（电力系统及其自动化专业论文）有源电力滤波器的保护研究.pdf

华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 第一章引言 随着社会的发展，人们对电能质量的各项指标提出了更高的要求。另一方面， 由于众多的因素，电力系统的电压、电流波形畸变情况日 益严重。如何解决这对矛 盾，是当前电力系统中迫切需要解决的课题。 由于有源电力滤波器( a c t i v e p o w e r f i l t e r ，简称a p f ) 具有对畸变电流动态补偿 性好、补偿灵活等一系列优点，近年来成为一个研究热点。研究的方向有两个:一 是研究a p f 对系统的影响，即a p f的补偿性能问题，集中研究a p f的主电路拓扑 结构、谐波电流检测方法和 a p f控制方法等方面;二是研究系统对 a p f的影响， 即a p f的安全可靠性问题，主要研究系统暂态过程对 a p f的影响、a p f装置的保 护等方面。 目前，研究得较多的是如何提高 a p f的补偿性能问题，这在 a p f工业实用化 过程中还有进一步完善的空间;而对于a p f的安全可靠性问题，研究得相对较少。 事实上，系统中各种暂态过程，特别是系统发生故障时将对a p f产生巨大的影响， 严重时将危及 a p f装置自身的安全，关系到 a p f是否能够在系统中长期安全运行 n ，但持续时间介于 1 -1 0 0 u s 的脉冲电 压。形成暂态过电压的主要原因及可能造成的破坏类似于高压尖脉冲，只是解决方 法上有所区别。 d 、电压下陷:市电电压有效值介于额定值的 8 0 %-8 5 %之间的低压状态，并 且持续时间为一个至数个周期。电压下陷主要是由于大型设备开机、大型电动机启 动或大型电力变压器接入所造成的。 e 、电线噪声:射频干扰 ( r e)和电磁干扰 ( e mi )及其它各种高频干扰。电 动机的运行、继电器的动作、电动机控制器的工作、广播发射、微波辐射以及电气 风暴等都会引起电线噪声千扰。 f ,频率偏移:市电频率的变化超过 3 h z以上。频率偏移主要是由应急发电机 的不稳定运行或由频率不稳定的电源供电所致。 9 、持续低电压:市电电压有效值低于额定值，并且持续时间 较长。持续低电 压产生的原因包括大型设备启动及应用、主电力线切换、启动大型电动机、线路过 载等。 h 、市电中断:市电中断并且持续两个周期至数个小时的情况。市电中断产生 3 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 的原因有线路上的断路器跳闸、市电供应中断及电网故障等。 这些干扰同样对有源电力滤波器的工作产生了影响，如频率偏移和电压低会影 响a p f检测畸变电流的精确度，浪涌会造成a p f装置的过流，过电压会造成a p f 装置的损坏等等。 在研制a p f 装置的时候， 需要采取措施， 消除或减少这些干扰对 a p f 的安全可靠运行以及补偿性能的影响。 1 . 3 电力系统短路故障时a p 的运行分析 在系统发生短路故障的瞬间， 由于低通滤波器( l p f ) 环节的延时， 将造成谐波电 流检测环节不准确，从而引发一系列问题。以三相电路瞬时无功功率理论为理论基 础的a p f i s ，将三相负载电 流变换成正交的d q 轴量， 其中 基波分量成为直流量。 实质上，这种方法隐含一个假设前提:即假定直流分量是一个恒定的量，亦即直流 分量是一条直线。在系统稳态时，如果数据记录准确，这个假设是成立的，提取的 直流分量也是准确的。但是，系统在发生短路故障后的暂态过程中，直流分量并不 是一根直线，而是存在突变。于是， a p f要经过l p f延时以后才能准确地检测出扰 动发生以后的新的直流分量， 这个过程称为a p f 的动态响应过程。 事实上， 直流分 量很难是一个恒定的量，而是一条变化的曲线。因此，从电力系统发生短路故障到 a p f动态响应过程结束期间，a p f不能准确检测出线路中的谐波电流，造成控制器 的误动作。其结果将引起a p f装置的过流，危及装置的安全。 1 . 3 . 1 三相短路时的a p f 运行分析 为了方便分析， 假设短路后的等效电路中不含非线性负载，这时短路情况最严 重 ( 对其单相等效电路图进行分析， 具体分析见附录) 。 在短路发生的瞬间到a p f的 动态响应过程结束之前直流分量发生了突变。在 a p f的动态响应时间 t内，经过 l p f 获得的直流分量与实际的直流分量将产生一个差值， 这样会产生一个附加电流。 三相附加电流的表达式为: t 一 t o 一 t t 片+ 对s in 恤一 川 i; + i, sin(， 一 ， 一 号 ) i,z + 72 sin(， 一 ， 2+ 3 刁 ( 1 一 1 ) -一-一 戈从队 式中: i , = i k c o s op k 一 介c o s p , “ 一 “ sin 、 一 1. f sin rp ， ,!3 = arctan 奋 ; 、 “ 簇 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 t + t o 。 和相角 i k p k 为 短路 后基 波电 流的 幅 值 和 相角;介，97 为 短路 前 基波电 流的 幅 值 。 