（电路与系统专业论文）基于dsp的串并型可控单调谐滤波器的研究与设计.pdf

硕 士 论文 a b s t r act withd evel o p men t of. 阅ern e l ec 伽ni c “ hool o gy， a n u mberofn on一 linear el ec tr 创 面 c d ev ic es眼 u sed ine lecll 。 苗 c psw ern e tw0 rk， w hi chcau seh ea vy址 江 m o ni c pou u ti on. the in s tall m ent of p as si ve fil 汀 isa诫d es pr 戊 己 m e th od for h a n 刀 o ni csu p p r es si on in indus try.thep asslve fil 吹 has solnead v an ta ges su ch as 血 g ecapab ili ty ，s ln p le s tl 刀 以 u r e ， l o wo p erati on an d soon. b u t th e p 别 治 i v e fil ter is姗 l y al 五 父 让 月b y th e pow er n e 幻 胃 。 比i m pe山 nce ch 别 旧 c 而sti cs ， an d it is b adatd yna n 刀 c c o m lx 沮 劝 石 one 月 笼 c t . 1 七 i s p a 侧 犷de si gns a co n ti ” ll ab lesi n gie tu n ed fil ter wi ths eries 一 aj 卫 1 1 elconll。 =t i on b as ed on d s p， w hich i s m 甲ro v 比 b ase don 比 川 i ti onalp a s si v e 6 l t er.the con trol sys t e mo f s in gle tunedfil 吐 can an al y seh arln onic com po n e n t byo . c k 由 g el e c 们 i c vo l tage and c u n e n t inth e pow erll e 。 舟 。 rkr e 目 一 石 m e l y， th enre gul ate th e con trohabl e 众 级 c t o r tom 兹 e the singl e tudedfi l “ 牙 run inr e s o n ant fr eq u encytofi tt er抽 盯 uo hi c;atthe s ” 力 e 丘 m e ， th e c o n tr o llabl e n 汾 c to ri sc o u plin gwin di n gs too ，w 咏 hi sc o n n ec桂 月比栩e en th efi l ter andel e c 们 i cal so u r c e ，it can p r o t 。 沈el ectri 喇 so u r c efi m h aryn 耐 c . thecon tr o l sy s t e m ， i n cl u d 山 9 h a n n oni c m e a s u r e m e n 认on的lling al g orid l n l an d co n tro】 ling p m c 已 洛 ， 15班 龙 o r n plish edby d s pp r o o 绍 s or l 、 1 5 3 2 0 刃8 1 2 ， th ec on troili n gal g orith m i sall 刀 p r o v ed me th 团 fo r d e te c tings i n gl e h a n 刀 0 山 c . b y adju s t in g con 仃 d u abl e r e a c t o r，th e p ass i v e fi l 橄 in而s p a p er has hi ghc on trou in g e ff 朗 t an d fast n 活 p onse k e yw ords: h a n n o ni ccon tron ablere ac tor s in g l e t u n e d fllte rd s p s erie s 一 p ar alle l fi l t er 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， 不包含其他人己经发表或 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 : 笼他初 刁 年 7 ” 分 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 : 考材 初 习年 夕 月 夕 日 硕 士 论 文基子d s p的串并型可控单调谐滤波器的研究与设计 1 绪论 l l 本课题背景 及研究意 义 理想状态 下， 电力系 统中的电 压 和电 流波 形应是单一而固定的正弦波. 