（电力电子与电力传动专业论文）并联型电力有源滤波器的谐波检算及控制策略研究.pdf

韭峦奎适五堂逐擅堂位论塞旦s 至! a b s t r a c t a b s t r a c t ：a l o n g w i t ht h ed e v e l o p m e n to f p o w e re l e c t r o n i c st e c h n o l o g y , a sw e l la s i m p r o v e dr e q u i r e m e n to fp o w e rq u a l i t y , h a r m o n i cs u p p r e s s i o na n dr e a c t i v ep o w e r c o m p e n s a t i o n h a sg o tm o r ea t t e n t i o n a sad y n a m i cc o m p e n s a t i o ne q u i p m e n t , a c t i v e p o w e rf i l t e rh a sm u c hl a r g e ra d v a n t a g e st h a no t h e rc o m p e n s a t i o nm e t h o d s c o m p a r e d w i t l lo t h e rk i n d so fa p et h i sp a p e rc h o s et h r e ep h a s es h u n ta p ft os t u d ya n dp u t s f o r w a r dad e s i g no fs h u n ta c t i v ep o w e rf i l t e rb a s e do nd s pc o n t r 0 1 w i t hs p e c i a l a t t e n t i o no nh a r m o n i cd e t e c t i o na n dc o n t r o ls t r a t e g y t h e r ea r ep - qm e t h o d ，i p - i qm e t h o db 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 y a n dd q 0m e t h o db a s e do nd q 0t r a n s f o r m a t i o nt ob es t u d y t h r e em e t h o d sc a l c u l a t i o n r e s u l t sw e r ec o m p a r e du n d e rd i 巧：r e n tv o l t a g ec i r c u m s t a n c e sw i t hs i m u l a t i o n 3 0b a n d s f i n i t ed i g i t a lf i l t e rw a sd e s i g n e dw h i t c hd y n a m i cr e s p o n s et i m ei s6m sa tt h es a m p l i n g f r e q u a n c yo f5k h z t w oc u r r e n tt r a c k i n gc o n t r o lm e t h o d sw e r ed i s c u s s e da n d 丘x e d f r e q u e n c yh y s t e r e s i s l o o pc o m p a r a t o rw a sc h o s e na c c o r d i n gt h er e q u i r e m e n to fi g b t d c v o l t a g ec o n t r o lm e t h o dw a ss t u d i e di nt h et w od e t e c t i n gm e t h o d ad e s i g no fc o n t r o ls y s t e ms e l e c t i n gd s pa st h ec o n t r o lc o r ea n di t sh a r d w a r e d e s i g na n ds o f t w a r ef l o wa r ei n t r o d u c e di nd e t a i l t h er e s u l t sv a l i d a t et h em e t h o do f r e a c t i v ea n dh a r m o n i cc u r r e n td e t e c t i o na n dc o n t r o ls t r a t e g yi nt h ed i s s e r t a t i o n , a n da l s o m e