（电力系统及其自动化专业论文）基于dsp的有源电力滤波器的研究.pdf

东北电力大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f s c i e n c ea n dt e c h n o l o g y t h ei n c r e a s i n g l ym o r eu s e so f n o n l i n e a rp o w e r e l e c t r o n i ce q u i p m e n t sh a v eb r o u g h ts e r i o u sp o l l u t i o n si n t ot h e e l e c t r i cn e t w o r k t h e yc a u s ed e c l i n eo ft h ee n e r g yq u a l i t ya n dd a m a g e so ft h eu s e r s b e n e f i t s t h ea c t i v ep o w e rf i l t e rc a nt r a c ka n dc o m p e n s a t et h eh a r m o n i c si nt h e e l e c t r i cn e t w o r kd y n a m i c a l l y s ow i d ea t t e n t i o nh a sb e e na t t a c h e dt oi t a n dt h u si t h a sb e c o m ea ne f f e c t i v et o o lo f r e p r e s s i n gt h eh a r m o n i c s t h i sp a p e rb e g i n s 析t l lt h ea n a l y s i so ft h ed e f i n i t i o n t h ep r o d u c i n ga n dt h e h a r m so f t h eh a r m o n i c s a n di n t r o d u c e ss p e c i f i cm e t h o d so f r e p r e s s i n gt h eh a r m o n i c s i ts t a t e st h ed e v e l o p m e n ts i t u a t i o no ft h ea c t i v ef i l t e r si na n da b r o a d a n a l y z e st h e c i r c u i t st o ps t r u c t u r eo fd i f f e r e n tk i n d so fa c t i v ef i l t e r sa n ds t r e s s e st oi n t r o d u c et h e f u n c t i o np r i n c i l l l eo ft h es h u n ta c t i v ef i l t e r d e t e c t i o no ft h eh a r m o n i cs i g n a l si st h e b a s i so f r e p r e s s i n gh a r m o n i c s t h ep a p e rg i v e sas p e c i f i cr e s e a r c ho nf f th a r m o n i c s d e t e c t i o na n di n s t a n t a n e o u sr e a c t i v e p o w e rh a r m o n i c sd e t e c t i o n d e d u c e ss p e c i f i c c a l c u l a t i o nf o r m u l a s a n dd e s i g n sat w o s t a g eb u t t e r w o r t hl o w p a s sf i l t e rb yu s i n g t h ef i l t e rf u n c t i o no ft h et ic o r p o r a t i o n t h ep r o d u c i n go ft h ei n s t r u c t i o nc u r r e n t s i g n a l si sak e ys t e po fr e p r e s s i n gh a r m o n i c s t h ep a p e rf o c u s e so nt h em e t h o do f p r o d u c i n g i n s t r u c t i o nc u r r e n ts i g n a l s t h r o u g hu s i n gt h es v p w mm e t h o d a n d s i m u l a t e si tb yt h es o f t w a r