但是， 实 际中的 波形总 是发生不同 程度的 畸变。 波形畸变 这一课题在二十世纪二三十年代就有 研究。 不过，随着半导体电子工业的迅速发展， 非线性和时变性电子装置在电力系统 中大规 模地应 用， 向 电网中 注入了 大量的 谐波， 造成了 交流电网中电 压、 电 流波形的 畸变。电力电子装置中如二极管、晶闸管、整流器、 变流器等这些非线性电子装置是 配电网谐 波污染的 主要来 源， 这 严重影响 着供、 用电 设备的 正常运行， 降 低了人民 的 生活质量。所以，谐波问题成为现代电能质量问题中核心内容之一。 如今谐波问题已经引起了世界各国重视。 许多国家己经制定了关于谐波限制的规 定， 文【 1 、 【 2 、 3 分别为 我国及国 际上 一些国家 对谐波管理颁发的 规定。 由 此可见， 谐波治理是提高电能质量、保证供用电设备安全可靠运行的重要方面。 谐波研究的意义: 一是因为谐波的危害十分严重。 谐波使电能的生产、传输和利 用的效率降低;使电子设备过热、 产生振动，并使绝缘老化，使用寿命缩短;可引起 电 力系统局 部并联谐 振或串 联谐振， 使谐波 含量放大， 甚至发生故障或毁 坏。 二是 谐 波影响了电力电子技术自身发展， 电力电子装置所产生的谐波污染己成为阻碍电力电 子技术发展的重大障碍。 三是可以上升到从治理环境污染、 维护绿色环境的角度来认 识。 对电 力 系统整 个环境来 说， 无 谐波就是 “ 绿色” 的重 要标志之一4，习 。 i j国内 外研究 动态及 主要问 且 在20世纪加年代和30年代德国 在静 态换流器引起波形畸变问题上开始有所 研 究.1 9 4 5 年i c.里 德所写的 一篇论 文关于 静态换流器产生 谐波， 至今仍 被广泛应用。 到了 20 世纪 5 0 、 印 年代，高压 直流输电方面 推进了换流器引起谐波的研究， e.w.兀m b 滋 在其著作中对此进行了总结。加 世纪 70 年代以来，随着电子工业的迅 速发展， 各 种电力电 子设 备在电 力 系统、 工 业、 交通及家庭中的应用越来越广 泛， 谐 波所造成的危害也日趋严重。国际上对谐波问题予以充分的关注。美国海军在 20 世 纪70年 代针对 谐波的 影响， 第一 个制定了 谐波限制标 准u s m il.s 1 ，d 书 6 1 。 我国 对谐 波问 题的 研究 起步 相 对较晚。 1 9 88年吴竞昌等人出版的 电 力系统谐 波是我国关于谐波问题研究较有影响的一本著作。1 991年唐统一等人翻译了 i a rr il 吨a 等 人 出 版的 电 力 系 统 谐 波 一 书。 1 99 4 年 西 安 交 通大 学 夏 道 止 教 授出 版 的 高压直 流输电 系统的 谐波分 析及 滤波 是近年出 版的 关于谐波和静止 无功补偿方 面的代表性著作。 1绪论 硕士论文 由 文 6 、7 、 8 、 9 、 1 0 及【 1 1 可知，电 力电子 装置是电 力系统中 最严重、 最 突出 的谐波源。 现阶段， 限制 谐波源 注入电网的 谐波电流， 主要从 两方面入 手: 一 是 对谐 波源采取措施， 减少产生的 谐波含量， 这主要是 针对电力电 子装 置本身进行改 造， 即对 于正 在设计的 各种 整流器， 增 加整 流器的 相数或脉冲 数， 是减少 整流装置 产生谐 波电 流的 有效措施， 最理想的 情况就是 开发一种整流 器使其不产 生谐波， 且功 率因 数 为1 ;当 整流 装置的 脉冲数越多， 谐 波电 流的次数越高，即 不 产生较 低次 谐波。二是 在谐 波源处安装滤 波器， 直 接吸收 谐 波源产生的 谐波电 流. 如果待谐 波电 流 进入高压 电网 后再采取措施， 无论技术 上还是 经济上都不合理. 通常 所使用滤 波器主 要分为无 源滤波器( pf: p as si ve 刊吐，也可称为乙 c滤波器)和有源滤波器( a p f: a 比ve pow er r l ter) 两类。 无源滤 波器的 工业应用己 经有 相当 长的历史， 其 设计方法稳 定可靠， 目 前己 经投 入到 许多 实际工 程。 20 世 纪70年代，由 于大功率 可关断器 件的 短缺， 只有 少数的实 验室研究 有 源滤 波器。 到20世纪80年 代， 新兴 半导体 器件的出 现， p w m技术的 发 展， 尤 其 是1 98 3 年日 本 的h. akagi等 人 提 出 的“ 三 相电 路的 瞬 态 无 功 功 率 理 论 ” 121 ， 在此理论的 基础上谐波和无功电 流检侧 方法成功应用在 三相有源电 力滤波器 上， 进而 促进了有源滤波器的发展。 在交流 系统中 ， 无 源滤 波器既 可以 起到滤波作用， 也可起到 无功补偿 作用， 且具 有容易设 计、 容量 大、 成本低等优点， 但它的滤波特 性依赖于系 统阻 抗特性; 低于调 谐频率时， 阻 抗特性变坏. 