（检测技术与自动化装置专业论文）基于dsp的混合型有源电力滤波器的应用研究.pdf

摘要 摘要 随着我国国民经济的飞速发展，我国电网也在日益发展壮大。各工、矿、企、 事业部门及社会生活负荷与日俱增。与此伴随的是电网中用电负荷日趋复杂化和 多样化，由此带来的问题是一些具有非线性、冲击性、不平衡特征的用电设备， 会产生大量谐波分量，使供电波形畸变，严重地影响到电网设备的运行寿命和供 电质量。而随着社会经济的发展，用户对供电可靠性及供电质量的要求越来越高， 对谐波影响导致的设备损耗及低效能越来越敏感，因此有效治理电网谐波污染具 有十分重要的意义。 目前治理谐波污染主要有无源滤波器和有源滤波器两种方式。无源电力滤波 器可消除主要的谐波功率电流，有源电力滤波器可以提高总体的补偿效果。该设 计基于无源电力滤波器和有源电力滤波器特点，博采众长，构成一种并联混合型 的有源滤波器。通过建立混合滤波器数学模型，以混合滤波器的总容量为目标函 数，在目标函数最小化的基础上实现滤波和无功补偿的需要，同时满足实际应用 中的有源滤波器的容量不能太大、无源滤波支路的滤波率不能太低的要求；并采 用瞬时无功功率的方法，对其整体容量配置进行了优化设计。 本文基于d s p 重点研究一种并联混合型有源电力滤波系统的实现，它由无源 滤波器和小容量有源滤波器串联构成，与被补偿的谐波负载并联连接，控制有源 滤波器输出，使滤波器串联支路对各次谐波的阻抗都为零，大大提高了无源滤波 器的滤波效果，从而解决了单独使用l c 无源滤波器时存在的问题。基于瞬时无 功功率理论的玷i q 算法，讨论了直接应用高通滤波器( h p f ) 实时检测高次谐波电流 的一些相关问题。另外，本文还研究了低通滤波器参数对谐波检测效果的影响， 为谐波检测电路的设计提供了依据和参考。 本设计中，以数字方式通过m c u 测量直流侧电容电压，然后使用高速串行 口经光电隔离后送入d s p 中进行处理，简化了电路设计并且提高了系统可靠性。 d s p 芯片采用高速的3 2 位t m s 3 2 0 f 2 4 0 ，大大提高补偿电流计算速度，并采用全 数字化的方式实现电流的滞环跟踪，直接通过d s p 芯片的p w m 输出口输出数字 量控制i p m 模块的开通和关断。 关键词有源电力滤波器；无源电力滤波器；瞬时无功功率；谐波电流 1 山东大学硕卜学位论文 a b s t r a c t a st h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h en a t i o n a le c o n o m ya n dp o w e ri n d u s t r y ，t h e c o n t r a d i c t i o n sb e t w e e np o w e rs u p p l ya n dd e m a n dh a v eb e e nr e s o l v e dg r a d u a l l y h o w e v e r ，b e c a u s eo ft h ec o m p l i c a t i o na n dd i v e r s i f i c a t i o no ft h ep o w e rl o a d ，s o m e a p p l i c a t i o nd e v i c e st h a tc o n t a i nn o i l l i n e a r 、i m p u l s i v e 、u n b a l a n c e dl o a da n da b u n d a n t h a r m o n i c s ，f o re x a m p l et h ep o w e re q u i p m e n t sl i k es e m i c o n d u c t o rr e c t i f i e r ，i n v e r s i o n d e v i c e sa n df r e q u e n c yc o n v e r s i o ns p e e d e r ，c a na f f e c tp o w e rs u p p l yn e t w o r k r e s p e c t i v e l y t o d a y ，c u s t o m e r sh a v er a i s e dh i g h e rd e m a n do np o w e rs u p p l yq u a l i t y ， s oe f f e c t i v e l yh a n d l i n gp o w e rn e t w o r kh a r m o n i cp o l l u t i o nh a sa ni m p o r t a n t s i g n i f i c a n c e n l e r ea r et o wm e t h o d sa c t i v ep o w e rf i l t e ra n dp a s s i v ep o w e rf i l t e rt oh a n d l e h