em a t l a b a st ot h ea c h i e v e m e n to ft h ea c t i v ep o w e r f i l t e r t h i sp a p e rm a i n l y u s e st h ec o n t r o l l e rc e n t e r e di nd s p c h i p t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a a n da l s og i v e sh a r d w a r e t e s t i n ga n ds o f t w a r e s i m u l a t i o no ft h e o u t e rc i r c u i tt h a td e a l sw i 协s i g n a l s b a s e do nt h ed e s i g n e dc o n t r o l l e r t h ep a p e ra c h i e v e s t h et w od e t e c t i n gm e t h o d st h a th a v eb e e nr e s e a r c h e do nt h em o n i t o r i n gs o f t w a r ea n dt h ed s p c o n t r o l l e rs e p a r a t e l y t ot e s tt h er e l i a b i t yo ft h es y s t e md e s i g n e di nt h i sp a p e r t h ep a p e rc a r r i e s o na ne n c l o s e ds i m u l a t i o no f m e 屯一i q h a r m o n i cd e t e c t i n gm e t h o da n dt h es v p w mc o n t r o l m e t h o d p r o v i n gt h a tt h ec a l c u l a t i n gm e t h o di sp r o p e ra n d r e a l t i m e k e y w o r d s a c t i v ep o w e rf i l t e r l o w p a s sf i l t e r d s ps v p w m d y n a m i e s i m u l a t i o n 1 1 论文原创性声明 本人声明 所呈交的学位论文系在导师指导下本人独立完成的研究成果 文中依法引用他人的成果 均已做出明确标注或得到许可 论文内容未包含法 律意义上已属于他人的任何形式的研究成果 也不包含本人已用于其他学位申 请的论文或成果 本人如违反上述声明 愿意承担以下责任和后果 1 交回学校授予的学位证书 2 学校可在相关媒体上对作者本人的行为进行通报 3 本人按照学校规定的方式 对因不当取得学位给学校造成的名誉损害 进行公开道歉 4 本人负责因论文成果不实产生的法律纠纷 论文作者签名 隰 年乒月单日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品 知识产权归属学校 学校享有以任何方式发表 复制 公开阅览 借阅以及申请专利等权利 本人 离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时 署名单 位仍然为东北电力大学 论文作者签名 导师签名 日期 驰五年卫月卫日 日期 占d 5 年 鱼二月 兰一日 第1 章绪论 1 1 谐波的概念 第1 章绪论 谐波 h a r m o n i c 即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 谐波频 率与基波频率的比值 厂 f 称为谐波次数 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 1 3 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 在国际电工标准中 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1 的h 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 或间谐波 1 i n 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 2 4 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 4 0 1 2 电力系统谐波的产生及其危害 1 2 1 谐波源 一1 一 东北电力大学硕士学位论文 谐波是由非线性负荷产生的 这些使蒹统正弦波形畸变 产生谐波的负荷 称为谐波源 我国原水利电力部1 9 8 4 年制定的s d l 2 6 s 4 电力系统谐波管理 暂行规定 对谐波源做了如下定义 2 与电网连接并输入两倍于5 0 h z 