（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp芯片的有源电力滤波器数字控制系统研究.pdf

a b s t r a c t r e s e a r c ho nd i g i t a lc o n t r o ls y s t e mf o ra c t i v e p o w e rf l i t e rb a s e do nd s p z h a o 轿a o y i n g ( e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e d 妙w a n gp i n g a b s t r a c t t h es u b s t a n t i a li n c r e a s ei nt h eu s eo fp o w e re l e c t r o n i ce q u i p m e n tr e s u l t s i nh a r m o n i cp o l l u t i o na n dr e a c t i v eb u r d e na b o v et h et o l e r a b l el i m i t s m a n y c o n v e n t i o n a ls o l u t i o n st ot h ep o w e rq u a l i t yi s s u e sc a n tm e e tt h ec o n d i t i o n so f m o d e r np o w e rs y s t e m a c t i v ep o w e rf i l t e r sa r ek n o w na sad y n a m i c ， a d j u s t a b l ea n dp o t e n t i a ls o l u t i o nt ot h ep o w e rq u a l i t yp r o b l e m s t h i sp a p e rp r e s e n t st h eo p e r a t i o np r i n c i p l ea n dc o n f i g u r a t i o no fas h u n t a c t i v ep o w e rf i l t e ri nd e t a i l ，a n da n a l y z e st h eh a r m o n i cd e t e c t i n gm e t h o d s a n d c o n t r o ls t r a t e g i e ss y s t e m a t i c a l l y c u r r e n t l yh a r m o n i cd e t e c t i o nm e t h o db a s e d o 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 yh a sb e e nw i d e l yu s e d h e r eas i m u l a t i o n m o d e lf o ri p - j qm e t h o di sp r e s e n t e da n dt h el o w p a s sf i l t e ri sa n a l y z e d t h i s p a p e rp r e s e n t sa ni m p r o v e dc u r r e n tc o n t r o l l e rt h a tc o m b i n e st h e i n s t a n t a n e o u sa c t i v ea n dr e a c t i v ec u r r e n tc o m p o n e n ti p - i qm e t h o da n dt h e s i n e t r i a n g l e p w mv o l t a g em o d u l a t i o n i nt h e n b r e f e r e n c ef l a m e i n s t a n t a n e o u sa c t i v ea n dr e a c t i v ec u r r e n t sa r er e s p e c t i v e l yc o n t r o l l e dw i t ha p r o p o r t i o n a li n t e g r a l ( p i ) r e g u l a t o ra n dt h e nt h et r u ec o m p e n s a t i n gc u r r e n t s c a nt r a c kt h eh a r m o n i cs i g n a l sw e l l c o m p a r e dw i t ht h ec o n v e n t i o n a lc o n t r o l m e t h o dw h o s ec o n t r o lo b j e c t sa r et h r e e - p h a s ef e e d b a c