a r m o n i cp o l l u t i o n p a s s i v ep o w e rf i l t e rc a i le l i m i n a t et h em a i nh a r m o n i cp o w e r c u r r e n t ，w h i l ea c t i v ep o w e rf i l t e rc a l li m p r o v et h eo v e r a l le 虢c t i nt h ed e s i g n ，b a s e d o nt h e s ea d v a n t a g e so fa c t i v ep o w e rf i l t e ra n dp a s s i v ep o w e rf i l t e r ，w ep r e s e n tt h e h y b r i da c t i v ep o w e rf i l t e r w ee s t a b l i s h e dt h em a t h e m a t i c a lm o d e lw i t ho b j e c t i v e f u n c t i o no fw h i c hi st h et o t a lc a p a c i t yo ft h eh y b r i da c t i v ep o w e rf i l t e r b a s e do n m i l l i m i z i n go b j e c t i v ef u n c t i o n ，c o n s i d e rn e e do ff i l t e r i n ga 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 ，m e a n w h i l e ，c o n s i d e rt h a ti nt h er e a la p p l i c a t i o n ，t h ec a p a c i t yo f t h e a c t i v ep o w e rf i l t e rc a n tb et o ol a r g ea n dt h em a x i m u mf i l t e r i n gr a t eo fp a s s i v ec a n t b et o ol o w f u r t h e r m o r e ，o p t i m i z i n gt h ee n t i r ec o n f i g u r a t i o nb yt h em e a n so f i n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e r b a s e do nd s p t h i sp a p e rs t u d i e sm a i n l yo nt h er e a l i z a t i o no ft h ep a r a l l e l c o m b i n e da c t i v ep o w e rf i l t e rs y s t e m i tc o n s i s t so fas m a l lr a t e da c t i v ef i l t e ra n da p a s s i v ef i l t e rw h i c ha r ec o n n e c t e di ns e r i e sw i t he a c ho t h e ra n di n s t a l l e di np a r a l l e l w i t ht h ec o m p e n s a t e dh a r m o n i cl o a d t h ea c t i v ef i l t e ri sc o n t r o l l e dt om a k et h es e r i e s h a r m o n i ci m p e d a n c eo ft h ep a s s i v ea n da c t i v ef i l t e r se q u a lz e r o s oa st oi m p r o v et h e f i l t e r i n gc h a r a c t e r i s t i c so ft h ep a s s i v ef i l t e r a sar e s u l t ，t h ep r o b l e mo ft h es h u n t p a s s i v ef i l t e ru s e da l o n ei ss o l v e d b a s e do nt h ei v i oa r i t h m e t i co ft h et h e o r yo f i n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e r , s o m ec o r r e l a t i n gp r o b l e m s ，w