有源电力滤波器控制器硬件研制毕业论文.doc

有源电力滤波器控制器的研制及应用 0 有源电力滤波器控制器硬件研制毕业论文有源电力滤波器控制器硬件研制毕业论文 目目 录录 目目 录录 1 第第 1 章章 绪绪 论论 3 1 1 电力系统谐波 3 1 1 1 电力系统谐波产生的原因 3 1 1 2 电力系统谐波危害 4 1 1 3 电力系统谐波研究现状 6 1 2 电力系统谐波治理方法 7 1 3 有源电力滤波器的发展现状 8 1 4 有源电力滤波器控制器的技术特点 11 1 5 本文的研究背景及主要内容 13 第第 2 章章 有源电力滤波器控制器硬件研制有源电力滤波器控制器硬件研制 14 2 1 基于 DSP 的控制器系统硬件结构 14 2 1 1 主处理器模块介绍 14 2 1 1 1 2407A 型数字处理器特点 14 2 1 1 2 内部锁相环 PLL 环路滤波电路参数设计 17 2 1 1 3 2407A 电源的设计 17 2 1 2 采样电路模块的设计 18 2 1 3硬件倍频电路模块的设计 19 2 1 4 串行通信接口电路的设计 21 2 1 5 脉冲出发电路及IPM模块驱动电路设计 21 2 1 6 液晶显示和矩阵键盘电路设计 23 2 2 基于 DSP 的控制器 PCB 制板注意事项 25 2 3 本章小结 26 第第 3 章章 谐波实时电流检测方法及谐波实时电流检测方法及 DSP 实现实现 27 3 1 常用谐波检测算法 27 3 2 简化的 DFT 滑窗迭代算法 29 3 2 1傅立叶变换基础 29 硕士学位论文 1 3 2 2 DFT频域滤波器原理分析 30 3 2 3 DFT滑窗迭代算法时域实现 33 3 2 4 DFT滑窗迭代算法的软件实现 35 3 3 本章小结 38 第第 4 章章 有源电力滤波控制器系统软件设计有源电力滤波控制器系统软件设计 39 4 1 系统软件开发环境及前期数据格式设计 39 4 1 1 DSP开发环境程序开发流程 39 4 1 2 数据格式的设定 40 4 2 监控模块软件设计 41 4 2 1 键盘控制程序设计 42 4 2 2 液晶显示菜单程序设计 42 4 2 2 1 S1D1335 控制指令的介绍 43 4 2 2 2 S1D1335 的显示方式 44 4 2 2 3 菜单设计底层驱动模块 45 4 2 3 液晶菜单界面模块设计 46 4 3 PWM 发波程序设计 49 4 4 PI控制程序设计 52 4 5 主程序及中断程序的设计 54 4 6 本章小结 57 第第 5 章章 有源电力滤波器的工程应用有源电力滤波器的工程应用 58 5 1 工程项目的背景介绍 58 5 2 工程项目方案设计 59 5 2 1 串联谐振注入式HAPF补偿方案介绍 60 5 2 2 无源支路参数和容量设计 61 5 2 3 输出滤波器和耦合变压器设计 63 5 2 4 逆变电路的设计 65 5 3 串联谐振注入式 HAPF 的工程应用 66 5 3 1 高压开关柜 无源支路和隔离变压器 67 5 3 2 有源逆变屏及有源逆变控制器 68 5 3 3 有源输出屏 68 5 3 4 现场应用效果 69 5 4 本章小结 69 第第 6 章章 总结与展望总结与展望 70 有源电力滤波器控制器的研制及应用 2 参考文献参考文献 72 第第 1 章章 绪绪 论论 随着现代工业的发展 一方面企业对用电质量要求越来越高 另一方面电力电子 装置的大量应用 工业电网中非线性负载越来越多 严重影响了工业用电的质量 这 二者形成严重的矛盾 使得谐波问题引起人们越来越多的关注 随着电力电子技术的 发展 在谐波抑制方面也取得了一些突破性的进展 本章首先介绍了电力系统谐波 简要叙述了谐波抑制的主要方法 介绍了有源滤波器的发展状况并就有源电力滤波器 的控制器的一些技术性能作一些说明 最后介绍了论文的研究背景和主要内容 1 1 电力系统谐波电力系统谐波 目前 世界各国电力工业中 几乎都是采用正弦供电方式 在理想的电力系统中 电源以单一恒定频率 50Hz 或 60Hz 的正弦变化规律向电网供电 系统中各点的电 流 电压都是以单一恒定的供电频率随时间按正弦规律变化的量 一般来说 一个实 际的电力系统基本上能满足理想电力系统的条件 但随着技术的发展 电力系统中的 非线性负载的比重不断增加 理想电力系统的近似程度变差 直接表现是电力系统中 的电流和电压波形产生畸变 从频域的观点 在这些电流和电压的波形中 不仅包含 与供电电源同频率的正弦量 称为基波分量 而且出现一系列频率为基波频率整倍 数的正弦波分量 称为高次谐波分量 这一系列正弦分量统称为电力谐波 在 IEEE 标准 519 1981 中谐波定义为 谐波为一周期波或量的正弦波分量 其频率为基波频 率的整数倍 在国际电工标准 IEC555 2 与国际大电网会议 CIGRE 的文献中定义 谐波分量为周期量的傅立叶级数中大于 1 的 h 次分量 1 1 1 电力系统谐波产生的原因电力系统谐波产生的原因 在早期的电网中 电力传输线路中谐波含量并不高 可以忽略不计 但是随着科 技的进步 现代电网中谐波的含量比例越来越高 电网谐波主要来自于 3 个方面 一 是发电源质量不高产生谐波 二是输配电系统产生谐波 三是用电设备产生的谐波 其中用电设备产生的谐波最多 