及以上频率电流的设备 统称谐波源 冶 金 化工等工业企业以及电气机车的换流设备和电弧炉等各种非线性用电设备 接入电网后 均向电网大量注入谐波电流 都属于谐波源 发电机 变压器和 电动机等电力设备 如果参数选择不当或设计结构和制造工艺不良 亦向电网 注入大量谐波 所以发电机 变压器等电力设备也可能成为谐波源 国家技术监督局于1 9 9 3 年颁布了谐波国家标准g b t 1 4 5 4 9 9 3 电能质量 公用电网谐波 定义谐波源为 谐波源 h a r m o n i cs o u r c e 向公用电网注入 谐波电流或在公用电网中产生谐波电压的电气设备 具体来说 电力系统的谐波源可归纳为以下几种类型 4 7 1 1 发电电源质量不高产生谐波 发电机由于三相绕组在制作上很难做到 绝对对称 铁心也很难做到绝对均匀一致和其他一些原因 发电源多少也会产 生一些谐波 但一般来说很少 2 输配电系统产生谐波 输配电系统中主要是电力变压器产生谐波 由 于变压器铁心的饱和 磁化曲线的非线性 使得磁化电流呈尖顶波形 因而含 有奇次谐波 3 用电设备产生的谐波 主要为各种交直流换流装置 整流器 逆变器 以及双向晶闸管可控开关等 我们知道 晶闸管整流装置采用移相控制 从电 网吸收的是缺角的正弦波 从而给电网留下的也是另一部分缺角的正弦波 显 然在留下部分中含有大量的谐波 1 2 2 谐波的危害 理想的公用电网所提供的电压应该是工频基波电压 谐波电流和谐波电压 的出现 对公用电网是一种污染 它使用电设备所处的环境恶化 也对周围的 通信系统和公用电网以外的设备带来危害 归纳起来其主要危害有h 9 1 使电力设备产生附加损耗 温度升高 绝缘降低 寿命缩短 2 引起电机的机械振动 导致电动机效率降低 并影响转矩 3 无功补偿电容器组可能引起谐波电流的放大 甚至造成谐振 使动 容器使用寿命缩短 一2 一 第1 章绪论 对继电保护 自动控制装置和计算机系统产生干扰和造成误动作 5 干扰邻近的通信线路和铁道信号线路的正常工作 6 影响测量仪表的精度 造成电能计量的误差 1 3 谐波畸变的度量及限制电网谐波的标准 1 3 1谐波畸变的度量 4 将一个畸变的周期电流或电压波形展开成傅立叶级数 可以用下面的式子 来表达 砸 l he o s h c o o t h h i f 圪c o s 而 h r 式中 厶一第h 次谐波峰值电流 k 第h 次谐波峰值电压 则电压总 类似地 九一第h 次谐波电流相位 吼 第 次谐波电压相位 一基波角频率 0 0 2 矾 五一基本频率f o 5 0 h z 电压和电流的有效值可定义为 2 喜吃 喜j 乞 谐波畸变率觋 t t a l h a f r m o n 丁i c s d i s t o n i n 被定义为 脚r 2 拖砰2 据卜 一去辱 树一t 式中 k 一基波电压峰值 一基波电流峰值 3 东北电力大学硕士学位论文 1 3 2 世界各国限制电网谐波的标准 谐波的危害和影响引起了各国高度重视 不少国家和国际学术组织都制定 了限制电力系统谐波的标准 对用电设备产生的谐波畸变 t h d 进行限制 19 8 2 年国际电工委员会 i n t e r n a t i o n a le l e e t r o t e c h n i c a lc o m m i s s i o n 简写 为i e c 第一次制订通用电器设备产生谐波的限制标准 i e c 5 5 并在其 后的执行过程中多次修订完善 1 9 9 3 年美国电气与电子工程师协会 i e e e 进 一步在i e c 5 5 标准的基础上补充对高压大功率用电负载产生谐波的限制标准 制订i e e e a n s is t a n d a r d5 1 9 谐波限制标准 在我国 原水利电力部于1 9 8 4 年根据国家经济委员会批转的 全国供用电 规则 的规定制定并发布了s d l 2 6 8 4 电力系统谐波管理暂行规定 国家技 术监督局于1 9 9 3 年颁布了谐波国家标准g b f r l 4 5 4 9 9 3 电能质量公用电网谐 波 该标准已于1 9 9 4 年在我国开始实施 电能质量公用电网谐波 g b t 1 4 5 2 9 9 3 中规定了各电压等级的总谐波畸变率 各单次奇次电压含有率和各单次 偶次电压含有率的限制值 从各国制订的限制电力系统谐波的标准中 可以看 出制定限制谐波标准的共同原则和要求是 1 把电力系统中的谐波电压控制在允许的范围内外 保证供电网供给波形 为正弦波 2 限制谐波源 注入电网的谐波电流及其在电网连接点产生的谐波电压 3 防止谐波对电网发电 供电设备的干扰 特别要防止高压电网发生谐振 和谐波放大 维护电网安全经济运行 1 4 谐波抑制技术 目前 为解决谐波污染问题 基本思路有两条 一是对电力电子装置本身进 行改造 使其不产生谐波 另一条是装设谐波补偿装置来补偿谐波 对于第一条 主要是通过增加整流相数 采用先进的控制技术 限制变流 器的容量 加入滤波环节等方法来实现 对于第二条 传统的方法是使用l c 无源滤波器 它具有结构简单 一次性投入低 吸收特定次谐波效果显著 且 同时也可补偿无功功率的优点 但也存在以下难以克服的缺点 只能抑制固定 次谐波 对某次谐波在一定条件下会产生谐振而使谐波放大 