h i c hd e t e c t i n gh i g h f r e q u e n c yh a r m o n i cc u r r e n ta p p l y i n gh p f ( h i 曲p a s sf i l t e r ) d i r e c t l y ，a r ed i s c u s s e d t h ea f f e c t i o no fl o wp a s sf i l t e r ( l p f ) o nh a r m o n i cd e t e c t i n ge f f e c ti sa l s os t u d i e di n t h i sp a p e r ，w h i c hm a yp r o v i d eh e l pt ot h ed e s i g n i n go fh a r m o n i cd e t e c t i n gc i r c u i t s i nt h ed e s i g n ，w eu s em c ut om e a s u r et h ed cc a p a c i t o rv o l t a g ei nd i g i t a l m e t h o d ，a n dt h e nu s et h eh i g h s p e e ds e r i a lp o r tt ot r a n s m i ti ti n t od s pf o r p r o c e s s i n gv i ap h o t o e l e c t r i ci s o l a t i o n ，w h i c hs i m p l i f yt h ec i r c u i td e s i g na n di m p r o v e t h es y s t e mr e l i a b i l i t y t h ed s pc h i pi sh i g l l s p e e d3 2b i tt m $ 3 2 0 f 2 4 0 ，w h i c h i n c r e a s et h ec a l c u l a t i o ns p e e do ft h ec o m p e n s a t i o nc u r r e n tg r e a t l y f u r t h e r m o r e ，u s e f u l l yd i g i t a lm o d et oa c h i e v eh y s t e r e s i s b a n dc u r r e n tt r a c k i n g ，t h a ti s ，o u t p u tt h e d i g i t a ls i g n a ld i r e c t l yt h r o u g ht h ep w mo u t p u tp o r ti nd s pc h i pt oc o n t r o lt h ei p m m o d u l e k e yw o r d sa c t i v ep o w e rf i l t e r ，p a s s i v ep o w e rf i l t e r ，i n s t a n t a n e o u sr e a c t i v e p o w e r ，h a r m o n i cc u r r e n t 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 至垂刍蹩 e l 期：鲨2 ：! ! ： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 垂垂置恿导师签名：逢盔丝e l期：鲨2 ：! ! 第一章绪论 第一章绪论 1 1 谐波的概念 谐波( h a r m o n i c ) l l p 对周期性的变流量进行傅里叶级数分解，得到频率为大于 1 的整数倍基波频率的分量，它是由电网中非线性负荷而产生的。电力系统中除 基本( 5 0 6 0 h z ) 频率外，任意周期性的讯号，皆称为谐波。谐波频率与基波频率的 比值( 萨筋) 称为谐波级次( h a r m o n i co r d e r ) 。我国电力系统的额定频率( 也称工 业频率，简称工频) 为5 0 h z ，则基波频率为5 0 h z ，3 次谐波频率为1 5 0 h z 。 国际上公认的谐波含义为：“谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率 为基波频率的整数倍 。由于谐波的频率是基波频率的整数倍数，也常称之为高 次谐波。在国际电工标准 ( i e c 5 5 5 2 ，1 9 8 2 ) ，在国际大电网会议( c i g r e ) 的文 献中定义：“谐波分量为周期量的傅里叶级数中大于l 的n 次分量”。i e e e 标准 中( 参见i e e e 标准5 1 9 1 9 8 1 ) 定义为：“谐波为一周期波分量的正弦波分量，其 频率为基波频率的整数倍 。 在工程实际中，有些非线性负荷会产生非工频频率整数倍的周期性电流流 动。