实 际 上 ， 发 生 三 相 短 路 时 ， 了 i ; + 万将 是 一 个 很 大 的 数 值 ， 即 : 片 十 玲一 少 异 十 弓 一 2 1 k i f c o s ( q) k + 司 i 一 i f ( 1 一 2 ) 因此，附加电流将是很大的量，这将引起 a p f装置的过流。 1 . 3 . 2 不对称短路故障时的a p f 运行分析 状态 分量 当电力系统发生单相接地、两相接地或相间短路故障时，系统处于三相不对称 ，此时，故障分析可以采用对称分量法进行。在三相三线系统中，不考虑零序 则系统可分为正序网络和负序网络。 当系统发生不对称短路后， 仍然存在a p f的动态过程。由于正序网络和负序网 络分别是对称网络，所以不对称短路故障时可以分别对正序、负序网络进行分析。 同样，动态过程的跟踪误差将会导致a p f装置过流。 通过前面的分析可知，当系统发生短路故障时，将使补偿支路电流迅速增加。 这样的电流流经a p f 开关器件 i g b t时，将会造成i g b t过流，严重时使i g b t损 坏. 而且电网中存在着诸多的安全隐患， 因此，采用完善的保护措施来保护a p f 显 得尤为重要。 1 . 4 有源电力滤波器的整体保护 与a p f 类似， 变频器和u p s中的主要组成部分也是p wm变流器， 因此可参考 变频器和u p s的保护来考虑 a p f的保护。文献 【 2 2 1 , 1 2 3 1 , 2 9 1分别对变频器 和u p s 的保护进行了详细介绍。 变频器的保护包括以下内容: 过电流保护、再生过 电压切断、输出短路 ( 线短路) 、输出接地过电流故障、瞬间失电故障、欠压、主 电路器件过热、 制动晶体管故障和过载等。 u p s 的保护如下: 逆变器限流保护、 b u s 过电压保护、逆变器输出短路及输出电压保护、电池电压检测与过电压保护、过温 度保护和负载保护等。 综合以上，结合变频器以及u p s的保护， 根据a p f 应用、 运行环境， 身的一些特点，主要考虑对 a p f进行过流保护、过压保护、过热保护。 以及 a p f自 过流保护包括 i g b t的过流保护、 直流侧电容的保护以及输入、 输出的过流保护; 过压保护包括i g b t 的过压保护以 及电源电压的检测;过热保护指的是主电路器件过热保护。具体如下: ( 1 )直流侧电容的保护 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 在逆变器的直流侧并联着滤波电容。当电容器合闸投运瞬间，电容器处于未充 电状态，其流入电容器的电流，只受其回路阻抗的限制。由于该回路状态接近于短 路，回路的阻抗很小，因此将产生很大的冲击合闸涌流流入电容器， 涌流最大值发 生在合闸瞬间。逆变器直接由电网供电， 输入电压高， 输入滤波和输出滤波的电容值 大， 在接通电网瞬间将会产生非常大的浪涌电流， 不仅会损坏桥式整流二极管， 熔化 开关接点， 还会损坏功率开关管。合闸涌流还有影响处于同一电源系统的其他装置 正常工作的可能。 根据文献 1 0 :电容器的合闸电流为电容器额定电流的 5 -1 5倍，其振荡频 率为2 5 0 - 4 0 0 h z ，电容器合闸产生过电压约为相电压的2 -3 倍。所以要有合闸控 制电路以限制合闸输入侧的冲击电流。 逆变系统合闸控制电路一般有如下几种形式:串联延时继电器、串联可控继电 器和回路串联晶闸管n n 。目 前，现成的产品主要有两类:接触器 ( 目前比较成熟的 技术)和限流器。 在变频器中， 回路 ( 如图 1 . 2 ) 经过一定的延时， 为限制合闸涌流， 通常采用电磁接触器 ( mc ) 形成开启电流吸收 1 2 4 1 。当接通时，m c断开，电源通过一吸收电阻对电容进行充电， mc吸合，将吸收电阻短路，以减小线路的损耗.但如果变频器 频繁的用电磁接触器 ( mc ) 进行通断， 每次通断变频器， 会有峰值电流流过整流器， 这样会缩短二极管的寿命，同时也会影响开启电流吸收回路的使用寿命。因此，变 频器在一天当中，仅能有几次通断。 图1 . 2 开启电流吸收回路 随着电子元器件的发展，敏感器件在线路的保护中的应用越来越广泛。利用负 温度系数热敏电阻的负温度特性 的特性来减小通电时的冲击电流 即常温或室温电阻大，通电升温后电阻急剧下降 同时热敏电 阻的阻值 ( r 7 ) 的减小也降低了正常 工 作时的功 耗。 通电 时， 电 路最大冲击电 流i w r = v i r r ， 利用这一公式， 很方便地 设计电路的最大冲击电流，可达到抑制输入启动大电流的目的 i b ( 2 ) i g b t的保护 华北电力大学 ( 北京) 硕士学位论文 就 i g b t而言，其保护电路包括:通过检出的电流信号切断门极控制信号，实 现过流保护、 负 载短路保护; 利用缓 冲电 路抑制过电 压， 并限 制过量的耐d t ; 利用 温度传感器检测 i g b t的壳温并通过控制电路使主回路与动力电源断开以实现过热 保护等。 ( 3 )电压检测及过电压保护 首先，在变流器的输入、输出端都应有电压检测以及过压保护。a p f尚未投入 运行时，当检测到电源电压三相极不平衡时， a p f 应拒动; 在a p f 正常运行中，当 检测到异常时，a p f应退出运行，同时过压保护动作，以保护a p f e 其次， 对直流侧电容电压需要进行监测。