（電氣工程專業(yè)論文）數(shù)字式有源電力濾波器諧波檢測和控制方法研究(1).pdf

重慶人學碩卜學他論文q i 文摘蛩 摘要 隨著諧波問題的h 益嚴重，采用有源電力濾波器補償諧波足個重要的發(fā)展趨 勢。模擬控制是有源電力濾波器的傳統(tǒng)控韋l 方式，擰制的靈活性不高，修改不乃便， 精度不高。隨著目前d s p 技術的e 速發(fā)展，性價比越水越高，數(shù)字化控制有取代傳 統(tǒng)模擬控制的趨勢。囚而本文就d s p 用于a p f 的檢測和控制進行了研究。 首先，本文對f 1 日ij 、i 用非常廣泛的基于瞬時無功功率理論的諧波檢測方法進行 了分析和探討，總結了這種方法同前最新的改進方法，分析了它的小足和存在的問 題，在此基礎卜，結合d s p 的實際特點，綜合運用平均功率理論和能量甲衡理論， 從a p f 控制的根小目的山發(fā)，提m 了適合于d s p 數(shù)字運行的諧波檢測方法。推導 出了其在單相電路、二相3 線制電路和三相四線制電路中的控制方程。該方法其有 直觀簡單，通用性強的優(yōu)j ? h 最后的補償效果受檢測延遲的影, l j j d 、，幾乎不受電壓 波形畸變的影響，可以按照需要對無功功率進 1 ：補償。 其次，根據(jù)推導卅的諧波榆測方法，充分利用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 型d s p 器件的 優(yōu)勢，靈活運用d s p 中斷功能，采用a p f 的全數(shù)字化控制方式，用c 語言和匯編 語言混合開發(fā)出了d s p 的源程序，浚源程序能靈活根據(jù)可調的采樣點數(shù)自建i f 弦函 數(shù)表，同剛實現(xiàn)了a d 采樣、指令電流計算、電壓過零點捕獲、跟蹤電壓頻率和相 位、p w m 波形輸出、p w m 波形死區(qū)生成、d a 轉換等多種功能。該源程序通過了 實驗電路板的調試，其功能均能在實驗電路板上實現(xiàn)。 根據(jù)d s p 榆測控制的需要，設計了檢測信號提升放大電路以滿足d s p 的a d 信號榆測要求、自行設計了信號源用于a d 實驗。設計了方波發(fā)生電路用于電壓過 零t l 捕獲。為方便該d s p 與其他的p w m 發(fā)生電路起運用，設計了精度較高的 d a 轉換電路。這些電路的功能均通過實驗得到了驗證。 關鍵詞：有源電力濾波器，令數(shù)字化控制，諧波檢測，d s p 英文摘要 a b s t r a c t a sh a r m o n i cc o n t a m i n a t i o ni si n c r e a s i n g l ys e v e r e ，t h ei n 訂o d u c t i o no fa c t i v ep o w e r f i l t e r ( a p f ) i sa ni m p o r t a n td e v e l o p m e n tn n d t h ea n a l o gc o n t r o lm e t h o do fa p fi sn o t f l e x i b l ea n dt h ep r e c i s i o ni sn o tp e r f e c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fl o wp r i c ea n dh i g h p e r f o r m a n c ed s pt e c h n o l o g y , d i g i t a lc o n t r o lm e t h o di sr e p l a c i n gt h et r a d i t i o n a la n o l o g c o n t r o lm e t h o d ，s ot h i sd i s s e r t a t i o nm a i n l yr e s e a r c h e sh o wt h ed s pc a nb eu s e di na p e f i r s t l y , s o m en o v e lh a r m o n i cd e t e c t i n gm e t h o d sb a s e do ni n s t a n t a n e o u sr e a c t i v e p o w e r ( i r p ) t h e o r ya r ei n t r o d u c e di nt h i sd i s s e r t a t i o n a n de m p h a s e sa r ep l a c e do nb a s i c p r i n c i p l e s ，a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fd i f f e r e n tm e t h o d s t h e n ，an o v e lh a r m o n i c d e t e c t i o nm e t h o dw h i c hs u i t sd s pw e l li si n t r o d u c e d i tr o o t sf r o ma v e r a g ep o w e rt h e o r y a n de n e r g yb a l a n c et h e o r y t h ec o n t r o lf u n c t i o n su s e di