有源濾波器的設(shè)計畢業(yè)設(shè)計論文

1、<p><b>　　畢業(yè)論文</b></p><p>　　有源電力濾波器設(shè)計 </p><p>　　Active power filter design </p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要1<

2、/b></p><p>　　ABSTRACT2</p><p>　　第一章 諧波產(chǎn)生的機理及其治理3</p><p>　　1.1諧波產(chǎn)生的機理3</p><p>　　1.2諧波的治理4</p><p>　　第二章 有源電力濾波器的諧波檢測及控制策略5</p><p>　　2.1

3、有源電力濾波器的諧波檢測5</p><p>　　2.1.1 瞬時無功功率理論5</p><p>　　2.1.2 三相電路諧波和無功的檢測7</p><p>　　2.2 有源電力濾波器的控制策略10</p><p>　　2.2.1 有源電力濾波器補償電流的控制10</p><p>　　2.2.2 主電路直流側(cè)電

4、壓的控制12</p><p>　　第三章 并聯(lián)型有源電力濾波器的硬件設(shè)計13</p><p>　　3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)13</p><p>　　3.2 主電路設(shè)計14</p><p>　　3.2.1 主電路參數(shù)設(shè)計14</p><p>　　3.2.2 開關(guān)器件的選取15</p><p>

5、　　3.3 控制電路設(shè)計16</p><p>　　3.3.1 控制電路結(jié)構(gòu)16</p><p>　　3.3.2 DSP芯片簡介17</p><p>　　3.4 檢測與調(diào)理電路設(shè)計19</p><p>　　3.4.1 電流信號檢測調(diào)理電路19</p><p>　　3.4.2 電壓信號檢測調(diào)理電路20</

6、p><p>　　3.4.3 采樣觸發(fā)信號提取電路20</p><p>　　第四章 并聯(lián)型有源電力濾波器的系統(tǒng)仿真22</p><p>　　4.1 并聯(lián)型有源電力濾波器檢測系統(tǒng)仿真22</p><p>　?。?）仿真模型的建立22</p><p>　?。?）仿真結(jié)果22</p><p>　　

7、（3）結(jié)果分析23</p><p>　　4.2 并聯(lián)型有源電力濾波器控制系統(tǒng)仿真24</p><p>　?。?）仿真模型的建立與參數(shù)選取24</p><p>　?。?）仿真結(jié)果24</p><p>　?。?）系統(tǒng)諧波分析25</p><p><b>　　結(jié)束語26</b></p&

8、gt;<p><b>　　參考文獻(xiàn)27</b></p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，非線性負(fù)載的使用越來越普遍，產(chǎn)生的諧波對電網(wǎng)的危害日益嚴(yán)重，若不加以控制，將會嚴(yán)重影響整個電網(wǎng)的安全運行，所以對電網(wǎng)諧波進(jìn)行補償越來越重要。有源電力濾波器是一種新型的諧波及無功電流動態(tài)補償裝置，

9、與傳統(tǒng)的無源LC電力濾波器相比，具有響應(yīng)速度快、補償效果好、動態(tài)補償?shù)葍?yōu)點。</p><p>　　本文概述了諧波產(chǎn)生的機理及其治理，并討論了有源電力濾波器的結(jié)構(gòu)與工作原理。通過深入研究有源電力濾波器的諧波與無功電流檢測方法，對基于三相電路瞬時無功功率理論的法和法的原理進(jìn)行了分析，由于法的優(yōu)勢，選定其為諧波檢測方法；文中還詳細(xì)分析了有源電力濾波器的控制策略，確定采用滯環(huán)比較控制法來對補償電流進(jìn)行控制；論文還對DSP

10、芯片TMS320F2812進(jìn)行了初步的介紹，在此基礎(chǔ)上，設(shè)計出了并聯(lián)型有源電力濾波器。之后，用MATLAD7.0對其進(jìn)行了仿真和分析。</p><p>　　論文還對本次設(shè)計進(jìn)行了綜述，總結(jié)了有源電力濾波器的優(yōu)點，并提出了設(shè)計中的不足之處。</p><p>　　關(guān)鍵詞：諧波電流 瞬時無功功率理論 控制策略 DSP 有源電力濾波器</p><p><b&g

11、t;　　ABSTRACT</b></p><p>　　With the rapid development of electric power and electronic technology, non-linear load have been widely used, the harmonic makes increasing serious impact against the electri

12、c network, if unchecked, it will seriously affect the entire electric network, therefore, the harmonic compensation has become much more important. APF is a new harmonic and dynamic reactive compensation devices, compare

13、 with the traditional passive LC filter, APF has the advantages of fast response, good compensation and d</p><p>　　This article summarizes the harmonic mechanism and management, and discussed the structure a

14、nd active power filter works. From depth depth-study of the detection of harmonic and reactive current for APF , we analysis the p-q method and ip-iq method based on the instantaneous reactive power theory, because of th

15、e superiority of ip-iq method, we selected it as harmonic detection. we in-depth analysis the control strategy for APF, determine the hysteres is control method used to control the compens</p><p>　　Finally,

16、This disseration also designs were reviewed, summarized the advantages of active power filter and proposed design deficiencies.Keywords: Harmonic current Instantaneous reactive power theory </p><p>　　C

17、ontrol strategy DSP APF </p><p>　　第一章 諧波產(chǎn)生的機理及其治理</p><p>　　20世紀(jì)以來，隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，電力電子技術(shù)也隨之不斷取得新的突破，各種家用電器大規(guī)模的進(jìn)入我們的生活以及電力電子器件等非線性負(fù)載如逆變器、整流器和各種開關(guān)電源得到廣泛的應(yīng)用，由此產(chǎn)生的諧波對電網(wǎng)的危害日益嚴(yán)重。電力電子器件開關(guān)動作時向電網(wǎng)注入了大量的諧波