为使a p f 主电路维持正常运行， 必须 使其直流侧电 容电 压维持在一定的数值，以 保证主电 路在任何时刻都能跟随指令电 流的变化产生正确的补偿电流。 在目前的保护电路的设计中，压敏电阻由于其优异的性价比倍受青睐。压敏电 阻是在一定温度下，其电导值随施加电压的增加而急剧增大的元件。它具有造价低 廉、非欧姆特性优良、响应时间快、漏电流小、通流容量大等优点，因此被广泛应 用于电子设备和电力系统以及其它领域，尤以过压保护和稳压方面的应用最为突 出。 ( 4 )电流检测 在a p f的输入、 输出端都装设电流检测电路。 系统发生故障时， 输入端检测到 的电流远大于正常工作时的电流， a p f退出运行。 当输出侧发生短路或接地故障时， 也应使 a p f退出运行。 为防止输入侧线路由于过载和短路而造成损坏， 并防止a p f通电时侵入千扰尖 峰电流而造成损坏，在输入侧的每相都应安装熔断器。熔断器的额定电流一定要设 定为不小于输入电流有效值的1 . 4 倍，这其中考虑到高次谐波的影响12 4 1 有源电力滤波器通过对系统电流的检测、计算得出补偿电流的大小，发出指令 控制功率模块，强迫补偿电流注入系统，从而达到使非线性负载电流中的谐波、无 功和负序电流得到完全补偿。但从电流检测到主电路产生实际需要的补偿电流，都 不可避免地要带来误差3 6 113 7 113 8 1 ， 对有源电力滤波器的补偿性能产生影响， 使非线性 负载电流中的谐波、无功和负序电流得不到彻底的补偿。这个误差可以分两类，即 幅值误差和相位误差。在实际工作中，幅值误差对有源电力滤波器补偿性能的影响 并不严重。存在相位误差的直接后果是影响有源电力滤波器的实时补偿。与幅值误 差相比，相位误差会对有源电力滤波器的补偿性能产生不可忽视的影响。有源电力 滤波器的补偿效果不好时， 不仅不能补偿谐波电流， 反而会产生谐波电流放大现象， 系统电流畸变得更加厉害。 因此， 补偿电流的相位对a p f的可靠运行起着关键作用。 采用锁相技术，找准补偿电流的相位，使补偿电流的相位与系统电流的相位同步， 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 可以使补偿效果最佳，并保证 a p f的安全可靠运行。 1 . 5 论文的主要工作 基于上述，本论文的主要工作有以下: a 、 根据锁相技术， 采用集成锁相环c d 4 0 4 6 设计电路，从而跟踪电网频率的变 化，获得与电网同步的基波信号作为参考输入， 提供给d s p进行处理， 检测出畸变 电流， 进一步提高检测精度。 此外， 据此原理判断补偿电流与系统电流的相位关系， 找准补偿电流的相位， 使补偿电流与系统电流相位同步， 这样可以使a p f达到最佳 补偿效果，并保证a p f 安全可靠运行。本文分析了这一思路的可行性。 b 、为了进一步提高i g b t工作的安全可靠性，对驱动保护电路进行完善。提高 了驱动保护电路工作的可靠性和抗干扰能力，减小了 i g b t的关栅损耗，并将六块 驱动保护电路与本实验室所设计的开关电源模块相连接，构成三相全桥电路，对整 体进行了统一调试。 c .随着敏感元器件的发展，各种敏感器件己广泛用于电子线路中作保护器件。 本文经过对压敏电阻、热敏电阻的特性的分析研究，进行了模拟试验，对热敏电阻 应用于 a p f的整体保护中的可行性进行了分析。 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 第二章锁相技术在a p f中的应用研究 有源电力滤波器的工作性能很大程度上取决于对负载电流中畸变电流的准确、 实时检测， 这种检测一般不需要分解出各次谐波分量， 而只需检测出除基波电流( 或 基波有功电流，或基波有功电流的正序分量)之外总的畸变电流。有源电力滤波器 的畸变电流检测除了要有较高的精确度和较好的实时性外，还要有良好的自适应跟 踪检测能力。 本章尝试将锁相技术用于畸变电流的检测， 使得获取精确的参考输入， 通过对设计的电路进行实验，证实了锁相技术用于畸变电流检测是可行的。此外， a p f的可靠工作还与补偿电流与系统电流的相位误差有关。 采用锁相技术可以找准 补偿电流的相位，使补偿电流和系统电流相位一致，以达到最佳补偿效果，保证了 a p f的安全可靠运行。 2 . 1 2. 1 . 1 锁相技术 锁相环路的介绍 锁相环路 ( p l l )是一个能够跟踪输入信号相位的闭环自 动控制系统，它在无 线电技术的各个领域得到了很广泛的应用。 最初，d e b e l l e s c i z e 于 1 9 3 2 年提出同步检波理论，首次公开发表了对锁相环路 的描述，但并未引起普遍的重视。直到 1 9 4 7年，锁相环路才第一次应用于电视接 收机水平和垂直扫描的同步。从此，锁相环路开始得到应用。由于技术上的复杂性 以及较高的成本，应用锁相环路的领域主要在航天方面，包括轨道卫星的测速定轨 和深空探测等。性能要求较高的精密测量仪器和通信设备有时也用到它。到七十年 代，随着集成电路技术的发展，逐渐出现了集成的环路部件、通用单片集成锁相环 路以及多种专用集成锁相环路，锁相环路逐渐变成了一个低成本、使用简单的多功 能组件，这就为锁相技术在更广泛的领域应用提供了条件。至今，普遍应用锁相技 术的主要有调制解调、频率合成、电视机彩色副载波提取、f m 立体声解码等等。 