kc u r r e n t s ，t h ei m p r o v e d c u r r e n tc o n t r o l l e rc a nr e a l i z ed e c o u p l i n gc o n t r 0 1 s i m u l a t i o n1 e s u l t sv e r i f yt h e v a l i d i t yo ft h ep r o p o s e dc o n t r o l l e r t ov e r i f yt h ep r o p o s e da l g o r i t h m ，t h i sp a p e rd e s i g n sa ne x p e r i m e n t a l s y s t e mf o ra5 - k v as h u n ta c t i v ep o w e rf i l t e r i nw h i c ht h ec o n t r o lc i r c u i ti s r e a l i z e d u s i n gd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o rt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a i nt h ea s s e m b l y l a n g u a g ep r o g r a m ，c r o s s - z e r oc o m p a r ea n dd i g i t a ll o w p a s sf i l t e ri sr e a l i z e d w i t hs o f t w a r e ，s oh a r d w a r eo ft h es y s t e mi ss i m p l i f i e da n ds t a b i l i t yo ft h e s y s t e mi si n c r e a s e d e x p e r i m e n t a lr e s u l t sv e r i f yt h ef e a s i b i l i t ya n dv a l i d i t yo ft h ep r o p o s e d c o n t r o lc i r c u i ta n dc o n t r o la l g o r i t h m a n dt h e s ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sg i v ea g o o dr e f e r e n c ef o rt r u ea p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：a c t i v ep o w e rf i l t e r ，h a r m o n i cc o m p e n s a t i o n ，d i g i t a lc o n t r o l ， d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) 第一章绪论 第一章绪论 电力电子装置的广泛应用。加剧了对电网的污染。尤其近年来各种开 关电源、不问断电源和电压型逆变器等装置的容量及用量越来越大，使电 网中的谐波问题日益严重【t - 3 1 。面对这种状况，抑制电网中的谐波、提高 装置的功率因数已成为电力电子技术、电气自动化技术及电力系统研究领 域所面i i 缶的一个重大课题，正受到人们越来越多的关注。 1 1谐波问题 电力系统中谐波的定义是对周期性非正弦电量进行傅立叶级数分解， 除了得到与电网基波频率相同的分量，还得到一系列大于电网基波频率的 分量，这部分分量称为谐波。谐波频率与基波频率的比值( n = f n ) 称 为谐波次数。电网中有时也存在非整数倍谐波称为分数谐波。谐波实际 上是一种干扰量。使电网受到“污染”。 电力系统的谐波问题早在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，由于使用静止汞弧变流器而造成了电压、电流波形的 畸变。到了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、工业、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【4 6 1 。 谐波对电网及其它系统的危害有以下几个方面： 1 谐波使电网中的元件产生了附加的谐波损耗，降低了发电、输电 和用电设备的效率。 2 谐波影响了各种电气设备的正常工作。谐波会使电机产生机械振 动、噪声和过电压，使变压嚣局部严重过热；还会使电容器、电 缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短，以致损坏。 3 谐波会引起电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大， 大大增加了上述的危害，并可能引起严重事故。 