基于DSP有源滤波器的设计与应用研究Word文档格式.doc

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数字信号处理器；

瞬时无功功率；

谐波检测

ABSTRACT

Thisarticlefirstanalyzesthecausesofharmonics,andavarietyofpassivefilterandactivefiltertechnology,andcompared.Furtheranalysisofthebasicprincipleofactivefilteringandclassificationbasedonactivepowerfilterpresentedconstituteaclassificationsystem,andtheharmonicdetectionmethodandselectionbasedoninstantaneousreactivepowertheoryofip-iqactivepowerdetectionalgorithmFilterharmonicdetection.ThispaperalsoproposedtheactivepowerfilterbasedonDSPhardwaredesign.Hardwaresystemontheactivefilterandphaselockedloopfrequencysynchronizationsignaltoadetaileddescriptionofthecircuit;

combinationoffront-endsignalprocessingcircuitdiagram,designedthesystemanalogsignalacquisitionsystem,IPMpowermoduledrivingcircuitunit,andExperimentaldevicepowersupplyboard.

Keywords:

activepowerfilter,digitalsignalprocessor,instantaneousreactivepower,harmonicdetection

I

目录

摘要 I

ABSTRACT II

第1章引言 -1-

1.1谐波研究现状 -1-

1.2谐波的产生原因 -2-

1.3谐波源主要包括哪些设备 -3-

1.3.1电力电子 -3-

1.3.2 

可饱和设备 -3-

1.3.3电弧炉设备及气体电光源设备 -3-

1.4谐波的危害 -4-

1.4.1谐波对电网的污染 -4-

1.4.2谐波引发各种电力电子设备出现故障 -4-

1.4.3对开关和继电保护的危害 -5-

1.4.4谐波对IT设备的危害 -5-

第2章谐波抑制方法 -6-

2.1降低谐波源的谐波含量 -6-

2.1.1 

增加整流器的脉动数 -6-

2.1.2脉宽调制法 -6-

2.1.3三相整流变压器采用Y／Δ或Δ／Y的接线 -6-

2.2在谐波源处吸收谐波电流 -6-

2.2.1无源滤波器 -7-

2.2.2 

有源滤波器 -7-

2.2.3防止并联电容器组对谐波的放大 -7-

2.3改善供电环境 -8-

2.4传统谐波抑制方法的不足 -8-

2.5有源电力滤波技术及其优点 -9-

第3章有源滤波器 -10-

3.1有源滤波器发展现状及前景 -10-

3.2有源滤波器的基本原理 -10-

3.3有源滤波器的系统构成和主电路形式 -12-

3.3.1单独使用的有源滤波器的系统构成 -12-

3.3.2有源滤波器的主电路形式 -14-

3.3.3多重化的主电路形式 -15-

3.4有源滤波器的谐波电流检测方法 -17-

3.4.1基于频域分析的模拟带通或带阻滤波器检测法 -17-

3.4.3基于瞬时无功理论的谐波快速检测法 -18-

3.5并联型有源电力滤波器 -20-

3.5.1指令运算电路 -21-

3.5.2电流跟踪控制电路 -22-

3.6串联型有源电力滤波器 -31-

3.6.1串联型有源电力滤波器的结构和基本原理 -31-

3.6.2串联型有源电力滤波器的控制方式 -32-

3.6.2串联型和并联型有源电力滤波器的对比 -37-

第4章有源滤波器的硬件和软件设计 -38-

4.1三相四线制有源滤波器的系统结构 -38-

4.2APF系统框图 -38-

4.3DSP控制板电路设计 -40-

4.3.1CPU及总线结构 -41-

4.3.2存储器配置 -42-

4.3.3事件管理器模块 -42-

4.3.4片内集成外设 -43-

4.4电压电流采样电路设计 -45-

4.4.1同步信号以及锁相环倍频电路 -45-

4.4.2电流采样电路 -50-

4.5IPM功率单元设计 -51-

4.6供电电源电路设计 -54-

第5章总结与展望 -55-

5.1全文总结 -55-

5.2今后的工作与展望 -56-

结束语 -57-

致谢 -58-

参考文献 -59-

四川理工学院本科毕业（设计）论文

第1章引言

1.1谐波研究现状

在环境保护问题日益受到关注的今天，人们已经认识到电力系统环境净化的必要性。

在电网污染日益严重的情况下，对电网质量的研究和保护自然具有十分重要的意义，而电力系统的谐波是衡量电能质量的一项重要指标。

电力系统谐波和无功的来源主要是源自电网中的非线性负载，如电弧炉、变压器、电力电子装置等，随着这类设备日益广泛的应用和单机容量的不断增大，电力电子装置的谐波污染问题已经成为电气电子工程领域关注和研究的焦点问题之一。