18、，使電網(wǎng)中的電流和電壓波形嚴(yán)重失真。然而由于各種電能質(zhì)量敏感設(shè)備，計算機等信息設(shè)備及空調(diào)、冰箱、電視等家用電器設(shè)備的大量使用，對電能質(zhì)量的要求也越來越高。由諧波引發(fā)的各類故障和事故頻發(fā)，對生產(chǎn)生活及國家經(jīng)濟建設(shè)產(chǎn)生了很大的負(fù)面影響。</p><p>　　由此諧波的研究和治理問題也開始引起人們的廣泛關(guān)注，諧波的管理、分析和治理被擺到了十分重要的地位。諧波問題包括諧波分析、諧波檢測和諧波抑制等方面，有效的抑制諧波已經(jīng)

19、成為保證電網(wǎng)安全、高質(zhì)量運行的必要措施之一。解決諧波問題的主要途徑有兩種：一是對電力電子設(shè)備自身進(jìn)行改進(jìn)；二是對電網(wǎng)進(jìn)行諧波補償。本文主要研究方向就是對電網(wǎng)進(jìn)行諧波補償。</p><p>　　1.1諧波產(chǎn)生的機理</p><p>　　在理想的干凈供電系統(tǒng)中，電流和電壓都是正弦波的。在只含線性元件(電阻、電感及電容)的簡單電路里，流過的電流與施加的電壓成正比，流過的電流是正弦波。用傅立葉分析

20、原理，能夠把非正弦曲線信號分解成基本部分和它的倍數(shù)。 </p><p>　　在電力系統(tǒng)中，諧波產(chǎn)生的根本原因是由于非線性負(fù)載所致。當(dāng)電流流經(jīng)負(fù)載時，與所加的電壓不呈線性關(guān)系，就形成非正弦電流，即電路中有諧波產(chǎn)生。由于半導(dǎo)體晶閘管的開關(guān)操作和二極管、半導(dǎo)體晶閘管的非線性特性，電力系統(tǒng)的某些設(shè)備如功率轉(zhuǎn)換器比較大的背離正弦曲線波形。 </p><p>　　諧波電流的產(chǎn)生是與功率轉(zhuǎn)換器的脈沖數(shù)相

21、關(guān)的。6脈沖設(shè)備僅有5、7、11、13、17、19 ….n倍于電網(wǎng)頻率。 功率變換器的脈沖數(shù)越高，最低次的諧波分量的頻率的次數(shù)就越高。其他功率消耗裝置，例如熒光燈的電子控制調(diào)節(jié)器產(chǎn)生大強度的3 次諧波( 150 赫茲)。 </p><p>　　在供電網(wǎng)絡(luò)阻抗( 電阻) 下這樣的非正弦曲線電流導(dǎo)致一個非正弦曲線的電壓降。 在供電網(wǎng)絡(luò)阻抗下產(chǎn)生諧波電壓的振幅等于相應(yīng)諧波電流和對應(yīng)于該電流頻率的供電網(wǎng)絡(luò)阻抗Z的乘積。

22、次數(shù)越高，諧波分量的振幅越低。 </p><p>　　只要哪里有諧波源那里就有諧波產(chǎn)生。也有可能，諧波分量通過供電網(wǎng)絡(luò)到達(dá)用戶網(wǎng)絡(luò)。 例如，供電網(wǎng)絡(luò)中一個用戶工廠的運轉(zhuǎn)可能被相鄰的另一個用戶設(shè)備產(chǎn)生的諧波所干擾。 </p><p>　　產(chǎn)生諧波的設(shè)備類型：所有的非線性負(fù)荷都能產(chǎn)生諧波電流，產(chǎn)生諧波的設(shè)備類型有：開關(guān)模式電源(SMPS)、電子熒火燈鎮(zhèn)流器、調(diào)速傳動裝置、不間斷電源(UPS)、

23、磁性鐵芯設(shè)備及某些家用電器如電視機等。</p><p><b>　　1.2諧波的治理</b></p><p>　　諧波的治理主要有兩條途徑：一是主動治理，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，這只適用于作為主要諧波源的電力電子裝置，如有源功率因數(shù)校正技術(shù)和PWM整流技術(shù)；二是被動治理，即設(shè)置諧波補償裝置，抵消諧波源注入電網(wǎng)的諧波，如各種無源、有

24、源濾波器，這對各種諧波源都適用。</p><p>　　電力系統(tǒng)中傳統(tǒng)的補償諧波和無功的裝置是LC無源電力濾波器，LC無源電力濾波器因其既可以補償無功，又可以抑制諧波而一直被廣泛應(yīng)用。它具有結(jié)構(gòu)簡單，投入費用低，運行成本低，可在很寬的頻率范圍內(nèi)呈現(xiàn)為低阻抗，可抑制多個頻率的諧波，在吸收高次諧波的同時補償無功功率，還具有改善負(fù)載功率因數(shù)的功能。但由于結(jié)構(gòu)原理上的原因，LC無源電力濾波器也存在著濾波補償特性依賴于電網(wǎng)和

25、負(fù)載參數(shù)、LC參數(shù)的漂移會導(dǎo)致濾波特性的改變、具有負(fù)的電壓調(diào)整效應(yīng)、重量大、體積大和容易同系統(tǒng)發(fā)生諧振的缺點。</p><p>　　由于無源電力濾波裝置存在著許多的缺點和不足之處，為了解決這些問題，人們開始對有源電力濾波技術(shù)進(jìn)行探討。有源電力濾波器是一種動態(tài)抑制諧波和補償無功的電力電子裝置，它能對頻率和大小都變化的諧波和無功進(jìn)行補償，可以彌補無源濾波器的缺點，獲得比無源濾波器更好的補償特性，是一種理想的諧波補償裝

26、置。</p><p>　　第二章 有源電力濾波器的諧波檢測及控制策略</p><p>　　2.1 有源電力濾波器的諧波檢測</p><p>　　2.1.1 瞬時無功功率理論</p><p>　　瞬時無功功率理論首先于1983年由日本學(xué)者赤木泰文提出，主要針對三相三線制電路總諧波的實時檢測。瞬時無功功率理論的核心思想是采用變換矩陣將三相電路的各

