【文章內(nèi)容簡介】 為3個6單相脈沖電壓逆變器（功率開關(guān)為GTO），系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尺寸龐大，功耗大，價值昂貴，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源網(wǎng)絡(luò)阻抗存在矛盾，也就是說，無源網(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，且未見有實(shí)際應(yīng)用的報(bào)道?？偟膩碚f，國內(nèi)有源電力濾波器的應(yīng)用技術(shù)和電子工業(yè)發(fā)達(dá)的國家相比有一定的差距。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(dú)使用的并聯(lián)型APF這種方式的主電路結(jié)構(gòu)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(bǔ)償。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。1987年Takeda PF相結(jié)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(guān)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(yīng)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(jié)構(gòu)[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(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。1994年，Akagi ，也稱為統(tǒng)一電能質(zhì)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(fù)雜和成本高的缺點(diǎn)。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(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。在串聯(lián)型APF單獨(dú)使用方式基礎(chǔ)上發(fā)展出的串聯(lián)型APF混合型結(jié)構(gòu)[37,38]，也都同樣存在絕緣強(qiáng)度高和難以適應(yīng)線路故障的缺點(diǎn)，本文在此就不一一闡述了。 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(bǔ)償電流（電壓），以抵消輸電線路中的有害電流（電壓）的半導(dǎo)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(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。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(shù)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(jī)——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(dú)立模塊，可以單獨(dú)開發(fā)，而且算法也在不斷的改進(jìn)，它體現(xiàn)出的實(shí)時性，穩(wěn)定性也越來越強(qiáng)。設(shè)計(jì)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(shí)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(shí)時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)速度一般在一個工頻周期也即20ms的時間之內(nèi)。要滿足控制器響應(yīng)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(dá)到150MHz的速度，這里所講的芯片側(cè)重控制芯片而不是通常意義的偏重于計(jì)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(guān)鍵是設(shè)計(jì)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(yīng)工業(yè)上的要求，對于電氣設(shè)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(zhǔn)確性，這也就是控制器的可靠性。實(shí)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(shè)計(jì)方面就要首先考慮，防止通訊干擾，設(shè)備的靜電屏蔽，強(qiáng)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(shè)計(jì)上對程序做一個合理的跟蹤，比如設(shè)計(jì)看門狗電路，防止程序跑飛以及不可預(yù)見的事件，系統(tǒng)自檢報(bào)警程序等都是可以行之有效的方法?？刂破鞯募嫒菪栽O(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internet的飛速發(fā)展。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，或者對于功能的全面性有一個事先的考慮，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。控制器的可操作性是指它的友好的人機(jī)操作界面。因?yàn)楝F(xiàn)在的技術(shù)水平還不能達(dá)到工業(yè)設(shè)備的完全智能化的要求，所以在操作一臺設(shè)備時候，友好的人機(jī)界面能夠在操作人和機(jī)器之間建立一個溝通的橋梁，對于指令的準(zhǔn)確執(zhí)行起著很大的作用?，F(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)展的一個技術(shù)趨勢。至于界面的設(shè)計(jì)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(jì)劃引導(dǎo)項(xiàng)目——配電網(wǎng)智能型無功自動補(bǔ)償、電能質(zhì)量和負(fù)荷監(jiān)視一體化系統(tǒng)（2004AA001032），同時也屬于國家自然科學(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。研究的目的是應(yīng)用混合注入式有源電力濾波器對江西某銅箔廠進(jìn)行諧波治理和無功補(bǔ)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(bǔ)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(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。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。本章主要講述了控制器的硬件設(shè)計(jì)及其它的實(shí)現(xiàn)，并以一種模塊化的思想介紹了各個模塊功能，技術(shù)特點(diǎn)，并給出了部分的設(shè)計(jì)參數(shù)。第三章，諧波實(shí)時電流檢測及DSP實(shí)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(shí)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(jī)理，給出了仿真波形，并設(shè)計(jì)程序流程，最后是DSP的實(shí)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(jìn)行控制器的程序設(shè)計(jì)，對各個程序模塊完成的功能進(jìn)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(yīng)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(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。最后為總結(jié)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(diǎn)是電路設(shè)計(jì)復(fù)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(jì)算，控制算法以及PWM脈寬調(diào)制等。單片機(jī)在工業(yè)控制方面有廣泛的應(yīng)用，以往的控制器都是用單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)的，它的優(yōu)點(diǎn)是穩(wěn)定性好，缺點(diǎn)是處理速度不夠快，控制的實(shí)時性不能滿足要求。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調(diào)制PWM脈沖，來實(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，必須多片單片機(jī)共同來完成，這樣會造成硬件結(jié)構(gòu)上的復(fù)雜和控制程序上的難度。20世紀(jì)60年代以來，隨著計(jì)算機(jī)和信息科學(xué)的迅速發(fā)展，數(shù)字信號處理技術(shù)（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(lǐng)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(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)。所以，DSP技術(shù)在有源電力濾波器中的應(yīng)用將是一個很大的契機(jī)。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)。 基于DSP的控制器系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)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(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(chǔ)上低功耗改進(jìn)型，它是為了滿足控制應(yīng)用而設(shè)計(jì)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(shè)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(shè)計(jì)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(diǎn) 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)存儲具有獨(dú)立的存儲空間，有各自獨(dú)立的程序總線和數(shù)據(jù)總線，每個存儲器獨(dú)立編址，獨(dú)立訪問。大大地提高了數(shù)據(jù)處理能力，非常適合于實(shí)時的數(shù)字信號處理。TI公司的DSP芯片結(jié)構(gòu)是基本哈佛結(jié)構(gòu)的改進(jìn)類型，改進(jìn)之處是在數(shù)據(jù)總線和程序總線之間進(jìn)行局部的交叉連接，這一改進(jìn)允許數(shù)據(jù)存放在程序存儲器中，并被算術(shù)運(yùn)算指令直接使用，增強(qiáng)了芯片的靈活性，只要調(diào)度好兩個獨(dú)立的總線就可使處理能力達(dá)到最高，以實(shí)現(xiàn)全速運(yùn)行[40]。 （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)行時間，增強(qiáng)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(shí)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(yùn)算較復(fù)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(yùn)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(yùn)算而設(shè)計(jì)的與MAC指令類似，在對于片內(nèi)RAM控制進(jìn)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(jié)果放在PREG中，并按PM的值指定的操作進(jìn)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(bǔ)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(shè)。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]。 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)變得非常的簡單，需要擴(kuò)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