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 这种谐波电动势 的频率和幅值只取决于发电机本身的结构和工作情况 基本与外接负载无关 可以看 硕士学位论文 3 作谐波电压源 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 加上设计变压器时考虑经济性 其工作磁密选择在磁化曲线的近饱和段上 这样就使得磁化电流呈尖顶波形 因而含有奇次谐波 它的大小与磁路的结构形式 铁心的饱和程度有关 铁心的饱和程度越高 变压器工作点偏离线性越远 谐波电流 也就越大 其中 3 次谐波电流可达额定电流的 0 5 用电设备产生的谐波是由与电力系统相连的各种非线性负载产生的 1 11 这些非线 性负载主要是整流器 交流调压电路以及频率变换器等电力电子装置 由于这些电力 电子装置都为可变结构非线性电力负荷 工作于非线性状态 在高效利用电能的同时 也向电网注入大量的非线性电流 给公共电网的电能质量带来了隐患 另外 工业用 的电弧炉 电石炉也是个比较大的谐波源 由于加热原料时电炉的三相电极很难同时 接触到高低不平的炉料 使得燃烧不稳定 引起三相负荷不平衡 产生谐波电流 经 变压器注入电网 其中主要是 2 谐波和 7 次谐波 除此以外 其它像电视机 电池充 电器等装置也会产生谐波 虽然单个装置的功耗不大 但由于数量很多 因此它们给供 电系统注入的谐波分量也不容忽视 1 1 2 电力系统谐波危害电力系统谐波危害 谐波电流和谐波电压的出现 对公用电网时一种污染 在电力电子设备广泛应用 以前 人们对谐波及其危害就进行过一些研究 并有一定认识 但那时谐波污染还不 严重 没有引起足够的重视 近几十年来 各种电力电子设备的迅速普及和广泛应用 是使谐波污染日趋严重 由谐波引起的各种事故不断发生 如 广西苹果铝厂 1996 年 6 月因谐波超标 导致电容器爆炸 损坏高压开关和主变压器 造成大面积停电 湖南 涟钢 1998 年 7 月 因 5 次谐波超标 导致豹南山 110KV 变电站停电 16 小时 由于电 气化铁路产生的负序电流和谐波电流的影响 郑州电网继电保护误动 致使京广线中 断数小时 由此 谐波的危害的严重性才引起人们的高度重视 大体上说 谐波危害 主要表现在以下几个方面 1 8 12 14 1 电力电容器引起的谐波放大 由于电容器的容抗与频率成反比 因此在谐波 电压作用下的容抗要比在基波电压作用下的容抗小得多 从而使谐波电流的波形畸变 更比谐波电压的波形畸变大得多 即便电压中谐波所占的比例不大 也会产生显著的 谐波电流 特别是在发生谐振的情况下 很小的谐波电压就可引起很大的谐波电流 导致电容器因过流而损坏 2 增加旋转电机的损耗 谐波电压或电流会在电机的定子绕组 转子回路以及 定子和转子铁芯中引起附加损耗 由于涡流和集肤效应的关系 定子和转子导体内的 这些附加损耗要比直流电阻引起的损耗大 另外 谐波电流还会增大电机的噪音和产 生脉动转矩 有源电力滤波器控制器的研制及应用 4 3 增加输电线的损耗 缩短输电线寿命 谐波电流一方面在输电线路上产生谐 波压降 另一方面增加了输电线路上的电流有效值 从而引起附加输电损耗 在电缆 输电的情况下 谐波电压以正比于其幅值电压的形式增强了介质的电场强度 这影响 了电缆的使用寿命 据有关资料介绍 谐波的影响将使电缆的使用寿命平均下降约 60 4 增加变压器的损耗 变压器在高次谐波电压的作用下 将产生集肤效应和邻 近效应 在绕组中引起附加铜耗 同时也使铁耗相应增加 另外 3 的倍数次零序电流 会在三角形接法的绕组内产生环流 这一额外的环流可能会使绕组电流超过额定值 对于带不对称负载的变压器来说 如果负载电流中含有直流分量 会引起变压器的磁 路饱和 从而会大大增加交流激磁电流的谐波分量 5 造成继电保护 自动装置工作紊乱 谐波能够改变保护继电器的动作特性 这与继电器的设计特点和原理有关 当有谐波畸变时 依靠采样数据或过零工作的数 字继电器容易产生误差 谐波对过电流 欠电压 距离 周波等继电器均会起拒动和 误动的影响 保护装置失灵和动作不稳定 零序三次谐波电流过大 可能引起接地保 护误动作 6 引起电力测量的误差 测量仪表是在纯正弦波情况下进行校验的 如果供电 的波形发生畸变 仪表则容易产生误差 比如 感应式电能表对设计参数以外的频率 的响应不灵敏 频率越高 误差越大 而且为负误差 当频率约为 1000时 电度表Hz 将会停止转动 7 干扰通讯系统 供电系统中的静止变流器在换相期间电流波形发生急剧变化 该换相电流会在正常供电电压中注入一个脉冲电压 该脉冲电压所包含的谐波频率较 高 甚至达到 1 因而会引起电磁干扰 对通信线路 通信设备会产生很大的影MHz 响 比如电力载波通信 远动装置信号以及与架空线平行的通讯线路 谐波的影响都 很大 8 延缓电弧熄灭 在超高压长距离输电线路上 较大的谐波电流会使潜供电弧 熄灭延缓 导致单相重合闸失败 扩大事故 在消弧线圈接地系统中较大的谐波分量 同样会延迟或阻碍消弧线圈的灭弧作用 谐波分量还会使电流过零时的值过大 dtdi 导致断路器断弧困难 影响断流能力 9 对其它设备的影响 谐波还会对下列设备产生影响 导致功率开关器件控制装置误动作 导致功率开关器件故障而损坏 使日光灯的镇流器及补偿用电容器过热和损坏 