有源滤波器 具有高度可控性 和快速响 应性优点， 但其容量 小、 成本高 :所以目 前工业上 都是把 无源滤波器和 有源滤波器结 合起来使 用。 单调 谐滤波器属于lc 滤 波器中 的 一种， 它从最 早的固定型 单调 谐滤波器发展到 可控型单 调谐滤波器， 然后再 从部分 可 控发 展到串 并型 可控单调谐 滤波器， 总的发展 方向 是一 种将普通的无 源滤 波器进行 有源化的 改造， 改变传统 无源滤 波器易 受参数影 响而失谐的 特点， 实 现当 系统参数 变化时， 可以 通过 调节电 感 值使滤 波器保持在谐振 状 态 ， 从 而 保 持 较好 的 滤 波 效 果 !3l 。 由 此可 见 ， 无 源 滤 波 器 的 发 展 趋 势 是 实 现 高 度 可 控性 和快 速响应性，本 文设 计的串 并 型可控单调谐 滤波器就是向 这 个方向 改进。 i j谐披的墓本筱念 谐波的 数学分析是在19世纪初期由 法国 数学家傅 里叶(j. 氏硕er)等人 提出， 任意 一个函数 都可以 由无穷多个 不同频率 正弦信号的和 表示。目 前国 际普 遍定 义谐波为: 谐 波 是 一 个 周 期电 气 量 中 频 率 大 于 基 波 频 率 的 整 数 倍的 正 弦 波 分 量 队均 ; 也 可 知 谐 波 次数为谐 波频率和基波频率的 整数比， 且谐波次数必 须是大 于1 的 整数。 在电 力系统中， 通常希望 交流电 压 和交流电 流为正弦 波形。 以 正 弦电 压为例可表 示为 硕 士 论 文基于ds p的串并型可控单调谐滤波器的研究与设计 u ( ， ) = 汤了 5 过 ( 叮 + 灼( 1 .3 .1 ) 式中u电压有效值: 刀初相角; 。 角 频 率 ， 其 中 ， 呵 = 2 川 t ; 了频 率; t周期。 正弦电压作用在线性无源元件电阻、电容和电感上， 其电流和电压仍为同频率的 正弦波. 但当正 弦波施加 在非 线性负 载上所产生的电 流就 变为 非正弦 波， 非正 弦电 流 通过电网阻 抗产生压降， 致使正 弦电 压波形 也变为非正弦 波. 显 然， 非正弦电压 作用 在线性负 载上， 其电 流也是非正 弦波。 对于 周期为t的 非 正弦电 压， 在满足狄利 赫利 条件下，用傅立叶级数可分解为如下形式: u ( 。 ) = u 。 + 艺( u 。 * c o s k “+ u 。 * 5 妞 k “ )( 1 3 .2 ) k 减 式中 u 。 = 去 犷 (。 )j (。 ) u 一 女 f (。 )。5、 ox (。 ) u 正 = 去 f (ax )。 、 axu (。 ) 其中 (k 二 1 ， 2， 3， ) 式(l ，3 .2)也 可表示为 u ( 。 ) = u 。 + 艺 u * s in ( k 。 + 汽 ) ( 1 . 3 . 3 ) k = 1 式中，uc*、和 * 和uak 、嘛 的关 系为 vc ， 司 云 二 弃 瓦 万 ， 。 = are tan (u /va 。) ; u o t = u c * s inp : ， u ， * = u c : cos 乳 在式(l .3. 2) 和式(l . 3. 3)的 傅立叶 级数中， 角频率为。的分 量 称为 基波， 角频率为 枷 (k =2， 3， ) 分量称为k 次谐 波。以 上 对于非 正弦电 流的 情况 也适用，只要把式 中u 伽t ) 变成1 ( 。 t) 即可。 于是把周期为t 的非正 弦电 压和非正弦电流 用以 下 形 式表示 为: 1 绪论硕 士 论 文 u ( ax ) = u 。 + 2 扼 口 ， : in( 、 ， + 叭 ) 1 ( ， ) 二 ， 。 + 艺 汤。 5 访 (、 。 + 风 ) ( 1 .3 .4) 式中uo直流电压分量; ui基波电压有效值: 认 第k 次 谐波电 压的 有效值， (k = 2， 3 ， ) ; 几 一直流电流分量; 11 基波电 流 有效值: 几 第k 次 谐波电流的 有效值，(k= 么 3，. ， . ) ; 谐波电 压含量饰和谐 波电 流含量肠分别定义为 c 、leseewewe、teeesl|，.比 1了11月自2 厕厕 u 万= i h = ( 1 . 3 . 5 ) k 次谐波电 压的 含有率月 况 可分别定义为 rati ou*) 和k 次谐波电 流的 含有率 月 双 几 lllj hru = 玉x l00% u l hri; = 丘 、 1 o 0% i 1 ( 1 ， 3 ，6 ) 电 压谐波总畸变 率r h d u( to talh a n n onic di s t o r ti o n) 和电 流谐波总畸变率丁 付 d 分 别 定义为 二= 会 ，00 % 7hd，= 冬 。0% ( 1 .3 . 7 ) 由以 上介绍的谐 波及谐 波有关的 基本概念， 可 知谐波频率为 基波频率的整数倍。 