e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n to f a p f r k e y w o r d s ：a c t i v e p o w e rf i l t e r ；r e a c t i v ep o w e r ；h a r m o m c c i ：assn0 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学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：靳丹 导师签名： f 药钮j 帕 签字日期：3 d 曰年1 2 月2 f 日 签字日期：d 7 年j z 月b f 日 独创性声明 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，也不包含为获得北京交通大学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：签字日期：年月日 致谢 光阴荏苒，我的研究生生活即将结束，在此论文完成之际，特向所有关心支 持我的亲人、老师、同学们表示由衷的谢意。 首先感谢我的父母，我的每一分成功都因为他们的欣慰而更有意义。 其次对我的导师汤钰鹏副教授表示深深地感谢。汤老师从本科时候就一直是 我最尊敬的老师，很幸运有缘投其门下。学习上，老师深厚的理论知识，丰富的 实践经验使我所获颇深，时值毕业，我仍然会有些遗憾没能充分利用机会向老师 多学一些知识。在课题研究中，老师在大方向上把关，鼓励我们充分在自己的感 兴趣的领域发挥，尽所有可能让我们得到充分锻炼，同时这篇论文的完成也倾注 了老师很多心血，甚至错字标点都一一校正。生活中，老师极强的责任心和豁达 的人生态度一直是我学习的榜样。深知老师平日对我们要求不高但期望却很高， 所以每一次老师认可和肯定都是推动我做得更好的原动力。 另外，曾国红老师在谐波检算方法、控制原理等方面给与指导，并对我的论 文提出宝贵意见。游小杰老师在有源电力滤波器研究和应用现状方面给予指导。 实验室徐建军、季晓衡、关宇三位老师在实验器材、硬件电路设计上给予帮助和 指导。郝瑞祥老师对超前矫正的控制策略给予指导。在此对各位老师表示感谢。 我的师兄徐嘉鹏和博士李哲峰、王苏敬、唐芬在d s p 硬件和软件设计方面给 予很多建议。我的同学王玲玲、聂晓波、赵晓荣、王伟、刘斌、仁亮、喻杰、刘 洪亮、李勇、史雪明、自锡彬、于学涛、陈丹、徐海涛等在生活中和学习上给我 很多帮助，大家平时对学习中的探讨使我受益很多。 即将完成学业走上工作岗位，我会踏踏实实工作，本本分分做人，不让每一 个关心我的人失望。 最后，向北京交通大学电气学院的全体老师致敬，我的人生中最宝贵的六年 半在交大度过，是你们用辛勤的汗水和无价的知识把我们培养出来。铁打的营盘 流水的兵，在即将离校之际，衷心的祝愿所有老师身体健康，阖家幸福。 引言 1 引言 1 1 谐波抑制和无功补偿的意义 1 1 1 谐波抑制的意义 电力是现代人类社会生产与生活不可缺少的一种主要能源形式。但谐波问题 对电力系统安全、稳定、经济运行构成潜在的威胁，给周围电气环境带来了极大 影响。谐波被认为是电网的一大公害。对电力系统谐波问题的研究已成为电气工 程领域一个重要的研究课题。 感性负载的整流电路所产生的谐波污染和功率因数滞后是众所周知的，而实 际上直流侧含滤波电容的二极管整流电路也是污染严重的谐波源，虽然其输入电 流的基波分量相位与电网电压相位大体相同，位移因数接近一，但其输入电流的 谐波分量却很大，因而总功率因数很低，给电网造成严重污染。逆变和斩波装置 所需的直流电源来自整流电路，尤其是由直流电压源供电的逆变或斩波装置，其 直流电压源大多是由二极管整流再经电容滤波得到的，因此谐波和无功问题也很 严重。此外，彩电和个人电脑等精密家用电器和办公设备，都内含开关电源，它 们的日益普及所带来的谐波污染问题亦日益严重。另外，周波变流器和采用相控 方式的交流电力调整电路都是谐波和无功问题最突出的电力电子装置。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、交通及家用电器中 的应用日益广泛，谐波所造成的危害已日益严重【l l ： ( 1 ) 谐波使电能产生传输和利用的效率降低，使电器设备过热、产生振动和 噪声，并使绝缘老化，使用寿命缩短； ( 2 ) 谐波引起电力系统局部串并联谐振使谐波含量放大造成电容器等设备烧 毁。 ( 3 ) 谐波还会引起继电保护和自动装置误动作。 ( 4 ) 谐波使电能计量出现混乱。 ( 5 ) 谐波会对邻近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量：导 致信息丢失，使通信系统无法正常工作。 因此，改善电能质量，采用一定措施抑制谐波的产生或在生成谐波的负载侧 进行补偿已成为目前的重要趋势。 北京交通大学硕士学位论文 1 1 2 无功补偿的意义 人们对有功功率的理解非常容易，而要深刻认识无功功率却并不是轻而易举 的。在正弦电路中，无功功率的概念是清楚的，而在含有谐波时，至今尚无获得 公认的无功功率定义。