【正文】 倍頻電路的基本工作原理是將輸入波形與 VCO（ Voltage Controlled Osillator）振蕩波形的相位進行比較，使其輸入頻率與 VCO 振蕩頻率同步。5 V，通道最大承受過壓可達 177。具體電路如圖 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 電源的設計 對于任何一個電氣系統(tǒng)來講，電源是不可或缺的部分。 圖 2407A 型 DSP 系統(tǒng)配置結構 2407A 豐富的片內外設單元使得我們控制器的硬件設計變得非常的簡單，需要擴展的外圍接口電路很少。相比之下， DSP 芯片的特征 是有一個專用的硬件乘法器。大大地提高了數(shù)據(jù)處理能力，非常適合于實時的數(shù)字信號處理。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)結構。 最后 為總結和展望部分。 鑒于此，本文的各章節(jié)的設計如下： 第二章，有源電力濾波器控制器硬件的研制。 控制器的可操作性是指它的友好的人機操作界面。 有源電力控制器一般包括硬件電路和軟件算法兩部分。 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、不對稱和諧波，但由于采用了雙逆變器，所以存在控制復雜和成本高的缺點。 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 能夠提供一定的無功功率，但逆變器仍然直接承受了基波電壓，所以功率開關器件的耐壓等級并沒有降低。 我國在有源電力濾波器的應用研究方面，繼日本、美國、德國等之后，得到學術界和企業(yè)界的充分重視，并投入了大量的人力和物力，到目前為止，國內對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裝置 ，工程實踐應用僅僅也只是小功率的應用 [28,29]，而正式投入電網(wǎng)運行的幾乎為零 [30]，只有幾臺類似產品投入工業(yè)試運行，如華北電力試驗研究所、冶金部自動化研究院和北京供電公司聯(lián)合開發(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)運行，該裝置采用了三個單相全控橋逆變器（功率開關為 GTR），用于低壓電網(wǎng)單個諧波源的諧波補償，裝置容量小 ,且只能補償幾個特定次數(shù)的諧波（ 1 13 次） ,調制載波的頻率（ ）不高； 河南電力局與清華大學聯(lián)合開發(fā)的 200MVA 靜止無功發(fā)生器（包含 有源諧波器）在鄭州孟砦變電站進行300kVA 中間工業(yè)樣機試運行，該樣機主電路由 18 脈沖電壓逆變器、直流儲能電容器、 9 臺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 6單相脈沖電壓逆變器（功率開關為 GTO），系統(tǒng)結構復雜，尺寸龐大，功耗大，價值昂貴，很難推廣應用；華南理工大學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實現(xiàn)上有一定的改進，但其濾波效果和隔離基波電壓的無源網(wǎng)絡阻抗存在矛盾，也就是說，無源網(wǎng)絡的阻抗大，則有源部分的容量小但系統(tǒng)濾波效果不好， 無源網(wǎng)絡的阻抗小，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關頻率的矛盾 ，但該方法的成本高、技術實現(xiàn)難度大，且未見有實際應用的報道。 有源電力濾波器向電網(wǎng)注入一個與負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。在諧波源附近或公用電網(wǎng)節(jié)點裝設單調諧及高通濾波器，可以吸收諧波電流，同時還可以進行無功功率補償，運行維護也簡單。 （ 4）諧波疊加注入。 （ 4）改善諧波保護性能。 1998 年，為了 進一步限制電網(wǎng)諧波，我國頒發(fā)了 《低壓電氣及電子設備發(fā)出的諧波電流限制（設備每相電流小于 16A）》，即 IEC 610032 標準，對低壓電氣以及電子設備發(fā)出的諧波電流進行了限制。