【正文】 idth Modulation）技術(shù)，使得變流器產(chǎn)生的諧波頻率較高、幅值較小，波形接近正弦波，只適用于自關(guān)斷器件構(gòu)成的變流器。比如采用矩陣式變頻器、四象限變流器等，可以使變流器產(chǎn)生的諧波非常少，且功率因數(shù)可控制為 1。在諧波源附近或公用電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)裝設(shè)單調(diào)諧及高通濾波器，可以吸收諧波電流，同時(shí)還可以進(jìn)行無功功率補(bǔ)償，運(yùn)行維護(hù)也簡(jiǎn)單。在諧波源附近和公用電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)裝設(shè)并聯(lián)型或串聯(lián)型 APF，可以有效地起到補(bǔ)償或隔離諧波的作用，并聯(lián)型還可以進(jìn)行無功功率補(bǔ) 償，但裝置造價(jià)較高。 HAPF 兼具 PF 成本低廉和 APF 性能優(yōu)越的優(yōu)點(diǎn)，屬于 APF 的分支和發(fā)展。 有源電力濾波器的發(fā)展現(xiàn)狀 有源電力濾波器的基本工作原理是由 HSasaki 和 HMachida 于 1971 年首先提出的 [ 25]。 有源電力濾波器向電網(wǎng)注入一個(gè)與負(fù)載諧波電流幅值相等、 相位相反的電流，從而抵消了電網(wǎng)中的諧波電流。 1976年， LGyugyi 和 ECStyaula 提出了用 PWM 逆變器構(gòu)成的有源電力濾波器 [ 26]。 20 世紀(jì) 80 年代，隨著電力電子技術(shù)和 PWM 控制技術(shù)的發(fā)展，對(duì)有源電力濾波器的研究逐漸活躍起來，成為電力電子技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。 在國(guó)外，有源電力濾波器已開始在工業(yè)和民用設(shè)備上得到廣泛使用，并且諧波補(bǔ)償?shù)拇螖?shù)逐步提高，有的可以高達(dá) 25 次諧波；單機(jī)裝置的容量逐步提高。 我國(guó)在有源電力濾波器的應(yīng)用研究方面，繼日本、美國(guó)、德國(guó)等之后，得到學(xué)術(shù)界和企業(yè)界的充分重視，并投入了大量的人力和物力，到目前為止，國(guó)內(nèi)對(duì)有源電力濾波器的研究基本上都局限于仿真研究和小型試驗(yàn)裝置 ，工程實(shí)踐應(yīng)用僅僅也只是小功率的應(yīng)用 [28,29]，而正式投入電網(wǎng)運(yùn)行的幾乎為零 [30]，只有幾臺(tái)類似產(chǎn)品投入工業(yè)試運(yùn)行，如華北電力試驗(yàn)研究所、冶金部自動(dòng)化研究院和北京供電公司聯(lián)合開發(fā)、研究的有源高次諧波抑制裝置于 1992 年在北京木材廠中心變電站投入工業(yè)運(yùn)行，該裝置采用了三個(gè)單相全控橋逆變器（功率開關(guān)為 GTR），用于低壓電網(wǎng)單個(gè)諧波源的諧波補(bǔ)償，裝置容量小 ,且只能補(bǔ)償幾個(gè)特定次數(shù)的諧波（ 1 13 次） ,調(diào)制載波的頻率（ ）不高； 河南電力局與清華大學(xué)聯(lián)合開發(fā)的 200MVA 靜止無功發(fā)生器（包含 有源諧波器）在鄭州孟砦變電站進(jìn)行300kVA 中間工業(yè)樣機(jī)試運(yùn)行，該樣機(jī)主電路由 18 脈沖電壓逆變器、直流儲(chǔ)能電容器、 9 臺(tái)曲折繞組變壓器及系統(tǒng)的連接變壓器組成， 18 脈沖逆變器分為 3 個(gè) 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(jià)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。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(zhǎng)，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(duì)象，發(fā)展了各種各樣的有源濾波器形式。1986 年 Akagi APF 單獨(dú)使用方式 [27]，它是最早期的有源濾波裝置。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。 PF諧波源變流器APF 圖 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(jí)并沒有降低。 諧波源PFAPF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。 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]。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。 諧波源UPQC變流器變流器 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)。 變流器APF諧波源 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連接 用的變壓器，其工程實(shí)用性受到限制。 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)偶原理或通過混合逐步演變而來的。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。 有源電力控制器一般包括硬件電路和軟件算法兩部分。設(shè)計(jì)一個(gè)好的控制器會(huì)從如下幾個(gè)方面來考慮問題： ? 控制器的實(shí)時(shí)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(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)。 控制器的可靠性是適應(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。 控制器的兼容性設(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(dòng)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 inter 的飛速發(fā)展。 