27、相電壓和電流瞬時值變換到-正交坐標(biāo)系，并將電壓、電流矢量的點極定義為瞬時有功功率，電壓、電流矢量的叉積定義為瞬時無功功率，如圖2-1所示。在此基礎(chǔ)上發(fā)展出了p-q法。</p><p>　　在三相三線電路中，其各相電壓和電流的瞬時值為、、和、、，分別把它們變換到兩相正交-坐標(biāo)系上，兩相瞬時電壓為、，兩相瞬時電流為、，則：</p><p><b>　?。?-1）</b>&

28、lt;/p><p><b>　?。?-2）</b></p><p><b>　　其中</b></p><p>　　定義瞬時有功功率p和瞬時無功功率q：</p><p><b>　?。?-3）</b></p><p><b>　?。?-4）</

29、b></p><p>　　式中，的正方向與、軸組成相互垂直的右手坐標(biāo)系，如圖2-2示。</p><p>　　從數(shù)學(xué)上推導(dǎo)可知，基于瞬時無功功率的p-q法使用需要滿足或，也就是說-法僅適用于三相對稱的情況。</p><p>　　在-法的基礎(chǔ)上，補充定義瞬時有功電流和瞬時無功電流，衍生出法。在圖2-2所示-坐標(biāo)系上，矢量、和、分別可以合成為旋轉(zhuǎn)電壓矢量和電流矢量。

30、 </p><p>　　三相電路瞬時有功電流和瞬時無功電流分別為矢量和矢量在其法線上的投影。</p><p><b>　?。?-5）</b></p><p><b>　?。?-6）</b></p><p><b>　　式中。</b></p><p>　　

31、瞬時有功功率p和瞬時無功功率q可表示為：</p><p><b>　　（2-7）</b></p><p><b>　?。?-8）</b></p><p>　　在-平面內(nèi)，、可表示為：</p><p><b>　?。?-9）</b></p><p><

32、;b>　　式中</b></p><p>　　三相電路各相瞬時無功電流、、是、兩相瞬時無功電流、兩相到三相變化得到的，瞬時有功電流、、是、兩相瞬時有功電流、通過兩相到三相變化得到的。</p><p><b>　　（2-10）</b></p><p><b>　?。?-11）</b></p>&

33、lt;p><b>　　式中</b></p><p>　　-法和法都是以三相電路瞬時無功功率理論為基礎(chǔ)的諧波檢測法，對于三相三線制電路，不論三相電壓、電流是否對稱，-檢測法檢測結(jié)果都有誤差，只是誤差的情況有所不同，而法檢測結(jié)果不受電壓波形畸變的影響，檢測結(jié)果較準(zhǔn)確。</p><p>　　2.1.2 三相電路諧波和無功的檢測</p><p>

34、<b>　　（1）-檢測法</b></p><p>　　-檢測法原理框圖如圖2-3所示，圖中LPF為低通濾波器(Low Pass Filter)。-檢測法以三相電路瞬時無功功率理論為基礎(chǔ)，根據(jù)定義計算出、，經(jīng)LPF得到、的直流分量、。電網(wǎng)電壓無畸變的時候，由基波有功電流與電壓作用所產(chǎn)生，由基波無功電流與電壓作用所產(chǎn)生，于是根據(jù)、經(jīng)矩陣逆變換可以計算出被檢測電流、、的基波分量、、。將、、與、、

35、相減，即可得到、、的諧波分量、、。由于該檢測法中三相電壓信號也參與到計算中，故三相電壓的變化會影響諧波電流的檢測，當(dāng)三相電壓對稱且無畸變時，-檢測法能檢測出全部的諧波和無功電流，但當(dāng)電網(wǎng)電壓波形發(fā)生畸變時，檢測結(jié)果將會發(fā)生誤差，影響電路的檢測精度。所以-檢測法僅適用于三相電壓對稱的諧波和無功電流檢測。</p><p><b>　?。?）檢測法</b></p><p>

36、　　在實際電網(wǎng)運行中，三相電壓通常不對稱且有畸變，所以應(yīng)用-檢測法檢測諧波會有誤差，為此，通過對-檢測法進(jìn)行改進(jìn)提出了檢測法[6]。如圖2-4為檢測法原理框圖。</p><p>　　圖2-4 檢測法原理框圖</p><p>　　圖中PLL為鎖相環(huán)電路(Phase Lock Loop)。該檢測法以計算、為出發(fā)點，把式（2-7）和式（2-8）代入式（2-9）的左邊有：</p>&

37、lt;p><b>　?。?-12）</b></p><p>　　將e移到等式的右端，得：</p><p><b>　?。?-13）</b></p><p>　　若電網(wǎng)電壓波形無畸變，設(shè)電網(wǎng)三相對稱電壓：</p><p><b>　?。?-14）</b></p>

38、<p>　　式中是電網(wǎng)電壓基波即電網(wǎng)電壓有效值；是電源角頻率。</p><p>　　將式（2-14）進(jìn)行三相到兩相變換：</p><p><b>　?。?-15）</b></p><p><b>　　被檢測電流為：</b></p><p><b>　?。?-16）</b

39、></p><p>　　將式（2-16）進(jìn)行三相到兩相變換：</p><p><b>　?。?-17）</b></p><p><b>　　式中時取，時取。</b></p><p>　　按運算方式，將式（2-15）和式（2-17）代入式（2-9）得：</p><p>&

40、lt;b>　　（2-18）</b></p><p><b>　　、經(jīng)LPF濾波得：</b></p><p><b>　?。?-19）</b></p><p>　　此時，，和式(2-15)代入式(2-13)得：</p><p><b>　?。?-20）</b>&