ns i n g l ep h a s e c i r c u i t ，t h r e e p h a s e t h r e e w i r ec i r c u i ta n dt h r e e p h a s ef o u r - w i r ec i r c u i ta r ed e v e l o p e dw i t ht h i sm e t h o d i ti s s i m p l e ，i n t u i t i o n i s t i ca n du n i v e r s a l t h ed e t e c t i o nd e l a ya n dt h ed i s t o r t i o no fv o l t a g e w a v e f o r m si n f l u e n c et h ec o m p e n s a t i n gr e s u l t ss l i g h t l y , a n dt h er e a c t i v ep o w e ro ft h e c i r c u i tc a nb ec o m p e n s a t e da sr e q u i r e d s e c o n d l y , as o u r c e , p r o g r a mo fd s p i sw r i t t e no u ti nca n dc o m p i l el a n g u a g eb a s e d o nt h en e wm e t h o dm e n t i o n e da b o v e i tt a k e sf u l la d v a n t a g eo ft h et m s 3 2 0 l f 2 4 0d s p a n di t sa l i p u r p o s ei n t e r r u p t s t h ea p fi sc o n t r o l l e di nf u l ld i g i t a lw a y a n dt h ep r o g r a m c a l lb u i l ds i n et a b l ea u t o m a t i c a l l y w i t ht h ep r o g r a m ，t h et a s k ss u c ha sa dt r a n s f o r m a t i o n ， o r d e rc u r r e n tc a l c u l a t i o n ，c a p t u r i n gt h ec r o s s z e r op o i n t so fv o l t a g e ，e x p o r t i n gp w m w a v e f o r m s d at r a n s f o r m a t i o na n ds oo na i lc a nb ei m p l e m e n t e d t h ep r o g r a mi st e s t e d o ne x p e r i m e n t a lb o a r ds u c c e s s f u l l ya n da l lt h et a s k sa r ef i n i s h e dp e r f e c t l ya sw e l l m o r e o v e r , i no r d e rt os a r i s f yt h ed e m a n do fd s pc o n t r o l ，a na di n t e r f a c ec i r c u i ti s d e s i g n e dt ou p g r a d ea n dm a g n i f yt h ei m p o r ts i g n a l s as i g n a ls o u r c ec i r c u i ti sd e s i g n e dt o t e s tt h ea dc i r c u i t s a n dac r o s s z e r oc o m p a r e dc i r c u i ti sb u i l tt oc a p t u r et h ec r o s s z e r o p o i n t so fv o l t a g e a l lt h ec i r c u i t sm e n t i o n e da b o v ea r er e a l i z e da n dt e s t e ds u c c e s s f u l l y k e y w o r d s ：a c t i v ep o w e rf i l t e r , f u l l d i g i t a lc o n t r o l ，h a r m o n i cd e t e c t i o n ，d s p 】緒論 1 緒論 1 1 諧波的危害 i 皆波是公認的“電力公 ；”。1 9 2 0 一1 9 3 0 乍i b j ，德h 就已提出靜態(tài)整流器產生 的波形畸變問題，劍r5 【卜_ 6 04 j 代由j i 商址白。流輸電技術的發(fā)展，發(fā)表了柯關 受流器引起電力系統(tǒng)特波問題的人量論文。7 0 年代以來，隨著電力電子技術的飛 速發(fā)展，特別是功率半導f _ x 器件和變流技術的發(fā)展，各種電力電予裝霞在軍事、j 業(yè)、，| ：活及高新技術領域獲得了趟術越一泛的應 j ，并帶來了系列的問題：如諧 波、電磁輻射等 “，鑒十i 皆波的諸多危主，以及諧波污染的h 益嚴重，兇而對諧波 題的研究是非常亞要和緊迫的。