i k n咎 一 a ，l翘 h l a 一 基 1 2 t 鼻p 。o 卜 6 。 爿卫j h h 蔓 f ! 1 0 0 11 0 d e l 岛 ( b ) c 在s i e u l i n k 中的实现图 图2 3 6 、c 在s i e u l i n k 中的实现图 首先看采用h p f 时的检测情况。 t p f 可以是s i m u l i n k 中提供的各种模拟商通滤 波器，本文选用b u t t e r w o r t hh p f ，阶数n 是2 阶，截止频率z 为8 0 h z 。s i n 和c o s 信号均由s i n ew a v e 模块产生。最后将各部分单元电路定义成相应的子系统模块进行 综合，形成具体的仿真电路，如图2 3 7 所示。 海。j 0 ：。一；。二一。主嘉乏磊主二。基篓嘉；盔蓉二二蠢i i i i 磊；i 鼬津i 脚翱“幽晒m a c 工。如脚 d 窖嗣昼：姜嘞媳 盆2hg | l a n , - 1出移豳嘀奇。 固 型喝匕 私m m 一厨啦耐埔 c 1 销c p 瞄i3 撼 n ：k ：”= | ：| _ 和茹茹岫广 h- l叫：。蚓：- l # = 1 自蛔舶 7 j 了例 掸 j 嫩 隰 蜘i i i w , i i ， 二矧；吧。 除 呈 q 1 - ， _ 。； i 羔j 勋础 l 慨,me45 圈2 3 7 采用l 艚是一检测法的仿真模塑 瞬时谐波电流的检测 用s i m u l i n k 中的 所示。 图2 3 8 采用n = 2 ，工= 8 0 f t z 的呼f 时的a 相谐波电流 + 将h p f 换成l p f ，参数的设置不变，阶数n 是2 阶，截止频率z 为8 0 h z ，仿真 模型如图2 3 9 所示。 辫蒋蛾槲缈螂罐女母# 嘴镌螂鄹嘲一秽嚣鬻鳟擘胖甥群瓣黔卿缓姆誊黪磷嚣雄帮臀嚣哪獬蝴警删缪甏铲孵黝黜掣婶4 7 弓 r 妒# lr 船鹾嚣麟幽懿瀣懿鳓蕊趟燧舞懋戮辫苏鹫糍熬臻舞缝戮越辘整麓靛舞赣糍趁餐虢鲻憋躺躺鹾渔篷婺嚣爨篮麓夔髅l 辨卦笪r 卅 脚髀螂翱“自陋嘣二。瞄柳 d 苗嗣唇；趣枣1 盆立：- 一1 。固审塑；奢淘每每 。 嗣广_：昕匍b = 正l l l 幽 一n 舛辆w 计_ n ： 目| 鲡，一 妒 。 - k ! 网司i r 雠茹帅r靶 - i p兰九 7 ty i 侮 c 附1 i 一 坚- n ： l 一 l：| - t u 7 弋， - o r7 l = 一 潋 疥_ 1 i l 瑚 _ 。一，。，。一。，。，。一。， ，! 蚓 r e a “l 粥o d e l 铅 图2 3 - 9 采用l p f 是f p 一检测法的仿真模型 这时检测出的a 相基波电流和谐波电流乙的波形分别如图2 3 1 0 的( 8 ) 、( b ) 所示。对比图2 3 8 和图2 3 1 0 的( b ) 中两个谐波信号的波形，发现采用l p f 的检 测效果比用h p f 的检测效果好，因此在本文中将采用l p f 设计谐波电流检测过程。 对l p f 的各项参数设置进行详细探讨，以选择出最佳的滤波器设计。采用阶数1 3 是2 阶，截止频率为8 0 h z 的l p f 时，从图2 3 1 0 ( b ) 中可以看出波形在大约在 0 0 2 s ，即1 个周期后趋向于稳定，但是稳定后的波形却有一定的失真，检测的精度较 低这是因为兀取得太大，有一些靠近正的低次谐波没有被滤除，所以应该减小工 1 6 南京理工大学硕士学位论文 基予瞬时无功功率理论的谐波检测在d s p 上鲍研究与实现 ( 4 ) 基波电流 ( b ) 谐波电流 图2 3 1 0 采用n = 2 ，正= 8 0 i i z 的l p f 时的基波和谐波电流 当取工为l o h z ，滤波器的阶数不变时，基波电流0 和谐波电流k 的波形分别如 图2 3 1 1 的( a ) 、( b ) 所示，波形大约在3 个周期后才趋于稳定，说明正取得太小 时，波形的动态响应过程比较慢。 ( a ) 基波电流 ( b ) 谐波电流 图2 。