混合型有源滤波器采样及控制电路设计_精品文档.doc

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混合型有源滤波器采样及控制电路设计

DesignofSignalDetectionandControllingCircuitofParallelActivePowerFilter

摘要

随着电力电子技术的飞速发展，越来越多的电力电子装置被应用到各个领域，为工业设备提供了高速、高效和节能的控制手段，但同时也给电网注入了不可忽视的无功以及谐波电流。

本文首先介绍了谐波的概念和谐波的危害，阐述了谐波问题研究的必要性和紧迫性，并对谐波抑制的方法作了简单的介绍。

并在此基础上，通过对有源滤波器和无源滤波器各自的优缺点以及有源滤波器装置的结构、原理的分析，提出了一种采用有源和无源相结合的基于DSP控制器的有源—无源混合滤波器装置的设计方案。

并联有源电力滤波器主电路设计是核心环节之一。

本文在三相三线并联型有源电力滤波器数学模型的基础上，通过对采用空间矢量调制的有源电力滤波器的工作过程的研究和分析，揭示了主电路各参数之间的相互关系。

根据瞬态电流跟踪指标的要求推导出并联APF输出电感的估算公式。

基于对电流跟踪误差矢量的度量，推导出针对特定负载的直流侧电容电压临界值表达式。

详细介绍了输出滤波器参数的设计方法。

实时、高精度的谐波检测是有源电力滤波器的重要部分。

本文详细地介绍了瞬时无功功率理论，选择检测负载电流的方式以提取谐波。

提出了用滑窗迭代作为低通滤波的数字算法，以快速分离负载电流中的基波分量得到谐波指令。

以全数字控制为重点，对电流环的数字控制方式，包括数字PI调节器的设计做出了比较详细的分析。

设计了基于TMS320LF2407A控制的并联型电力有源滤波器，对其软硬件构成进行了详细的介绍。

关键词：

电力电子；谐波；电力有源滤波器

-I-

DesignofSignalDetectionandControllingCircuitofParallelActivePowerFilter

Abstract

Withtherapiddevelopmentofthepowerelectronics,moreandmorepowerelectronicequipmentshavebeenusedinmostfields.Beingthefast,potent,andeconomicalcontrolmeanstoindustrialdevices,which,however,havealsodeterioratedpowerqualitybyinjectingthenon-negligibleharmonicsandreactivecurrenttothenetwork.Thepaperintroducestheconceptofharmonicsandtheharmofharmonics,anddemonstratesthenecessityofharnessingharnonicsharmonics,andbrieflyintroduceseveralmethodsofharnessingharmonics.Withthisunderstnading,Thepaperintroducestheadvantagesanddisadvantagesofpassivepowerfilterandactivepowerfilter,andanalyzestheprincipleandstructureofactivepowerfilterequipment.AnoveldesignofAPF-PFhybridfilterequipmentbasedonDSPisproposed.

Maincircuitdesignisakeypartofthesystematicdesign.Basedonthemodelofthree-phasethree-wireshuntactivepowerfilter,theoperationofitadoptingspacevectorcontrolisstudiedandanalyzedtorevealtherelationofmainparametersofAPF.Accordingtorequirementofinstantcurrenttracking,theestimatingformulaofoutputinductanceisproposedandthecriticalvalueofdcbusvoltageisderived.Themethodappliedtodesignparametersofoutputfilterisintroducedindetail.

Real-timeandaccurateharmonicdetectionisthekeyforpracticalactivefilterimplementation.Specifiedintroductionsoftheinstantaneousreactivepowertheoryaregiven,andaslidingwindowrecursivemethodasthelowpassfilterisproposedwhichissupposedtodepartthefundamentalcurrentfromtheloadandgettheharmonicreference.Focusingonthefulldigitalcontrol,tdetailedanalysisthedesignmethodofdigitalprocessingmethodofthecurrentloop,includingdigitalPIcontroller.TheshuntactivepowerfilterbasedonTMS320LF2407Ahasbeendesigned,meanwhilethesoftwareandhardwarehavebeenintroducedindetail.