对计算机产生干扰 影响互感器的测量精度 使熔断器在没有超过整定值时就熔断 硕士学位论文 5 影响功率处理器的正常运行 影响电视机的画面质量 影响电子显微镜的清晰度 影响其它换流设备或其它任何由电压过零所控制的设备的同步 1 1 3 电力系统谐波研究现状电力系统谐波研究现状 电力系统谐波是由于波形畸变产生的 从交流电出现 应用发展到现在 如何将 波形畸变限制在一定的范围内一直是电力工程师关心的问题 在 20 世纪 20 年代和 30 年代的德国 研究者由静止变流器引起的波形畸变提出了电力系统谐波的概念 当时 最有影响的是 Rissik H 所著的 The Mercury Arc Current Converter 15 另一篇有关静 止变流器产生谐波的经典论文是 Read J C 在 1945 年发表的 The Calculation of Rectifier and Converter Performance Characteristics 16 至今仍被研究者广泛引用 50 年代和 60 年代在高压直流输电方面推进了变流器谐波的研究 在这一时期发表了大量 的论文 Kimbark E W 在其著作 Direct Current Transmission 17 中对此进行了总结 该书包括了电力系统谐波方面 60 篇以上的参考文献 70 年代以后 国际上召开了多次 有关谐波问题的学术会议 其中从 1984 年开始 每两年召开一次的电力系统谐波国际 会议 ICHPS 极大地推动了谐波领域的研究和交流 不少国家和国际学术组织都制 定了限制电力系统谐波和用电设备谐波的标淮和规定 同时对谐波治理问题的研究也 蓬勃发展起来 我国对电力系统谐波问题的研究起步较晚 吴竞昌等 1988 年出版的 电力系统谐 波 1 一书是我国有关谐波问题早期较有影响的著作 随后 许克明等也于 1991 年出 版了 电力系统高次谐波 18 张一中等 1992 年出版了 电力谐波 2 夏道止等 1994 年出版了 高压直流输电系统的谐波分析及滤波 3 林海雪等 1998 年出版了 电力网中的谐波 4 这些著作都对人们认识和研究谐波作出了很大的贡献 此外 唐统一等和容健纲等分别于 1991 年和 1994 年独立翻译了 Arrilaga J 等的 电力系统谐 波 5 6 也在国内有较大的影响 1998 年 王兆安等出版的 谐波抑制和无功功率 补偿 12 是国内迄今为止较为全面的介绍谐波分析和治理方法的著作 特别是其中关 于有源滤波器的分析和阐述 被国内许多研究者广泛引用和参考 近些年来 国内期 刊和有关会议上发表的谐波相关问题的研究论文也非常多 谐波问题已经成为研究热 点 因此可以说 我国对谐波问题的研究起步于 80 年代 在整个 90 年代有了长足的 发展 与国外研究水平的差距正在不断减小 另外 谐波标准做为电力系统谐波的一个分支也在蓬勃的发展之中 美国海军早 在 20 世纪 70 年代就发现谐波影响并第一个制订了谐波限制标准 US MIL STD 461 目 前仍然被美国军方广泛使用 1982 年国际电工委员会 International Electro technical Commission 简写为 IEC 第一次指定了通用电器设备产生谐波的限制标准 即 IEC 有源电力滤波器控制器的研制及应用 6 55 并在其后的执行过程中修订完善 目前已经被世界许多国家承认和接受 在欧 美等发达国家已经成为强行执行的标准 1993 年美国电气与工程协会 IEEE 进一步 完善了 IEC 55 标准 并在其基础上补充了对高压 大功率用电负荷产生谐波的限制标 准 这就是 IEEE ANSI Standard 519 谐波限制标准 我国原水利电力部于 1984 年根据 原国家经济委员会批转的 全国供电用电规则 的规定 制定并发布了 SD126 84 电 力系统谐波管理暂行规定 19 国家技术监督局于 1993 年又发布了中华人民共和国国 家标准 GB T14549 93 电能质量 公用电网谐波 20 从 1994 年 3 月 1 日开始实施 该标准对 50Hz 110KV 及以下的公用电网各次谐波电压极其供电的电力用户注入的谐 波电流作了明确的规定 对 220KV 以上的电网及其供电用户 以 110KV 电网的规定 作为参考标准 或者以保证 220KV 下一级电网符合标准的要求为依据 该标准还规定 了谐波测量和测量数据处理以及确定谐波水平的方法 21 22 1998 年 为了进一步限制 电网谐波 我国颁发了 GB17625 1 1998 低压电气及电子设备发出的谐波电流限制 设备每相电流小于 16A 即 IEC 6100 3 2 标准 对低压电气以及电子设备发出 的谐波电流进行了限制 1 2 电力系统谐波治理方法电力系统谐波治理方法 谐波治理的措施主要有三种 一是受端治理 即从受到谐波影响的设备或系统出 发 提高它们抗谐波干扰能力 二是主动治理 即从谐波源本身出发 使谐波源不产 生谐波或降低谐波源产生的谐波 三是被动治理 即外加滤波器 吸收谐波源产生的 注入电网的谐波 或者阻碍电力系统的谐波流入负载端 受端治理的措施主要有以下几种 1 选择合理的供电方式 将谐波源由较大容量的供电点或由高一级电压的电网 供电 可以减小谐波对系统和其它用电设备的影响 这必须在电网规划和设计阶段考 