根据傅立叶级数分解出的不是基波整数倍频率的分量称为分数谐波 ( f r a c t i o n a l h a r m o n i c s ) 或间级谐波( i n t e r - h a r m o n i c s ) 。把频率低于工频基波频率的 分量称为次谐波( s u b h a r m o n i c s ) 。 谐波是在稳态情况下出现的，产生谐波的畸变波形是连续的或至少持续几秒 钟。在电力系统暂态过程实测波形也有高频分量，但暂态过程产生的高频分量不 是谐波，与系统基波频率无关。短时间的冲击电流会产生短时间的谐波电流，换 流装置在换相时会导致电压波形出现缺陷，这两种情况所导致的电流电压畸变也 是周期性的但不属于谐波范畴。 电力系统的谐波是一种干扰量，使电网受到“污染。电工技术领域主要研 究谐波的发生、传输、测量、危害及抑制，其范围一般为2 _ 血，滤波器分流很少。因此，简单地说，只 要将滤波器的谐振次数设定为与需要滤除的谐波次数一样，则该次谐波将大部分 流入滤波器，从而起到滤除该次谐波的目的。 2 高通滤波器 高通滤波器也称为减幅滤波器，它有一阶、二阶、三阶和c 型四种。一阶高 通滤波器需要的电容太大，基波损耗也太大，因此一般不采用。二阶高通滤波器 的滤波性能最好，但与三阶相比，其基波损耗较高。三阶高通滤波器比二阶要多 一个电容c ，它提高了滤波器对基波频率的阻抗，大大减少了基波损耗，这是三 阶高通滤波器的主要优点。c 型高通滤波器的性能介于二阶和三阶的之间。其缺 点是对基波频率失谐和元件参数漂移比较敏感。 以上四种高通滤波器中，最常用的还是二阶高通滤波器，图4 3 ( a ) 画出了它 的电路原理图。 。 l z n l r ( a ) 电路原理图( b ) 阻抗频率特性 图4 3 二阶高通滤波器原理及阻抗频率特性 从电路原理图可得出其阻抗特性为： z n = 面1 + ( i 1 + 壶) - l ( 4 - 3 ) z n 随频率变化的曲线如图4 3 ( b ) 所示，该曲线在某一很宽的频率范围内呈现 低阻抗，形成对次数较高谐波的阻抗通路，使得这些谐波电流大部分流入高通滤 波器。 4 2 2 无源滤波器的参数设计 混合有源电力滤波器的参数设计包括两个部分：无源部分和有源部分。无源 部分的参数设计是指：单调谐滤波器参数的设计和高通滤波器的参数设计。下面 山东大学坝t 学位论文 分别叙述这两部分的参数设计过程。 1 单调谐滤波器的参数设计 装设单调谐滤波器的目的是为了滤除非线性负载产生的特定次谐波电流。而 且兼顾无功功率补偿的作用。滤波器由电容器和电抗器串联而成，一般还带有起 调节品质因数作用的电阻。单调谐滤波器设计的第一步是确定电容器的安装容 量。由于三相滤波装置的各相应该是完全相同的，所以下面只研究单相的参数。 按照电容器安装容量最小的原则，求得单调谐回路输出的无功功率为： q l ：下1u 厶：丢u ( 4 4 ) 式中m 加在n 次谐波通道上的电网相电压有效值。 o 1 1 次谐波通道流过的n 次谐波电流有效值。 电网基波电流有效值。 在上式定义的无功功率条件下，电容器的安装容量将达到最小值。 调谐回路的电容值可按下式选取： g = 且k u i z w ( 4 - 5 ) 式中c n l 次谐波通道的电容值。 q 1 1 】次谐波通道发出的基波无功功率。 盔一滤波器中电容器的增值系数。 k = 去( 4 - 6 ) ( 4 5 ) 式中r 基波角频率 由于电容器的费用占滤波回路的总投资的近6 0 ，所以电容器容量最小的设 计方案一般就是投资费用最小的方案。 确定了单调谐滤波通道中的电容器值后，就可以确定相应的电抗器值工n ： 2 丽1 4 - 7 单调谐滤波器的品质因数q 一般取3 0 6 0 范围之内，根据品质因数q 可以确 定n 次谐波通道的电阻值r n ： r = 等 “- 8 ) 第五章并联型混合有源电力滤波系统数字挡制器的设汁与实验研究 2 高通滤波器的参数设计 通常高通滤波器主要是指二阶高通滤波器。装设高通滤波器的目的是滤除单 调谐滤波器最高调谐频率以上的高次谐波。因此首先要根据单调谐滤波器的配置 情况，并考虑到滤波对象的谐波情况，确定高通滤波器所要抑制的谐波次数。 在很宽的频带范围内，高通滤波器的谐波阻抗都比较低。由于它的运行特性 对频率偏差不敏感，而且在相当宽的频带范围内它的阻抗大致相等，所以不存在 选择最佳q 值的问题。 高通滤波器的特性可以由以下两个参数来描述口3 】： f o2 面1 ( 4 - 9 ) ， = ( 410m4 - u )= l， r c 按照最小安装容量的要求，可以确定电容量为： c = 吒 ( 4 11 ) 式中n i ( f = 七，刀) 由高通滤波器滤除的谐波的次数最后确定电感和 电阻值，电阻值按下式选取： r ：l( 4 1 2 ) l c l 一般接近并略高于装设单调谐滤波器的滤波最高特征谐波角频率。电感值 按下式选取： l = m r 2 c( 4 1 3 ) m 值一般选择范围是0 5 2 。m 值越小，滤波器的损耗越小，取m = o 5 。 4 3 并联混合型拓扑分析 并联混合型有源电力滤波器中，除了无源部分以外，还有很重要的部分就是 有源部分。