畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）抑制無(wú)線電干擾低通濾波器設(shè)計(jì)

1、第1章 緒論20世紀(jì)70年代以來(lái)，隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是功率半導(dǎo)體器件和變流技術(shù)的發(fā)展，各種電力電子裝置在軍事、工業(yè)、生活及高新技術(shù)領(lǐng)域獲得了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，并帶來(lái)了一系列的經(jīng)濟(jì)效益，如裝置體積的減小，能量轉(zhuǎn)換效率的提高，可靠性增加等等。但同時(shí)由于這些電力電子器件本身所具有的非線性特性也給電力系統(tǒng)帶來(lái)了一系列的問(wèn)題，其中之一就是電力系統(tǒng)中的諧波問(wèn)題。電力諧波問(wèn)題日益嚴(yán)重，對(duì)電能質(zhì)量以及電力系統(tǒng)的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行帶來(lái)了很大的影響。治理電力系統(tǒng)諧波污染已經(jīng)成為電力系統(tǒng)所面臨的一個(gè)重大課題，受到了越來(lái)越多的關(guān)注。在此，我們先研究什么是諧波及其危害性，再尋求諧波抑制和無(wú)功補(bǔ)償?shù)姆椒ā?.1

2、 諧波的概念及危害性諧波是一個(gè)周期電氣量的正弦波分量，其頻率為基波頻率的整數(shù)倍，也稱(chēng)為高次諧波。電網(wǎng)中的實(shí)際電流由于有各種諧波源的存在一般并不是標(biāo)準(zhǔn)的與電網(wǎng)同步的正弦電流，而是相位有改變且包含有多種諧波成分，其傅立葉級(jí)數(shù)展開(kāi)式為: （1.1）上式中，為直流分量，在交流電網(wǎng)中其值為零，為基波分量，其包含與電網(wǎng)電壓同相位的有功分量和與電網(wǎng)電壓同頻率但不同相位的無(wú)功分量?jī)刹糠?，為諧波成分。以上各種電流分量流過(guò)電網(wǎng)回路的阻抗便產(chǎn)生了基波有功功率、無(wú)功功率和諧波功率。諧波是由諧波源產(chǎn)生的。所謂諧波源，主要是指電力系統(tǒng)中的各種非線性用電設(shè)備。諸如半導(dǎo)體整流器、晶閘管調(diào)壓變頻等電力電子裝置、電弧爐、電力機(jī)車(chē)

3、和家用電器等等。諧波對(duì)電力系統(tǒng)電磁環(huán)境的污染日趨嚴(yán)重并且會(huì)危及系統(tǒng)本身和廣大電力用戶(hù)，由諧波引起的各種故障和事故不斷發(fā)生，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和生產(chǎn)、生活造成了不必要的損失，因此近二十年來(lái)電力諧波的危害和影響己引起世界各國(guó)政府和科技界的廣泛關(guān)注。 諧波對(duì)公用電網(wǎng)和其他系統(tǒng)的危害大致有以下幾個(gè)方面1：(1) 產(chǎn)生附加損耗，增加設(shè)備的溫升。一般來(lái)說(shuō)，諧波電流與基波電流相比較小，但諧波頻率較高，導(dǎo)線的集膚效應(yīng)使諧波電阻比基波電阻大的多，因此諧波引起的附加損耗也比較大。在帶鐵芯的電氣設(shè)備中，鐵芯的磁滯損耗和渦流損耗也將增大。這些附加損耗除增加電力系統(tǒng)的損耗外，還使設(shè)備溫升增加，尤其是局部發(fā)熱點(diǎn)的溫升可能增加更多

4、，使設(shè)備絕緣老化加速；(2) 惡化絕緣條件，縮短設(shè)備壽命。除附加發(fā)熱影響絕緣壽命外，還因?yàn)樵谳^高頻率的電場(chǎng)作用下，絕緣的局部放電加劇，介質(zhì)損耗顯著增加，致使溫升提高；(3) 引起電機(jī)的機(jī)械振動(dòng)。由諧波電流和電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的相互作用產(chǎn)生的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩使電機(jī)發(fā)生機(jī)械振動(dòng)，當(dāng)電機(jī)機(jī)械系統(tǒng)的自然頻率在受到上述轉(zhuǎn)矩的激發(fā)而引起共振時(shí)，會(huì)損壞電機(jī)設(shè)備，甚至危及人身的安全；(4) 無(wú)功補(bǔ)償電容器組引起諧波電流的放大，甚至造成諧振。無(wú)功補(bǔ)償電容器與電力系統(tǒng)中的電感構(gòu)成了局部電感、電容回路，它們的一些組合有時(shí)會(huì)對(duì)某次的諧波電流起到放大的作用，加劇了諧波的危害。當(dāng)它們構(gòu)成的局部諧振回路的頻率與系統(tǒng)中存在的某次諧波頻率相

5、同或相近時(shí)，就會(huì)造成危險(xiǎn)的過(guò)電流和過(guò)電壓；(5) 對(duì)繼電保護(hù)、自動(dòng)控制裝置和計(jì)算機(jī)產(chǎn)生干擾和造成誤動(dòng)作。這些保護(hù)和控制設(shè)備通常都是按照工作于所加電壓或電流為工業(yè)頻率和正弦波形而設(shè)計(jì)的，諧波的存在使它們的正常工作條件受到干擾、工作特性受到改變，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成誤動(dòng)作或拒動(dòng)作。對(duì)計(jì)算機(jī)的干擾嚴(yán)重時(shí)使其無(wú)法正常工作；(6) 影響測(cè)量?jī)x表的精度，造成電能計(jì)量誤差。電力測(cè)量?jī)x表一般是按照工頻正弦波形而設(shè)計(jì)的，當(dāng)有諧波時(shí)將產(chǎn)生誤差；(7) 干擾相鄰?fù)ㄐ啪€路和鐵道信號(hào)線路的正常工作。諧波的干擾會(huì)引起通信系統(tǒng)的噪聲，降低通話(huà)的清晰度。干擾嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起信號(hào)的丟失，在諧波和基波共同作用下引起電話(huà)響鈴，甚至發(fā)生危及設(shè)備

6、和人身安全的事故。諧波對(duì)電網(wǎng)的危害除造成線路損耗外，更重要的是使電網(wǎng)波形受到污染，供電質(zhì)量下降，危及各種用電設(shè)備的正常運(yùn)行。諧波電流在電網(wǎng)中的流動(dòng)會(huì)在線路上產(chǎn)生有功功率損耗，它是電網(wǎng)線路損耗的一部分。另外，諧波源在一些頻率上吸收有功功率，另一些頻率上發(fā)出有功功率，而這些諧波有功功率通常都是從電網(wǎng)吸收的基波有功功率轉(zhuǎn)化而來(lái)的，諧波源吸收的諧波有功功率常常對(duì)產(chǎn)生諧波裝置本身是有害而無(wú)益的，諧波源發(fā)出的諧波有功功率也給接在電網(wǎng)上的其它用電設(shè)備帶來(lái)危害并增加功率損耗。當(dāng)然 ，諧波危害的程度將因諧波量的大小以及設(shè)備的其它各種條件的不同而不同，但危害是客觀存在的，應(yīng)予于足夠的重視和有效的管理，將危害限制在

