（电机与电器专业论文）基于dsp控制的电力系统有源滤波和无功补偿装置的研究.pdf

a b s t r a c t w i t ht h ew i d eu t i l i z a t i o no f p o w e re l e c t r o n i cd e v i c e s p e o p l eh a v em o r e a b i l i t yt o c o n t r o lt h ee l e c t r i c a lp o w e ri r a n s f o r n m t i o n b u tt h e s en o n l i n e a rd e v i c e sc a u s et h e s e r i o u sr e a c t i v ep o w e ra n dh a r m o n i cc u r r e n tp o l l u t i o ni nt h ee l e c t r i c a l p o w e rs y s t e m i th a sb e e nak e yr e s e a r c hf i e l di np o w e re l e c t r o n i ca p p l i c a t i o nt e c h n o l o g yt os t u d y t h ea c t i v ep o w e rf i l t e r st oc o m p e n s a t et h er e a c t i v ep o w e ra n dh a r m o n i cc u r r e n t p o l l u t i o nc a u s e db yp o w e re l e c t r o n i cd e v i c e s l o a dh a r m o n i e e u r r e n ts u p p r e s s i o na n d r e a c t i v ec u r r e n tc o m p e n s a t i o na r es e l e c t e da sc o n t r o l l i n go b j e c ti nt h i sd i s s e r t a t i o m t h i sa r t i c l em a i n l yr e s e a r c h e do nt h en e wp o w e rs y s t e mc o m p e n s a t i o nd e v i c e 俪t l lh 碘c a p a c i t y w h i c hi sb a s e do nd s pc o n t r o ls y s t e m i tc o m b i n e dt h em e r i to f a c t i v ep o w e rf i l t e ra n ds t a t i cv a rg e n e r a t o r a n dc a nr e d u c et h eh a r m o n i c sb e s i d e s e x c u t i n gr e a c t i v ec o m p e n s a t i o n t h et r a d i t i o n a lc o m p e n s a t i o nc h i e f l ya d o p t e da n a l o gc o n t r o ls y s t e m b u ta n a l o g c o n t r o ls y s t e mh a sal o to fd e f e c ts u c ha sc o m p l e xc i r c u i t b a dc o n t r o lp e r f o r m a n c e e a s i l yd i s t u r b e db yc i r c u m s t a n c ea n ds o0 1 1 t h i sa r t i c l ep u tf o r w a r dad i g i t a lc o n t r o l s y s t e m w h i c hc e n t e r e do nt ic o m p a n yt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7h i g h s p e e dp r o c e s s o r t h e m o s ts i g n i f i c a n c ei st h a tt h er e s i s t a n c ea n dc a p a c i t a n c e w h i c hh a v eb e e nu s e di nt h i s d e v i c e i ss m a l l e rt h a ni nt r a d i t i o n a ls v c t h e r e f o rt h ed e v i c e sv o l u m ea n dc o s ti s g r e a t l yr e d u c e d o t h e r w i s e b e c a u s eo ft h el i m i t a t i o no fi g b t ss p e c i f i e