但是，对无功功率这一概念的重要性，对无功补偿重要性 的认识，却是一致的。 无功功率对供电系统和负荷的运行都是十分重要的。电力系统网络元件的阻 抗主要是电感性的，因此，网络元件和负载所需要的无功功率必须从网络中某个 地方获得。显然这些无功功率要由发电机提供并经过长距离传送，通常也是不可 能的。合理的方法应是在需要消耗无功功率的地方产生无功功率，即无功补偿。 无功补偿的意义主要有以下几点： ( 1 ) 提高供电系统及负载的功率因数，降低设备容量，减少功率损耗。 ( 2 ) 稳定受电端电网的电压，提高供电质量。在长距离输电线中合适的地点 设置动态无功补偿装置还可以改善输电系统的稳定性，提高输电能力。 ( 3 ) 在三相不平衡的场合，通过适当的无功补偿可以平衡三相有功和无功负 载。 谐波抑制和无功补偿虽然是两个相对独立的问题，但两者又有非常紧密地联 系：首先，各类电力电子装置目前已成为供电系统中主要的谐波源，同时其功率 因数也很低，消耗大量的无功功率；再者，补偿谐波的装置通常也都是补偿基波 无功功率的装置，如l c 滤波器、电力有源滤波器等。因此，这里把谐波抑制和无 功补偿两个问题一起研究。 1 2 谐波和无功的补偿方法 解决谐波和无功污染的主要思想有两种：一是装设谐波和无功补偿装置，这 对各种谐波源都是适用的：另外可以通过对电力电子装置本身进行改造，使之不 产生谐波，且功率因数为一。后者的应用主要有：p w m 整流技术，多重化技术， 功率因数校正技术( p o w e rf a c t o rc o r r e c t o r - p f c ) ，矩阵式变频器等。 下面对补偿谐波和无功的电力电子装置进行简要介绍。 对于谐波的抑制，最早的方法是使用l c 无源滤波器，这是由电力电容器、电 抗器( 常用空心的) 和电阻适当组合而成的滤波装置，运行中它和谐波源并联，除起 滤波作用外，它还能补偿无功功率。图1 1 为l c 无源滤波器的原理图。由于它结 构简单、运行可靠、维护方便，得到了广泛的应用。然而，无源滤波器的缺陷却 也是其本身不可弥补的，这些缺陷包括：无源滤波装置金属材料消耗多、体积大； 2 引言 滤波要求和无功补偿，调压要求有时难以协调；滤波效果不够理想，只能做成对 某几次谐波有滤波效果，而很可能对其他次谐波有放大作用，且滤波效果易受元 件或系统参数、以及电网颇率等变化的影响；在某些条件下可能和系统发生谐振， 引发事故；当谐波源增大时，滤波器负担随之加重，以至可能因谐波过载不能运 行等。 图1 1l c 无源滤波器 f i g1 1l c f i l t v r 常用的无功补偿措施除用发电机作为无功功率源外，还有调相机、并联电容 器、并联电抗器和静止无功补偿装置。近年来，静止无功补偿装置( s v c ) ，获得了 很大发展，已被广泛用于输电系统波阻抗补偿以及长距离输电的分段补偿，也大 量用于负载的无功补偿。但是静止无功补偿装置需要电容器和电抗器来贮能，其 晶闸管的作用只是调整电抗器所吸收无功的大小或控制电容器的投切。这样虽能 较好地补偿无功，但不能抑制谐波，甚至因晶闸管的相控工作方式使得补偿器成 为新的谐波电流源。比s v c 更为先进的现代补偿装置是静止无功发生器( s v g ) 。 s v g 也是一种电力电子装置，其最基本的电路仍是三相桥式电压型或电流型交流 电路。s v g 通过不同的控制，既可使其发出无功功率，呈电容性；也可使其吸收 无功功率，呈电感性。采用p w m 控制，即可使其输入电流接近正弦波。 有源电力滤波器( a c t i v ep o w e rf i l t e r ，缩写为a p f ) 是一种用于动态抑制谐 波和补偿无功的新型电力电子装置。自8 0 年代以来，由于新型电力半导体器件的出 现和p w m 技术的发展，以及基于瞬时无功功率理论的谐波电流实时检测方法的提 出，电力有源滤波技术得到了迅速发展。与传统的无源滤波器相比，有源电力滤 波器主要有以下突出优点 2 1 ： ( 1 ) 可对频率和大小都变化的谐波及变化的无功功率进行补偿，且对补偿 对象的变化有极快的响应。 ( 2 ) 同时补偿谐波和无功功率且可连续补偿无功功率。 ( 3 ) 受电网阻抗的影响不大，不容易和电网发生谐振。 ( 4 )由于能跟踪电网频率的变化，故补偿特性不受电网频率变化的影响。 ( 5 ) 既可对一个谐波和无功源单独补偿，也可对多个谐波和无功源集中补 偿。 节一 = 工j。里一 。 加 工j；1工一 一 。 1 3 e 。( e m 为向电压峰值) ，当i 。为正， 且小于毫时，希望i 。跟随i ：，即要求i 。增大，所以应该闭合开关s 4 。类似道理 可以得出a 相开关通断的逻辑表如表2 1 所示。表中a i 。= i ：l - i 。，电流正方向如 图2 2 2 所示。a ，b ，c 三相电路以此方法各自独立控制。 表2 1a 相开关通断逻辑表 厶i nl 茁s is 4 + + 断通 + 断d a 通 + d i 通断 通 断 并联型有源电力滤波器设计 2 3 4 仿真分析和比较 1 瞬时值比较方法 以下是采用瞬时值比较方法的有源电力滤波器的波形图“”。滞环环宽为0 2 a ， 器件的开关频率被限制最高为i o k h z ，直流侧电容电压为1 0 0 0 v 。 