學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解金壁王些太堂有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，有權(quán)保留并向 國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤，允許論文被查閱或借閱。本人授權(quán)金g 墨王些太 蘭l 可以將學(xué)位論文的全部或部分論文內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃 描等復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論文。 ( 保密的學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)書) 靴做糍轢刊稻 簽字嗍誹驢月母 學(xué)位論文作者畢業(yè)后去向： 工作單位： 名：孑銣f 虱芽 簽字日期：州1 年蟛月7 日 電話： 郵編： 摘要 目前對于電能質(zhì)量研究成為電力系統(tǒng)研究的重點之一，電力系統(tǒng)諧波作為 電能質(zhì)量的一個重要部分，對諧波的研究和分析對電能質(zhì)量的改善和電力系統(tǒng) 分析有著重要的意義。本文將f p g a 芯片用于有源電力濾波器的諧波檢測和波 形控制等環(huán)節(jié)，提出了一種系統(tǒng)集成化有源電力濾波器設(shè)計方案。 對三相三線制有源電力濾波器進行了拓?fù)浣?，并針對所建立的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 建立了數(shù)學(xué)模型?？偨Y(jié)目前所應(yīng)用的諧波補償算法，并針對瞬時功率理論的諧 波算法進行了理論分析?？偨Y(jié)目前所應(yīng)用的波形控制算法，并針對空間矢量 p w m 進行了理論分析。設(shè)計分析了諧波檢測過程中所應(yīng)用的數(shù)字濾波器，并 針對電網(wǎng)中諧波特點，設(shè)計了兩種i i r 數(shù)字濾波器。研究分析了三相鎖相環(huán)的 原理，并對其進行了仿真研究?；诂F(xiàn)有理論，提出了一種系統(tǒng)集成化方案。 對系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)分兩部分進行了介紹，第一部分介紹主電路、檢測電路、 保護電路以及除了控制電路以外的其他電路，第二部分是f p g a + d s p 控制電路 介紹。對電路各個部分進行了詳細的介紹分析。 對控制系統(tǒng)進行了功能劃分并在芯片內(nèi)進行了功能模塊分配。對控制系統(tǒng) 進行了模塊劃分，針對f p g a 和d s p 各自的特點，將功能比較固定的一些模塊 放入f p g a ，將相對靈活的一些模塊放入d s p 。對各個模塊進行了設(shè)計和分析。 為了證明理論分析的正確性科學(xué)性，和系統(tǒng)軟硬件設(shè)計的正確性合理性， 對系統(tǒng)進行了仿真研究和實驗研究。對系統(tǒng)仿真參數(shù)進行了計算，進行了設(shè)計 分析。對仿真結(jié)果和實驗結(jié)果進行了分析。 關(guān)鍵詞：f p g a ；有源電力濾波器；瞬時無功功率理論；s v p w m r e s e a r c ho ns h u n ta c t i v ep o w e rf i l t e rb a s e do n f p g aa n dd s p a b s t r a c t a tp r e s e n t ，f o rp o w e rq u a l i t ys t u d i e st ob e c o m eo n eo ft h ek e yp o w e rs y s t e m s t u d i e s p o w e rs y s t e mh a r m o n i c sa sa ni m p o r t a n tp a r to ft h er e s e a r c ha n da n a l y s i s o fh a r m o n i cp o w e rq u a l i t yi m p r o v e m e n ta n dp o w e rs y s t e ma n a l y s i sh a si m p o r t a n t s i g n i f i c a n c e f p g aw i l lb eu s e df o ra c t i v ep o w e rf i l t e rh a r m o n i cd e t e c t i o na n d w a v e f o r mc o n t r o la n do t h e ra s p e c t s ，a n das y s t e mo fi n t e g r a t e da c t i v ep o w e rf i l t e r b a s e do nf p g ai sd e s i g n e d t o p o l o g yo ft h r e e - p h a s et h r e e w i r ea c t i v ep o w e rf i l t e r i se s t a b l i s h e da n dt h e m a t h e m a t i c a lm o d e li sb u i l d e db a s e do nt h ee s t a b l i s h m e n to ft