虑 2 避免电容器对谐波的放大 改变电容器的串联电抗器 或将电容器组的某些 支路改为滤波器 或限定电容器组的投入容量 可以有效地减小电容器对谐波的放大 并保证电容器组的安全运行 3 提高设备抗谐波干扰能力 改进设备性能 使其在谐波环境中能够正常工作 当然这是有一定限度的 谐波较大时设备仍将受到严重影响 4 改善谐波保护性能 对谐波敏感设备采用灵敏的谐波保护装置 这能够保证 在谐波超标情况下 设备不致于损坏 但不能保障设备的正常工作 主动治理谐波的措施主要有以下几种 1 增加变流装置的相数或脉冲数 改造变流装置或利用相互间有一定移相角的 换流变压器 可有效减小谐波含量 其中包括多脉整流和准多脉整流技术 23 24 但是 装置更加复杂 硕士学位论文 7 2 改变谐波源的配置或工作方式 具有谐波互补性的装置应集中 否则应适当 分散或交替使用 适当限制会大量产生谐波的工作方式 3 采用多重化技术 将多个变流器联合起来使用 用多重化技术将多个方波叠 加 以消除频率较低的谐波 得到接近正弦波的阶梯波 但装置复杂 成本较高 4 谐波叠加注入 利用三次倍数的谐波和外部的三次倍数的谐波源 把谐波电 流加到产生的矩形波形上 32 33 可用于降低给定的运行点处的某些谐波 缺点是必须 保证三次倍数的谐波源与系统的同步 且谐波发生器的功率消耗常常高达整流器直流 功率的 10 5 采用 PWM 技术 采用脉宽调制 PWM Pulse Width Modulation 技术 使 得变流器产生的谐波频率较高 幅值较小 波形接近正弦波 只适用于自关断器件构 成的变流器 6 设计或采用高功率因数变流器 比如采用矩阵式变频器 四象限变流器等 可以使变流器产生的谐波非常少 且功率因数可控制为 1 被动治理谐波的措施主要有以下几种 1 采用无源滤波器 PF Passive Filter 在谐波源附近或公用电网节点装设单 调谐及高通滤波器 可以吸收谐波电流 同时还可以进行无功功率补偿 运行维护也 简单 2 采用有源滤波器 APF Active Power Filter 在谐波源附近和公用电网节点 装设并联型或串联型 APF 可以有效地起到补偿或隔离谐波的作用 并联型还可以进 行无功功率补偿 但装置造价较高 3 采用混合型有源滤波器 HAPF Hybrid Active Power Filter HAPF 兼具 PF 成本低廉和 APF 性能优越的优点 属于 APF 的分支和发展 HAPF 的种类很多 大致 可分为与 PF 的混合 与其它变流器的混合等两类 1 3 有源电力滤波器的发展现状有源电力滤波器的发展现状 有源电力滤波器的基本工作原理是由 HSasaki 和 HMachida 于 1971 年首先提出的 25 他们首次提出了有源滤波器的原始结构模型 并建立了有源滤波器的基本理论 他们提出的有源电力滤波器向电网注入一个与负载谐波电流幅值相等 相位相反的电 流 从而抵消了电网中的谐波电流 但由于当时是采用线性放大的方法产生小补偿电 流 其损耗大 成本高 因而仅在实验室研究 未能在工业中实用 1976 年 LGyugyi 和 ECStyaula 提出了用 PWM 逆变器构成的有源电力滤波器 26 这些采用 PWM 逆变器构成的有源电力滤波电路现已成为有源电力滤波器的基本结构 20 世纪 80 年代 随着电力电子技术和 PWM 控制技术的发展 对有源电力滤波器的研究逐渐 活跃起来 成为电力电子技术领域的研究热点之一 1983 年赤木泰文等人提出的 三相 电路瞬时无功功率理论 27 极大的推动了有源电力滤波器的发展及其工程应用 有源电力滤波器控制器的研制及应用 8 在国外 有源电力滤波器已开始在工业和民用设备上得到广泛使用 并且谐波补 偿的次数逐步提高 有的可以高达 25 次谐波 单机装置的容量逐步提高 如在日本和 美国 应用领域可以接受的 APF 的容量已增加到 50MVA 其应用领域从补偿用户自 身的谐波向改善整个电力系统供电质量的方向发展 我国在有源电力滤波器的应用研究方面 继日本 美国 德国等之后 得到学术 界和企业界的充分重视 并投入了大量的人力和物力 到目前为止 国内对有源电力 滤波器的研究基本上都局限于仿真研究和小型试验装置 工程实践应用仅仅也只是小 功率的应用 28 29 而正式投入电网运行的几乎为零 30 只有几台类似产品投入工业试 运行 如华北电力试验研究所 冶金部自动化研究院和北京供电公司联合开发 研究 的有源高次谐波抑制装置于 1992 年在北京木材厂中心变电站投入工业运行 该装置采 用了三个单相全控桥逆变器 功率开关为 GTR 用于低压电网单个谐波源的谐波补 偿 装置容量小 且只能补偿几个特定次数的谐波 5 7 11 13 次 调制载波的频率 3 3kHz 不高 河南电力局与清华大学联合开发的 200MVA 静止无功发生器 包含 有源谐波器 在郑州孟砦变电站进行 300kVA 中间工业样机试运行 该样机主电路由 18 脉冲电压逆变器 直流储能电容器 9 台曲折绕组变压器及系统的连接变压器组成 18 脉冲逆变器分为 3 个 6 单相脉冲电压逆变器 功率开关为 GTO 系统结构复杂 尺寸庞大 功耗大 价值昂贵 很难推广应用 华南理工大学研制了混合型有源电力 滤波器用于牵引变电站的谐波治理 该装置在减小滤波器有源部分容量和技术实现上 有一定的改进 