不能对变化的无 功负载进行精确补偿 重量与体积较大等等 一d 一 第1 苹绪论 针对无源滤波技术的上述缺点 人们又提出了有源电力滤波器 a c t i v e p o w e rf i l t e r 简称a p f 其基本原理是从补偿对象中实时检测出谐波电流 利用可控电力电子器件产生一个与该谐波电流大小相等相位相反的补偿电流 注入电网 从而使电网电流只含基波分量 达到实时补偿谐波电流的目的 与无源滤波器相比 有源电力滤波器有如下特点 1 基于d s p 结构的a p f 能动态补偿谐波 也可同时补偿无功功率 且补 偿无功功率的大小可做到连续可调 2 不会与电网发生串 并联谐振现象 且能有效地抑制系统与无源滤波器 之间的谐振 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 3 既可对一个谐波和无功源单独补偿 也可同时对多个谐波和无功源集中 补偿 对功率器件工作频率以内的各次谐波都有很好的滤波效果 4 不存在过载现象 当负载谐波电流较大时 仍能继续运行 但有源电力滤波器也存在价格昂贵 运行成本高和难以构造大容量补偿装 置等缺点 从有源电力滤波器以上的特点可以看出 它克服了l c 滤波器等传统 的谐波抑制和无功补偿方法的缺点 具有良好的调节性能 因而具有很大的发 展前途 1 5 有源电力滤波器的国内外研究现状 1 9 7 1 年日本的h s a s a k i 和t m s c h i d a 提出了有源电力滤波器 a c t i v e p o w e r f i l t e r 简称a p f 的基本结构 图i 1 即利用可控的功率半导体器件向电网注 入与原有谐波电流幅值相等 相位相反的电流 使电源的总谐波电流为零 从 而达到实时补偿谐波电流的目的 图1 1电力有源滤波器的基本结构 一5 一 东北电力大学硕士学位论文 1 9 7 6 年美国西屋电器公司的l g y u g y i 和e c s t r y c u l a 提出了用大功率晶体 管组成的p w m 逆变器构成a p f 从原理上讲 它是一理想的谐波电流发生器 这篇论文奠定了当今有源电力滤波器的基本拓扑结构 然而7 0 年代由于缺少大 功率可关断器件 a p f 的研制一直处于实验阶段 例如美国西屋电器公司的 l g y u g y i 和日本高知工专的野村等人研制一些小规模的试验装置 进入8 0 年代以来 大功率可关断器件 如g t o i g b t m o s f e t 等 的飞 速发展为a p f 的产品化研究提供了必要的条件 1 9 8 2 年第一台实用的有源电 力滤波器装置投入实际运行 1 9 8 3 年 日本长岗科技大学的赤木泰文 h a k a g i 等人提出了一种瞬时无功功率理论 为解决三相系统畸变电流的瞬时检测提供 了理论基础 进入9 0 年代以后 由于电力谐波污染日趋严重 a p f 的研究越来越受到重 视 用途也越来越多样化 1 9 9 4 年 a l e x a n d r ec a m p o s 等人将串联型有源电力 滤波器用于平衡三相不平衡电源获得成功f 4 1 9 9 4 年 a n a b a s e 等人成功地将 串联型有源电力滤波器用于抑制8 0 吨电弧炉所产生的电压闪变 2 0 0 3 年 h a k a g i 等人发表了关于串联型有源滤波器的建模和稳定性分析 的论文 电力有源滤波器作为改善供电质量的一项关键技术 在国外已日趋成熟 仅 在日本就有5 0 0 多台a p f 投入运行 其容量已达到6 0 m v a 我国在a p f 研究与 应用方面起步较晚 一些大学或研发公司已经研制出了小容量的装置 并且正 在走向产品化 1 6 本文主要内容 主要内容有 1 阐述了并联型有源电力滤波器的系统结构和工作原理 建立了并联型有 源电力滤波器的拓扑模型 2 对基于快速f f t 变换和瞬时无功理论的谐波电流检测算法进行了详细的 分析 导出了具体算法公式 详细研究并设计了低通滤波器 3 基于v b 语言完成了上位机谐波分析监控软件界面的开发 并基于f f t 算法实现了上位机的谐波实时的分析 该软件同时具有数据的保存 打印 显 一6 一 第l 苹绪论 示等功能 4 对有源电力滤波器的全数字化控制系统的总体方案进行设计 并完成 了基于1 m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片的电力有源滤波器部分控制器的设计和部分外围电 路的设计 完成了瞬时无功理论算法在d s p 上的调试 5 研究了s v p w m 算法在电力有源滤波器中的应用 并利用m a t l a b 软件 对该算法进行了仿真 验证了利用s v p w m 算法补偿谐波的实时性 可行性 7 一 东北电力大学硕士学位论文 第2 章有源电力滤波器的基本结构及工作原理 本章主要对不同类型有源电力滤波器的系统结构进行了描述 并详细阐述 了其工作原理 2 1 有源电力滤波器的基本结构 根据逆变器直流侧储能元件的不同 有源电力滤波器可分为电压型 图 2 一l 储能元件为电容 和电流型 图2 2 储能元件为电感 电压型有源滤波 器在工作时需对直流侧电容电压控制 使直流侧电压维持不变 因而逆变器交 流侧输出为p w m 