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电力有源滤波装置控制设计

成 教 学 院 毕 业 论 文
题 目 电力有源滤波装置控制设计

专 姓 学

业 名 号

电气工程及其自动化(本科)

二 O 一五年十月七日

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毕业论文评语
姓 名 题 目 正文字数 11609 字 班级 学号

指导教师评语:

评定成绩

20







指导教师

目录

电力有源滤波装置控制设计

[键入文字]






要 ..................................................................................................................................... 1

ABSTRACT ............................................................................................................................ 2 第一章 谐波产生的机理及其治理 .......................................................................... 3

1.1 谐波产生的机理 .................................................................................................. 3 1.2 谐波的治理 .......................................................................................................... 4 第二章 有源电力滤波器的谐波检测及控制策略 ............................................................... 5 2.1 有源电力滤波器的谐波检测 ............................................................................. 5 2.1.1 瞬时无功功率理论 ................................................................................ 5 2.1.2 三相电路谐波和无功的检测 .................................................................. 7 2.2 有源电力滤波器的控制策略 ........................................................................... 10 2.2.1 有源电力滤波器补偿电流的控制 ........................................................ 10 2.2.2 主电路直流侧电压的控制 .................................................................... 12 第三章 并联型有源电力滤波器的硬件设计 ..................................................................... 13 3.1 系统结构 ........................................................................................................... 13 3.2 主电路设计 ....................................................................................................... 14 3.2.1 主电路参数设计 .................................................................................... 14 3.2.2 开关器件的选取 .................................................................................... 15 3.3 控制电路设计 ................................................................................................... 16 3.3.1 控制电路结构 ........................................................................................ 16 3.3.2 DSP 芯片简介 ......................................................................................... 17 3.4 检测与调理电路设计 ....................................................................................... 19 3.4.1 电流信号检测调理电路 ........................................................................ 19 3.4.2 电压信号检测调理电路 ........................................................................ 20 3.4.3 采样触发信号提取电路 ........................................................................ 20 第四章 并联型有源电力滤波器的系统仿真 ..................................................................... 22 4.1 并联型有源电力滤波器检测系统仿真 ........................................................... 22 (1)仿真模型的建立 .................................................................................... 22 (2)仿真结果 ................................................................................................ 22 (3)结果分析 ................................................................................................ 23 4.2 并联型有源电力滤波器控制系统仿真 ........................................................... 24 (1)仿真模型的建立与参数选取 ................................................................ 24

目录

(2)仿真结果 ................................................................................................ 24 (3)系统谐波分析 ........................................................................................ 25 结束语 ................................................................................................................................... 26 参考文献 ............................................................................................................................... 27

摘要





随着电力电子技术的发展,非线性负载的使用越来越普遍,产生的谐波对电网的危 害日益严重,若不加以控制,将会严重影响整个电网的安全运行,所以对电网谐波进行 补偿越来越重要。有源电力滤波器是一种新型的谐波及无功电流动态补偿装置,与传统 的无源 LC 电力滤波器相比,具有响应速度快、补偿效果好、动态补偿等优点。 本文概述了谐波产生的机理及其治理,并讨论了有源电力滤波器的结构与工作原 理。通过深入研究有源电力滤波器的谐波与无功电流检测方法,对基于三相电路瞬时无 功功率理论的 p ? q 法和 i p ? iq 法的原理进行了分析,由于 i p ? iq 法的优势,选定其为谐波 检测方法;文中还详细分析了有源电力滤波器的控制策略,确定采用滞环比较控制法来 对补偿电流进行控制; 论文还对 DSP 芯片 TMS320F2812 进行了初步的介绍, 在此基础上, 设计出了并联型有源电力滤波器。之后,用 MATLAD7.0 对其进行了仿真和分析。 论文还对本次设计进行了综述,总结了有源电力滤波器的优点,并提出了设计中的 不足之处。 关键词:谐波电流 瞬时无功功率理论 控制策略 DSP 有源电力滤波器

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ABSTRACT

ABSTRACT
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 electric 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 with the traditional passive LC filter, APF has the advantages of fast response, good compensation and dynamic compensation. This article summarizes the harmonic mechanism and management, and discussed the structure and 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 the 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 compensation current. In the pager we introduced DSP chip TMS320F2812. On this basis, I devices APF. After, I use of its MATLAD7.0 are simulated and analyzed.. Finally, This disseration also designs were reviewed, summarized the advantages of active power filter and proposed design deficiencies. Keywords: Harmonic current Control strategy DSP Instantaneous reactive power theory APF

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第一章 谐波产生的机理及治理

第一章 谐波产生的机理及其治理
20 世纪以来,随着科学技术的迅猛发展,电力电子技术也随之不断取得新的突破, 各种家用电器大规模的进入我们的生活以及电力电子器件等非线性负载如逆变器、整流 器和各种开关电源得到广泛的应用,由此产生的谐波对电网的危害日益严重。电力电子 器件开关动作时向电网注入了大量的谐波,使电网中的电流和电压波形严重失真。然而 由于各种电能质量敏感设备,计算机等信息设备及空调、冰箱、电视等家用电器设备的 大量使用,对电能质量的要求也越来越高。由谐波引发的各类故障和事故频发,对生产 生活及国家经济建设产生了很大的负面影响。 由此谐波的研究和治理问题也开始引起人们的广泛关注,谐波的管理、分析和治理 被摆到了十分重要的地位。谐波问题包括谐波分析、谐波检测和谐波抑制等方面,有效 的抑制谐波已经成为保证电网安全、高质量运行的必要措施之一。解决谐波问题的主要 途径有两种:一是对电力电子设备自身进行改进;二是对电网进行谐波补偿。本文主要 研究方向就是对电网进行谐波补偿。