4 谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，并会使电气测量仪表 中田科学院电工研究所磺士学位论文 基于i ) s p 芯片的有潭电力滤波器数字控制系统研究 测量不准确。 5 谐波对通信系统和电子设备会产生严重的干扰。 对谐波进行研究其意义一方面在于对谐波影响及危害的分析，另一 方面在于其对电力电子技术自身发展的影响。电力电子技术是未来科学技 术发展的重要支柱。有人预言，电力电子连同运动控制将和计算机技术一 起成为2 1 世纪最重要的两大技术。 1 2 谐波抑制 为抑制和消除电力电子装置和其它谐波源的谐波，基本恩路有两种： 一种是装设谐波补偿装置来补偿谐波，这对各种谐波源都是适用的；另一 条是对电力电子装置本身进行改造，使其不产生谐波，且功率因数可控制 为1 。这只适用于作为主要谐波源的电力电子装置。下面介绍两种目前电 力系统使用最广泛的抑制谐波方法。 1 l c 无源滤波器 l c 无源滤波器是一种常用的谐波补偿装置。它的基本工作原理是利 用l c 谐振回路的特点抑制向电网注入的谐波电流。当谐振回路的谐振频 率和某一高次谐波电流频率相同时，则可将该次谐波电流滤除，使其不会 进入电网，多个不同谐振频率的谐振回路可滤除多个高次谐波电流。这种 方法简单易行，既可补偿谐波又可补偿无功，一直被广泛使用。但这种 方法的补偿特性受电网阻抗和运行状态影响，易和系统发生燕联谐振；导 致谐波放大，使l c 滤波器过载甚至烧毁。此外，它只能补偿固定频率的 谐波，补偿效果也不甚理想。 2 有源电力滤波器( a p f ) a p f 是一种动态无功补偿和抑制谐波的新型电力电子补偿器由静态 功率变流器构成，具有电力电子变流器的高可控性和快速响应性。与无源 滤波器的最大区别在于它是一种向交流电网注入补偿电流，补偿电流的幅 值与负载注入电网的谐波电流大小相等，相位相差1 8 0 。，以抵消负载所 产生的谐波电流。a p f 能有效的解决无源滤波器存在的缺点。是电力系统 无功补偿谐波治理的发展方向。 第一章绪论 1 3有源滤波技术研究现状及发展趋势肌2 】 有源电力滤波器的基本思想在六七十年代就已经形成但由于受到当 时功率半导体器件水平以及控制策略的限制，有源电力滤波器的研制一直 处于试验研究阶段。八十年代以来，由于大中功率全控型半导体器件的成 熟，脉冲宽度调制技术的进步，以及基于瞬时无功功率理论的谐波电流瞬 时检测方法的提出，有源滤波器才得以迅速发展。 国外有源电力滤波器的研究以日本为代表，已步入大量实用化的阶 段。随着容量的逐步提高，其应用范围也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。我国在电力有源滤波器方砸的研究起步 较晚，目前很多大学及科研机构正积极进行这方面的相关研究，部分单位 已经研制出样机并投入试运行。但由于用电机制以及成本等因素，在我国 广泛应用a p f 还需要一段时间。 关于有源电力滤波器技术的研究主要集中在以下几个：亨面： 1 ) 谐波检测理论的进一步研究 许多学者对谐波检测问题进行了广泛、深入的研究，取得了丰硕成果， 形成了丰富多彩的谐波检测理论方法和实现技术。目前主要的谐波检测方 法有基于频域理论的模拟滤波方法基于时域理论的傅立时变换法、小波 变换、瞬时无功功率理论以及神经网络等方法。谐波检测方法研究将以改 善f f t 为主转向研究新的有效方法。由于d f t 、f f t 受使用条件的限制， 对瞬时无功理论、神经网络、小波变换、遗传算法等开展深入研究是一种 必然选择，这些新的检测方法被广泛应用也是一种发展趋势。 同时谐波理论研究从以传统谐波理论研究为主转向通用谐波理论。传 统的谐波理论很少关注不同次谐波之间产生的畸变功率问题以及非稳态 谐波问题，已经不能完全适应电力系统复杂化的客观实际，探索适用于复 杂化系统的通用谐波理论以及新的谐波评定方法。不仅是谐波理论自身发 展的需要，更是解决电力系统谐波问题的客观需要。 2 ) 进一步降低装置容量 有源电力滤波器容量与其它三相交流电力设备的容量定义相同。有源 电力滤波器中最基本的是并联型，其容量取决于与装置连接的交流回路电 中国科学院电工研究所硕士学位论文基于i ) s p 芯片的有懑电力滤波器数字控制系统研究 压有效值与补偿电流有效值的乘积。并联型有源电力滤波器与谐波源负载 所接的交流电压相同，因此装置的容量主要由补偿电流决定。而补偿电流 的大小和装置的补偿目的有关，即有源电力滤波器仅仅是只补偿谐波还是 要同时补偿谐波和无功。只补偿谐波时，有源电力滤波器的补偿电流与负 载电流的谐波分量大小相等而方向相反，两者的有效值是一样的。这种情 况下，装置的容量取决于负载电流中谐波的大小。如果要求有源电力滤波 器同时补偿谐波和无功，则装置容量由补偿对象中谐波组成及要求补偿无 功的程度共同决定。 由于有源电力滤波器的价格要远远高于无源滤波器，为降低补偿装置 的投资，主要办法就是降低有源电力滤波器的容量。目前的主要思路是将 有源电力滤波器和无源滤波器混合使用，用无源滤波器滤除谐波源中主要 的谐波电流，用有源电力滤波器来提高总体的补偿效果，这就是混合型有 源电力滤波器。还有学者提出其他方法，如注入回路方式等，主要目的也 是降低有源电力滤波器的容量但未实用。 3 ) 控制系统的简化 有源电力滤波器为了能及时产生补偿电流以抵消谐波源负载的谐波 电流，要求其控制电路必须实时检测、计算补偿对象的谐波电流。