3 1 1 采用n - - - 2 ，正= l o l t z 的l p f 时的基波和谐波电流 若取正为3 0 h z ，滤波器的阶数不变，检测出基波电流0 和谐波电流k 的波形分 别如图2 3 1 2 的( a ) 、( b ) 所示。这时，波形在1 个半周期的地方趋于稳定，且稳定 后的波形没有失真由此可知正为3 0 h z 时动态响应的速度适中，检测精度也较高。 ( 叠) 基波电流( b ) 谐波电流 图2 3 1 2 采用n - - 2 ，工= 3 0 舷的u 甲时的基波和谐波电流 1 7 瞬时谐波电流的榆铡 硕士论文 以上的仿真波形说明，l p f 的截止频率正对谐波电流检测效果有很大的影响。电 网工频为5 0 h z ，要检测的谐波信号是除去5 0 h z 基波电流之后的电流信号，故滤波器 的截止频率正应选择在5 0 h z 左右。通过仿真分析，当正远大于5 0 h z 时，波形较快 的稳定下来，但是波形失真太大，降低了检测精度；当正远小于5 0 h z 时，检测精度 有所提高，可是响应速度明显比较慢。所以实际应用时，以的选择要结合实际要求 全面考虑本文中根据实际电网的频率，结合仿真结果分析，得出选择疋为6 0 h z 时， 既有足够的通带宽度滤出电流基波信号，也能保证检测精度。通过在s i m u l i n k 中的 仿真运行，既论证了f 。一检测法的正确性，也对运算过程中各部分的参数进行了分 析，便于设计中参数的选择。 2 4 谐波电流检测方法的发展 随着非线性负荷的增加，电网谐波情况日益复杂，电力系统谐波的检测要求也越 来越耐，因此谐波检测方法必须有新的发展 首先，由于谐波检测对象的多变性、快速性和复杂性，谐波检测的算法会向多功 能化，智能化发展，精确的分析和处理信号，稳定跟踪暂态信号。 其次，谐波检测要向高精度、高速度和实时的方向发展，硬件电路的实现由模拟 电路技术向可编程数字电路技术转化，特别是在精度和速度上很具优势的d s p 技术， 它将成为谐波检测的主流技术。并且可将谐波检测和分析、控制相结合，形成一体化、 集成化系统 最后，完善现有的谐波检测理论体系，关注不同次谐波之间的畸变问题和非稳态 谐波问题，建立通用谐波理论和谐波检测和评定方法，解决电力系统谐波问题的客观 需求。 2 5 本章小结 本章首先分析了现有的几种瞬时谐波电流检测方法，并就基于模拟滤波器和快速 傅立叶变换两种检测方法的工作原理和各自的优缺点加以阐述和比较。然后重点分析 了瞬时无功功率理论，引入了该理论中各个变量的定义，详细阐述了p 一口检测和 f 。一检测两种方法的工作原理和过程，并给出了原理框图，比较两者的适用场合， 加以选择。在此基础上通过模拟三相三线对称电路中的谐波电流检测，在m a t l a b 中 对f 。一l 检测法进行了仿真，论证了该方法的正确性，并通过调试电路参数，选择了 最佳设计方案。 i s 南京理工大学硕士学位论文 摹于瞬时无功功卑理论的谐渡检测在d s p 上的研究与实现 第3 章d s p 芯片及外围控制电路的实现 3 i 谐波电流检测电路硬件系统结构图 本文主要针对三相三线对称电路的谐波电流进行捡测，有如图3 ll 所示的硬件 系统结构图。 a 图3 1 1 谐波电流检测电路硬件系统结构图 由于是三相三线制对称电路，所以三相电流信号o 、之和为零，这样同时只 需其中的两项电流值就可以计算出另一相的电流值，故图3 1 1 中只对两相电流信号 f 。、毛进行了检测，利用它们计算出的值。如果三相电路不对称，则需同时检测三 相电流信号的值。 图3 1 1 中a 相电压信号吒经过过零比较器和锁相环，得到一个与p 。同相位的 方波信号送入t i l s 3 2 0 f 2 8 1 2 嵌入式d s p 芯片中，用以产生，。一检测法运算中所需 的正弦信号和余弦信号；两相交流电流信号，穿过电流互感器，从电流互感器副 边取出小信号，经过信号调理电路，使之符合t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 中a d 转换电路的模拟 信号测量范围；信号进入t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 中经过a d 转换之后，计算出三相电流信号t 的值，再按图2 3 3 所示过程，编写程序对三相电流信号进行处理：检测以三相整流 桥为负载的电路中的谐波。 