諧波的危害主耍表現(xiàn)在以下幾個方面： 諧波使公用它網(wǎng)中i i ；j g a f 。! t - 了附加的喈波損耗，降低丁發(fā)電、輸電及刖電 發(fā)備的效率，人量的3 衫i 諧波通過中性線時會使線路過熱甚至發(fā)生火災。 諧波影響各種電t 設備的n i 常l 作、諧波對電機的影n q 除引起附j j u 損耗外， 還會產生機械振動、噪聲和過r l xj 矗，使變i _ i 器局, 4 1 5 重過熱。諧波會使電窬器、電 纜等發(fā)備過熱、絕緣老化、壽命縮短以下?lián)p壞。 諧波會引起公h 電網(wǎng)t 1 。局部的j i ：q * 諧振和串連諧振，從而使諧波放大，這使 一l 述、的危害大大增加毖仝引起嚴重習 故。 諧波會引起繼電保護和自動裝胃誤動作，使電能計量出現(xiàn)混亂。 對電力系統(tǒng)外部，諧波對通信設備和電子設備會產。l - 嚴重干擾。 研究諧波還在于電，j 電子技4 自身發(fā)腮的j 7 i 要。電力電r 技術足末來科學技術 發(fā)展的重要支柱。然而，電力叱，裝。爵所j 二生的諧波污染已成為阻碟其發(fā)展的重大 障礙，它迫使電力電r f 領域的研究人員必須對諧波剛題進行更為有效的研究。有效 地抑制諧波，可以推動電電子技術的發(fā)展，刖剛，電力電予技術的進步，也會促 使諧波抑制技術的提高。 1 2 諧波的抑制方式 鑿波抑制主要有兩利t 途徑： ：動型，即從裝置本身出發(fā)，設i t - 玎c 產q i 諧波的變 流器，但這種方法需要對現(xiàn)有電力r 乜子設備進行大規(guī)模更新，代價較大，并且只適 用丁作為主要諧波源的l 乜力i t a 了裝置，因此有一定的局限性；被動型，即外加濾波 器，比如在 乜j 系統(tǒng)中加l c 濾波器，或存裝置的l 乜網(wǎng)側加7 i 源濾波裝置等，這種 方法則適j 于各種諧波源和低助率i 劃數(shù)設箭，并目方法翰印，已得劍廣泛應削。 裝設諧波補償裝胃的傳統(tǒng)。法址采刖l c 澗諧濾波器。這種方法既可補償諧波， 義可補償尤功功率，衄且 f ，構簡帆因此在我一直被廣泛他用。j 主耍缺點是補 緒論 償特性受i 乜刎阻抗和運行狀態(tài)影響，易和系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振，導致i 皆波放大致使l c 濾波器過載甚塵燒毀，此外，它j 能補償吲定頻率的i 皆波，補償效果出小越理想。 盡管如此，l c 濾波器仍足當p ) i j 補償諧波的最1 j 要f 段。 日前，諧波抑制的個重要趨勢足樂用有源電j 濾波器( a c t i v ep o w e rf i l l e r ， 6 a 稱a p f ) ：仃源電j 濾波器也是一種 乜力乜了裝胃，其基本原理足從補償對象中 檢測出喈波電流，| 補償裝胃產生一個ij 該喈波電流大小相等l 酊極性相反的補償電 流，從而使電網(wǎng)f 乜流只含堆波分爺。這種濾波裝胃能對頻率和幅值都變4 t 1 i , j 諧波進 仃州蹤補償，且補償特。降不受電網(wǎng)i ：1 t 抗的影響，凼而受到廣泛的重視，并且已存門 奉等固獲得了廣泛應劇i 3 , 13 1 1 3 有源電力濾波器的研究現(xiàn)狀和數(shù)字化控制趨勢 近年水隨著電川i 子技術、控制技術和數(shù)g ( p 。- 號處理技術的發(fā)展，特別是g t o 、 i g b t 等白火斷器件的m 現(xiàn)和高性能d s p 芯片i 內應j 玎，有源i 也j 濾波器已經進入實 用階段，存歐美一些田家和f 1 本已經”始人量使刖何源力濾波器米補償電網(wǎng)i + i 的 諧波，以提高電能的質量。我國在有源電力濾波器方面的研究起步比較晚，卣到1 9 8 9 年，j 見聾4 這方面的丈章”，1 9 9 3 年j 見到試驗性：的_ 業(yè)應用實驗。近幾年進行這 方面研究的單位征逐漸增j j u ，卜要集i p 存一些問校和少數(shù)研究機構，以理論研究和 實驗為主，這些研究向的已達劍或接近閆際先進水平。關鍵足蟣| 夾有源電力濾波器 存生產實際q ，的應h j ，提商災際應用水下。宵源電j 濾波器技術的研究 1 前豐要集 中在以p l 4 、方【 i i ”l ： 指令電流分離琿淪的進步m 究 f 首仁葉變換是最些本和常_ l jn 0 鑿波分析與法。其缺點是需要 定的時t h j 采樣并 i j 要進 j 兩次變換、計算量大、實時性小好，因此浚方法難以用1 一有源巾，力濾波器 所要求的實時撿測。，1 木學者力；木泰文等人提出的瞬刊無功j 勾率理論突破j 7 傳統(tǒng)的 以叫i 均值為基礎的j j 率定義，系統(tǒng)地定義了瞬時_ 尢助功率、瞬時有功j j j 率等瞬時功 率量。以該恥論為基礎，川以得 用j 有源電力濾波器的喈波和無功電流的實時檢 測方法，對十諧波和無功補償裝置的研究和丌發(fā)起了極大的推動作用。目前，三相 杠路瞬叫無功功率理論已經成功地應用到二：相_ _ 線制系統(tǒng)爿取得了良好的補償效 果。但瞬時無功助： r - i # 淪也存荷些缺點，如一b 量的物理概念比較模糊，在解決 。b f 統(tǒng)概念和問題叫遄到網(wǎng)雄。所以如何建屯更為完善的能為人家所接受的功率 定義和理淪，還? 聹要做出史多努力。小文就燼j 瞬時無功功二挈砰論的喈波檢測方法 進行了分析和探i , i ，總結九亥方法存征的不足平| j 最新的一些改進方法。莉二此基礎卜 提mj 。