dv o l t a g e w em u s tu s e s p e c i a ls t c p u pt r a n s f o r m e r w h i c hi sm o r ee x p e n s i v e i fw ep u tt h i sd e v i c ei n t oh i 曲 v o l t a g ep o w e rs y s t e m c o n s e q u e n t l yi fw ec a l ls o l v et h ev o l t a g es h a r i n go fi g b t d i r e c ts e r i e sc o n n e c t e dw i t hs e v e r a la s s i s t a n tp e r i p h e r a lc i r c u i t s s t e p u pt r a n s f o r m e r i s n tn e c e s s a r ya n dt h ec o s ti sa l s or e d u c e d t h i si sa n o t h e rr e s e a r c ha s p e c to ft h e a r t i c l e f i r s tt h ea r t i c l er e t r o s p e c t st h ed e v e l o p m e n to fp o w e rs y s t e ma c t i v ep o w e rf i l t e r a n dr e a c t i v e c o m p e n s a t i o n s e c o n d a r y t h es y s t e mw o r kp r i n c i p l e sa n dk e y t e c h n o l o g i e sa r ei n t r o d u c t e d o nt h eb a s i s w ed i s c u s st h eh a r d w a r ea n ds o r w a r e d e s i g no fp o w e rs y s t e ma c t i v ep o w e rf i l t e ra n dr e a c t i v ec o m p e n s a t i o n f i n a l l y t h e s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r cg i v e na tt h ee n do f t h et h e s i s k e yw o r d s a c t i v ep o w e rf i l t e r r e a c t i v ec o m p e n s a t i o n d s p d i g t i a lf i l t e r p w m 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 也不包含为获得叁鲞盘茔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 初 签字日期 2 卯莎年 月刃日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘至有关保留 使用学位论文的规定 特授权蠢鲞盘堂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 勃飞 导师签名 互移乡 签字日期 2 0 0 b 年 月加日 签字日期 2 彩年 月矽日 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 随着科学技术与现代化建设的发展 现代社会从工业生产到日常生活都越来 越离不开电力供应 对供电质量也提出了更高的要求 特别是越来越多的精密电 气设备对电力谐波很敏感 如电子计算机 通信设备和网络连接器等 作为供电 质量的衡量指标 除了电压和频率的稳定以外 无功消耗的多少 电流的谐波总 量也是电力系统供电质量的重要指标 在现代电力系统中 电力电子装置的使用日益增多 这一方面使电能得到更 加充分的利用 另一方面由于装置的非线性和负载的多样性 使大量的谐波和无 功电流注入电网 引起电压闪变 频率变化和三相不平衡 影响电能质量 输电 效率和设备寿命 因此谐波抑制与无功补偿已成为电力电子技术 电力系统 电 气自动化等领域中迫切需要解决的重要课题 为此 本文提出了一种基于数字信号处理器 d i 西t a ls i 髓a lp r o c e s s o r 简称 d s p 的电力系统有源滤波和无功补偿装置 1 1 谐波及其抑制方法 一般而言 具有非线性电气特性的设备均构成了谐波源 在电力系统中 波 形的畸变主要来源于两大因素 第一是接入电网的电阻 电容 电感元件的非线 性 比如发电机 变压器等设备 第二是大量使用的电力电子装置 利用变流器 对电压 电流及能量进行控制与变换可以提高电力装置的性能 但同时引入了波 形的畸变 随着电力电子装置在工业 民用事业中日益广泛的应用 它们产生的 谐波己成为当今世界各国电力系统谐波的主要来源 国际上多次召开了有关谐波 问题的学术会议 不少国家和国际学术组织都制订了限制电力系统谐波和用电设 