但其滤波效果和隔离基波电压的无源网络阻抗存在矛盾 也就是说 无源网络的阻抗大 则有源部分的容量小但系统滤波效果不好 无源网络的阻抗小 则滤波效果好但有源部分的容量大 西安交通大学提出了四重化变流器作为大容量有 源电力滤波器主电路的方法 该方法有效地解决了大容量和开关频率的矛盾 但该方 法的成本高 技术实现难度大 且未见有实际应用的报道 总的来说 国内有源电力滤波器的应用技术和电子工业发达的国家相比有一定的 差距 最早的有源电力滤波器是单独使用的并联型有源电力滤波器 经过多年的发展 为了尽量发挥有源电力滤波器的特长 提高其性能并尽量降低其容量 结合无源电力 滤波器的特点发展成了串联混合型有源电力滤波器 并联混合型有源电力滤波器等等 为了适应不同的补偿对象 发展了各种各样的有源滤波器形式 根据有源滤波器和电网的连接方式 APF 可以分为并联型和串联型两大类 1986 年 Akagi H 提出了并联型 APF 单独使用方式 27 它是最早期的有源滤波装置 硕士学位论文 9 谐波源 变流器 APF 图图 1 1 单独使用的并联型单独使用的并联型 APF 这种方式的主电路结构简单 但由于逆变器直接承受基波电压 所以其成本高且 不适合高电压系统的补偿 为降低成本 减小逆变器的容量和适应高电压的要求 人 们利用 PF 的成本低的优点 提出了各种 APF 与 PF 混合使用方式 1987 年 Takeda M 等人提出用并联型 APF 和并联 PF 相结合的混合型 APF 31 PF 谐波源 变流器 APF 图图 1 2 并联型并联型 APF 并联 并联 PF 的的 HAPF 该方式利用无源部分滤除了大部分的谐波 所以其有源部分的谐波容量较小 且 PF 能够提供一定的无功功率 但逆变器仍然直接承受了基波电压 所以功率开关器件 的耐压等级并没有降低 1990 年 Fujita H 等人提出将 APF 与 PF 相串联后与电网并联 的混合型方案 32 谐波源 PF APF 变 流 器 图图 1 3 APF 与与 PF 串联后并联接入电网的串联后并联接入电网的 HAPF 这种方式利用无源部分承受了大部分的基波电压 所以逆变器承受的基波电压小 适合于高电压系统的应用 但由于流过无源部分的基波电流都流入逆变器 所以不能 利用 PF 提供大容量的无功功率 利用无源元件 LC 的串 并联谐振特性 人们提出了 注入式 APF 的结构 33 34 将 LC 对基波串联谐振电路作为有源部分的注入电路 能够 大大降低 APF 承受的基波电压和容量 且可以利用无源元件提供无功功率 但其谐波 有源电力滤波器控制器的研制及应用 10 容量相对较大 而且所能提供的无功容量有限 随着电力电子技术的发展 全控型功 率开关器件 如可关断晶闸管 GTO 和绝缘栅双极性晶体管 IGBT 的电压和电流额定 值不断提高 成本不断降低 人们从双或多逆变器的方向提出了各种 APF 的拓扑结构 来满足工业应用的要求 1994 年 Akagi H 等提出一种将串联型 APF 和并联型 APF 进 行混合的方式 也称为统一电能质量调节器 Unified Power Quality Conditioner UPQC 35 谐波源 UPQC 变 流 器 变 流 器 图图 1 4 并联型并联型 APF 串联型 串联型 APF 的的 HAPF 这种方式从理论上讲 可以抑制电压闪变 电压波动 不对称和谐波 但由于采 用了双逆变器 所以存在控制复杂和成本高的缺点 上述描述了并联型 APF 的发展现状 有源滤波器还有另外一大类 串联型 APF 图 1 5 为典型的串连 APF 拓扑结构 36 变流器 APF 谐波源 图图 1 5 单独使用的串联型单独使用的串联型 APF 串联型 APF 单独使用方式能有效滤除电网的谐波电压 具有有源装置容量小和运 行效率高等优点 但存在绝缘强度高 难以适应线路故障条件以及不能进行无功功率 动态补偿等缺点 且负载的基波电流全都流过连接用的变压器 其工程实用性受到限 制 在串联型 APF 单独使用方式基础上发展出的串联型 APF 混合型结构 37 38 也都同 样存在绝缘强度高和难以适应线路故障的缺点 本文在此就不一一阐述了 1 4 有源电力滤波器控制器的技术特点有源电力滤波器控制器的技术特点 虽然有源滤波器发展至今 其主电路拓扑结构和控制原理都发生了变化 但都是 从最早期的并联型 APF 根据对偶原理或通过混合逐步演变而来的 所以 存在对 APF 的一般性定义 将系统中所含有害电流 电压 检出 并产生与其相反的补偿电 硕士学位论文 11 流 电压 以抵消输电线路中的有害电流 电压 的半导体电力变换装置 1 39 有源 滤波器一般由三大部分组成 检测电路 控制电路和功率变换电路 其中控制电路的 实现方式也是最多样化的 它的多样化也体现了控制方法的多样性 而有源电力滤波 器的控制器也是各种控制电路的集合 有源电力控制器一般包括硬件电路和软件算法两部分 随着电子元器件技术的发 展 控制器硬件也经历了分立元件 集成电路 单片机 DSP digital signal process 芯片的一个发展历程 同样软件算法也从早期的与硬件电路捆绑变成如今的 独立模块 可以单独开发 而且算法也在不断的改进 它体现出的实时性 稳定性也 越来越强 设计一个好的控制器会从如下几个方面来考虑问题 