随着数字技术的发展，相应出现了各种数字锁相环路，它们在数字信号传输的载波 同步、位同步、相干调解等方面发挥了重要的作用。 锁相环路所以能得到如此广泛的应用，是由其独特的优良性能所决定的。它具 有载波跟踪特性，作为一个窄带跟踪滤波器，可提取淹没在噪声之中的信号;用稳 定的参考振荡器锁定，可作提供一系列频率高稳定的频率源:可进行高精度相位和 频率测量等等。它具有调制跟踪特性，可制成高性能的调制器和解调器。它具有低 门限特性，可大大改善模拟信号和数字信号的解调质量2 1 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 2 . 1 . 2 锁相原理 锁相环路 ( p l l )是能够自动跟踪输入信号同相位的闭环自动控制系统，它能 使每秒振荡百万次以上的两个信号精确地、自动地相位同步。它是由相位比较器 ( p d ) 、低通滤波器 ( l p f ) 、压控振荡器 ( v c o )三个基本部件组成的相位的负反 馈控制系统 ( 如图2 . 1 ) a 图 2 . 1 锁相环路的基本构成 相 位 比 较 器( p d ) 用 来 检 测 输 入 信 号 b , w 和 反 馈 信 号 0 , (t ) 之 间 的 相 位 差 9 , w , 输出经低通滤波器 ( l p f )后得到一个平均电压，这个电压控制压控振荡器的频率 变化，使输入与输出信号频率之差不断减小，直到差值为零，这时候锁相环锁定。 在锁相环锁定时，压控振荡器 ( v c o)能使输出信号跟随输入信号频率的变化 ( 能 保持跟随频率的大小叫锁定范围) ，低通滤波器 l p f的时间常数决定了输出信号跟 随输入信号的速度，同时也限制了 p l l的捕捉范围 ( 锁相环能捕捉的输入信号频 率) 。 环路的 正常工作分析如下1，1 : 当 环路没有输入信号时， v c o以 静态频率仇振 荡。 如 果 环路 有一 个输 入 信号u , (， 开 始时 输入 频率 总是不 等 于v c o的 静态振 荡 频 率的， 即w , 91 m . 。 如果w , 与气相 差不大， 在适当 范围内 ， p d 输出 一误差电 压， 经 l p f 变换后控制v c o的 频率， 使其输出 频率变化到 接近c o , ， 这叫 做频率 牵引。 经 过一段时间的 牵引 过程， 最 后使v c o输出 频率co . 变得与m , 完 全相等， 而且 两信号 的 相 位差为 恒定 值9 e ( - ) ， 这叫 做 环 路 锁定。 从 信号加 入到 环 路 锁定， 叫 环 路的 捕获 过 程 。 在 环 路 锁 定 以 后 ， 如 果 输 入 相 位9 , (t ) 有 一 变 化 ， p d 检出 b ; (t ) 和 9 0 w之 差 ， 产 生一正比于这个相位差的电压，并反应相位差的极性，经过 l p f变换以后去控制 v c o的 频 率， 使9 0 0改 变 ， 减 小 其 与 b , w 之 差 ， 直 到 保 持 co; = m o ， 相 差b r (- ) ， 这 一过程叫做环路的跟踪过程。 可见， 输 入 信号u , ( t ) 对环 路 起作用的 是 它的 瞬时 相位9 , (， 它的 幅 度通 常是固 定 的 。 输出 信 号。 o ( t 的 幅 度矶通 常 也 是 固 定 的 ， 只 是 其 瞬 时 相 位9 o (受 输 入 信 号 瞬 时 相 位9 ; (的 控 制 由 以 上 分 析 可以 得 锁 相 环 路的 相 位 模 型( 如图2 .2 ) . 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 延叫 二 、 n 1 1 u d(1 几u- (t) 十+i一一止二 - ， 二二习i二 二 二 es j 图 2 . 2 锁相环路的相位模型 可见锁定后，被控的压控振荡器频率与输入信号频率相同，两者之间维持一 定的稳态相位差。这个稳态相位是维持误差电压与控制电压所必须的.若没有这个 稳态相差，控制电压就会消失 ( 环路滤波器为理想积分器时例外，分析见 2 .4 .2 ) , 压控振荡器的振荡频率又将回到自 由 振荡频率w o ， 环路当然不能锁定。 存在剩余误 差 ( 锁相环路中就是相位误差)是误差控制系统的特征。 综上所述，p l l共有三种可能运行状态: a 、自由振荡:输入的频率不在 v c o锁定的频率范围以内 ( 而是由外部时基电 阻器和电容器决定) 。锁相环路在额定的v c o的频率下运行。p l l不起任何作用， 通常应避免这种情况。 b 、俘获:当两个频率靠近，能够足以形成控制电压时，电压控制振荡频率变 动，一直到达 “ 锁定”状态。 c .锁住或跟踪:当v c o在相当宽的变化输入频率范围内能够保持锁住或跟踪 状态时才能实现俘获。 2 . 1 .3 锁相环路的重要参数 低通滤波器是锁相环正常工作中不可忽视的部分，它的时间常数限制了系统跟 踪输入信号频率变化的速度，同时也限制了捕捉范围。另外，环路滤波器还能帮助 防止噪声电压干扰环路的正常工作，这是由于存储在环路滤波器上的电容能帮助很 快重新捕获因噪声尖峰或其它瞬态效应而丢失的信号。 因而， 在构成锁相环电路时， 低通滤波器的取值既要考虑到响应输入信号的中心频率，同时又要照顾到它的最高 频率和最低频率，这样，锁相环才能工作在最佳状态。