7、盡可能小的范圍內(nèi)。1.2 諧波抑制和無(wú)功補(bǔ)償1.2.1 諧波抑制裝設(shè)諧波補(bǔ)償裝置的傳統(tǒng)方法就是采用lc濾波器。這種方法既可濾除諧波，又可補(bǔ)償無(wú)功功率，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，一直被廣泛使用。這種方法的主要缺點(diǎn)是補(bǔ)償特性受電網(wǎng)阻抗和運(yùn)行狀態(tài)影響，易和系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振，導(dǎo)致諧波放大，使lc濾波器過(guò)載甚至燒毀。此外，它只能補(bǔ)償固定頻率的諧波，補(bǔ)償效果也不甚理想。盡管如此，lc濾波器當(dāng)前仍是補(bǔ)償諧波的最主要手段。目前，諧波抑制的一個(gè)重要趨勢(shì)是采用有源電力濾波器(active power filter，簡(jiǎn)稱(chēng)apf)。有源電力濾波器也是一種電力電子裝置。其基本原理是從補(bǔ)償對(duì)象中檢測(cè)出諧波電流，由補(bǔ)償裝置產(chǎn)生個(gè)與該諧

8、波電流大小相等而極性相反的補(bǔ)償電流，從而使電網(wǎng)電流只含基波分量。這種濾波器能對(duì)頻率和幅值都變化的諧波進(jìn)行跟蹤補(bǔ)償，且補(bǔ)償特性不受電網(wǎng)阻抗的影響，因而受到廣泛的重視，并且已在日本等國(guó)獲得廣泛應(yīng)用。有源電力濾波器的基本思想在六七十年代就已經(jīng)形成。80年代以來(lái)，由于大中功率全控型半導(dǎo)體器件的成熟，脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation，簡(jiǎn)稱(chēng)pwm)控制技術(shù)的進(jìn)步,以及基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的諧波電流及無(wú)功電流瞬時(shí)檢測(cè)方法的提出，有源電力濾波器才得以迅速發(fā)展。有源電力濾波器的變流電路可分為電壓型和電流型，目前應(yīng)用的裝置中大部分是電壓型。從與補(bǔ)償對(duì)象的連接方式來(lái)看，又可分為并聯(lián)型和串聯(lián)

9、型。串聯(lián)型有源電力濾波器是補(bǔ)償諧波電壓，并聯(lián)型有源電力濾波器是補(bǔ)償諧波電流，兩者可以單獨(dú)使用，也可以和lc濾波器混合使用?；旌闲蜑V波器也是目前實(shí)際應(yīng)用的一個(gè)方向4。1.2.2 無(wú)功補(bǔ)償無(wú)功功率對(duì)供電系統(tǒng)和負(fù)荷運(yùn)行都是十分重要的，電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)元件的阻抗主要是電感性的，因此，粗略地說(shuō)，為輸送有功功率，就要求送電端和受電端的電壓有一定相位差，這在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)；而為了輸送無(wú)功功率，則要求兩端電壓有一幅值差，這只能在很窄的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)。不僅大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)元件消耗無(wú)功功率，大多數(shù)負(fù)載也需要消耗無(wú)功功率。網(wǎng)絡(luò)元件和負(fù)載所需要的無(wú)功功率必須從網(wǎng)絡(luò)中某個(gè)地方獲得。顯然，這些無(wú)功功率如果都要由發(fā)電機(jī)提供并經(jīng)過(guò)

10、長(zhǎng)距離傳送是不合理的、通常也是不可能的。合理的方法應(yīng)是在需要消耗無(wú)功功率的地方產(chǎn)生無(wú)功功率，這就是所謂的無(wú)功補(bǔ)償1。無(wú)功補(bǔ)償?shù)淖饔弥饕幸韵聨c(diǎn)：(1) 提高供用電系統(tǒng)及負(fù)載的功率因數(shù)，降低設(shè)備容量，減少功率損耗；(2) 穩(wěn)定受電端及電網(wǎng)的電壓，提高供電質(zhì)量，在長(zhǎng)距離輸電線中合適的地點(diǎn)設(shè)置動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置還可以改善輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高輸電能力；(3) 在電氣化鐵道等三相負(fù)載不平衡的場(chǎng)合，通過(guò)適當(dāng)?shù)臒o(wú)功補(bǔ)償可以平衡三相的有功及無(wú)功負(fù)載。早期無(wú)功補(bǔ)償裝置的典型代表是同步調(diào)相機(jī)。同步調(diào)相機(jī)不僅能補(bǔ)償固定的無(wú)功功率，對(duì)變化的無(wú)功功率也能進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。至今在無(wú)功補(bǔ)償領(lǐng)域中這種裝置還在使用，而且隨著控制

11、技術(shù)的進(jìn)步，其控制性能還有所改善。但從總體上說(shuō)這種補(bǔ)償手段已顯陳舊。并聯(lián)電容器的成本較低。把并聯(lián)電容器和同步調(diào)相機(jī)比較，在調(diào)節(jié)效果相近的條件下，前者的費(fèi)用要節(jié)省得多。因此，電容器的迅速發(fā)展幾乎取代了輸電系統(tǒng)中的同步調(diào)相機(jī)。但是，和同步調(diào)相機(jī)相比，電容器只能補(bǔ)償固定的無(wú)功功率，在系統(tǒng)中有諧波時(shí)，還有可能發(fā)生并聯(lián)諧振，使諧波放大，電容器因此而燒毀的事故也時(shí)有發(fā)生。1.3 有源濾波技術(shù)在諧波抑制和無(wú)功補(bǔ)償方面有很多關(guān)鍵性的技術(shù)和措施。將有源濾波器應(yīng)用于諧波治理領(lǐng)域，是該領(lǐng)域的一次技術(shù)提升。下面簡(jiǎn)單介紹一下有源濾波技術(shù)和研究并聯(lián)混合型有源電力濾波器的意義。1.3.1有源濾波技術(shù)的發(fā)展 上世紀(jì)70年代，

12、日本學(xué)者提出了有源電力濾波器的概念。即從補(bǔ)償對(duì)象中檢測(cè)出諧波電流，利用可控的功率半導(dǎo)體器件向電網(wǎng)注入與原有諧波幅度相等、相位相反的電流，使電源的總諧波電流為零，達(dá)到實(shí)時(shí)補(bǔ)償諧波電流的目的。1976年美國(guó)西屋電氣公司的l.gyugyi和e.c.strycula提出了利用由大功率晶體管組成的pwm逆變器構(gòu)成的有源電力濾波器來(lái)消除電網(wǎng)諧波的思想。進(jìn)入80年代以后，隨著大功率可關(guān)斷器件gtr、gto和igbt的不斷發(fā)展以及瞬時(shí)無(wú)功理論的提出為有源電力濾波器的實(shí)用化提供了必要的理論與技術(shù)條件，使之在工業(yè)上得到日益廣泛的應(yīng)用。1.3.2有源濾波器與無(wú)源濾波器的比較以往諧波治理和無(wú)功補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ遣捎脽o(wú)源濾