备谐波的标准和规定 国际电工委员会制定i e c 一1 0 0 0 3 2 i e c 1 0 0 0 3 6 标准 1 1 1 谐波的危害 谐波对发电 输电设备及用户带来的危害主要表现在三个方面 1 谐波电流产生的附加热效应 谐波电流流过导体 产生附加损耗 由于集肤效应及邻近效应使交流电阻随 频率的增加而增加 因此谐波电流引起的损耗更为严重 1 此外 谐波也会增加 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 铁介质磁场中的铁耗 并且随频率的增加 这种作用越发明显 其结果是缩短设 备的运行寿命 2 谐波电压增加了介质应力 谐波电压叠加在基波上 增加了绝缘介质的应力 加速绝缘老化 影响设 备的寿命 3 谐波对电磁兼容 e m c 的破坏 电磁兼容是指系统中的设备能抵御环境中的电磁干扰 并且不对周围环境造 成不可抵御的电磁骚扰 电力系统中的谐波会给系统本身 系统的用户及周围环 境带来电磁兼容问题 主要表现在 1 谐波对电缆的影响 由于电缆的分布电容而造成谐波放大 影响其寿命 导致电缆局部放电 介 损和温升的加大 2 谐波对换流设备的影响 交流电网电压的畸变可能引起触发脉冲间隔不等 并通过正反馈而放大系统 的谐波电压 使整流器工作不稳定 逆变器出现换相失败 对于控制系统引入检 测电压过零的换流设备 电源电压的畸变 会降低控制性能 可控换流装置在控 制深度较大时 换相槽电压较大 若换相电路的参数使换相槽电压引发高频衰减 振荡而形成电压尖刺 还可能损坏换流装置的元件 3 对信号处理单元的干扰 破坏电子设备和保护设备的性能与正常工作 谐波畸变的结果产生多个过零点 影响应用过零原理的同步元件的工作 谐 波电流还影响断路器 熔断器 继电保护装置及自动控制装置的正常工作 其结 果可能导致设备误动作或拒动 4 谐波对通信线路的干扰 谐波干扰会引起通讯系统的噪声 降低通话的清晰度 干扰严重时会引起信 号丢失 总之 电力系统的谐波会带来电磁兼容的破坏 一方面对输 配电系统的安 全工作构成威胁 另一方面影响了电网中的电力用户及附近的其他用户的正常工 作 1 1 2 谐波的抑制 解决谐波污染的思路有两个 一是设置滤波装置 一是对电力电子装置自身 进行改造 使其不产生谐波 并且功率因数可控制为l 这两种思路派生出两个 研究方向 电力滤波器及单位功率因数变流器 1 l c 调谐滤波器 2 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 谐波补偿的传统方法是采用l c 调谐滤波器 它是由电容器 电抗器和电阻器 适当组合而成的滤波装置 与谐波源并联 起旁路谐波的作用 还可兼顾无功补 偿的需要 l c 调谐滤波器具有结构简单 设备投资少 运行费用较低等优点 但这种方法有如下不足 它的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 补偿效果也不甚理想 2 有源电力滤波器 a c t i v ep o w e rf i l t e r 简称a p n 有源电力滤波器是用全控型电力电子器件构成的p w m 逆变器 一般可从拓 扑结构上分为并联型 串联型以及混合型等 一般说来 并联型a p f 适合补偿 电流型谐波源 串联型a p f 适合补偿电压型谐波源 混合型a p f 的优点在于适 合大容量补偿 缺点为需要定制 而且有源部分需串入系统 安装比较复杂 同 时用户担心a p f 的可靠性会造成系统停电 有源电力滤波器的基本原理是从被补偿对象中检测出谐波电流 然后由补偿 装置产生一个与该谐波电流大小相等但极性相反的补偿电流 并联型 或对应的 谐波电压 串联型 从而消除电网中的谐波电流 使电网电流只含有基波分量 这种滤波器能对频率和幅值都变化的谐波进行跟踪补偿 响应迅速 补偿特性不 受电网阻抗的影响 且储能元件容量较小 因而受到广泛的重视 在1 9 6 9 年b i r d 和m a r s h 等人提出了向电网中注入三次谐波电流以减少电源 系统中电流的谐波成分 这是a p f 思想的萌芽 之后 g y u g y i l 等人的工作完善 了这一思想 2 0 世纪8 0 年代由于大功率全控型功率器件的成熟 脉宽调制控制 技术的进步 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 使 a p f 得以迅猛发展 9 0 年代后期 并联a p f 在日本 美国等国开始应用 目前 a p f 在日本得到较广泛的推广 至少有5 0 0 多台在现场应用 1 2 无功及其补偿方法 无功问蹶的研究历史可追溯到1 8 8 8 年 那时有文献指出 在正弦交流电路 中 负载引起的电压 电流间的相位移导致电能在电源与负载间的往复传输 这 一现象被认为是无功功率的表征 电网中的无功平衡对提高全网的经济效益和改 善供电质量 增加系统稳定性至关重要 若系统中出现无功不足或倒送现象 会引起电压波动 目前 电网中绝大部分负荷需要消耗无功 这就要求系统提供 一定量的无功 以支撑供电点的电压 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 1 无功的危害 无功的存在 引起受电端电压的波动 降低供电质量 此外 在电力系统中 必须维持无功功率平衡 当系统中没有其他的无功电源时 负荷消耗的无功将完 全由发电机一侧提供 