【文章內(nèi)容簡介】 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?？偟膩碚f，國內(nèi)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。最早的有源電力濾波器是單獨使用的并聯(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，結合無源電力濾波器的特點發(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，為了適應不同的補償對象，發(fā)展了各種各樣的有源濾波器形式。根據(jù)有源濾波器和電網(wǎng)的連接方式，APF可以分為并聯(lián)型和串聯(lián)型兩大類。1986年Akagi [27]，它是最早期的有源濾波裝置。 單獨使用的并聯(lián)型APF這種方式的主電路結構簡單，但由于逆變器直接承受基波電壓，所以其成本高且不適合高電壓系統(tǒng)的補償。為降低成本、減小逆變器的容量和適應高電壓的要求，人們利用PF的成本低的優(yōu)點，提出了各種APF與PF混合使用方式。1987年Takeda PF相結合的混合型APF[31]。 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。1990年Fujita [32]。 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)的應用。但由于流過無源部分的基波電流都流入逆變器，所以不能利用PF提供大容量的無功功率。利用無源元件LC的串、并聯(lián)諧振特性，人們提出了注入式APF的結構[33,34]。將LC對基波串聯(lián)諧振電路作為有源部分的注入電路，能夠大大降低APF承受的基波電壓和容量，且可以利用無源元件提供無功功率，但其諧波容量相對較大，而且所能提供的無功容量有限。隨著電力電子技術的發(fā)展，全控型功率開關器件（如可關斷晶閘管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的拓撲結構，來滿足工業(yè)應用的要求。1994年，Akagi ，也稱為統(tǒng)一電能質量調(diào)節(jié)器（Unified Power Quality Conditioner，UPQC）[35]。 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。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,[36]。 單獨使用的串聯(lián)型APF串聯(lián)型APF單獨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行效率高等優(yōu)點，但存在絕緣強度高、難以適應線路故障條件以及不能進行無功功率動態(tài)補償?shù)热秉c，且負載的基波電流全都流過連接用的變壓器，其工程實用性受到限制。在串聯(lián)型APF單獨使用方式基礎上發(fā)展出的串聯(lián)型APF混合型結構[37,38]，也都同樣存在絕緣強度高和難以適應線路故障的缺點，本文在此就不一一闡述了。 有源電力濾波器控制器的技術特點雖然有源濾波器發(fā)展至今，其主電路拓撲結構和控制策略都發(fā)生了變化，但都是從最早期的并聯(lián)型APF，根據(jù)對偶原理或通過混合逐步演變而來的。所以，存在對APF的一般性定義：將系統(tǒng)中所含有害電流（電壓）檢出，并產(chǎn)生與其相反的補償電流（電壓），以抵消輸電線路中的有害電流（電壓）的半導體電力變換裝置[1,39]。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。 其中控制電路的實現(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。有源電力控制器一般包括硬件電路和軟件算法兩部分。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。設計一個好的控制器會從如下幾個方面來考慮問題：? 控制器的實時性? 控制器的可靠性? 控制器的兼容性? 控制器的可操作性一個性能完備的控制系統(tǒng)要求動態(tài)跟蹤性能快和穩(wěn)態(tài)誤差小，從動態(tài)特性方面考慮，控制器的實時性也就是控制器的響應速度必須要滿足系統(tǒng)的要求，具體而言，一個性能優(yōu)良的有源電力濾波器控制器的響應速度一般在一個工頻周期也即20ms的時間之內(nèi)。要滿足控制器響應速度快的要求，這就要從硬件和軟件上綜合考慮，硬件上要選用處理速度快的處理器，現(xiàn)今的DSP芯片最高主頻可以達到150MHz的速度，這里所講的芯片側重控制芯片而不是通常意義的偏重于計算的芯片；軟件上要選用時間效率高的算法，在有源電力濾波器中，關鍵是設計諧波檢測算法和控制算法，這兩個算法是控制器的核心部分?？