控制器的实时性 控制器的可靠性 控制器的兼容性 控制器的可操作性 一个性能完备的控制系统要求动态跟踪性能快和稳态误差小 从动态特性方面考 虑 控制器的实时性也就是控制器的响应速度必须要满足系统的要求 具体而言 一 个性能优良的有源电力滤波器控制器的响应速度一般在一个工频周期也即 20ms 的时间 之内 要满足控制器响应速度快的要求 这就要从硬件和软件上综合考虑 硬件上要 选用处理速度快的处理器 现今的 DSP 芯片最高主频可以达到 150MHz 的速度 这里 所讲的芯片侧重控制芯片而不是通常意义的偏重于计算的芯片 软件上要选用时间效 率高的算法 在有源电力滤波器中 关键是选好谐波检测算法和控制算法 这两个算 法是控制器的核心部分 控制器的可靠性是适应工业上的要求 对于电气设备都是全天候的工作 所以控 制器的工作场合也必须是时间连续 而且要求控制精度的准确性 这也就是控制器的 可靠性 可以说 系统可靠性的评估在现代工业中占有很大的比重 同样 在以安全 生产为准绳的电力工业里面 可靠性的重要是由其重要的 追求控制器的可靠性 必 须先满足硬件的上的可行可靠 在硬件设计方面就要首先考虑 防止通讯干扰 设备 的静电屏蔽 强电弱电的耦合等等方面 这是第一个层面要考虑的 另外 还需在软 件设计上对程序做一个合理的跟踪 比如设计看门狗电路 防止程序跑飞以及不可预 见的事件 系统自检报警程序等都是可以行之有效的方法 控制器的兼容性设计是工业技术设计方面经常用到的准则 好比今天使用的 PC 机 无论是硬件设备还是软件协议 驱动配置都是要求有兼容性的要求 不然就没有办法 实现当今 internet 的飞速发展 在有源电力滤波器控制器的设计中的兼容性是指在设计 的初期要能准确的预测将来技术的走向 或者对于功能的全面性有一个事先的考虑 在系统的设施上给将来的扩展留下接口和一些裕量 具体而言 可以将电力保护的单 元逐渐集成到有源电力滤波器中 以增加系统的兼容性 其次 在软件的设计上可以 有源电力滤波器控制器的研制及应用 12 采用模块化设计 方便功能的修改和调整 控制器的可操作性是指它的友好的人机操作界面 因为现在的技术水平还不能达 到工业设备的完全智能化的要求 所以在操作一台设备时候 友好的人机界面能够在 操作人和机器之间建立一个沟通的桥梁 对于指令的准确执行起着很大的作用 现在 固定的装置或者便携设备基本都是采用 LCD 模块来设计 正在逐步取代模拟时代的发 光二极管的显示方式 这也是顺应科技发展的一个技术趋势 至于界面的设计它又是 多样化的 可操作性和便于理解的使用性是最先考虑的 1 5 本文的研究背景及主要内容本文的研究背景及主要内容 本文的研究课题属于国家科技攻关项目 电网谐波分析与治理一体化系统 2002BA218C 同时也属于国家自然科学基金 60474041 支持项目 还得到了湖 南省发展计划委员会重点项目基金和湖南省电力公司重大科技项目基金的大力支持 研究的目的是应用混合注入式有源电力滤波器对江西某铜箔厂进行谐波治理和无功补 偿综合治理 对江西某铜箔厂的现场数据收集显示 其谐波分量主要集中在 5 次 7 次 11 次 13 次 而且现场的功率因素仅为 0 65 所以 对铜箔厂的治理不仅包括谐波治 理 还要补偿 3600KVAR 的无功功率 本论文以江西某铜箔厂的谐波环境为工程背景 主要内容为应用成熟的有源电力 滤波器的拓扑结构 开发一种适合于工程实际的电力滤波器控制器 这其中包括硬件 的设计和软件设计以及最后的实施 鉴于此 本文的各章节的设计如下 第二章 有源电力滤波器控制器硬件的研制 本章主要讲述了控制器的硬件设计 及其它的实现 并以一种模块化的思想介绍了各个模块功能 技术特点 并给出了部 分的设计参数 第三章 谐波实时电流检测及 DSP 实现 本章先比较了一些常用的谐波检测算法 然后根据实际的工程需要提出了一种基于 DFT 滑窗迭代算法的谐波检测算法 分析算 法的机理 给出了仿真波形 并设计程序流程 最后是 DSP 的实现 第四章 有源电力滤波器控制器系统软件开发 本章主要讲述了在 TI 公司的开发 平台 CCS2000 上进行控制器的程序设计 对各个程序模块完成的功能进行了一个由整 体到局部的描述 并给出了各个子程序的软件流程图 第五章 有源电力滤波器控制的工程应用 本章主要首先概要介绍了在江西某铜 箔厂的整个系统设计方案 以及现场数据的展示 然后是讲述了控制器在现场应用的 效果 给出了现场的一些照片和实际的波形展示 第六章 为总结和展望部分 硕士学位论文 13 第第 2 章章 有源电力滤波器控制器硬件研制有源电力滤波器控制器硬件研制 传统的有源电力滤波器采用的是模拟控制系统 它的缺点是电路设计复杂且性能 不稳定 有源电力滤波器控制器是整个控制系统的核心部分 它完成的功能包括检测 计算 控制算法以及 PWM 脉宽调制等 单片机在工业控制方面有广泛的应用 所以 以往的控制器都是用单片机来实现的 它的优点是稳定性好 缺点是处理速度不够快 控制的实时性不能满足要求 随着控制技术的发展 各种控制算法应运而生 具体而 言 在有源电力滤波器控制器的算法中 核心的算法是如何来调制 PWM 脉冲 来实 现逆变电路的稳定快速准确的工作 在硬件上 单片机在 PWM 调制上不具备优势 必须多片单片机共同来完成 这样会造成硬件结构上的复杂和控制程序上的难度 