種適用0 id s p 控制的新型諧波榆測辦法，分別存第二j 草和第三常進行了詳 細介紹。 1 緒論 降低補償裝岢的蜜! 山 。有源電j 濾波器的價格要遠遠高】- 同容苗的無溯i 濾波器，為降低補償裝自1 n 勺投資，主要辦法就址降低有源l u 力濾波器的容量。日j u 的】要思路是將有源電j 濾波器和無源濾波器混合使用用無源濾波囂濾除諧波源巾主要的諧波電流，j 有 源電力濾波器來提r 白總休的補償效聚，還有學者提出其它方法，如汁入回路與式等 等，其卡要日的也足阡低有源濾波器的容量，但尚未進入實喇階段。 補償裝置的多功能化 有源電) j i ：j 2 波器本身除能補償諧波外，通過侄控制電路l ：加以改造還可以補償 基波無功、i n 壓閃變以及 乜壓的1 ：平衡等功能。囪關這部分的研究也引起許多學存 的戈心并取得了i t 多的研究成聚。 魍) 控制系統(tǒng)的數(shù)寸：化趨勢 傳統(tǒng)的柯源電力濾波器采 j 的是摸擬控制系統(tǒng)，模擬控制不儀 乜路復雜成本高 向且控制性能小佳。為了改善仃源電力濾波器的控制性能，仃八丌始使用單片機對 有源電力濾波器進行擰制。單片機的應j 玎使柯源電力濾波器f _ 數(shù)字化邁進了一步， 但是由 ? 受啦尸l 機運算速度的限制，汁算粕度和控制實時性都受到了很大影響。隨 著高速數(shù)據(jù)處理芯片d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 功能f 1 趨強人，以d s p 為主控芯 銣a p f 逐漸代簽單片機控韋0 的a p f 成為a p f 研究的一種趨勢。 世界上第一j i 單hd s p 芯片足1 9 7 8 午a m i 公司 宣4 1 1 的$ 2 8 1 1 ，1 9 7 9 年美罔i n t e l 公司宣斫j 誕q ：的商用可編程器件2 9 2 0 足d s p 芯片的一個重要要咀稃碑。這兩種芯 片內部都沒有蜆代d s p 芯片所必宵的單周劃乘法器。1 9 8 0 年，r 本n e c 公到推出 的m p d 7 7 2 0 是第片l 有乘法器的向門】d s p 芯片。之后最成j 勻f l , 9d s p 芯片當數(shù)美 l 習德州儀器公司( t e x a si n s t r u m e n t s ，翰稱t i ) 的。系列產i 協(xié)，w 公司在1 9 8 2 年成 j 力推出奠第一代d s p 芯片t m 8 3 2 0 1 0 及其系列產晶t m s 3 2 0 1 1 、t m s 3 2 0 1 0 c 1 4 c 17 等如今，t i 公司的d s p 產i 鋪已經成為當今世界卜最有影響力的d s p ，二品。t i 公 司已經成為世界上最大的d s p 芯j j 供應商，其d s p 市場l 與有譬i ! i 全球份額的5 0 以上 1 6 - 1 9 1 。 自從2 0f u 紀8 0 年代初d s p 芯片艇7 t - 以束，d s p 芯”得到了飛速的發(fā)展。日自n d s p 芯片的價格越耙睦低，。障能價格比h 益提高，具何巨人的應_ j 潛力。d s p 芯片 的應j l j ：要有信號處刪、通信、語音、幽形、罔象、軍事、儀器儀表、自動控制、 醫(yī)療和家_ l i 電器等領域：隨著高述d s p 越來越廣泛的應片j ，采用d s p 來控制有源 乜力濾波器逐漸成為一種趨勢“j jrj e 獨特的數(shù)掘處理優(yōu)勢，將它川于a p f 的補償 指令電流計算以及別自流側i 乜容的總電眍控制已經成了現(xiàn)在a p f 研究和設i i 的酋 選。同時， ij id s p 兒乎舀二各行齊、f p l | 均有應劇，所以對基j ：d s p 控制的a p f 研 究也i ，1 以皿l 深列d s p 的認u ，為令1 i i 的研宄上們二 jf 基礎。 l 緒淪 擊11t i 公- dd s p 芯片發(fā)j _ 2 芝比較表l 6 1 t a b l e1 1d e v e l o p m e n ta n dc o f f l p a r i s o n t a b l eo f t i d s p 年份 1 9 8 21 9 9 21 9 9 92 0 0 2 制造 藝 4p a m n m o s 0 8 , m c m o s0 3 p m c m o s 018 m n c m o s 處理速度 5 m 印s4 0 m 口s1 0 0 m l p s1 6 0 m 口s 頻率 2 0 m h z8 0 m h z1 0 0 m h z1 6 0 m h z r a m1 4 4 字l k 字3 2 k 字6 4 k 字 r o ml5 k 寧 4 k 寧1 6 k 字 3 2 k 字 價格 $ 1 5 0 0 0$ 1 50 0$ 50 0 $ 2 5 0 0 $ 5 0 0 一$ 2 5 0 0 功耗2 5 0 m w m 口s1 25 m w ，m i p s0 4 5m w ，m i p so 0 5m w ，m | p s 和傳統(tǒng)的模擬控制方法相比，采用d s p 數(shù)字控釗的有源電力濾波器主要有以下 優(yōu)勢： 運算速度快。由于通常的d s p 都具有2 0 m i p s 以上的指令執(zhí)fj ：速度，用柬 計算潴波和無功指令電流的延遲很小，可以在較短的時問內實現(xiàn)復雜的控制算法。 編捍方便。d s p 系統(tǒng)中的可編程芯片i 叮以使設計人員在，1 + 發(fā)過程中靈活方 便的對軟r i ：進行修改和升級。 