13、波器。其優(yōu)點(diǎn)是經(jīng)濟(jì)、實(shí)用和可靠。但無(wú)源濾波器也有如下的缺點(diǎn)：(1) 補(bǔ)償特性受電網(wǎng)和負(fù)載運(yùn)行參數(shù)的影響，無(wú)源濾波器的lc參數(shù)的漂移會(huì)導(dǎo)致濾波特性的改變；(2) 諧波補(bǔ)償頻帶窄，只能消除特定的幾次諧波，可能與系統(tǒng)發(fā)生諧振，產(chǎn)生諧波的放大；(3) 裝置笨重，體積大，損耗大。而apf與無(wú)源濾波器相比，有如下優(yōu)點(diǎn)：(1) 占地小，功耗低；(2) 實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，可同時(shí)對(duì)頻率和幅值都變化的諧波以及變化的無(wú)功功率進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，對(duì)補(bǔ)償對(duì)象的變化有極快的響應(yīng)速度；(3) 補(bǔ)償?shù)男Ч€(wěn)定，不受系統(tǒng)運(yùn)行方式和工況的影響；(4) 不會(huì)發(fā)生諧振和諧波放大的現(xiàn)象，且可以有效的抑制由于外電路的諧振而發(fā)生的諧波放大；(5)

14、具有過(guò)載判斷能力，補(bǔ)償量可控。當(dāng)諧波總量超過(guò)設(shè)定值時(shí)，裝置仍可運(yùn)行，并能正常發(fā)揮作用；(6) 補(bǔ)償無(wú)功時(shí)不需貯能元件，補(bǔ)償諧波時(shí)所需貯能元件容量相對(duì)較小。三相apf補(bǔ)償時(shí)，從理論上講不需要直流儲(chǔ)能元件，實(shí)際中由于諧波造成電源與逆變電路少量能量交換，故需要較小的儲(chǔ)能元件維持逆變電路正常工作；(7) 在諧波問(wèn)題嚴(yán)重，但功率因數(shù)較高的場(chǎng)合，適合采用apf，而不適用無(wú)源濾波器，否則將引起無(wú)功過(guò)補(bǔ)，產(chǎn)生無(wú)功倒送的問(wèn)題。理論研究和生產(chǎn)實(shí)踐表明，有源電力濾波器是目前用來(lái)綜合治理諧波等電能質(zhì)量問(wèn)題的一種較為理想的電力電子裝置，是用戶(hù)電力技術(shù)中一個(gè)研究熱點(diǎn)。有源濾波器與無(wú)源濾波器結(jié)合使用，可以單獨(dú)實(shí)現(xiàn)或同時(shí)實(shí)現(xiàn)

15、對(duì)諧波的抑制、電壓的穩(wěn)定、無(wú)功的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償調(diào)節(jié)，而且裝置的初始投資也得以降低，是一種在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上均能獲滿(mǎn)意結(jié)果的方案。因而對(duì)這一問(wèn)題開(kāi)展研究，在理論上和現(xiàn)實(shí)上都具有十分重要的意義。1.3.3 并聯(lián)混合型有源濾波器的研究意義雖然，有源電力濾波器比以往的無(wú)源濾波器濾波效果要好，但是相比無(wú)源濾波而言，制造和維護(hù)價(jià)格都要高，無(wú)法實(shí)現(xiàn)大面積的推廣。而采用有源和無(wú)源濾波器相混合的濾波方式，能夠發(fā)揮二者的所長(zhǎng)。既能對(duì)電網(wǎng)無(wú)功進(jìn)行有效補(bǔ)償，又能對(duì)電網(wǎng)的諧波進(jìn)行有效的抑制，而且制造和運(yùn)行費(fèi)用較合理，適合大范圍的推廣和應(yīng)用。采用并聯(lián)方式的混合型濾波器，有源濾波器被控制為諧波電流源，受電網(wǎng)以及無(wú)源濾波器所產(chǎn)生的諧波

16、的影響小，可以有效的降低有源濾波器的容量，使濾波裝置可以投入到大負(fù)荷電網(wǎng)中運(yùn)行，其研究前景非?？捎^。1.4 本文所做的工作本文對(duì)基于tms320lf2407型dsp芯片的并聯(lián)混合型有源電力濾波器進(jìn)行了分析和研究，論文所做主要工作如下:(1) 介紹了諧波的基本概念、產(chǎn)生和危害，以及諧波抑制和無(wú)功補(bǔ)償方面的研究情況，并對(duì)有源濾波器和無(wú)源濾波器進(jìn)行了比較；(2) 簡(jiǎn)要的介紹了瞬時(shí)無(wú)功功率以及基于此理論的諧波電流檢測(cè)方法；(3) 對(duì)并聯(lián)混合型有源濾波器進(jìn)行了結(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)計(jì)；(4) 對(duì)所設(shè)計(jì)的并聯(lián)混合型有源濾波器，利用matlab進(jìn)行仿真，輸出仿真波形。 第2章 基于瞬時(shí)無(wú)功理論的諧波電流檢測(cè)方法對(duì)電路

17、中諧波電流實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的檢測(cè)，是諧波抑制的基礎(chǔ)。采用合適的諧波電流檢測(cè)方法是有源電力濾波器研究設(shè)計(jì)的重要一環(huán)。三相電路瞬時(shí)無(wú)功功率理論自80年代提出以來(lái)，在許多方面得到了成功的應(yīng)用。該理論突破了傳統(tǒng)的以平均值為基礎(chǔ)的功率定義，系統(tǒng)地定義了瞬時(shí)無(wú)功功率、瞬時(shí)有功功率等瞬時(shí)功率量。本章首先簡(jiǎn)單介紹此理論，然后介紹基于此理論的、和、諧波電流檢測(cè)方法。2.1 瞬時(shí)無(wú)功功率理論 三相電路瞬時(shí)無(wú)功功率理論1是由s.fryze、w.quade和akagi(赤木泰文)等提出的。該理論系統(tǒng)地定義了瞬時(shí)無(wú)功功率、瞬時(shí)有功功率等瞬時(shí)功率量，以該理論為基礎(chǔ)，可得出用于有源電力濾波器的諧波和無(wú)功電流實(shí)時(shí)檢測(cè)方法。設(shè)三相平衡

18、電路各項(xiàng)電壓和電流的瞬時(shí)值分別為、和、，為了分析問(wèn)題方便，把它們變換到-兩相正交的坐標(biāo)系上，經(jīng)變換可以得到、兩相瞬時(shí)電壓、和、兩相瞬時(shí)電流、即： (2.1) (2.2)式中 (2.3)在-平面上，矢量、和、實(shí)際上是和在軸和軸的投影，即： (2.4) (2.5)式中，、為矢量、的模，、為矢量、的幅角。根據(jù)圖2.1所示的坐標(biāo)下的電流、電壓矢量圖，引入瞬時(shí)有功功率和瞬時(shí)無(wú)功功率，可得：圖2.1 坐標(biāo)下電流、電壓矢量圖三相電路瞬時(shí)有功電流(瞬時(shí)無(wú)功電流)為矢量在(的法線)上的投影 (2.6)式中。三相電路瞬時(shí)無(wú)功功率(瞬時(shí)有功功率)為電壓矢量的模與三相電路瞬時(shí)無(wú)功電流(瞬時(shí)有功功率)的乘積： (2.7