图2 2 3 电源侧电压及电流、负载侧电流和补偿电流波形图 f i g 2 2 3r e s u l to fi n s t a n t a n e o u sv a l u ec o m p a r i n gm e t h o d 图2 2 4 电源侧电流放人波形圈 f i g 2 2 4m a i n s s i d ec u r r e n ta m p l i f i c a t i o n 北京交通大学硕士学位论文 佑 芒 l o 器 、一 主 。 糟 芑 e 再 口 c 3 l l o 水 _ ， c d 至 1 5 1 0 5 0 f u n d a m e n t a l 5 0 h z = 1 6 ，8 1 。t h d = 9 7 0 图2 2 5 瞬时值方法电源电流f f t 分析图 f i g 2 2 5f f t a n a l y s i so f c u r r e n ti ni n s t a n t a n e o u sv a l u em e t h o d f u n d a m e n t a lc s o h z ) = 1 3 i1 。t h d = 2 8 ，0 7 。1i一i一llj _- u - - - _ 。o 02 0 04 0 06 0 08 0 01 0 0 0 ： f r e q u e n c y 即z ) 图2 2 6 负载电流f f t 分析图 f i g 2 2 6f f t a n a l y s i so f l o a dc u “c n t 图2 2 3 第一栏是电源侧电压和电流的波形。从图中可以看到，电压和电流基 本同相位，说明系统中的无功功率得到了很好的补偿。另外，电流波形接近正弦 波，说明负载电流中的谐波分量被有源电力滤波器抵消。第二栏是负载侧的电流 波形，可以看出负载电流不仅含有无功电流还含有谐波电流。第三栏是有源电力 滤波器输出的补偿电流，它的波形与第二栏的负载电流相加，可以看出基本接近 正弦波。 并联型有源电力滤波器设计 从图2 2 4 可以看出采用定时控制的瞬时值比较方法，有源电力滤波器中的开 关器件工作频率最高不会超过i o k h z 。补偿电流的跟随误差也是不固定的，从波形 上看，就是毛刺忽大忽小。这是此种控制方法的不足。 调用s i m u l i n k 中的p o w e r g u i 模块对电源电流和负载电流进行f f t 分析。从图 2 2 5 和图2 2 6 可以看出，有源电力滤波器的负载电流的总畸变率t h d 为2 8 0 7 ，而 电源电流的t h d 为1 0 ，9 2 ，对负载电流中含量较多高次谐波被抑制。可见，有源电 力滤波器系统有着显著的滤波效果。另外，从图2 2 5 可以看出，在负载电流发生 突变的时刻，此时补偿电流的跟随误差比较大，在波形上出现一个很大的尖峰。 而在电源电流比较平缓的地方，电流波形的抖动比较大，器件的开关频率较高。 2 三角波比较方法 采用三角波比较方法的有源电力滤波器仿真模型的波形图如下。模型中的电 流跟踪控制电路的p i 调节器参数为k = o 1 ，k ；= 1 ，三角载波频率为i o k h z ，直流侧 电容电压为1 0 0 0 v ，其余参数与采用瞬时值方法相同。 圈2 2 7 三角波电源电压电流、负载电流及补偿电流波形 f i g 2 2 7r u l to f t d a u g u l w b v ec o m p a r i n gm e t h o d 3 l 北京交通大学硕士学位论文 。 墨 c m e 彤 口 c 丁 m o 器 、一 口 口 至 图2 2 8 三角波电源电流波形放大图 f i g 2 2 8c u r r e n tw a v ea m p l i f i c a t i o no ft r i a n g u l a rw a v ep o w e r f u n d a m e n t a l ( s o h z ) 。2 2 5 2 ，t h d = 8 8 3 图2 2 9 三角波方法f f t 分析图 f i g 2 2 9f f t a n a l y s i so f t r i a n g u l a r w a v em e t h o d 从图2 2 7 及图2 2 8 可以看出，由于瞬时值比较方式实际工作开关频率小于 1 0 k h ：，而三角波比较方法的器件开关频率恒定为1 0 k h z ，所以三角波比较方法的电 源电流波形较瞬时值比较方法的平滑。 3 无差拍定频比较法 采用无差拍定频比较法的有源电力滤波器仿真结果的波形图如下。比较频率 并联型有源电力滤波器设计 为1 0 k b z ，直流侧电容电压为1 0 0 0 v ，其余参数与采用瞬时值方法相同。 