若发电机工作点超过其功率极限时 会引起系统的不稳 甚至造成系统电压崩溃 在暂态时 电力系统的稳定运行的极限功率更小 无功 破坏电网稳定运行的几率将更大 1 2 2 无功补偿 传统的功率定义都是建立在平均值基础上的 在单相正弦电路或三相正弦对 称电路中 利用传统概念定义的有功功率 无功功率 视在功率和功率因数等概 念都很清楚 但当电压或电流中含有谐波时 功率现象比较复杂 传统的概念无 法进行解释与描述 此外 由于大功率换流装置 电弧炉 电力机车等快速变化 的负荷日益增多 遂提出了对这类负载进行无功功率和谐波快速跟踪补偿的工程 要求 这需要在快速补偿装置的时间尺度上定义功率 在此背景下 1 9 8 3 年 a k a g i 提出了瞬时功率理论 在三相电路中引入p a r k 变换 获得系统的有功功 率及无功功率嘲 它在无功快速跟踪补偿和有源滤波器中得到了成功的应用 但 理论本身仍存在一定的局限性 在工程上只适合三相平衡正弦电压的供电系统 m o 1 同步调相机和静电电容器 同步调相机实质是空载运行的同步电动机 其技术已显陈旧 这种措施投资 大 并且由于机组的惯性 影响了调节速度 静电电容器可串联或并联接入电网 提高系统稳定 补偿无功 改善电压质量 2 柔性交流输电技术 f l e x i b l ea ct r a n s m i s s i o ns y s t e m 简称f a c t s 的无功补 偿 所谓f a c t s 即装有电力电子型或其他静止型控制器以加强可控性及增大电 力传输能力的交流输电系统 第一代f a c t s 的典型代表是静止无功补偿器 s t a t i cv a rc o m p e n s a t o r 简称 s v c 及晶闸管控制的串联电容器 t h y r i s t o rc o n t r o l l e ds e r i e sc o m p e n s a t o r 简称 t c s c s v c 是并联补偿装置 主要由固定电容器加晶闸管控制的电抗器 f i x e d c a p a c i t o r t h y r i s t o rc o n t r o l l e dr e a c t o r 简称f c t c r 嗍0 1 构成 国外对其研究始 于七十年代 目前对s v c 的研究集中在控制策略上 模糊控制 人工神经网络 和专家系统等智能控制手段被引入s v c 控制系统中 大大提高系统的性能 t c s c 属于串联补偿 安装在输电线路中间 改善供电系统的潮流分布 提高系 4 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 统的暂态稳定n 1 1 第二代f a c t s 装置是静止无功发生器 s t a t i c g e n e r a t o r 简称s v g 和静止 同步串联补偿器 s m t i es y n c h r o n o u ss e r i e sc o m p e n s a t o r 简称s s s c s v g 将电压 源逆变技术应用到无功补偿领域中 小 它并联于电网中 与s v c 相比 不需 要大容量的电容和电感贮能元件 谐波含量小 国内外对s v g 的建模 控制模 式 结构设计及不对称控制等做了很多研究 但目前仍有很多理论与实际运行问 题有待解决 s s s c 的结构与s v g 类似 不同之处s s s c 是串联在电网中 通过 控制换流器改变其输出电压的幅值或相位 从而改变线路两端的电压 实现对线 路的有功 无功潮流的控制 第三代f a c t s 的典型代表是由s v g 及s s s c 复合成统一潮流控制器 u m f i e d p o w e rf l o wc o 响1 1 e r 简称u p f c u p f c 集并联补偿 串联补偿 移相等多 种功能于一身 既能稳定系统电压 又能保证输电线路的有功 无功潮流的双向 流动 增大系统的稳定性和提高输电能力 目前 u p f c 尚处于研制阶段 天津大学硕士学位论文第二章电力系统有源滤波和无功补偿装置的工作原理与关键技术 第二章基于d s p 的电力系统有源滤波和无功补偿装置的工作 原理与关键技术 2 1 基于d s p 的电力系统有源滤波和无功补偿装置的工作原理 2 1 1 工作原理 电力系统有源滤波和无功补偿装置的原理框图可用图2 1 表示 图中 表示 交流电源电压 f 为电源电流 f 为负载电流 t 为补偿电流 f 为指令电流 电源电流f 为补偿电流与负载电流之和 即f f f 非线性负载作为谐波源 它产生谐波并消耗无功 有源滤波和无功补偿装置主要由两大部分组成 即指令 电流运算电路和补偿电流发生电路 由电流跟踪控制电路 驱动电路和逆变电路 三部分构成 系统基本工作原理是 检测控制对象而得到的电压和电流 经指 令电流运算电路计算得出补偿电流的指令信号 据此由补偿电流发生电路产生补 偿电流 该补偿电流与负载电流中要补偿的谐波和无功电流相抵消 最终得到期 望的电源电流 图2 l 电力系统有源滤波和无功补偿装置的原理框图 由于采用输出电流闭环控制 可以将其看作电流源 设三相负载电压为 n 玎 u hs i n e t 一 m 一1 万 2 1 6 天津大学硕士学位论文第二章电力系统有源滤波和无功补偿装置的工作原理与关键技术 式中七一表示a b c 相 对应m l 2 3 u u 一负载电压幅值 