1.1 谐波产生的机理
在理想的干净供电系统中,电流和电压都是正弦波的。在只含线性元件 ( 电阻、 电感及电容 )的简单电路里,流过的电流与施加的电压成正比,流过的电流是正弦 波。用傅立叶分析原理,能够把非正弦曲线信号分解成基本部分和它的倍数。 在电力系统中,谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致。当电流流经负 载时,与所加的电压不呈线性关系,就形成非正弦电流,即电路中有谐波产生。 由于半导体晶闸管的开关操作和二极管、半导体晶闸管的非线性特性,电力系统 的某些设备如功率转换器比较大的背离正弦曲线波形。 谐波电流的产生是与功率转换器的脉冲数相关的。 6 脉冲设备仅有 5 、 7 、 11 、 13、 17 、19 ….n 倍于电网频率。 功率变换器的脉冲数越高,最低次的谐波分量 的频率的次数就越高。其他功率消耗装置,例如荧光灯的电子控制调节器产生大 强度的 3 次谐波 ( 150 赫兹 )。 在供电网络阻抗 ( 电阻 ) 下这样的非正弦曲线电流导致一个非正弦曲线的电 压降。 在供电网络阻抗下产生谐波电压的振幅等于相应谐波电流和对应于该电流 频率的供电网络阻抗 Z 的乘积。 次数越高,谐波分量的振幅越低。 只要哪里有谐波源那里就有谐波产生。也有可能,谐波分量通过供电网络到
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达用户网络。 例如,供电网络中一个用户工厂的运转可能被相邻的另一个用户设 备产生的谐波所干扰。 产生谐波的设备类型:所有的非线性负荷都能产生谐波电流,产生谐波的设 备类型有:开关模式电源 (SMPS) 、电子荧火灯镇流器、调速传动装置、不间断电 源 (UPS) 、磁性铁芯设备及某些家用电器如电视机等。

1.2 谐波的治理
谐波的治理主要有两条途径:一是主动治理,即从谐波源本身出发,使谐波源不产 生谐波或降低谐波源产生的谐波,这只适用于作为主要谐波源的电力电子装置,如有源 功率因数校正技术和 PWM 整流技术;二是被动治理,即设置谐波补偿装置,抵消谐波源 注入电网的谐波,如各种无源、有源滤波器,这对各种谐波源都适用。 电力系统中传统的补偿谐波和无功的装置是 LC 无源电力滤波器,LC 无源电力滤波 器因其既可以补偿无功,又可以抑制谐波而一直被广泛应用。它具有结构简单,投入费 用低,运行成本低,可在很宽的频率范围内呈现为低阻抗,可抑制多个频率的谐波,在 吸收高次谐波的同时补偿无功功率,还具有改善负载功率因数的功能。但由于结构原理 上的原因,LC 无源电力滤波器也存在着滤波补偿特性依赖于电网和负载参数、LC 参数 的漂移会导致滤波特性的改变、具有负的电压调整效应、重量大、体积大和容易同系统 发生谐振的缺点。 由于无源电力滤波装置存在着许多的缺点和不足之处,为了解决这些问题,人们开 始对有源电力滤波技术进行探讨。有源电力滤波器是一种动态抑制谐波和补偿无功的电 力电子装置,它能对频率和大小都变化的谐波和无功进行补偿,可以弥补无源滤波器的 缺点,获得比无源滤波器更好的补偿特性,是一种理想的谐波补偿装置。

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第二章 有源电力滤波器检查及控制策略

第二章 有源电力滤波器的谐波检测及控制策略
2.1 有源电力滤波器的谐波检测
2.1.1 瞬时无功功率理论
瞬时无功功率理论首先于 1983 年由日本学者赤木泰文提出,主要针对三相三线制 电路总谐波的实时检测。 瞬时无功功率理论的核心思想是采用变换矩阵将三相电路的各 相电压和电流瞬时值变换到 ? - ? 正交坐标系,并将电压、电流矢量的点极定义为瞬时 有功功率,电压、电流矢量的叉积定义为瞬时无功功率,如图 2-1 所示。在此基础上发 展出了 p-q 法。

在三相三线电路中,其各相电压和电流的瞬时值为 ea 、 eb 、 ec 和 ia 、 ib 、 ic ,分别
e? , i? , 把它们变换到两相正交 ? - ? 坐标系上, 两相瞬时电压为 e? 、 两相瞬时电流为 i? 、

则:
1 1 ? ? ?ea ? 1 ? ? ? ?ea ? ? 2 2 2 ?e ? ? C ?e ? ? ? 32 ? b ? 3 3 ?? b ? 3? 0 ? ?e ? ? ? ec ? ? ? 2 2 ? ? ?? c ? 1 1 ? ? ?ia ? 1 ? ? ? ?ia ? ? ?i? ? 2 ? ? ? ? 2 2 ? ? ?ib ? ? C32 ?ib ? ?i ? ? 3 3? 3? ? ?? 0 ? ?i ? ? ?ic ? ? ? 2 2 ? ? ?? c ? 1 1 ? ? 1 ? ? ? ? 2 2 2 ? ? 3 3? 3? 0 ? ? 2 2 ? ? ? ?e? ? ?e ? ? ? ??

(2-1)

(2-2)

其中 C32 ?

定义瞬时有功功率 p 和瞬时无功功率 q:
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? ? ? ? ? p ? i? ? e? ? i? ? e? ? ? ? ? ? q ? i? ? e? ? i? ? e?

(2-3) (2-4)

? 式中, q 的正方向与 ? 、 ? 轴组成相互垂直的右手坐标系,如图 2-2 示。
从数学上推导可知,基于瞬时无功功率的 p-q 法使用需要满足 ea ? eb ? ec ? 0 或
ia ? ib ? ic ? 0 ,也就是说 p - q 法仅适用于三相对称的情况。

在 p - q 法的基础上,补充定义瞬时有功电流 i p 和瞬时无功电流 iq ,衍生出 i p ? iq 法。 在图 2-2 所示 ? - ? 坐标系上,矢量 e? 、 e? 和 i? 、 i? 分别可以合成为旋转电压矢量 e 和 电流矢量 i 。

三相电路瞬时有功电流 i p 和瞬时无功电流 iq 分别为矢量 i 和矢量 e 在其法线上的投 影。

i p ? i cos?
iq ? i sin ?
式中 ? ? ?e ? ?i 。 瞬时有功功率 p 和瞬时无功功率 q 可表示为: p ? eip
q ? eiq

(2-5) (2-6)

(2-7) (2-8)

在 ? - ? 平面内, p 、 q 可表示为: ?i? ? ? p ? ?e? e? ? ?i? ? ? ? C pq ? ? ? q ? ?e ? e ? ?i ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ?i? ?
6

(2-9)

第二章 有源电力滤波器检查及控制策略

?e? 式中 C pq ? ? ?e?

e? ? ? e? ? ?