19、)經(jīng)變換可得 (2.8)在上述、的定義基礎(chǔ)上，發(fā)展起來(lái)的基于、運(yùn)算方式的諧波電流檢測(cè)法無(wú)論在電源電壓是否畸變的情況下，都能準(zhǔn)確地檢測(cè)出諧波和無(wú)功電流9。2.2諧波電流的檢測(cè) 2.2.1基于、運(yùn)算方式的諧波電流檢測(cè) 基于、運(yùn)算方式的諧波電流檢測(cè)方法1的矢量圖如圖2.2所示：lpflpf-+圖2.2 坐標(biāo)系中的電壓、電流矢量圖2.3 、運(yùn)算方式原理圖圖2.3為、運(yùn)算方式原理圖。根據(jù)定義計(jì)算出、，經(jīng)低通濾波器lpf得、的直流分量、，電網(wǎng)電壓無(wú)畸變時(shí)，為基波有功電流與電壓作用所產(chǎn)生，為基波無(wú)功電流與電壓所產(chǎn)生。由、即可計(jì)算出被檢測(cè)電流、的基波分量、為： (2.9)將、分別與、相減，即可得出、的諧波分量

20、、，當(dāng)有源濾波器同時(shí)用于補(bǔ)償諧波和無(wú)功功率時(shí)，就需要同時(shí)檢測(cè)出被補(bǔ)償對(duì)象中的諧波和無(wú)功電流。這種情況下，只需要斷開(kāi)圖2.3計(jì)算的通道即可。這時(shí)，由即可計(jì)算被檢測(cè)電流、的基波分量、為： （2.10）由于采用了低通濾波器lpf求取、，故當(dāng)被檢測(cè)電流發(fā)生變化時(shí)，需要經(jīng)一定的延遲。但只檢測(cè)無(wú)功電流時(shí)，則不需要低通濾波器，只需將反變換即可得出無(wú)功電流： （2.11）此方法檢測(cè)諧波電流的精度受電網(wǎng)電壓影響，需要進(jìn)一步改進(jìn)和完善。2.2.2 基于、運(yùn)算方式的諧波電流檢測(cè) 圖2.4是、運(yùn)算方式原理圖1，由該圖可以看出，、理論中，電源電壓不直接參與運(yùn)算，代之以與電源電壓同相位的標(biāo)準(zhǔn)正弦信號(hào)和與之對(duì)應(yīng)的余弦信號(hào)。

21、這樣，電源電壓畸變與否對(duì)計(jì)算結(jié)果不產(chǎn)生影響。具體運(yùn)算過(guò)程如下：pllsin-coslpflpf-+圖2.4 運(yùn)算方式原理圖圖中的在此方法中，通過(guò)一個(gè)鎖相環(huán)pll和一個(gè)正、余弦發(fā)生電路得到需要用到與相電網(wǎng)電壓同相位的單位正弦信號(hào)和余弦信號(hào)。按照?qǐng)D2.4可以算出、，經(jīng)低通濾波器lpf濾波得出、中的支流成分、，按照下式計(jì)算出負(fù)載電流的基波分量： (2.12)將、與、的諧波電流、。與、檢測(cè)方法相似，當(dāng)需要同時(shí)檢測(cè)無(wú)功電流時(shí)，只需要斷開(kāi)圖2.4中計(jì)算的通道即可。第3章 主電路結(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)計(jì)混合型有源電力濾波器的種類(lèi)可以根據(jù)無(wú)源濾波器和有源濾波器的連接方式不同來(lái)劃分。兩種濾波器既可以串聯(lián)也可以并聯(lián)，根據(jù)使

22、用的環(huán)境不同，都有各自的特性和優(yōu)點(diǎn)。本章研究的混合型有源電力濾波器，是先將無(wú)源濾波器并聯(lián)入網(wǎng)，再將有源濾波器和無(wú)源濾波器串聯(lián)，即并聯(lián)混合型有源電力濾波器。本章先介紹該濾波器的主電路結(jié)構(gòu)，再在總體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上得出各個(gè)元器件的參數(shù)。3.1主電路總體結(jié)構(gòu)本章研究了一種并聯(lián)混合型有源電力濾波器的電路結(jié)構(gòu)，這種電路結(jié)構(gòu)下有源濾波器的容量很小，甚至小于補(bǔ)償對(duì)象(諧波源負(fù)載)容量的1%，這就使得并聯(lián)型有源電力濾波器的應(yīng)用范圍可擴(kuò)展到大功率應(yīng)用場(chǎng)合。這種并聯(lián)混合型濾波器的電路結(jié)構(gòu)如圖3.1所示。系統(tǒng)包括無(wú)源濾波器、有源濾波器和控制系統(tǒng)三部分。其中無(wú)源濾波器由若干個(gè)單調(diào)諧支路和高通濾波器組成，圖3.1中設(shè)置了5

23、次和7次三相全控整流橋負(fù)載（諧波負(fù)載），容量為50kva，還設(shè)置了5次和7次兩條純調(diào)諧濾波器支路和高通濾波器支路。有源濾波器與一個(gè)附加小電感l(wèi)a通過(guò)耦合變壓器串入無(wú)源濾波器中。耦合變壓器可以起到隔離、匹配pwm變流器的電壓與電流容量的作用。諧波抑制和無(wú)功補(bǔ)償主要由無(wú)源濾波器來(lái)完成，而apf的作用是改善無(wú)源濾波器的濾波特性和抑制電網(wǎng)與無(wú)源濾波器之間可能發(fā)生的諧振。圖3.1 并聯(lián)混合型有源電力濾波器電路圖其中，apf被控制為一個(gè)諧波電流源。所以，基波無(wú)功電流被強(qiáng)迫流過(guò)附加電感l(wèi)a，從而apf中只流過(guò)諧波電流。由于無(wú)源濾波器被配置為純調(diào)諧，apf不承受諧波電壓。又由于la與無(wú)源濾波器相比基波阻抗很小

24、，因此它兩端所占基波電壓很小，因此apf承受電壓很小。所以apf的容量可以做到很小。當(dāng)apf過(guò)流或發(fā)生故障時(shí)，借助于快速熔斷器，apf可以迅速脫離整個(gè)濾波系統(tǒng)，而零偏無(wú)源濾波器和頻偏電感l(wèi)a組成的濾波系統(tǒng)還可以正常工作，不至于對(duì)電網(wǎng)造成大的沖擊。這一點(diǎn)在工程應(yīng)用上是非常重要的。因此，這種新型混合濾波器具有很強(qiáng)的實(shí)用性。3.2主電路參數(shù)設(shè)計(jì)3.2.1無(wú)源濾波器的參數(shù)設(shè)計(jì)在并聯(lián)混合型有源電力濾波系統(tǒng)中，無(wú)源濾波器補(bǔ)償電網(wǎng)中的大部分諧波及無(wú)功電流，因此它是系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分。無(wú)源濾波器的設(shè)計(jì)較有源濾波器而言要簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮是否經(jīng)濟(jì)，是否符合技術(shù)指標(biāo)。除對(duì)不同的無(wú)源濾波器類(lèi)型考慮不同的參數(shù)外

25、，設(shè)計(jì)濾波裝置還應(yīng)考慮2：(1) 單調(diào)諧濾波器的諧振頻率會(huì)因電容、電感參數(shù)的偏差或變化而改變，電網(wǎng)頻率會(huì)有一定的波動(dòng)，這將導(dǎo)致濾波器失諧；(2) 電網(wǎng)阻抗變化會(huì)對(duì)濾波裝置尤其是其中的單調(diào)諧濾波器的濾波效果有較大影響，而更為嚴(yán)重的是，電網(wǎng)阻抗與濾波器有發(fā)生并聯(lián)諧振的可能，設(shè)計(jì)時(shí)必須充分予以考慮。根據(jù)以上要求，設(shè)計(jì)濾波裝置的一般步驟如下:(1) 準(zhǔn)備設(shè)計(jì)的原始數(shù)據(jù)，包括估算系統(tǒng)中諧波源向電力系統(tǒng)注入的各次諧波電流，進(jìn)行諧波阻抗分析，確定應(yīng)提供的無(wú)功補(bǔ)償容量大小等；(2) 確定濾波裝置的構(gòu)成；(3) 濾波裝置中各濾波器的初步設(shè)計(jì)，初步確定各單調(diào)諧濾波器、高通濾波器中各元?dú)饧?shù)、容量等；(4) 濾波