假设三相非线性负载电流对称 其可以表示为 缸 c o t k r o t k c o t 也 r o t 2 2 可见 各相负载电流可分为三部分 其中 三相基波有功电流为 k 耐 l 1 c o s 吼s i n c o t 一 一1 詈刀 2 3 j 式中仍一负载各相基波电流与对应负载相电压夹角 l 一负载各相基波电流的幅值 三相基波无功电流 k d 蚶 屯l s i n 妒 c o s c o t 一 m 一1 石 2 4 j 各项高次谐波电流 旦 也 k s i n n e a t 2 5 n 2 式中 一负载各相栉次谐波电流的相位角 一负载各相玎次谐波电流的幅值 若补偿装置各相输出补偿电流满足 k c o t k r o t 也 c o t 2 6 则三相电源电流 k r o t 也 r o t 2 7 式 2 7 表明 三相电源只提供负载的基波有功电流 从而达到补偿负载无功 和消除谐波的目的 2 1 2 系统的补偿特性分析 假设系统三相对称 可以将它等效变换为三个单相系统 对各单相系统可以 等效化简为图2 2 所示形式 图中 负载采用诺顿等效电路 z 为负载侧等效 阻抗 f 为非线性负载等效电流 z 为电源等效阻抗 逆变器电流指令信号获 取和发生环节的等效传函表示为g 若z 远大于z 负载相当于谐波电流源 若z 和忍接近 负载相当于谐波电压源 由图2 2 当只消除负载谐波电流 时 相当于在负载侧并联一个可控谐波电流源 它的输出电流可以表示为 f i g i 1 谐波 g 屯 且 i g i 二 o 基波 7 2 8 天津大学硕士学位论文第二章电力系统有源滤波和无功补偿装置的工作原理与关键技术 则电源电流为 百z 瓦l i l 了o 而 u s 图2 2 电力系统有源滤波和无功补偿装置的简化等效模型 2 9 负载电流表示为 f 坠 鱼 掣 二旦 2 1 0 z z 工 1 一g 只考虑各量的谐波成分 要使i h 0 必须满足的工作条件为 j z l 1 一g l 阵 2 1 1 对谐波电流源型非线性负载 l 乙i 眩i 式 2 1 1 很容易满足 对谐波电 压源型负载以及带l c 无源滤波器或无功补偿电容器的谐波电流源型负载 负载 总的等效阻抗很小 而实际系统 1 一g h 不能为零 式 2 1 1 很难满足 所以 该补偿装置一般适用于等效阻抗很大的谐波电流源型非线性负载 若三相负载不对称 通过该补偿装置可将三相电源电流补偿为与负载电压同 相的三相对称正弦电流 此时 从电源看 电源电流中无谐波电流 对三相对称 的交流电源 三相非线性负载和该补偿装置一起相当于三相对称电阻性负载 2 2 基于d s p 的电力系统有源滤波和无功补偿装置的关键技术 无功和谐波电流信号准确 无时差地检测和高频逆变电路精确 快速地控制 是电力系统无功补偿和谐波抑制装置的核心部分 因此 实时 精确地检测出负 载电流中的谐波和基波无功成份 并且实时 可靠地控制主电路中高频逆变电路 的工作 是确保补偿效果和精度的关键 8 天津大学硕士学位论文第二章电力系统有源滤波和无功补偿装置的工作原理与关键技术 2 2 1 无功和谐波电流检测技术 补偿装置的第一个环节是补偿指令的获取 这一环节将直接影响到补偿装置 的性能 计算补偿电流指令 首先必须根据补偿目的将负载电流按基波有功电流 分量 基波无功电流分量和谐波分离 对基波电流分量还可分为正序 负序和零 序分量 例如 在需要补偿所有高次谐波及基波无功电流条件下 只需检测基波 有功电流分量即可 当需要消除某几次谐波和基波无功分量时 则必需分别检测 出各次谐波分量和基波无功分量 在不对称时 还要检测出基波电流中的正序 负序及零序分量 分离谐波和基波无功分量的方法主要有以下几种 1 用模拟带通滤波器或陷波器检测高次谐波电流 由于滤波器中心频率固定 当电网频率波动时 滤波效果将变差 此外 滤 波器的中心频率对元件参数十分敏感 这样 要使滤波器得到理想的幅频特性和 相频特性是非常困难的 且这种方法不能同时分离出无功电流 2 基于f r y z e 时域分析的有功电流检测法 其基本原理是将负载电流分解为两个正交分量 一个是与电网电压波形完全 一致的有功电流分量 另一个是负载电流与有功电流的差值 包括基波无功和谐 波 称为广义无功电流分量 1 此方法计算广义无功电流瞬时值至少有一个周期 以上的时间延迟 故不适用于频繁变化负载的补偿 并且此方法只能区分有功电 流和广义无功电流 不能将基波无功和谐波电流分离出来 所以只能用于全补偿 场合 无法实现基波无功和谐波电流的单独补偿 3 基于频域分析的f f t 检测法 该方法以f o u r i e r 分析为基础 要求被补偿的波形是周期变化的 否则误差较 大o 通过f f t 将检测到的一个周期的非正弦信号分解 得到各次谐波的幅值和 相位 将欲消除的谐波分量进行f f t 反变换 即得到补偿参考信号 该方法的优 点是可以选择欲消除的谐波次数 还可计算出负载电流的基波有功和基波无功分 量 而且受环境因素影响较小 缺点是需要进行f f t 变换及其反变换 计算量大 因而有较大的时间延迟 实时性较差 当电网电压波形畸变严重或者频率波动时 谐波电流的检测误差较大 4 基于自适应干扰抵消原理的自适应闭环检测法 该方法利用信号处理的自适应干扰对消原理 将电压作为参考输入 负载电 流作为原始输入 从负载电流中消去与电压波形相同的有功分量2 1 而得到所有 谐波与基波无功电流之和 此检测系统是一个闭环调节系统 