刂破鞯目煽啃允沁m應工業(yè)上的要求，對于電氣設備都是全天候的工作，所以控制器的工作場合也必須是時間連續(xù)，而且要求控制精度的準確性，這也就是控制器的可靠性。實現(xiàn)控制器的可靠性，必須先滿足硬件的上的可行可靠，在硬件設計方面就要首先考慮，防止通訊干擾，設備的靜電屏蔽，強電弱電的耦合等等方面，這是第一個層面要考慮的；另外，還需在軟件設計上對程序做一個合理的跟蹤，比如設計看門狗電路，防止程序跑飛以及不可預見的事件，系統(tǒng)自檢報警程序等都是可以行之有效的方法?？刂破鞯募嫒菪栽O計是工業(yè)技術設計方面經(jīng)常用到的準則，好比今天使用的PC機，無論是硬件設備還是軟件協(xié)議，驅動配置都是要求有兼容性的要求，不然就沒有辦法實現(xiàn)當今internet的飛速發(fā)展。在有源電力濾波器控制器的設計中的兼容性是指在設計的初期要能準確的預測將來技術的走向，或者對于功能的全面性有一個事先的考慮，在系統(tǒng)的設施上給將來的擴展留下接口和一些裕量，具體而言，可以將電力保護的單元逐漸集成到有源電力濾波器中，以增加系統(tǒng)的兼容性；其次，在軟件的設計上可以采用模塊化設計，方便功能的修改和調(diào)整。控制器的可操作性是指它的友好的人機操作界面。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?，F(xiàn)在固定的裝置或者便攜設備基本都是采用LCD模塊來設計，正在逐步取代模擬時代的發(fā)光二極管的顯示方式，這也是順應科技發(fā)展的一個技術趨勢。至于界面的設計它又是多樣化的，可操作性和便于理解的使用性是最先考慮的。 本文的研究背景及主要內(nèi)容本文的研究課題屬于國家863計劃引導項目——配電網(wǎng)智能型無功自動補償、電能質量和負荷監(jiān)視一體化系統(tǒng)（2004AA001032），同時也屬于國家自然科學基金（60474041）支持項目，還得到了湖南省發(fā)展計劃委員會重點項目基金和湖南省電力公司重大科技項目基金的大力支持。研究的目的是應用混合注入式有源電力濾波器對江西某銅箔廠進行諧波治理和無功補償綜合治理。對江西某銅箔廠的現(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，所以，對銅箔廠的治理不僅包括諧波治理，還要補償3600KVAR的無功功率。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)容為應用成熟的有源電力濾波器的拓撲結構，開發(fā)一種適合于工程實際的電力濾波器控制器，這其中包括硬件的設計和軟件設計以及最后的實施。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。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)。第三章，諧波實時電流檢測及DSP實現(xiàn)。本章先比較了一些常用的諧波檢測算法，然后根據(jù)實際的工程需要提出了一種基于DFT滑窗迭代算法的諧波檢測算法，分析算法的機理，給出了仿真波形，并設計程序流程，最后是DSP的實現(xiàn)。第四章，有源電力濾波器控制器系統(tǒng)軟件開發(fā)。本章主要講述了在TI公司的開發(fā)平臺CCS2000上進行控制器的程序設計，對各個程序模塊完成的功能進行了一個由整體到局部的描述，并給出了各個子程序的軟件流程圖。第五章，有源電力濾波器控制的工程應用。本章主要首先概要介紹了在江西某銅箔廠的整個系統(tǒng)設計方案，以及現(xiàn)場數(shù)據(jù)的展示，然后是講述了控制器在現(xiàn)場應用的效果，給出了現(xiàn)場的一些照片和實際的波形展示。最后為總結和展望部分。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。有源電力濾波器控制器是整個控制系統(tǒng)的核心部分，它完成的功能包括檢測計算，控制算法以及PWM脈寬調(diào)制等。單片機在工業(yè)控制方面有廣泛的應用，以往的控制器都是用單片機來實現(xiàn)的，它的優(yōu)點是穩(wěn)定性好，缺點是處理速度不夠快，控制的實時性不能滿足要求。隨著控制技術的發(fā)展，各種控制算法應運而生，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調(diào)制PWM脈沖，來實現(xiàn)逆變電路的穩(wěn)定快速準確的工作，在硬件上，單片機在PWM調(diào)制上不具備優(yōu)勢，必須多片單片機共同來完成，這樣會造成硬件結構上的復雜和控制程序上的難度。