KeyWords：

PowerElectronics;Harmonics;ActivePowerFilter

-IV-

目录

摘要 I

Abstract II

引言 1

1有源电力滤波器 5

1.1有源滤波器的构成与基本工作原理 5

1.2有源电力滤波器的分类及优点 5

1.2.1有源电力滤波器的分类 5

1.2.2有源电力滤波器的优点 8

1.3主电路参数的计算 9

1.3.1主电路的容量 9

1.3.2直流侧电压的计算 9

1.3.3直流侧电容值的计算 10

1.3.4交流电抗器的选取 11

2谐波与无功电流检测 13

2.1谐波与无功电流检测方法现状 13

2.2傅里叶分析的FFT算法 14

2.3基于三相瞬时无功功率理论的谐波电流检测 15

2.3.1基于α-β坐标系下的三相瞬时无功功率理论 15

2.3.2p-q算法 17

2.3.3ip-iq算法 20

2.3数字低通滤波器的选择 22

2.3.1传统数字低通滤波器 22

2.3.2滑窗迭代法 22

3有源电力滤波器的控制策略 24

3.1PWM技术 24

3.2有源电力滤波器电流跟踪技术 24

3.3三角载波线性控制 25

3.4电流滞环跟踪控制 26

4基于DSP的有源电力滤波器采样及控制系统硬件的设计 29

4.1采样及控制系统的基本功能 29

4.2采样滤波及A/D转换电路 29

4.2.1采样滤波电路 29

4.2.2A/D转换芯片MAX125 30

4.2.3电流采样周期信号 31

4.3DSP接口电路 32

4.3.1DSP芯片电源电路 32

4.3.2DSP外围扩展存储器 32

4.3.3复位电路 32

4.3.4时钟电路设计 33

4.3.5仿真接口电路 33

4.4开关管的选取以及外围电路设计 34

4.4.1驱动电路的设计 34

4.4.2保护电路的设计 35

4.5本章小结 36

结论 37

参考文献 38

致谢 40

引言

早在二十世纪二、三十年代，在德国就提出了静态整流器产生的波形畸变问题。

也

正是从那时起，谐波问题引起了人们的关注。

电网中的谐波主要是由各种大容量电力和用电变流设备以及其它非线性负载产生的，其中主要的谐波源是各种电力电子装置，包括各种整流装置、交流调压装置、变流装置、电弧炉、办公及家用电器、照明设施等等。

电力机车中采用的大容量单相整流装置，除产生谐波电流外，还引起三相交流供电系统的三相电流不平衡。

此外，一些铁磁非线性设备，如发电机、变压器及铁磁谐振设备等也是不可忽视的谐波源。

所有这些都使得电力系统的电压、电流波形发生畸变，从而产生高次谐波。

在工业和生活用电负载中，感性负载占有很大的比例。

感应电动机、变压器、传统的日光灯镇流器等都是典型的感性负载。

感应电动机和变压器所需要的无功功率在电力系统所提供的无功功率中占有很高的比例。

电力系统中的电抗器和架空线等也需要一些无功功率。

一些电力电子装置，特别是各种相控装置，如相控整流器、相控交流电力调节装置等，在工作时基波电流滞后于电网电压，要吸收大量的无功功率。

工业用电弧炉在工作时，不但要吸收大量的无功功率，且因其电弧不稳定，所吸收无功功率的波动也很大。

所有这些负载在正常工作时，都需要大量的无功功率。

三相电力系统中产生负序电流的因素可以归纳为事故性和正常性两类，前者是由于三相电力系统中某一相或两相出现故障所致，而后者是由于三相元件不对称所致。

对于事故性因素，一般可由继电保护、自动装置动作切除故障元件后在短期内使系统恢复正常，从而使负序电流得到消除。

目前在我国，电气化铁路和交流电弧炉产生的负序电流占电力系统中负序电流的主要部分。

理想的公用电网所提供的电压应该具有单一固定的频率以及规定的电压幅值。

谐波电流和谐波电压的出现，对公用电网是一种污染，它使用电设备所处的环境恶化，也对周围的通信系统和公用电网以外的设备带来危害。

在电力电子设备广泛应用以前，人们对谐波及其危害就进行过一些研究并有一定认识，但那时谐波污染还不严重，没有引起足够的重视。

近三四十年来，各种电力电子装置的迅速普及使得公用电网的谐波污染日趋严重，由谐波引起的各种故障和事故也不断发生，谐波危害的严重性才引起人们高度的关注。

谐波电流、谐波电压对电力系统和用户的影响及危害，概括起来，大致可以有以下几个方面[1]：

（1）由于谐波的存在，增加了系统中元件的附加谐波损耗，降低了发电、输电及用电设备的使用效率；大量的三次谐波流过中线时会使线路过热甚至发生火灾。

（2）谐波影响各种电器设备的正常工作。

（3）当谐波频率与输电系统固有的特征频率重合时，可能会放大谐波分量，增加设备的附加损耗和发热，造成设备故障。

（4）谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，并会使电气测量仪表