26、裝置的最后確定， 這包括計(jì)算濾波器之間的影響，校核濾波裝置是否滿(mǎn)足諧波抑制的要求，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行諧波潮流計(jì)算，對(duì)不同方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析等。本文所研究的系統(tǒng)，要求的補(bǔ)償容量較小，且諧波負(fù)載固定。負(fù)載為三相全控橋式整流電路的交流側(cè)電流，負(fù)載電流中主要含有5次、7次及高次諧波，因而總電路中的無(wú)源濾波器主要由5次濾波器，7次濾波器及高通濾波器組成，主要根據(jù)所要補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功及各次諧波電流大小確定其各個(gè)元件的參數(shù)。(1) 單調(diào)諧濾波器的參數(shù)單調(diào)諧濾波器中的電容值計(jì)算公式為： （3.1）式中p和h分別為電容電感的單位容量成本，為基波相電壓，為次諧波電流，為與電容有關(guān)的數(shù)。因?yàn)閚=1/，則電感的計(jì)算公式為: （3.2

27、）(2) 高通濾波器的參數(shù)本系統(tǒng)中采用二階高通濾波器濾除次以上的諧波電流，其濾波特性由以下兩個(gè)參數(shù)描述： （3.3） （3.4）式中為截止頻率。在頻率的頻率范圍內(nèi)，是一個(gè)與品質(zhì)因數(shù)有關(guān)的參數(shù)，一般在之間取值。電阻和電感的計(jì)算公式如下： （3.5） （3.6）取截止頻率為9次，計(jì)算可得高通濾波器的參數(shù)。由上述經(jīng)驗(yàn)公式我們可以得出無(wú)源部分的參數(shù):5次部分: c=51uf, l=11.9mh7次部分: c=25.1uf, l=14.9mh高通部分: c=27.ouf, l =9.5mh, r =12.9(3) 附加電感l(wèi)a的確定 附加電感l(wèi)a值的選取對(duì)整個(gè)系統(tǒng)、無(wú)源濾波器單獨(dú)工作的濾波效果以及apf

28、容量都有重要影響。從系統(tǒng)工作穩(wěn)定性出發(fā)，首先要保證系統(tǒng)無(wú)源部分單獨(dú)工作時(shí)不易與電網(wǎng)發(fā)生諧振。這就要求根據(jù)lc濾波支路的參數(shù)選取la的值，保證包括附加電感l(wèi)a在內(nèi)的無(wú)源部分有一定的頻偏。其次，在不發(fā)生諧振的情況下無(wú)源部分要有較好的濾波效果。另外，從減小apf容量出發(fā)，又要求附加電感l(wèi)a的值盡量要取得小一些來(lái)減小其上分得的基波電壓。顯然，上述要求之間是存在矛盾的，在選擇時(shí)要根據(jù)具體情況和性能指標(biāo)進(jìn)行選擇。在穩(wěn)定性和濾波性能指標(biāo)要求較高的場(chǎng)合下可以適當(dāng)犧牲apf容量來(lái)保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和更好的濾波效果。在對(duì)濾波指標(biāo)要求較低而容量較大的場(chǎng)合，當(dāng)滿(mǎn)足基本濾波要求時(shí)，可通過(guò)選擇較小的la來(lái)減小apf的容量

29、。3.3.2有源濾波器的參數(shù)設(shè)計(jì)(1) 主電路電力電子器件的選擇在實(shí)際應(yīng)用中，為了使有源電力濾波器的補(bǔ)償電流能快速地跟隨指令電流的變化，必須根據(jù)實(shí)際補(bǔ)償要求選擇開(kāi)關(guān)速度快的器件。同時(shí)，要根據(jù)有源電力濾波器容量的大小來(lái)選取器件的電壓和電流等級(jí)。目前有源電力濾波器主電路所采用的電力電子器件多為gto和igbt。對(duì)于100kva以上大容量的有源電力濾波器一般采用gto作為其主電路的可控開(kāi)關(guān)器件，但因其工作頻率較低，對(duì)較高次諧波的補(bǔ)償效果較差。對(duì)于100kva以下中、小容量的有源電力濾波器，一般選用igbt。igbt器件的容量和控制手段等方面具有一定的優(yōu)勢(shì)，可用于大容量的有源電力濾波器，但目前較高的價(jià)

30、格可能限制其使用范圍。有源電力濾波器主電路器件的電壓是根據(jù)主電路直流側(cè)電容電壓值并考慮一定的裕量來(lái)選取的。器件的電流可根據(jù)最大補(bǔ)償電流值并考慮一定的裕量來(lái)選取。器件的工作頻率由實(shí)際補(bǔ)償對(duì)象和具體補(bǔ)償要求來(lái)確定。(2) 主電路直流側(cè)電壓計(jì)算和電容選取有源電力濾波器正常工作時(shí)，輸出的補(bǔ)償電流在指令電流兩側(cè)呈鋸齒波狀跟隨其變化。由有源電力濾波器的數(shù)學(xué)模型，對(duì)于a相有： （3.7）當(dāng)(為a相指令電流)，有源電力濾波器a相橋臂的上開(kāi)關(guān)器件應(yīng)該導(dǎo)通，下開(kāi)關(guān)器件應(yīng)該關(guān)斷。為1/3或2/3時(shí)。若取為1/3，則 （3.8）要使實(shí)際補(bǔ)償電流更好地跟蹤，此時(shí)必須增大，即 （3.9）也就是 （3.10）考慮到最嚴(yán)重的

31、情況 （3.11）即主電路直流側(cè)電壓值應(yīng)大于有源電力濾波器與供電系統(tǒng)連接點(diǎn)的相電壓峰值的3倍。在此基礎(chǔ)上直流側(cè)電壓越大，補(bǔ)償電流的跟隨性能越好，但器件耐壓要求也越高，因此要綜合考慮.結(jié)合開(kāi)關(guān)元件的開(kāi)關(guān)頻率和控制策略，算出直流側(cè)的電壓: ，即取直流側(cè)電壓為650v，波動(dòng)值為50v，即當(dāng)直流側(cè)電壓為600v時(shí)也能滿(mǎn)足補(bǔ)償要求。有源電力濾波器在實(shí)際運(yùn)行時(shí)很難將主電路直流側(cè)電壓控制在某一恒定值。直流側(cè)電壓波動(dòng)的根本原因在于補(bǔ)償電流在交流電源和有源電力濾波器之間的能量脈動(dòng)。如果電容值選擇得過(guò)小，主電路直流側(cè)電壓波動(dòng)就會(huì)過(guò)大，影響有源電力濾波器的補(bǔ)償效果；而如果電容值選擇過(guò)大，則主電路直流側(cè)電壓動(dòng)態(tài)響應(yīng)變