世界 各国 具有不同 的 基波频 率，我国电 力系统的 基 波频率 是 50hz; 有些国 家的基 波 频率是 60112 。 1 .4谐波限 值的 标准 由于公用电网中的谐波电压和谐波电流对供、 用电设备都会造成很大的危害， 所 以国 际上 许多国 家制定了 限 制谐波源注入电网中 谐波电流的规定， 把电网谐 波电压 控 硕 士 论 文基于dsp的串并型可控单调谐滤波器的研究与设计 制在一 定的范围内， 使电网 本身及用电 设备免受谐 波千扰而能 正常工 作。 国 际上以相 电压中 谐波电 压含量 为准。 实际 测量 表明， 相电 压谐波 含量 往往 大于线电 压谐波含量， 尤其是 在中 线 绝缘的 系统中 。 对于不同电 压等级的公 用电 网， 允 许电 压谐 波畸变率也 不相同。公 用电网 谐波电 压限值如表1 . 4. 1 所示 1. 21 . 班1 月 j公用电 网 谐浪电 压湘 电 压) 限值 电网标称电压 ( kv) 电压总谐波畸变率 ( %) 各次谐 波电 压 含有率 ( % ) 奇次偶次 0 . 3 85 刀402 . 0 6 4 一 03 21 一 6 l 0 3 5 3 刀2 .41 .2 66 1 1 02 .01 .60 名 从表 1 . 4. 1 可看出:电压等级越高，谐波限制越严。此外，对偶次谐波的限制比 对奇次谐波的限制严格。 保证各 级电网谐 波电 压在限 值内 分配给用电 设 备的谐 波电 流也应 有一定的标准。 根据国 际标 准13) ，公 用电网 公共接点的全部 用电 设备向 该点 注入的谐 波电 流分量( 方 均根植) ，都应在 1 .42 表中规定的允许值内。 衰1 .4 j注入公共连 接点的谐波电 沈允许值 标准电 压( kv ) 基准短 路容量 ( yva) 谐波次 数及谐波电流 允许值( a) 23456789l 0l 1l 2l 3 0 一3 8l 07 86 23 96 22644l 92ll 62 8l 324 61 印43342 1研l 4241 ll l8 一 5l 67 l 3 1 01 印 26201 3 208 乃l 56 .46 名5 . 19 34 .37 一9 3 52 5 0l 51 27 .71 25 . 18 .83 一 84 通2 5 石2 .64 .7 66 5 田1 6l 38 通 l 35 4 9 34 . 1 4 3 3 .3 5 夕2 .75 .0 1 1 07 5 01 29 . 6609 .6406 .83 . 03 22 一44 32 .03 一7 标准 电 压( kv ) 基准短 路容量 闪 v a) 谐波次 数及谐波电 流允许值 ( a) l 4l 51 6l 71 81 9202 l2 2232425 0 38l 01 ll 29 . 7l 88 石l 67 一 88 . 97 . 1l 46 石1 2 61 的6 . 16 名5 .3l 04 夕9 . 04 .34 一 93 乡7 冲3 石6 名 1 01 的3 刀4 . 13 26 一 02 名5 .42 一62 . 9234 . 52 通4 1 1绪 论 硕 士 论 文 3 525o2 22 一 5193 石1 . 73 21 .5 l81 .42 .71 .3国 66 5 (x) 2 32 . 62 .03 . 81 . 83 41 .61 . 9 1 .5 2 . 81 .4 2 石 1 1 07 501 .71 . 91 . 52 . 8 1 . 32 一 51 一21 .41 .12 . 11 .0 1 . 9 1 占本课题的主要工作 本文主 要针对一种基于 d s p的串 并型可 控单 调谐滤波 器进行 研究 和设计，主要 工作有以 下 几部分: 1) 对可 控电 抗器的 性能 进行分 析并进行数学建 模分 析其 控制特 性: 2)了 解单调谐滤 波器的 设计 准则、 介绍可控 单调谐 滤波 器的设 计步 骤; 3 ) 探讨了 一种改 进的计算单次谐波谐波相位与幅值快 速检 测法、并 对此算法在 m a t l a b中进行仿真证明可行 性; 4)对串 并型可控单调谐滤波 器在psc a d环境下搭 接模型进行 仿真， 并观察其 控 制算法及原 理的 正确性; 5)对控制系统信号采集部分硬件电路进行设计并做实验进行验证; 6)对控制系统软件部分进行设计; 7)对整个系统进行硬 件电 路连接实验 并对其结果进 行分析。 硕 士 论 文 墓于o s p的串并型可控单调谐滤波器的研究与设计 2 可控单调谐撼波器的原理 本文设计的可控单调谐滤波器是一种无源滤波器， 同时此滤波器具有连续可调谐 功能。 本 章主要介 绍可控单 调谐滤波器结构、 可控电 抗器的工作 原理、 可 控单调 谐滤 波器设计方法及控制系统的谐波检测方法。 2. 1 涟彼器的 基本结构 2. l i 无源沁 波器墓本结 构 一般地， 无源滤 波器由 电 容器、 电 抗器和电阻器串联 而成， 并调谐 在某个特定谐 波频率。 滤 波器对其所调 谐的某次谐波来说是一个低阻抗的 “ 陷阱” . 