合理的选择各元件参数可以 校正环路的功能，对环路的捕捉、稳定、噪声的滤除、环路带宽等等都有关系。 环路的传递函数的分母是一个多项式，叫做环路的特征方程。 特征方程中s 的 最高幂次就代表环路的阶数，同时它与环路中包含的积分器数目 相对应。根据环路 的阶数不同， 通常将锁相环分为一阶环、 二阶环、 三阶环等。 一阶环中只包含v c o 一个积分器，即没有滤波器，是最简单的锁相环路，实际上也很少被采用。二阶环 包含 v c o和环路滤波器 ( 一个比例积分器)共两个积分器，是工程应用中最为普 遍的。三阶环的环路滤波器可由两个比例积分器串联组成，连同 v c o共有三个积 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 分器。锁相环路的阶数越高，它跟踪输入相位快速变化的能力就越强，但它在稳定 性方面的性能也就越差，实现起来也很困难。 同其它自动控制系统一样， 判断系统的稳定性常采用根轨迹图。 从理论上来说， 若不考虑寄生相移，二阶环的根轨迹图均在s 平面的左半平面，故总是无条件稳定 的c r 。而三阶环是有条件稳定的，当环路增益大于某一数值后环路才是稳定的。 2 . 2 锁相技术在畸变电流检测方法中的应用 2 . 2 . 1 畸变电流检测原理 该方法采用的主要是自适应噪声对消技术。自适应噪声滤波是指从信号被噪声 干扰所淹没的环境中检测和提取有用的信号，而自适应抵消是以噪声千扰为处理对 象，将它们抑制掉或进行很大的衰减，它能通过不断的自我学习和自我调整使整个 系统处于最佳状态。 应用自 适应噪声对消技术的单相电路畸变电流检测系统如图2 . 3 所示，其中自 适应滤波器采用自 适应线性神经网络实现。系统的输出i , ( t ) 作为有源 电力滤波器控制电路的指令电流信号，也是调节自适应线性神经网络权值向量的误 差信号 ( t ) o 图2 . 3 基于自适应线性神经网络的单相电路畸变电流检测原理图 通常情况 下， 此时 检测系统的 输出 是id ( t ) 的 近 似值i , ( t ) 。 在理 想情况下， 经过 若干次迭代， 神经网络的 权值向 量逼近最优值，系统的输出i , ( t ) 和i d ( t ) 相等， 此时 神 经 网 络 将 参 考 输 入u s ( t ) “ 加 工” 成标 ( t ) ， 与 原 始 输 入 的形 ( t ) 完 全 抵 消， 即 基 于自 适应线性神经网络的畸变电流检测系统的输出是需要检测出的畸变电流，从而完成 对畸变电流的检测。 2 . 2 . 2 用锁相技术获取参考输入 在基于自 适应线性神经网络的畸变电流检测方法中，参考输入的选取对检测性 能影响很大。参考输入的获得可以通过两种方法:在程序中调节参数和锁相。 a 、在程序中调节参数 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 假设输入信号是三相对称信号， 通过示波器比较 a相畸变电流信号和同步信号 的相位关系，然后根据同步信号超前畸变信号的关系进行调节，调节的参数是d s p 程序p r o g r a m .i n c 中的k _ p h a s e 数 值。 例如: 假设同 步信号超前a 相畸 变电 流信号 3 0 度，则k p h a s e = 3 0 / 0 .9 = 3 3( 取整，舍弃小数) ，那么此时软件发生的正弦波信 号即和畸变电流信号同相位。软件发生的是三相对称的单位正弦信号。显然，这种 方法很笨拙，不能灵活跟踪相位变化，而且当畸变电流信号不对称时不能使用，因 此可用以下的锁相技术进行改进。 b .锁相 获取基波电流的思路是:通过锁相技术获取畸变电流中基波电流的相位，亦即 产生了一个方波信号，f p g a获得该方波信号后判断它的上升沿 ( 可设置一个标志 位) ，然后将此信号通过总线送入 d s p , d s p可将该信号作为初始零相位，再根据 这个相位由软件发生一个单位正弦波作为参考输入。这个信号能在每个周期更新一 次，保证相位跟踪的灵活性。为了跟踪电网频率的变化，保证检测精度，采用锁相 技术，可以得到与电网同步的基波信号作为参考输入，从而检测出谐波电流。 2 . 3 采用锁相技术锁定补偿电流相位 有源电力滤波器通过对系统电流的检测、计算得出补偿电流的大小，发出指令 控制功率模块，强迫补偿电流注入系统，从而达到使非线性负载电流中的谐波、无 功 和 负 序电 流 得 到 完 全 补 德。 但 从电 流 检 测 到 主 电 路 产 生 实 际 需 要 的 补 偿电 流， 都 不可避免地要带来误差，对有源电力滤波器的补偿性能产生影响，使非线性负载电 流中的谐波、无功和负序电流得不到彻底的补偿。这个误差可以分两类，即幅值误 差和相位误差。在实际工作中，幅值误差对有源电力滤波器补偿性能的影响并不严 重。 存在相位误差的直接后果是影响有源电力滤波器的实时补偿。 与幅值误差相比， 相位误差会对有源电力滤波器的补偿性能产生不可忽视的影响。有源电力滤波器的 补偿效果不好时，不仅不能补偿谐波电流，反而会产生谐波电流放大现象，系统电 流畸变得更加厉害，使得 a p f成为系统中的大谐波源。严重时，可能危及 a p f自 身的安全运行。 