h et o p o l o g y t h i s p a p e rs u m m a r i z e st h ea p p l i c a t i o no fh a r m o n i cc u r r e n tc o m p e n s a t i o na l g o r i t h m ，a n d t h ei n s t a n t a n e o u sp o w e rt h e o r yf o rt h eh a r m o n i ca l g o r i t h mt h e o r y ，s u m m a r i z e st h e c u r r e n tw a v e f o r mc o n t r o la l g o r i t h m ，a n ds p a c ev e c t o rp w mf o rat h e o r e t i c a l a n a l y s i si sp r e s e n t e d d e s i g na n da n a l y s i so ft h eh a r m o n i cd e t e c t i o np r o c e s si nt h e a p p l i c a t i o no fd i g i t a lf i l t e r si ss t u d i e d a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fh a r m o n i c ， t w ok i n d si i rd i g i t a lf i l t e rh a sb e e nd e s i g n e d a n a l y s i so ft h e p r i n c i p l e o f t h r e e p h a s ep l l i sw o r d e do u t ，a n di t ss i m u l a t i o ns t u d yi sw o r k e do u t b a s e do nt h e p r o p o s e dt h e o r y ，as y s t e mi n t e g r a t i o np r o g r a mi sp r e s e n t e d t h eh a r d w a r es t r u c t u r eo ft h es y s t e mi si n t r o d u c e di nt w op a r t s ，f i r s tp a r t i n t r o d u c e st h em a i nc i r c u i t ，d e t e c t i o nc i r c u i t ，c o n t r o lc i r c u i t ，p r o t e c t i o nc i r c u i ta s w e l la s ，o t h e rt h a nt h ec i r c u i t ，t h es e c o n dp a r to ft h ef p g a + d s pc o n t r o lc i r c u i t v a r i o u sp a r t so ft h ec i r c u i tw e r ed e s c r i b e di nd e t a i la n a l y s i s af u n c t i o nd i v i s i o no ft h ec o n t r o ls y s t e ma n di t sa s s i g n m e n ti nc h i ph a sb e e n w o r k e do u t t h ec o n t r o ls y s t e mi sd i v i d e di n t om o d u l e s f o rt h e i ro w n c h a r a c t e r i s t i c s ，s o m eo ft h ef i x e dm o d u l e si sa s s i g n e di n t of p g a ，s o m eo ft h e f l e x i b l em o d u l e si sa s s i g n e di n t od s p e a c hm o d u l eo ft h ed e s i g na n da n a l y s i si s p r e s e n t e d t op r o v et h ec o r r e c t n e s so fs c i e n t i f i co ft h et h e o r y ，a n dt h ec o r r e c t n e s so ft h e s y s t e mh a r d w a r ea n d s o f t w a r ed e s i g nr e a s o n a b l e ，t h es y s t e ms i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n t a lh a sb e e ns t u d i e d s y s t e ms i m u l a t i o np a r a m e t e r sa r ec a l c u l a t e df o rt h e d e s i g na n da n a l y s i s t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa n de x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r ea n a l y z e d i i i i i o w e rt h e o r y ； 在這三年的學(xué)習(xí)生涯中始終得到蘇建徽教授和茆美琴教授的辛勤指導(dǎo)、關(guān) 懷和幫助。