三相电路各相瞬时无功电流 iaq 、 ibq 、 icq 是 ? 、 ? 两相瞬时无功电流 i? q 、 i? q 两相到 三相变化得到的,瞬时有功电流 iap 、 ibp 、 icp 是 ? 、 ? 两相瞬时有功电流 i? p 、 i? p 通过两 相到三相变化得到的。

T ? 式中 C23 ? C32

? ? 1 2? 1 ?? 3? 2 ? 1 ?? ? 2

?iap ? ?i?p ? ? ? i ? C ? 23 ? ? bp ? ?i?p ? ?icp ? ? ? ?iaq ? ?i?q ? ? ? i ? C ?i ? bq 23 ? ? ? ?q ? ?icq ? ? ? ? 0 ? 3 ? ? 2 ? 3? ? ? 2 ?

(2-10)

(2-11)

p - q 法和 i p ? iq 法都是以三相电路瞬时无功功率理论为基础的谐波检测法,对于三

相三线制电路,不论三相电压、电流是否对称, p - q 检测法检测结果都有误差,只是 误差的情况有所不同,而 i p ? iq 法检测结果不受电压波形畸变的影响,检测结果较准确。

2.1.2 三相电路谐波和无功的检测
(1) p - q 检测法 ea eb ec
e?

C32

e?

ia ib ic

p C32Cpq q

LPF LPF

p q

Cpq C23

-1

iah + ibh + ich +

-

图 2-3 p - q 检测法原理框图
p - q 检测法原理框图如图 2-3 所示,图中 LPF 为低通滤波器(Low Pass Filter)。 p - q 检测法以三相电路瞬时无功功率理论为基础,根据定义计算出 p 、 q ,经 LPF 得到
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p 、 q 的直流分量 p 、 q 。电网电压无畸变的时候, p 由基波有功电流与电压作用所产

生, q 由基波无功电流与电压作用所产生,于是根据 p 、 q 经矩阵逆变换可以计算出被 检测电流 ia 、 ib 、 ic 的基波分量 iaf 、 ibf 、 icf 。将 ia 、 ib 、 ic 与 iaf 、 ibf 、 icf 相减,即可得 到 ia 、 ib 、 ic 的谐波分量 iah 、 ibh 、 ich 。由于该检测法中三相电压信号也参与到计算中, 故三相电压的变化会影响谐波电流的检测,当三相电压对称且无畸变时, p - q 检测法 能检测出全部的谐波和无功电流,但当电网电压波形发生畸变时,检测结果将会发生误 差,影响电路的检测精度。所以 p - q 检测法仅适用于三相电压对称的谐波和无功电流 检测。 (2) i p ? iq 检测法 在实际电网运行中,三相电压通常不对称且有畸变,所以应用 p - q 检测法检测谐 波会有误差, 为此, 通过对 p - q 检测法进行改进提出了 i p ? iq 检测法[6]。 如图 2-4 为 i p ? iq 检测法原理框图。 ea
sin ? ?t t sin

PLL

cos? ?t t cos

ia ib ic

C32

C

LPF LPF

C-1

C23 -

+ +

+

iah ibh ich

图 2-4 i p ? iq 检测法原理框图 图中 PLL 为锁相环电路(Phase Lock Loop)。该检测法以计算 i p 、 iq 为出发点,把式 (2-7)和式(2-8)代入式(2-9)的左边有: ?eip ? ?e? e? ? ?i? ? ? ei ? ? ?e ? e ? ?i ? ? ?? ? ? ? q? ? ? 将 e 移到等式的右端,得: ?i p ? 1 ?e? ?i ? ? ?e ? q? e ? ?

(2-12)

e? ? ?i? ? ? ? ? e? ? ? ?i? ?

(2-13)

若电网电压波形无畸变,设电网三相对称电压:

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第二章 有源电力滤波器检查及控制策略

? ? ea ? 2 E1 sin ?t ? 2? ? ) ?eb ? 2 E1 sin(?t ? 3 ? ?ec ? 2 E1 sin(?t ? 2? ) ? 3 ?

(2-14)

式中 E1 是电网电压基波即电网电压有效值; ? 是电源角频率。 将式(2-14)进行三相到两相变换: ?e? ? ? sin ?t ? ?e ? ? 3E1 ? ? ?? cos?t ? ? ?? 被检测电流为:
? ? i ? 2 I n sin(n?t ? ? n ) ? a ? n ?1 ? ? 2? ? ) ? ?n ] ?ib ? ? 2 I n sin[n(?t ? 3 n ?1 ? ? 2? ?i ? 2 I n sin[n(?t ? ) ? ?n ] ?c ? 3 n ?1 ?

(2-15)

(2-16)

将式(2-16)进行三相到两相变换:

? ? ? ? ? I n sin(n?t ? ?n ) ? ?i? ? n?1 ? ?i ? ? 3 ? ? ? ? ? ? ? ? I cos( n ? t ? ? ) ? n n ? ? ? n?1 ?
式中 n ? 3k ? 1 时取 ?, n ? 3k ? 1 时取 ? 。 按 p ? q 运算方式,将式(2-15)和式(2-17)代入式(2-9)得:

(2-17)

? ? ? I n cos[( 1 ? n)?t ? ?n ] ? ? ? p ? ? n?1 ? ? q ? ? 3E1 ? ? ? ? ? ? ? I sin[( 1 ? n ) ? t ? ? ] ? n n ? ? ? n?1 ?
p 、 q 经 LPF 滤波得:

(2-18)

? p ? ? E1I1 cos(??1 )? ? q ? ? 3? E I sin(?? ) ? ? ? ? 11 1 ?
此时, e2 ? 3E12 ,和式(2-15)代入式(2-13)得: ?i p ? ? sin ?t ? cos?t ? ?i? ? ?i ? ? ? ?? ? ? q ? ?? cos?t ? sin ?t ? ?i? ?