目前完 成这部分工作的主要是基于瞬时无功功率理论的各种检测计算电路。实现 时多为模拟电路其线路较为繁琐、结构较为复杂。许多学者一直在寻找 比较简单的方法来完成这部分工作。目前，随着高速数据处理芯片d s p 的日益发展采用数字化方法成为实现这部分工作的主要方法。 4 ) 补偿装置的多功能化 有源电力滤波器本身除能补偿谐波外，通过在控制电路上加以改造还 可以补偿基波无功、电压闪变以及电压的不平衡等功能。有关这部分的研 究也引起许多学者的关心并取得了许多的研究成果。 1 4 课题意义及主要研究内容 面对电力谐波的危害日益广泛的状况，谐波治理问题就显得十分必要。 目前常见的l c 无源滤波器虽然简单易行，具有投资少、效率高、运行可 第一章绪论 靠等优点，但也存在着很多缺点。其补偿特性易受电网阻抗和运行状态的 影响，易和系统发生并联谐振，导致谐波放大，使l c 滤波器过载甚至烧 毁。此外，它只能补偿固定频率的谐波，补偿效果也不是很理想。 有源电力滤波器作为一种能明显改善电能质量的关键技术，能很好的 克服传统l c 无源滤波的缺点。但目前我国的有源滤波技术仍处于研究试 验阶段，在容量、成本、稳定性等方面都还没达到实用化韵要求，因此加 强对有源滤波技术的研究，推动其在工业中的实际应用。是一个具有重要 意义的课题。 本文对并联型有源电力滤波系统的工作原理、系统结构、现有谐波检 测方法、现有控制方法进行了系统的分析。基于传统的a p f 多用模拟电路 实现，电路复杂且成本较高。本文以特定三相三线制三相对称系统中电流 为研究对象，以主要补偿三相电路中谐波为目的，设计完成基于d s p 芯片 的三相并联型电力有源滤波器数字控制系统。 本文提出了改进的三角波方式的控制算法，并对以d s p 为核心的控制 系统的硬件结构以及软件结构进行了详细介绍。实验结果证明了该控制系 统的正确性和有效性。 中田科学院电工研究所硕士学位论文基于d s p 芯片的有漏电力滤波器数字控制系统研究 第二章有源电力滤波器的工作原理及结构 有源电力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，它能对大小和频率都变化的谐波以及变化的无功进行补偿，其应用 可克服l c 滤波器等传统的谐波抑制和无功补偿方法的缺点。本章主要介 绍有源电力滤波器的基本工作原理和结构，对主电路的设计也进行了简要 的介绍。 2 1有源电力滤波器的基本原理 图2 一l 所示为有源电力滤波器系统构成的原理图。图中，负载为谐波 源，它产生谐波并消耗无功。有源电力滤波器系统由两大部分组成，即指 令电流运算电路和补偿电流发生电路。其中，指令电流运算电路的核心是 检测出补偿对象中的谐波和无功等电流分量，因此有时也称之为谐波和无 功电流检测电路。补偿电流发生电路的作用是根据指令电流运算电路得出 的补偿电流的指令信号，产生实际的补偿电流。主电路目前均采用p w m 变流器。 圈2 - i 基本原理圈 图2 1 中。有源电力滤波器的基本工作原理为，检测补偿对象的电压 和电流，经指令电流运算电路计算得出补偿电流的指令信号该信号经补 偿电流发生电路放大，得出补偿电流，补偿电流与负载电流中要补偿的谐 波及无功等电流抵消，最终得到期望的电源电流波形。 例如，当需要补偿负载所产生的谐波电流时，有源电力滤波器检测出 补偿对象负载电流f l 中的谐波成分i l h ，将其反极性后作为补偿电流的指令 第二章有潭电力滤波嚣的工作原理及结构 信号i 。，这样由补偿电流发生电路产生的补偿电流f c 与负载电流中的谐 波分量i l h 大小相等、方向相反，因而两者互相抵消，使得电源电流f s 中 只含基波，不含谐波。这样就达到了抑制电源电流中谐波的目的。上述原 理可用如下的一组公式描述： ，s = 九+ i c i l 。i l f 4 - i l h f c 一一j l h i l ；i l + i c = i l l 式中f l f 为负载电流的基波分量。 由此可知，有源补偿装置实现的关键是： 制方法；主电路的设计。 2 2 有源电力滤波器的系统构成 ( 2 i ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 谐波电流的检测：适当的控 根据有源电力滤波器接入电网的方式，将其系统构成分为并联型和串 联型两大类。两者又分别包括不同的类型，如图2 2 所示。 图2 - 2 有源电力滤波器的系统构成分类 中国科学院电工研究所胡士学位论文 基于d s p 芯片的有谭电力滤波器数字控制系统研究 最早的有源电力滤波器为单独使用的并联型有源电力滤波器，后来为 尽量发挥有源电力滤波器的特长、提高性能，并尽量减小其容量，提出了 其它的几种方式。下面介绍几种方式有源电力滤波器的系统构成和特点。 2 2 1 并联型青源电力滤波器 1 单独使用的并联型有源电力滤波器 单独使用的并联型有源电力滤波器 系统构成的原理如图2 3 所示。图中， 负载为产生谐波的谐波源，变流器和与 其相连的电感、直流侧贮能元件( 图中 为电容) 共同组成有源电力滤波器的主 电路。与有源电力滤波器并联的小容量 一阶高通滤波器( 或采用二阶高通滤波 器) 用于滤除有源电力滤波器所产生 的补偿电流中开关频率附近的谐波。