蘇老師的學(xué)識淵博、治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)以及平易近人的作風(fēng)，使我受益非淺。 茆老師在我的學(xué)習(xí)中同樣給予了大力支持，論文得以順利完成，與茆老師的悉 心指導(dǎo)和深切關(guān)懷是分不開的。兩位老師給予我的無私關(guān)懷和幫助表示由衷的 感謝。 感謝汪海寧老師，杜燕老師，陳林老師和張健老師這些日子里對我的支持 和幫助。 感謝作者的同學(xué)這些日子里再學(xué)習(xí)和生活上對我的關(guān)心和支持，他們在課 題的進程中給予了巨大的幫助，讓作者不勝感激。他們分別是：宋剛、陳鵬、 鄭群、李宗鈞、王其兵、馮寶成、劉洋、羅浩澤、穆俊升、張枝茂、金曼、張 亞玉。 作者常年在外求學(xué)，不能給予父母及親人以照顧，卻受到他們對作者生活 上無私的關(guān)懷和學(xué)業(yè)上的支持，這些令作者感激不盡。他們對我的支持是我最 大的動力，是我精神上最大的財富。 最后，再次感謝所有曾經(jīng)關(guān)心、支持、幫助過我的師長、學(xué)友和親人。你 們的恩情是我學(xué)習(xí)生活和以后工作中最大的動力。 i v 作者：劉元崗 2 0 11 年0 4 月1 0 日 目錄 1 1 1 電力系統(tǒng)諧波1 1 1 2 諧波分析3 1 2 有源電力濾波器發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢6 1 2 1 有源電力濾波器發(fā)展現(xiàn)狀6 1 2 2 有源電力濾波器發(fā)展趨勢7 1 3 課題的研究目的與意義”7 1 3 1 課題的研究目的一7 1 3 2 課題的研究意義8 1 4 課題的主要研究內(nèi)容8 第二章主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和主要算法1 0 2 1 有源電力濾波器的主電路拓?fù)淠Ｐ? 0 2 1 1 并聯(lián)型有源電力濾波器的主電路拓?fù)? 0 2 1 2 并聯(lián)型有源電力濾波器的數(shù)學(xué)建模分析1 0 2 2 有源電力濾波器主要算法介紹1 1 2 2 1 有源電力濾波器控制方式1 l 2 2 2 諧波檢測方法介紹1 3 2 2 3 瞬時功率理論1 5 2 2 4 數(shù)字濾波器1 8 2 2 5 三相鎖相環(huán)2 3 2 2 6 諧波電流補償控制方法介紹2 5 2 2 7 基于瞬時功率理論的空間矢量控制方法2 9 2 3 本章小結(jié)3 2 第三章系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)3 4 3 1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)3 4 3 1 1 主電路3 4 3 1 2 檢測電路3 5 3 1 3 保護電路3 6 3 1 4 其他外圍電路3 7 3 2 控制系統(tǒng)電路3 9 3 2 1 控制板f p g a 部分結(jié)構(gòu)4 0 v 3 2 2 控制板d s p 部分結(jié)構(gòu)4 3 3 3 本章小結(jié)4 4 第四章控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)4 5 4 1 系統(tǒng)軟件介紹一4 5 4 2f p g a 部分軟件介紹4 6 4 2 1f p g a 部分整體概述一4 6 4 2 2 數(shù)據(jù)采集模塊4 8 4 2 3 三相鎖相模塊5 0 4 2 4 電流坐標(biāo)變換模塊5 2 4 2 5f p g a d s p 接口模塊5 4 4 2 6s v p w m 模塊5 5 4 3d s p 部分軟件介紹5 6 4 3 1d s p 部分整體概述5 7 4 3 2 系統(tǒng)主程序運行控制模塊5 7 4 3 34 8 5 通訊模塊5 8 4 3 4 直流側(cè)調(diào)壓模塊與電流電壓閉環(huán)模塊5 8 4 4 人機接口部分5 8 4 5 本章小結(jié)一5 9 第五章仿真和實驗研究6 0 第六章總結(jié)與展望6 4 參考文獻6 5 v i 插圖清單 1 1 電能質(zhì)量問題的后果2 1 2 電能質(zhì)量問題的原因2 1 3 電能質(zhì)量問題的解決方案3 1 4 畸變電壓諧波特點5 1 5 畸變電流諧波特點5 2 1 并聯(lián)型有源電力濾波器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)1 0 2 2 有源電力濾波器系統(tǒng)框圖1 1 2 3 有源電力濾波器的控制方法1 2 2 - 4 三相靜止坐標(biāo)系變換到兩相正交坐標(biāo)系1 5 2 5 僅1 3 坐標(biāo)系中的瞬時功率定義1 6 2 - 6a 1 3 坐標(biāo)系中的i p 和i q 定義1 7 2 7 瞬時功率理論的p q 諧波檢測算法原理圖1 8 2 8 瞬時功率理論的i p i q 諧波檢測算法原理圖1 8 2 - 9i i r 帶通濾波器的幅頻響應(yīng)2 1 2 1 0i i r 帶通濾波器的相頻響應(yīng)2 2 2 1 1 帶通濾波器的群延時曲線2 2 2 1 2 