20 世纪 60 年代以来 随着计算机和信息科学的迅速发展 数字信号处理技术 DSP Digital Signal Processing 也飞速崛起 近几十年来 数字信号处理已经在通 信 自动化等领域得到了极为广泛的发展 这为有源电力滤波器控制器数字化提供了 先决条件 从硬件的完备性 数据处理的快速性 还是算法的兼容性上讲 它既发挥 了单片机的各种优势 也克服了以前单片机系统的一些客观的弱点 所以 DSP 技术 在有源电力滤波器中的应用将是一个很大的契机 正是基于这样一种背景下 本章将 分模块的描述控制器的硬件系统结构 2 1 基于基于 DSP 的控制器系统硬件结构的控制器系统硬件结构 本章中系统控制器采用的是德州公司的 TMS320LF2407A 以下简称 2407A 数字化 DSP 控制方案 如图 2 1 所示 整个控制器包括 处理器模块 A D 采样模块 数据 存储器扩展模块 液晶显示模块 矩阵键盘输入模块 硬件锁相环模块 PWM 硬件死 去延时模块和通信模块 2 1 1 主处理器模块介绍主处理器模块介绍 TI Texas Instruments 公司的 TMS2407LF240X 系列 DSP 控制器是在 24X 的基 础上低功耗改进型 它是为了满足控制应用而设计的 2407A 是此系列中的一个分支 通过把一个高性能的 DSP 内核和微处理器的片内外设集成为一个芯片的方案 2407A 成为传统的微控制单元 MCU 和昂贵的多片设计的一种廉价的替代品 每秒 3000 万 条指令 30MIPS 的处理速度 使 2407A 型 DSP 控制器可以提供超过传统的 16 位微 控制器和微处理器的能力 2 1 1 1 2407A 型数字处理器特点型数字处理器特点 有源电力滤波器控制器的研制及应用 14 图图 2 1 DSP 控制器系统硬件结构控制器系统硬件结构 1 改进哈佛结构 40 41 哈佛结构与传统的冯 诺依曼 Von Neuman 结构相比 其主要特点是程序和 数据存储具有独立的存储空间 有各自独立的程序总线和数据总线 每个存储器独立 编址 独立访问 大大地提高了数据处理能力 非常适合于实时的数字信号处理 TI 公司的 DSP 芯片结构是基本哈佛结构的改进类型 改进之处是在数据总线和程序总线 之间进行局部的交叉连接 这一改进允许数据存放在程序存储器中 并被算术运算指 令直接使用 增强了芯片的灵活性 只要调度好两个独立的总线就可使处理能力达到 最高 以实现全速运行 2 流水线操作 与哈佛结构相匹配 DSP 芯片指令系统广泛采用流水线操作以减少指令执行时间 增强处理器的处理能力 把指令周期减小到最小值 2407A 采用四级流水线深度 也 就是说 处理器可以并行处理四条指令 每条指令处于流水线的不同阶段 3 专用硬件乘法器 在数据处理中 乘法是其中的重要组成部分 乘法速度越快 DSP 处理器的性能 越高 在通用的微处理器中 乘法指令是由一系列加法和移位来实现的 故需要许多 个指令周期来完成 例如 执行一条字相乘 80C196 系列芯片要 20 个状态周期 如 16MHz 的晶振 约要 2 5 S 相比之下 DSP 芯片的特征是有一个专用的硬件乘法 器 在 TMS320 系列中 由于具有专用的硬件乘法器 乘法可在一条指令周期内完成 2407A 的一条指令周期为 25ns 由此可见 对于运算较复杂的算法 DSP 的速度比微 处理器快很多 4 特殊的 DSP 指令 COTROL DATA ADDRESS TMS320LF2407 A D 14位精度 A D采样电 路 扩展RAM 61LV12816L LCD 锁相环 电路 16路10 位片上 A D 硬件脉 冲互锁 6路PWM 输出 扩展输 入口 扩展输 出口 JTAG 2 3矩 阵键盘 F口 PWM 脉冲 上位机 驱动电 路 IGBT模 块 a i a u b i c i b u c u 硕士学位论文 15 DSP 芯片为了方便数字信号处理 提高运算速度采用了一套专用的特殊指令系统 MACD 指令是专门为数字信号处理中大量使用的乘加运算而设计的与 MAC 指令类似 在对于片内 RAM 控制进行操作 且使用的是间接寻址时 MACD 首先累加先前乘积 然后把指定的数据空间的值和程序存储空间的值相乘 乘积的结果放在 PREG 中 并 按 PM 的值指定的操作进行移位 同时把指定数据存储单元的内容拷贝到该数据存储 单元的地址加 1 的单元中 这样就使得最旧的数据被抛弃 最新的值补充到数据缓冲 区的底端 使数据一次通过数据缓冲区 5 丰富的片内外设 图 2 2 是 2407A 的系统配置结构 从图中可以清晰的看出 2407A 具有丰富的片 上资源 544 字 16 位的双口 RAM DARAM 2K 字 16 位的静态 RAM SARAM 32K 字的 FLASH 内部锁相环电路 PLL 串行外设接口 SPI 串 行通信接口 SCI 看门狗电路 CAN Controller Area Network 总线控制器模块 内 部 16 通道 10 位精度的 A D 转换电路以及用于 PWM 脉宽调制的事件管理单元 EVA 和 EVB 图图 2 2 2407A 型型 DSP 系统配置结构系统配置结构 2407A 丰富的片内外设单元使得我们控制器的硬件设计变得非常的简单 需要扩 展的外围接口电路很少 