41、lt;/p><p>　　與檢測法相比，檢測法用鎖相技術(shù)對a相基波電壓的相位進(jìn)行提取，代替系統(tǒng)相電壓，所以該算法的檢測結(jié)果不受電壓波形畸變的影響。而且將基波分量變換到零頻率處，用數(shù)字低通濾波器提取基波信號可以消除模擬低通濾波器的相位問題，且不會造成對有些頻率分量的增大或衰減。</p><p>　　上述兩種方法均可適用于三相三線制電路，當(dāng)電網(wǎng)電壓無畸變時，兩者皆可檢測出諧波電流。但當(dāng)電網(wǎng)電壓波形發(fā)

42、生畸變時，檢測法的檢測結(jié)果會出現(xiàn)誤差，因為該檢測法中電壓信號參與了計算，所以電壓信號有任何變動都會影響運算的結(jié)果，直接影響到檢測的效果。而檢測法只提取了與電壓信號同相位的正弦信號和余弦信號參與運算，電壓信號的諧波成分在運算過程中不出現(xiàn)，因而檢測結(jié)果不受電壓波形畸變的影響，能夠充分保證檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。</p><p>　　2.2 有源電力濾波器的控制策略</p><p>　　2.2.1 有

43、源電力濾波器補償電流的控制</p><p>　　目前有源電力濾波器補償電流的控制方法主要有以下幾種：三角載波比較法、滯環(huán)比較控制法、電壓矢量控制法、滑模變結(jié)構(gòu)控制法等。其中三角載波比較法和滯環(huán)比較控制法是應(yīng)用最多的兩種方法。</p><p>　　三角載波比較法。三角載波比較法是最簡單、常用的一種PWM控制方式，如圖2-5所示為其比較原理圖。</p><p>　　圖2

44、-5 三角載波比較法原理圖</p><p>　　該方法通過將調(diào)制后的實際補償電流與電流指令信號的偏差經(jīng)放大器A放大后，與高頻三角調(diào)制波進(jìn)行實時比較，從而得到不同時刻逆變器的開關(guān)狀態(tài)，使逆變器輸出端獲取需要的波形。采用三角載波比較法的優(yōu)點是電力電子器件的開關(guān)頻率是固定的，有利于簡化器件的選擇和器件保護(hù)的設(shè)計，而且動態(tài)響應(yīng)好，實現(xiàn)電路簡單，對高開關(guān)頻率的系統(tǒng)具有較好的控制特性。但由于逆變器始終處于高頻工作狀態(tài)，輸出波

45、形中含有與三角載波同頻率的高頻畸變分量，開關(guān)損耗較大，在大功率應(yīng)用中受到限制。</p><p>　　滯環(huán)比較控制法。滯環(huán)比較控制法的原理圖如圖2-6所示。</p><p>　　圖2-6 滯環(huán)比較控制法原理圖</p><p>　　滯環(huán)控制是一種簡單的bang-bang控制，它預(yù)先給定一個允許誤差，在補償對象與濾波器輸出之差超過這個允許誤差時，主電路功率開關(guān)器件動作。電

46、流滯環(huán)比較控制的基本思想是實際電流與指令電流的上、下限相比較，交點作為開關(guān)點，在指令電流的上、下限形成一個環(huán)帶。在該方式中，補償電流指令信號與實際電流信號的偏差作為滯環(huán)比較器的輸入，設(shè)滯環(huán)比較器的高低閥值分別為和，當(dāng)時，比較器輸出高電位；當(dāng)時，比較器輸出低電位；當(dāng)時，保持原值。通過驅(qū)動信號來控制主電路開關(guān)器件的通斷，從而控制補償電流的變化，使補償電流保持在滯環(huán)帶內(nèi)，圍繞其參考值做上下波動[7]。</p><p>

47、　　由于通常滯環(huán)帶的寬度是固定的，而開關(guān)器件的開關(guān)頻率是變化的，當(dāng)變化的范圍較大，值小時，固定的環(huán)寬可能使補償電流的相對跟隨誤差過大；值大時，固定的環(huán)寬可能使器件的開關(guān)頻率過高，甚至超過器件的工頻導(dǎo)致器件損壞。為了避免上述缺點，可采用定時控制的滯環(huán)比較控制法，其原理如圖2-7所示。</p><p>　　圖2-7 定時控制的滯環(huán)比較控制原理圖</p><p>　　采用定時控制的滯環(huán)比較控制，

48、是加入了一個時鐘定時控制比較器，每個時鐘周期對誤差進(jìn)行一次判斷，這樣控制開關(guān)器件的時鐘信號需要至少一個時鐘周期才變化一次，那么器件的最高開關(guān)頻率不會超過時鐘頻率的一半。這種PWM控制器的結(jié)構(gòu)簡單，對電路參數(shù)的變化不敏感，動態(tài)響應(yīng)快，逆變器的開關(guān)頻率由滯環(huán)比較器的帶寬和時鐘頻率決定。</p><p>　　2.2.2 主電路直流側(cè)電壓的控制</p><p>　　有源電力濾波器的主電路是一個電壓

49、型變流器，按照PWM控制規(guī)律，變流器的直流側(cè)電容電壓必須保持恒定，從而提供一個穩(wěn)定的電壓基準(zhǔn)。但在實際運行中由于系統(tǒng)存在損耗和補償電流的變化，電容電壓會產(chǎn)生衰減或大的波動。對主電路直流側(cè)電壓的控制可由圖2-8來實現(xiàn)。</p><p>　　圖2-8 具有直流側(cè)電壓控制環(huán)的基準(zhǔn)電流計算原理圖</p><p>　　圖中，是直流側(cè)電壓的給定值，是實際的直流側(cè)電壓。此控制的基本思想是：把與之差通過P

50、I調(diào)節(jié)后得到調(diào)節(jié)信號，將疊加到瞬時有功電流的直流分量上，經(jīng)運算使指令電流信號包含一定的有功電流，使有源電力濾波器的補償電流包含一定的基波有功電流分量，從而使有源電力濾波器的直流側(cè)和交流側(cè)交換能量，將直流側(cè)電壓調(diào)節(jié)到給定值。</p><p>　　第三章 并聯(lián)型有源電力濾波器的硬件設(shè)計</p><p><b>　　3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)</b></p><p