此 处的原理图均以单线图画出，它们均可 用于单相或三相系统。 圈2 - 3 单独使用的并联型有源电力 滤波器 由于有源电力滤波器的主电路与负载并联接入电网，故称为并联型。 又由于其补偿电流基本上由有源电力滤波器提供，为与其他方式相区别， 称之为单独使用的方式。这是有源电力滤波器中最基本的形式，也是目前 应用最多的一种。 这种方式可以用于： 1 ) 只补偿谐波： 2 ) 只补偿无功功率，补偿的多少可以根据实际需要连续调节； 3 ) 补偿三相不对称电流： 4 ) 补偿供电点电压波动； 5 ) 以上任意项的组合。 在这种方式中只要采用适当的控制方法就可以达到多种补偿的目 的，它可以实现的功能最为丰富灵活。 第二章有一电力滤波器的工作原理及结构 但是，由于交流电源的基波电压直接( 或经变压器) 施加到变流器上， 且补偿电流基本由变流器提供，故蔓求交流器具有较大的容量。这是这种 方式的主要缺点。 2 与l c 滤波器混合使用方式 这种方式正是为克服上一种方式要求容量较大这一缺点而提出的。其 基本思想是利用l c 滤波器来分担有源电力滤波器的部分补偿任务。由于 l c 滤波器与有源电力滤波器相比，其优点在于结构简单、易实现且成本 低，而有源电力滤波器的优点是补偿性能好。两者结合使用，既可克服有 源电力滤波器容量大、成本高的缺点，又可使整个系统获得良好的性能。 并联型有源电力滤波器与l c 滤波器混合使用的方式又可以分为两 种：一种是有源电力滤波器与l c 滤波器并联；另一种是有源电力滤波器 与l c 滤波器串联。 图2 4 并联型有源滤波器与 l c 滤波器并联方式之一 图2 - 5 并联型有源滤波器与 l c 滤波器并联方式之二 图2 - 4 是有源电力滤波器与l c 滤波器并联方式的一种。有源电力滤 波器与l c 滤波器均与谐波源并联接入电网，两者共同承担补偿谐波的任 务，l c 滤波器主要补偿较高次的谐波，是一个高通滤波器。这里，高通 滤波器，一方面用于消除补偿电流中因主电路中器件通断而引起的谐波， 另一方面它可滤除补偿对象中次数较高的谐波，从而使得对有源电力滤波 器主电路中开关频率的要求可以有所降低。这种方式中，由于l c 滤波器 只分担了少部分补偿谐波的任务。敌对降低有源电力滤波器的容量起不到 明显的分担作用。但因对有源电力滤波器主电路中器件的开关频率要求不 一一 中国科学院电工研究所硕士学位论文基于d s p 芯片的有源电力滤波嚣数字控制系统研究 高，故实现大容量相对容易些。 图2 5 所示为有源电力滤波器与l c 滤波器并联的另一种方式。在这 种方式中，l c 滤波器包括多组单调谐滤波器及高通滤波器，承担了绝大 部分补偿谐波和无功的任务。有源电力滤波器的作用是改善整个系统的性 能其所需的容量与单独使用方式相比可大幅度降低。 从理论上讲，凡使用l c 滤波器均存在与电网阻抗发生谐振的可能， 因此在有源电力滤波器与l c 滤波器并联使用的方式中- 需对有源电力滤 波器进行有效的控制，以抑制可能发生的谐振。 图2 - 6 所示为并联型有源电力滤 波器与l c 滤波器串联方式的原理图。 该方式中。谐波和无功功率主要由l c 滤波器补偿，丽有源电力滤波器的作 用是改善l c 滤波器的滤波特性，克服 l c 滤波器易受电网阻抗的影响、易与 电网阻抗发生谐振等缺点。这种方式 中，有源电力滤波器不承受交流电源 的基波电压。因此装置容量小。由于 有源电力滤波器与l c 滤波器一起仍是 与谐波源并联接入电网，故仍将其归入 并联型。 图2 - 6 并联型有源电力滤波器 与l c 滤波器串联方式 此外，并联型有源电力滤波器还包括注入电路方式和与旋转电机并用 方式。 2 2 2 串联型有源电力滤波器 串联型有源电力滤波器包括单独使用方式和与l c 滤波器混合使用方 式两种。 1 单独使用的串联型有源电力滤波器 图2 7 是单独使用的串联型有源电力滤波器的原理图。这种方式的特 点是有源电力滤波器通过变压器串联在电源和谐波源之间，相当于一个受 第二章宥舅电力滤波嚣的工作原理及结构 控电压源。 在多数情况下，并联型有源电力 滤波器主要用于补偿可以看作电流源 的谐波源，典型的如直流侧为阻感负 载的整流电路。此时有源电力滤波 器向电网注入补偿电流，抵消谐波源 产生的谐波，使电源电流成为正弦波。 在这种情况下，并联型有源电力滤波 器本身表现出电流源的特性。 图2 7 单独使用的串联型有源电力 滤波器 串联型有源电力滤波器与并联型有源电力滤波器不同，主要用于补偿 7 可看作电压源的谐波源。这种谐波源的一个典型例子是电容滤波型整流电 路。针对这种谐波源，串联型有源电力滤波器输出补偿电压，抵消由负载 产生的谐波电压，使供电点电压波形成为正弦波。串联型与并联型可以看 作是对偶的关系。 2 与l c 滤波器混合使用方式 圈2 - 8 串联型有源电力滤波器与l c 滤波器混合使用方式 图2 - 8 是这种方式的原理图。这种方式是在并联的负载和l c 滤波器 与电源之间串入有源电力滤波器。其特点与图2 - 6 所示的方式类似，谐波 基本由l c 滤波器补偿，而有源电力滤波器的作用是改普l c 滤波器的滤 波特性。可将有源电力滤波器看作一个可变阻抗它对基波的阻抗为o ， 对谐波却呈现高阻抗，阻止谐波电流流入电网，而迫使谐波电流流入l c 中田科学院电工研究所硬士学位论文基于d s p 芯片的有潭电力滤波嚣数字控制系统研究 滤波器。