其运行特性与元件 参数几乎无关 当电网电压发生波形畸变或频率波动时 检测系统仍能正常工作 9 天津大学硕士学位论文第二章电力系统有源滤波和无功补偿装置的工作原理与关键技术 具有良好的自适应能力 其缺点是动态响应速度较慢 5 基于a k a g i 相瞬时无功功率理论的检测方法 此方法在a p f 的发展过程中起到了巨大的推动作用 是目前a p f 中应用最广 的方法 它包括i 一屯法和p q 法 当电源电压对称无畸变且负载电流对称时 两种方法都能准确检测出基波电流的有功 无功分量和谐波电流分量 当电源电 压和负载电流均畸变但对称时 i 一 法仍能准确检测出谐波电流 而p q 法存在 误差 当三相电压或三相电流不对称时 直接应用这两种算法都存在检测误差 不能实现非有功电流的完全补偿 基于该理论的瞬时无功电流检测法具有较好的 实时性 其时间延迟仅取决于低通滤波器的性能 在检测基波无功电流时基本上 是无延迟的 故在三相平衡正弦系统中得到了成功的应用 2 2 2p w m 控制技术 在采样控制理论中有一个重要的结论 冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具 有惯性的环节上时 其效果基本相同 冲量即指窄脉冲的面积 这里所说的效果 相同 指环节的输出响应波基本相同 如把各输出波形用傅氏变换分析 则其低 频段特性非常接近 仅在高频段略有差异 补偿装置的主电路一般由p w m 逆变器组成 p w m 控制原理是控制功率器件 的通断 把直流电压或电流变成一系列的电压或电流脉冲 使补偿装置中的静止 变流器产生所需的谐波补偿电压或电流 目前常用的方法有下面几种 1 三角波调制法 三角波调制法 t r i a n g l ew a v e l i n e a rc o n t r 0 1 也叫三角波比较法 是最简单的 一种开环控制方法阻町 它将调制后的电流 或电压 实际值和参考值的偏差与高频 三角调制波进行实时比较 用所得到的矩形脉冲 p w m 脉冲 作为逆变器各开关 元件的控制信号 该法的优点是开关频率变化范围小 控制系统简单 响应速度 较快 对高开关频率的系统具有较好的控制特性 缺点是调制器的带宽有限 输 出波形中含有与三角载波同频率的高频畸变分量 并且由于逆变器始终处于高频 状态工作 从而有较大的开关损耗和高频失真 在大功率场合的应用受到限制 2 滞环控制法 滞环控 j h y s t e r e s i s c o n t r 0 1 是目前使用十分广泛的一种闭环控制方法 1 该 方法根据给定的补偿信号与测得的逆变器输出电流的误差来控制逆变器开关的 动作 当误差超过滞环的上 下限时开关立即动作 使实际电流始终保持在滞环 带内 围绕参考信号上下波动 此方法开关损耗小 动态响应快 对负载的适应 能力强 输出电压中不含特定频率的谐波分量 但开关频率变化较大 容易引起 天津大学硕士学位论文第二章电力系统有源滤波和无功补偿装置的工作原理与关键技术 脉动电流和开关噪声 且系统的开关频率 响应速度和电流的跟踪精度受滞环带 宽影响 减小环宽可提高电流跟踪性能 但功率开关的频率变大 开关损耗增加 反之则电流跟踪性能变差 电流脉动增加 3 空间矢量控制 空间矢量控制 s p a c e v e c t o r c o n t r 0 1 只用于三相有源电力滤波器 其原理为 令实际电流跟随指令电流的目标被转化为跟随一个指令电压矢量 根据指令电压 矢量所处区间判断选择哪几个基本矢量 然后计算两相邻基本矢量的占空比以合 成指令电压矢量 当补偿装置产生该电压空间矢量时实际电流与指令电流的误差 将被最大限度的减小 其优点为 p w m 脉冲的频率与空间矢量计算的采样频 率一致 器件的开关频率是恒定的 4 差拍控制法 差拍控制 d e a d b e a tc o n t r 0 1 是一种采用数字技术实现的预测控制方法 该方 法依据第k 时刻的补偿电流参考值和实际值 根据负载模型计算出第k 1 时刻的电 流参考值及各种开关状态下逆变器的电流输出值 选择使电流误差最小的开关模 式作为第k l 时刻的开关状态 从而达到电流误差为零的目标 无差拍控制的 优点是动态响应快 易于计算机执行 缺点是计算量很大 造成延迟 而且对系 统参数依赖性较大 影响整个系统的稳定性 综合以上考虑 由于基于a k a g i 三相瞬时无功功率理论的检测方法能够准确 快速地解析出各次谐波 无功电流及基波有功电流 而三角波调制法的开关频率 变化范围小 控制系统简单 响应速度较快 对高开关频率的系统具有较好的控 制特性 所以本文研究的无功补偿和谐波抑制装置采用基于a k a g i 三相瞬时无功 功率理论来检测系统中的谐波和无功电流 采用三角波调制法对主逆变电路进行 p w m 控制 天津大学硕士学位论文第三章电力系统有源滤波和无功补偿装置控制系统的硬件设计 第三章基于d s p 的电力系统有源滤波和无功补偿装置控制系 统的硬件设计 如图3 l 为电力系统有源滤波和无功补偿装置的系统结构 图3 1 电力系统无功补偿和谐波抑制装置的系统结构 整个装置可认为由两大部分组成 即指令电流运算电路和补偿电流发生电 路 补偿电流发生电路由电流跟踪控制电路 驱动电路和主电路三部分构成 指 令电流运算电路主要是d s p 运用扩展d q 算法检测负载电流中的谐波和无功分 量 并根据无功补偿和谐波抑制装置的补偿目的得出补偿电流的指令信号 补偿 