电压波 而电流型有源滤波器在工作时需对直流侧电感电流 进行控制 使直流侧电流维持不变 因而逆变器交流侧输出为p w m 电流波 电压型有源滤波器的优点是损耗较少 效率高 是目前国内外绝大多数有源滤 波器采用的主电路结构 电流型有源滤波器由于电流侧电感上始终有电流流过 该电流在电感内阻上将产生较大损耗 所以目前较少采用 但是电流型a p f 由 于开关器件不会发生直通短路现象 随着超导储能磁体研究的进展 也将促进 多功能电流型a p f 投入实用 图2 l电压型有源滤波器 图2 2电流型有源滤波器 根据电路拓扑结构不同 电力有源滤波器可分为并联型 串联型 混合型 和串一并联型 第2 章有源电力滤波器的基本结构及工作原理 图2 3并联型有源滤波器图2 4串联型有源滤波器 图2 3 所示为并联型有源滤波器的基本结构 它主要适用于电流源型非线 性负载的谐波电流抵消 无功补偿以及平衡三相系统中的不平衡电流等 目前 并联型有源滤波器在技术上已较成熟 它也是当前应用最为广泛的一种有源滤 波器拓扑结构 图2 4 所示为串联型有源滤波器的基本结构 它通过一个匹配 变压器将有源滤波器串联于电源和负载之间 以消除电压谐波 平衡或调整负 载的端电压 与并联型有源滤波器相比 串联型有源滤波器损耗较大 且各种 保护电路也较复杂 图2 5 混合型有源滤波器 图2 5 所示为混合型有源滤波器的基本结构 它是在串联型有源滤波器的 基础上使用一些大容量的无源l c 滤波网络来承担消除低次谐波并进行无功补 偿的任务 而串联型有源滤波器只承担消除高次谐振及阻尼无源l c 网络与线 路阻抗产生的谐波谐振的任务 从而使串联型有源滤波器的电流 电压额定值 大大减少 降低了有源滤波器的成本和体积 从经济角度而言 这种结构形式 东北电力大学硕士学位论文 在目前是一种值得推荐的方案 但随着电力电子器件性能的不断提高 成本不 断下降 混合型有源滤波器可能被下面一种性能价格比更高的有源滤波器代替 图2 6 串一并联型有源滤波器 图2 6 所示为串一并联型有源滤波器的基本结构 它组合了串联有源滤波 器和并联有源滤波器的优点 能解决电气系统发生的大多数电能质量问题 所 以又称之为万能有源滤波器或统一电能质量调节器 u p q c 该类有源滤波器 的主要问题是控制复杂 造价较高 按照电源类型不同 有源电力滤波器可分为单相型 三相三线制型 三相 四线制型等 图2 7 三相三线制有源电力滤波器图2 8 三相四线制有源电力滤波器 由于三相三线线路没有零序电流的存在 无法通过识别零序电流来进行三 相不平衡问题的补偿分析 而三相四线制a p f 主要是为了补偿电源中线上的电 流谐波 无功功率及三相之间的不平衡问题 当功率额定值较小时 其主电路 第2 章有源电力滤波器的基本结构及工作原理 可直接采用三相逆变器 而将直流侧电容中点联接到电源中点上 当负载功率 较大时可用四桥臂的逆变器 将第四桥臂单独用于补偿中线 为了实现三相独 立调节 还可使用更复杂的三个单相桥式逆变器进行分别补偿 本文主要以三 相三线制并联型有源电力滤波器为原形进行设计分析 2 2 并联型有源电力滤波器工作原理 有源电力滤波器主电路的形式绝大多数采用电压型 本文在设计选型时也 选用这个比较成熟的电路 图2 9 为本文设计的并联型有源电力滤波器的总的系统框图 该系统基于 补偿思路设计 主要分为信号检测模块 指令信号产生模块 驱动模块 逆变 模块 耦合补偿模块 其工作原理为 通过霍尔传感器检测非线性负载的电流f 扩f 出 f 经 电流信号调理后送入指令电流产生电路 指令电流产生模块是由t i 公司的 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 处理器为核心建立的 由d s p 计算出需要补偿的谐波 并利 用s v p w m 算法产生p w m 信号 该信号经过光耦隔离并反相后进入m o s f e t 驱动电路 驱动电路接受来自前级电流跟踪控制电路的 图2 呻并联型有源电力滤波器的系统框图 东北电力大学硕士学位论文 量置舅量舅量量量量舅置量 舅量 一i i 1 l l 鼍黑舅舅曼量量 墨墨量曼曼 p v 泖v l 信号 并经隔离放大后驱动主电路的m o s f e t 开关管 最后产生的补偿 信号通过滤波电路和隔离变压器送回系统实现谐波电流的补偿 电压传感器用 来检测系统a 相电压和直流侧电压 电压传感器检测变流器直流侧电容电压 经电压信号调理后送入指令电流发生电路 中间加一个p i 调节以维持直流侧电 压的稳定 启动 关断和保护模块按一定的时序控制装置的启动和关断 并提 供装置的过流 过压 过热 缺相等故障保护功能 2 3 有源电力滤波器设计策略 1 补偿容量的确定 有源电力滤波器中最基本的是并联型 其容量取决 于母线电压有效值与补偿电流有效值的乘积 有源电力滤波器的容量由下式确 定 1 s 3 e 2 1 其中e 为电网相电压有效值 厶为补偿电流有效值 2 直流侧电压 电容值 电感值的确定 直流侧电压应满足如下条件 1 3 瓦 2 2 即主电路直流侧电压值u 应大于有源电力滤波器与供电系统连接点的相 电压峰值玩的3 倍 假设在某一p 1 m 周期内直流侧电容始终处于充电或放电状态 直流侧电容 电压最大允许偏离设定值为 一 则 