换言之有源电力滤波器起到了谐波隔离器的作用。这样还可抑 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 滤波器的性能。 2 3 有源电力滤波精主回路结构及理论分析 2 3 1 主回路结构 有源电力滤波器的主电路形式通常采用单个p w m 逆变器结构，其按 直流侧储能元件为电容或电感分为电压型、电流型。就结构而言，两种电 路与变频器的主电路基本相同。只是因应用场合不同。要求不同。控制方 法也不同。对于某些需要大容量有源电力滤波器的场合，若采用单个器件 的容量不易满足要求，有关文献提出可采用多重化的主电路形式【1 3 - f 5 i 。 图2 - 9 和2 1 0 图分别示出 了可应用于三相三线制系统的 电压型和电流型两种主电路，图 中a 、b 、c 接至三相电源，v 1 、 v 3 、v 5 和v 4 、v 6 、v 2 为各组 开关器件的代号。图中所画的电 v 1v 3 v 5 力电子开关器件为i g b t ，实用 中可在g t o 晶闸管、b j t 、i g b t 、 电力m o s f e t 等器件中选择。 下面简要概括电压型和电 流型两种主要电路的一些基本 特点。 b 1 ) 电压型p w m 逆变器的 。 直流侧接有大电容，在正常工 作时，其电压基本保持不变， 可看作电压源；电流型p w m 逆变 器的直流侧接有大电感，在正常工 图2 - 9 三相电压型p w m 逆变器 图2 - 1 0 三相电流型p w m 逆变器 f 止蠢 第二章有谭电力滤波嚣的工作原理及结构 作时，其电流基本保持不变，可看作电流源。 2 ) 对于电压型p w m 逆变器，为保持直流侧电压不变，需要对直流侧 电压进行控制；对于电流型p w m 逆变器，为保持直流侧电流不变，需要 对直流侧电流进行控制。 3 ) 电压型p w m 逆变器的交流侧输出电压为p w m 波，电流型p w m 逆交器的交流侧输出电流为p w m 波。 与电压型p w m 逆变器相比，电流型p w m 逆变器的一个优点是，不 会由于主电路开关器件的直通而发生短路故障。但是，电流型p w m 逆变 器直流侧大电感上始终有电流流过，该电流将在大电感的内阻上产生较大 的损耗，因此目前较少采用。 图2 - 1 1 为采用电压型p w m 逆变器的并联型有源电力滤波器的主回路 等效模型a 图中p 。、“及g 。为电网电压，i 。、 i 。b 及i 。为a p f 输出电流， l 为注入电感。三对器件看作理想开关，并工作于互补开关状态，即上桥 臂通则下桥臂断，反之亦然。令前者状态为l ，后者状态则为0 。u c 出为 直流电容电压。假设电容量足够大。可看作恒压源。i 1 为电网中性点， 为直流侧电容的负端。 图2 - i ia p f 主回路等效模型 n u ? 中嗣科学院电工研究所确士学位论文基手d s p 芯片的有谭电力滤波器数字控制系统研究 设电网电压为正弦波并且三相对称，可推导出逆变器a 、b 、c 三点 处的电压值。 因为 仇 = u k n - - 乩( k = 口，b ，c ) ( 2 5 ) 而仉。又可写作 乩警i 他叫，咖) ( 2 6 ) 由于没有中线，故 e 。+ + e 。= 0 ( 2 - 7 ) f 。+ f + j 。= 0 ( 2 - 8 ) 丢( 。“。) = 0 ( 2 9 ) 由式( 2 - 6 ) ，综合上述各式，得 c ，删+ c ，h + u 埘= 0 ( 2 - 1 0 ) 再由式( 2 5 ) 得 u = u , , n + u h n + u n ) 再将上式代入式( 2 - 5 ) 得 = 甄一扣。+ u 一= 詈【，。一 c u 。，+ u 。 = 2 _ 3 u 扩 ( + ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 对应于三对开关的不同组合状态，可得到八种等效电路，如图2 1 2 所示。 如图中的( a ) ，三相对应状态为0 1 1 ，因此有乩= o ，0 h = v = u c 如。 由式( 2 1 2 ) 、式( 2 1 3 ) 、式( 2 - 1 4 ) 可得u 。_ 2 3 u ，罐【，h = ；u ， u 。= u f * 又如图中的( h ) 。三相对应状态为1 1 1 ，因此有仉= u 6 n = u c = u c 如 故可求得乩。= 。= 以= 0 。 ，1 4 第二章有谭电力滤渡器的工作原理及结构 ( a ) ( d ) ( e ) ( g ) ( h ) 图2 - 1 2a p f 主回路等效状态图 式( 2 - 6 ) 可改写为 一， 二告 = 一p + k i ( f ) ( ，州。( k = a ，b ，c ) ( 2 15 ) “l 式中k k ( m ) 对应于图2 1 2 中的各种状态，称为开关函数。例如图( a ) 中， 开关函数分别取值为k o ( 0 1 1 ) = 一，k b ( 0 1 1 ) = i 1 ，眨( 0 1 1 ) = 妄，而在图( h ) jjj 中。开关函数分别取值为亿( 1 1 1 ) = k b ( 1 1 1 ) = 疋( 1 1 1 ) = o 。其余状态可以类推。 