下面就对本文研究的有源部分进行分析。为了分析清楚混合型的拓扑， 先对最常见的三相三线制并联型有源电力滤波器进行分析。 在图4 1 中，设系统电压为”。、u b 、甜。，三相补偿电流为厶、瓦、如，p w m 直流 侧电容电压为c ，交流侧电感为二，则有： + 屯+ k = 0 ( 4 1 4 ) 山东人学坝卜字位论义 u a + u b + “c = 0 ( 4 1 5 ) 补偿电流i 。是由主电路中直流侧电容电压与交流侧电源电压的差值作用于电 感上产生的，主电路的工作情况由主电路中六个开关器件的通断组合决定。将特 定的开关组合所对应的工作情况称为工作模式，可得下列描述主电路工作情况的 微分方程： 工等= 1 a + 疋虬 ( 4 1 6 ) 三鲁刮b + 瓯玑 ( 4 - 1 7 ) 哮副。+ x o v o ( 4 - 1 8 ) 式中心以、凰、k 从分别为主电路各桥臂中点与系统电源中点之间的电压。 墨、凰、k 为开关系数，配+ 凰+ = o ，墨、疋的值与主电路工作模式之间的关系 如表4 1 所示。 由表4 1 可知，通过开关管上下桥臂的组合，可以改变主电路各桥臂的中点 与系统电源中点之间的电压，且在直流侧电容电压应大于交流电源电压相电压峰 值的3 倍时，可以改变上下管的通断来控制电感上电流的增加和减小，此时能达 到较好的跟踪补偿效果。 表4 1 主电路工作模式和开关系数 工作模工作模式开关系数 式序号v i v 3 v 57 4v 67 2k ar bl ( c l 通通通 2 31 31 3 2通通通1 3 2 31 3 3 通通通 1 ，31 32 3 4 通通通 1 31 32 3 5 通通通 1 32 3 1 3 6 通通通 2 3】31 3 由以上分析已经知道补偿电流是由主电路中直流侧电容电压与交流侧电源 电压的差值作用于电感上产生的，因此如果能够降低交流侧的电压，那么对于全 控桥，可以选择较低耐压的的器件，同时直流电压较低也允许出线电感选择较小 的值便能有很好的跟踪速度。这样就可以进一步降低有源电力滤波器的造价，而 且直流电压的降低同时也提高了装置的可靠性。对于中压或高压系统补偿也可以 使用较低电压等级的器件，或者减少器件的串并联数量，这一点对于目前全控器 件电压等级不高的现状来说是很有利的。 第五章并联型混合有源电力滤波系统数# 控制器的设计与实验研究 传统的做法是在与系统连接处加变压器来降低交流侧电压，然而这种做法并 不经济。增加了一个隔离变压器，而且由于有源滤波器发出的谐波电压较大，对 于变压器的制造增加了难度和成本，因此这种方法并不理想。 经过分析可知，在有源滤波器上由于滤波电流的产生，使得交流侧不仅存在 基波电压，也存在谐波电压，而且一般情况下谐波电压远小于基波电压，因此， 如果能把基波电压分离出来，交流侧仅承受谐波电压，那么可以大大降低逆变桥 电容容量。而对于分离基波电压，最简单的方法就是在有源滤波器出线处串联一 个高通滤波器，如基波l c 并联谐振滤波器或者接一个高通滤波器，如二阶、三 阶或者c 型高通滤波器1 4 2 1 ，都可以达到降低逆变器电压容量的目的。但是这些方 法也有一个共同的缺点，那就是因为谐振发生在谐波附近，因此造成l c 参数选 择困难，特别是电感的绕制存在体积过大、成本过高的缺点。由电容器特性可以 知道，电容上通过基波电流时，电容两端的电压和电流成9 0 0 ，如式( 4 1 9 ) 所 示，同时可以补偿部分的无功功率。 阢= 嘉 c 4 棚， 式中咖一基波角频率；阢电容端电压；t 通过电容的电流。 那么如果对于传统的并联有源电力滤波器采用一个适当的出口电容的话，这 样则可以大大减小出线电感系统侧的电压。 因此可以使用直接加串联电容器的方案f 4 3 l ，如图4 1 所示，与传统有源电力 滤波器相比，电路非常简单。本文对该拓扑结构用于并联型有源电力滤波器原理 进行深入分析。其单相等效电路如图4 4 所示。 图4 _ 4 中，使有源滤波器上通过谐波电流，而在电容上产生一个与系统基波 电压d 方向相反的压降矾，从而降低了电感与电容连接处的电压幅值，选择合 适的电容值和逆变器上通过的谐波电流，使得电容上承受所有的基波电压，而逆 变器只承受较小的谐波电压。另外电容对谐波补偿信号而言是相当于短路的。 山东大学硕士学位论文 图4 4 直接加串联电容器的并联有源电力滤波器单相等效电路图 在图4 - 4 中将负载等效成一个电流源，对有源滤波支路列基波电路方程： u = l l z c l + 以p f l ( 4 2 0 ) 在丘。= 玩z c ，时，逆变桥所承受的基波电压。= o ，则逆变器上承受较 小的谐波电压。因此实际中电容值和基波补偿电流大小的确定可以通过( 4 2 0 ) 式确定。 在出线电容选择时，应注意由于出线电容承受较大的基波电压，所以其电压 参数应以系统电压额定值来选择。还应做好保护电路，在检测到电容击穿时应快 速断开a p f 与系统的连接，以避免由于电容击穿而造成其后的电感和逆变电路击 穿。另外，虽然这种拓扑结构可以大大降低直流侧工作电压，但是在逆变器没有 投入运行时，逆变器承受电压依然为交流侧电压，因此逆变器管子不能选择太小， 应该以交流侧电压为基准进行选择。 