图2 3 0 无差拍定频比较法电源电压电流、负载电流及补偿电流波形 f i g 2 3 0r e s u l to f f i x e d - f r e q u e n c yc o m p a r i s o nm e t h o db a s e do i ld e a d b e a tc o n t r o l 图2 3 1 电源侧电流放奎波形幽 北京交通大学硕士学位论文 f r e q u c y 他) 图2 3 2 无差拍定频比较方法f 王叮分析图 f i g 2 3 2f f t h a l y s i so f f i x e d - f r e q u e n c yc o m p a r i s o nm e t h o db a s e d o i ld e a d b e a tc o n t r o l 从图2 3 1 和2 t 3 2 可以看出无差拍定频比较法由于采取了无差拍控制并且取消 了环宽，对比滞环控制谐波畸变率进一步减小。同时可以看出开关频率远小于三 角波比较法。 2 4 电压闭环控制 有源电力滤波器的控制电路主要有两个控制目标：一是使有源电力滤波器输 出的补偿电流跟踪指令电流变化；二是保持主电路直流侧电压的稳定。 对于电压式变流器来说，希望直流侧储能电容器上的电压是一个定值。但是 在变流器实际运行时，很难将直流侧的电压维持在某一给定值。造成储能电容器 电压的波动的原因有两个：一个是有源电力滤波器的工作损耗消耗了电容器的能 量，使其电压降低；另一个则是变流器的开关工作模式造成流入变流器的电流脉 动。其中，可以通过调节输入有源电力滤波器能量的方法来尽量减小第一个因素 对电容器电压造成的波动。而变流器的开关工作模式造成的直流侧电压脉动与电 容器的电容大小直接相关。电容器的电容越小，电压脉动就越大：反之，电容器 的电容越大，电压脉动就越小，但主电路直流侧电压动态响应变慢，电容体积和 造价也会增加，所以要综合考虑。直流侧电容电压u 。可以通过适当的控制，直接 从有源电力滤波器的交流侧获取能量并维持其电压基本为恒定值。 并联型有源电力滤波器设计 2 4 1 i p i q 方式直流侧电压控制 由瞬时无功功率的定义可知，三相瞬时无功总和为零，各相的瞬时无功功率 只是在三相之间交换，对于有源电力滤波器而言，瞬时无功不会导致其交流测和 直流侧之间的能量交换。三相瞬时有功功率之和等于整个三相电路的瞬时有功功 率，不考虑各部分的损耗，有源电力滤波器交流侧的能量将全部传递到直流侧， 即交流侧与直流侧能量的交换取决于书是由功功率。所以要控制直流侧电压值u 。 跟随给定值u 。只需控制交流的瞬时有功功率p ，即控制i p = p , y e 。例如检测到 u 。 | 一补偿侧电流 + 一1 5 v 主电路爿 四路 六路p w m 卜1 5 v 电源模块 j a ： 一1 5 v 图3 1 8 接口示意图 f i g 3 1 8i n t e r f a c e d i a g r a m 5 1 北京交通大学硕士学位论文 4 三相并联型有源电力滤波器控制系统软件设计 三相有源滤波器控制系统中的d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 承担了整个系统采样、 计算和控制，这些工作全部由软件编程实现。软件开发平台选用t i 公司推出的c c s ( c o d ec o m p o s e rs t u d i o ) ，此开发环境及代码编辑、编译、调试等多种功能于一体， 支持断点设置，探针设置，实施波形刷新等，非常方便实用。 就软件开发而言，用d s p 芯片的汇编语言编写程序是一件比较繁杂的事情。 一般说来，不同公司的d s p 芯片所提供的汇编语言是各不相同的，即使是同一公 司的芯片，由于芯片的类型不同( 如定点和浮点) 、芯片的升级换代，其汇编语言也 有所不同。因此，用汇编语言开发基于某种d s p 芯片的产品的周期都相对较长。 而一旦产品开发完毕，回过头来再对软件进行修改、升级是非常困难的，因为汇 编语言的可读性和可移植性相对来说较差。但也并不是说汇编语言没有优点，其 实它最大的优点就是效率高。但是随着d s p 芯片主频和编译效率的不断提高，这 个优点也不是那么明显了。 基于以上原因，本系统的软件设计采用了c 语言来进行开发，使得程序修改 和移植变得十分方便。在使用c 语言编程时，同时注意到应用一些小技巧提高代 码效率，主要有以下几种情况： ( 1 ) d s p 没有硬件除法器，在需要使用除法的情况下，尽量用移位来代替除 法 ( 2 ) t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 是一款3 2 位定点微处理器，不能直接处理小数，虽然c 语言能自动调用函数来处理浮点数运算，但编译出来的代码很庞大，所以在计算 时，尽量把数据左移扩大成整数，做完所有的运算再右移还原成实际值。当然这 个问题也可以运用q 格式来解决。 ( 3 ) 要注意观察寄存器溢出问题。 ( 4 ) 虽然c 语言里有正余弦函数，但为了节省计算时间，这里采用查表法得 到相应正余弦值。 整个控制系统的构架可以用图4 1 来表示。为保证脉冲输出的实时性，采用2 个外部中断和1 个t l 定时器中断来启动各个事件。外部中断1 用来实现电网同步， 通过检测a 相电压同步信号的上升沿，初始化计数值，作为p a r k 变换正弦表的参 考基准；外部中断2 用来实现功率驱动保护；t l 定时器中断负责所有的控制过程， 包括触发a d 采样，正弦表地址移位，p a r k 变换，f i r 滤波，直流侧电压控制，p a r k 反变换，p w m 生成。 