1 1 一2 虿三i i 一 直流侧电容值为 如壶 一 3 矗刚 u d 一 一 其中 正删为p w m 脉冲的频率 iel 为通过电容c 的最大电流值 主电路交流侧电感的最大取值为 掣 协4 第2 章有源电力滤波器的基本结构及工作原理 l 亟i d t 一为指令电流毛最大电流变化率 设有源电力滤波器的实际输出电流偏离指令电流的最大允许值为 i 一 则 主电路交流侧电感的最小值 r 2 li u d e 卅l 2 5 k 2 选j 著 3 功率电子器件的选用 大部分中小容量的有源电力滤波器中 主回路 采用的器件基本为i g b t 只有当容量达到m w 级的大容量装置才使用g t o 在a p f 装置中选用i g b t 有以下的优点 驱动电路简单 模块开关频率高 相对交流滤波电感较小 反应速度快 适合于快速反馈 快速控制 4 控制电路采用的方式 工程化的有源电力滤波器很多是采用模拟和数 字相结合的控制方式 实践证明当涉及到电流反馈控制的时候 模拟方式总是 优于数字方式 d s p 芯片的出现 使得人们有可能对以往的控制电路进行优化 5 滤波器的设计 基于瞬时无功理论的谐波检测算法中 低通滤波器的 设计直接影响着谐波检测的精度 同时其延时对滤波器的实时控制也有着较大 的影响 成熟的做法是采用巴特沃斯二阶低通滤波器 有源滤波器主电路中各桥臂开关器件以很高的频率开通关断 会在工作频 率附近产生次数很高的谐波 为了消除这些谐波 需要在系统中并联由电容 电感等组成的高通滤波器 6 a p f 的多台并联使用 当有源电力滤波器用于大容量谐波补偿时 将面临着器件开关频率与容量之间的矛盾 目前工业现场中常采用多台小容量 有源电力滤波器并联 每个a p f 有各自的主电路和控制电路 a p f 的控制和补 偿由其自身来完成 各台有源电力滤波器输出的补偿电流由通信方式进行协调 控制 一台为主 其余为从 7 有源滤波器和无源滤波器的混合使用 将a p f 与无源滤波器并联使 用 合理分担补偿需求 可使a p f 容量减小 东北电力大学硕士学位论文 量量詈鲁舅曼量墨 量暑量量 置量置 i1 1i i 曼量寡量 2 4 本章小结 本章首先介绍了有源电力滤波器的各种拓扑结构及基本工作原理 然后着 重对并联型有源电力滤波器的模型进行了分析介绍 最后简单的介绍了有源电 力滤波器设计策略方面的问题 第3 章有源电力滤波器谐波检测算法研究 第3 章有源电力滤波器谐波检测算法研究 准确 实时地检测出电网中瞬态变化的畸变电流 是有源滤波器进行精确补 偿的关键 目前一些常用的谐波测量方法有采用模拟带通或带阻滤波器测量谐波 法 基于瞬时无功理论谐波测量法 基于傅立叶变换谐波测量法 利用小波变换 谐波检测法 基于神经网络谐波检测法等 其中基于傅立叶变换谐波测量法和基 于瞬时无功理论谐波测量法是两种比较成熟的算法 在实际产品中有较为广泛的 应用 本文对这两种算法在谐波检测分析中的应用进行了详细的分析描述 并导 出了具体算法公式 3 1 基于傅立叶变换的谐波检测 傅立叶变换是一种将时域信号转变为频域信号的变换形式 是数字信号处理 中对信号进行分析时经常采用的一种方法 离散傅立叶变换 简称d f t 可以使数 字信号处理在频域采样按数字运算的方法进行 快速傅立叶变换 简称f f t 则通 过将长序列的d f t 计算分解成短序列的d f t 计算 使运算量得到明显减少 电力系统的谐波分析 通常都是通过快速傅立叶变换 f f t 实现的 本节主 要介绍基于时间抽取的f f t 算法 3 1 1 快速傅里叶变换 f f t 快傅里叶变换 f f t 是1 9 6 5 年j w c o o l e y 和j w t u k e y 巧妙地利用阡 因子的周期性和对称性 构造了d f t 的快速算法 即快速离散傅里叶变换 在 以后的几十年中 f f t 算法有了进一步的发展 目前较常用的是基2 算法和分 裂基算法 对序列x n 进行傅立叶变换有如下定义 傅立叶正变换 f f t 变换 x j 丑x 胛 p 叫2 州m 破 x 玎肿 呲五时 簪州n 萼 1 东北电力大学硕士学位论文 傅立叶反变换 简称i f f t 公式为 3 1 2 利用f f t 变换进行频谱分析 设有刷期信号 x 4 s i n c o i 仍 0 1 2 丁为信号周期 对该信号每周期进行 点采样 m 刊 咖 等蝴 将式 3 4 代入式 3 1 由于 争s t 呱萼 1 珊 0k 乩 l n 一 故可得到 3 2 3 3 采样后的离散序列为 3 4 3 5 x 1 篓删n 蟹圳 c 等币t n 争 弘 纠 x n 1 篓倒n 等 妙 c 等 m h s i n 百2 t o l 势 n 芍圳如 等小t n 争 弘 一 晦6 x 的 ol k n 一1 将式 3 6 代入式 3 2 反变换可得到 x 挖 丙1 刍n i x 七 h 专 口 弘 切 专 口一弘 h 昙口娶一吾6 娶丹 3 7 c o s 7 s 1 n 37 一口 一一d 丹 nnnn 1 6 塑 塑 h 筹 一 砂 鲥 第3 章有源电力滤波嚣谐波检测算法研究 量曼量量置置 舅皇 量蟹 量曼鼻 q i l l i 量詈舅置置曼曼量鲁量 曼曼鼍曼曼量 另将式 3 2 展开可得到 砌 d i s i n 可2 n