有源电力滤波器控制器的研制及其应用毕业设计.docx

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有源电力滤波器控制器的研制及其应用毕业设计

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硕士学位论文

有源电力滤波器控制器的研制及其应用

ResearchandApplicationofControllerinActivePowerFilter

By

ZhaoTe

B.E.（HunanUniversity）2004

Athesissubmittedinpartialsatisfactionofthe

Requirementsforthedegreeof

Masterofengineering

in

SystemEngineering

inthe

Graduateschool

of

HunanUniversity

Supervisor

ProfessorLuoAn

April,2007

湖　南　大　学

学位论文原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名：

日期：

年月日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

本学位论文属于

１．保密□，在年解密后适用本授权书。

2．不保密□。

（请在以上相应方框内打”√”）

作者签名：

日期：

年月日

导师签名：

日期：

年月日

摘要

有源滤波装置在消除电网谐波方面具有独特的优势，因而得到了广泛的应用。

本论文以某铜箔厂的谐波治理为背景，以并联混合型有源滤波器（HAPF）的工程实现为主线，研究内容包括有源电力滤波器控制器的硬件设计、谐波检测算法、控制器系统软件设计以及主电路参数设计。

同时，该装置的研制成功也将为有源滤波器在国内的早日普及应用奠定理论和技术基础，为高压、大中等功率混合型有源滤波器的工程应用积累经验。

本文在有源电力滤波器控制器国内外研究的基础上，提出了一种基于数字信号处理器（DSP）的控制器硬件结构，并对控制器的实时性、可靠性和兼容性作了详细的分析。

为满足智能功率模块（IPM）对死区时间的要求，在对电路仿真分析的前提下，论文在控制器硬件中设计了独立的硬件死区延时电路。

谐波检测是有源滤波器的一个关键环节，而其中的计算延时和许多谐波检测方法中的低通滤波都会对有源滤波器控制和系统性能造成很大的影响。

本文提出了一种基于离散傅立叶变换的滑窗迭代检测算法，该算法能简化计算，实时有效的检测出谐波参考指令电流。

论文从频域滤波器的角度在理论上证明了该算法的可行性和有效性。

控制器的系统软件设计分为液晶显示菜单程序和控制程序。

液晶菜单实现了实时电压电流波形显示、频谱和控制参数显示；控制程序实现了信号采样分析、PWM脉冲调制和触发、控制参数的在线修改等功能。

论文详细阐述了程序设计思想和实现过程。

论文结合有源电力滤波器控制器在江西某铜箔厂的应用实例，详细说明了系统拓扑结构、主电路设计、元件参数设计和输出滤波器设计，并给出了现场应用效果。

关键词：

有源电力滤波器，DSP，谐波检测，滑窗迭代

Abstract

APF（ActivePowerFiler）hasbeenextensivelyappliedinharmoniceliminatingofpowernetwork.TakingtheharmoniceliminationofaCopperFoilCompanyasobjectofstudy,thethesisisfocusedontheapplicationofHAPF（HybridActivePowerFilter）andexpandsthehardwaredesignofcontroller,harmonicdetectionmethodsandsoftwaredesignofcontroller,aswellasparameterdesign.TheresearchofHAPFwillalsobuildsolidbaseforitsuniversalapplicationinourcountry,andaccumulateexperienceforitshigh-voltageandhigh-powerapplication.

ThehardwarestructureofAPFcontrollerbasedonDSP（DigitalSignalprocessor）hasbeenpresented,referringtotheresearchachievementinlandandaboard.Thereal-timeperformanceandreliability,aswellascompatibilityofcontrollerhavebeenanalyzedindetail.Inordertomeettherequirementofdead-timethatIPM（Intelligencepowermodule）demands,independenthardwarecircuitforgeneratingdead-timeisdesignedinthisthesis.

HarmonicdetectionisaveryimportantpartofAPF.ControlstrategyandperformanceofAPFwillbegreatlyinfluencedbycalculationdelayandlow-passfilterinmanyharmonicdetectionmethods.Thenanalgorithmbasedonasimplifiedsliding-windowFourierispresentedinthisthesis,whichmakescalculationofharmoniccurrentinAPFsimplyanddetectsreferencedcurrenteffectively.Andthen,theeffectivityandfeasibilityofthisalgorithmhavebeenprovedinthetheoryoffrequency-domainfilter.

Thesoftwaredesignofcontrollerisdividedintomenuprogramandcontrolprogram.Themenuprogramiscomposedofthedisplayaboutreal-timevoltagewave,currentwave,spectrumandcontrolvariable;thecontrolprogramincludesthesamplingandsignalanalysis,themodulationandtriggeringofsignalandthemodificationofcontrolvariable.Atlast,thethoughtandrealizationofsystemprogramareformulatedinthisthesis.

WiththeapplianceofHAPFinJiangXiCopperFoilCompany,thesystemtopologystructure,maincircuitdesign,parameterscomputationandoutputfilterdesignarediscussed.Furthermore,thefeasibilityofthisequipmenthasbeenvalidatedbyapplyingeffectiveness.

Keywords:

activepowerfilter,digitalsignalprocessing,harmonicdetection,sliding-windowFourier.

学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书I

摘要II

AbstractIII

第1章绪论1

1.1电力系统谐波1

1.1.1电力系统谐波产生的原因1

1.1.2电力系统谐波危害2

1.1.3电力系统谐波研究现状4

1.2电力系统谐波治理方法5

1.3有源电力滤波器的发展现状6

1.4有源电力滤波器控制器的技术特点9

1.5本文的研究背景及主要内容11

第2章有源电力滤波器控制器硬件研制12

2.1基于DSP的控制器系统硬件结构12

2.1.1主处理器模块介绍12

2.1.2采样电路模块的设计16

2.1.3硬件倍频电路模块的设计17

2.1.4串行通信接口电路的设计19

2.1.5脉冲触发电路及IPM模块驱动电路设计19

2.1.6液晶显示和矩阵键盘电路设计22

2.2基于DSP的控制器PCB制板注意事项23

2.3本章小结24

第3章谐波实时电流检测方法及DSP实现25

3.1常用谐波检测算法25

3.2简化的DFT滑窗迭代算法27

3.2.1傅立叶变换基础27

3.2.2DFT频域滤波器原理分析28

3.2.3DFT滑窗迭代算法时域实现31

3.2.4DFT滑窗迭代算法的软件实现33

3.3本章小结36

第4章有源电力滤波控制器系统软件设计37

4.1系统软件开发环境及前期数据格式设计37

4.1.1DSP开发环境程序开发流程37

4.1.2数据格式的设定38

4.2监控模块软件设计39

4.2.1键盘控制程序设计40

4.2.2液晶显示菜单程序设计41

4.2.3液晶菜单界面模块设计44

4.3PWM信号调制程序设计47

4.4PI控制程序设计51

4.5主程序及中断程序的设计52

4.6本章小结55

第5章有源电力滤波器的工程应用56

5.1工程项目的背景介绍56

5.2工程项目方案设计57

5.2.1串联谐振注入式HAPF补偿方案介绍58

5.2.2无源支路参数和容量设计59

5.2.3输出滤波器和耦合变压器设计61

5.2.4逆变电路的设计63

5.3串联谐振注入式HAPF的工程应用64

5.3.1高压开关柜、无源支路和隔离变压器65

5.3.2有源逆变屏及有源逆变控制器65

5.3.3有源输出屏66

5.3.4现场应用效果66

5.4本章小结67

总结与展望68

参考文献7