【導(dǎo)讀】導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過(guò)的材料。對(duì)本研究提供過(guò)幫助和做出。和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版，公布論文的部分或全部?jī)?nèi)容。行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。電子版，允許論文被查閱和借閱?？梢圆捎糜坝?、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。1）文字通順，語(yǔ)言流暢，書(shū)寫(xiě)字跡工整，打印字體及大小符合要求，所有圖紙應(yīng)符合國(guó)家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。電設(shè)備的正常運(yùn)行帶來(lái)了消極影響。諧波檢測(cè)是諧波問(wèn)題研究的主要方面，實(shí)時(shí)、危害保障電網(wǎng)安全運(yùn)行是十分必要的。簡(jiǎn)單對(duì)傅立葉變換的諧波檢測(cè)法、瞬時(shí)無(wú)功功率理論、神經(jīng)。做鋪墊與參照作用。本文研究重點(diǎn)是根據(jù)瞬時(shí)無(wú)功功率理論，比較了兩種諧波電

　　

【正文】 量 ?cos1 EIp ? 和按雙倍頻率交變的正弦分量 )2cos(2 ?? ?? tp ，則在某一個(gè)周期 T 內(nèi)的平均功率為： ???? c o s)]2c o s ([ c o s11 00 EIdttEITpdtTP TT ????? ?? () ?cosEIp? 為消耗在電阻元件上的平均功率，稱為有功功率。 記 ?? c oss in2 tIip ? ， 與電壓同相位，稱為有功分量。 ? ?T tdtT 0 02s ins in1 ?? ，在一個(gè)周期內(nèi)其平均功率為。，即不消耗能量的功率，其瞬間功率最大值 ?sinEIQ? ，稱為無(wú)功功率。 記 ?? s inc o s2 tIiq ?? ，與電壓相位相差 90，稱為無(wú)功分量。 當(dāng)電流和電壓均為正弦波時(shí)，無(wú)功功率是代表負(fù)荷和電源之間的能量來(lái)回交換的一種量度。換句話說(shuō)，無(wú)功功率是電源與磁場(chǎng)、電源與電場(chǎng)或者磁場(chǎng)與電場(chǎng)之間，按雙倍頻率進(jìn)行交換而無(wú)能量消耗的電功率，它在交流系統(tǒng)中是必不可少的。 三相瞬時(shí)無(wú)功功率理論 三相電路瞬時(shí)無(wú)功功率理論自 20世紀(jì) 80年代提出以來(lái)在許多方面得到了成功的應(yīng)用。該理論突破了傳統(tǒng)的以平均值為基礎(chǔ)的功率定義，系統(tǒng)地定義了瞬時(shí)無(wú)功功率、瞬時(shí)有功功率等瞬時(shí)功率量。以該理論為基礎(chǔ)可以得出 αβ 坐標(biāo)系下有源濾波器諧波和無(wú)功電流的實(shí)時(shí)檢測(cè)方法。通過(guò)推導(dǎo)可以得出三相 電路瞬時(shí)有功電流 ip 和瞬時(shí)無(wú)功電流 iq 分別為 : 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院 2020 屆學(xué)士學(xué)位論文 16 () 式中 () 諧波電流的檢測(cè)方法 基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的 ?? (或 pq )算法和 qp ii ? 算法在原理上是一樣的。用這兩種方法檢測(cè)諧波和無(wú)功時(shí)，進(jìn)行的運(yùn)算大多都是瞬時(shí)值運(yùn)算，響應(yīng)速度很快，特別適合于變化快、沖擊大的無(wú)功和諧波補(bǔ)償。兩者在只檢測(cè)無(wú)功電流時(shí)，都可以完全無(wú)延時(shí)地得出檢測(cè)結(jié)果；檢測(cè)諧波時(shí)，因被檢測(cè)對(duì)象中諧波的構(gòu)成和采用濾波器的不同，會(huì)有不同的延時(shí)，但最多不會(huì)超過(guò)一個(gè)電源周期，可見(jiàn)這兩種方法具有很好的實(shí)時(shí)性。與 ?? (或 pq )算法相比， qp ii ? 算法借助了構(gòu)想的正、余弦函 數(shù)，沒(méi)有直接使用系統(tǒng)電壓信息參與運(yùn)算，當(dāng)系統(tǒng)電壓波形畸變時(shí)，畸變成分在運(yùn)算過(guò)程中不出現(xiàn)，檢測(cè)結(jié)果不受影響，因此本文采用了這種方法。 ?ip—iq 檢測(cè)方法 ip—iq 檢測(cè)方法是由 pq 檢測(cè)法派生出來(lái)的基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的諧波、無(wú)功和負(fù)荷序電流檢測(cè)方法。 該檢測(cè)方法的框圖如圖 31 所示： 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院 2020 屆學(xué)士學(xué)位論文 17 圖 31 ipiq算法原理圖 （ ） 在此方法中，通 過(guò) 一個(gè) 鎖 相 環(huán) (PLL)和一個(gè)正、余弦 發(fā) 生 電 路得到需要用到的與 a相 電 網(wǎng) 電壓 V 同相位的 單 位正弦信號(hào)和余弦信號(hào) 。 按照 圖 31 可以 計(jì) 算出 ip、 iq ，經(jīng) 低通 濾 波器 濾 波得 出 ip、 iq 中的直流成分 。按下 式 計(jì) 算出 被檢測(cè)電路 電 流 ia、ib、 ic 的 基波分量 : （ 3. 2. 8） 將 iaf、 ibf、 icf與 ia、 ib、 ic 相減，即可得出需要 檢測(cè) 的 諧 波 電 流 iah、 ibh、 ich (當(dāng) 負(fù)載電 流中含 負(fù) 序 電 流 時(shí) )。 當(dāng)需要同 時(shí)檢測(cè) 無(wú)功 電 流 時(shí) ， 只需要斷 開(kāi)圖 31 中 計(jì) 算 iq的通道即可 。 由以上分析 可知，在 ip—iq 運(yùn)算方式中，根據(jù)有功無(wú)功的定 義計(jì) 算出 ip、 iq . 濾波得到它 們 的直流分量然后 經(jīng)過(guò) 低通 濾 波器。 電源電壓無(wú)畸變時(shí)，可以準(zhǔn)確 計(jì) 算出 諧南昌航空大學(xué)科技學(xué)院 2020 屆學(xué)士學(xué)位論文 18 波 電 流 。 但由 于 pq 檢測(cè) 法 電 源 電壓 要 參與運(yùn) 算，如果 電 網(wǎng) 電壓 畸 變 ，反 映 檢測(cè)結(jié) 果就會(huì)出 現(xiàn)誤 差。 理想情況下， 電 網(wǎng) 電壓 波形 應(yīng)為 正弦波 。 但是 實(shí) 際 的 電 網(wǎng) 電壓 波形由于 不同的原因會(huì) 有 一 定 畸 變 .而 且 這種 畸 變 在一 定 限度以內(nèi)允許 存在。據(jù) 調(diào)查 目 前電網(wǎng) 電壓 的 總 諧 波畸 變 率平均己達(dá)到 2%3%. 在波形畸 變嚴(yán) 重 時(shí) ，其 值 更高 。 而 pq 算法在 電 網(wǎng) 電壓 有畸 變 的情況下 計(jì) 算的 諧 波 電 流與 實(shí)際 的 諧 波 電 流是有差 別 的，即 該 條件下，瞬時(shí) 無(wú)功理 論 中的各定 義 量不再有明 顯 的物理意 義 。 因 為電 網(wǎng) 電壓 有畸 變 或不對(duì) 稱 時(shí) ， 電壓 中將含有 負(fù) 序分量和零序分量， 同次 諧 波的 負(fù) 序 、 零序 電壓 分量和 負(fù)序 、 零序 電 流將 產(chǎn) 生平均有功分量和無(wú)功分 量 ， 常 規(guī) pq 算 法無(wú)法 檢測(cè) 出去全部有害的 電 流，因此后來(lái)出 現(xiàn) 了改 進(jìn)的 ipiq 算法，即 ip iq 檢測(cè) 算法。 圖 31 是 ipiq39。理論 運(yùn)算 方式原理 圖。 由 該圖 可以看出， ipiq 理 論 中 電 源 電壓 不直接參與運(yùn)算，代之以與 電 源 電壓 罔相位的 標(biāo) 準(zhǔn)正 弦信號(hào) sinwt 和與之 對(duì)應(yīng) 的余弦信號(hào) coswt ， 這樣 ，即使 電 源 電壓 畸 變 與否 對(duì) 于 計(jì) 算 結(jié) 果就不 產(chǎn) 生影響了。 基于 qp ii ? 算法的諧波電流檢測(cè)方法的實(shí)現(xiàn) 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院 2020 屆學(xué)士學(xué)位論文 19 系統(tǒng)硬件電路框圖 圖 32硬件電路框圖 說(shuō)明： ? 檢測(cè)部分采用的是霍爾電流傳感器 ,對(duì)系統(tǒng)電流進(jìn)行采樣轉(zhuǎn)換 ， 檢測(cè)到的電流信號(hào)送至 TMS320F2812 的 ADC 端口進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換，在插座上插上一塊 A/D 采樣板，實(shí)現(xiàn)負(fù)載電流信號(hào)的采集和量化。由 DSP 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)三相 /兩相變換，在變換中需要 sinω t 和 ?cosω t，但必須要與 A 相電網(wǎng)電壓信號(hào)同步。 ? 利用電壓互 感器對(duì) A 相電網(wǎng)電壓進(jìn)行取樣，然后經(jīng)過(guò)過(guò)零比較器，得到一個(gè)與電網(wǎng)電壓同步的方波信號(hào)，作為鑒相器 (PD)的一個(gè)輸入。鑒相器、低通濾波和函數(shù)發(fā)生器組成一個(gè)鎖相環(huán) (PLL)電路。當(dāng)環(huán)路鎖定時(shí)，輸出正弦波與電網(wǎng)電壓同步，即同頻同相，在時(shí)間上應(yīng)該幾乎沒(méi)有延遲。 ? 在處理分離系統(tǒng)中關(guān)鍵的是低通濾波器，濾波器的參數(shù)可通過(guò)在 MATLAB 仿真軟件數(shù)字信號(hào)處理器工具箱計(jì)算得出， 濾波后再通過(guò)兩相 /三相變換得到諧波指南昌航空大學(xué)科技學(xué)院 2020 屆學(xué)士學(xué)位論文 20 令電流，得到負(fù)載諧波電流 iah、 ibh、 ich。 ? DSP： Digital Signal Processor 的簡(jiǎn)稱，即數(shù)字信號(hào)處理器，它是一種特別適用于數(shù)字信號(hào)處理運(yùn)算的微處理器，其主要運(yùn)用是實(shí)時(shí)快速地實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)處理算法。 ? 過(guò)零比較器 ：它對(duì)諧波分析同步采樣起著很重要的作用。它將電壓信號(hào)變?yōu)橥l率的方波信號(hào)， DSP 通過(guò)捕獲方波的上升沿來(lái)跟蹤電網(wǎng)頻率，為保證同步采樣提供了條件 ? 鑒相器 ： Phasedetector，顧名思義，就是能夠鑒別出輸入信號(hào)的相差的器件，是使輸出電壓與兩個(gè)輸入信號(hào)之間的相位差有確定關(guān)系的電路。它是 PLL，即鎖相環(huán)的重要組成部分。 具體模塊電路圖 系統(tǒng)主要分為：檢測(cè)取樣部分、信號(hào)處理部分、分離部分、顯示輸出部分。結(jié)構(gòu)如圖 33 所示： 圖 33系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 ? 檢測(cè)取樣 如硬件框圖所示，對(duì)負(fù)載電流進(jìn)行檢測(cè)采樣的是霍爾電流傳感器，對(duì)電網(wǎng)電壓進(jìn)行檢測(cè)采樣的是電壓互感器 。 1） 霍爾電流傳感器： 霍爾電流傳感器基于磁平衡式霍爾原理，即閉環(huán)原理，當(dāng)原邊電流 IP 產(chǎn)生的磁通通過(guò)高品質(zhì)磁芯集中在磁路中，霍爾元件固定在氣隙中檢測(cè)磁通，通過(guò)繞在磁芯上的多匝線圈輸出反向的補(bǔ)償電流 Is，用于抵消原邊 IP 產(chǎn)生的磁通，使得磁路中磁通始終保持為零。經(jīng)過(guò)特殊電路的處理，傳感器的輸出端能夠輸出精確反映原邊電流的電流變化。 本設(shè)計(jì)采用檢測(cè)取樣電流的是型號(hào)為 JLT263I 交流三相電流 傳感器 ， 參數(shù)說(shuō)明： +： +12V －：－ 12V M： Iout Rm： 300Ω 其實(shí)物圖如圖 34 所示： 檢測(cè)取樣 信號(hào)處理 分離 顯示輸出 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院 2020 屆學(xué)士學(xué)位論文 21 圖 34 JLT263I 交流三相電流傳感器 圖 其三相電流檢測(cè)電路原理圖如下圖 35 所示： 圖 35 三相 電流 檢測(cè)電路圖 2） 電壓互感器 電壓互感器是一個(gè)帶鐵心的變壓器。它主要由一、二次線圈、鐵心和絕緣組成。當(dāng)在一次繞組上施加一個(gè)電壓 U1 時(shí)，在鐵心中就產(chǎn)生一個(gè)磁通φ，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，則在二次繞組中就產(chǎn)生一個(gè)二次電壓 U2。改變一次或二次繞組的匝數(shù)，可以產(chǎn)生不同的一次電壓與二次電壓比，這就可組成不同比的電壓互感器。電壓互感器將高電壓按比例轉(zhuǎn)換成低電壓，即 100V，電壓互感器一次側(cè)接在一次系統(tǒng)，二次側(cè)接測(cè)量?jī)x表、繼電保護(hù)等；主要是電磁式的（電容式電壓互感器應(yīng)用廣泛），另有非電磁式的，如電子式、光電式。 其電路原理圖如下圖 36 所示： 圖 36電壓互感器電路圖 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院 2020 屆學(xué)士學(xué)位論文 22 ? 