从式( 2 1 5 ) 可知，有源电力滤波器输出电流的变化率不仅与开关二 作状态肘有关，还与电容电压坼出。电感参数l 以及电网电压e 有关。 同时，k d m ) 的取值不仅与本相的开关状态有关，还受其他两相开关状态 的影响。这些因素都使主回路工作过程的理论分析变得十分困难。 在实际的主回路分析中。最关心的是两个问题一是开关器件的平均 工作频率及最高工作频率；二是注入电感及直流侧电压的取值能否满足对 a p f 输出电流控制的需要。 晕 n 一 二一 中国科学院电工研究所碰士学位论文基于d s p 芯片的有潭电力过渡尊教字拉制系统研究 2 3 2主电路电流跟随特性的理论分析 甜 ：李一- 荆! i p 沼 斟睫朝 协 矾| i l ，) =阱 ( 2 18 ) 于是式( 2 - l5 ) 可写成矩阵形式 j l - ，- i c = - - e + 矾旧 ( 2 一1 9 ) f 对应于圈2 - 1 2 中( a ) ( h ) 八个子图，a p f 有八个开关状态，列 于表2 1 中。、值为以以如为单位。 表2 - 1a p f 主回路开关状态列表 1 6 - 1j 竹 恤 讹 u u u ) m m m 髟以疋 、oo000且 ：巫2 一 _ 图号mabcj 匕f 加 j ( j 巳( 加d 台 g oo0 o oo0( io bllo02 3- 1 31 3l 0 d 20 101 ，32 31 ，31 2 历2 e3llol ，3l ，32 3l f 2 压2 c4o0l一1 3- l 32 3，l 2压2 f5 l oll ，32 31 ，31 ，2 以，2 a60l12 1 31 3l 31o h 7ii10o0 0 o 第= 覃青谭电力滤艘墨的工作原理及结构 根据表2 - l 中仉及的值，可以确定以m ) 项点的位置，其中矾1 ) 以6 ) 都成了正六边形的顶点，酞o ) 和7 ) n 于坐标系零点a 这些情况示 于图2 一1 3 中。 故6 ) 图2 1 3电压矢量图 图2 1 4a 露与电压矢量差关系图 下面分析可控区域。设主回路输出电流在控制信号变化时，产生的电 流误差为 a i 。= f e 一厶 ( 2 - 2 0 ) 式中厶+ 表示理论上a p f 应该输出的电流，或称参考电流。i 。为a p f 实际 输出的电流。将式( 2 - 2 0 ) 代入式( 2 - 1 9 ) 中，可得 丢出c = ( 丢p + 幻一矾加( 2 - 2 1 ) 令；i 。+ e = p o( 2 - 2 2 ) 讲 式( 2 2 1 ) 可写成 ；a i 。= e o 一，( 加 ( 2 - 2 3 ) a t 上式的直观意义是j 。的变化受电压矢量差e o 一，( 加的控制。误差电 流厶与电压矢量差的关系示于图2 1 4 中。在特定的a p f 中，e o 已经选定， 因此电压矢量差中能唯一调整的是矾m ) 。设误差电流j 。的三相分量的坐 标基如图2 15 所示，即为f 。、a i 。b 、a i 。，图中三条虚线为与f 。厶b 、 ，c 。相垂直的轴线。在这三条轴线上，厶的三个分量的投影分别为零，故 分别命名为a i 。= 0 ，f 。b = 0 ，a i 。= o 。这三条线将平面分成六个区域。 中国科学院电工研究所硕士学位论文基于d s p 芯片的有潭电力滤波器数字控制系统研究 = 0 一t 。= 0 “ 图2 一1 5 分量坐标图 按照电流跟踪p w m 控制方法。当l 。处于区域时，在三个坐标基 上的分量f 。 0 ，a i 。b 0 ，a i 。 o 。此时硪m ) 的三个分量u 。( m ) o ， u d m ) 0 ，u c 就 上升，可以达到任意值，这一点可以由电路中交流侧电感的贮能作用和对 功率器件通断的控制来保证。但在实际电路中，器件的耐压是有限的，这 就限制了的允许值，不可能使其无限上升。 反之，若p 。 0 ，例如电路中有损耗，或有源电力滤波器向外传送能 量等，直流侧电容上能量将减少，使得u c 值下降。 本文所述的有源电力滤波器实验系统以三相桥式不可控整流器为补 偿对象，仅对补偿对象中的谐波电流进行补偿。图4 - 9 所示为瞬时有功电 流如的波形，该波形反映了补偿对象有功电流波动的情况。图4 一1 0 所示 为有源电力滤波器直流侧电容电压u c 的波形。由波形可看出，基本恒 定。理论上，坼会随波动而波动。但由于变化的幅度除了和能量传 递的多少有关以外还和电容量有关，因此当电容量足够大时，的波动 情况不明显。 第四章并联型有蠢电力滤被嚣控制技术的研究 z l l 5 5 n 舶_ 一、广_ 、r 、 产、尸、i ，一、，- 、ir 、产、- ，- 、 产、，_ 、 u t ( 5 m _ 坷吣 圈4 - 9 瞬时有功电流的波形 4 5 本章小结 t ( t o m , a i r ) 图4 - 1 0 只补偿谐波时u c 的波形 本章以传统的三角波比较的p w m 产生方式和第三章所述的、运 算方式的谐波检测方法为基础，提出一种改进的三角波比较方式的控制策 略。仿真结果证明了该方法的正确性和有效性，为下一步的实验提供了参 考和依据。同时还对有源电力滤波器主电路直流侧电容电压的控制方法及 原理进行了详细介绍，并给出了实验波形。 