理想状态下， 滤波器在其 调谐频率处阻 抗为极小 值， 所以 经其分流， 减少 注入交流系 统的 谐波电 流， 达到对该次 谐波的 抑制 作用。 按调 谐频率 划分， 无 源滤波 器可分为单调 谐滤波器、 双 调 谐 滤 波 器 和 阻 尼 滤 波器 等 16 ， 通常 几 个典 型 滤 波 器 的 电 路 结 构 如 图2 . 1 .1 所 示: 一|土下!|肖|姗 c刀 11|.、y义k丫|口月|土 clr a)单侧 谙 功双单 侧谐c)双带通心1 阶 、2 阶和3 阶阻尼 日2. l i典里的 无洲泌波吕的电璐结 构 从图2 . 1 . 1 可得出以 下 结论: 1)单 调谐滤波 器是由 电 阻、 电 容和电 感串 联而成。 在调谐的 谐波频 率处， 容抗与 感抗和为0 ， 此 时滤波 支路的谐波阻抗 达到极小值。 低于谐振 频率时滤波器阻抗呈容 性，而高于谐振频率时阻抗呈感性。 2 ) 双调谐滤 波器有两个谐振频率， 即滤波器的阻抗在两个调谐频率处达到最低 值. 其作 用相当 于两个单 调谐滤波器并联， 但双调谐滤波器在基 频下的功率损耗比较 小，且只有一个电 感承受全部冲击电压。 3)阻尼滤波器可以是1 阶、2 阶和 3 阶的，但2阶的比较常用。它在较宽的濒率 2可控单调谐滤波器的原理 硕 士 论 文 范围内 呈现为 低阻 抗。当 滤除高次谐 波( 17 次以 上) 时， 阻尼滤 波器又称为高 通滤波 器， 即对于高频率 呈低阻 抗， 而对低频率呈 高阻 抗。 同时， 阻尼 滤波器具 有低品质因 数q : 0. 5 q r， 滤 波器分 流很少。 因 此， 通 过调 节可 控电 抗器的电 感 将滤 波器的谐 振次数设定为与需 要滤 波的 谐波次数一 样， 则该次 谐波电 流 将大部分 流入滤波 器， 从 而起到滤除该次谐波的目的。 2 3 2单调谐拢波器的 设计准则 设计滤波器的 理想准则是消除由 谐 波源所引 起的 波形畸 变对电 力系统产 生不利 的影响，其中电话干扰是最难完全消除的。对于抑制谐波，我们通常用谐波电 流、谐 波电压来 表示。 对 于通常的 滤波器设计， 以 谐波电 压为 基础 的准则比 较常用， 因为随 着交流网络阻抗的变化， 电流在不断地变化， 控制起来比较困难，而控制电 压不超过 合理的电 压限制要相对更容易些. 为了 遵守1 .4节中的 谐波限 值标准， 滤波器的设 计主要 包括以下 步骤115: 1) 由非线性负载 产生的 谐波电 流以 相应的 频率 注入到与供电 系统并联的滤波器 组成的电 路中并 计算谐 波电 压. 2) 用计 算出的 谐 波电 压确定 规定的 参 数， 即电 压谐波畸 变率不 h 口 ， k 次谐 波电 压 含 有率月 灭 uk. 3) 计算滤波 器中各 元件的参数， 即电 容器、电 感器和电 阻的 参数 值和损 耗。 滤 波 器设计中还需要认真考虑三个因素，即电流源、滤波器导纳和系统导纳。 1 5 2可控单调谐滤波器的原理硕 士 论 文 根据单调谐 滤波器的基本原理， 设计可控 单调谐滤波器时 首先要考虑滤波器失谐 问 题。 实 际 上 ， 电 力 系 统 在 正 常 运 行 时 的 频 率关 与 其 额 定 值加是 有 一 定 的 偏 差 ， 这 使各次谐波频率也发生相应的偏移。 2 3 3可控单调 谐滤波器的具体设计参效 及步砚 z j j .1可控单调 谐油彼器的元件参 数 在设计滤 波器时， 要确定滤 波器各元 件的参 数， 通常主 要有: 容抗、 感抗、 调谐 次数、 电容的额定电 压、 电容发出的 无功功率及电 抗器吸收的 无功功率。 以 下为 这些 参数的计算方式. 优 串 联单调谐滤波器在调 谐h 次谐波下 116 期， 有 因此特征电抗为 x 动 二 hx li = x 。 = 令= 汽 x * 一 底 = 底 一 捂 ( 232 ) (2. 3.3) 式中凡， 、 xc， 一 一基频下电 抗 器的感性电抗、电 容器的容性电 抗: 耘 、 义 。 一一调谐频率 下电 抗器的 感抗、电 容器的 容抗; h 一一滤波器需要滤除的谐波次数; 由调谐角 频率叭= 2 从 = 寸 云 瓦 ， 可得调谐频率五为 人 = 饥= ， 菩 于 2 万 v 气认 (23.4 ) 调谐次数为 l _ 人_ 1 一了 万 n = = 一声 二 二二 二 _! fo此 v 乌 q y x : : ( 2 . 3 . 5 ) 基频下电 抗器的 感抗也可写为 ( 2 . 3 . 6 ) 由于电容器对峰 值电 压敏感，施加在电 容器上的总峰值电 压不能超 过其额定电 压， 即电 容器的 额定电压 需要等于基频电 压与调 谐频率 谐波电 压的 代数和33 ， 在考虑 滤波器两端电 压时，最大电压就考虑为线电压。可得电容额定电压为 u 。 = 奴/ c l + 孩/ 。 = 万 叉 。 ， c ， + 行义 。 ， 。(2 .3 .7 ) 硕士论文 基于ds p的串并型可控单调谐滤波器的研究与设计 式中u 白 基频下相电压幅值; u 。 