【正文】 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]。MACD指令是專門為數(shù)字信號(hào)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(duì)于片內(nèi)RAM控制進(jìn)行操作，且使用的是間接尋址時(shí)，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(chǔ)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(shí)把指定數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元的內(nèi)容拷貝到該數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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)。由此可見，對(duì)于運(yùn)算較復(fù)雜的算法，DSP的速度比微處理器快很多。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。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，）。乘法速度越快，DSP處理器的性能越高。2407A采用四級(jí)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]。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]。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。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傳統(tǒng)的16位微控制器和微處理器的能力。 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。 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。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)。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(hào)處理技術(shù)（DSP，Digital Signal Processing）也飛速崛起，近幾十年來，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。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(shí)性不能滿足要求。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。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。本章主要講述了在TI公司的開發(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。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)。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)。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。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。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。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。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。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。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。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)定性也越來越強(qiáng)。 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。所以，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]。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。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]。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]。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。但由于流過無(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。1990年Fujita [32]。1987年Takeda PF相結(jié)合的混合型APF[31]。 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。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?？偟膩碚f，國(guó)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(guó)家相比有一定的差距。如在日本和美國(guó)，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。1983年赤木泰文等人提出的“三相電路瞬時(shí)無(wú)功功率理論”[27]極大的推動(dòng)了有源電力濾波器的發(fā)展及其工程應(yīng)用。這些采用PWM逆變器構(gòu)成的有源電力濾波電路現(xiàn)已成為有源電力濾波器的基本結(jié)構(gòu)。但由于當(dāng)時(shí)是采用線性放大的方法產(chǎn)生小補(bǔ)償電流，其損耗大，成本高，因而僅在實(shí)驗(yàn)室研究，未能在工業(yè)中實(shí)用。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。HAPF的種類很多，大致可分為與PF的混合、與其它變流器的混合等兩類。（3）采用混合型有源濾波器HAPF（Hybrid Active Power Filter）。（2）采用有源濾波器APF（Active Power Filter）。被動(dòng)治理諧波的措施主要有以下幾種：（1）采用無(wú)源濾波器PF（Passive Filter）。（6）設(shè)計(jì)或采用高功率因數(shù)變流器。（5）采用PWM技術(shù)。利用三次倍數(shù)的諧波和外部的三次倍數(shù)的諧波源，把諧波電流加到產(chǎn)生的矩形波形上[32][33]，可用于降低給定的運(yùn)行點(diǎn)處的某些諧波。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。具有諧波互補(bǔ)性的裝置應(yīng)集中，否則應(yīng)適當(dāng)分散或交替使用，適當(dāng)限制會(huì)大量產(chǎn)生諧波的工作方式。改造變流裝置或利用相互間有一定移相角的換流變壓器，可有效減小諧波含量，其中包括多脈整流和準(zhǔn)多脈整流技術(shù)[23][24]，但是裝置更加復(fù)雜。