【正文】 O 輸出經(jīng)分頻后的信號(hào)與輸入波形的相位進(jìn)行比較時(shí)，輸入頻率與分頻后的頻率為同一頻率，即 VCO 的振蕩頻率與分頻后的頻率同步 [ 42]。具體的功能為利用普通的工頻信號(hào) 50Hz 所轉(zhuǎn)換的方波信號(hào)，這在 節(jié)中的同步信號(hào)捕獲中已有介紹，進(jìn)而將方波信號(hào)倍頻成 的方波信號(hào)，以此來啟動(dòng) A/D 采樣芯片，達(dá)到每周波均勻采樣 128 點(diǎn)的要求。這款芯片是 MAXIM 公司生產(chǎn)的高精度型的 A/D 轉(zhuǎn)換芯片，內(nèi)部集成了前端 采樣保持電路（ S/H）， 其輸入信號(hào)范圍 177。同步信號(hào)捕獲單元是為讀取母線電壓中 A 相的過零點(diǎn)而設(shè)計(jì)的，目的是在過零點(diǎn)的時(shí)刻發(fā)出 PWM 調(diào)制信號(hào)，保持補(bǔ)償諧波電流的相位同步。在不同的振蕩器（ XTAL1）頻率下的 R1，C1 和 C2 推薦值見表 。從圖中可以清晰的看出， 2407A 具有豐富的片上資源： 544 字 16 位的雙口 RAM（ DARAM）， 2K字 16 位的靜態(tài) RAM（ SARAM）， 32K 字的 FLASH，內(nèi)部鎖相環(huán)電路 PLL，串行外設(shè)接口 SPI，串行通信接口 SCI，看門狗電路， CAN（ Controller Area Network）總線控制器模塊，內(nèi)部 16 通道 10 位精度的 A/D 轉(zhuǎn)換電路以及用于 PWM 脈寬調(diào)制的事件管理單元EVA 和 EVB[41]。例如，執(zhí)行一條字相乘， 80C196 系列芯片要 20 個(gè)狀態(tài)周期（如 16MHz 的晶振，約要 ）。諾依曼（ Von Neuman）結(jié)構(gòu)相比，其主要特點(diǎn)是程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)具有獨(dú)立的存儲(chǔ)空間，有各自獨(dú)立的程序總線和數(shù)據(jù)總線，每個(gè)存儲(chǔ)器獨(dú)立編址，獨(dú)立訪問。所以， DSP 技術(shù)在有源電力濾波器中的應(yīng)用將是一個(gè)很大的契機(jī)。本章主要首先概要介紹了在江西某銅箔廠的整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，以及現(xiàn)場數(shù)據(jù)的展示，然后是講述了控制器在現(xiàn)場應(yīng)用的效果，給出 了現(xiàn)場的一些照片和實(shí)際的波形展示。 本論文以江西某銅箔廠的諧波環(huán)境為工程背景，主要內(nèi)容為應(yīng)用成熟的有源電力濾波器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，開發(fā)一種適合于工程實(shí)際的電力濾波器控制器，這其中包括硬件的設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)以及最后的實(shí)施。在有源電力濾波器控制器的設(shè)計(jì)中的兼容性是指在設(shè)計(jì)的初期要能準(zhǔn)確的預(yù)測將來技術(shù)的走向，或者對(duì)于功能的全面性有一個(gè)事先的考慮，在系統(tǒng)的設(shè)施上給將來的擴(kuò)展留下接口和一些裕量，具體而言，可以將電力保護(hù)的單元逐漸 集成到有源電力濾波器中，以增加系統(tǒng)的兼容碩士學(xué)位論文 11 性；其次，在軟件的設(shè)計(jì)上可以采用模塊化設(shè)計(jì)，方便功能的修改和調(diào)整。 其中控制電路的實(shí)現(xiàn)方式也是最多樣化的，它的多樣化也體現(xiàn)了控制方法的多樣性，而有源電力濾波器的控制器也是各種控制電路的集合。 