调 谐频率 下相电压幅值; 实际上，通常调 谐于某一 次谐波的电 容也会吸收 其它次的 谐波，因此要保证电 容的额定电压为 u 一 沙 一菩 瓜 小 驴林 (2一 3 . 8 ) 式中叉 巨 、 叉 d 一一 各次 频率下电抗器的 感抗、电 容 器的容抗; k 一一 各谐波次 数， (k = 2 ，3 ， ) ; 而电容电压的有效值为 u二 = 摆 = 棺 令 。 ) ( 2 . 3 . 9 ) 电容发出的无功功率为 qc= .熟ia=菩 争“ = 菩 分“ 会 = 擎 会 )z= 豁 御 2. ( 23 . 1 0 ) ( 2 .3 . 1 1 ) 电抗器吸收的无功功率为 q 乙 = 艺u o 1 。 =丫 kx ， 琉= 丫 丝 胃-一胃kx 乙 ( 2 . 3 . 1 2 ) 鱼= 外(鱼) 2 = ， 与 五) ， 编置几胃ku 。 ( 2 . 3 . 1 3 ) 2 3 j 2可控单调谐涟 彼器的 设 计步骤 可控单调谐滤波 器是在调 谐频率五处万 从 二 x d 。 对调谐 于h 次谐波的可控单调 谐滤 波 器的 设 计 步 骤 为 116 .34j : 1 ) 确定电 容的容 量qc，单 位为v ar ， 例如等于谐 波源需要的 无功 功率。 2)电 容的电抗为 u 2 入 广 = q c ( 2 . 3 . 1 4) 式中 u 一 一电 容器电 压的有 效值; 3) 为了 滤除h 次 谐波，电 抗器的 感抗为 2可控单调谐滤波鉴的原理 硕士论文 x。 大，=，子 一h ( 2 _ 3 . 1 5 ) 4)电 抗器的 电阻为 r = 玉 q (2_ 3. 1 6) 式中 q 一 滤 波 器的 品 质 因 数， 3 0 化r. bit.tss = 1 ; 停止定时 器; 毛 m o r- r e g s a d d r- tcr. bi l 饮b= 1 ; 定时 器重装， 当 向t 只 b写1 时， p r d h: p r d 的值装入t d “ h : t p 以 ， 并且把定时器分 频寄 存器( ，d r h : tdd r)中的 值装入预定 标计 数器( p s c h : p s c ) 。 五m“ . r egs a d d 卜 t c r .b it.s o f t =n: 下m o r- re g s a d dr- t c r .b il f r e e 二 卜 五 m 份 r e g s a d d 卜 t c r . b it j 正= 1 ; 定时器中 断使能. 4. 7 本章小结 本章系 统阐述了d s p 控制系统软 件部分设计， 首先 介绍 其软件设 计的 开发环境， 接着介绍了本系统设计的 整体流程，最后 对系统各模块主 要按功能 划分( 即信号采集 模块、信号处理 模块及d 从模块) 分别 作了 介绍，重点 对各 模块的特点 及初始化作了 介绍。 5实验及结果分析硕士论文 5 实验及结果分析 本文中 对系统 进行软硬 件设计后， 通过实验对 其进行验证及 对实 验数据进行分 析。 5. 1 实 验 整体 电 路 结 构 该实验为可控单调 谐滤波器的 控制系统性能测 试。 实验使 用的 装置主要有: 变压 器、 整流桥、 可控电 抗器、 谐 波检测器、 示波器、 万用表、 仿真 器s e e d 次 j ) s u s b 2. 0 、 d s p 模块s e e d 一ec2812 、 pc 机、电容 及电阻 等。该实 验前，首 先要测试各器件是 否能 正常工作。图5. 1 . 1 主 要为了 测试s e e d 一 d ec 2812是 否能 正常工作。图5 . 1 .2 为 控制部分电路连接图。 圈5. l i d s p芯片 性能润试 接曲目 5. 1 2本设 计中 实脸电 路的控 制部分电 路 连接田 硕士论文墓于dsp的串并型可控单调谐滤波器的研究与设计 6 总结与展望 随着电 力 机车、 电 弧炉、 变 频设备 等非线性电 力设备 投入电 网运 行， 使得现代电 力系 统中的 谐 波污染日 趋严重， 并成为 影响电能质 量的 一个主要 方面。 作为 具有谐波 抑制 作用的 滤波器 必 将在现代电 力 系统中 得到广泛 应用， 所以开 发研 制各种新型滤 波 器对提高电能质量有重要作用。 滤波器 主要分 为两大 类: 无源滤 波器和 有源滤波 器。 在交流 系统中， 无源滤波器 不仅起到滤 波作用， 而 且还兼顾无 功补 偿的 要求。 但 是无源滤波 器滤波效果依赖于系 统阻抗特性， 容易 受温度 漂移、 掳 波电 容老化 及非线性负 载变化 影响. 本文 研究 设计的 基于d s p的串 并 型可控 单调谐 滤波器是一 种无源滤波器， 该滤 波器不仅具 有无源滤 波器的优点， 而且还实 现了 连续自 调谐功能， 即随 着系统中 谐波 含量变化而自 动调节实 现滤波功能。 