美國海軍早在 20 世紀 70 年代就發(fā)現(xiàn)諧波影響并第一個制訂了諧波限制標準 US MILSTD461，目前仍然被美國軍方廣泛使用。 我國對電力系統(tǒng)諧波問題的研究起步較晚。諧波還會對下列設備產生影響： ①導致功率開關器件控制裝置誤動作； ②導致功率開關器件故障而損壞； ③使日光燈的鎮(zhèn)流器及補償用電容器過熱和損壞； ④對計算機產生干擾； ⑤影響互 感器的測量精度； ⑥使熔斷器在沒有超過整定值時就熔斷； ⑦影響功率處理器的正常運行； ⑧影響電視機的畫面質量； 有源電力濾波器控制器的研制及其應用 4 ⑨影響電子顯微鏡的清晰度； ⑩影響其它換流設備或其它任何由電壓過零所控制的設備的同步。 （ 7）干擾通訊系統(tǒng)。 （ 5）造成繼電保護、自動裝置工作紊亂。另外，諧波電流還會增大電機的噪音和產生脈動轉矩。近幾十年來，各種電力電子設備的迅速普及 和廣泛應用 使諧波污染日趨嚴重，由諧波引起的各種事故不斷發(fā)生，如：廣西蘋果鋁廠 1996 年 6 月因諧波超標，導致電容器爆炸，損壞高壓開關和主變壓器，造成大面積停電；湖南漣鋼 1998 年 7 月，因 5 次諧波超標，導致豹南山 110KV變電站停電 16 小時；由于電氣化鐵路產生的負序電流和諧波電流的影響，鄭州電網(wǎng)繼電保護誤動，致使京廣線中斷數(shù)小時。 用電設備產生的諧波是由與電力系統(tǒng)相連的各種非線性負載產生的 [1]。 電力系統(tǒng)諧波產生的原因 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，但是隨著科技的進步，現(xiàn)代電網(wǎng)中諧波的含量比例越來越高。本章首先介紹了電力系統(tǒng)諧波，簡要敘述了諧波抑制的主要方法，介紹了有源濾波器的發(fā)展狀況并就有源電力濾波器的控制器的一些技術性能作一些說明，最后介紹了論文的研究背景和主要內容。論文從頻域濾波器的角度在理論上證明了該算法的可行性 和有效性。 2．不保密□。 碩士學位論文 有源電力濾波器控制器的研制及其應用 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碩士學位論文 I 湖 南 大 學 學位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的研究成果。 (請在以上相應方框內打 ”√ ”) 作者簽名： 日期： 年 月 日 導師簽名： 日期： 年 月 日 有源電力濾波器控制器的研制及其應用 II 摘 要 有源濾波裝置在消除電網(wǎng)諧波方面具有獨特的優(yōu)勢，因而得到了廣泛的應用。 控制器的系統(tǒng)軟件設計分為液晶顯示菜單程序和控制程序。 電力系統(tǒng)諧波 目前，世界各國電力工業(yè)中，幾乎都是采用正弦供電方式。電網(wǎng)諧波主要來自于 3 個方面：一是 電源質量不高產 生諧波；二是輸配電系統(tǒng)產生諧波；三是用電設備產生的諧波。這些非線性負載主要是整流器、交流調壓電路以及頻率變換器等電力電子裝置，由于這些電力電子裝置都為可變結構非線性電力負荷，工作于非線性狀態(tài)，在高效利用電能的同時也向電網(wǎng)注入大量的非線性電流，給公共電網(wǎng)的電能質量帶來了隱患。 因 此，諧波的危害的嚴重性才引起人們的高度重視。 （ 3）增加輸電線的損耗，縮短輸 電線壽命。諧波能夠改變保護繼電器的動作特性，這與繼電器的設計特點和原理有關。供電系統(tǒng)中的靜止變流器在換相期間電流波形發(fā)生急劇變化，該換相電流會在正常供電電壓中注入一個脈沖電壓，該脈沖電壓所包含的諧波頻率較高，甚至達到 1 MHz ，因而會引起電磁干擾，對通信線路、通信設備會產生很大的影響。 電力系統(tǒng)諧波研究現(xiàn)狀 電力系統(tǒng)諧波是由于波形畸變產生的，從交流電出現(xiàn)、應用發(fā)展到現(xiàn)在，如何將波形畸變限制在一定的范圍內一直是電力工程師關心的問題。吳競昌等 在 1988 年出版的《電力系統(tǒng)諧波》 [1]一書是我國有關諧波問題早期較有影響的著作。 