三相并联型有源电力滤波器控制系统软件设计 4 1 主程序模块 图4 1 程序总体构架示意图 f i g u r e 4 1s k e t c ho f t h es o r w a r e 主程序是d s p 启动后对设备进行初始化操作，结束后d s p 进入空闲状态，等 待中断的发生。当中断出现，运行相应的中断处理程序，处理完成后等待另一个 中断的发生。其程序流程图如图4 1 6 所示。 初始化主要是对d s p 控制寄存器、中断向量和系统变量进行设置。针对本系 统用到的d s p 资源，首先对故障检测中断进行设嚣，包括中断标志寄存器( i f r ) 和 中断使能寄存器( i e r ) 。i f r 包含的标志位用于可屏蔽中断( 可用软件进行屏蔽) 。当 通过硬件或者软件设定了其中某位时，则相应的中断就被使能。然后是对系统锁 相环、时钟、看门狗和低功耗方式控制寄存器进行设置。对a d c 寄存器的设置包 括a d c 使用通道的设置，a d c 采样模式选择等。接着便进行事件管理寄存器的 初始化，其中包括定时器寄存器、比较寄存器和中断寄存器等。其中对比较单元 的p w m 的设置包括比较方式设置，输出方式设置，死区设置等。 北京交通大学硕士学位论文 图4 2 主程序流程 f i g 4 2f l o w c h a r to f m a i np r o g r a m 4 2 中断服务子程序程序模块 中断服务子程序是对算法和控制的具体实现。本设计的主要思路是由捕获单 元c a p 捕获a 楣电压的锁相信号( 频率为5 0 h z 的方波) 作为整个系统的同步中 断。t 1 定时器设置采样周期为5 k h z ，由t 1 定时器触发a d 采样，然后进行坐标 表变换、数字滤波、直流侧电压控制、坐标反变换、滞环控制一系列操作，最后 输出p w m 波形以控制主电路的i g b t 。 4 2 1 捕获中断 为了实现锁相，令计算与电网同步，设置一个计数值，当a 相电压过零时开 始计数，根据计数器的数值得到目前电网电压所对应的相位，再计算相对应的正 三相并联型有源电力滤波器控制系统软件设计 弦和余弦值，然后坐标系变换，此方法实现a 相电压过零检测的程序流程图如图 4 3 所示。 图4 3 过零检测中断服务程序流程图 f i g u r e4 3f l o wc h a r to f t e s t i n gt h es t a r t i n gt i m ei s r 4 2 2 功率驱动保护中断服务程序 保护中断h c p l 3 1 6 中有过压过流保护，当芯片检测到故障时，第6 管脚会由高 电平变为低电平。将此管脚与d s p 中的p d p i n t a n 相连，p d p i n t a n 检测到下降 沿后，系统会自动封锁p w m 输出口，流程图如图4 4 所示。 北京交通大学硕士学位论文 图4 4 故障保护中断服务程序流程图 f i g u r e 4 4f l o wc h a r to f p r o t e c t i n g a p f 4 2 3t 1 定时器中断服务程序 t l 时钟的中断服务程序流程图如图4 5 所示。因为开关频率设定为5 k h z ，每 电网周期触发1 0 0 次。建立正弦表和余弦表分别存一百个数，t 1 定时器每触发一 次，正弦表和余弦表向后移一位，当移到第一百个数时，由捕获中断时正弦表和 余弦表复位到第一个值。t l 定时器首先触发a d 采样，将采集到的两路负载侧电 流值、两路补偿侧电流值、一路直流侧电压值进行数据修正和复原，然后将负载 侧交流电流采样值迸行坐标变换，数字滤波，再经过电压外环，将直流侧电压把 采样结果和设定的电压值比较得到误差值，经过p i 调节器运算后得到网侧电流在 q 轴的指令值。经过坐标反变换，最后由置换控制算法比较计算补偿电流与实际补 偿电流得到每个开关管的开通管段状态。 三相并联型有源电力滤波器控制系统软件设计 图4 5t i 中断服务程序流程 f i g 4 5f l o w c h a r to f t li n t e r r u p tp r o g r a m 北京交通大学硕士学位论文 5 实验系统构成与方案验证 考虑到本系统为第一台试验样机，为了调试方便，整个系统采用模块化设计。 整个实验系统可以分为主电路、控制电路、检测电路和谐波源负载电路。整个试 验平台的结构框图如5 ，1 所示。 直 流 侧 电 压 图5 1 试验平台结构框图 f i g ，5 1s t r u c t u r ed i a g r a mo f t h et o t a le x p e r i m e n t a lp l a t f o r m 5 1 带有谐波的负载侧电路 负载模块 整个实验系统可以分为主电路、控制电路、检测电路和谐波源负载电路。 作为谐波源的负载侧电路选择三相二极管整流电路，如图5 2 所示，负载为纯 阻性的灯箱。图5 3 为带有谐波的负载侧电流。 