20世紀60年代以來，隨著計算機和信息科學的迅速發(fā)展，數(shù)字信號處理技術（DSP，Digital Signal Processing）也飛速崛起，近幾十年來，數(shù)字信號處理已經(jīng)在通信、自動化等領域得到了極為廣泛的發(fā)展。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)揮了單片機的各種優(yōu)勢，也克服了以前單片機系統(tǒng)的一些客觀的弱點。所以，DSP技術在有源電力濾波器中的應用將是一個很大的契機。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。 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。，整個控制器包括：處理器模塊、A/D采樣模塊、數(shù)據(jù)存儲器擴展模塊、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)延時模塊和通信模塊。 主處理器模塊介紹TI（Texas Instruments）公司的TMS320LF240X系列DSP控制器是在24X的基礎上低功耗改進型，它是為了滿足控制應用而設計的。2407A是此系列中的一個分支，通過把一個高性能的DSP內(nèi)核和微處理器的片內(nèi)外設集成為一個芯片的方案，2407A成為傳統(tǒng)的微控制單元（MCU）和昂貴的多片設計的一種廉價的替代品。每秒3000萬條指令（30MIPS）的處理速度，使2407A型DSP控制器可以提供超過傳統(tǒng)的16位微控制器和微處理器的能力。 2407A型數(shù)字處理器特點 DSP控制器系統(tǒng)硬件結構（1）改進哈佛結構哈佛結構與傳統(tǒng)的馮諾依曼（Von Neuman）結構相比，其主要特點是程序和數(shù)據(jù)存儲具有獨立的存儲空間，有各自獨立的程序總線和數(shù)據(jù)總線，每個存儲器獨立編址，獨立訪問。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。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(diào)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]。 （2）流水線操作與哈佛結構相匹配，DSP芯片指令系統(tǒng)廣泛采用流水線操作以減少指令執(zhí)行時間，增強處理器的處理能力，把指令周期減小到最小值。2407A采用四級流水線深度，也就是說，處理器可以并行處理四條指令，每條指令處于流水線的不同階段[40]。（3）專用硬件乘法器在數(shù)據(jù)處理中，乘法是其中的重要組成部分。乘法速度越快，DSP處理器的性能越高。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現(xiàn)的，故需要許多個指令周期來完成。例如，執(zhí)行一條字相乘，80C196系列芯片要20個狀態(tài)周期（如16MHz的晶振，）。相比之下，DSP芯片的特征是有一個專用的硬件乘法器。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(nèi)完成。2407A的一條指令周期為25ns。由此可見，對于運算較復雜的算法，DSP的速度比微處理器快很多。（4）特殊的DSP指令DSP芯片為了方便數(shù)字信號處理、提高運算速度采用了一套專用的特殊指令系統(tǒng)。MACD指令是專門為數(shù)字信號處理中大量使用的乘加運算而設計的與MAC指令類似，在對于片內(nèi)RAM控制進行操作，且使用的是間接尋址時，MACD首先累加先前乘積，然后把指定的數(shù)據(jù)空間的值和程序存儲空間的值相乘，乘積的結果放在PREG中，并按PM的值指定的操作進行移位，同時把指定數(shù)據(jù)存儲單元的內(nèi)容拷貝到該數(shù)據(jù)存儲單元的地址加1的單元中，這樣就使得最舊的數(shù)據(jù)被拋棄，最新的值補充到數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的底端，使數(shù)據(jù)一次通過數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。（5）豐富的片內(nèi)外設。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轉換電路以及用于PWM脈寬調(diào)制的事件管理單元EVA和EVB[41]。 2407A型DSP系統(tǒng)配置結構2407A豐富的片內(nèi)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。其中的事件管理單元EVM模塊的PWM輸出單元特別為逆變