帶通濾波器的階躍響應(yīng)曲線2 2 2 1 3 鎖相環(huán)原理圖2 3 2 1 4 三相鎖相環(huán)控制原理框圖2 3 2 1 5 逆變器1 和2 的a 相輸出電流及其合成電流2 5 2 1 6 三角波調(diào)制方式2 6 2 1 7 滯環(huán)電流跟蹤控制方式一2 6 2 1 8 瞬時功率理論中的空間矢量控制方法2 9 2 19s v p w m 扇區(qū)區(qū)域圖31 2 2 0s v p w m 矢量合成開關(guān)函數(shù)示意圖3 2 3 1 系統(tǒng)硬件整體組成3 4 3 2 電壓檢測電路原理圖3 5 3 3 電流檢測電路原理圖3 6 3 4 溫度檢測電路原理圖3 6 3 5 過電壓過電流保護電路3 6 3 - 6i g b t 驅(qū)動電路模塊3 7 3 7i g b t 轉(zhuǎn)接板電路”3 7 v i i 圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖 l饕耋鐾篙燃磊i：二二i：i：i：ii： 3 8 - 3 9 3 1 0a d 7 6 0 6 芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖4 1 3 1 1 電源芯片t p s 7 5 0 0 3 電路結(jié)構(gòu)一4 2 3 1 2f p g a 外圍晶振電路4 2 3 1 3f p g a 外圍復(fù)位電路一4 3 3 1 4f p g a 編程下載電路4 3 3 1 5 基于f p g a + d s p 控制板和大板實物圖4 4 4 1d s p + f p g a 控制系統(tǒng)架構(gòu)4 5 4 2f p g a 內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成一4 7 4 3 內(nèi)部詳細功能軟件框圖”4 8 4 4a d 7 6 0 6 芯片控制時序圖控制狀態(tài)流程一4 9 4 5 鎖相環(huán)輸出的值列表5 0 4 6 三相鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)框圖5 1 4 7 三相鎖相環(huán)m o d e l s i m 中的仿真結(jié)果5 2 4 8 電流坐標(biāo)變換模塊結(jié)構(gòu)框圖5 3 4 9m e g a w i z a r d 生成的乘加單元5 4 4 1 0 乘加單元時序示例5 4 4 1 1 兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)到兩相靜止坐標(biāo)變換的f p g a 實現(xiàn)圖5 5 4 1 2s v p w m 調(diào)制硬件實現(xiàn)原理圖5 6 4 1 3p w m 載波周期具體實現(xiàn)圖5 6 4 1 4 系統(tǒng)主程序流程圖5 7 4 1 5i n t 2 中斷處理流程圖5 8 4 1 6 人機交流界面系統(tǒng)模塊框架5 9 5 1 有源電力濾波器輸出濾波器的基本類型一6 l 5 2 有源電力濾波器m a t l a b s i m u l i n k 仿真系統(tǒng)模型“6 2 5 3 諧波電流補償?shù)膍 a t l a b s i m u l i n k 仿真結(jié)果一6 3 5 4 諧波電流補償?shù)膶嶒灲Y(jié)果6 3圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖 i x l l r _ ， 2 3 5 系 的 和 電 力系統(tǒng)諧波污染越來越嚴(yán)重，受到人們的普遍關(guān)注。 電力系統(tǒng)諧波污染危害嚴(yán)重，對它的研究有著重要的意義。 l 、 電力系統(tǒng)諧波對電力系統(tǒng)輸電變電線路的影響。諧波使電能的 產(chǎn)生和利用，電力傳輸?shù)男首兊?，變電設(shè)備過熱，振動，產(chǎn)生噪聲。 使絕緣介質(zhì)易于老化，縮短使用壽命，發(fā)生故障甚至燒毀。還會引起繼 電保護誤動作，使電能計量復(fù)雜化。 2 、電力系統(tǒng)諧波使電力系統(tǒng)中用于功率因數(shù)校正的電容器過熱， 使負(fù)載電動機過熱，影響電器的壽命。 3 、電力系統(tǒng)諧波電流會引起電壓波形畸變，影響供電安全。電壓 的畸變會使電子設(shè)備的供電受到影響，也會影響變流器的鎖相功能，使 變流器的控制系統(tǒng)紊亂。 4 、 電力系統(tǒng)諧波產(chǎn)生的電磁干擾影響通信設(shè)備。非線性負(fù)載產(chǎn)生 的諧波電流形成的輻射干擾和傳導(dǎo)干擾使電話，無線電，電視等通信系 統(tǒng)產(chǎn)生干擾。 5 、諧波可能產(chǎn)生局部電力系統(tǒng)串聯(lián)諧振和并聯(lián)諧振。配電系統(tǒng)中為 了進行功率因數(shù)校正而安裝的并聯(lián)電容器與線路電感之間的串聯(lián)諧振和 并聯(lián)諧振會導(dǎo)致“諧波擴散 ，增加系統(tǒng)中的5 次諧波電壓。 圖卜l 一圖1 3 為l e o n a r d o e n e r g y 網(wǎng)站( w w w 1 e o n a r d o e n e r g y o r g ) 對歐洲部分國家電能質(zhì)量的一份調(diào)查報告。該機構(gòu)2 年內(nèi)對8 個歐洲國 家l6 個工業(yè)部門進行了電能質(zhì)量6 2 次訪談和6 次問卷調(diào)查，分別對歐 洲電能質(zhì)量進行了數(shù)據(jù)分析。