4 4 并联混合滤波器的仿真 4 4 1 并联混合滤波器的谐波检测仿真模型 基于第三章分析得出的瞬时无功功率理论的f p i q 算法，建立了下图所示的谐 波检测仿真模型。另外，为了滤除纹波电流，要求连接电感的数值要尽量大些； 但是，如果要求有源滤波器实时快速地跟踪传输线路中的电流信号，连接电感的 数值就必须小一些。为了兼具这两点，在满足跟踪速度要求的基础上，还要尽量 滤除纹波电流成份，那么，连接电感的数值就必须取得适中。 第五章并联型混合有源电力滤波系统数字控制器的设计与实验研究 y i 图4 5 谐波检测仿真模型 4 4 2 仿真模型及波形分析 并联混合滤波器的仿真模型如图4 6 所示，该仿真模型中的非线性负载采用 整流桥接r l c 电路来构成矩形负载，其中r = 5q ，l = 5 0m h ，c = 无限小；输入信 号为标准的三相平衡正弦电压波形，幅值为2 2 0v 。应用快速傅立叶工具分析得 到的负载谐波含量如图4 7 所示，其主要谐波为5 次、7 次和l1 次，而且含量很大， 因此，应特别为此设计无源滤波参数。 皇_ t l - m s d l s ? 图4 石并联混合滤波器的仿真模型图 r * m 圈4 7 非线性负载的谐波含量 事实i 二，连接电感对滤波效果会产生较大的影响，图4 8 和图4 9 7 分别是连接 电感为2 m h 和3 m h 时的波形图及其谐波含量分析凰。 一 - - 一 一 一j一 ， ，。一。- 。一 ( a ) 2 m h 时a k 目* b 偿前后的电流波形 l ri 。| ，。一。一。 ( b ) 3 m b l 时a 相补偿前后的电流波形 图4 8 不同连接电感时的补偿前扁电流波形 第五章并联型混合育源电力滤波系统数字控制器的设计与实验研究 4 5 本章小结 k- 0l o 1 0 5ol lo1 1 5a 1 2 m 1 ) ( a ) 2 m h 时a 相补偿后的电流谐波含量 ( b ) 3 m h 时a 相补偿后的电流谐波含量 图4 9 不同连接电感时的补偿前后电流谐波含量 结合前面给出的谐波检测的具体算法，分析了连接电感对谐波抑制的影响。 从本文给出的相应波形图中可以看出，只要合理地选择各个参数，并联有源滤波 器对谐波的抑制效果就十分显著。 3 9 - 山东大学硕 ：学位论文 第五章并联型混合有源电力滤波系统 数字控制器的设计与实验研究 5 1t m s 3 2 0 f 2 4 0d s p 芯片的基本特征 在d s p 领域中，美国t i 公司的产品及其配套技术与开发工具最有强大的竞争 力，其中t m s 3 2 0 d s p 是它的代表系列，本课题采用t m s 3 2 0 f 2 4 0 ，它是专门针对 电机、逆变器、机器人等控制而设计的一种单片d s p 控制器，外形1 3 2 i 3 1 脚正方 扁平封装。它以c 2 x l p1 6 位定点d s pc p u 为内核，具有3 2 位中央算术逻辑单元 和专用硬件乘法器，可在一个指令周期内完成一条1 6 x1 6 位的乘法运算【删。 在2 0 m h z 的内部时钟频率下，单周期指令执行时间为5 0 n s ( 即每秒百万条指 令) 。c p u 存储器可寻址存储空间2 2 4k 字节，并有3 2 k 片内闪烁存储器。配置 了完善的外围设备，包括1 个优化的事件管理器模块( e v ) ，2 个8 通道1 0 位a d 转 换器、1 个串行通信接口模块、1 个串行外设接口模块、1 个看门狗定时器、2 8 个 可独立编程的y o g i 脚以及中断管理系统等。其中用于p w m 控制的事件管理器模 块有1 2 个比较脉宽调制( p w m ) 通道( 其中九个相互独立) ，可用于产生三相六路 完善的p w m 信号，并且可以内部编程设定死区时间。由于d s p 体系结构与常用 的其它微处理芯片( 如单片机) 不同，即放弃冯诺依曼的并行体系结构，采用 多总线的哈佛结构，流水作业，芯片的执行速度很快。所谓哈佛结构，是指将程 序和数据存储于不同的存储空间内，即程序存储器和数据存储器是两个相互独立 的存储器，每个存储器分别独立编址、独立访问，与两个存储器对应的是系统中 设置了程序总线和数据总线两条总线，从而使数据的吞吐量提高了一倍；而冯诺 依曼结构是将指令、数据、地址存储在同一存储器中，统一编址，依靠指令计数 器提供的地址来区分是指令、数据、还是地址。因取指令和取数据都访问同一存 储器，数据吞吐率低。另外，t m s 3 2 0 f 2 4 0 汇编语言加之其丰富的指令系统，使 得编程容易灵活【4 5 1 。正是因为t m s 3 2 0 f 2 4 0 具有指令执行的高速性和内部的p w m 产生功能，可以很方便地实现高速数字信号的控制，因此采用它来研制混合有源 电力滤波系统数字控制器，为系统的全数字控制提供必要的硬件和软件基础。 4 0 - 第五章并联型混合肓源电力滤波系统数字控制器的设计与实验研究 5 2 硬件方案的实现 5 2 1 实验系统的结构及滤波原理 实验时采用并联型混合有源电力滤波系统，其结构原理图如图5 1 所示。 