51、>　　并聯(lián)型有源電力濾波器通過向電網(wǎng)注入一個與檢測到的諧波和無功電流反相位的補償電流，以使電源側(cè)電流波形近似為正弦波，從而消除了諧波和無功電流對電網(wǎng)中其他設(shè)備和繼電保護(hù)裝置的影響。</p><p>　　并聯(lián)型有源電力濾波器的硬件結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，整個系統(tǒng)一般由以下幾個部分組成[8]：檢測與調(diào)理電路，主要功能是將電網(wǎng)中的強電信號轉(zhuǎn)換成為弱電信號，并將之調(diào)理成適合DSP輸入要求范圍的電信號；DSP控制電路，由DSP

52、芯片構(gòu)成的控制電路是整個控制系統(tǒng)的核心，其功能是完成A/D轉(zhuǎn)換、指令信號的運算、反饋信號的處理和PWM信號的生成；主電路，主電路由三相橋式逆變電路組成，它的功能是根據(jù)DSP控制電路發(fā)出的PWM脈沖信號來控制逆變器開關(guān)器件的通斷時間，發(fā)出符合要求的補償電流到電網(wǎng)中。并聯(lián)型有源電力濾波器的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖3-1所示。</p><p>　　圖3-1 并聯(lián)型有源電力濾波器硬件結(jié)構(gòu)圖</p><p>

53、<b>　　3.2 主電路設(shè)計</b></p><p>　　3.2.1 主電路參數(shù)設(shè)計 </p><p><b>　?。?）主電路容量。</b></p><p>　　并聯(lián)型有源電力濾波器的容量：</p><p><b>　　（3-1）</b></p><p

54、>　　式中是APF交流側(cè)電壓的有效值，是補償電流的有效值。有源電力濾波器與諧波負(fù)載并聯(lián)連接，其交流電壓時相同的，因此主電路容量主要由補償電流的大小決定，也就是由補償對象的容量和補償目的決定。</p><p>　　當(dāng)有源電力濾波器只補償諧波時，有。由于補償對象為三相橋式整流電路，其，故此有源電力濾波器的容量約為補償對象容量的25%。</p><p>　　當(dāng)有源電力濾波器在補償諧波時，還

55、補償無功功率，則：</p><p><b>　　（3-2）</b></p><p>　　則有源電力濾波器容量與補償對象容量之比為：</p><p><b>　?。?-3）</b></p><p>　　故有源電力濾波器同時補償諧波和無功功率時，要求其容量比只補償諧波時大，且與三相整流電路最大觸發(fā)角有關(guān)

56、。</p><p>　　（2）直流側(cè)電壓的選取。</p><p>　　有源電力濾波器正常工作時，輸出的補償電流在指令電流的兩側(cè)呈鋸齒波形狀跟隨其變化，對于A相有：</p><p><b>　?。?-4）</b></p><p>　　當(dāng)小于A相指令電流，則取或。若取，則：</p><p><b

57、>　?。?-5）</b></p><p>　　為使實際補償電流更好的跟隨指令電流，必須增大，則有：</p><p><b>　?。?-6）</b></p><p><b>　?。?-7）</b></p><p>　　也就是主電路直流側(cè)電壓應(yīng)大于電網(wǎng)連接點相電壓的3倍。在此數(shù)值以上，

58、直流側(cè)電壓越大，補償電流跟隨性能越好，但開關(guān)器件的耐壓要求也越高，因此要綜合考慮。</p><p>　?。?）直流側(cè)電容的選取。</p><p>　　設(shè)直流側(cè)電壓為，允許的電壓波動比率為，則電壓波動的最大值和最小值應(yīng)為：</p><p><b>　　（3-8）</b></p><p>　　在一個電源周期內(nèi)，電容中能量改變

59、的平均速率為：</p><p><b>　?。?-9）</b></p><p>　　有源電力濾波器的容量為，為了保證電容電壓波動在允許范圍內(nèi)：</p><p><b>　?。?-10）</b></p><p><b>　　即：</b></p><p>&

60、lt;b>　　（3-11）</b></p><p>　?。?）交流側(cè)電感的選取。</p><p>　　交流側(cè)電感的選取必須滿足有源電力濾波器對補償電流跟蹤性能的要求，所以電感不能過大，電感過大會使跟蹤電流變化緩慢，導(dǎo)致跟蹤電流和參考電流之間誤差較大。但電感選擇過小，雖然動態(tài)響應(yīng)快，但實際補償電流對于期望補償電流具有較大的超調(diào)，容易造成系統(tǒng)振蕩，工作不穩(wěn)定。以A相為例，直接

61、給出交流側(cè)電感的計算公式：</p><p><b>　　（3-12）</b></p><p>　　式中，是實際補償電流最大變化率時對應(yīng)的電流增量；是實際補償電流最小變化率時對應(yīng)的電流增量；是有源電力濾波器的開關(guān)頻率；是電源電壓的峰值。</p><p>　　3.2.2 開關(guān)器件的選取</p><p>　　目前有源電力濾波器

62、主電路中使用的全控型器件主要有GTO(門極關(guān)斷晶閘管)、MOSFET(功率廠效應(yīng)管)和IGBT(絕緣柵雙極晶體管)。GTO通態(tài)壓降低、容量大，但是其關(guān)斷時間長、工作頻率低且開關(guān)損耗較大；MOSFET驅(qū)動功率很小、開關(guān)速度快，但是其通態(tài)壓降和通態(tài)阻抗較大，耐壓水平低，適合小功率場合；IGBT綜合了兩種器件的優(yōu)點，開關(guān)速度快、驅(qū)動功率小且飽和壓降低，故此IGBT相較而言較優(yōu)。為了簡化設(shè)計，實際電路中選取由IGBT構(gòu)成的智能功率模塊(Inte