圖1 1 顯示出電能質(zhì)量問題所導(dǎo)致的后 果，調(diào)查從工業(yè)，服務(wù)業(yè)和交通運輸業(yè)兩個行業(yè)對電容器組故障、斷路 器、電腦閉鎖、電腦或其他電子設(shè)備受損等13 個電能質(zhì)量問題進行了調(diào) 查。從圖中可以看出工業(yè)中6 0 以上的電能質(zhì)量問題會導(dǎo)致燈光閃爍或 變暗，而在服務(wù)業(yè)和交通運輸業(yè)中最普遍的后果為斷路器動作，大于5 5 的電能質(zhì)量問題會導(dǎo)致斷路器動作。 圖1 1 電能質(zhì)量問題的后果 圖1 2 電能質(zhì)量問題的原因 從圖1 2 中顯示調(diào)查報告電能質(zhì)量問題的原因，其中在工業(yè)中由于 2 電動機和換流器所導(dǎo)致的電能質(zhì)量問題頻率最高，而在服務(wù)業(yè)和交通運 輸業(yè)中電子設(shè)備所引發(fā)的電能質(zhì)量問題最多。 如圖1 3 所示，該機構(gòu)給出了目前應(yīng)對電能質(zhì)量問題的解決方案， 在工業(yè)中應(yīng)用最多的是不間斷電源，而在服務(wù)業(yè)和交通運輸業(yè)中應(yīng)用最 多的是備用發(fā)電機和電壓穩(wěn)定器。 圖1 3 電能質(zhì)量問題的解決方案 1 1 2 諧波分析【4 ，6 】 通常，在供電系統(tǒng)中，希望交流電壓和電流信號可以表示為正弦波 形。正弦電壓表示為 u ( t ) = 4 2 u s i n ( o 】f + o t ) ( 1 - 1 ) 其中：u 一一電壓有效值； a 一一初相角： 一一角頻率，= 2 r c f = 2 z c t ； f 一一頻率； t 一一周期。 當(dāng)電路中存在非線性阻抗和線性阻抗時，正弦電壓和正弦電流會發(fā)生 畸變。對于周期是t = 2 j r t o 單相畸變電壓u ( c o t ) ，一般滿足狄里赫利條件， 可對其進行傅里葉分解： 其中：口o = 去e ”材f 矽f ； = 曇e ?？ ) s i n ( h c o 州叭 吃= 去e 。如f ) 州蛔州 ( n = 1 ，2 ，3 ，) 或 u ( c o t ) = a o + a s i n ( n c o t + p ) 其中：4 ，= 廂； = 咖( 瓦) 。 ( 1 - 2 ) ( 1 - 3 ) 在式( 1 2 ) 或( 1 3 ) 中，頻率為1 t 的分量為基波，頻率為n t ( n 為大于1 的整數(shù)) 的分量稱為諧波，其中n 為諧波的次數(shù)。以上情況對于 非正弦電流同樣成立。 對三相電路進行分析，以相電壓為例，三相電壓可以表示為 阢皿 訓(xùn) s i n c o t s i i l ( 卅爭 s i n ( c o t + - 警- ) ( 1 4 ) 設(shè)三相電路含有諧波并且為三相正序?qū)ΨQ電路，則用公式描述三相 電壓為 u a = x 2 u s i n ( h o o t + g o , ) n = 1 = 旭s i n 玎( c o t i 2 萬) + n = i j = 皿s 岫( c o t + i 27 r ) + 吼 ( 1 5 ) 從上式可以看出，在三相正序?qū)ΨQ電路中，諧波分布有如下特點： n = 3 k ( k 為正整數(shù)，下同) 次諧波大小相同，相位相同，全為零序諧波。 n = 3 k + 1 次諧波，相序為a b c ，全為正序諧波。 4 n = 3 k 1 次諧波，相序為a c b ，全為負(fù)序諧波。 以上分析僅適用于三相正序?qū)ΨQ電路。對于三相負(fù)序?qū)ΨQ電路結(jié)論恰 恰相反，n = 3 k 時為零序，n = 3 k + 1 時為負(fù)序，n = 3 k 1 時為正序。三相不對 稱電路的各次諧波都可以進一步分解為正序，負(fù)序和零序。 上面推導(dǎo)出了三相正序?qū)ΨQ電路的3 個特點，不難證明具有這3 個條 件的三相電路也都是正序?qū)ΨQ的。 對三相正序?qū)ΨQ電流進行分析，便可得出以上相同結(jié)論。 圖1 4 畸變電壓諧波特點 圖1 5 畸變電流諧波特點 如圖1 4 所示，對于畸變電壓來說，無論在三相三線或是三相四線 情況下，無論系統(tǒng)對稱或不對稱，畸變電壓的相電壓中都可以包含零序 諧波。在對稱系統(tǒng)中，在三相三線或是三相四線情況下，線電壓中則不 可能含有零序諧波；在不對稱系統(tǒng)中，各線電壓可能含有3 倍次諧波和 5 其他次諧波的正序和負(fù)序分量，但是不可能含有3 倍次諧波和其他次諧 波的零序分量。 如圖1 5 所示，對于畸變電流來說，在三相三線電路中，因為沒有 零序通道，系統(tǒng)對稱時，電流中沒有3 倍次諧波，即不存在零序諧波； 系統(tǒng)不對稱時，各相電流中可能包含3 倍次諧波，但是不存在3 倍次諧 波的零序分量和其他次諧波的零序分量。在三相四線電路中，存在零序 通道，無論系統(tǒng)對稱與否，各相電流中可能包含3 倍次諧波，可能存在 3 倍次諧波的零序分量和其他次諧波的零序分量。 為了進一步研究三相系統(tǒng)的諧波情況，本文對三相系統(tǒng)的對稱性進 行了研究，并歸納如下。 如果幅值相等，并且三相間相位差彼此為2 7 c 3 ，則該三相系統(tǒng)是“對 稱 的，否則該三相系統(tǒng)是“不對稱 的。這說明僅僅由正序分量或僅 僅由負(fù)序分量構(gòu)成的三相系統(tǒng)是對稱系統(tǒng)。實際應(yīng)用中一般都只將基波 正序分量看成主要分量。 對于一個不對稱系統(tǒng)，分析其不對稱的情況，可以歸納如下 l 、系統(tǒng)中不含諧波，由基波負(fù)序或基波零序引起不對稱。 