3 2 谐波发生电路设计 在电力电子装置普及以前，变压器是主要的谐波源。目前变压器谐波已经退居次 要地位，各种电力电子装置成为电力系统中最主要的谐波源。从交流电网这一侧来看， 电力电子装置的输入端可能是以下的几种电路之一：整流电路、交流调压电路，或者 1 9 周波交流电路( 即交一交变频电路) 。电网中有各种三相整流设备，如大功率的电镀 电源、电解电源、电弧炉等，它们产生的谐波电流都极大地超过了国家规定的电能质 量标准，严重地影响了其他电能用户的用电质量p o 】 电力电子装置中，整流装置所占的比重最大，几乎均采用二极管整流或晶闸管相 控整流电路整流装置成为电网的主要谐波源，关键是因为整流装置是电网的主要非 正弦受电设备。即使电网供电电压为理想的正弦波，由于整流阀的单向导电作用，在 正反向电压作用下其电阻值迥然不同，因而整流装置从交流电力系统取用的电流也是 非正弦的这种非正弦电流波形，根据系统参数、整流装置相数、接线等运行条件的 不同而发生很大的畸交。将这些电流波形按傅立叶级数可以分解为基波及一系列不同 频率和振幅的谐波。 对于由二极管组成的三相桥式整流电路来说，如果整流电路交流侧的电源电压是 三相平衡的正弦信号，整流桥中的二极管为理想二极管，即正向电阻为零，反向电阻 为无穷大，若整流变压器的一次或二次绕组接成三角形，可以使励磁电流的3 次谐波 或零序分量流通，即在交流侧的三倍次谐波不流入电网口”。通过阶梯波形的理论分析 发现，三相桥式整流电路的交流端含有( 6 k + 1 ) 次的这种特征谐波，其中k = l ，2 ， 口l t ，后面将在m a t l a b 中对该结论进行论证。 3 2 1 谐波发生电路结构 文中为了模拟实际电网的谐波状况，采用如图3 2 1 所示的电路结构来产生谐 波，三相整流桥的直流端直接接入负载，使整个电路工作在三相平衡电源条件下，即 电源为平衡正弦电压，将二极管自然换相的相角看作是等间隔的，则该电路会产生特 征谐波 a k b ca 三相整流桥 图3 2 1 谐波发生电路 3 2 2 三相整流桥 三相电源信号直接与三相整流桥相连，对三相交流信号进行整流后接上电阻性负 载三相整流桥选用日本f u j ie l e c t r i c ( 富士电机) 公司的6 r i1 0 0 6 - - 1 6 0 ，该模块 是由六个功率二极管组成的三相全波桥式整流结构，如图3 2 2 所示。 南京理工大学硕士学位论文基于瞬时无功功率理论的谐波检测在d s p 上的研究与实现 + 一 。fl ：二一j 图3 2 26 r ii o o g - 1 6 0 内部结构 该模块的底座和所有引脚均电气隔离；可以和其它模块一起安装于同一散热底座 上，节约安置空间；二极管外部涂有氧化锌层，可有效隔离温度、湿度对模块工作特 性的影响，具有较高的可靠性。其主要特性指标如表3 2 1 所示。 表3 2 16 r i1 0 0 g - 1 6 0 主要特性指标 符号 参数名称参数值单位 k 。 反向峰值电压1 6 0 0 v 昧。 瞬间反向电压峰值1 7 6 0 v i 。 输出平均电流 1 0 0a i 浪涌电流1 2 0 0a 3 2 3 试验负载 ， ， 整流器的直流输出端接大功率线性负载，负载电流可达2 0 a ，如图3 2 3 所示。 圈3 2 3 大功率可谓电阻 3 2 4 谐波发生电路的m a t l a b 仿真 以上给出了谐波发生电路的结构设计和各元器件的选用在试验之前，我们先在 h a t l 。a b s i m u l n i ( 中对其进行仿真。图3 2 4 为在s i m u l i n k 中建立的仿真模型，用三 个a cv o l t a g es o u r c e 模块构成三相交流电源；用六个d i o d e 模块搭建一个三相整流 桥来模拟6 r i1 0 0 g - 1 6 0 ：最后在整流桥的支流端接上了s e r i e sr l cb r a n c h 模块， 2 l d s p 芯片及外围控制电路的实现硕士论文 其电阻值r 设为2 0 欧姆，电感l 和电容c 分别设置为0 和无穷大，这样相当于只有 2 0 欧姆电阻，构成与实际一致的电路。 