(2-19)

(2-20)

与 p ? q 检测法相比, i p ? iq 检测法用锁相技术对 a 相基波电压的相位进行提取,代 替系统相电压,所以该算法的检测结果不受电压波形畸变的影响。而且将基波分量变换 到零频率处,用数字低通滤波器提取基波信号可以消除模拟低通滤波器的相位问题,且
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不会造成对有些频率分量的增大或衰减。 上述两种方法均可适用于三相三线制电路,当电网电压无畸变时,两者皆可检测出 谐波电流。但当电网电压波形发生畸变时, p ? q 检测法的检测结果会出现误差,因为 该检测法中电压信号参与了计算,所以电压信号有任何变动都会影响运算的结果,直接 影响到检测的效果。而 i p ? iq 检测法只提取了与电压信号同相位的正弦信号 sin ?t 和余弦 信号 cos?t 参与运算,电压信号的谐波成分在运算过程中不出现,因而检测结果不受电 压波形畸变的影响,能够充分保证检测结果的准确性。

2.2 有源电力滤波器的控制策略
2.2.1 有源电力滤波器补偿电流的控制
目前有源电力滤波器补偿电流的控制方法主要有以下几种:三角载波比较法、滞环 比较控制法、电压矢量控制法、滑模变结构控制法等。其中三角载波比较法和滞环比较 控制法是应用最多的两种方法。 (1) 三角载波比较法。三角载波比较法是最简单、常用的一种 PWM 控制方式,如 图 2-5 所示为其比较原理图。 比较器
ic?
ic
? ?ic

A

+ 三角波

PWM 信 号

图 2-5 三角载波比较法原理图 该方法通过将调制后的实际补偿电流 ic 与电流指令信号 ic? 的偏差 ?ic? 经放大器 A 放 大后,与高频三角调制波进行实时比较,从而得到不同时刻逆变器的开关状态,使逆变 器输出端获取需要的波形。 采用三角载波比较法的优点是电力电子器件的开关频率是固 定的,有利于简化器件的选择和器件保护的设计,而且动态响应好,实现电路简单,对 高开关频率的系统具有较好的控制特性。但由于逆变器始终处于高频工作状态,输出波 形中含有与三角载波同频率的高频畸变分量, 开关损耗较大, 在大功率应用中受到限制。 (2) 滞环比较控制法。滞环比较控制法的原理图如图 2-6 所示。

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第二章 有源电力滤波器检查及控制策略

滞环比较器
ic?
? ?ic

PWM 信号
ic

图 2-6 滞环比较控制法原理图 滞环控制是一种简单的 bang-bang 控制,它预先给定一个允许误差,在补偿对象与 滤波器输出之差超过这个允许误差时,主电路功率开关器件动作。电流滞环比较控制的 基本思想是实际电流与指令电流的上、 下限相比较, 交点作为开关点, 在指令电流的上、 下限形成一个环带。 在该方式中, 补偿电流指令信号 ic? 与实际电流信号 ic 的偏差 ?ic? 作为
? ? ? 时,比较器输 滞环比较器的输入,设滞环比较器的高低阀值分别为 ? 和 ? ? ,当 ?ic

? ? 出高电位;当 ?ic ? ?? 时,比较器输出低电位;当 ? ? ? ?ic ? ? 时,保持原值。通过驱动

信号来控制主电路开关器件的通断,从而控制补偿电流的变化,使补偿电流保持在滞环 带内,围绕其参考值做上下波动[7]。 由于通常滞环带的宽度是固定的,而开关器件的开关频率是变化的,当 ic 变化的范 围较大, ic 值小时,固定的环宽可能使补偿电流的相对跟随误差过大; ic 值大时,固定 的环宽可能使器件的开关频率过高,甚至超过器件的工频导致器件损坏。为了避免上述 缺点,可采用定时控制的滞环比较控制法,其原理如图 2-7 所示。 时钟信号 滞环比较器
ic?
? ?ic

PWM 信号
ic

图 2-7 定时控制的滞环比较控制原理图 采用定时控制的滞环比较控制,是加入了一个时钟定时控制比较器,每个时钟周期 对误差进行一次判断,这样控制开关器件的时钟信号需要至少一个时钟周期才变化一 次,那么器件的最高开关频率不会超过时钟频率的一半。这种 PWM 控制器的结构简单, 对电路参数的变化不敏感,动态响应快,逆变器的开关频率由滞环比较器的带宽和时钟 频率决定。

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2.2.2 主电路直流侧电压的控制
有源电力滤波器的主电路是一个电压型变流器,按照 PWM 控制规律,变流器的直流 侧电容电压必须保持恒定,从而提供一个稳定的电压基准。但在实际运行中由于系统存 在损耗和补偿电流的变化,电容电压会产生衰减或大的波动。对主电路直流侧电压的控 制可由图 2-8 来实现。 ea PLL
sin ? t

Uref PI Uc

cos?t

ia ib ic

C32

C

LPF LPF

C-1

C23

iah + ibh + ich + -

-

图 2-8 具有直流侧电压控制环的基准电流计算原理图
U c 是实际的直流侧电压。 U ref 是直流侧电压的给定值, 图中, 此控制的基本思想是:

把 U ref 与 U c 之差通过 PI 调节后得到调节信号 ?i p ,将 ?i p 叠加到瞬时有功电流的直流分 量 i p 上,经运算使指令电流信号包含一定的有功电流,使有源电力滤波器的补偿电流包 含一定的基波有功电流分量,从而使有源电力滤波器的直流侧和交流侧交换能量,将直 流侧电压调节到给定值。