n 仍 印i n 等 c s 仍叫c 喊百2 n n s i n 妒 3 8 比较式 3 7 和式 3 8 可得到幅值和相角关系如下 铲导乒万 旷一 告 由式 3 9 可方便的求出基波及各次谐波的幅值和相角 3 1 3 利用f f t 求谐波 设一个含有各次谐波的周期函数为 工 a s i n 2 n f d 弘 h h o 式中z 为第i 次谐波频率 a t 识分别为第i 次谐波幅值及相角 谐波次数 为了检测出m 次谐波 必须对该信号以频率工进行采样 定理工应满足 工 2 厶 采样后的信号为 埘 z 玎瓦 a s i n 2 z t f h n t 伊f h 0 将式 3 1 1 代入式 3 1 进行f f t 变换可得到 3 9 3 1 0 m 为最高 根据香农 3 1 1 n 一1 3 1 2 根据f f t 变换特点可知道x 1 对应着基波信号 为了求出谐波 可令 x k 0 k 1 k 6 3然后x c x k 做f f t 反变换 由式 3 2 即可求出 谐波信号 用类似的方法可求出基波信号 o 七 嘴 仍 t 矾 2 呱 吼 4 脚 脚 y 东北电力大学硕士学位论文 3 2 基于瞬时无功理论的谐波检测 3 2 1 瞬时无功理论介绍 三相电路瞬时无功功率理论首先于1 9 8 3 年由赤木泰文 1 6 1 提出 赤木泰文 最初提出的理论亦称p q 理论 是以瞬时实功率p 和瞬时虚功率g 的定义为基础 的 在瞬时有功电流 和瞬时无功电流屯为基础的理论体系中 设三相电路各相 电压和电流的瞬时值分别为巳 e b 巳和i o 为分析问题方便 把它们 变换到口节两相正交的坐标系上研究 由下面的变换可以得到口 厢相瞬时电压 和口 厢相瞬时电流 0 甘 黔 私z 仔1 3 印叫 1 荔靠 在图3 1 所示的 一p 平面上 矢量 p 母和屯 f 玢别可以合肌刀l 旋转 电 压矢量p 和电流矢量f p p 口 p z 妒 式中 p i 为矢量p f 的模 i i a 如 f 么妒 3 1 5 纯 仍分别为矢量p i 的幅角 图3 lo 8 坐标系中的电压电流矢量 三相电路瞬时有功电流 和瞬时无功电流 分别为矢量f 在矢量p 及其法线 上的投影 即 i p2 l c o s 口 k2z s l n 伊 3 1 6 3 1 7 式中 妒2 妒e 一妒 三相电路为电压矢量e 的模和三相电路瞬时无功电流 三相电路瞬时有功 电流0 的乘积 结合 3 5 3 6 及妒 吼一妒 可得瞬时无功功率p 瞬时有功功 率q 的表达式如下 e 乏 乏一气 l 妇 o 1 c 朋 乏 c s 8 对于三相电压和电流均为正弦波时的情况时 瞬时有功功率 瞬时无功功率 的表达式可以描述如下 设三相电压 电流分别为 e a e m s i n a t e 6 e s i n c a t 一2 万 3 e 既s i n c a t 2 7 r 3 屯 ls i n o n t 一妒 i b s i n c o t p 一2 万 3 厶s i n c o t 一妒 2 刀 3 利用式 3 1 3 2 对以上二式进行变换 可得 阱 s c 蚴o so j t 3 1 9 a 3 1 9 b 3 1 9 c 3 2 0 a f 3 2 0 b 3 2 0 c 3 2 0 3 2 2 式中 吃 砸e 厶 厕 把式 3 1 4 和 3 1 5 代入式 3 9 可得 p 昙 厶 唧g 三既l s i n 妒 3 2 3 令e 既 压 l 互分别为相电压和相电流的有效值 得 p 23 e l c o s 妒 q 3 e l s i n f 3 2 4 东北电力大学硕士学位论文 从上面的式子可以看出 在三相电压和电流均为正弦波时 p q 均为常数 且其值和按传统理论算出的有功功率尸和无功功率q 完全相同 3 2 2 用于三相三线制的屯一i 一i 检测法 基于瞬时无功功率理论的p q 检测算法对电网电压的依赖性大 当电网电压 为非对称时 不能准确的检测出谐波电流 一f 检测法是在此基础上发展起来 的一种方法 在其原理图如3 2 所示 该方法用一个锁相环和一个正 余弦发生 电路得到与电源电压b 同相位的正弦信号s i n m t 和对应的余弦信号c o s r o t 这两个 信号与f i 6 i 一起计算出岛 i 经l p f 滤波得t b i d i 的直流分量己 这里 己 是由0 k i 盯产生的 因此由i 乙即可计算出基波分量0 0 0 进而计算出谐波分量乙 和 该方法由于取电网基波电压为参考量 故能对跟随电网电压的变化实时准确的检测出谐波电流 其中 丽i l u 图3 2 三相三线制 一i g 法检测原理图 一1 2 1 2 钉 2 一万 2 l r 3 2 5 l s i n c o 耐t c o n s 耐o t 3 2 6 第3 章有源电力滤波器谐波检测算法研究 3 2 3 用于三相四线制的 一i 检测法 上面提到的方法只适用于三相三线制电路 为解决三相四线制电路的谐波和 无功电流检测问题 提出了扩展的i 一i 法 三相四线制电路中 屯 i b t 包含零序分量 且各零序分量相等 为 f 0 堕掣 3 2 7 j 将此零序分量从各相电流中剔除 得出 t 则 i t 中只含正 序分量和负序分量 这样 对艺 i f 进行检测即可得到基波正序分量0 