图3 2 4 谐波发生电路s i m u l i n k 仿真 一 整流桥和电阻构成电路的负载部分，作为谐波源，用示波器模块看出该电路的三 相电源电流波形此时如图3 2 5 所示。将图3 2 4 中的三相交流信号相电压设置为 2 2 0 v ，则得到图3 2 5 中的峰值为2 0 a 的电源电流波形。由图3 2 5 的波形可以看出 电流明显发生了畸变，也就是说电路中产生了谐波信号。 图3 2 5 兰相电源电流 南京理工大学硕士学位论文 基于瞬时无功功率理论的谐波检溯在d s p 上的研究与实现 以a 相电源电流为例进行傅立叶分析，得到其f f t 频谱图如图3 2 6 所示。从图 3 2 6 中可知，三相桥式整流电路产生的谐波的次数分别为5 、7 、1 1 、1 3 ，满足 ( 6 k 图3 2 6a 相电源电流h 玎频谱图 将含有谐波的电源电流信号送入第二章中图2 3 9 所示的检测电路中，设置低通 滤波器的阶数为2 阶，截止频率为6 0 h z ，则图3 2 4 中谐波发生电路的基波信号和 谐波信号波形检测出来分别如图3 2 7 的( a ) 和( b ) 所示。 0 ，u o = 5 v ：u i 0 ，u o - 0 v 。 5 v 图3 3 4 电压过零检测电路 3 3 2 2 锁相电路 锁相电路主要用来跟随电压信号，使输出信号与电压信号相位相同，作为d s p 中正弦、余弦表的复位信号；另外用此信号作为电流信号采集的启动信号。该电路核 心部分是锁相环( p l l ) 。 误差电压广1 控制电压 输入信号 u 厂1 堡兰兰兰竺卜_ u t 输出信号 u r _ o _ 厂= o 。 u o 相位比较器ji 压控振荡器卜广_ m 矗忑匝= 二= j 但 。 比较信号i ! 呈!j 、 k 图3 3 5 锁相环原理图 所谓锁相，就是实现相位同步。能使两个电信号的相位保持同步的闭环系统叫锁 相环( p l l ) 锁相环主要包括四部分：相位比较器( p d 亦称鉴相器) ，低通滤波器 ( l p f ) ；压控振荡器( v c 0 ) ；负反馈电路( 运算器) f 4 1 删锁相环属于闭环控制系 统，其基本构成如图3 3 5 所示。使用锁相环时通常在负反馈线路中插入一个运算器， 用来实现输出信号与输入信号之间频率的增大或减小 南京理工大学硕士学位论文摹于瞬时无功功率理论的谐波检测在d s p 上的研究与实现 图3 3 6c d 4 0 4 6 内部结构图 本文中选用常用锁相环芯片c d 4 0 4 6 ，其主要由相位比较i 、i i 、压控振荡器 ( v c o ) 、线性放大器、源跟随器、整形电路等部分构成，如图3 3 6 所示。相位比较 器是一个由信号的上升沿控制的数字存储网络。它对输入信号占空比的要求不高， 允许输入非对称波形，它具有很宽的捕捉频率范围。它提供数字误差信号和锁定信号 ( 相位脉冲) 两种输出，当达到锁定时，在相位比较器i i 的两个输人信号之间保持0 。 相移。文中取相位比较上1 3 脚的信号为输出信号。这样输出信号和输入信号没有 相位差，整体锁相电路如图3 3 7 所示。 图3 3 7 中，用一段虚线连接了一个c d 4 0 4 0 芯片，这是一个二进制计数器，可 以将输入信号倍频输出，其共有1 2 个输出端，可以根据需要选择频率放大倍数锁 相电路除可利用锁相环锁定电压初相位复位正弦、余弦表外，其输出信号的上升沿还 可作为电流采集的触发信号，故可通过改变计数器的输出，改变整个电路输出信号的 频率，从而改变电流采集的采样频率。本文中，只用该电路的输出信号作为电流采集 的初始触发信号，后续采样由软件控制，采样频率也由软件控制。因此，本文需要得 到的是一个与a 相电压信号频率和相位均相等输出信号，不需要倍频，则可将c d 4 0 4 6 的3 脚和4 脚直接相连，不按c d 4 0 4 0 计数器。 d s p 芯片及外围控制电路的实现 硕士论文 图3 3