2 、系統(tǒng)中基波對稱，不對稱分量由諧波引起。 3 、系統(tǒng)中基波和諧波都存在不對稱。 1 2 有源電力濾波器發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢 解決電力電子裝置和其他諧波污染的方法主要有兩種：一是從諧波 源出發(fā)，對于電力電子諧波源，需要改造電力電子裝置，使其不產(chǎn)生諧 波并且功率因數(shù)控制為1 。二是額外裝設(shè)諧波補償裝置。 裝設(shè)的諧波補償裝置分為無源的和有源的，無源的主要是采用l c 濾波器，有源的主要是有源電力濾波器。目前治理諧波的趨勢是使用有 源電力濾波器。 1 2 1 有源電力濾波器發(fā)展現(xiàn)狀 隨著電力電子設(shè)備及其他非線性負(fù)載的大量使用，電力系統(tǒng)情況愈 加復(fù)雜化【7 1 。而由于這些非線性負(fù)載產(chǎn)生的諧波而導(dǎo)致的局部電力不穩(wěn) 定情況近年來時有發(fā)生。傳統(tǒng)的治理諧波的方法是用無源濾波器，該方 法結(jié)構(gòu)簡單，補償諧波方便，但是卻容易產(chǎn)生諧振使諧波放大。上個世 紀(jì)7 0 年代有關(guān)學(xué)者提出采用并聯(lián)有源電力濾波器解決電力系統(tǒng)諧波問 題【引，近年來，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和相關(guān)理論的完善，有源電力 濾波器得以迅速發(fā)展1 4 j 。 有源電力濾波器主拓?fù)涫且粋€可以四象限運行的三相p w m 變流 器，按照其直流側(cè)儲能形式可以將之分為電壓型和電流型兩種【9 】。電流 6 型變流器直流側(cè)采用大電感儲能，大電感上始終有電流流過，損耗較大， 目前在有源電力濾波器的實際應(yīng)用中主要以電壓型為主1 4 j 。 諧波檢測方法目前有些基于時域，有些基于頻域，基于頻域的是以 模擬濾波器為主，基于時域的以傅里葉分析的諧波檢測方法為代表l l 引， 瞬時無功功率理論【6 8 ，ll 】為代表，此外還有基于自適應(yīng)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的檢 測方法等。由于目前電力系統(tǒng)中諧波的非線性，基于時域的瞬時無功功 率理論分析方法在學(xué)術(shù)界與工程領(lǐng)域大量應(yīng)用。 電流控制方法目前一般采用p w m 控制方法，p w m 波形控制方法目 前有滯環(huán)控制，三角波比較控制，單周控制，無差拍控制，空間矢量控 制等。 1 2 2 有源電力濾波器發(fā)展趨勢 有源電力濾波器的主電路拓?fù)湔w趨勢是從小功率的二電平電路向 大容量的三電平甚至更高電平拓?fù)浒l(fā)展，使用多電平調(diào)制策略，加大開 關(guān)頻率，使用軟開關(guān)技術(shù)，降低損耗，降低直流側(cè)的電壓等級。從檢測 算法來看，目前提出了多種算法，它們各有優(yōu)缺點，根據(jù)應(yīng)用環(huán)境的不 同都可以得到相適宜的環(huán)境。但總體來看，基于瞬時功率理論的諧波檢 測方法和基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)諧波檢測方法發(fā)展前景更大。 從發(fā)波控制方法來看，現(xiàn)在出現(xiàn)了各種調(diào)制方法和波形控制方法， 隨著數(shù)字芯片的發(fā)展，更優(yōu)秀的算法有可能會突破器件運算量的限制， 從而取代那些簡單效果卻差的方法?；跓o差拍控制等方法越來越受到 關(guān)注。s v p w m 調(diào)制方式因其高直流側(cè)電壓利用率和低開關(guān)損耗等優(yōu)點 也受到重視l 9j 。 運行控制算法方面，目前常用的是基于負(fù)載電流檢測的方法【4 j ，此 方法簡單實用。與之對應(yīng)的是基于電源側(cè)電流檢測的方法，此方法使有 源電力濾波器構(gòu)成閉環(huán)，控制合理的話會使控制效果優(yōu)化，但是同樣會 引起不穩(wěn)定?；诨旌闲碗娏鳈z測的方法是有源電力濾波器的發(fā)展方向， 該方法可以權(quán)衡以上兩種方法的利弊，是控制效果最優(yōu)化。 從實現(xiàn)產(chǎn)品角度來說，裝置高頻化，小型化，多電平，低成本化是 一個趨勢，隨著理論的發(fā)展和技術(shù)的進步，這些指標(biāo)必定會做的更好。 1 3 課題的研究目的與意義 1 3 1 課題的研究目的 1 、分析目前電網(wǎng)中諧波源的組成。分析目前電網(wǎng)中的諧波情況，包 括諧波的特征，三相電網(wǎng)中諧波的分布特點，三相不對稱情況下諧波的 特點等。 2 、研究有源電力濾波器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并對其數(shù)學(xué)建模。 7 3 、研究諧波檢測與補償方法及其實現(xiàn)。對已有的諧波檢測方法進行 總結(jié)，并且選擇一種優(yōu)化的瞬時功率理論進行諧波檢測。該諧波檢測方 法動態(tài)性能好，檢測精度高，對直流側(cè)電壓進行控制。 4 、研究p w m 調(diào)制方式和電流控制方法及其實現(xiàn)。對已有的發(fā)波控 制方式進行總結(jié)，并針對s v p w m 調(diào)制進行分析，提出一種瞬時功率理 論與s v p w m 調(diào)制的f p g a 系統(tǒng)集成化方案設(shè)計。 