【正文】 IPM）對(duì)死區(qū)時(shí)間的要求，在對(duì)電路仿真分析的前提下，論文在控制器硬件中設(shè)計(jì)了獨(dú)立的硬件死區(qū)延時(shí)電路。 (請(qǐng)?jiān)谝陨舷鄳?yīng)方框內(nèi)打 ”√ ”) 作者簽名： 日期： 年 月 日 導(dǎo)師簽名： 日期： 年 月 日 有源電力濾波器控制器的研制及其應(yīng)用 II 摘 要 有源濾波裝置在消除電網(wǎng)諧波方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，因而得到了廣泛的應(yīng)用。 作者簽名： 日期： 年 月 日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書(shū) 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國(guó)家有關(guān)部門(mén)或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。 碩士學(xué)位論文 有源電力濾波器控制器的研制及其應(yīng)用 Research and Application of Controller in Active Power Filter By Zhao Te .(Hunan University)2020 A thesis submitted in partial satisfaction of the Requirements for the degree of Master of engineering in System Engineering in the Graduate school of Hunan University Supervisor Professor Luo An April, 2020碩士學(xué)位論文 I 湖 南 大 學(xué) 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。 2．不保密□。 本文在有源電力濾波器控制器國(guó)內(nèi)外研究的基礎(chǔ)上 ，提出了一種基于數(shù)字信號(hào)處理器（ DSP）的控制器硬件結(jié)構(gòu)，并對(duì)控制器的實(shí)時(shí)性、可靠性和 兼容 性 作了詳細(xì)的分析。論文從頻域?yàn)V波器的角度在理論上證明了該算法的可行性 和有效性。 論文結(jié)合有源電力濾波器控制器在江西某銅箔廠的應(yīng)用實(shí)例，詳細(xì)說(shuō)明了系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、主電路設(shè)計(jì)、元件參數(shù)設(shè)計(jì)和輸出濾波器設(shè)計(jì)，并給出了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果。本章首先介紹了電力系統(tǒng)諧波，簡(jiǎn)要敘述了諧波抑制的主要方法，介紹了有源濾波器的發(fā)展?fàn)顩r并就有源電力濾波器的控制器的一些技術(shù)性能作一些說(shuō)明，最后介紹了論文的研究背景和主要內(nèi)容。但隨著技術(shù)的發(fā)展，電力系統(tǒng)中的非線性負(fù)載的比重不斷增加，理想電力系統(tǒng)的近似程度變差，直接表現(xiàn)是電力系統(tǒng)中的電流和電壓波形產(chǎn)生畸變。 電力系統(tǒng)諧波產(chǎn)生的原因 在早期的電網(wǎng)中，電力傳輸線路中諧波含量并不高，可以忽略不計(jì)，但是隨著科技的進(jìn)步，現(xiàn)代電網(wǎng)中諧波的含量比例越來(lái)越高。這種諧波電動(dòng)勢(shì)的頻率和幅值只取決于發(fā)電機(jī)本身的結(jié)構(gòu)和工作情況，基本與外接負(fù)載無(wú)關(guān)，可以看作諧波電壓源。 用電設(shè)備產(chǎn)生的諧波是由與電力系統(tǒng)相連的各種非線性負(fù)載產(chǎn)生的 [1]。 除此以外 ,其它 像 電視機(jī)、電池充電器等裝置也會(huì)產(chǎn)生諧波。近幾十年來(lái)，各種電力電子設(shè)備的迅速普及 和廣泛應(yīng)用 使諧波污染日趨嚴(yán)重，由諧波引起的各種事故不斷發(fā)生，如：廣西蘋(píng)果鋁廠 1996 年 6 月因諧波超標(biāo)，導(dǎo)致電容器爆炸，損壞高壓開(kāi)關(guān)和主變壓器，造成大面積停電；湖南漣鋼 1998 年 7 月，因 5 次諧波超標(biāo)，導(dǎo)致豹南山 110KV變電站停電 16 小時(shí)；由于電氣化鐵路產(chǎn)生的負(fù)序電流和諧波電流的影響，鄭州電網(wǎng)繼電保護(hù)誤動(dòng)，致使京廣線中斷數(shù)小時(shí)。