穩(wěn)定。降好。d s p 系統(tǒng)以數(shù)字處理為基礎，受叫、境溫度以及電磁干擾的影響 較小，可靠性高。 精度高。1 6 位數(shù)字系統(tǒng)可以達到1 0 的5 次方的精度。 可重復性好。模擬系統(tǒng)的性能受元什參數(shù)件能變化影響比較人，而數(shù)字系統(tǒng) 基奉不受影響，因此數(shù)字系統(tǒng)便于測試、調試和大艦模生產。 集成方便。d s p 系統(tǒng)中的數(shù)字部什有高度的規(guī)范性，便于大枷模集成。 記憶功能強。通常的數(shù)寧處理元件都有存儲單元，可以對一些歷史數(shù)據(jù)保存、 分析和處理，而且這種處理速度非?？焖伲@一點足模擬器件無法比擬的，所以很 多需要歷史數(shù)扼的場合，數(shù)字器什就表現(xiàn)出巨大的優(yōu)越性，比如目前的神經網(wǎng)絡算 法、快速傅市葉變換法，山于在運算時涉及至0 歷史數(shù)據(jù)，一般都使用數(shù)字器件完成 相應的功能。 采用d s p 控制的有源r 乜力濾波器在具體實現(xiàn)上有兩大趨勢：一種是d s p 將計 算出的指令電流通過d f a 送給外部電流跟蹤挖制電路，由電流跟蹤控制電路來產生 丌關p w m 信號；另外種是證d s p 中實現(xiàn)數(shù)字控制算法，通過i ol j 或者p w m 口白：接發(fā)出 關控偉吖擊弓。前一種力法在應用巾比較靈活，乜流控制可以采取滯環(huán) 控制、三角波控制、守州矢量控制以及單周控制等多利決策】。后一種方法電流控 制t 要采用j 角波控制與空州矢量控制策略。后一種方法受采村頻率的約束，即 4 1 緒滄 p w m 波形的輸h 頻率與a d 信號采樣頻率相等，同前d s p 的采樣頻率已經可以做 得很高，所以如果采用這種傘數(shù)7 化的控制方法，其硬件電路會比第一種方法簡單， 因此，本論文采用的是全數(shù)字化的控制方式。 1 4 數(shù)字式a p f 的基本工作原理 幽1 1d s p 控制的a p f 土也路 f i g l1m a i nc i r c u i to f a p fc o n t r o l l e db yd s p 如圖1 1 所示，a p f 采用令數(shù)字化的控制方式。指令電流的檢測和指令電流的 控制全部在d s p 內部宄成，首先愴測負載的= 三4 h 電流瞬時值，將經霍爾電流傳感器 檢測得到二相電流的模擬信號經過相應的調理電路和a d 轉換電路送入d s pl 寸， d s p 按照采h j 的指令電流訓算方法計算山指令電流值，同時還檢測三相電壓中的a 捆電壓，由于采用的算法中不要求采樣i 乜壓值，只需要電壓的頻率和千h 位信號，所 以采用傳統(tǒng)的電爪傳感器，將電版?zhèn)鞲衅饔軠y到的信號輸入卜匕壓過零檢測電路中， 電壓過零榆測電路山此生成和過零_ 同步的方波信號，輸入d s p 的c a p 3l 】，d s p 通過中斷方式使用此過零信號作為算法巾使用到的i f 咳表值的復位信號。另外電路 還檢測a p f 主電路直流側的電爪值，將此電壓倩通過a d 變換輸入d s p 中，以通 過在指令電流信號中加入直流側電壓控制分量的方式控制直流側電壓大小和該電膻 的穩(wěn)定。將計算出的指令電流通過= 三角波比較的方法計算出每一周期 個”關管的 導通時| , a j * l l 時序，將相應的導通時刪值賦值給d s p 外硐模塊的事件管理器模塊，事 件管理器模塊根據(jù)相應的導通時問，l 成p w m 波形，浚波形輸md s p 以控制l p m 模 塊r r f 各i g b t 的導通和火斷，使a p f 卜電路的電流值自動、快速、準確的跟蹤指令 乜流信號，從而使a p f 電路的電流值與負載乜流值存疊加之后生成與各相電壓i 刊 1 緒論 頻同相的m 弦波值，最終實現(xiàn)a p f 治理諧波和補償無功的同的。 1 5 本文所做的工作 存刈d s p 內部結構、編程與法和a p f 作原理深入學習的基礎上，本文列d s p 用十a p f 的檢測和挎制進行了研究。 首先，論文刈目的應用a r 常廣泛的皋_ r 瞬時尢功功率理論的諧波檢測方法進行 了分析和探| 寸，總結了這種方法日i 口最新的改進與濁，分析了它的不足和存在的問 題，住此基礎上，結合d s p 的實際特t i ，綜合運用平均功率理論和能量甲銜理論， 從a p f 控制的根本日的出發(fā)，捉u j 了適合于d s p 數(shù)字運行的諧波榆測方法，推導 h 了這種方法存單相電路、二相三線制電路和= 相四線制電路中的控制方程。分析 了該方法的時叫延遲列補償效果的影響問題。這種新方法具自簡單直觀，通用性強 的優(yōu)點，最后的補償效果受檢測延遲的影響較小，幾乎彳i 受l u 膻波形畸變的影響， 可以按照需要對無j j j 功率逍行補償。 其次，根據(jù)推導出的諧波檢測新方法，充分利鵬t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 型d s p 器件 的優(yōu)勢，運用d s p 中斷功能，采片ja p f 的全數(shù)字化控制方式，用c 語言和匯編語 言混合開發(fā)了a p e 的源程序，該源程序能靈活根據(jù)可調的采樣點數(shù)自建征弦函數(shù) 表，和通常的于工輸入查表值方法相比更加準確靈活，并且小影響程序e 常運行的 實時性。