不少国家和国际学术组织都制定了限制电力系统和电力电子设备谐波的标准和规定，这有力的促进了学术界和工程界对谐波抑制技术的研究。

本文将对有源滤波器产生的背景，有源滤波器的优点，原理，主电路的设计等进行研究。

正是由于电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置的日益广泛应用，谐波污染的日趋严重，谐波问题已在世界范围内得到了广泛的关注。

1982年，国际电工委员会第一次制定了通用电器设备产生谐波的限制标准——IEC-55，并且在以后的执行过程中不断地进行了修订和完善，是一部最早的最具权威的谐波限制标准，在欧美等发达国家已被强制执行MI。

1993年，美国电气和电子工程师学会在以上标准的基础上进行了修改和补充，制定了IEEE-519谐波限制标准。

另外，国际大电网会议、国际供电会议等国际性学术组织，也相继成立了专门的电力系统谐波工作组，并已制定出了限制电力系统谐波的相关标准。

国际国内召开了多次有关谐波问题的学术会议，探讨和交流谐波治理的方法和经验。

新的谐波检测方法层出不穷，如AkagiH等学者提出的基于瞬时无功功率理论的谐波电流检测方法，该方法具有较好的实时性，而且既能治理谐波又能补偿无功功率；

又如基于傅立叶变换的谐波检测方法，该方法具有检测精度较高、实现简单、功能多和使用方便等诸多优点，因而在频谱分析和谐波检测两个方面均得到了比较广泛的应用。

针对现有的各种谐波电流检测方法都存在延时问题，近年来提出了一些新型谐波电流预测方法，如基于加权一阶局域理论的谐波电流预测方法。

这些成果的取得无疑促进了有源电力滤波技术的发展，特别是进入80年代以后，由于新型电力半导体开关器件的出现，PWM控制技术的发展，以及新型谐波电流检测方法的提出，有源电力滤波技术（ActivePowerFilter简称APF）得以迅速发展。

国外有源电力滤波器的研究以日本为代表，1982年第一台实用的有源电力滤波器装置投入实际运行，现已步入实用化阶段。

尽管如此，由于APF初期投入大，补偿容量难以做大等原因，使得APF未能普及应用。

因此，目前在理论和应用两方面都存在许多问题，需要进一步研究和解决。

近10多年来，对电力谐波问题的研究已经大大超过了电力系统自身的研究范围，渗透到电工理论、非线性系统理论、数字信号处理、电力电子等学科领域，对电力谐波的研究已取得了前所未有的进展，并有了许多重要发展。

谐波问题逐渐被认识和了解，对其产生的原因，计算方法的分析，危害与影响的机理，测量与评估标准的制定，以及研究综合治理措施等方面的探索也在不断深入。

但由于谐波问题复杂，涉及领域宽，目前仍有大量问题需要解决。

谐波研究工作概括起来可以划分为4个方面。

1）谐波功率理论研究；

2）谐波及其危害和影响的分析，制定限制谐波的标准；

3）谐波有关的测量问题；

4）谐波的补偿和抑制。

1.2谐波的产生原因

电网中的谐波主要是由各种大量电力和用电变流设备以及其它非线性负载产生的。

当正弦基波电压（当电源阻抗为零阻抗时）施加于非线性负荷时，负荷吸收的电流与施加的电压波形不同，畸变的电流影响电流回路中的配电设施。

在实际存在系统电源阻抗时，畸变电流将在阻抗上产生电压降，因而产生畸变电压，畸变电压将对负载产生影响。

系统中的主要谐波源可分为两大类:

含半导体非线性元件的谐波源；

由于PWM变换器的数学模型为非线性时变耦合的多阶系统，基于线性系统的现代控制理论算法很难获得完全理想的控制效果。

因此，工程使用上不如前述几种通用的控制策略。

1.3谐波源主要包括哪些设备

1.3.1电力电子

电力电子设备主要包括整流器、变频器、开关电源、静态换流器、晶闸管系统及其他SCR控制系统等。

由于工业与民用电力设备常用到这类电力电子设备和电路如整流和变频电路，其负载性质一般分为感性的容性两种，感性负载的单相整流电路为含奇次谐波的电流型谐波源，其谐波含量与电容值大小有关，电容值越大，谐波含量越大。

变频电路谐波源由于采用的是相位控制，其谐波成分不仅含有整流倍数的谐波，还含有非整流倍数的间谐波。

可饱和设备

可饱和设备主要包括变压器、电动机、发电机等。

可饱和设备是非线性设备，其铁心材料具有非线性磁化曲线的磁滞回线，在正弦波电压的作用下，励磁电流为对称函数，并满足：

f（wt+π）=-f（wt）应用傅立叶级数分解时仅含有奇次项，对于三相对称的变压器，3次谐波的奇数倍（3次、6次、9次……） 

谐波均匀为零序，可认为变压器是只产生奇次谐波的电流源型谐波源。

变压器的谐波次数还受到一、二次侧接线方式的影响，谐波的大小与磁路的结构形式、铁心的饱和程度有关，变压器空载时，铁心的饱和程度超高，谐波电流就越大。

与电力电