信號(hào)處理 如硬件框圖所示，對(duì)信號(hào)處理的部分主要是過(guò)零比較器和鑒相器等組成的 PLL 電路。 1）過(guò)零比較器： 對(duì)兩個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)進(jìn)行比較，以確定它們是否相等，或確定它們之間的大小關(guān)系及排列順序稱為比較。 能夠?qū)崿F(xiàn)這種比較功能的電路或裝置稱為比較器。 過(guò)零比較器被用于檢測(cè)一個(gè)輸入值是否是零。原理是利用比較器對(duì)兩個(gè)輸入電壓進(jìn)行比較。兩個(gè)輸入電壓一個(gè)是參考電壓 Vr，一個(gè)是待測(cè)電壓 Vu。一般 Vr 從正相輸入端接入， Vu 從反相輸入端接入。根據(jù)比較輸入電壓的結(jié)果輸出正向或反向飽和電壓。當(dāng)參考電壓已知時(shí)就可以得出待測(cè)電壓的測(cè)量結(jié)果，參考電壓為零時(shí)即為過(guò)零比較器。 本設(shè)計(jì)采用的比較器型號(hào)是 LM311P，它能實(shí)現(xiàn)正弦波到方波的轉(zhuǎn)換，引腳如下圖 37 所示： 圖 37 LM311P 引腳圖 其電路原理圖如下圖 38 所示： 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院 2020 屆學(xué)士學(xué)位論文 23 圖 38過(guò)零比較器電路圖 2）鎖相環(huán)（ PLL）電路： 許多電子設(shè)備要正常工作，通常需要外部的輸入信號(hào)與內(nèi)部的振蕩信號(hào)同步，利用鎖相環(huán)路就可以實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的。 鎖相環(huán) 電 路是一種反饋控制電路，簡(jiǎn)稱鎖相環(huán)（ PLL）。鎖相環(huán)的特點(diǎn)是：利用外部輸入的參考信號(hào)控制環(huán)路內(nèi)部振蕩信號(hào)的頻率和相位。 因鎖相環(huán)可以實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)頻率對(duì)輸入信號(hào)頻率的自動(dòng)跟蹤，所以鎖相環(huán)通常用于閉環(huán)跟蹤電路。鎖相環(huán)在工作的過(guò)程中，當(dāng)輸出信號(hào)的頻率與輸入信號(hào)的頻率相等時(shí)，輸出電壓與輸入電壓保持固定的相位差值，即輸出電壓與輸入電壓的相位被鎖住，這就是鎖相環(huán)名稱的由來(lái)。 本設(shè)計(jì)采用的 PLL 電路其核心元件型號(hào)是 CD74HC4046，它能實(shí)現(xiàn)使 輸出正弦波與電網(wǎng)電壓同 步。其具體參數(shù)如下表所示 表 1 CD74HC4046 引腳 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院 2020 屆學(xué)士學(xué)位論文 24 PLL 電路原理圖如下圖 39 所示： 圖 39 PLL 電路圖 ? 分離 如硬件框圖所示，分離部分由 DSP（ TMS320F2812）進(jìn)行處理。 DSP： Digital Signal Processor 的簡(jiǎn)稱，即數(shù)字信號(hào)處理器，它是一種特別適用于數(shù)字信號(hào)處理運(yùn)算的微處理器，其主要運(yùn)用是實(shí)時(shí)快速地實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)處理算法 。 [21] DSP 系統(tǒng)模塊如下所示： DSP 處理器 TMS320F2812 ，最高工作頻率 150MHz； DSP 芯片內(nèi)置 18K X 16 位 SRAM, 4K X 16 位 BOOT ROM , 1K X 16 位 OPT ROM DSP 芯片內(nèi)置 128K X 16 位 FLASH； 外擴(kuò) 32k 16bit 的程序 RAM， 32k 16bit 的數(shù)據(jù) RAM； 監(jiān)視用 LED 發(fā)光管一個(gè)； DSP 所有功能引腳引出， 176pin； 4MB 程序、數(shù)據(jù)尋址空間； 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院 2020 屆學(xué)士學(xué)位論文 25 I/O 輸入輸出模塊―― 8 個(gè) LED； SCI 模塊―― RS232 通訊接口電路； SPI_DA 模塊―― 4 路 8 位串行 D/A 輸出； A/D 轉(zhuǎn)換模塊―― 2 路 12 位 A/D 采樣（可擴(kuò)展到 16 路）； CAN 模塊―― CAN 總