該源程j 手能i 一時文現(xiàn)a d 采樣、指令電流計算、i 乜k 過零點捕獲、跟蹤電 瓜頻；謄和相位、p w m 波形輸出、p w m 波形死區(qū)生成、d a 轉換等多種功能。源程 序通過了實驗電路板的淵試其功能均能在實驗電路板上實現(xiàn)。 根據(jù)d s p 檢測控制的需要，本文設計了槍洲信號提升放大電路以滿足d s p 的 a d 信號檢測要求：自行設計了信號源用ra d ：其驗：設計j 療波發(fā)生電路用于電 j 1 i 過零點捕獲，對避免過零點捕獲誤中斷的j 、u j 題總結了一定的實踐經驗：為方便調 試和將該d s p 控制電路l j 其他的p w m 發(fā)牛電路一起運用，引入了精度較高的d a 轉換電路。運用新型諧波榆測法和相應的外圍硬件電路，論文對鑿波檢測進行了實 驗研究，實驗結果表明，新型諧波檢洲法可以比較準確實時的進行諧波檢測，能夠 為a p f 提供正確的指令電流信號。指令電流和負載電流疊加后的波形為與電j 1 i 同頻 同相的標準正弦波。這符合a p f 的最終補償目的。文巾給出了誤差分析和實驗波形。 需要說明的足，小丈給出的波形除了特別說明為仿真波形外的波形都為史驗波 形，其中顯示模擬信號采用的示波器為t e k 示波器，在波形圖左上角有“t e k ”標 志，當同h 、顯示多種波形時，為區(qū)別起見，示波器采用不同的顏色顯示，在采j f j 黑 白于j 印的論文中顯示的波形顏色比較淺f 如圖5 8 ) 。顯示數(shù)字波形時，筆者在d s p 源程序q ，沒計了一數(shù)字示波器，通過d s p 淵試軟件可以以圖形的方式看到d s p 內 部的數(shù)字信號及其變化( 如圖3 3 ) 。 2 摹7 t 媾叫無功功缸理論的惜波榆洲新方法 2 1 引言 2 基于n n , d 無功功率理論的諧波檢測新方法 指令電流的計算和指令電流的跟蹤是實現(xiàn)a p f 雖關鍵的兩人問題，首先分析指 令電流計算的算濁u 題。合理選擇諧波電流檢測方法是實現(xiàn)有源電力濾波器功能的 關鍵。近年米關于諧波榆測這一問題出現(xiàn)了人量的研究文章，這些文章提供的方法 無非兩種：時域法利頻域法。在這些方法中，快速傅立葉變換法能計算基波無功、 有功和各次諧波分量，但運算至少需要一個工頻周期的延叫：同步信號檢測法需要 先檢測出基波電壓正序分量，才能檢測基波電流正序分量；基于空f u j 欠量的榆測法 需要根掘帶通濾波器的特性及所檢測的基波或諧波次數(shù)選擇州應的旋轉角，來改善 低通濾波器的檢測精度，不具有通用件：基十自適應的諧波 乜流檢測技術，能及時 跟隨觜波變化而調整濾波參數(shù)，對諧波變化不敏感，但運算環(huán)霄多，只能檢測基波 或某諧波分量。i ，g x , j 而育，摹丁瞬時無功功率理論的諧波電流檢測方法則應用最 為廣泛。文 2 3 1 對傅寺葉變換、卡爾曼濾波變換和瞬時無功功率理論進行了對比仿 真分= j i ，發(fā)現(xiàn)電源頻率的變化對瞬剛無功功率理論的影響足最小的，瞬時無功功率 理論檢測法能夠更有效的協(xié)調好諧波l 乜流檢測精度和檢測實叫性的矛盾。 1 9 8 4 年，f 1 本學省h a k a g i 等提出了非正弦條件卜- 的瞬時無功功率理論，并迅 速將其應用于電力系統(tǒng)諧波檢測中。目前，針對該理論的研究已非常深入，是e 2 , i a 波實時檢測的主要方法。該方法琿論上l t ，以檢測出除基頻分超外的所有高頻分量， 司時還iq 檢測出無功電流分量，它同剛適用于三梢三線制和j l 目四線制。a b b 等公 司已經將此類算法用于電氣產品的”發(fā)?； 瞬叫無功功率理論有3 種諧波檢測方 法：p q 法、i 。一i 。法和由法，文 2 4 1 對p q 法運算力式進行了詳細的分析，指 出使用p q 法測量電網(wǎng)電壓畸變時的諧波會存在較大誤差。這種誤差主要是源丁畸 變的電壓參勺了整個算法運算的原因。而采用璀于i 。一i 。法運算方式的檢測方法可 以很好的解決這一問題。目前i 。一i 。法運算方式和在其媾礎j j 完善的改進方法應用 最為廣泛。 i ，i 。法檢測三桐電路諧波和無功電流的原理如圖2 1 所示，圖中p l l 為鎖相環(huán) 電路( p h a s el o c k l o o p ，簡。j 為p l l ) 。與基j 妒變換的p - - q 法相比，i 。一i v 法因為 只提取a 牛h 電網(wǎng)r 乜壓“。的s i n ( o r 和一c o sg o t 。因而其結果不受電網(wǎng)電壓波形崎變的影 響。需用到的ja 相電網(wǎng)電壓“。同相位的正弦信號s i ng o t 和對應的余弦信弓一c o s ( o 山 個鎖十n j 4 , p l l 和個i 一、余弦信號發(fā)生電路得到。根掘定義可以計算h i 。， 經l p f 濾波徊m i 。、i 。的甑流分曼i 。i ，再經過一定的變換，就可以得到二二相電 2 旗丁瞬時無功功率理論的諧波檢測新方泣 流的基波分量，。、j 目、0 ，最后求h = 相諧波電流f ，k 、t 。 f 曲 ，m z 柚 【型21 叢j _ i ，一? 。法f 向諧波檢洲4 瑪i 理l g j f i 9 21p r i n c i p l eo fh a r m o n i cd e t e c t i o nb a s e do n 1 p iq m e t h o d 以i 。- - 。法為代表的瞬時無功功率理論的突出優(yōu)點是實現(xiàn)電路比較簡單，延遲 少，具有很好的實時性。