63、lligent Power Module,簡稱IPM)為功率器件。</p><p>　　智能功率模塊是以IGBT為內(nèi)核的先進(jìn)混合集成功率器件，它采用微電子技術(shù)和先進(jìn)的制造工藝，把功率器件與驅(qū)動電路集成在一起，而且內(nèi)部還封裝了邏輯控制電路、故障檢測電路和各種保護(hù)電路，能實現(xiàn)過壓保護(hù)、過流保護(hù)、過熱保護(hù)和控制電源欠壓保護(hù)等功能，并且可以將檢測到的故障信號送到DSP芯片做中斷處理。IPM由高速低功耗的管芯和優(yōu)化的門極驅(qū)

64、動電路及快速保護(hù)電路組成，即使發(fā)生負(fù)載事故或使用不當(dāng)，也可保護(hù)IPM自身不受到損害。IPM具有以下特點：</p><p>　?。?）開關(guān)速度快。IPM內(nèi)的IGBT芯片都選用高速型，而且驅(qū)動電路緊靠IGBT芯片，驅(qū)動延時小，所以IPM開關(guān)速度快，損耗小。</p><p>　　（2）低功耗。IPM內(nèi)部的IGBT導(dǎo)通壓降低，開關(guān)速度快，故IPM功耗小。</p><p>　

65、?。?）快速的過流保護(hù)。IPM實時檢測IGBT電流，當(dāng)發(fā)生嚴(yán)重過載或直接短路時，IGBT將被軟關(guān)斷，同時送出一個故障信號。</p><p>　?。?）過熱保護(hù)。在靠近IGBT的絕緣基板上安裝了一個溫度傳感器，當(dāng)基板過熱時，IPM內(nèi)部控制電路將截止柵極驅(qū)動，不響應(yīng)輸入控制信號。</p><p>　?。?）橋臂對管互鎖。在串聯(lián)的橋臂上，上下橋臂的驅(qū)動信號互鎖。有效防止上下臂同時導(dǎo)通。</

66、p><p>　?。?）抗干擾能力強。優(yōu)化的門極驅(qū)動與IGBT集成，布局合理，無外部驅(qū)動線。</p><p>　　（7）驅(qū)動電源欠壓保護(hù)。當(dāng)?shù)陀隍?qū)動控制電源（一般為15V）就會造成驅(qū)動能力不夠，增加導(dǎo)通損壞。IPM自動檢測驅(qū)動電源，當(dāng)?shù)陀谝欢ㄖ党^10μs時，將截止驅(qū)動信號。</p><p>　?。?）內(nèi)藏相關(guān)的外圍電路，縮短開發(fā)時間。</p><p&

67、gt;　?。?）無須采取防靜電措施。</p><p>　?。?0）大大減少了元件數(shù)目，整個主電路體積相應(yīng)小。</p><p>　　3.3 控制電路設(shè)計</p><p>　　3.3.1 控制電路結(jié)構(gòu)</p><p>　　控制電路的結(jié)構(gòu)圖如圖3-2所示，待采集的點信號經(jīng)過檢測電路的檢測，并由調(diào)理電路調(diào)理得到DSP芯片輸入范圍要求內(nèi)的信號，將信號送

68、入DSP芯片的ADC模塊進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。A相電壓經(jīng)過零檢測電路轉(zhuǎn)換為DSP可識別的電信號，再經(jīng)由倍頻鎖相電路送CAP撲捉電壓相位，從而得到算法所需要的與A相基波電壓同步的正、余弦信號。DSP芯片對采集的電信號進(jìn)行處理計算，得到指令電流信號送到DSP芯片EV模塊的全比較單元，通過設(shè)置相應(yīng)寄存器的值來產(chǎn)生PWM脈沖輸出?？刂齐娐返暮诵氖荄SP芯片，大部分的功能都由DSP芯片來實現(xiàn)，如A/D轉(zhuǎn)換及控制、電壓基本相位捕捉、電流信號處理、數(shù)字濾波

69、、PI調(diào)節(jié)以及PWM控制信號的產(chǎn)生等任務(wù)都將由DSP芯片承擔(dān)。</p><p>　　圖3-2 控制電路結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　3.3.2 DSP芯片簡介</p><p>　　本設(shè)計采用的DSP芯片為TMS320F2812，TMS320F2812是TI公司最新推出的TMS320C28x系列DSP芯片，這是目前市場上最先進(jìn)、功能最強大的32位定點DSP芯片。它既具

70、有數(shù)字信號處理能力，又具有強大的事件管理能力和嵌入式控制功能，特別適用于有大批量數(shù)據(jù)處理的測控場合。它不但運行速度高，處理功能強大，且具有豐富的片內(nèi)外圍設(shè)備，便于接口和模塊化設(shè)計，性價比很高。芯片的指令執(zhí)行速度為20MIPS，一般指令可以在50ns的單周期內(nèi)執(zhí)行完畢。其功能框圖如圖3-3所示。</p><p>　　TMS320F2812 DSP芯片的性能如下：</p><p>　　高性能靜

71、態(tài)CMOS技術(shù)。主頻，指令周期約為6.67ns；低功耗(核心電壓為1.8，電壓為3.3)；Flash編程電壓為3.3。</p><p>　　圖3-3 TMS320F2812 DSP芯片功能框圖</p><p>　?。?）JTAG邊界掃描支持。</p><p>　?。?）高性能的中央處理器。位和位的乘累加操作或位兩個乘累加操作；哈佛總線結(jié)構(gòu)；迅速的中斷響應(yīng)處理；統(tǒng)一的

72、寄存器編程模式；可達(dá)4兆字的線性程序總線和4兆字的數(shù)據(jù)總線；代碼高效(用C/C++或匯編語言)。</p><p>　?。?）片上存儲器。位的Flash存儲器；位的單口隨機存儲器(SRAM)；位的OTR型只讀存儲器。</p><p>　?。?）帶有軟件BOOT模式和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)學(xué)表的位只讀存儲器。</p><p>　?。?）多達(dá)1MB的外部存儲器接口。</p>