本课 题首先 介绍了 可 控单调 谐滤 波器工作 原理， 即对可控电抗器进行实验测试得出其控制特性、 制定设计步骤， 还探讨了一种改进的 单次谐波检测 方法， 并在n 口 江 i a b 中 对其进行仿 真可验证 此算法带来的延时比f p t 检测法少四分之三个周期，同时计算精度也相对提高:其次进行了硬件电路设计 并 在 p s c a d中对其硬件电路进行仿真，同时把谐波检测方法应用在控制过程中证明有 效; 然后 对可 控单调谐 滤波器的 控制系统 在 d s p中 进行软 件设 计;最后实验进行验 证，并证明 基于d sp 的串 并型可控 单调谐 滤波器的 设计行 之有效，实现了可控单调 谐滤波器的高度可控性和快速响应性。 本文 完成了 基于d s p的串并型 可 控单调谐滤波 器的 研究与 设计，还 可向以 下几 方面作进一步的研究: 1) 本 文的算 法是 在三相对称电 路中 进行实验证明， 在 实际中 通常存在不对称三相 电路，所以 此算法有待进一步改进. 2) 本设 计中所 使用的 控制系统 用d s p 来实 现，虽 然d sp 的处 理速度较快， 但一 般的d s p中的 计数器计 数方式只能 设定为 增长或减 少方式的一 种， 因此若采用d s p 和fpg a两种混 合的 方 式控制系统 效果 更 佳. 3) 实验 证明 本 文所设 计的 可控单调 谐滤波器 在实际实 验环境下滤 波效果较好， 但 当投入大功率电网中，此可控电抗器容量较小，所以容量有待提高。 此 设计由 于时 间 及实验条件 有限， 致使本设 计中 仍有不 足之处，希 望各位 专家、 老师批评指正，谨此表示衷心的感谢! 致 谢硕 士 论 文 致谢 在论文完 成之际， 谨向 我的 指导 教师黄锦安教授、 康明才副 教授表示 衷心的 感谢。 在这两年求学生 涯中， 两位老师 渊博的学识、 严 谨的 学风， 对我悉 心的指导和无 微不 至的关 怀，让我受益匪 浅， 使我 顺利完成学业。两 位老师不仅传 授了 做学问 的 秘诀， 还教会了 我做人的 道理。 本论文的 选题、 资料查询、 研究和 撰写 的每一 个环节， 老师 都 给了我悉心的 指导和 帮助。借 此机会向 两位老师 表达深深的感 谢! 同时 还要感 谢 1 0()9 教 研室的 所有老师和同学的 指点和帮助， 在与他 们的 交流当 中 我学到了不少东西， 在此向 他 们表达感谢! 最后感谢一直在我 背后支持我 的家人， 我的学 业能够顺利的 完成离 不开 他们的支 持和鼓励 ! 硕士论文荃于d s p的串并型可控单调谐滤波器的研究与设计 参考文献 1 .水利电 力部. 电力 系统谐波 管理暂行规定 (s d 1 26 一 84). 北京: 水利电 力出 版社， 1 9 84 2中国国家标准c b 厅1 4549一93:电能质量公用电网谐波. 北京:中国标准出版 社，1 994 3 .助u i p m ent 少 edu d n gb 犷 m o 川 csaddco n d i ti ons g o v 已 n 刀 n g th eir c oi m ec ti on toth e m 田 n pow ers u p pl y. w b d d n g g r o 叩36扔 c i gi 妞.e l e c rric . 19 89(l 24) 4 .h 田 卫 s hi ma e p o w erel ec tr o 山 csand ynoti onc d n tl o 1 一加 tu r e p 日 rs p ec d ve . r o c ee d in gsof 正e e ，1 994 ，8 2 ( 8 ) 1 1 0 1 一 1 1 1 1 5 .akagi h .n e w tr e d dsinac ti v e fil t 日 rs . in: 乃 众 另 曰 加 gsofe p e 95， s evi lla， 1 995 . 17一 26 6 . 几5 5 1 上 ，h . ( 1 9 3 5 ) . 几e 五 4 七 剧 尽a 几cu娜ntc 口 n v e 肋 r ，r仃 n an，l 习 n d on. 7 . r ead， j. c( 1 9 4 5 ) . the calcul a t i o n of 找 兄 t i fi er and in v e rt or performance c h aj 习 ct 颐 s i c s ， j .iee，pt ll，92 ，495 . 8 .儿 m b a r k ， e . w.( 1 971 ) ，d i rect c u n n t t ra n snn s s i on， 、 b l l ， w u e y 一 玩 沈 岛 d enee， n e w yo 次 . 9 .吴竟昌，孙树勤，宋文南，曲涛等编著 电力系统谐波 m . 第 1版. 北京:水利 电 力出 版社，1 988. 11 10 . 阿 里 拉 加j ， 布 莱 德 勒d a ， 伯 德 格 尔p s . 电 力 系 统 谐 波 间一唐 统 一 等 译 .徐 州: 中 国 矿业 大学出版 社，1 991 11. 夏 道止， 沈赞埙. 高 压直流输电系 统的谐波 分析与 滤波 m . 北 京: 水利电力出版社， 1 99 4 12 . a 上 a gih ， 长 切 笛 叨 w a y， n ab aea . g e n 。 