但是這種方法在實際應用時也存在一些問題，比如低通濾 波器的選擇問題、喈波檢測出現(xiàn)的時m 延遲問題、計算量較大的問題、矢量變換比 較復雜的問題等等，特別是目j u 數(shù)字控制有取代傳統(tǒng)模擬控制的趨勢，如何讓這種 算法更好的適應以d s p 為代表的數(shù)字器什的要求是一個需要研究的課題?，F(xiàn)在很多 文獻對這些問題進行r 研究并提出了一些改進方法，其中某些方法其有定的實用 性和啟發(fā)意義。 2 2 基于瞬時無功功率理論諧波檢測法的改進方法 22 1 引入并行檢測方式 在工程實際r r i ，特別是在諧波榆測r j 如果能具體分離出某次諧波，則對電路的 改進和諧波的治理會有更大的指導意義。同時單獨使用a p f 存存初期投資大，運行 效率低等缺點，而p f 和a p f 的混合系統(tǒng)則能充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢。但是p f 只能 對特定次喈波邊行治砰，因而分離m 具體次諧波是非常必要的。3 芒1 2 5 1 住i 。法的 基礎卜提出了一種對任意指定次數(shù)的鑿波電流進行檢測的算法。 竺小臥匪困 墮 l 糾22 新算法對5 玖i 皆波榆洲的原刪幽 f i 9 2 2p r i n c i p l eo fd e t e c t i n g5 t hh a r m o n i cu s i n gn e wa l g o r i t h m 重慶人7 孚碩l “學f _ 論文 傳統(tǒng)的i ，。法是壤電，j 系統(tǒng)巾的基波頻率基本為一f 日值，并， ：考慮基波的 動態(tài)過程而給山的，基于二這假定以及博屯葉級數(shù)，也視各次喈波頻率基本為一恒 定值，m 此，經億頻后剛p l l 獲得需要檢測的某次諧波頻棗值，經過旋轉變換，就 可得到旋轉坐標e 的該次諧波的幅值。電路原理圖如圖2 2 所示。 j a p f 需要補償某幾次鑿波時，也可以采取各次諧波并行訓算的方法，應用上 述方法分別求出這些諧波，然后將各次蜻波相加，就得到總的諧波電流，特別是三 相i 線制系統(tǒng)，由 j 諧波成分主要是5 、7 、1 1 、1 3 次諧波，所以可以采用圖2 3 所 示方法得出所需諧波電流。 i 冬 2 3 鑿波j 鉬檢洲力式坂理陶 f i 9 23p r i n c i p l eo fp a r a l l e lh a r m o m cd e t e c t i n gm e t h o d 2 22 加入時間延遲環(huán)節(jié) 對于數(shù)字式控制器，需要至少。個采樣周期的運算時間，同時p w m 逆變器的 輸m 也需要一個采樣周期的時間來建立電壓，這樣，從電流采樣到諧波補償，至少 存在個采樣周期的時0 “延遲，在這個延遲時問內，i 殳基波角頻率為c o ，n 次諧波 在這個采樣周期內旋轉過的弧度為： a o = n w a t = 2 n ：r f t ( r a d )( 2 1 ) 如糶不劃這個延遲剛問進行補償，則旋轉變換c 和其逆變換c 。1 小再是恒等變 換，嚴重時某個高次諧波的補償甚下會形成幣反饋，因為這時的目有可能接近 1 8 0 。，可見這時在檢測出諧波時小但不能補償?shù)糁C波，還有可能增強諧波，【劃而對 延遲時劃的補償是非常必要的。文 2 5 】在g 矩陣中將5 耐加入目用以補償，其中 加入a o 的c ；為： 這種j | i 入補償角以補償由j ：數(shù)字式控制器的時i 、日j 延遲引起的檢測誤籌，具仃f 畦 岫蚴搿章喜 重慶人學碩十學何論殳 2 基丁瞬時無功功率理論的諧波拎測新方法 強的實用性，經仿真研究發(fā)現(xiàn)，由 i 算法預置了延遲時間補償角，補償出的電流非 常接近于j f 弦波。而上面2 2 11 ，分別檢測各次諧波的方法也為這種對時剛延遲的補 償提供了方便。通常悄況下，都是希望通過硬件計算速度的提高來減少延遲時間， 這樣只能使得a p f 的價格變得更加昂貴，而這種直接在相位中加入補償角的方法計 算簡單，適h j 一忖強。 2 2 3 與神經網(wǎng)絡理論組成混合控制方式 瞬時無功功率理論的諧波和無功電流檢測方法具有較好的實時性，但是在負載 電流波形的拐點處的補償效果并不十分理想，出現(xiàn)了鋸齒抖動現(xiàn)象。經過分析發(fā)現(xiàn) 產生這一抖動現(xiàn)象的主要原斟是由于諧波檢測和計算產牛的時f b j 延遲，這一延遲在 負載電流的突變處1 f 常明顯而不可忽略，導致p w m 逆變器在這段叫間內丌關動作 不恰當，使得補償后的電源電流波形出現(xiàn)鋸齒形畸變。文 2 6 】針對這一問題，在負 載電流突變處引入神經網(wǎng)絡的控制方法，實時的檢測負載電流的二階導數(shù)。判斷負 載電流是否發(fā)生突變。發(fā)生突變則采用基于神經網(wǎng)絡理論的程序模塊進行補償電流 控制。系統(tǒng)聚用混合控制方式，將瞬時無功功率理論和神經網(wǎng)絡有效的結合在一起， 既可以充分利用瞬時無功功率理論補償諧波電流的優(yōu)點，又可以發(fā)揮神經網(wǎng)絡在非 線性控制巾的優(yōu)勢。 求 求 電電 判斷 i 。( 七) 流 i 。( k ) 流 i l ( k ) f l ( 七) 是古 階階 小于 巴 導 規(guī)定 q 值 數(shù)數(shù) h 24 # e 俞控制j 東理幽 f i 9 24p r i n c i p l eo fh y b r i dc o n t r o lm e t h o d 如圖2 4 所示，軟什包括2 個主模塊：瞬時無功功率模塊和神經網(wǎng)絡程序模塊。 