控制器的可操作性是指它的友好的人機(jī)操作界面?，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(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)。 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) （ 2020AA001032），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。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 的無功功率。 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。 第三章，諧波實(shí)時(shí)電流檢測(cè)及 DSP 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)。 第五章，有源電力濾波器控制的工程應(yīng)用。 最后 為總結(jié)和展望部分。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。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(shì)，必須多片單片機(jī)共同來完成，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。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(shì)，也克服了以前單片機(jī)系統(tǒng)的一些客觀的弱點(diǎn)。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)。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。 2407A 是此系列中的一個(gè)分支，通過把一個(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。 碩士學(xué)位論文 13 2407A 型數(shù)字處理器特點(diǎn) 圖 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。 （ 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。 （ 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。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(gè)指令周期來完成。相比之下， DSP 芯片的特征 是有一個(gè)專用的硬件乘法器。 2407A 的一條指令周期為 25ns。 （ 4）特殊的 DSP 指令 DSP 芯片為了方便數(shù)字信號(hào)處理、提高運(yùn)算速度采用了一套專用的特殊指令系統(tǒng)。 （ 5）豐富的片內(nèi)外設(shè) 圖 是 2407A 的系統(tǒng)配置 結(jié)構(gòu) 。 圖 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(jiǎn)單，需要擴(kuò)展的外圍接口電路很少。全比較 PWM 輸出單元有六個(gè)輸出管腳，兩兩互補(bǔ)輸出，用于對(duì)應(yīng) 銅橋臂 IGBT 控制。內(nèi)部的 PLL 時(shí)鐘模塊電路如圖 所示。濾波器電路回路連接到2407A 芯片的 PLLF 和 PLLF2 引 腳。本文中采用的有源晶振值為 10MHz，所以查表得到 R1，C1 和 C2 參數(shù)分別為： ??111R ； FC ? ? ； FC ? ? 圖 2407A 鎖相環(huán)時(shí)鐘模塊電路圖 表 外部濾波器元件參數(shù)表 XTAL1/CLKIN 頻率 /MHz R1/Ω C1/μF C2/μF 4 5 6 7 8 1 9 10 10 11 2407A 電源的設(shè)計(jì) 對(duì)于任何一個(gè)電氣系統(tǒng)來講，電源是不可或缺的部分。而對(duì)于多電源系統(tǒng)，采用的一把策略是將 +5V 的電源經(jīng)過 DC/DC 變換得到其它數(shù)量級(jí)的電源電壓，如 、 、 等。為得到 的 DSP 電源 電壓，本文采用的 DC/DC 變換芯片為 TPS7333Q， 它的基本電氣參數(shù)見表 ，接線連接見圖 ，其中它的 8 號(hào)引腳可用作 DSP 的外部復(fù)位引腳。 圖 DSP 控制器電源模塊 表 TPS7333Q 電氣參數(shù) 輸入電壓 /V 輸出電壓 /V 輸出電流 /mA 工作溫度 封裝形式 5 最大值 典型值 最小值 500 40~+125℃ DIP， SO 采樣電路模塊的設(shè)計(jì) 采樣電路的設(shè)計(jì)包括同步信號(hào)捕獲和外接 8 通道電流電壓采樣電路。具體電路如圖 所示。 采樣電路是控制器的重要組成部分，其轉(zhuǎn)換精度決定了控制器性能的優(yōu)劣。 F5 0 181。 本章的硬件設(shè)計(jì)采用了兩片精度更高的 14bit 的 4 通道同時(shí)采樣的 MAX125。5 V，通道最大承受過壓可達(dá) 177。MAXl25 可以和 DSP 并行工作，從而減輕了 DSP 的工作負(fù)擔(dān)。具體的采樣電路設(shè)計(jì)見附錄 B：控制系統(tǒng)原理圖。本文中設(shè)計(jì)的是用鎖相環(huán)元器件使輸出信號(hào)為輸入信號(hào)的 128 倍的倍頻電路。 倍頻電路的基本工作原理是將輸入波形與 VCO（ Voltage Controlled Osillator）振蕩波形的相位進(jìn)行比較，使其輸入頻率與 VCO 振蕩頻率同步。 圖 倍頻原理圖 在圖 的倍頻電路中包括兩個(gè)重要的模塊，鎖相電路 PLL 和分頻器，硬件設(shè)計(jì)的重點(diǎn)也就是對(duì) PLL 器件和分頻器器件的選擇。其中R V s sV s s1 / N11 3234671 11 2V s sV s s1 01 4 1 6R 3壓控震蕩器2 號(hào) 鑒 相 器1 號(hào) 鑒 相 器R 1R 2V d dI NC 1Z E N E RC 2 圖 CD4046BE 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 R C1 的參數(shù)確定可以圖 的（ a）和