电流发生电路则产生跟踪指令电流的补偿电流以达到补偿谐波和无功的目的 控制系统的硬件主要包括 d s p 控制芯片 d a 与a d 电路 采样周期信号 发生电路 非线性负载电流的检测与调理电路 三角波比较电路 驱动电路和直 流侧电压控制与均压控制电路 如图3 1 所示 系统通过电流传感器检测非线性负载的电流f f 和f 经 电流信号调理后送入d s pt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的a d 端口 驱动电路接受来自d s p 的p w m 信号并经隔离和放大后驱动主电路的开关管 以控制主电路电流跟随指 令电流的变化 两个电压传感器分别检测变流器直流侧的总电压和上部电容电 1 2 天津大学硕士学位论文第三章电力系统有源滤波和无功补偿装置控制系统的硬件设计 压 经电压信号调理电路后送人d s p 通过合理的控制以调节直流侧电压的稳定 以及上 下电容电压的均衡 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 3 1 d s p 控制芯片与a d d a 及p w m 电路 3 1 1 数字信号处理器的发展状况 计算机实际运行时 需要同时输入程序和数据 最初的计算机结构 是将程 序和数据两者截然分开 一般称之为e n i a c 结构 这种结构的计算机 编程与修 改极其麻烦 1 9 4 6 年冯 诺伊曼提出了 存储程序 的概念 即如果把指令和数 据只当作主存储器内不同位置的内容 那它们实质上是等效的 并因此确定了新 的计算机结构 称为 冯 诺伊曼 结构 目前使用的绝大多数计算机仍采用这 种结构 其优点主要有 1 程序与数据都以二进制代码形式存于存储器中 因 此 程序在执行过程中 也和数据一样可以处理和修改 2 统一调度存储空间 提高了存储器的使用效率 同一台通用微机可以应付复杂运算或大数据量处理等 不同任务 但这一结构在面对高速 实时处理时 不可避免地带来了新的问题一总线拥 挤 通常情况下 集成电路内部由于连线较短 专门设计等原因 运行环境要优 于芯片外部的总线 对于冯 诺伊曼结构的计算机 执行数据处理指令时每一指 令周期内要在总线上完成一次取指操作和一次取 送数据操作 从而导致了总线 上的平均操作次数高于c p u 内部指令执行 总线速度成了提高整个计算机运算速 度的瓶颈 上面提到的e n i a c 结构 数据与程序总线是相互独立的 哈佛大学将其加以 改进后研制的m a r k i 计算机采用了与冯 诺伊曼完全不同的另一种计算机结 构 习惯称之为哈佛结构 这种结构由于采用了完全隔离的程序和数据存储器以 及双独立总线 故比冯 诺伊曼结构更为复杂 但其最大的优点是提高了运算速 度 d s p 要求完成信号的实时处理 运算速度是首要考虑的指标之一 其基本结 构就采用了哈佛结构 但又加以改进 在确保运算速度的前提下提高了系统的灵 活性 一般称之为改进的哈佛结构 如图3 2 所示 天津大学硕士学位论文第三章电力系统有源滤波和无功补偿装置控制系统的硬件设计 图3 2 改进的哈佛结构 d s p 是从m c u 发展起来的 芯片内部一般具有一定量的程序存储器和数据存 储器 因而具体系统往往针对某一特定信号处理任务 因此系统设计时尽量减少 外围电路这一基本要求与通用单片机一样 d s p 生产厂商通常将同样的d s p 处理 内核配以不同的程序存储器和数据存储器做成系列产品 因此应用时要合理选 择 以满足不同任务的需要 对于特殊的大数据量或大程序量的任务 改进的哈 佛结构也提供了片外扩充用的复用的总线 确保d s p 的通用性与灵活性 为了提高对数字信号的处理速度 确保实时性 d s p 采用了许多先进的技术 其中有一些已为通用微机c p u 所采用 另一些则仍为d s p 所特有 1 单指令乘加运算 在数字信号处理算法中 乘法和累加是基本的大量的运算 例如 在卷积运 算 数字滤波 快速付氏变换 相关计算 矩阵运算等算法中 都有大量类似于 l 栉 a i x n 0 3 1 百 的一类运算 通用计算机利用软件来实现乘法和加法 往往需要若干个指令周期 才能完成 而针对这类运算 d s p 中专门设置了乘法累加器结构 从硬件上实现 了乘法器与累加器的并行工作 可以在单指令周期内完成一次乘法并将乘积求和 的运算 因此 当用有限n 项代替无穷求和时 采用d s p 主运算仅需要n 个指 令周期 2 数据指针的逆序寻址功能 数字信号处理的一个重要应用是频谱分析 快速傅里叶变换 f f t 算法是其 理论基础 在f f t 的蝶形流程图中有一步很重要的数组逆序寻址运算 用通用 c p u 完成将消耗很多指令 但在d s p 中专门设置了硬件数据指针的逆序寻址功 能 从而大大加快了频谱分析处理过程 目前一般d s p 完成1 0 2 4 点的f f t 运算都 在毫秒级 最快的仅需要7 0 u s 3 指令的流水技术 1 4 天津大学硕士学位论文第三章电力系统有源滤波和无功补偿装置控制系统的硬件设计 分析机器运行指令的过程 可分为三个阶段 取指 分析与执行 取指是访 问程序存储器 分析在控制器中完成 而执行是在运算器实现数据的运算 有时 还要访问数据存储器 通用c p u 的程序与数据存储器不能同时访问 只能采用顺 序工作方式 而d s p 采用了哈佛结构的指令重叠技术 允许程序与数据存储器 同时访问 在单指令执行时间相同的情况下 大大提高了整机的运算速度 