檢測諧波( 無功) 的t 作主要由| 埒時無功功率砰論模塊來完成，神經網(wǎng)絡程序模塊起 輔助作用，只完成對部分不理想補償電流的修i f 。程序運行時，實時計算負載電流 的一階導數(shù), f u - - 階導數(shù)，判斷神經網(wǎng)絡模塊入幾條件，當滿足條件時，進入神經網(wǎng) 絡模塊程序。經仿真研究表明，通過這種改進鋸齒波抖動的問題得到明顯減小。由 此可以看出各種檢測方法并不是孤立的，我們i 叮以綜合各種檢測方法的優(yōu)點柬實現(xiàn) 對潛波的準確實時檢測。這也為研究諧波檢測電流的方法提供了新的思路。 2 24 加p i 調節(jié)器改善靈敏度和檢測精度 通常情況_ f ，f ，。法電路實現(xiàn)簡幣，但對參數(shù)的精度要求比較高，特別是對 2 基丁瞬時尤功助率理論的特波檢洲新方法 孝，j 、準正、余弦信號的依賴性很強，實際的l f 余弦發(fā)生電路產生絕對精確的信號是很 困難的。為了解決這一問題，方曲可以改進鎖相環(huán)產生的s i nc o t 、c o sc o t 準確性； 另一方面，為了降低系統(tǒng)對參數(shù)精度的依賴性，可以在低通濾波器后增加p i 調節(jié)器 柬降低系統(tǒng)參數(shù)的靈敏度。義 2 7 1 2 ( , j - 1 ( 統(tǒng)的i 。一t 法電路作了改進，如圖2 5 所示。 在l p f 后面增加兩個p i 調節(jié)器，從圖上可以看出，絳c 變換后得到的既有喈波信 號義有皋波信號，它經比例積分作用后再送到c 。變換，山于p i 調節(jié)器可以降低擾 動刈系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。岡而系統(tǒng)主要參數(shù)對濾波檢測精度的靈敏度得以明顯下降。 仿真研究表明系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控韋i 精度也相應提高。 z 幽 h 2 5j j n p ! 調節(jié)器的j 皆波檢測電路1 f i 9 25t h ef i r s th a r m o n i cd e t e c t i n gc i r c u i ta d o p t i n gp ir e g u l a t o r s 其實這種思路同樣適用于由法諧波檢測電路中，為了降低系統(tǒng)對參數(shù)的依賴 性，文【2 8 】針對傳統(tǒng)由檢測電路中受部件參數(shù)波動影響較大的問題，提出基于d q 理淪的諧波檢測改進方案，同樣在低通濾波器后面加p 1 調節(jié)器，形成一個閉環(huán)系統(tǒng)。 其原理圖如圖2 6 所示，經s a b e r 軟件仿真分析發(fā)現(xiàn)，標準以余弦幅度的靈敏度 降低了很多。 幽26 ) j i p i 調，器的諧波梭測電路2 f i 9 26t h es e c o n dh a r m o n i cd e t e c t i n gc i r c u i ta d o p t i n gp ir e g u l a t o r 2 2 5 重采樣降低計算量 數(shù)寧化瞬時無功功率理論諧波檢測方法的一個突出缺陷是計算量太大，存數(shù)寧 實現(xiàn)時增加了c p u 的負擔。文 2 9 】提出基于重采樣的三相諧波檢測瞬叫無功功率法， 巧妙地將信號處理技術應用于諧波治理中，在保證分離出皋波信號的6 u 提下盡可能 降低采樣頻率，從向降低計： j = 顯。在這咀所謂重采樣就是經過兩次采樣過程。諧波 檢測原理圖如圖2 7 所示，自i 囂濾波囂為模擬濾波器，用來濾除系統(tǒng)中分析不劍的 2 基丁瞬時無功功率理論的睹波檢測新辦法 高次諧波，圖中引入兩次采樣過程，分別稱第一次采樣和重采樣。根掘采樣定理， i u 由采樣信息重建正弦信號的采樣頻率應為重建信弓頻率的四倍以上，即第1 次采 桿頻率應為腳4 0 ) 。，且必頒為整數(shù)倍，其中。為基波頻率。周期信號經第一次采 樣后，頻譜會出現(xiàn)周期延拓。為了避免由于刷期延拓而使基波出現(xiàn)頻率混疊，當?shù)?次采樣一個周期內的采樣點數(shù)為，時，重采樣最小頻率心為國皿m = ( n ，1 4 ) 0 ) 。 這樣，通過對電路的改進，將一個周期的采樣點減少到原米的1 4 ，通常我們就選 擇這一最小采樣頻率，因為重采樣是為了提取基波，既要考慮準確性義要兼顧實時 性。通常情況下，準確性和實時性是互相矛盾的，只能選擇折中方案，所以在保證 基波頻培不產生混疊的情況下，采樣頻率越低越好，這樣，重采樣后面的變換和濾 波計算吊會人人減少。 倒2 7 重采樣諧波檢刪電路 f i 9 27h a r m o n i cd e t e c t i n gc i r c u i lw i t hr e s a m p l i n gm e t h o d 實驗表明，將重采樣環(huán)節(jié)放存c 。c 。，之d d 和之后對諧波檢測并沒有影響，如 果放在前面，則減少了d s p 存儲i r 弦和余弦信號的容量，計算量減少了3 4 ，軟件 開銷大大降低，向日基于重采樣力法巾，根據(jù)二三相i 線制電網(wǎng)的有功電流f 。和無功 電流i 。只含3 n 次諧波這一特征設計數(shù)字均值低通濾波器。采用的數(shù)字b u t t e r w o r t h 濾波器的階次最高為3 階，計算量堿少相當，u 觀。動態(tài)響應時m 與直接采樣方法相 比也何較大改善。與