5 、研究有源電力濾波器的運行控制和基于f p g a + d s p 控制系統(tǒng)的 系統(tǒng)集成化方案實現(xiàn)。 1 3 2 課題的研究意義 目前隨著諧波源負(fù)載的大量普及所導(dǎo)致的電能質(zhì)量問題的惡化和人 們對電能質(zhì)量要求逐漸變高，對諧波補償裝置的研究和改進也有著重要 的意義。對諧波補償裝置的研究可以加快諧波檢測理論的發(fā)展，促進理 論的改進和提高。還可以促進波形控制理論的發(fā)展，對電力電子技術(shù)的 發(fā)展，控制理論的應(yīng)用進程有著重大意義。而且還可以加快理論和工程 實踐的聯(lián)系，對中國的技術(shù)進步和制造業(yè)都有著重要意義。 對有源電力濾波器的研究意義不僅僅在于理論意義，而且更大程度 上在于其在工程應(yīng)用領(lǐng)域的實用價值。有源電力濾波器服務(wù)于電網(wǎng)，一 個綠色安全的電網(wǎng)環(huán)境對國民經(jīng)濟的又好又快發(fā)展起著舉足輕重的作 用。 1 4 課題的主要研究內(nèi)容 l 、有源電力濾波器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和主要算法 對三相三線制有源電力濾波器進行了拓?fù)浣?，并針對所建立的?撲結(jié)構(gòu)建立了數(shù)學(xué)模型?？偨Y(jié)目前所應(yīng)用的諧波補償算法，并針對瞬時 功率理論的諧波算法進行了理論分析。總結(jié)目前所應(yīng)用的波形控制算法， 并針對空間矢量p w m 進行了理論分析。設(shè)計分析了諧波檢測過程中所 應(yīng)用的數(shù)字濾波器，并針對電網(wǎng)中諧波特點，設(shè)計了兩種i i r 數(shù)字濾波 器。研究分析了三相鎖相環(huán)的原理，并對其進行了仿真研究。基于所提 理論，提出了一種系統(tǒng)集成化方案。 2 、系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)分為兩部分進行了介紹，第一部分介紹主電路、檢 測電路、保護電路以及除了控制電路以外的其他電路，第二部分是 f p g a + d s p 控制電路介紹。對電路各個部分進行了詳細的介紹分析。 3 、控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu) 對控制系統(tǒng)進行了功能劃分和功能分配。對控制系統(tǒng)進行了模塊劃 分，針對f p g a 和d s p 各自的特點，將功能比較固定的一些模塊放入 8 f p g a ，將相對靈活的一些模塊放入d s p 。對各個模塊進行了設(shè)計和分 析。 4 、仿真和實驗研究分析 、 為了證明理論分析的正確性科學(xué)性，和系統(tǒng)軟硬件設(shè)計的正確性合 理性，對系統(tǒng)進行了仿真實驗研究。對系統(tǒng)仿真參數(shù)進行了計算，進行 了設(shè)計分析。對仿真實驗結(jié)果進行了分析。 9 結(jié)構(gòu)和主要算法 。根據(jù)接入電網(wǎng)的方式不同可以 和混合型；根據(jù)接入電網(wǎng)的形式 入型和通過無源濾波器間接接入 同可以將有源電力濾波器分為電 壓型和電流型；根據(jù)接入電網(wǎng)類型不同可以將之分為三相三線制型和三 相四線制型。 本文研究三相三線制并聯(lián)電壓型直接接入電網(wǎng)的有源電力濾波器， 文中統(tǒng)一稱為并聯(lián)型有源電力濾波器。 2 1 1 并聯(lián)型有源電力濾波器的主電路拓?fù)?ra ”口盈 - 、s a 。比、鬻 弋y 7 k j2 2 - i 一 0 廠爻欠一 kt 小，：一 弋 7 一【 】【j a 甜cko 7 泓一紅、， 刈 7匕。 ! 。l kk 嵋bk k 止 ，一 j 【jj 【 ，粵j 點一一點 c 一t 。 耋宙 l ，_ v _ - 一 b ! ，_ v l。 口，_ y 、 ，_ v _ j 帚蜂j 帚 上魯= 2 c f c lf i l t e r 百i 【】凡 圖2 1 并聯(lián)型有源電力濾波器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 并聯(lián)型有源電力濾波器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)【4 9 】如圖2 1 所示，它實際上是 一個三相p w m 變流器，在不同的控制策略下分別可以運行于整流、逆 變狀態(tài)，還可以補償感性和容性無功。通過控制變流器直流側(cè)與電網(wǎng)側(cè) 在電感上形成的電勢差，從而控制變流器發(fā)出與諧波大小相等方向相反 的補償電流，從而達到補償諧波的目的。圖中用l c l 濾波器 1 2 - 1 4 】代替 了上文中所提的電感，可以更好的濾除p w m 開關(guān)頻率附近的高頻諧波 【1 2 】。下文為建模分析方便，將l c l 濾波模塊用電感l(wèi) 代替。 2 1 2 并聯(lián)型有源電力濾波器的數(shù)學(xué)建模分析 并聯(lián)型有源電力濾波器主電路本質(zhì)就是一個p w m 變流器【9 j ，它有 l o 很多種數(shù)學(xué)建模15 - 1 6 】方法。對于有源電力濾波器，結(jié)合諧波控制算法， 對于a 相： 皇d 奠t + 冗= 巳一( k 【+ v 。) ( 2 1 ) 對于三相有如下模型： c 警= 三( 。+ i , s s , s ) 一屯 哮+ 舢+ = 一v 出 ( 2 2 ) 三警一甩工。