1994 年， Akagi H.等提出一種將串聯(lián)型 APF 和并聯(lián)型 APF 進(jìn)行混合的方式，也稱為統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器（ Unified Power Quality Conditioner， UPQC） [35]。 1987年 Takeda APF 和并聯(lián) PF 相結(jié)合的混合型 APF[31]。如在日本和美國，應(yīng)用領(lǐng)域可以接受的 APF 的容量已增加到 50MVA，其應(yīng)用領(lǐng)域從補(bǔ)償用戶自身的諧波向改善整個(gè)電力系統(tǒng)供電質(zhì)量的方向發(fā)展。 他們首次提出了有源濾波器的原始結(jié)構(gòu)模型，并建立了有源濾波器的基本理論。 被動(dòng)治理諧波的措施主要有以下幾種： （ 1）采用無源濾波器 PF（ Passive Filter）。將多個(gè)變流器聯(lián)合起來使用，用多重化技術(shù)將多個(gè)方波疊 加，以消除頻率較低的諧波，得到接近正弦波的階梯波，但裝置復(fù)雜，成本較高。改進(jìn)設(shè)備性能，使其在諧波環(huán)境中能夠正常工作，當(dāng)然這是有一定限度的，諧波較大時(shí)設(shè)備仍將受到嚴(yán)重影響。該標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定了諧波測量和測量數(shù)據(jù)處理以及確定諧波水平的方法 [21,22]。 另外，諧波標(biāo)準(zhǔn)做為電力系統(tǒng)諧波的一個(gè)分支也在蓬勃的發(fā)展之中。 70 年代以后，國際上召開了多次有關(guān)諧波問題的學(xué)術(shù)會(huì)議，其中從 1984年開始，每兩年召開一次的電力系統(tǒng)諧波國際會(huì)議（ ICHPS）極大地推動(dòng)了諧波領(lǐng)域的研究和交流，不少國家和國際學(xué)術(shù)組織都制定了限制電力系統(tǒng)諧波和用電設(shè)備諧波的標(biāo)淮和規(guī)定，同時(shí)對(duì)諧波治理問題的研究也蓬勃發(fā)展起來。 （ 9）對(duì)其它設(shè)備的影響。比如，感應(yīng)式電能表對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)以外的頻率的響應(yīng)不靈敏，頻率越高，誤差越大，而且為負(fù)誤差，當(dāng)頻率約為 1000Hz時(shí)，電度表將會(huì)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。對(duì)于帶不對(duì)稱負(fù)載的 變壓器來說，如果負(fù)載電流中含有直流分量，會(huì)引起變壓器的磁路飽和，從而會(huì)大大增加交流激磁電流的諧波分量。由于渦流和集膚效應(yīng)的關(guān)系，定子和轉(zhuǎn)子導(dǎo)體內(nèi)的這些附加損耗要比直流電阻引起的損耗大。在電力電子設(shè)備廣泛應(yīng)用以前，人們對(duì)諧波及其危害就進(jìn)行過一些研究，并有一定認(rèn)識(shí)，但那時(shí)諧波污染還不嚴(yán)重，沒有引 起足夠的重視。鐵心的飽和程度越高，變壓器工作點(diǎn)偏離線性越遠(yuǎn)，諧波電流也就越大，其中 3 次諧波電流可達(dá)額定電流的 %。 在國際電工標(biāo)準(zhǔn)（ IEC5552）與國際大電網(wǎng)會(huì)議 (CIGRE)的文獻(xiàn)中定義：“諧波分量為周期量的傅立葉級(jí)數(shù)中大于 1 的 h 次分量”。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，諧波抑制 技術(shù) 也取得了一些突破性的進(jìn)展。 