里登兰堡电工研究所确士学位蹙宴基于d s p 芯片的有谭电力滤波器教宇控制系统研究 第五章有源电力滤波器实验系统设计 本文完成一个容量为5 k v a 并联型有源电力滤波器实验系统的设计。 该系统采用本文所提出的改进的三角波比较方式控制策略对系统进行控 制。谐波源为带电阻负载的三相不可控整流桥，该有源电力滤波器对其进 行谐波补偿。有源电力滤波器的控制系统是基于d s p 芯片构成的。本章主 要对整个系统的硬件设计及软件结构进行介绍。 5 1 系统总体结构 并联型有源电力滤波器实验系统总体结构如图5 - l 所示。实验系统以 特定三相三线制对称系统中电流为研究对象，以主要补偿三相电路中谐波 电流为目的。 电流 图5 - 1 实验系统结构图 c 图中谐波源为三相二极管桥式整流器。其直流侧带3 0 欧功率电阻。 逆变器主电路采用p m l 0 0 d s a l 2 0 型i p m 模块，附以驱动电源、光耦隔离、 直流侧电容、注入电感等构成整个有源电力滤波器主电路。所需的电压、 电流信号经传感器转化为d s p 可以直接接收的电压信号，供d s p 采集和 第五章有谭电力滤波嚣实验系统设计 控制使用。 逆变器工作的最大开关频率设定为1 0 k h z 。电网与谐波负载间串联 1 m h 的平波电感s ，注入电感l = 1 2 m h ，直流侧电容c 由4 个6 8 0 0 p f 4 5 0 v 的电容串联而成，即总电容值为1 7 0 0 p f ，额定电压为1 8 0 0 v - 为抑制干扰 和噪声对逆变电路的冲击。可在每相i p m 模块极间并入0 1 p f 的吸收电容。 5 2 控制系统硬件设计 本文设计的并联型有源电力滤波器采用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p 芯片构 成系统控制电路的核心整个硬件系统结构如图5 - 2 所示，主要包括存储 器扩展电路、a d 和d a 电路、系统复位保护电路、p w m 波形输出电路 等部分。 图5 - 2 控制系统硬件结构图 输出三 相p w t , t 波 5 2 1d s p 的选取t 4 3 _ 4 1 数字信号处理器( d s p ) 已经发展了2 0 多年，最初仅在信号处理领域 内应用。近年来，随着半导体技术的发展。其高速运算能力使很多复杂的 控制算法和功能得以实现，同时将实时处理能力和控制器的外设功能集于 一身，在控制领域内也得到了很好的应用。数字控制系统克服了模拟控制 中圈科学院电工研究所硬士肇位论文 基于d s p 芯片的有谭电力羹波器数字控制系统研究 系统电路功能单一、控制精度不高的缺点，它抗干扰能力强，可靠性高， 可实现复杂控制，增强了控制的灵活性。 有源电力滤波系统控制算法复杂选取适合的d s p 芯片对于提高系统 性能是极为重要的方面t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 是美国t 【公司推出的高性能1 6 位定点数字信号处理器，它专门为数字控制设计，集d s p 的高速信号处理 能力及适用于控制的优化外圉电路于一体，在数字控制系统中得以广泛应 用。t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 系统组成包括l4 0 m h z 、4 0 m i p s 的低电压( 3 3 v ) c p u 、片内存储器、事件管理器模块、片内集成外围设备。其体系结构框 图如图5 3 所示。 悸 1 6 位t 膏存曩 1 6 1 6 囊法嚣 3 2 位p 寄存鼍 叠i橘形移位嚣 3 2 位a l u 3 2 位曩加馨 8 十辅助寄存嚣 2 十状志寄存 事件管理嚣 4 0 路数字i l o 暑门柯定时嚣 s c l 蝎p i k n a d 转换嚣 n 瓣面i 蕊 巨堕 图5 - 3t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 体系结构框图 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的c p u 是基于t m $ 3 2 0 c 2 x x 的1 6 位定点低功耗内 核。体系结构采用四级流水线技术加快程序的执行，可在一个处理周期内 完成乘法、加法和移位运算。其中央算术逻辑单元( c a l u ) 是一个独立 的算术单元，它包括一个3 2 位算术逻辑单元( a l u ) 、一个3 2 位累加器、 一个1 6 1 6 位乘法器( m u l ) 和一个1 6 位桶形移位器。同时乘法器和累 加器内部各包含一个输出移位器。完全独立于c a l u 的辅助寄存器单元 ( a r a u ) 包含八个1 6 位辅助寄存器，其主要功能是在c a l u 操作的同 襟耍耋f 儿丽斧 戛 竖赞 第五覃有一电力滤波器实验系统设计 时执行八个辅助寄存器( a r 7 至a r 0 ) 上的算术运算。两个状态寄存器 s t o 和s t l 用于实现c p u 各种状态的保存。 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 采用增强的哈佛结构，芯片内部具有六条1 6 位总线， 即程序地址总线( p a b ) 、数据读地址总线( d r a b ) 、数据写地址总线 ( d w a b )