73、<p>　?。?）時鐘與系統(tǒng)控制。支持鎖相環(huán)頻率的動態(tài)改變；片內(nèi)振蕩器；看門狗定時器模塊。</p><p>　?。?）三個外部中斷。</p><p>　?。?）保護(hù)Flash/OTP和L0/L1 SARAM的128位密匙。</p><p>　　（10）可支持96個外部中斷的外部中斷擴展(PIE)模式。</p><p>　?。?1）

74、3個32位CPU定時器。</p><p>　　（12）兩個事件管理器(EVA、EVB)。</p><p>　?。?3）串行外圍設(shè)備。串行外圍接口(SPI)；兩個串行通信接口(SCIs)；改進(jìn)的局域網(wǎng)絡(luò)(eCAN)；多通道緩沖串行接口(McBSP)和串行外圍接口模式。</p><p>　?。?4）12位的ADC，16個模擬輸入通道。</p><p&

75、gt;　　（15）最多56個獨立的可編程、多用途通用輸入輸出(GPIO)引腳。</p><p>　　（16）低功耗模式和節(jié)能模式。支持空閑模式、等待模式、掛起模式；停止單個外圍時鐘。</p><p>　　3.4 檢測與調(diào)理電路設(shè)計</p><p>　　3.4.1 電流信號檢測調(diào)理電路</p><p>　　電流信號的檢測采用型號為TA1321-

76、3K的交流電流互感器，其輸入額定電流為20A，輸出額定電流為10mA，采樣頻率可達(dá)20kHz。電流信號檢測與調(diào)理電路的電路圖如圖3-4所示。</p><p>　　圖3-4 電流信號檢測調(diào)理電路</p><p>　　檢測到的交流電流信號通過電阻變換為V的交流電壓，然后通過放大器將其提升為0-3V，以便送入DSP芯片的ADC模塊。</p><p>　　為電流互感器輸出的

77、電流，額定值為10mA，信號通過第一級運算放大器輸出為，所以取可使輸出為V；電容起補償相移作用，由式，取為；同時為了防止電壓超過1.5V，在電路中并聯(lián)了兩組二極管來鉗位電壓。取，信號輸出電流就可滿足需要，輸出可達(dá)到0-3V的范圍。</p><p>　　3.4.2 電壓信號檢測調(diào)理電路</p><p>　　主電路直流側(cè)電容兩端電壓在系統(tǒng)運行過程中需要一直保持穩(wěn)定的電壓值，為了對其進(jìn)行控制，需

78、將電壓信號送入DSP芯片，使其參與到計算過程[11]。</p><p>　　直流側(cè)電壓信號檢測調(diào)理電路如圖3-5所示。</p><p>　　圖3-5 直流側(cè)電壓信號檢測調(diào)理電路</p><p>　　采用霍爾式電壓傳感器CHV-50P進(jìn)行電壓檢測，其額定輸入電流為10mA，額定輸出電流為50mA，變比為5000：1000。傳感器輸出電流經(jīng)電阻得到電壓信號，此電壓信號約

79、為V，由于為額定輸出電流，故取。將電壓信號送入運算放大器，由于取，放大器放大倍數(shù)為2，輸出電壓信號為0-3V，滿足DSP芯片ADC模塊輸入要求。為了防止超過輸入量程3V，加3V穩(wěn)壓管進(jìn)行鉗位。</p><p>　　3.4.3 采樣觸發(fā)信號提取電路</p><p>　　基于瞬時無功功率理論的法諧波計算中，所需要的、由存儲器里的預(yù)先計算好的并轉(zhuǎn)化為Q15格式的數(shù)據(jù)表來提供，而A相電位為數(shù)據(jù)表提

80、供指針復(fù)位信號。由于電網(wǎng)頻率不是嚴(yán)格的50Hz，所以需要一個過零比較強來實現(xiàn)每一周期的零點定位。具體實現(xiàn)方法是將與A相同步的工頻50Hz128倍頻后，作為采樣觸發(fā)信號送DSP輸入捕獲單元CAP2口，CAP2口捕獲該信號的上升及下降沿用于采樣啟動。整個采樣觸發(fā)信號提取電路由過零電壓檢測電路和倍頻鎖相電路組成。如圖3-6為采樣觸發(fā)信號提取電路。</p><p>　　倍頻鎖相電路的原理是通過N分頻反饋環(huán)路，將壓控振蕩器

81、頻率鎖定在輸入信號的N倍上，具體采用鎖相環(huán)芯片CD4046和計數(shù)器芯片CD4040來實現(xiàn)。CD4046采用COMS工藝，是低功耗的單片集成環(huán)路，其主要由相位比較Ⅰ、Ⅱ、壓控振蕩器(VCO)、線性放大器、源跟隨器、整形電路等部分構(gòu)成。CD4040是12位二進(jìn)制串行計數(shù)器，可將輸入信號倍頻輸出，共有12個輸出端，可以根據(jù)頻率需要選擇放大倍數(shù)。實現(xiàn)128分頻時，將CD4046輸出接4口，此時，輸出頻率為。</p><p&g

82、t;　　圖3-6 采樣觸發(fā)信號提取電路</p><p>　　第四章 并聯(lián)型有源電力濾波器的系統(tǒng)仿真</p><p>　　4.1 并聯(lián)型有源電力濾波器檢測系統(tǒng)仿真</p><p>　　諧波檢測通常有根據(jù) p、q 和 ip、iq 兩種運算方式形成的檢測方法。 通過建立仿真模塊并進(jìn)行仿真研究對比，可得到精度較高的諧波檢測模塊。</p><p>　　

83、（1）仿真模型的建立</p><p>　　圖 4-1 為 ip、iq 運算方式諧波檢測 方法的仿真模型。 該檢測模塊主要對三相不可控整流橋輸出負(fù)載</p><p>　　中產(chǎn)生的諧波電流進(jìn)行檢測。 仿真參數(shù)：輸入為三相工頻交流電源，線電壓 380 V，電阻負(fù)載 R=20 Ω。檢測模塊主要由矩陣變換及其反變換、 鎖相環(huán)、低通濾波器等部分構(gòu)成。設(shè)定 a 相電壓初始相角為零，檢測模塊中正弦、 余弦