在 u p s的实际运行中，也要求 u p s逆变器输出电压与市电电压之间相位、频 率同步， 否则难以保证u p s电源在逆变器供电与交流旁路电源供电之间的切换或多 台u p s 系统的并机运行。 为保证这一点， u p s中采用移相锁相同步跟踪电路来实现。 由以上分析可知，补偿电流的相位对 a p f的可靠运行起着关键作用。为保护 a p f ，可以采用锁相技术，找准补偿电流的相位，使补偿电流的相位与系统电流的 相位保持一致，保证a p f的安全可靠运行。 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 在此，本文希望能够利用锁相环路中的相位比较器，判断出补偿电流与系统电 流的相位关系是超前、 同步还是滞后， 并将此信息反馈给d s p ， 据此控制功率模块， 调整逆变桥的输出，使补偿电流与系统电流同步。 2 . 4 集成锁相环 c d 4 0 4 6 锁相技术可广泛用于广播电视、雷达通信、抑制电网干扰、时钟同步等领域。 集成锁相环电路在跟踪滤波、调制解调、频率合成、载波同步、位同步、f m 立体 声解码、电机调速稳速、锁相接收机、相移器、频率变换、同步滤波、自动跟踪调 谐、微波锁相频率源等方面有着广泛的应用。 目前， 国内外通用与专用集成锁相环电路己有数百个品种。例如n e 5 6 0 系列、 x r - s 2 0 0系列等。通用锁相环的典型产品有 c d 4 0 4 6 ，其工作频率小于 1 .2 mh z ， 属 于低频， 电源电压为 5 -1 5 v ， 是低功耗数字 c mo s数字环。n e 5 6 4的工作频率高达 5 0 m h z , 属于超高频。尸c 1 4 7 7 c主要用作卫星直播接收机锁相解调器， 工作频率高 达6 0 0 m h z (3 1 。 2 . 4 . 1 c d 4 0 4 6的结构和工作原理 c d 4 0 4 6 是低频低功耗通用单片集成数字锁相环。环路采用 c mo s电路，最高工作 在 1 .2 mh z ，其特点是电源电压范围宽 ( 3 v -1 8 v) , 输入阻抗高 ( 约 l o o mn ) ，动态功 耗小， 在中心频率为l o k h z 下功耗仅为6 0 0 # w。 其功耗取决于压控振荡器的工作频率、 电源电压和允许压控振荡器振荡的时间比等因素。 c d 4 0 4 6 采用 1 6 脚双列直插式 ( 内部结构如图2 . 4 所示), 1 脚为相位输出端， 环路入锁时为高电平，环路失锁时为低电平。2脚相位比较器 i 的输出端。3脚比 较信号输入端.4脚为压控振荡器输出端。5脚禁止端，高电平时禁止，低电平时 允许压控振荡器工作。6 , 7 脚外接振荡电容。8 , 1 6脚为电源的负端和正端。9 脚 压控振荡器的控制端。1 0 脚解调输出端，用于f m解调。1 1 , 1 2 脚外接振荡电阻。 1 3 脚相位比较器i i 的输出端。1 4 脚信号输入端。1 5 脚内部独立的齐纳稳压管负极。 整个电路由鉴相器p d i 、鉴相器p d i i ,源极跟随器和一个6 v左右 ( 4 . 5 v -7 v ) 的齐纳二极管 ( 作为稳压电源)等几部分组成，p d i 为异或门鉴相器，p d 1 1 为数 字鉴频鉴相器，它们有公共的信号输入端 ( 1 4端)和反馈输入端 ( 3端) 。环路滤 波器接在 2 端或 1 3 端。齐纳二极管可提供与 t t l兼容的电源。 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 图2 . 4 c d 4 0 4 的内部结构图 c d 4 0 4 6 工 作原理如下: 输入 信号u ， 从1 4 脚输入后， 经放大器鸿 进行放大、 整 形后加到相位比较器 i 、i i 的输入端，开关k拨至2 脚，则比较器 i 将从3 脚输入 的 比 较 信号u 。 与 输 入 信 号u ， 作 相 位比 较， 从 相 位比 较 器 输出 的 误 差电 压叽则 反 映 出 两者 的 相 位差 叭经凡、 凡及q滤 波 后 得到 一 控 制电 压u 加至压 控 振荡 器v c o 的 输入 端9 脚， 调整v c o的 振荡频 率人， 使几迅速逼近信号频率厂. v c o的 输出 又 经除 法器再进入 相 位比 较器i ， 继续与u ; 进行相 位比 较， 最后使得几_f， 两者 的相位差为一定值，实现了相位锁定。若开关k拨至 1 3 脚，则相位比较器h工作， 过程与上述相同。 2 . 4 . 2 c d 4 0 4 6 的主要参数 a 、鉴相器 ( p d) c d 4 0 4 6中包含着两个工作方式不同的相位比较器p d i 和 p d i i . p d i 采用异或门结构， 它具有高噪声容限的优点， 但它又能锁定在压控振荡器 的谐波上， 从而限制了它的应用范围。 当两个输入端信号u ; , u的电平状态相异时 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 ( 即 一 个高电 平， 一 个为 低电 平) ， 输出 端 信号叽为 高电 平; 反 之， u ; , u 。 电 平 状 态 相 同 时( 即 两 个 均 为 高 ， 或 均 为 低电 平)，u ， 输出 为 低电 平。 