特別是在發(fā)生諧振的情況下，很小的諧波電壓就可引起很大的諧波電流，導(dǎo)致電容器因過(guò)流而損壞。另外，諧波電流還會(huì)增大電機(jī)的噪音和產(chǎn)生脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩。 （ 4）增加變壓器的損耗。 （ 5）造成繼電保護(hù)、自動(dòng)裝置工作紊亂。零序三次諧波電流過(guò)大，可能引起接地保護(hù)誤動(dòng)作。 （ 7）干擾通訊系統(tǒng)。在超高壓長(zhǎng)距離輸電線路上，較大的諧波電流會(huì)使?jié)摴╇娀∠缪泳?，?dǎo)致單相重合閘失敗，擴(kuò)大事故。諧波還會(huì)對(duì)下列設(shè)備產(chǎn)生影響： ①導(dǎo)致功率開(kāi)關(guān)器件控制裝置誤動(dòng)作； ②導(dǎo)致功率開(kāi)關(guān)器件故障而損壞； ③使日光燈的鎮(zhèn)流器及補(bǔ)償用電容器過(guò)熱和損壞； ④對(duì)計(jì)算機(jī)產(chǎn)生干擾； ⑤影響互 感器的測(cè)量精度； ⑥使熔斷器在沒(méi)有超過(guò)整定值時(shí)就熔斷； ⑦影響功率處理器的正常運(yùn)行； ⑧影響電視機(jī)的畫(huà)面質(zhì)量； 有源電力濾波器控制器的研制及其應(yīng)用 4 ⑨影響電子顯微鏡的清晰度； ⑩影響其它換流設(shè)備或其它任何由電壓過(guò)零所控制的設(shè)備的同步。 50 年代和 60 年代在高壓直流輸電方面推進(jìn)了變流器諧波的研究。 我國(guó)對(duì)電力系統(tǒng)諧波問(wèn)題的研究起步較晚。 1998 年，王兆安等出版的《諧波抑制和無(wú)功功率補(bǔ)償》 [12]是國(guó)內(nèi)迄今為止較為全面的介紹諧波分析和治理方法的著作，特別是其中關(guān)于有源濾波器的分析和 闡述，被國(guó)內(nèi)許多研究者廣泛引用和參考。美國(guó)海軍早在 20 世紀(jì) 70 年代就發(fā)現(xiàn)諧波影響并第一個(gè)制訂了諧波限制標(biāo)準(zhǔn) US MILSTD461，目前仍然被美國(guó)軍方廣泛使用。國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局于 1993 年又發(fā)布了中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB/T1454993《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》 [20]，從 1994 年 3 月 1 日開(kāi)始實(shí)施。 1998 年，為了 進(jìn)一步限制電網(wǎng)諧波，我國(guó)頒發(fā)了 《低壓電氣及電子設(shè)備發(fā)出的諧波電流限制（設(shè)備每相電流小于 16A）》，即 IEC 610032 標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)低壓電氣以及電子設(shè)備發(fā)出的諧波電流進(jìn)行了限制。 （ 2）避免電容器對(duì)諧波的放大。 （ 4）改善諧波保護(hù)性能。 有源電力濾波器控制器的研制及其應(yīng)用 6 （ 2）改變諧波源的配置或工作方式。 （ 4）諧波疊加注入。采用脈寬調(diào)制 PWM（ Pulse Width Modulation）技術(shù)，使得變流器產(chǎn)生的諧波頻率較高、幅值較小，波形接近正弦波，只適用于自關(guān)斷器件構(gòu)成的變流器。在諧波源附近或公用電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)裝設(shè)單調(diào)諧及高通濾波器，可以吸收諧波電流，同時(shí)還可以進(jìn)行無(wú)功功率補(bǔ)償，運(yùn)行維護(hù)也簡(jiǎn)單。 HAPF 兼具 PF 成本低廉和 APF 性能優(yōu)越的優(yōu)點(diǎn)，屬于 APF 的分支和發(fā)展。 有源電力濾波器向電網(wǎng)注入一個(gè)與負(fù)載諧波電流幅值相等、 相位相反的電流，從而抵消了電網(wǎng)中的諧波電流。 