32、慢，電容體積和造價(jià)也會(huì)增加。考慮到有源電力濾波器在正常工作時(shí)直流側(cè)電容始終工作在充放電狀態(tài)。假設(shè)在某一pwm周期內(nèi)電容始終處于充電或放電狀態(tài)，直流側(cè)電容電壓的最大允許偏離設(shè)定值為，則有 （3.12）所以 （3.13）式中為直流側(cè)電容值，為pwm脈沖的頻率， 為通過(guò)電容的電流最大值在本文構(gòu)造的系統(tǒng)中，通過(guò)計(jì)算得出直流側(cè)電容容量為1000uf(3) 主電路交流側(cè)電抗器的選取有源電力濾波器的補(bǔ)償特性主要取決于輸出補(bǔ)償電流對(duì)于補(bǔ)償指令電流的跟蹤控制能力。因此主電路交流側(cè)電抗器的取值應(yīng)保證有源電力濾波器具有跟隨指令電流最大變化率的能力。電抗器最大取值的計(jì)算由有源電力濾波器的數(shù)學(xué)模型，對(duì)于a相有 （3.1

33、4）若則有： （3.15）如果有源電力濾波器能跟隨指令電流最大變化率，需要有 （3.16）所以主電路電抗器的最大值為 （3.17）上式中，對(duì)于不同的諧波源和不同的補(bǔ)償要求，補(bǔ)償指令電流是不盡相同的，其中最大電流變化率與補(bǔ)償電流的具體表達(dá)式形式密切相關(guān)。相關(guān)資料中給出了計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式： （3.18）上式中為基波電流頻率，且 （3.19）其中為補(bǔ)償指令電流有效值。 電抗器最小取值的計(jì)算如果電抗器取值過(guò)小，則會(huì)使補(bǔ)償電流的紋波過(guò)大， 從而影響有源電力濾波器的補(bǔ)償效果。因此電抗器的最小取值應(yīng)主要由主電路開(kāi)關(guān)器件所產(chǎn)生的紋波來(lái)決定，電抗器的作用是將其在補(bǔ)償電流上產(chǎn)生的紋波限制在一定范圍內(nèi)。若有源電力濾波

34、器的實(shí)際輸出電流中偏離指令電流的最大允許值為則 （3.20）由式(3.14),(3.15)有 （3.21）那么 （3.22） （3.23）以上各式中為pwm脈沖頻率。在對(duì)有源電力濾波器的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算時(shí)，可根據(jù)式（3.17)和(3.23)并結(jié)合實(shí)際情況對(duì)交流側(cè)電抗器的參數(shù)進(jìn)行選取和調(diào)整。有時(shí)根據(jù)式(3.17)計(jì)算出的比根據(jù)式(3.23)計(jì)算出來(lái)的還要小很多，這看起來(lái)是矛盾的。但是一般情況下按式(3.17)計(jì)算出的最大值是偏小的，而按式(3.23)計(jì)算的最小值是偏大的。同時(shí)，從有源電力濾波器工作角度來(lái)講，保證補(bǔ)償電流跟隨指令電流的變化與限制補(bǔ)償電流紋波本身就是矛盾的。解決辦法是以犧牲限制補(bǔ)償電流中

35、紋波電流為代價(jià)，而盡可能首先保證補(bǔ)償電流跟蹤指令電流的變化，如果補(bǔ)償電流中的紋波過(guò)大，可另加紋波濾波裝置。在本文構(gòu)造的系統(tǒng)中，假設(shè)要濾除90%的開(kāi)關(guān)頻率諧波電壓，根據(jù)上文的公式計(jì)算， 則l=27.9mh。主電路各部分的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表3.1所示。表3.1 總電路結(jié)構(gòu)參數(shù)表5次=51uf,=11.9mh7次=25.1uf, =14.9mh高通濾波器=27uf, =9.5mh, =12.9lala=0.1mh平波電容=0.1uf平波電感=27.9mhapf支流側(cè)電容1000uf第4章 并聯(lián)型混合濾波器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)本章介紹了并聯(lián)混合濾波器的通用網(wǎng)側(cè)數(shù)學(xué)模型和幾種實(shí)用的控制策略，如根據(jù)電源諧波電流來(lái)控制

36、、根據(jù)負(fù)載諧波電流來(lái)控制等等，且在其中選擇了根據(jù)負(fù)載諧波電壓來(lái)控制有源濾波器諧波電壓的方式做為本章的主要控制策略。這種策略的優(yōu)點(diǎn)是能夠自動(dòng)調(diào)整阻抗值順應(yīng)電網(wǎng)諧波阻抗的變化?？刂葡到y(tǒng)采用基于tms320lf2407(以下簡(jiǎn)稱(chēng)為f2407)芯片的控制系統(tǒng)對(duì)并聯(lián)型混合濾波器進(jìn)行控制。另外，還選用了hl402集成電路對(duì)igbt進(jìn)行隔離保護(hù)。有關(guān)dsp的設(shè)計(jì)中，器件的正確選擇非常重要。應(yīng)按照以下原則8來(lái)進(jìn)行選擇：(1) 數(shù)字部分的計(jì)算精度(即dsp和單片機(jī)的位數(shù))要滿(mǎn)足有源濾波器的要求；(2) 實(shí)時(shí)性要求，即器件的工作頻率要足夠高、數(shù)字部分的計(jì)算能力和計(jì)算速度要足夠快；(3) 通用性問(wèn)題，在設(shè)計(jì)中采用的

37、芯片應(yīng)該是現(xiàn)今和日后數(shù)年內(nèi)有市場(chǎng)供貨的型號(hào)，對(duì)今后設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)時(shí)避免變化芯片而導(dǎo)致芯片的兼容問(wèn)題；(4) 成本問(wèn)題，設(shè)計(jì)中因?yàn)橐x用較多的數(shù)字芯片，所以存在一個(gè)設(shè)計(jì)成本和有源濾波器的硬件實(shí)現(xiàn)問(wèn)題。有源濾波器的價(jià)格比傳統(tǒng)的濾波器要貴幾倍甚至幾百倍，所以在我國(guó)有源濾波器一直沒(méi)有被人們重視和廣泛推廣。因此在設(shè)計(jì)有源濾波器時(shí)必須認(rèn)真考慮成本問(wèn)題，采用性?xún)r(jià)比高的芯片。4.1 控制策略對(duì)于并聯(lián)混合型有源電力濾波器，有一個(gè)通用的電氣模型，它的電路圖如圖4.1所示：圖4.1 并聯(lián)混合型有源濾波器的通用網(wǎng)側(cè)模型圖中的和在此分別代表網(wǎng)側(cè)等效輸出濾波電容和無(wú)源濾波器組，、分別為電源諧波電阻、電流和電壓，、為有源濾波

38、器諧波電流和電壓，、為負(fù)載諧波電壓和電流。對(duì)此通用電氣模型可采用的控制策略有：(1) 根據(jù)濾波器支路電流來(lái)控制。這種方法實(shí)質(zhì)上等效于控制有源電力濾波器來(lái)改善無(wú)源支路的諧波阻抗特性；(2) 根據(jù)電源諧波電流來(lái)控制。這種控制策略相當(dāng)于在電網(wǎng)上增加了一個(gè)可調(diào)的諧波阻抗，可以通過(guò)控制有源電力濾波器來(lái)增大電網(wǎng)諧波阻抗；(3) 根據(jù)負(fù)載諧波電流來(lái)控制，這種控制策略實(shí)質(zhì)上等效于通過(guò)控制有源電力濾波器在改善無(wú)源濾波器的同時(shí)，又增大電網(wǎng)諧波阻抗。(4) 根據(jù)負(fù)載諧波電壓來(lái)控制。本文采用這種控制方式控制有源濾波器，先介紹其推導(dǎo)過(guò)程：控制負(fù)載諧波電壓，實(shí)際上是控制。由圖4.1的數(shù)學(xué)模型結(jié)合基爾霍夫定律，可以得到：