對(duì)諧波敏感設(shè)備采用靈敏的諧波保護(hù)裝置，這能夠保證在諧波超標(biāo)情況下，設(shè)備不致于損壞，但不能保障設(shè)備的正常工作。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。改變電容器的串聯(lián)電抗器，或?qū)㈦娙萜鹘M的某些支路改為濾波器，或限定電容器組的投入容量，可以有效地減小電容器對(duì)諧波的放大并保證電容器組的安全運(yùn)行。將諧波源由較大容量的供電點(diǎn)或由高一級(jí)電壓的電網(wǎng)供電，可以減小諧波對(duì)系統(tǒng)和其它用電設(shè)備的影響，這必須在電網(wǎng)規(guī)劃和設(shè)計(jì)階段考慮。 電力系統(tǒng)諧波治理方法諧波治理的措施主要有三種：一是受端治理，即從受到諧波影響的設(shè)備或系統(tǒng)出發(fā)，提高它們抗諧波干擾能力；二是主動(dòng)治理，即從諧波源本身出發(fā)，使諧波源不產(chǎn)生諧波或降低諧波源產(chǎn)生的諧波；三是被動(dòng)治理，即外加濾波器，吸收諧波源產(chǎn)生的注入電網(wǎng)的諧波，或者阻礙電力系統(tǒng)的諧波流入負(fù)載端。該標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定了諧波測(cè)量和測(cè)量數(shù)據(jù)處理以及確定諧波水平的方法[21,22]。該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)50Hz、110KV及以下的公用電網(wǎng)各次諧波電壓極其供電的電力用戶注入的諧波電流作了明確的規(guī)定。我國(guó)原水利電力部于1984年根據(jù)原國(guó)家經(jīng)濟(jì)委員會(huì)批轉(zhuǎn)的《全國(guó)供電用電規(guī)則》的規(guī)定，制定并發(fā)布了SD12684《電力系統(tǒng)諧波管理暫行規(guī)定》[19]。1982年國(guó)際電工委員會(huì)IEC（International Electrotechnical Commission 簡(jiǎn)寫為IEC）第一次指定了通用電器設(shè)備產(chǎn)生諧波的限制標(biāo)準(zhǔn)，即IEC55，并在其后的執(zhí)行過程中修訂完善，目前已經(jīng)被世界許多國(guó)家承認(rèn)和接受，在歐、美等發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)成為強(qiáng)行執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)。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。近些年來，國(guó)內(nèi)期刊和有關(guān)會(huì)議上發(fā)表的諧波相關(guān)問題的研究論文也非常多，諧波問題已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)。此外，唐統(tǒng)一等和容健綱等分別于1991年和1994年獨(dú)立翻譯了Arrilaga 《電力系統(tǒng)諧波》[5][6]，也在國(guó)內(nèi)有較大的影響。吳競(jìng)昌等在1988年出版的《電力系統(tǒng)諧波》[1]一書是我國(guó)有關(guān)諧波問題早期較有影響的著作。70年代以后，國(guó)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?jī)赡暾匍_一次的電力系統(tǒng)諧波國(guó)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(guó)家和國(guó)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。在這一時(shí)期發(fā)表了大量的論文。當(dāng)時(shí)最有影響的是Rissik 《The Mercury Arc Current Converter》[15]，另一篇有關(guān)靜止變流器產(chǎn)生諧波的經(jīng)典論文是Read J. 《The Calculation of Rectifier and Converter Performance Characteristics》[16]，至今仍被研究者廣泛引用。 電力系統(tǒng)諧波研究現(xiàn)狀 電力系統(tǒng)諧波是由于波形畸變產(chǎn)生的，從交流電出現(xiàn)、應(yīng)用發(fā)展到現(xiàn)在，如何將波形畸變限制在一定的范圍內(nèi)一直是電力工程師關(guān)心的問題。（9）對(duì)其它設(shè)備的影響。在消弧線圈接地系統(tǒng)中較大的諧波分量同樣會(huì)延遲或阻礙消弧線圈的滅弧作用。（8）延緩電弧熄滅。供電系統(tǒng)中的靜止變流器在換相期間電流波形發(fā)生急劇變化，該換相電流會(huì)在正常供電電壓中注入一個(gè)脈沖電壓，該脈沖電壓所包含的諧波頻率較高，甚至達(dá)到1，因而會(huì)引起電磁干擾，對(duì)通信線路、通信設(shè)備會(huì)產(chǎn)生很大的影響。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1000時(shí)，電度表將會(huì)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。（6）引起電力測(cè)量的誤差。諧波對(duì)過電流、欠電壓、距離、周波等繼電器均會(huì)起拒動(dòng)和誤動(dòng)的影響，保護(hù)裝置失靈和動(dòng)作不穩(wěn)定。諧波能夠改變保護(hù)繼電器的動(dòng)作特性，這與繼電器的設(shè)計(jì)特點(diǎn)和原理有關(guān)。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。變壓器在高次諧波電壓的作用下，將產(chǎn)生集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)，在繞組中引起附加銅耗，同時(shí)也使鐵耗相應(yīng)增加。在電纜輸電的情況下，諧波電壓以正比于其幅值電壓的形式增強(qiáng)了介質(zhì)的電場(chǎng)強(qiáng)度，這影響了電纜的使用壽命，據(jù)有關(guān)資料介紹，諧波的影響將使電纜的使用壽命平均下降約60％。（3）增加輸電線的損耗，縮短輸電線壽命。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。（2）增加旋轉(zhuǎn)電機(jī)的損耗。由于電容器的容抗與頻率成反比，因此在諧波電壓作用下的容抗要比在基波電壓作用下的容抗小得多，從而使諧波電流的波形畸變更比諧波電壓的波形畸變大得多，即便電壓中諧波所占的比例不大，也會(huì)產(chǎn)生顯著的諧波電流。因此，諧波的危害的嚴(yán)重性才引起人們的高度重視。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。雖然單個(gè)裝置的功耗不大 ,但由于數(shù)量很多 ,因此它們給供電系統(tǒng)注入的諧波分量也不容忽視。其中主要是2次諧波和7次諧波。這些非線性負(fù)載主要是整流器、交流調(diào)壓電路以及頻率變換器等電力電子裝置，由于這些電力電子裝置都為可變結(jié)構(gòu)非線性電力負(fù)荷，工作于非線性狀態(tài)，在高效利用電能的同時(shí)也向電網(wǎng)注入大量的非線性電流，給公共電網(wǎng)的電能質(zhì)量帶來了隱患。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，%。輸配電系統(tǒng)中主要是電力變壓器產(chǎn)生諧波，由于變壓器鐵心的飽和，磁化曲線的非