图5 2 负载侧三相二极管整流模块 f i g 5 3r e c t i f y i n gm o d u l e 实验系统构成与方案验证 5 2 检测和调理电路模块 图5 3 负载侧电流 f i g 5 3l o a dc u r r e n t 检测模块包括同步交流电压检测，两相负载侧电流检测，两相补偿侧电流检 测，两相电源侧电流检测和直流侧电压检测。图5 4 为本系统使用的交流电流互感 器。图5 5 为本系统使用的交流电压互感器和调理电路。图5 6 为本系统使用的检 测直流电压得霍尔传感器和调理电路模块。 图5 4 交流电流互感器 f i g 5 4 a cc u r r e n tm u t u a l - i n d u c t o r 北京交通大学硕士学位论文 图5 5 交流电压互感器及调理电路 f i g 5 5a cv o l t a g em u t u a l - i n d u c t o ra n dr e g u l a t i o nc i r c u i t 图5 6 直流侧电压检测模块 f i g 5 6d cv o l t a g es e n s o r 实验结果如下所示。图5 7 为经过调理后电流i t 和初始检测电流i o ，其中把电流信号转 化成电压信号测量，= 墨芝玉图5 8 为电压同步检测结果，经过文式滤波后得到的a 相 电压波形没有相移，同步方波信号与a 相电压完全问相位。 6 0 实验系统构成与方案验证 图5 7 经过调理后的电流与初始检测电流 f i g 5 7r e g u l a t e dc u r r e n ta n do r i g i n a lc u r r e n t 5 3 控制电路模块 图5 8 电压同步检测 f i g 5 8v o l t a g es y n c h r o n i z a t i o n 控制电路模块主要是d s p 控制系统，包括电源、晶振、复位、j t a g 接口。 图5 9 为d s p 控制系统。图5 1 0 为d s p 采样三相电流经过计算得到a 相基波电流， 通过s p w m 输出p w m 波形，再经过一个简单的d a ( r c 滤波电路，r = 3 k ，c = 0 1 i l f ) 得到的a 相基波电流波形。 北京交通大学硕士学位论文 5 4 主电路模块 图5 9 d s p 控制系统 f i g 5 9d s pc o n t r o lb o a r d 图5 1 0 a 相基波电流 f i g 5 1 0f u n d a m e n t a lc u n c mo f p h a s e a 实验系统的主电路是用一台4 k w 的变频器的逆变部分，并在交流侧串三个 2 5 m h 电感。另外，为驱动i g b t ，需采用四个开关电源，提供四组互不共地的一1 5 v 和+ 1 5 v 的电压信号。其中图5 1 l 是作为主电路的变频器。图5 1 2 为三个电感。 图5 1 3 为四个开关电源。 实验系统构成与方案验证 图5 1 1 变频器主电路 f i g5 1 1m a i nc i r c u i to ft h ei n v e r t e r 图5 1 2 三路电感 f i g s 1 2t l l f e ei n d u c t a n c e 北京交通大学硕士学位论文 5 5 控制板补偿结果 图5 1 3 四个开关电源模块 f i g 5 1 3s w i t c hp o w 口m o d u l e 系统整体实验装置如图5 1 4 所示。实验参数：系统电压5 0 v ，电流1 5 a ， 开关频率5 k h z 。由于时间所限，还没有上主电路调试，下面实验结果为d s p 的 p w m 输出，经d a 转换后得到。图5 1 5 为a 相负载侧电流与基波电流，图5 1 6 为的a 相补偿电流，图5 1 7 为p w m 死区时间，设置为6t ls 。 图5 1 4 a p f 整体实验装置 f i g 5 1 4w h o l ed e v i c ao f a p f 6 4 实验系统构成与方案验证 图5 ，1 5 a 耜负载侧电流与基波电流 f i g 5 1 5o g i n a la n df u n d a m e n t a lc u r r e n to f p h a s e a 图5 1 6 a 相补偿电流 f i g 5 1 6c o m p e n s a t i o nc u r r e n to f p h a s e a 北京交通大学硕士学位论文 图5 ，1 7 死区时间 f i g 5 1 7d e a dt i m e 结论 6 结论 本文主要研究了三相电压并联型有源电力滤波器的谐波电流检算方法和控制 策略，基于研究内容进行m a t l a b 仿真验证，并设计了a p f 控制系统，搭建了一台 试验样机。具体工作如下： ( 1 ) 基于瞬时无功理论的两种谐波电流检算方法p q 法和i p - i q 法以及由此衍 生出来的旋转坐标电流矢量法进行深入分析和数学推导。比较三种检算方法在三 项电压不平衡和三相电压畸变情况下的补偿效果，应用m a t l a b 进行仿真验证。 ( 2 ) 设计3 0 阶无限长数字滤波器，并基于d s p 的3 2 位定点处理器进行算法 优化，在采样频率为5 k h z 的情况下响应时间为6 m s ，是系统周期的0 3 倍。 ( 3 ) 讨论了两种电流跟踪控制方法：三角波比较法和滞环比较法，并根据 i g b t 开关频率的要求提出定频滞环比较法，就三角波与定频滞环两种控制方式进 行仿真，比较其对补偿效果的影响。 ( 4 ) 设计电压并联型有源电力滤波器控制系统，包括d s p 控制电路模块、检 测和调理电路模块、谐波源负载模块、驱动电路模块，主电路采用一台4 k w 的变 频器的逆变部分。搭建了试验样机，验证了检算方法的可行性。实验环境为：系 统电压5 0 v ，电流1 5 a ，开关频率5 k h z 。 ( 5 ) 采用c 语言编程，程序模块化，可读性强，针对d s p 特点进行查表、 移位等算法优化。 根据在研究过程中遇到的问题，并联型有源电力滤波器的后继工作可以在以 下几个方面做进一步的研究： ( 1 ) 在硬件设计方面，由于这是第一台试验样机，控制系统采用分模块设计 调试，后面还要做高集成化的设计。另外还应增加电磁兼容设计，保护电路设计， 散热设计，使硬件电路更加可靠。 ( 2 ) 在软件设计方面，还应该增加a d 校正，另外可以在应用q 格式、插入 汇编子程序等方面提高代码效率，完善软件功能，使之走上产品化道路。 ( 3 ) 增加人机交互界面和通讯功能。 ( 3 ) 增加动态性能分析，研究电压电流瞬变时滤波器的补偿特性。 ( 4 ) 为提高a p f 容量，考虑无源补偿与有源补偿结合，在性价比方面最优化。 北京交通大学硕士学位论文 参考文献 【l 】王兆安，杨君刘进军，王跃谐波抑制和无功功率补偿第2 版北京机械工业出 版社2 0 0 6 【2 】张崇巍，张兴p w m 整流器及其控制北京机械工业出版社2 0 0 5 【3 】朱鹏程，李勋，康勇，陈坚统一电能质量控制器控制策略研究中国电机工程 学报，2 0 0 4 8 4 】姜齐荣，谢小荣，陈建业电力系统并联补偿结构、原理、控制与应用北京： 机械工业出版社，2 0 0 4 7 【5 】唐伏良新型并联多电平功率变换拓扑及p w m 算法研究 博士学位论文】武汉华中 科技大学2 0 0 2 3 - 1 3 【6 】m e y n a r dta ，f o e hh m u l t i l e v e lc o n v e r s i o nh i g hv o l t a g ec h o p p e r sa n dv o l t a g e s o n r c e i n v e r t e r i e e e0 - 7 8 0 3 - 0 6 9 5 - 3 9 2 ，1 9 9 2 ：3 9 7 - 4 0 3 【7 】p e n gf a n gz h o n g ，j o h nm e k k e e v e rw ，e ta 1 ap o w e rl i n ec o n d i t i o n e ru s i n gc a s c a d e m u l t i l e v e li n v e r t e r sf o rd i s t r i b u t i o ns y s t e m s i e e et r a n s0 1 1i a ，1 9 9 8 ，3 4 ( 6 ) ：1 29 3 1 2 9 8 【8 】张佳基于d s p 控制的并联型有源电力滤波器的研究陬士学位论文1 北京北京交 通大学2 0 0 6 ” 9 】郝瑞祥，傅仲文，程志光用于谐波电流检测的新型同步检测法电气传动，2 0 0 5 ， 3 5 1 】 【1 0 】b i m a lk b o s e m o d e mp o w e re l e c t r o n i c sa n da cd r i v e s 1 “e d i t i o n p e a r s o ne d u c a t i o n , i n c 2 0 0 2 【1 1 】孙树勤无功补偿的矢量控制北京中国电力出版社，1 9 9 8 【1 2 】何益宏，卓放，周新，李红雨，刘进军，王兆安刑用瞬时无功功率理论检测谐波电流方法 的改进，电工技术学报2 0 0 3 年2 月 f 1 3 】曾国宏基于三惮相平衡变换的铁道新型牵引供电系统研究北京交通大学博士学 位论文，2 0 0 2 1 1 【1 4 】郭新基于瞬时无功功率理论的谐波电流检测秦皇岛燕山大学硕士学位论文 2 0 0 3 【1 5 】游小杰，李永东，v i c t o rv m o u c h ，郝瑞祥并联型有源电力滤波器在非理想电源电压 下的控制中国电机工程学报，2 0 0 4 2 【1 6 s e nm k u o ，w o o n - s e n gg a n d i g i 诅ls i g n a lp r o c s 0 “：a r c h i t e c t u r e s ，i m p l e m e n t a t i o n s ， a n d a p p l i c a t i o n s m p e a r s o ne d u c a t i o n