39、（4.1）化簡(jiǎn)為： （4.2）由式(4.2)反推等效電路圖4.2如圖所示：圖4.2 采用負(fù)載諧波電壓控制方式時(shí)系統(tǒng)的等效電路圖此時(shí)有源濾波器的控制效果是使得電網(wǎng)的諧波阻抗增大，這種阻抗跟電網(wǎng)阻抗呈線性關(guān)系能夠自動(dòng)跟隨系統(tǒng)阻抗的變化。當(dāng)控制時(shí)，能夠有效抑制電網(wǎng)阻抗波動(dòng)時(shí)對(duì)濾波器和負(fù)載的影響，同時(shí)消除電網(wǎng)諧波電壓的影響。4.2 基于tms320lf2407的檢測(cè)控制系統(tǒng)tms320lf2407的主要特點(diǎn)有：(1) 采用高性能靜態(tài)cmos技術(shù)，使得供電電壓降為3.3 v，減少了控制器功耗；30mips 的執(zhí)行速度使得指令周期縮短到33ns(30mhz)，從而提高了控制器的實(shí)時(shí)控制能力，通過(guò)采用片內(nèi)集

40、成外圍設(shè)備方案，在結(jié)構(gòu)上含有傳統(tǒng)處理器(mcus)和多種外圍芯片；(2) 有高達(dá)32k字的片內(nèi)flash程序存儲(chǔ)器，高達(dá)1.5k字的數(shù)據(jù)、程序ram,544字雙口ram(daram)和2k字的單口ram(saram)；(3) 兩個(gè)事件管理器模塊eva和evb，每個(gè)包括：兩個(gè)16位通用定時(shí)器；8個(gè)16位的脈寬調(diào)制(pwm)通道。能夠?qū)崿F(xiàn)：三相反響器控制；pwm的對(duì)稱(chēng)和非對(duì)稱(chēng)波形；可迅速關(guān)閉pwm通道;可編程的pwm死區(qū)控制以防止上下橋臂同時(shí)輸出觸發(fā)脈沖；三個(gè)捕獲單元；片內(nèi)光電編碼器接口電路；16通道a/d轉(zhuǎn)換器；(4) 外接1/0端口豐富，可擴(kuò)展的外部存儲(chǔ)器總共有192k字的空間；(5) 有5個(gè)

41、外部中斷(兩個(gè)驅(qū)動(dòng)保護(hù)、復(fù)位和兩個(gè)可屏蔽中斷)；(6) 高達(dá)40個(gè)可單獨(dú)編程或復(fù)用的通用輸入/輸出引腳(gpio)。以上的性能特點(diǎn)使f24x系列dsp控制性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)的16位微控制器和微處理器。同時(shí)，f24x器件的16位定點(diǎn)dsp內(nèi)核為控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了一個(gè)不犧牲系統(tǒng)精度和性能的高性能解決方案。tms320lf2407檢測(cè)控制子系統(tǒng)主要包括a/d，d/a，a/d調(diào)理電路、日歷時(shí)鐘、鍵盤(pán)顯示等功能單元。下面對(duì)部分單元作簡(jiǎn)單介紹：tms320lf2407pwm輸出互鍵保護(hù)下位機(jī)鍵盤(pán)顯示a/dd/a串行通訊圖4.3 有源濾波器控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖4.1.1 a/d功能單元有源濾波器通過(guò)實(shí)時(shí)采集三相

42、電源電壓、電流和負(fù)載電流來(lái)計(jì)算出指令電流，由于采用數(shù)字化控制，算法復(fù)雜，而又對(duì)實(shí)時(shí)性、快速性和精確性有很高的要求，為了避免電流、電壓采樣時(shí)間不一致引起有功或無(wú)功測(cè)量誤差，選用了ad7859對(duì)各相電壓電流同時(shí)采樣。4.1.2 d/a功能單元由于控制算法均由軟件構(gòu)成，各中間變量無(wú)法用示波器觀測(cè)，而f2407片內(nèi)沒(méi)有d/a，因此選用了ad7841作為系統(tǒng)d/a輸出單元，將中間變量轉(zhuǎn)變?yōu)槟M信號(hào)輸出，便于系統(tǒng)調(diào)試和監(jiān)控。4.1.3 a/d信號(hào)調(diào)理電路為保證在a/d轉(zhuǎn)換過(guò)程中被轉(zhuǎn)換信號(hào)保持不變，必須在a/d自帶多路信號(hào)切換技術(shù)和采用模擬多路開(kāi)關(guān)方式的同時(shí)，在a/d轉(zhuǎn)換前加入調(diào)理電路。圖4.4 a/d信號(hào)

43、調(diào)理電路 圖4.2為交流電壓、電流信號(hào)的調(diào)理電路。a/d調(diào)理電路中運(yùn)算放大器為lm258，lm258由兩個(gè)獨(dú)立的、高增益的、含內(nèi)在頻率補(bǔ)償?shù)倪\(yùn)算放大器，采用雙電源供電。 lm258有正負(fù)兩個(gè)輸入信號(hào)，這樣可以消除共模信號(hào)。器件bat54s主要作用是將電壓鉗制在ov-3.3v內(nèi)，起到保護(hù)作用。4.1.4 日歷功能單元本系統(tǒng)采用epson公司推出的日歷時(shí)鐘芯片rx8580，該芯片是內(nèi)含i2c總線接口功能的具有低功耗的多功能時(shí)鐘/日歷芯片。4.2隔離驅(qū)動(dòng)電路絕緣柵雙極型場(chǎng)效應(yīng)管igbt的驅(qū)動(dòng)問(wèn)題是制約其應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一。驅(qū)動(dòng)電路性能不好，常常會(huì)造成功率igbt的擊穿和損壞。本文采用hl402a/

44、bigbt驅(qū)動(dòng)集成電路。它具有先降柵壓、后軟關(guān)斷的雙重保護(hù)功能，其降柵壓延遲時(shí)間、降柵壓時(shí)間、軟關(guān)斷斜率均可通過(guò)外接電容器進(jìn)行整定，因而能適應(yīng)不同飽和壓降igbt的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)。hl402是n溝道大功率igbt模塊的驅(qū)動(dòng)電路，能驅(qū)動(dòng)600v/300a和1200v/150a的igbt。由于hl402內(nèi)含一個(gè)具有靜電屏蔽層的高速光耦合器，因而可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)隔離，它抗干擾能力強(qiáng)，響應(yīng)速度快，隔離電壓高。并具有對(duì)被驅(qū)動(dòng)功率igbt進(jìn)行降柵壓、軟關(guān)斷的雙重保護(hù)功能。在軟關(guān)斷及降柵壓的同時(shí)還將輸出報(bào)警信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)封鎖脈沖或分?jǐn)嘀骰芈返谋Ｗo(hù)。它的輸出驅(qū)動(dòng)電壓幅值很高，其正向驅(qū)動(dòng)電壓可達(dá)15-17v，負(fù)向驅(qū)動(dòng)電