习 li z edth eo ryofin s 田 烧 口 eou s t ea c o vepow er and i tsapp li cati on. in: 正e e &jiee . r以 刀 浏 i n g s lpe c. tok y o : 正e e ， 1 9 8 3 . 1 3 7 5 一 1 3 8 6 13 . 于明涛，陈建业，王赞基. 基于可控电抗器的 单调谐滤波器阴. 电力自 动化设 备. 2 加7 . 1 : 3 9 41 14 . 王兆安， 杨君， 刘进军， 王跃编著 . 谐波抑制 和无功功率 补偿【 蝴. 第2 版 . 北京: 机械工业出 版设， 2 以 拓 . 1 15 . j ，a 币 u a g ad. a.b ia d leyd. s . b 阅 g er， 容 健 纲 ， 张 文 亮 .电 力 系 统 谐 波 闷.第1 版. 湖北: 华中 理工大学出 版社，1 994. 肠. 16. 0 幻 r g e j .节 厄 幻 l eh .p ower sys t e n . h a n n o 苗 csfun 山 叻 en tals ， analysis an d r l terd es i gn附 .spin g e r . v 盯 l agb 的n h 自 delb erg 2 001 . 17 . 姜齐荣， 赵东元， 陈建业编著 . 有 源电 力滤波器 一结构。 原理. 控制 m . 第 1版. 北京: 科学出 版 社， 2 005 . 10 18 . 王凤翔，冯桂 宏，杨西光 等一种新型可控并联电 抗器的 工作原理 与基本特性 耳 变压器，1 998. 35):l石 6 7 参考文献硕 士 论 文 尹东忠. 磁阀 式可控电抗 器的理论研究及应用 博士学位论文 . 武汉: 武汉水利电 力大学，l 9 97 田 铭兴， 励庆孚， 王曙鸿.磁饱和式可控电 抗器的等效物理模型及其数学模型团. 电 工技术学 报一 2 (x)2 . 17 ( 4):18 一 21 陈柏超， 陈卫贤 一 磁阀 式可 控电 抗器的数学模型 及特性【 几武 汉水利电 力 大学学报， 1 995 . 2 8 ( 3 ) : 2 9 小2 9 8 陈柏超一 新型 可控饱和电 抗器理论及应用【 m l . 武 汉: 武汉水利电 力大学出 版社， 1 9 99 钱建华， 陈柏超. 基于磁阀 式可控电 抗器的无功 补偿系统田. 电力 系统 及其自 动化 学报， 2 (x)3 . 1 5 ( 2 ) : 66刀 0 王长善， 张卫星， 范文涛. 磁阀 式可控电 抗器的 控制回 路及其控制 特性闭. 电 力科 学与工程， 2 (x)5 . v of l : 46 明 陈 柏超， 田 翠华， 梁柏华， 王庆春.单相可控电抗 器的 一种谐波抑制原 理及实现 几 中国电 机工 程学 报， 2 的2. 22( 3):63一 7 田 铭兴， 励庆孚. 磁 饱和 式可控电 抗器的等效电 路及仿真分 析阴. 电 工 技术学报， 2 (x)3 . 1 8 ( 6 ) : 6 4 . 6 7 单铁铭，杨仁刚. 磁饱和式可控电抗器在无功补 偿中的应用阴. 电测与仪表， 2 (x)4 . 4 1 ( 466 ) : 3 6 一 3 9 正 e e pow er s y s t e mh 出 刀 1 0 山 c s v /o rk i n gg ro u pr e p o rt ， b i b l i gr a p hy o f pow er s y s te mh a n n o n l cs，正ee tr ans . ，vol pas 一 i o 3， no .9 ，1 9 84. 张 志涌， 徐彦 琴等. k 口 口 飞 a b教程一一 基于6 .x版本 囚 第 1 版. 北京: 北京 航 空 航天大学出 版社， 2 仪 抖 . 2 陈 怀深， 吴大正， 高西全 . m a t l a b及在电子 信息课程中的 应用田 . 第1 版. 北 京:电 子工业出 版社， 2 (x)2. 1 薛定宇 ， 陈阳泉 . 基于m 川 氏 ab /s 汕u link的 系统仿真技术与应用 阅. 第 1 版。 北 京: 清华大学出 版社， 2 002 .4 黄 锦安等 编著. 电 路【 闷. 第1 版. 北京: 机械工业出 版社， 2 003 3 正 e e wo比 in g g ro u p onpow ers y s te mh arm onics( 1 9 8 4 ) p o w ers y s te mh alln o hi cs. 了 b t o ri ai c 。 眼 姆 ， 84e h o221 一2 一 卫 场 叹 . 正 e e pow erengine e n n g s ocietyl n e w york s an一 砚 l 拙， c hi j ul w u， chuan . te 以ang，s hi h 一 shongyen . m 侧 币 份 6 on