3 1 2d s p 控制芯片 在2 0 世纪7 0 年代以来 伴随微电子技术 计算机技术的迅速发展 以8 0 c 5 1 p i c d s p 为代表的微处理器的性能得到了大幅地提高 其中数字信号处理器 即 d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r 以其特有的哈佛总线结构 高速的指令执行速度 1 6 位 的运算模式以及完备的功能模块在微处理器市场属于高档产品 主要应用于通 讯 图形处理等需要复杂数学运算的场合 进入9 0 年代以后 随着器件成本的 下降 人们开始尝试将d s p 广泛应用于性能要求比较高而结构相对简单的全数 字伺服系统 特别是德州仪器公司 t e x a si n s t r u m e n t 于1 9 9 7 年推出的一款 t m s 3 2 0 c 2 4 x 系列的d s p 是专门面向控制应用而设计的 本文应用的d s p 1 m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 具有如下特点 3 2 位中央处理单元 1 6 位定点运算 运算速度快 指令周期为3 3 n s 程序控制采用四级流水线作业 具有六个外部中断源和八级硬件堆栈 指令丰富 具有单周期循环指令 单周期乘 力时旨令和快速f f t 变换寻址 能力 3 2 k 字x 1 6 位片内f l a s h e e p r o m 5 4 4 字 1 6 位片内r a m 2 2 4 k 字 1 6 位最大可寻址存储空间 双1 0 位a d 转换器 总的转换时间小于1 0 n s 两个事件管理器中有1 2 路p w m 发生器 4 个1 6 位通用定时 计数器 6 路比较单元 6 路捕捉单元 4 路q e p 单元 内置锁相环时钟单元和看门狗适时中断模块 串行通讯接口s c i 和同步串行口s p i 4 1 个可编程复用i 0 端口 c a n 总线接口和5 个外部中断 1 4 4 t q f p 封装和3 3 v 供电 正因为t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 具有以上所列举的诸多特点 所以它可以方便有效的 完成整个补偿装置的控制工作 天津大学硕士学位论文 第三章电力系统有源滤波和无功补偿装置控制系统的硬件设计 另外 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 本身带有一块评估板 用户可对t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 数字 信号处理器的某些参数进行检测 以确定d s p 是否满足要求 同时 此评估板 也可以作为开发和运行t m s 3 2 0 l f 2 4 0 处理器芯片的平台 图3 3t m s 2 0 l l r 2 4 0 7 评估板的结构框图 该评估板可对l f 2 4 0 7 代码进行全速检验 其有5 4 4 个字长的片上数据存储 器 1 2 8 k 字长的板上存储器 片上只读闪烁存储器 片上通用异步收发器 u n i v e r s a la s y n c h r o n o u sr e c e i v e rt r a n s m i t t e r 简称u a r t 和一个d a c 7 6 2 5 d a 转 换芯片 板上安装的器件可使评估板解决各类问题 4 个扩展接口 可提供给任 何评估电路 从而缩短开发时间和周期 3 1 3a d 转换电路 由于d s p t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 本身的模数转换模块a d c 具有以下特性 所以无 需外接其它模数转换芯片 即能够保证谐波电流检测的速度和精度 带内置采样 保持 s h 的l o 位模数转换器 多达1 6 个的模拟输入通道 a d c i n 0 a d c i n l 5 自动排序的能力 一次可执行最多1 6 个通道的 自动转换 而每次要转 1 6 天津大学硕士学位论文第三章电力系统有源滤波和无功补偿装置控制系统的硬件设计 换的通道都可通过编程来选择 可单独访问的1 6 个结果寄存器 r e s u l t 0 r e s u l t l 5 用来存储转换结 果 多个触发源可以启动a t 转换 灵活的中断控制允许在每一个或每隔一个序列的结束时产生中断请求 采样 保持获取时间窗口有单独的预定标控制 内置校验模式 内置自测试模式 3 1 4d a 转换电路 由于d s p1 m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的评估板上带有一片d a 转换芯片d a c 7 6 2 5 我 们可以借助它输出实验过程中需要的波形至示波器 1 2 位数模转换器 4 个模拟输出通道 d a 转换时间小于1 0 p s 3 1 5 p w m 电路 由于d s pt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 本身包括可编程死区的1 2 路p w m i i l l 6 对 引脚输出 可以方便的实现电力电子器件的控制 d s p 中包含两个事件管理模块 每个事件 管理模块可同时产生6 路p w m 波形输出 并带有可编程死区控制的比较单