20 世紀(jì) 80 年代，隨著電力電子技術(shù)和 PWM 控制技術(shù)的發(fā)展，對(duì)有源電力濾波器的研究逐漸活躍起來(lái)，成為電力電子技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。 我國(guó)在有源電力濾波器的應(yīng)用研究方面，繼日本、美國(guó)、德國(guó)等之后，得到學(xué)術(shù)界和企業(yè)界的充分重視，并投入了大量的人力和物力，到目前為止，國(guó)內(nèi)對(duì)有源電力濾波器的研究基本上都局限于仿真研究和小型試驗(yàn)裝置 ，工程實(shí)踐應(yīng)用僅僅也只是小功率的應(yīng)用 [28,29]，而正式投入電網(wǎng)運(yùn)行的幾乎為零 [30]，只有幾臺(tái)類(lèi)似產(chǎn)品投入工業(yè)試運(yùn)行，如華北電力試驗(yàn)研究所、冶金部自動(dòng)化研究院和北京供電公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)、研究的有源高次諧波抑制裝置于 1992 年在北京木材廠中心變電站投入工業(yè)運(yùn)行，該裝置采用了三個(gè)單相全控橋逆變器（功率開(kāi)關(guān)為 GTR），用于低壓電網(wǎng)單個(gè)諧波源的諧波補(bǔ)償，裝置容量小 ,且只能補(bǔ)償幾個(gè)特定次數(shù)的諧波（ 1 13 次） ,調(diào)制載波的頻率（ ）不高； 河南電力局與清華大學(xué)聯(lián)合開(kāi)發(fā)的 200MVA 靜止無(wú)功發(fā)生器（包含 有源諧波器）在鄭州孟砦變電站進(jìn)行300kVA 中間工業(yè)樣機(jī)試運(yùn)行，該樣機(jī)主電路由 18 脈沖電壓逆變器、直流儲(chǔ)能電容器、 9 臺(tái)曲折繞組變壓器及系統(tǒng)的連接變壓器組成， 18 脈沖逆變器分為 3 個(gè) 6單相脈沖電壓逆變器（功率開(kāi)關(guān)為 GTO），系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尺寸龐大，功耗大，價(jià)值昂貴，很難推廣應(yīng)用；華南理工大學(xué)研制了混合型有源電力濾波器用于牽引變電站的諧波治理， 該裝置在減小濾波器有源部分容量和技術(shù)實(shí)現(xiàn)上有一定的改進(jìn)，但其濾波效果和隔離基波電壓的無(wú)源網(wǎng)絡(luò)阻抗存在矛盾，也就是說(shuō)，無(wú)源網(wǎng)絡(luò)的阻抗大，則有源部分的容量小但系統(tǒng)濾波效果不好， 無(wú)源網(wǎng)絡(luò)的阻抗小，則濾波效果好但有源部分的容量大；西安交通大學(xué)提出了四重化變流器作為大容量有源電力濾波器主電路的方法，該方法有效地解決了大容量和開(kāi)關(guān)頻率的矛盾 ，但該方法的成本高、技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度大，且未見(jiàn)有實(shí)際應(yīng)用的報(bào)道。1986 年 Akagi APF 單獨(dú)使用方式 [27]，它是最早期的有源濾波裝置。 PF諧波源變流器APF 圖 并聯(lián)型 APF＋并聯(lián) PF 的 HAPF 該方式利用無(wú)源部分濾除了大部分的諧波，所以其有源部分的諧波容量較小，且 PF 能夠提供一定的無(wú)功功率，但逆變器仍然直接承受了基波電壓，所以功率開(kāi)關(guān)器件的耐壓等級(jí)并沒(méi)有降低。 利用無(wú)源元件 LC 的串、并聯(lián)諧振特性，人們提出了注入式 APF 的結(jié)構(gòu) [33,34]。 諧波源UPQC變流器變流器 圖 并聯(lián)型 APF＋串聯(lián)型 APF 的 HAPF 這種方式從理 論上講，可以抑制電壓閃變、電壓波動(dòng)、不對(duì)稱(chēng)和諧波，但由于采用了雙逆變器，所以存在控制復(fù)雜和成本高的缺點(diǎn)。 有源電力濾波器控制器的技術(shù)特點(diǎn) 雖然有源濾波器發(fā)展至今，其主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制 策略 都發(fā)生了變化，但都是從最早期的并聯(lián)型 APF，根據(jù)對(duì)偶原理或通過(guò)混合逐步演變而來(lái)的。 有源電力控制器一般包括硬件電路和軟件算法兩部分。 控制器的可靠性是適應(yīng)工業(yè)上的要求，對(duì)于電氣設(shè)備都是全天候的工作，所以控制器的工作場(chǎng)合也必須是時(shí)間連續(xù)，而且要求控制精度的準(zhǔn)確性，這也就是控制器的可靠性。 