本文提出了一種基于離散傅立葉變換的滑窗迭代檢測算法，該算法能簡化計(jì)算，實(shí)時(shí)有效的檢測出諧波參考指令電流。 本學(xué)位論文屬于 １．保密□ ，在 年解密后適用本授權(quán)書。 除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。本論文 以某銅箔廠的諧波治理為背景，以并聯(lián) 混合 型 有源濾波器 （ HAPF）的工程實(shí)現(xiàn)為主線 ， 研究內(nèi)容包括有源電力濾波器控制器的硬件設(shè)計(jì)、諧波檢測算法、控制器系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)以及主電路參數(shù)設(shè)計(jì)。 液晶菜單實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)電壓電流波形顯示、頻譜和控制參數(shù)顯示；控制程序?qū)崿F(xiàn)了信號(hào)采樣分析、PWM 脈沖調(diào)制和 觸發(fā) 、控制參數(shù)的在線修改等功能。在理想的電力系統(tǒng)中，電源以單一恒定頻率（ 50Hz 或 60Hz）的正弦變化規(guī)律向電網(wǎng)供電，系統(tǒng)中各點(diǎn)的電流、電壓都是以單一恒定的供電頻率隨時(shí)間按正弦規(guī)律變化的量。其中用電設(shè)備產(chǎn)生的諧波最多。另外，工業(yè)用的電弧爐、電石爐也是個(gè)比較大的諧波源，由于加熱原料時(shí)電爐的三相電極很 難同時(shí)接觸到高低不平的爐料，使得燃燒不穩(wěn)定，引起三相負(fù)荷不平衡，產(chǎn)生諧波電流，經(jīng)變壓器注入電網(wǎng)。大體上說 ， 諧波危害 主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面 [18][914]： （ 1）電力電容器引起的諧波放大。諧波電流一方面在輸電線路上產(chǎn)生諧波壓降，另一方面增加了輸電線路上的電流有效值，從而引起附加輸電損耗。當(dāng)有諧波畸變時(shí)，依靠采樣數(shù)據(jù)或過零工作的數(shù)字繼電器容易產(chǎn)生誤差。比如電力載波通信、遠(yuǎn)動(dòng)裝置信號(hào)以及與架空線平行的通訊線路，諧波 的影響都很大。在 20 世紀(jì) 20年代和 30 年代的德國，研究者由靜止變流器引起的波形畸變提出了電力系統(tǒng)諧波的概念。隨后，許克明等也于 1991 年出版了《電力系統(tǒng)高次 諧波》 [18]，張一中等 1992 年出版了《電力諧波》[2]，夏道止等 1994 年出版了《高壓直流輸電系統(tǒng)的諧波分析及濾波》 [ 3]，林海雪等 1998 年出版了《電力網(wǎng)中的諧波》 [ 4]，這些著作都對(duì)人們認(rèn)識(shí)和研究諧波作出了很大的貢獻(xiàn)。1993 年美國電氣與工程協(xié)會(huì)（ IEEE）進(jìn)一步完善了 IEC55 標(biāo)準(zhǔn)，并在其基礎(chǔ)上補(bǔ)充了對(duì)高壓、大功率用電負(fù)荷產(chǎn)生諧波的限制標(biāo)準(zhǔn)，這就是 IEEE/ANSI Standard 519 諧波限制標(biāo)準(zhǔn)。 受端 治理的措施主要有以下幾種： （ 1）選擇合理的供電方式。 主動(dòng)治理諧波的措施主要有以下幾種： （ 1）增加變流裝置的相數(shù)或脈沖數(shù)。缺點(diǎn)是必須保 證 三次倍數(shù)的諧波源與系統(tǒng)的同步，且諧波發(fā)生器的功率消耗常常高達(dá)整流器直流功率的 10％。