当 u、 认的 相 位 差 a 在0 0 - 1 8 0 0 范 围 内 变 化时 ， u ， 的 脉 冲 宽 度m亦 随 之改 变， 即占 空比 亦 在改 变。 其输出信号的频率等于输入信号频率的两倍，并且与两个输入信号之间的中心频率 保持9 0 , 相移。 对p d i ， 它要求u ; ,矶的占 空比 均为5 0 %( 即 方波) ， 这样才能 使锁定范围为最大。当信号输入端无信号或噪声时， p d i 在 l p f上的平均电压为 11 2 v d d ， 从 而引 起 v c d在中 心频率j o 处振荡。 锁相环所能 获得的 频率范围 ( 捕捉 范围)取决于低通滤波器的性能，可表示为: 2 、 一 1 2 l1 ( 2 一 1 ) p d i i 是一个由信号的上升沿控制的数字存储网络， 是由逻辑门所控制的四个边 沿触发器和三态输出电路组成。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，而且不会锁定在输入信号的谐波，但噪声容限 却不像 p d i 那样高。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 p d i i 的两个输入信号之间保持 0 0 相移。它的最大锁定范围与输入 信号波形的占空比无关，捕捉范围与l p f的r c时间常数无关，一般可以达到锁定 范围等于捕捉范围，即2 人= 2 关。 具体可参考表 2 . 1 1 5 1 e 表 2 . 1 相位比较器特性与 v c 0 部件的选择 一 it 使用相位比较器i 使用相位比较器1 1 v c o 无补偿 r 2 二 的 v c 0 补偿v c 0 无补偿 r 2 = 的 vco h4z 一 l ;v c 0 频率 一 . o l; it， ， j - 卜 2 fw- j o 卜 _ 一 ! j.;. : 、 0 1 一 j - 一一 i 生d 目 v d d 2 ii9 一本 一2 li 丫 一 i 二 了 r 汗 无信号输入p l l 系统中v c o 调节在中心频率 f o 上 p l “ 系 统 中 v c o 调 节 在 最 低 频 率 一 f 上一 频率锁定范 围2 人 2 人二 全v c o 频率范围 2 : 一 、 。 一 二 n 1 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 频率捕捉范 围2 f , in- czl-r3 f out : 一 * 3 -c 21 2、 一 1 2 2)r r c f c = 人 in-q = outr3 cr4 信号与比较 器间的相角 中 心频率处为9 0 , 锁 定 范 围2 人在0 0 - 1 8 0 0 通 常 锁 定 在 00 一 锁定 在f o 的 谐波 能 不 能一 信 号 输 入 容 限 高 低一 b 、压控振荡器 ( v c o) 压 控振荡 器的 线性 度范围 为0 . 1 % ( v d d = + 5 v ) 至0 . 8 ( v d d = 1 5 v 线性度的条件为:vd = 1 5 v , v c 口 月 = v d d 士5 v;或k , d = 1 0 v、v c o ; = ) ，这时定义 恤 1 2 .5 v ; 2 或k ,d = + 5 v 、v c q = 恤 士 0 .3 v 。 同 时r 2 = 。， 外接电 阻r , 在上 述三种电 源电 压下分 别为:r , l o u 2 , r , 4 0 0 k q 和风= 1 m o。 线性度的定义用下式表示为: 。_刀一 f a . a r x m-入 1 w70 九 ( 2 一 2 ) 朴 厂 r v d d 十 闪 、 ; r v d d 一 v i f l = 卫 止 d 一 一 止 二 2 2 ( 2 - 3 ) 压控振荡器的最高工作频率 ( 风= l o k q , 0 .5 m h z( 编 = 5 v ) 至1 . 5 m h z( v o f, = 1 5 v ) 。 凡= 、c , = 5 0 p f , v c o ; = v n n )为 压 控 振 荡 器的 中 心 频 率 被 外 接电 容q和电 阻r : 及电 阻r 2 所 决 定 当 只 使 用 一 个电 阻r , 时， 压控 振荡 器的 输出 频 率范 围 从v c o ,. 为心时 的 零 赫兹 到v c o ; 为编 时 的 最高 输出 频率f.- 为: 几。= l r , ( c , + 3 2 p f ( 2 一 4 ) 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 式中的r ， 应在 1 0 k i t 至 l m i l 之间 选取。 如果 要得到零赫兹以 上不同 低频输出， 就 要使用 外接电 阻r , ， 这个电 阻 称为 补 偿电 阻。当 压控振荡 器输入电 压为嗡时， 其最低 输出频率为: f .i , 二 二 二 二 共一x k 2 1 l i+.1 乙 p f 1 ( 2 一 5 ) 当 压控振荡器的 输入电 压为v o d 时， 其最高 输出 频率 近 似为: f - = i r , ( c , + 3 2 p f ) 1 r 2 (c , + 3 2 p f ( 2 一 6 ) 用电 位器微调r ; 和r s 的阻 值， 下述范围内为宜，即: i o k q 输 出 端 输 出 高 电 平 。 