【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 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 APF 單獨(dú)使用方式[27]，它是最早期的有源濾波裝 置。有源電力濾波器控制器的研制及其應(yīng)用諧波源 AP F變流 器圖 單獨(dú)使用的并聯(lián)型 APF這種方式的主電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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 APF 和并聯(lián) PF 相結(jié)合的混合型 APF[31]。諧波源 AP FPF 變流 器圖 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。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]。諧波源 PF AP F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(wú)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(guò)無(wú)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(wú)功功率。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 ] 。將 LC 對(duì)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(wú)源元件提供碩士學(xué)位論文無(wú)功功率，但其諧波容量相對(duì)較大，而且所能提供的無(wú)功容量有限。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，全控型功率開(kāi)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(lái)滿足工業(yè)應(yīng)用的要求。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]。諧波源變 流 器變 流 器UPQC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,圖 為典型的串連 APF 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[36]。諧波源APF變流器圖 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(wú)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(guò)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(duì)偶原理或通過(guò)混合逐步演變而來(lái)的。所以，有源電力濾波器控制器的研制及其應(yīng)用存在對(duì) 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(cè)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(gè)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(kāi)發(fā)，而且算法也在不斷的改進(jìn)，它體現(xiàn)出的實(shí) 時(shí)性，穩(wěn)定性也越來(lái)越強(qiáng)。設(shè)計(jì)一個(gè)好的控制器會(huì)從如下幾個(gè)方面來(lái)考慮問(wèn)題：c 控制器的實(shí)時(shí)性 d 控制器的可靠性 e 控制器的兼容性f 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)。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(shí)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(cè)算法和控制算法，這兩個(gè)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(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。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(gè)層面要考慮的；另外，還需在軟件設(shè)計(jì)上對(duì)程序做一個(gè)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(jiàn)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(wú)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(méi)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(cè)將來(lái)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(lái)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?？刂破鞯目刹僮餍允侵杆挠押玫娜藱C(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(tái)設(shè)備時(shí)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(gè)溝通的橋梁，對(duì)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(lái)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(shì)。 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(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)（2004AA001032），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。研究的目的是應(yīng)用混合注入式有 源電力濾波器對(duì)江西某銅箔廠進(jìn)行諧波治理和無(wú)功補(bǔ)償綜合治理。對(duì)江西某銅箔 廠的現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)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(wú)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(kāi)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(gè)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(shí)電流檢測(cè)及 DSP 實(shí)現(xiàn)。本章先比較了一些常用的諧波檢測(cè) 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(cè)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(kāi)發(fā)。本章主要講述了在 TI 公司的 開(kāi)發(fā)平臺(tái) CCS2000 上進(jìn)行控制器的程序設(shè)計(jì)，對(duì)各個(gè)程序模塊完成的功能進(jìn)行了一個(gè)由整體到局部的描述，并給出了各個(gè)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(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，以及現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的展示，然后是講述了控制器在現(xiàn) 場(chǎng)應(yīng)用的效果，給出了現(xiàn)場(chǎng)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。有源電力濾波器控制器的研制及其應(yīng)用第 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(gè)控制系統(tǒng)的核心部分，它完成的功能 包括檢測(cè)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(lái)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(shí)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(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。20 世紀(jì) 60 年代以來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)和信息科學(xué)的迅速發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理技 術(shù)（DSP，Digital Signal Processing）也飛速崛起，近幾十年來(lái)，數(shù)字信號(hào)處理已 經(jīng)在通信、自動(dòng)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(wú)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(shì)，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(gè)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(jiǎn)稱 2407A) 數(shù)字化 DSP 控制方案。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。 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(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。每秒 3000 萬(wàn)條指令（30MIPS）的處理速度，使 2407A 型 DSP 控制器可以 提供超過(guò)傳統(tǒng)的 16 位微控制器和微處理器的能力。碩士學(xué)位論文 2407A 型數(shù)字處理器特點(diǎn)ia ibic ua ub uc14位精度 A/D采樣電 路擴(kuò)展RAM61LV12816 LLCD鎖相環(huán) 電路C OTR OL DA TA A DD R ESSTMS320LF2407上位機(jī)A /DPWM脈沖F口 JTAG16路10位片上A/D硬件脈 沖互鎖擴(kuò)展輸 入口擴(kuò)展輸 出口23矩 陣鍵盤6路PWM輸出驅(qū)動(dòng)電 路IGBT 模 塊（1）改進(jìn)哈佛結(jié)構(gòu)圖 DSP 控制器系統(tǒng)硬件結(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(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(wèn)。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。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(chǔ) 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(gè)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(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 采用四級(jí)流水 線深度，也就是說(shuō)，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(lái)實(shí)現(xiàn)的，故 需要許多個(gè)指令周期來(lái)完成。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 ）。相比之下，DSP 芯片的特征是有一 個(gè)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 2