在諧波源附近和公用電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)裝設(shè)并聯(lián)型或串聯(lián)型 APF，可以有效地起到補(bǔ)償或隔離諧波的作用，并聯(lián)型還可以進(jìn)行無功功率補(bǔ) 償，但裝置造價(jià)較高。 1976年， LGyugyi 和 ECStyaula 提出了用 PWM 逆變器構(gòu)成的有源電力濾波器 [ 26]。最早的有源電力濾波器是單獨(dú)使用的并聯(lián)型有源電力濾波器，經(jīng)過多年的發(fā)展，為了盡量發(fā)揮有源電力濾波器的特長，提高其性能并盡量降低其容量，結(jié)合無源電力濾波器的特點(diǎn)發(fā)展成了串聯(lián)混合型有源電力濾波器、并聯(lián)混合型有源電力濾波器等 等，為了適應(yīng)不同的補(bǔ)償對(duì)象，發(fā)展了各種各樣的有源濾波器形式。 諧波源PFAPF變流器 圖 APF 與 PF 串聯(lián)后并聯(lián)接入電網(wǎng)的 HAPF 這種方式利用無源部分承受了大部分的基波電壓，所以逆變器承受的基波電壓小，適合于高電壓系統(tǒng)的應(yīng)用。 變流器APF諧波源 圖 單獨(dú)使用的串聯(lián)型 APF 串聯(lián)型 APF 單獨(dú)使用方式能有效濾除電網(wǎng)的諧波電壓，具有有源裝置容量小和運(yùn)行效率高等優(yōu)點(diǎn)，但存在絕緣強(qiáng)度高、難以適應(yīng)線路故障條件以及不能進(jìn)行無功功率動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)热秉c(diǎn)，且負(fù)載的基波電流全都流過連接 用的變壓器，其工程實(shí)用性受到限制。設(shè)計(jì)一個(gè)好的控制器會(huì)從如下幾個(gè)方面來考慮問題： ? 控制器的實(shí)時(shí)性 ? 控制器的可靠性 ? 控制器的兼容性 ? 控制器的可操作性 一個(gè)性能完備的控制系統(tǒng)要求動(dòng)態(tài)跟蹤性能快和穩(wěn)態(tài)誤差小，從動(dòng)態(tài)特性方面考慮，控制器的實(shí)時(shí)性也就是控制器的響應(yīng)速度必須要滿足系統(tǒng)的要求，具體而言，一個(gè)性能優(yōu)良的有源電力濾波器控制器的響應(yīng)速度一般在一個(gè)工頻周期也即 20ms 的時(shí)間之內(nèi)。現(xiàn)在固定的裝置或者便攜設(shè)備基本都是采用 LCD 模塊來設(shè)計(jì)，正在逐步取代模擬時(shí)代的發(fā)光二極管的顯示方式，這也是順應(yīng)科技發(fā)展的一個(gè)技術(shù)趨勢。 第三章，諧波實(shí)時(shí)電流檢測及 DSP 實(shí)現(xiàn)。有源電力濾波器控制器是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心部分，它完成的功能包括檢測計(jì)算，控制算法以及 PWM 脈寬調(diào)制等。如圖 所示，整個(gè)控制器包括：處理器模塊、 A/D 采樣模塊、 數(shù)據(jù) 存儲(chǔ)器擴(kuò)展模塊、液晶顯示模塊、 矩陣 鍵盤輸入模塊、硬 件鎖相環(huán) 模塊、 PWM 硬件死 區(qū) 延時(shí) 模塊和通信模塊。 （ 2）流水線操作 與哈佛結(jié)構(gòu)相匹配， DSP 芯片指令系統(tǒng)廣泛采用流水線操作以減少指令執(zhí)行時(shí)間，增強(qiáng)處理器的處理能力，把指令周期減小到最小值。 2407A 的一條指令周期為 25ns。全比較 PWM 輸出單元有六個(gè)輸出管腳，兩兩互補(bǔ)輸出，用于對(duì)應(yīng) 銅橋臂 IGBT 控制。而對(duì)于多電源系統(tǒng)，采用的一把策略是將 +5V 的電源經(jīng)過 DC/DC 變換得到其它數(shù)量級(jí)的電源電壓，如 、 、 等。 