84、發(fā)生器用來產(chǎn)生與 a 相電壓同相位的正弦、余弦信號。</p><p>　　圖4-1 ip、iq法諧波檢測的仿真模型</p><p><b>　?。?）仿真結(jié)果</b></p><p>　　在三相電壓不平衡的條件下， 取 a 相電壓幅值相位不對稱進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖 4-2~圖 4-4 所示。</p><p>　　圖4

85、-2 電壓非平衡時ip、iq檢測法得到的a相諧波電流</p><p>　　圖4-3 電壓非平衡時ip、iq檢測法得到的a相基波電流</p><p>　　圖4-4 a相基波電流的FFT分析</p><p><b>　?。?）結(jié)果分析</b></p><p>　　為了分析方便，可建立 p、q 檢測法的仿真模型，在實驗

86、參數(shù)相同的條件下進(jìn)行仿真，并對其仿真結(jié)果與 ip、iq 檢測法進(jìn)行分析比較。仿真結(jié)果表明，當(dāng)電網(wǎng)電壓平衡時，2 種算法檢測出的基波電流中諧波含量都在 0.75%左右，諧波含量都較低，即2種算法都能夠準(zhǔn)確地檢測出諧波電流。 但是當(dāng)電網(wǎng)電壓非平衡時，兩者則有較大的區(qū)別：利用 ip、iq 檢測法當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生畸變時，幾乎不會產(chǎn)生檢測誤差，而 p、q 檢測法則不能實現(xiàn)在電網(wǎng)電壓發(fā)生畸變的情況下對諧波電流的準(zhǔn)確測量，原因在于 ip、iq 檢測法中

87、電壓信號的諧波成分在運算過程中是不出現(xiàn)的。</p><p>　　4.2 并聯(lián)型有源電力濾波器控制系統(tǒng)仿真</p><p>　?。?）仿真模型的建立與參數(shù)選取</p><p>　　用 MATLAB 的 Smilink 對有源濾波器控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，建立仿真模型如圖 4-5 所示；仿真參數(shù)選取為：交流側(cè)相電壓 220 V；輸出濾 波電感 10 mH；直流側(cè)電容值為

88、470 μF；采用三相不控整流型阻性負(fù)載，調(diào)節(jié)負(fù)載電阻阻值為 20 Ω；數(shù)字低通濾波器采用 Butterworth 二階低通濾波器，截止頻率為50 Hz；電流跟蹤采用滯環(huán)比較法，滯環(huán)寬度為 1 A；控制直流側(cè)電壓為 1 000 V。</p><p>　　圖4-5 并聯(lián)型有源電力濾波器仿真模型</p><p><b>　　（2）仿真結(jié)果</b></p>

89、<p>　　系統(tǒng)仿真算法為 ode23 t，相對誤差為 1e-3。 分別對系統(tǒng)直流測電壓控制、補償后系統(tǒng)電流、補償后系統(tǒng)電流與系統(tǒng)電壓相位比較進(jìn)行了仿真分析：直流側(cè)電壓在 0.04 s 后基本處于一個恒定值， 實現(xiàn)了直流側(cè)電壓的恒定控制；補償前電源電流與電源電壓之間存在相位差，而補償后的電源電流雖然仍然存在毛刺，但與電源電壓無相位差并且實現(xiàn)了正弦化，這說明系統(tǒng)功率因數(shù)很高。</p><p><b&

90、gt;　　（3）系統(tǒng)諧波分析</b></p><p>　　利用 MATLAB 電力系統(tǒng)仿真中的 powergui 模塊對負(fù)載電流與補償后的電流進(jìn)行諧波分析，得各變量的諧波含有率和諧波總畸變率如表 1 所示。 說明濾波效果良好。 另外，總諧波畸變率也滿足《公用電網(wǎng)諧波》標(biāo)準(zhǔn)的要求。</p><p>　　從計算機仿真結(jié)果分析來看，采用 ip、iq 諧波檢測的基于 DSP 控制的并聯(lián)

91、有源濾波器系統(tǒng)能夠有效地消除由非線性負(fù)載產(chǎn)生的諧波，大大降低了諧波對電網(wǎng)造成的危害，具有很廣闊的應(yīng)用前景和實用價值。</p><p><b>　　結(jié)束語</b></p><p>　　本設(shè)計主要是對并聯(lián)型有源電力濾波器的一些研究和探討，本文通過對諧波的產(chǎn)生機理和無功電流的補償技術(shù)的提出、諧波和無功電流的產(chǎn)生極其危害進(jìn)行了了解；通過研究有源電力濾波器的諧波檢測理論，特別是

92、基于三相電路瞬時無功功率理論的法和法進(jìn)行了深入研究，在此基礎(chǔ)上探討了有源電力濾波器的控制策略；選定法為諧波檢測方法；確定采用滯環(huán)比較控制法來對補償電流進(jìn)行控制，并通過了解DSP芯片的方面的知識，主要是其能夠?qū)崿F(xiàn)的功能，設(shè)計了基于DSP的并聯(lián)型有源電力濾波器，最后用MATLAD7.0對其檢測模塊和控制模塊進(jìn)行了仿真和分析。</p><p>　　但由于時間的限制和本人能力的欠缺，有很多工作還沒能進(jìn)一步展開，設(shè)計也存在

93、不少缺陷，我認(rèn)為以下方面還需進(jìn)一步的研究。本設(shè)計的有源電力濾波器是針對三相三線制結(jié)構(gòu)的研究，對實際運用中的三相四線制有源電力濾波器沒有進(jìn)行探討，不能很好的聯(lián)系實際生產(chǎn)。工程應(yīng)用中有源電力濾波器的系統(tǒng)保護(hù)是設(shè)計的一個重要組成部分，這方面需要進(jìn)行深入的研究。有源電力濾波器軟件的開發(fā)和調(diào)試存在很多困難，由于時間和個人水平問題沒有細(xì)致的進(jìn)行，需要進(jìn)一步的工作。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b&

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