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第三章 并联型有源电力滤波器的硬件设计

第三章 并联型有源电力滤波器的硬件设计
3.1 系统结构
并联型有源电力滤波器通过向电网注入一个与检测到的谐波和无功电流反相位的 补偿电流,以使电源侧电流波形近似为正弦波,从而消除了谐波和无功电流对电网中其 他设备和继电保护装置的影响。 并联型有源电力滤波器的硬件结构相对复杂, 整个系统一般由以下几个部分组成[8]: 检测与调理电路,主要功能是将电网中的强电信号转换成为弱电信号,并将之调理成适 合 DSP 输入要求范围的电信号;DSP 控制电路,由 DSP 芯片构成的控制电路是整个控制 系统的核心,其功能是完成 A/D 转换、指令信号的运算、反馈信号的处理和 PWM 信号的 生成;主电路,主电路由三相桥式逆变电路组成,它的功能是根据 DSP 控制电路发出的 PWM 脉冲信号来控制逆变器开关器件的通断时间,发出符合要求的补偿电流到电网中。 并联型有源电力滤波器的硬件结构图如图 3-1 所示。
非 线 性 负 载

电流检测 测 量 电 压 DSP控制电路 PWM信号 电流调理 倍频锁相 电路 过零检测 电路

图 3-1 并联型有源电力滤波器硬件结构图

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广东石油化工学院毕业设计:有源电力滤波器的设计

3.2 主电路设计
3.2.1 主电路参数设计
(1)主电路容量。 并联型有源电力滤波器的容量:
S A ? 3EIc

(3-1)

式中 E 是 APF 交流侧电压的有效值, I c 是补偿电流的有效值。有源电力滤波器与谐 波负载并联连接,其交流电压时相同的,因此主电路容量主要由补偿电流的大小决定, 也就是由补偿对象的容量和补偿目的决定。 当有源电力滤波器只补偿谐波时,有 I c ? I Lh 。由于补偿对象为三相桥式整流电路, 其 I Lh ? 25%I L ,故此有源电力滤波器的容量 S A 约为补偿对象容量的 25%。 当有源电力滤波器在补偿谐波时,还补偿无功功率,则: 2 2 I c ? I Lh ? I Lfq 则有源电力滤波器容量 S A 与补偿对象容量 S L 之比为:
2 2 I Lh ? I Lfq

(3-2)

SS I c ? ? SL I L

IL

? I Lh ? ? ?I ? L

I Lfq ? ? ? 2 2 ? ? ?? ?1 ? I I ? ? ? 0.25 ? (1 ? cos? max ) L ? ? ?

2

2

(3-3)

故有源电力滤波器同时补偿谐波和无功功率时,要求其容量比只补偿谐波时大,且 与三相整流电路最大触发角有关。 (2)直流侧电压的选取。 有源电力滤波器正常工作时,输出的补偿电流在指令电流的两侧呈锯齿波形状跟随 其变化,对于 A 相有:

dica 1 ? ( KaU dc ? ua ) dt L 当 ica 小于 A 相指令电流,则 K a 取 1 3 或 2 3 。若取 Ka ? 1 3 ,则: dica 1 1 ? ( U dc ? ua ) dt L 3 为使实际补偿电流 ica 更好的跟随指令电流, ica 必须增大,则有: dica ?0 dt U dc ? 3ua

(3-4)

(3-5)

(3-6) (3-7)

也就是主电路直流侧电压应大于电网连接点相电压的 3 倍。在此数值以上,直流侧 电压越大,补偿电流跟随性能越好,但开关器件的耐压要求也越高,因此要综合考虑。 (3)直流侧电容的选取。
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第三章 并联型有源电力滤波器的硬件设计

设直流侧电压为 U dc ,允许的电压波动比率为 ? ,则电压波动的最大值 U dc max 和最小 值 U dc min 应为:
U dc max ? (1 ? ? )U dc U dc min ? (1 ? ? )U dc

(3-8)

在一个电源周期内,电容中能量改变的平均速率为:
2 2 Q ? 2Cf (U dc max ? U dc min )

(3-9) (3-10)

有源电力滤波器的容量为 S A ,为了保证电容电压波动在允许范围内:
2 2 2Cf (Udc max ? U dc min ) ? S A

即:

C

? ?

2 f (U

SA 2 f [(1 ? ? ) 2 ? (1 ? ? ) 2 ] SA ? 2 8 fU dc

A 2 dc max

S

2 ? U dc min )

(3-11)

(4)交流侧电感的选取。 交流侧电感的选取必须满足有源电力滤波器对补偿电流跟踪性能的要求,所以电感 不能过大,电感过大会使跟踪电流变化缓慢,导致跟踪电流和参考电流之间误差较大。 但电感选择过小, 虽然动态响应快, 但实际补偿电流对于期望补偿电流具有较大的超调, 容易造成系统振荡,工作不稳定。以 A 相为例,直接给出交流侧电感的计算公式: 1 1 (3-12) (U sam ? U dc ) ? L ? (U sam ? U dc ) ?ia max f s ?ia min f s 式中,?ia max 是实际补偿电流最大变化率时对应的电流增量;?ia min 是实际补偿电流 最小变化率时对应的电流增量; f s 是有源电力滤波器的开关频率;U sam 是电源电压的峰 值。

3.2.2 开关器件的选取
目前有源电力滤波器主电路中使用的全控型器件主要有 GTO(门极关断晶闸管)、 MOSFET(功率厂效应管)和 IGBT(绝缘栅双极晶体管)。GTO 通态压降低、容量大,但是其 关断时间长、工作频率低且开关损耗较大;MOSFET 驱动功率很小、开关速度快,但是其 通态压降和通态阻抗较大, 耐压水平低, 适合小功率场合; IGBT 综合了两种器件的优点, 开关速度快、驱动功率小且饱和压降低,故此 IGBT 相较而言较优。为了简化设计,实 际电路中选取由 IGBT 构成的智能功率模块(Intelligent Power Module,简称 IPM)为功 率器件。 智能功率模块是以 IGBT 为内核的先进混合集成功率器件,它采用微电子技术和先 进的制造工艺,把功率器件与驱动电路集成在一起,而且内部还封装了逻辑控制电路、
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广东石油化工学院毕业设计:有源电力滤波器的设计