采樣電路是控制器的重要組成部分，其轉(zhuǎn)換精度決定了控制器性能的優(yōu)劣。MAXl25 可以和 DSP 并行工作，從而減輕了 DSP 的工作負(fù)擔(dān)。 圖 倍頻原理圖 在圖 的倍頻電路中包括兩個(gè)重要的模塊，鎖相電路 PLL 和分頻器，硬件設(shè)計(jì)的重點(diǎn)也就是對(duì) PLL 器件和分頻器器件的選擇。本文中設(shè)計(jì)的是用鎖相環(huán)元器件使輸出信號(hào)為輸入信號(hào)的 128 倍的倍頻電路。 本章的硬件設(shè)計(jì)采用了兩片精度更高的 14bit 的 4 通道同時(shí)采樣的 MAX125。 圖 DSP 控制器電源模塊 表 TPS7333Q 電氣參數(shù) 輸入電壓 /V 輸出電壓 /V 輸出電流 /mA 工作溫度 封裝形式 5 最大值 典型值 最小值 500 40~+125℃ DIP， SO 采樣電路模塊的設(shè)計(jì) 采樣電路的設(shè)計(jì)包括同步信號(hào)捕獲和外接 8 通道電流電壓采樣電路。濾波器電路回路連接到2407A 芯片的 PLLF 和 PLLF2 引 腳。 （ 5）豐富的片內(nèi)外設(shè) 圖 是 2407A 的系統(tǒng)配置 結(jié)構(gòu) 。在通用的微處理器中，乘法指令是由一系列加法和移位來實(shí)現(xiàn)的，故需要許多 個(gè)指令周期來完成。 碩士學(xué)位論文 13 2407A 型數(shù)字處理器特點(diǎn) 圖 DSP 控制器系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) （ 1）改進(jìn)哈佛結(jié)構(gòu) 哈佛結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的馮這為有源電力濾波器控制器數(shù)字化提供了先決條件， 無論 從硬件的完備性，數(shù)據(jù)處理的快速性，還是算法的兼容性上講，它既發(fā)揮了單片機(jī)的各 種優(yōu)勢，也克服了以前單片機(jī)系統(tǒng)的一些客觀的弱點(diǎn)。 第五章，有源電力濾波器控制的工程應(yīng)用。對(duì)江西某銅箔廠的現(xiàn)場數(shù)據(jù)收集顯示，其諧波分量主要集中在 5 次、 7 次、 11 次、 13 次，而且現(xiàn)場的功率因素僅為 ，所以，對(duì)銅箔廠的治理不僅包括諧波治理，還要補(bǔ)償3600KVAR 的無功功率。 控制器的兼容性設(shè)計(jì)是工業(yè)技術(shù)設(shè)計(jì)方面經(jīng)常用到的準(zhǔn)則，好比今天使用的PC 機(jī)，無論是硬件設(shè)備還是軟件協(xié)議，驅(qū)動(dòng)配置都是要求有兼容性的要求，不然就沒有辦法實(shí)現(xiàn)當(dāng)今 inter 的飛速發(fā)展。有源濾波器一般由三大部分組成：檢測電路、控制電路和功率變換電路。隨著電力電子技術(shù) 的發(fā)展，全控型功率開關(guān)器件（如可關(guān)斷晶閘管 GTO 和絕緣柵雙極性晶體管 IGBT）的電壓和電流額定值不斷提高，成本不斷降低，人們從雙或多逆變器的方向提出了各種 APF 的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，來滿足工業(yè)應(yīng)用的要求。為降低成本、減小逆變器的容量和適應(yīng)高電壓的要求，人們利用 PF 的成本低的優(yōu)點(diǎn)，提出了各種 APF 與 PF 混 合使用方式。 在國外，有源電力濾波器已開始在工業(yè)和民用設(shè)備上得到廣泛使用，并且諧波補(bǔ)償?shù)拇螖?shù)逐步提高，有的可以高達(dá) 25 次諧波；單機(jī)裝置的容量逐步提高。 有源電力濾波器的發(fā)展現(xiàn)狀 有源電力濾波器的基本工作原理是由 HSasaki 和