i 够 0 三相电流屯 厶 t 减去基波正序分量0 0 i 矿 可得到包含谐波 基 波负序 零序在内的检测结果 扩展的i 一i 法检测原理图如图3 3 所示 图3 3 扩展的f p i q 法检测原理 基于该理论的谐波检测方法的最大优点是无延时检测 瞬时性好 在检测三 相电路谐波和无功电流中得到成功应用 3 3 基于d s p 的低通滤波器的设计 在基于瞬时无功理论的谐波检测算法中 数字低通滤波器 l p f 的设计对 高精度的检测出谐波信号有着重要的影响 数字滤波器的性能主要考虑其动态响 应和延时 对其类型的选择及参数的精度要求都很严格 设计时还要考虑相应滤 东北电力大学硕士学位论文 波器在d s p 控制芯片中实现的问题 其中影响数字低通滤波器的几个主要因素 是 采样频率 截止频率 延时要求 本文基于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片的q 格式函数 库 成功的设计了l p f 通过具体调试取得了较好的效果 3 3 1 1 f 1 公司f i l t e r 函数库简介 t i 公司生产的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 芯片是一款定点d s p 芯片 具有丰富的片 内外设和方便的外扩接口 由于其处理速度快 功能强大的特点 在数字信号处 理及控制领域越来越广泛的被应用 t i 公司针对2 4 x 系列芯片硬件及指令的特 点 基于汇编语言编写了q 格式的信号处理函数库 这些函数符合了硬件指令特 性 具有运行速度快 调用方便的特点 并给用户留了二次开发接口 大大节省 了用户的开发周期 f i l t e r 库是实现数字滤波器功能的函数库 利用该库的c 语 言和汇编语言调用接口 用户可以根据自己的需要设计l p f h p f b p f b s f 等滤波器 并将相关接口参数通过接口函数和库连接上 从而方便的实现库函数 的调用 该函数库的c 语言接口及具体意义如下 t y p e d e fs t r u c t i n t c o e f f p t r l r t t d b u f f e r p t r i n t n b i q i n t i n p u t i i n ti s f i n t q f m a t i n t o u t p u t v o i d i n i 0 v o i d v o i d c a l c v o i d i i r 5 b i q l 6 指向滤波器系数的指针 指向延迟缓冲的指针 阶数 q o 格式 输入数据 0 1 5 格式 归一化因子 用于防止溢出 q 格式 q 0 格式 输出数据 q 1 4 格式 初始化函数 滤波器实现函数 定义结构体变量 由以上接口定义可以看出来 用户在调用函数库以前首先要利用m a t l a b 中的信号处理工具箱 例如s p t 0 0 1 设计出所需要的滤波器 然后编写相应的n l 函数具体实现该滤波器 把最终所求出的滤波器系数及调用函数所需的其他参数 第3 章有源电力滤波器谐波检测算法研究 通过接口函数和库连接 从而实现具体滤波器模块的调用 本节针对有源电力滤 波器中对l p f 的具体要求 详细介绍了在l f 2 4 0 7 芯片上实现l p f 的方式 3 3 2 滤波器的选取 数字滤波器根据结构分为无限脉冲响应滤波器 i i r 和有限脉冲响应滤波器 f i r i i r 滤波器是一种反馈型滤波器 从其传递函数看 它既具有零点 又具 有极点 而f i r 滤波器是非反馈型滤波器 从传递函数上看 是仅具有零点而没 有极点的滤波器 二者各有特点 从结构上看 i i r 滤波器涉及的参数少 实现比较简单 而f i r 滤波器参数相 对较多 所占存储空间大 i i r 滤波器的缺点是由于其结构是反馈型的 即其传递 函数存在极点 所以它要求滤波器参数精度较高 否则很有可能引起振荡 发散情 况 而f i r 滤波器传递函数由于没有极点 不存在振荡和发散的情况 故在稳定性 方面具有很好的特性 本文设计的低通滤波器 既要保证高精度滤出直流分量 又要保证运算的实 时性 因此在选型时一定要兼顾动态响应速度与截止频率 b u t t e r w o r t h 滤波器在 通带内具有最平坦的幅度特性 而且随着频率升高呈单调增减 因此b u t t e r w o r t h 滤波器又称为 最平 的幅频响应滤波器嗍 二阶b u a e r w o r t h 型数字滤波器的 幅值响应最好 在通带内衰减最快 而且阻带内呈最平特性阱1 故本文选用了二 阶b u t t c r w o r t h 低通滤波器作为算法中的数字滤波器 二阶i i r 型滤波器公式如 下 y s b s h i s b 2x j 3 2 8 j j g 2 3 3 3二阶b u t t e r w o r t h 数字滤波器的设计 s p t o o l 是m a t l a b 中具有交互式图形用户界面的信号处理工具 专门用于 完成常用的数字信号处理任务 其中包括滤波器设计 功率谱分析等功能 如图 3 4 为s p t o o l 设计界面 东北电力大学硕士学位论文 图3 4s p t