故障检测电路和各种保护电路,能实现过压保护、过流保护、过热保护和控制电源欠压 保护等功能,并且可以将检测到的故障信号送到 DSP 芯片做中断处理。IPM 由高速低功 耗的管芯和优化的门极驱动电路及快速保护电路组成,即使发生负载事故或使用不当, 也可保护 IPM 自身不受到损害。IPM 具有以下特点: (1) 开关速度快。 IPM 内的 IGBT 芯片都选用高速型, 而且驱动电路紧靠 IGBT 芯片, 驱动延时小,所以 IPM 开关速度快,损耗小。 (2)低功耗。IPM 内部的 IGBT 导通压降低,开关速度快,故 IPM 功耗小。 (3)快速的过流保护。IPM 实时检测 IGBT 电流,当发生严重过载或直接短路时, IGBT 将被软关断,同时送出一个故障信号。 (4) 过热保护。 在靠近 IGBT 的绝缘基板上安装了一个温度传感器, 当基板过热时, IPM 内部控制电路将截止栅极驱动,不响应输入控制信号。 (5)桥臂对管互锁。在串联的桥臂上,上下桥臂的驱动信号互锁。有效防止上下 臂同时导通。 (6)抗干扰能力强。优化的门极驱动与 IGBT 集成,布局合理,无外部驱动线。 (7)驱动电源欠压保护。当低于驱动控制电源(一般为 15V)就会造成驱动能力不 够,增加导通损坏。IPM 自动检测驱动电源,当低于一定值超过 10μ s 时,将截止驱动 信号。 (8)内藏相关的外围电路,缩短开发时间。 (9)无须采取防静电措施。 (10)大大减少了元件数目,整个主电路体积相应小。

3.3 控制电路设计
3.3.1 控制电路结构
控制电路的结构图如图 3-2 所示,待采集的点信号经过检测电路的检测,并由调理 电路调理得到 DSP 芯片输入范围要求内的信号, 将信号送入 DSP 芯片的 ADC 模块进行 A/D 转换。 A 相电压经过零检测电路转换为 DSP 可识别的电信号, 再经由倍频锁相电路送 CAP 扑捉电压相位,从而得到算法所需要的与 A 相基波电压同步的正、余弦信号。DSP 芯片 对采集的电信号进行处理计算, 得到指令电流信号送到 DSP 芯片 EV 模块的全比较单元, 通过设置相应寄存器的值来产生 PWM 脉冲输出。控制电路的核心是 DSP 芯片,大部分的 功能都由 DSP 芯片来实现,如 A/D 转换及控制、电压基本相位捕捉、电流信号处理、数 字滤波、PI 调节以及 PWM 控制信号的产生等任务都将由 DSP 芯片承担。

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第三章 并联型有源电力滤波器的硬件设计

A 相过零 检测

电压、电流检测

主电路

sin ?t

? cos?t

ADC

PWM 控制 Udref Ud 指令信号 生成模块 PI

DSP 图 3-2 控制电路结构框图

3.3.2 DSP 芯片简介
本设计采用的 DSP 芯片为 TMS320F2812 , TMS320F2812 是 TI 公司最新推出的 TMS320C28x 系列 DSP 芯片, 这是目前市场上最先进、 功能最强大的 32 位定点 DSP 芯片。 它既具有数字信号处理能力,又具有强大的事件管理能力和嵌入式控制功能,特别适用 于有大批量数据处理的测控场合。它不但运行速度高,处理功能强大,且具有丰富的片 内外围设备,便于接口和模块化设计,性价比很高。芯片的指令执行速度为 20MIPS,一 般指令可以在 50ns 的单周期内执行完毕。其功能框图如图 3-3 所示。 TMS320F2812 DSP 芯片的性能如下: (1) 高性能静态 CMOS 技术。主频 150 MHz ,指令周期约为 6.67ns;低功耗(核心 电压为 1.8 V , I / O 电压为 3.3 V );Flash 编程电压为 3.3 V 。

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片内存储器: FLASH:128K×16 位 SRAM:18K×16 位 TMS320F2812@150MHz BOOT ROM:4K×16 位 OTP ROM:1K×16 位 片上外设: PWM 输出:12 通道 QEP 输入:6 通道 RS232/RS4 85/RS422 A/D 输入:16 通道 驱 动 SCI 串口:2 通道 SPI 串口:1 通道 McBSP:1 通道 4 通道 D/A SRAM

RTC+EEPRO M

USB2.0

DSP 总线

扩展总线(数据、地址、SPL、McBSP) 图 3-3 TMS320F2812 DSP 芯片功能框图 (2)JTAG 边界扫描支持。 (3)高性能的中央处理器。16?16位和 32?32 位的乘累加操作或 16?16位两个乘累 加操作;哈佛总线结构;迅速的中断响应处理;统一的寄存器编程模式;可达 4 兆字的 线性程序总线和 4 兆字的数据总线;代码高效(用 C/C++或汇编语言)。
18 K ? 16 位的单口随机存储器(SRAM); (4) 片上存储器。 8K ?16 位的 Flash 存储器;

1K ?16位的 OTR 型只读存储器。
(5)带有软件 BOOT 模式和标准数学表的 4K ?16 位只读存储器。 (6)多达 1MB 的外部存储器接口。
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第三章 并联型有源电力滤波器的硬件设计