+ 玩= 一v 出 ， r = c o k 一咖【托，托，五r ，x = i ，p ，s 叫一= 篙= 姜， 2 2 有源電力濾波器主要算法介紹 圖2 2 有源電力濾波器系統(tǒng)框圖 如圖2 2 所示，并聯(lián)型有源電力濾波器系統(tǒng)主要包含指令電流運算 部分和電流跟蹤控制部分。指令電流運算部分主要實現(xiàn)諧波電流的實時 檢測和提取，提取出電網(wǎng)中諧波電流的指令值。電流跟蹤控制部分主要 控制并聯(lián)有源電力濾波器發(fā)出與諧波電流幅值相等方向相反的電流，并 且能夠保證有源電力濾波器直流側(cè)電壓在一個允許的電壓范圍。 2 2 1 有源電力濾波器控制方式 為了使有源電力濾波器獲得最好的運行效果，有必要對其運行進行 ( a )負(fù)載電流檢測控制 ( b )網(wǎng)側(cè)電流檢測控制 制、 ( c )復(fù)合控制方式 圖2 3 有源電力濾波器的控制方法 基于負(fù)載電流檢測的控制算法如圖2 3 ( a ) 所示，控制系統(tǒng)檢測負(fù)載 側(cè)的電流，對電流進行信號處理，提取出諧波值，并控制主電路發(fā)出與 諧波值大小相等方向相反的波形，將主電路中的諧波消去。該方法屬于 1 2 前饋控制，該方法的特點是控制方法相對簡單，方便實現(xiàn)。但是由于該 方法控制系統(tǒng)是開環(huán)控制，系統(tǒng)魯棒性不好，很有可能與電網(wǎng)中的無源 器件和電網(wǎng)中的分布電感等形成諧振，電源電流波形變差。 網(wǎng)側(cè)電流檢測控制算法如圖2 3 ( b ) 所示，該方法檢測的電流是電源 側(cè)電流，從控制層面來說是個閉環(huán)控制系統(tǒng)。這種控制方式因為加入了 電源電流的反饋而使系統(tǒng)的控制效果變好，設(shè)計控制系統(tǒng)的同時合理的 設(shè)計校正環(huán)節(jié)，便可以抑制諧振。該方法由于是閉環(huán)，設(shè)計起來比較復(fù) 雜，而且對系統(tǒng)穩(wěn)定性要求相對較高，有可能產(chǎn)生不穩(wěn)定。 把負(fù)載電流檢測的控制算法和網(wǎng)側(cè)電流檢測控制算法結(jié)合起來就是 復(fù)合控制方式( 如圖2 3 c ) 。在這種方式下指令電流信號主要來自負(fù)載 電流，在起作用下對諧波進行較好的補償。電源電流和校正環(huán)節(jié)主要功 能是抑制a p f 和h p f 及其電網(wǎng)阻抗間的諧振。 電源電壓控制方式對基頻呈現(xiàn)無窮大阻抗，而對諧波頻率則呈現(xiàn)低 阻抗。這使得采用該控制方式的有源濾波器能夠有效吸收諧波源，阻尼 其在電網(wǎng)中的傳播，從而提高饋電系統(tǒng)電流電壓質(zhì)量。此外，電源電壓 控制方式也非常適合于電站用戶在未來使用的統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器，該 控制裝置主要被安裝于主供電電站用于集中的電能質(zhì)量控制。 通常應(yīng)用最多是負(fù)載電流檢測的控制算法。 2 2 2 諧波檢測方法介紹 最初的諧波檢測方法是采用模擬電路實現(xiàn)的，即采用模擬濾波器將 需要補償?shù)牟糠痔崛〕鰜?。這種方法獲取諧波快速，實現(xiàn)方便簡單，實 現(xiàn)成本低。由于模擬器件固有的弱點，這種方法的缺點也是顯而易見的。 相位和幅值誤差比較大，受外界噪聲影響大，高精度的濾波器很難設(shè)計， 對其他參數(shù)的要求很高，當(dāng)外界情況變化時很容易受到影響，靈活性不 好。 隨著數(shù)字芯片和數(shù)字處理技術(shù)的發(fā)展，模擬濾波器的缺點可以被數(shù) 字處理技術(shù)所克服，隨著數(shù)字芯片的普及，數(shù)字處理技術(shù)的方法越來越 普及。 如果要對有源電力濾波器進行精確控制，必須要有實時準(zhǔn)確的諧波 檢測提取方法。目前諧波的檢測方法主要有以下幾種。 1 、基于模擬濾波器的諧波提取方法 1 8 1 。早期的諧波檢測都是基于此 方法，該方法是使用模擬器件搭建諧波檢測平臺，利用模擬低通濾波器 等濾波器提取出相應(yīng)次諧波，然后進行補償。該方法電路成本低，電路 簡單，具有低輸出阻抗，品質(zhì)因素控制靈活但是該方法也有模擬電路 的一些典型缺點，比如：對模擬器件的參數(shù)要求比較高，且受溫度等外 界環(huán)境影響比較大，幅頻特性和相頻特性難以取得穩(wěn)定的理想曲線；當(dāng) 1 3 需要檢測高次諧波時，濾波電路設(shè)計更加復(fù)雜化，且難以達到理想效果； 電路運行損耗大，易發(fā)熱，影響電路性能：在電網(wǎng)頻率波動時，難以達 到預(yù)期的檢測效果?；谝陨戏治龌陬l域的模擬濾波器諧波提取方法 基本上已被日益成熟的數(shù)字化方案所取代。 2 、基于傳統(tǒng)f r y z e 功率理論諧波提取方法i ”】。該方法以及接下來將 要介紹的方法都是基于時域分析的方法。傳統(tǒng)f r y z e 功率理論主要原理 是將電網(wǎng)中的電流分解為兩部分，一部分是與電網(wǎng)電壓同相位的正弦波， 該部分因為與電網(wǎng)電壓相同相位，所以被稱作有功電流。將與電網(wǎng)電壓 相位不同的無功電流和諧波電流組成另一部分，該部分又被稱為廣義無 功電流。該方法簡單方便，但是缺點也是顯而易見，由于該方法建立在 平均功率基礎(chǔ)上，需要對有功電流積分至少一個周期，所以存在實時性 不好的缺點，動態(tài)響應(yīng)慢，不能滿足當(dāng)前對諧波檢測快速性要求。 3 、基于快速傅里葉變換( f f t ) 的諧波提取方法e