1982 年國際電工委員會 IEC（ International Electrotechnical Commission 簡寫為 IEC）第一次指定了通用電器設備產生諧波的限制標準，即 IEC55，并在其后的執(zhí)行過程中修訂完善，目前已碩士學位論文 5 經(jīng)被世界許多國家承認和接受，在歐、美等發(fā)達國家已經(jīng)成為強行執(zhí)行的標準。 電力系統(tǒng)諧波治理方法 諧波治理的措施主要有三種：一是受端治理，即從受到諧波影響的設備或系統(tǒng)出發(fā)，提高它們抗諧波干擾能力；二是主動治理，即從諧波源本身出發(fā)，使諧波源不產生諧波或降低諧波源產生的諧波；三是被動治理，即外加濾波器， 吸收諧波源產生的注入電網(wǎng) 的 諧波，或者阻礙電力系統(tǒng)的諧波流入負載端。對諧 波敏感設備采用靈敏的諧波保護裝置，這能夠保證在諧波超標情況下，設備不致于損壞，但不能保障設備的正常工作。利用三次倍數(shù)的諧波和外部的三次倍數(shù)的諧波源，把諧波電流加到產生的矩形波形上 [32][ 33]，可用于降低給定的運行點處的某些諧波。 （ 2）采用有源濾波器 APF（ Active Power Filter）。 但由于當時是采用線性放大的方法產生小補償電流，其損耗大，成本高，因而僅在實驗室研究，未能在工業(yè)中實用。 總的來說，國內有源電力濾波器的應用技術和電子工業(yè)發(fā)達的國家相比有一定的差距。 1990 年 Fujita APF 與 PF 相串聯(lián)后與電網(wǎng)并聯(lián)的混合型方案 [32]。 上述描述了并聯(lián)型 APF 的發(fā)展現(xiàn)狀，有源濾波器還有另外一大類 —— 串聯(lián)型APF,圖 為典型的串連 APF 拓撲結構 [ 36]。隨著電子元器件技術的發(fā)展，控制器硬件也經(jīng)歷了分立元件 —— 集成電路 —— 單片機 —— DSP（ digital signal process）芯片的一個發(fā)展歷程；同樣軟件算法也從早期的與硬件電路捆綁變成如今的獨立模塊，可以單獨開發(fā)，而且算法也在不斷的改進，它體現(xiàn)出的實時 性，穩(wěn)定性也越來越強。因為現(xiàn)在的技術水平還不能達到工業(yè)設備的完全智能化的要求，所以在操作一臺設備時候，友好的人機界面能夠在操作人和機器之間建立一個溝通的橋梁，對于指令的準確執(zhí)行起著很大的作用。本章主要講述了控制器的硬件設計及其它的實現(xiàn)，并以一種模塊化的思想介紹了各個模塊功能，技術特點，并給出了部分的設計參數(shù)。 有源電力濾波器控制器的研制及其應用 12 第 2 章 有源電力濾波器控制器硬件研制 傳統(tǒng)的有源電力濾波器采用的是模擬控制系統(tǒng)，它的缺點是電路設計復雜且性能不穩(wěn)定。 基于 DSP 的控制器系統(tǒng)硬件結構 本 章 中系統(tǒng)控制器采用的是德州公司的 TMS320LF2407A(以下簡稱 2407A)數(shù)字化 DSP 控制方案。 TI 公司的 DSP 芯片結構是基本哈佛結構的改進類型，改進之處是在數(shù)據(jù)總線和程序總線之間進行局部的交叉連接，這一改進允許數(shù)據(jù)存放在程序存儲器中，并被算術運算指令直接使用 ，增強了芯片的靈活性，只要調度好兩個獨立的總線就可使處理能力達到最高，以實現(xiàn)全速運行 [40]。在 TMS320 系列中，由于具有專用的硬件乘法器，乘法可在一條指令周期內完成。其中的事件 管理單元 EVM 模塊的 PWM 輸出單元特別為逆變橋電路控制設計，使得三相逆變橋的 IGBT 模塊的驅動信號生成變得非常的容易。 DSP 應用電路一般都有 +5V 和 電源， 也就是 DSP 控制系統(tǒng)一般都是多電源系統(tǒng)。 圖 電壓過零捕獲電路 圖中入口信號為母線 A 相電壓經(jīng)過了一級 PT 之后的標準信號，為 100V 交流信號，然后經(jīng)過了電路中的二級 PT（電壓互感器）轉換為 5V交流信號，最后經(jīng)過了∏型濾波電路，兩極穩(wěn)壓管鉗住輸入運放 LM393 的電壓為 ~+ 之間，輸入電流為零，滿足 LM393 灌電流最大值 25nA 的技術指標。17V，簡化了信號調理電路；單路轉換時間 3μs；擁有 A、 B 兩組信號輸入端，每組四個輸入通道 。如圖 所示，VC