(7)时钟与系统控制。支持锁相环频率的动态改变;片内振荡器;看门狗定时器 模块。 (8)三个外部中断。 (9)保护 Flash/OTP 和 L0/L1 SARAM 的 128 位密匙。 (10)可支持 96 个外部中断的外部中断扩展(PIE)模式。 (11)3 个 32 位 CPU 定时器。 (12)两个事件管理器(EVA、EVB)。 (13)串行外围设备。串行外围接口(SPI);两个串行通信接口(SCIs);改进的局 域网络(eCAN);多通道缓冲串行接口(McBSP)和串行外围接口模式。 (14)12 位的 ADC,16 个模拟输入通道。 (15)最多 56 个独立的可编程、多用途通用输入输出(GPIO)引脚。 (16)低功耗模式和节能模式。支持空闲模式、等待模式、挂起模式;停止单个外 围时钟。

3.4 检测与调理电路设计
3.4.1 电流信号检测调理电路
电流信号的检测采用型号为 TA1321-3K 的交流电流互感器, 其输入额定电流为 20A, 输出额定电流为 10mA, 采样频率可达 20kHz。 电流信号检测与调理电路的电路图如图 3-4 所示。
D1 D2

D3 C1 R1
4

D4

R4

15V
1

Ia

1.5V

R3

8

3 1 2
4

2 3

Ia1

R2
8

-15V

R5

图 3-4 电流信号检测调理电路 检测到的交流电流信号通过电阻变换为 ?1.5 V 的交流电压, 然后通过放大器将其提
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升为 0-3V,以便送入 DSP 芯片的 ADC 模块。
I a 为电流互感器输出的电流,额定值为 10mA,信号通过第一级运算放大器输出为

U out ? I a ? R1 ,所以取 R1 ? 150? 可使输出为 ?1.5 V ;电容 C1 起补偿相移作用,由式
C1 ? 4500 ?R1 (?F ) ? 0.096?F ,取 C1 为 0.1?F ;同时为了防止电压超过 1.5V,在电路中

并联了两组二极管来钳位电压。取 R2 ? R3 ? R4 ? R5 ? 1K? ,信号输出电流就可满足需要
I a1 ? 1.5 ? I a ? R1 ,输出可达到 0-3V 的范围。

3.4.2 电压信号检测调理电路
主电路直流侧电容两端电压在系统运行过程中需要一直保持稳定的电压值,为了对 其进行控制,需将电压信号送入 DSP 芯片,使其参与到计算过程[11]。 直流侧电压信号检测调理电路如图 3-5 所示。
V+ R6
1 2

15V

15V
R2
3 1 2
8

CHV-50P
V4

3

R5

Vout

5

-15V R1

R3

4

R4 D1

图 3-5 直流侧电压信号检测调理电路 采用霍尔式电压传感器 CHV-50P 进行电压检测, 其额定输入电流为 10mA, 额定输出 电流为 50mA,变比为 5000:1000。传感器输出电流经电阻 R1 得到电压信号,此电压信 号约为 I ? R1 ? 1.5 V, 由于 I 为额定输出电流, 故 R1 取 30? 。 将电压信号送入运算放大器, 由于取 R2 ? R3 ? R4 ? 10K? ,放大器放大倍数为 2,输出电压信号为 0-3V,满足 DSP 芯 片 ADC 模块输入要求。为了防止超过输入量程 3V,加 3V 稳压管 D1 进行钳位。

3.4.3 采样触发信号提取电路
基于瞬时无功功率理论的 i p ? iq 法谐波计算中,所需要的 sin ?t 、 cos?t 由存储器里 的预先计算好的并转化为 Q15 格式的数据表来提供,而 A 相电位为数据表提供指针复位 信号。 由于电网频率不是严格的 50Hz, 所以需要一个过零比较强来实现每一周期的零点 定位。具体实现方法是将与 A 相同步的工频 50Hz128 倍频后,作为采样触发信号送 DSP 输入捕获单元 CAP2 口,CAP2 口捕获该信号的上升及下降沿用于采样启动。整个采样触 发信号提取电路由过零电压检测电路和倍频锁相电路组成。如图 3-6 为采样触发信号提 取电路。 倍频锁相电路的原理是通过 N 分频反馈环路,将压控振荡器频率锁定在输入信号的 N 倍上,具体采用锁相环芯片 CD4046 和计数器芯片 CD4040 来实现。CD4046 采用 COMS
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第三章 并联型有源电力滤波器的硬件设计

工艺,是低功耗的单片集成环路,其主要由相位比较Ⅰ、Ⅱ、压控振荡器(VCO)、线性 放大器、源跟随器、整形电路等部分构成。CD4040 是 12 位二进制串行计数器,可将输 入信号倍频输出,共有 12 个输出端,可以根据频率需要选择放大倍数。实现 128 分频 时,将 CD4046 输出接 4 口,此时,输出频率为 f0 ? 128? fi ? 128? 50 ? 6.4kHz 。
VCC

R4
16 11

5V

CD4040
4

10

1

R3 C3
1 2

Uo

Ua

R1

3

4

8

R2

C1

14

3

4

6

7

8

5

CD4046
16 9 13

VCC

R5 R6 C2

图 3-6 采样触发信号提取电路

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广东石油化工学院毕业设计:有源电力滤波器的设计

第四章 并联型有源电力滤波器的系统仿真
4.1 并联型有源电力滤波器检测系统仿真
谐波检测通常有根据 p、q 和 ip、iq 两种运算方式形成的检测方法。 通过建立 仿真模块并进行仿真研究对比,可得到精度较高的谐波检测模块。

(1)仿真模型的建立
图 4-1 为 ip、iq 运算方式谐波检测 方法的仿真模型。 该检测模块主要对三相不可 控整流桥输出负载 中产生的谐波电流进行检测。 仿真参数:输入为三相工频交流电源,线电压 380 V, 电阻负载 R=20 Ω 。检测模块主要由矩阵变换及其反变换、 锁相环、低通滤波器等部 分构成。 设定 a 相电压初始相角为零, 检测模块中正弦、 余弦发生器用来产生与 a 相 电压同相位的正弦、余弦信号。