在 调 试 过 程 ， 一 - -一3 中发现，当过流保护电路动作， l m5 5 5 应输出“ 0 ，封锁驱动信号时， l m5 5 5 并未 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 动作。 表 3 . 1 l m5 5 5 真值表 阀值输入( 6 脚)触发输入 ( 2 )复位端 4 )输出端 ( 3 ) xx00 x 二 v c c j 合 v c c 10 2_ . 告 v c c 1 不变 ( x:任意值) 根 据 文 献【 3 3 1 : 低 电 平 触 发 端2 端 加 小 于 工 v ,二 电 平 ， 而 高 电 平 触 发 端6 端 加 3 .一 2 _一 _ . . ， ， 、 ，习 二 人. ， . ， 山 人. . . 一 一 *_ 一 一 一 . ，、 _ 、. 、 _， 小于皇 玖. 电平时，触发器就置 1 ，输出端输出高电平;而高电平触发端6 端加小于 3 2_一 ，、 . ， 。 、 。 n 、 人二 、 ， 1 1 _ 二 . ， 、， ， 、 ， .、 _ 二 _ 一 _ _ _二 _ ._ 。 一 一 、 卜 、 ，、 . ， . ，、 二_ - v , ., 、 电平， 触发器输出为非互补伪稳定状态，在 5 5 5 定时器中应该避免出现。 这正 3 符合调试过程中遇到的情况。 根据上述，简化 l m5 5 5的分析过程。在通常情况下，复位端 mr接高电平， 这样只要:2 脚( t r ) , 6 脚( t h ) 接低电平时，电路置位，输出为高电平，放电管v t 导通:2脚、6脚均接高电平时电路复位，输出为低电平，放电管 v t截止 ( 见图 3 . 2 ) . 8skit6 几 a 一 一 一 一i 畜 咬 rq r $5 m a 2 - - - 月50 勒111月 : 116sko 匕二 _ _ _ _ _ _习 图3 .2 l m5 5 5内部结构图 因此，将延时电路修改如下图 3 . 3 : 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 十1 5 v 0 从1 -司3 lm5 5 5 图3 . 3 延时电路 经实验验证，该改进电路可以安全可靠工作， 当过流保护动作时， l m5 5 5 能可 靠翻转，封锁驱动信号。 3 . 2 过流保护 3 . 2 . 1 i g b t短路安全工作区 ( s c s o a ) 通常把短路发生至器件损坏为止的这段时间称为短路耐量。 当器件短路时间超 过短路耐量后， 降低玲 : 己 无法关断i g b t , i g b t 电流将失控并会导致器件的损坏。 i g b t短路时的安全工作特性由短路安全工作区( s c s o a ) 来表述。图3 . 4 ( a ) . ( b ) 分别为富士电机公司及西门康公司i g b t的短路安全工作区1 7 1 。 显然， i g b t是不 可能持续工作于短路安全工作区的， 富士电机公司明确将短路安全工作区称为非重 复区， 而将反偏安全工作区( r b s o a ) 称为重复区即表明了这一点。各 i g b t生产公 司均对 i g b t工作于短路安全工作区的时间或次数做出了规定。三菱电机公司第三 代i g b t ( h系列) 关于短路安全工作区的说明中规定:当栅极脉冲宽度- l o t s 时， 短路安全工作区有效; 短路安全工作区不可无限重复的动作， h系列i g b t模块规定 可经受 1 0 0次的短路情况。西门康公司规定:当栅极脉冲宽度(l o ll s时，短路安 全工作区有效; i g b t模块规定可经受 1 0 0 0 次的短路情况，且两次短路之间的间隔 时间应不小于 i s . 重复连续的i g b t短路，即使在 s c s o a内，也会造成失效。允许 i g b t的短 路重复次数与短路发生的时间间隔有较大的关系。此时间间隔越短，允许的短路次 数越少。 i g b t的短路保护不宜使 i g b t反复连续处于短路保护正常短路过程中。 因 此， 在短路保护时要加锁定性封锁电路。 一般允许的短路次数n , . 1 0 0 . 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 + 1 5 v 图3 3 延时电路 经实验验证，该改进电路可以安全可靠工作，当过流保护动作时，l m 5 5 5 能可 靠翻转，封锁驱动信号。 3 2过流保护 3 2 1i g b t 短路安全工作区( s c s o a ) 通常把短路发生至器件损坏为止的这段时间称为短路耐量。当器件短路时间超 过短路耐量后，降低磉，已无法关断i g b t ，i g b t 电流将失控并会导致器件的损坏。 i g b t 短路时的安全工作特性由短路安全工作区( s c s o a ) 来表述。图3 4 ( a ) 、 ( b ) 分别为富士电机公司及西门康公司i g b t 的短路安全工作区【l ”。显然，i g b t 是不 可能持续工作于短路安全工作区的，富士电机公司明确将短路安全工作区称为非重 复区，而将反偏安全工作区( r b s o a ) 称为重复区即表明了这一点。各i g b t 生产公 司均对i g b t 工作于短路安全工