其中的事件管理单元 EVM 模块的 PWM 输出单元特别为逆变 桥电路控制设计 使得三相逆变桥的 IGBT 模块的驱动信号生成变得非常的容易 全 比较 PWM 输出单元有六个输出管脚 两两互补输出 用于对应铜桥臂 IGBT 控制 2 1 1 2 内部锁相环内部锁相环 PLL 环路滤波电路参数设计环路滤波电路参数设计 FLASH ROM 可达32K字 16位 事件管理器 EVA和 EVB SPISCICANWD ADC 控制 中断 复位等 I O寄存 器 ADC PBUS IF 2XXCPU JTAG 544字 16DARAM SARAM 可达2K字 16位 逻辑 IF PBUS 综合的ASIC门 PLL 有源电力滤波器控制器的研制及应用 16 2407A 内部的 PLL 模块使用外部滤波器回路来抑制信号抖动和电磁干扰 使抖动 信号和干扰影响最小 内部的 PLL 时钟模块电路如图 2 3 所示 滤波器回路的元件为 R1 C1和 C2 电容 C1和 C2必须是无极性的 滤波器电路回路连接到 2407A 芯片的 PLLF 和 PLLF2 引脚 在不同的振荡器 XTAL1 频率下的 R1 C1和 C2推荐值见表 2 1 本文中采用的有源晶振值为 10MHz 所以查表得到 R1 C1和 C2参数分别为 11 1 RFC 68 0 1 FC 015 0 2 图图 2 3 2407A 锁相环时钟模块电路图锁相环时钟模块电路图 表表 2 1 外部滤波器元件参数表外部滤波器元件参数表 XTAL1 CLKIN 频率 MHzR1 C1 FC2 F 44 7 3 9 0 082 5 5 6 2 7 0 056 6 6 8 1 8 0 039 7 8 2 1 5 0 033 8 9 1 1 0 022 9 10 0 82 0 015 10 11 0 68 0 015 2 1 1 3 2407A 电源的设计电源的设计 对于任何一个电气系统来讲 电源是不可或缺的部分 DSP 应用电路一般都有 5V 和 3 3V 电源 也就是 DSP 控制系统一般都是多电源系统 而对于多电源系统 采用的一把策略是将 5V 的电源经过 DC DC 变换得到其它数量级的电源电压 如 3 3V 1 8V 2 5V 等 首先 5V 电源的得到一般可通过外部开关电源或者交流 220V 单相电经变压器 桥式整流后再经过电容 电感滤波得到 为得到 3 3V 的 DSP 控制 电压 本文采用的 DC DC 变换芯片为 TPS7333Q 它的基本电气参数见表 2 2 接线连 接见图 2 4 其中它的 8 号引脚可用作 DSP 的外部复位引脚 图 2 4 中的电容 C1和 XTAL1 CLKIN XTAL2 PLLF PLLF2 XTAL OSC Fin CLKOUT PLL PLL选择 SCSR 11 9 晶振 R1 C1 C2 硕士学位论文 17 C2分别用来消除纹波和稳压的作用 图图 2 4 DSP 控制器电源模块控制器电源模块 表表 2 2 TPS7333Q 电气参数电气参数 输入电压 V输出电压 V输出电流 mA工作温度封装形式 最大值典型值最小值 53 373 33 23500 40 125 DIP SO 2 1 2 采样电路模块的设计采样电路模块的设计 采样电路的设计包括同步信号捕获和外接 8 通道电流电压采样电路 同步信号捕 获单元是为读取母线电压中 A 相的过零点而设计的 目的是在过零点的时刻发出 PWM 调制信号 保持补偿谐波电流的相位同步 具体电路如图 2 5 所示 2 5 电压过零捕获电路电压过零捕获电路 图中入口信号为母线 A 相电压经过了一级 PT 之后的标准信号 为 100V 交流信号 然后经过了电路中的二级 PT 电压互感器 转换为 5V 交流信号 最后经过了 型滤 波电路 两极稳压管钳住输入运放 LM393 的电压为 0 7V 0 7V 之间 输入电流为零 满足 LM393 灌电流最大值 25nA 的技术指标 采样电路是控制器的重要组成部分 其转换精度决定了控制器性能的优劣 虽然 2407A 内部带有 16 路 10 位精度的片上 A D 模块 但该模块存在以下缺点 只能接收 0 3 3V 的单极性信号输入 对于交流信号需要另外设计限幅抬压电路 同一排序器内 各通道串扰严重 10 位的转换精度难以满足高性能系统的要求 本章的硬件设计采用 4 3 2 5 6 7 8 50 F 50 F RS 5V3 3V TPS7333Q C1 C2 有源电力滤波器控制器的研制及应用 18 了两片精度更高的 14bit 的 4 通道同时采样的 MAX125 这款芯片是 MAXIM 公司生产 的高精度型的 A D 转换芯片 内部集成了前端采样保持电路 S H 其输入信号范围 5 V 通道最大承受过压可达 17V 简化了信号调理电路 单路转换时间 3 s 拥有 A B 两组信号输入端 每组四个输入通道 MAXl25 可以和 DSP 并行工作 从而减 轻了 DSP 的工作负担 MAXl25 数据 地址线通过总线隔离驱动芯片 74HC245 与 2407A 的数据线连接 片选信号通过 74HC138 译码器得到 启动信号通过硬件倍频电 路得到 将在下一节具体介绍硬件倍频电路 具体的采样电路设计见附录 1 控制系统 原理图 2 1 3 硬件倍频电路模块的设计硬件倍频电路模块的设计