图4-1

ip、iq法谐波检测的仿真模型

(2)仿真结果
在三相电压不平衡的条件下, 取 a 相电压幅值相位不对称进行仿真,仿真结果如 图 4-2~图 4-4 所示。

22

第四章 并联型有源电力滤波器的系统仿真

图4-2

电压非平衡时ip、iq检测法得到的a相谐波电流

图4-3

电压非平衡时ip、iq检测法得到的a相基波电流

图4-4

a相基波电流的FFT分析

(3)结果分析
为了分析方便,可建立 p、q 检测法的仿真模型,在实验参数相同的条件下进行仿 真,并对其仿真结果与 ip、iq 检测法进行分析比较。仿真结果表明,当电网电压平衡 时,2 种算法检测出的基波电流中谐波含量都在 0.75%左右,谐波含量都较低,即2种 算法都能够准确地检测出谐波电流。 但是当电网电压非平衡时,两者则有较大的区别: 利用 ip、iq 检测法当电网电压发生畸变时,几乎不会产生检测误差,而 p、q 检测法 则不能实现在电网电压发生畸变的情况下对谐波电流的准确测量,原因在于 ip、iq 检 测法中电压信号的谐波成分在运算过程中是不出现的。

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广东石油化工学院毕业设计:有源电力滤波器的设计

4.2 并联型有源电力滤波器控制系统仿真
(1)仿真模型的建立与参数选取
用 MATLAB 的 Smilink 对有源滤波器控制系统进行仿真分析,建立仿真模型如图 4-5 所示;仿真参数选取为:交流侧相电压 220 V;输出滤 波电感 10 mH;直流侧电 容值为 470 μ F;采用三相不控整流型阻性负载,调节负载电阻阻值为 20 Ω ;数字低 通滤波器采用 Butterworth 二阶低通滤波器,截止频率为50 Hz;电流跟踪采用滞环比 较法,滞环宽度为 1 A;控制直流侧电压为 1 000 V。

图4-5

并联型有源电力滤波器仿真模型

(2)仿真结果
系统仿真算法为 ode23 t,相对误差为 1e-3。 分别对系统直流测电压控制、补偿 后系统电流、 补偿后系统电流与系统电压相位比较进行了仿真分析: 直流侧电压在 0.04 s 后基本处于一个恒定值, 实现了直流侧电压的恒定控制;补偿前电源电流与电源电 压之间存在相位差,而补偿后的电源电流虽然仍然存在毛刺,但与电源电压无相位差并 且实现了正弦化,这说明系统功率因数很高。

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第四章 并联型有源电力滤波器的系统仿真

(3)系统谐波分析
利用 MATLAB 电力系统仿真中的 powergui 模块对负载电流与补偿后的电流进行谐 波分析, 得各变量的谐波含有率和谐波总畸变率如表 1 所示。 说明滤波效果良好。 另 外,总谐波畸变率也满足《公用电网谐波》标准的要求。

从计算机仿真结果分析来看,采用 ip、iq 谐波检测的基于 DSP 控制的并联有源 滤波器系统能够有效地消除由非线性负载产生的谐波,大大降低了谐波对电网造成的危 害,具有很广阔的应用前景和实用价值。

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广东石油化工学院毕业设计:有源电力滤波器的设计

结束语
本设计主要是对并联型有源电力滤波器的一些研究和探讨,本文通过对谐波的产生 机理和无功电流的补偿技术的提出、谐波和无功电流的产生极其危害进行了了解;通过 研究有源电力滤波器的谐波检测理论,特别是基于三相电路瞬时无功功率理论的 p ? q 法和 i p ? iq 法进行了深入研究,在此基础上探讨了有源电力滤波器的控制策略;选定
i p ? iq 法为谐波检测方法;确定采用滞环比较控制法来对补偿电流进行控制,并通过了

解 DSP 芯片的方面的知识,主要是其能够实现的功能,设计了基于 DSP 的并联型有源电 力滤波器,最后用 MATLAD7.0 对其检测模块和控制模块进行了仿真和分析。 但由于时间的限制和本人能力的欠缺,有很多工作还没能进一步展开,设计也存在 不少缺陷,我认为以下方面还需进一步的研究。本设计的有源电力滤波器是针对三相三 线制结构的研究,对实际运用中的三相四线制有源电力滤波器没有进行探讨,不能很好 的联系实际生产。工程应用中有源电力滤波器的系统保护是设计的一个重要组成部分, 这方面需要进行深入的研究。有源电力滤波器软件的开发和调试存在很多困难,由于时 间和个人水平问题没有细致的进行,需要进一步的工作。

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参考文献

参考文献
[1] 王兆安,杨君,刘进军.谐波抑制和无功功率补偿[M].机械工业出版社,2006 [2] 孙荣旗,屈原勇.电力系统谐波的测量及其控制方法[J].电工技术杂志,2004(10): 68-71. [3] 周 林 , 庄 华 , 张 凤 , 粟 秋 华 . 三 相 有 源 电 力 滤 波 器 控 制 方 法 的 研 究 [J]. 高 电 压 技 术,2007,33(3),152-155. [4] 郭涛,陈东华,谢少军.基于 DSP 的数字控制并联电力有源滤波器.电力系统及其自动化 学报,2005,17(5),90-93. [5] 袁燕,王汉桥.电力电子技术.中国电力出版社,2009 [6] 韩丰田.TMS320F281xDSP 原理及应用技术.清华大学出版社,2009 [7] 苏荃峰,吕强,耿庆锋,陈圣俭.TMS320F2812 原理与开发[M].电子工业出版社,2006.3 [8] 杨 君 , 王 兆 安 , 邱 关 源 . 并 联 型 有 源 电 力 滤 波 器 直 流 侧 电 压 的 控 制 . 电 力 电 子 技 术,1996,4,48-50. [9] 吴天明,赵新力,刘建存.MATLAB 电力系统设计与分析[M].国防工业出版社,2007.2 [10] 姜齐荣,赵东元,陈建业.有源电力滤波器——结构·原理·控制.科学出版社.2005

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