图5 - 1 并联混合型有源电力滤波系统结构原理图 由于目前电力系统中大量的谐波负载是整流桥类负载，故选取一台带阻容阻 感负载( 灯泡串联电抗) 的相控整流桥作为被补偿谐波负载。图5 1 中，这个系 统主电路中的无源滤波器包括5 次谐波滤波器，7 次谐波滤波器和高通滤波器，有 源滤波器由电压源型p w m ( 脉宽调制) 逆变器构成，通过变压器与无源滤波器 串联连接。有源滤波器的直流侧电容器电压可由一个单独的直流电源提供直流支 撑电压。上r 为小容量的滤波电感。 设负载为谐波电流源，有源滤波器被控制为一个等效谐波阻抗，它使无源和 有源滤波器总的串联谐波阻抗对各次谐波都为零，从而使所有的负载谐波电流全 部流入无源滤波器支路，达到提高无源滤波器滤波效果的目的，此时有源滤波器 的输出补偿电压为所有负载谐波电流流过无源滤波器时产生的电压。对于电源电 压中的畸变电压，有源滤波器被控制产生与其相同的谐波补偿电压，以抑制电源 电压畸变产生的谐波电流。另外，有源滤波器的投入还能有效地抑制电力系统阻 抗和无源滤波器之间可能产生的串、并联谐振由于有源滤波器不是直接对谐波 电流进行消除，而是起到提高无源滤波器滤波效果的目的，它所产生的补偿电压 山东大学硕卜学位论文 中不含有基波电网电压，只含有谐波电压，故其功率容量很小，具有良好的经济 性，适于对大容量的谐波负载进行补偿m 】。 系统具体滤波原理说明如下： 图5 2 为图5 1 的等效电路图。由于非线性负载采用阻感负载，所以在图 5 2 中被等效为一个电流源，有源滤波器为一个电流控制电压源以。，呶为电网 电压，z s 为电力系统等效阻抗，z f 为无源滤波器的等效阻抗。 厶= + 丘 ( 5 - i ) 吼= 吼一z s 丘 ( 5 2 ) u f a = 玩一磊靠 ( 5 3 ) if=iff-i-lfh(5-4) 如果j 。被控制为： 乏警) 限5 ， k = 一瓦j 即负载电压的基波分量乩完全加在无源滤波器上，流过滤波器的谐波电流 成分刚好抵消负载电流的谐波分量j u 。 i s = i 骄= i 既+ i u ( 5 6 、) 流瓦中将不含有谐波成分。 第五章并联型混合有源电力滤波系统数7 控制器的设计与实验研究 器上的电压魄中的谐波含量等于，对各次谐波在无源滤波器上将产生谐波电 压z f 五。，则有源滤波器对各次谐波需产生谐波补偿电压： u f = = + z f 也 ( 5 7 ) 。 式中d 。为电网电压中高次谐波含量，即有源滤波器上电压仅仅包含谐波成分。 5 2 2 系统硬件电路设计 实验系统硬件电路框图如图5 3 所示。 图5 - 3 系统硬件框图 1 主电路 主电路中有源滤波器采用m o s f e t 作为开关元件，逆变器开关频率为2 0 k h z 。 由于流过有源滤波器的电流为基波无功电流和所有的负载谐波电流，电流很大； 而其产生的电压为谐波补偿电压，电压很小，变压器一个重要作用就是使构成有 源滤波器的p w m 逆变器的电流和电压容量取值合理，系统选定变压器的变比为 1 0 ：1 。有源滤波器直流电容器电压决定滤波系统的谐波电流跟踪能力，取值过 低不能将谐波电流完全消除；过高又将使逆变器和电容器的电压容量增大，应考 虑两方面的因素综合选取，本系统给定直流电压6 0 v 。直流电容器容值的选取也 应考虑到两方面的因素，容值过小将使直流电压波动过大，影响到有源滤波器的 正常工作；容值过大将会使成本增加，本系统直流电容器容值选1 1 0 0 p f 。滤波电 感h 是用来滤除p w m 载波谐波的，r 大有利于载波谐波的消除，但同时也会影 响有源滤波器的动态性能，选取时综合考虑到两方面因素，滤波电感选l r - - - 4 0 m h 。 由于有源滤波器的功率容量主要是由所有的负载谐波电流流过无源滤波器 山东大学硕上学位论文 产生的谐波电压峰值决定的，为降低有源滤波器容量，应使式( 5 7 ) 中z f l 尽 量小，可通过对无源滤波器进行优化设计实现1 4 7 1 。实验中的无源滤波器具体参数 如表5 1 所示。 表5 1l c 滤波器参数 5 次 l = 2 7 m hc = 15 心 q = l o 7 次 l = 2 7 m hc = 7 6 5 u f q = 1 0 高通滤波器 l = 8 4 m hc = l o 心 q - - 1 0 2 控制电路 从系统滤波原理可以看出，控制电路必须能从电网电流中检测出其谐波电流 成分，根据此电流由d s p 产生6 路p w m 信号，控制主电路p w m 逆变器产生一谐波 补偿电压。按照上述要求，实验系统的控制电路的组成应有这样几个部分： 电网电流中谐波与无功电流检测电路； 标准正余弦信号发生电路； 指令电流运算电路： 直流补偿电压控制电路； 功率驱动保护电路。 其中在软件中数字化编程实现，而不再采用以往的模拟电路来实现。 ( 1 ) 电流采样与转换电路 由于t m s 3 2 0 f 2 4 0 的集成度很高，因此外部的扩展较少。电流采样与转换电 路如图5 4 所示。 = 图5 4 电流采样与转换电路 在设计本系统的电流采样与转换电路时，采用霍尔电流传感器( l e m 模块) 一l a 2 5 加，它是使用霍尔器件根据磁补偿原理而制作的，它可以传感从直流到 第五章并联型混合有源电力滤波系统数7 控制器的设计弓买验研冗 数百千赫兹频率的信号。与普通传感器比较，其优点为： l e m 模块可以测量任意波形的电流和电压，如：直流、交流、脉冲波形等， 甚至对瞬态峰值的测量。副边电流忠实的反反映原边电流的波形。 原边电路与副边电路之间完全绝缘，绝缘电压一般为2 k v 至1 2 k v ，特殊要 求可达2 0 k v 至5 0 k v 。 精度高，在工作温度区内精度优于1 。线性度优于0 1 。 动态性能好，响应时间小于l p s ，跟踪速度d i d t 高于5 0 a l a s ，而普通互感 器响应时间为1 0 2 0 m s ，不能满足系统对谐波进行实时检测并补偿的要求。 工作频率和测量范围宽，工作频率范围可达0 1 0 0 l ( h z ，测量电流可达5 0 0 ， 测量电压可达6 4 k v 。 过载能力强，当原边电流超负荷时，模块达到饱和，可自动保护。 可靠性高。 从上面可以看出，采用霍尔电流传感器作为电网电流的检测元件能比较好地 完成对谐波电流的实时检测，同时也实现了电网与滤波系统的绝缘。 由于t m s 3 2 0 f 2 4 0 芯片内的a d c 模块要求输入0 5 v 的单极信号，必须将l e m 输出的小电流信号转换为电压信号，再经放大滤波后送入e v m 板的a d c ，因此 设计了图5 - 4 所示的电路来进行信号的变换。图中r l 为h a l l 器件所允许的负载电 阻，只1 选1 6 0 f 2 。考虑至u h a l l 器件输出电流信号较弱，图中运放起放大作用，运算 放大器输入阻抗很高，r 2 的影响可忽略，图中r 2 的阻值选6 8k q 。为防止运放的 零漂，采用i c l 7 6 5 0 斩波自稳零运放。图中，皿是一个2 0 k 的变阻器，主要目的 是为了得到一个正向的2 5 v 的直流偏置电压。c 1 为一个积分小电容，选3 0 0 p f 。 电阻r 3 和r 5 的阻值分别选3 3k q 和6 8k q 。运放7 6 5 0 后面的两个二极管d l 和d 2 可 防止模拟输入过大，使7 6 5 0 的输出正电压不超过“5 7 v ，负电压不小于“0 7 v 。 电容c 2 是一个滤波小电容，选0 1 心，其作用是能减小干扰，它和电阻r 6 构成了一 个低通滤波器。电阻尺6 为限流电阻，选2 7 0 f 2 ，它可在过压时起限流作用，防止 损坏后面的a d 转换电路。上图的输出直接接到e v m 板的a d 端，从而该电路将 具有正负极性的电流反馈信号转换为单极性信号送入d s p 。图中c 3 和c 4 是7 6 5 0 正 常工作时所要求的外围器件，电容值均取0 1 妒。 2 驱动保护电路 有源电力滤波器的主电路是由全控型电力半导体器件构成的三相桥式p w m 4 5 山东大学硕上学位论文 变流器。在本课题的实验系统中，六只全控型电力半导体器件采用的是美国国际 整流( i r ) 公司的m o s f e t ( i r f p 4 6 0 ) 。驱动集成电路采用的是i r 公司生产的i r 2 1 1 0 高压浮动驱动集成电路，通过驱动电路驱动主电路的m o s f e t l 4 8 】【4 9 1 。图5 5 是一 相驱动电路图。 图5 5 一相驱动电路图 i r 2 1 1 0 采用1 4 端d i p 封装，引出端排列如图5 5 示。i r 2 1 1 0 各引出点功能分别 是：1 端( l o ) 是低端通道输出。2 端( c o m ) 是公共端。3 端) 是低端固定电源电 压。5 端( 佻) 是高端浮置电源偏移电压。6 端( 砜) 是高端浮置电源电压。7 端( h o ) 是高端通道输出。9 端( v d d ) 是逻辑电路电源电压。l o 端( h i n ) ，1 l 端( s d ) 。1 2 端( l i n ) 均是逻辑输入。1 3 端( v s s ) 是逻辑电路地电位端外加电源电压，其值可以为0 v 。 4 端、8 端、1 4 端均为空端。c l ，c 2 ，d 3 为驱动模块i r 2 11 0 正常工作时所要求的外 围器件，c i 选值0 1 p f ，c 2 取l p f 。 i r 2 11 0 采用h v i c 和门锁抗干扰c m o s t 艺制作刚1 5 l 】，具有独立的高端和低 端输出通道：逻辑输入与标准的c m o s 输出兼容；浮置电源采用自举电路，其高 端工作电压可达5 0 0 v ，d u d t = + 5 0 v n s ，在1 5 v 下的静态功耗仅有1 6 m w ；输出 的栅极驱动电压范围为1 0 2 0 v ，逻辑电源电压范围为5 1 5 v ，逻辑电源地电压偏 移范围为5 v + 5 v 。i r 2 11 0 采用c m o s 施密特触发输入，两路具有滞后欠压锁定。 推挽式驱动输出峰值电流不小于2 a ，负载为1 0 0 0 p f 时，开关时间典型值为2 5 n s 。 两路匹配传输导通延时为1 2 0 n s ，关断延时为9 4 n s 。i r 2 11 0 的1