控制器的可操作性是指它的友好的人機(jī)操作界面。 本文的研究背景及主要內(nèi)容 本文的研究課題屬于國(guó)家 863 計(jì)劃引導(dǎo) 項(xiàng)目 —— 配電網(wǎng)智能型無(wú)功自動(dòng)補(bǔ)償、電能質(zhì)量和負(fù)荷監(jiān)視一體化系統(tǒng) （ 2020AA001032），同時(shí)也屬于國(guó)家自然科學(xué)基金（ 60474041）支持項(xiàng)目，還得到了湖南省發(fā)展計(jì)劃委員會(huì)重點(diǎn)項(xiàng)目基金和湖南省電力公司重大科技項(xiàng)目基金的大力支持。 鑒于此，本文的各章節(jié)的設(shè)計(jì)如下： 第二章，有源電力濾波器控制器硬件的研制。 第四章，有源電力濾波器控制器系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)。 最后 為總結(jié)和展望部分。隨著控制技術(shù)的發(fā)展，各種控制算法應(yīng)運(yùn)而生，具體而言，在有源電力濾波器控制器的算法中，核心的算法是如 何來(lái)調(diào)制 PWM 脈沖，來(lái)實(shí)現(xiàn)逆變電路的穩(wěn)定快速準(zhǔn)確的工作，在硬件上，單片機(jī)在 PWM 調(diào)制上不具備優(yōu)勢(shì)，必須多片單片機(jī)共同來(lái)完成，這樣會(huì)造成硬件結(jié)構(gòu)上的復(fù)雜和控制程序上的難度。正是基于這樣一種背景下，本章將分模塊的 講 述控制器的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。 2407A 是此系列中的一個(gè)分支，通過(guò)把一個(gè)高性能的 DSP 內(nèi)核和微處理器的片內(nèi)外設(shè)集成為一個(gè)芯片的方案， 2407A 成為傳統(tǒng)的微控制單元（ MCU）和昂貴的多片設(shè)計(jì)的一種廉價(jià)的替代品。大大地提高了數(shù)據(jù)處理能力，非常適合于實(shí)時(shí)的數(shù)字信號(hào)處理。 （ 3）專(zhuān)用硬件乘法器 在數(shù)據(jù)處理中，乘法是其中的重要組成部分。相比之下， DSP 芯片的特征 是有一個(gè)專(zhuān)用的硬件乘法器。 （ 4）特殊的 DSP 指令 DSP 芯片為了方便數(shù)字信號(hào)處理、提高運(yùn)算速度采用了一套專(zhuān)用的特殊指令系統(tǒng)。 圖 2407A 型 DSP 系統(tǒng)配置結(jié)構(gòu) 2407A 豐富的片內(nèi)外設(shè)單元使得我們控制器的硬件設(shè)計(jì)變得非常的簡(jiǎn)單，需要擴(kuò)展的外圍接口電路很少。內(nèi)部的 PLL 時(shí)鐘模塊電路如圖 所示。本文中采用的有源晶振值為 10MHz，所以查表得到 R1，C1 和 C2 參數(shù)分別為： ??111R ； FC ? ? ； FC ? ? 圖 2407A 鎖相環(huán)時(shí)鐘模塊電路圖 表 外部濾波器元件參數(shù)表 XTAL1/CLKIN 頻率 /MHz R1/Ω C1/μF C2/μF 4 5 6 7 8 1 9 10 10 11 2407A 電源的設(shè)計(jì) 對(duì)于任何一個(gè)電氣系統(tǒng)來(lái)講，電源是不可或缺的部分。為得到 的 DSP 電源 電壓，本文采用的 DC/DC 變換芯片為 TPS7333Q， 它的基本電氣參數(shù)見(jiàn)表 ，接線連接見(jiàn)圖 ，其中它的 8 號(hào)引腳可用作 DSP 的外部復(fù)位引腳。具體電路如圖 所示。 F5 0 181。5 V，通道最大承受過(guò)壓可達(dá) 177。具體的采樣電路設(shè)計(jì)見(jiàn)附錄 B：控制系統(tǒng)原理圖。 倍頻電路的基本工作原理是將輸入波形與 VCO（ Voltage Controlled Osillator）振蕩波形的相位進(jìn)行比較，使其輸入頻率與 VCO 振蕩頻率同步。其中R V s sV s s1 / N11 3234671 11 2V s sV s s1 01 4 1 6R 3壓控震蕩器2 號(hào) 鑒 相 器1 號(hào) 鑒 相 器R 1R 2V d dI NC 1Z E N E RC 2 圖 CD4046BE 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 R C1 的參數(shù)確定可以圖 的（ a）和