45、壓可達(dá)10-12v。第5章 主電路的軟件仿真5.1 matlab仿真軟件介紹matlab是功能強(qiáng)大的科學(xué)及工程計(jì)算軟件，它不但具有以矩陣計(jì)算為基礎(chǔ)的強(qiáng)大數(shù)學(xué)計(jì)算和分析功能，而且還具有豐富的可視化圖形表現(xiàn)功能和方便的程序設(shè)計(jì)能力。matlab的應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛，除數(shù)學(xué)計(jì)算和分析外，還被廣泛地應(yīng)用于自動(dòng)控制、系統(tǒng)仿真、數(shù)字信號(hào)處理、圖形圖象分析、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、人工智能、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、通信工程、金融系統(tǒng)等領(lǐng)域，因此，matlab是面向21世紀(jì)的計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)及科學(xué)計(jì)算的軟件。matlab的特點(diǎn)如下：(1) 語(yǔ)言簡(jiǎn)潔緊湊，使用方便靈活，庫(kù)函數(shù)極其豐富。matlab程序書(shū)寫(xiě)形式自由，利用豐富的庫(kù)函數(shù)避開(kāi)繁雜

46、的子程序編程任務(wù)，壓縮了一切不必要的編程工作。由于庫(kù)函數(shù)都由本領(lǐng)域的專(zhuān)家編寫(xiě)，用戶(hù)不必?fù)?dān)心函數(shù)的可靠性?？梢哉f(shuō)，用matlab進(jìn)行科技開(kāi)發(fā)是站在專(zhuān)家的肩膀上； (2) 運(yùn)算符豐富。由于matlab是用c語(yǔ)言編寫(xiě)的，matlab提供了和c語(yǔ)言幾乎一樣多的運(yùn)算符，靈活使用matlab的運(yùn)算符將使程序變得極為簡(jiǎn)短； (3) matlab既具有結(jié)構(gòu)化的控制語(yǔ)句（如for循環(huán)，while循環(huán)，break語(yǔ)句和if語(yǔ)句），又有面向?qū)ο缶幊痰奶匦裕?(4) 程序限制不嚴(yán)格，程序設(shè)計(jì)自由度大。例如，在matlab里，用戶(hù)無(wú)需對(duì)矩陣預(yù)定義就可使用； (5) 程序的可移植性很好，基本上不做修改就可以在各種型號(hào)的計(jì)

47、算機(jī)和操作系統(tǒng)上運(yùn)行； (6) matlab的圖形功能強(qiáng)大。在fortran和c語(yǔ)言里，繪圖都很不容易，但在 matlab里，數(shù)據(jù)的可視化非常簡(jiǎn)單。matlab還具有較強(qiáng)的編輯圖形界面的能力； (7) matlab的缺點(diǎn)是，它和其他高級(jí)程序相比，程序的執(zhí)行速度較慢。由于matlab的程序不用編譯等預(yù)處理，也不生成可執(zhí)行文件，程序?yàn)榻忉寛?zhí)行，所以速度較慢； (8) 功能強(qiáng)大的工具箱是matlab的另一特色。matlab包含兩個(gè)部分：核心部分和各種可選的工具箱。核心部分中有數(shù)百個(gè)核心內(nèi)部函數(shù)。其工具箱又分為兩類(lèi)：功能性工具箱和學(xué)科性工具箱。功能性工具箱主要用來(lái)擴(kuò)充其符號(hào)計(jì)算功能，圖示建模仿真功能，

48、文字處理功能以及與硬件實(shí)時(shí)交互功能。功能性工具箱用于多種學(xué)科。而學(xué)科性工具箱是專(zhuān)業(yè)性比較強(qiáng)的，如control toolbox，single processing toolbox，communication toolbox等。這些工具箱都是由該領(lǐng)域內(nèi)學(xué)術(shù)水平很高的專(zhuān)家編寫(xiě)的，所以用戶(hù)無(wú)需編寫(xiě)自己學(xué)科范圍內(nèi)的基礎(chǔ)程序，而直接進(jìn)行高、精、尖的研究； (9) 源程序的開(kāi)放性。開(kāi)放性也許是matlab最受人們歡迎的特點(diǎn)。除內(nèi)部函數(shù)以外，所有matlab的核心文件和工具箱文件都是可讀可改的源文件，用戶(hù)可通過(guò)對(duì)源文件的修改以及加入自己的文件構(gòu)成新的工具箱。5.2 仿真參數(shù)的確定由前章可以知道，無(wú)源濾波器由

49、5次和7次兩條純調(diào)諧lc濾波器、高通濾波器以及附加電感l(wèi)a組成，其參數(shù)如表5.1所示。仿真系統(tǒng)中，設(shè)置輸入電壓為220v。諧波電流源為帶阻感負(fù)載的單相橋式整流電路。表5.1 無(wú)源部分參數(shù)5次單調(diào)諧濾波器，7次單調(diào)諧濾波器，高通濾波器，另外，附加電感l(wèi)a=0.1mh，負(fù)載容量為50kva。有源濾波器直流側(cè)電容容量為1000uf。5.3 仿真結(jié)果利用matlab仿真軟件分別對(duì)未投入濾波器、投入了無(wú)源濾波器和投入并聯(lián)混合型有源電力濾波器三種情況進(jìn)行仿真，得到如圖5.2、圖5.3和圖5.4的仿真波形圖。從圖5.2中可以看出電網(wǎng)電流發(fā)生了嚴(yán)重的畸變含有很大的諧波成分，其中5次和7次諧波所占比重最大，需要

50、對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償。5.2 未投入濾波器前電網(wǎng)電流的波形圖5.3表明投入無(wú)源濾波器后網(wǎng)側(cè)電流波形有一定的改善，但是還是存在一定程度的畸變，所以無(wú)源電力濾波器起到了一定的濾波作用，但是濾波效果不理想，需要進(jìn)一步的補(bǔ)償。5.3 投入無(wú)源濾波器后的電網(wǎng)電流波形圖5.4表明投入有源濾波器和無(wú)源濾波器后網(wǎng)側(cè)電流波形得到非常大的改善，已經(jīng)非常接近正弦波形，并且諧波含量只有3%，達(dá)到國(guó)家規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)。5.4 投入并聯(lián)混合型濾波器后電網(wǎng)電流的波形上述仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明由無(wú)源濾波器和有源濾波器構(gòu)成的并聯(lián)混合型濾波器具有優(yōu)良的濾波特性能，在濾波效果上大大優(yōu)于單獨(dú)使用的無(wú)源濾波器，同時(shí)在應(yīng)用范圍和造價(jià)上又優(yōu)于單獨(dú)使用的有源濾

51、波器，是一種值得推廣的濾波方式。結(jié) 論本文首先介紹了諧波的危害和諧波抑制與無(wú)功補(bǔ)償方面的情況。接著通過(guò)對(duì)無(wú)源濾波器和有源濾波器的客觀比較，闡明了混合型濾波器在諧波抑制上的研究意義。最后研究了一種先將無(wú)源濾波器并聯(lián)入網(wǎng)再將有源濾波器與無(wú)源部分串聯(lián)的混合型濾波器，并對(duì)它的電路結(jié)構(gòu)和元件參數(shù)作了分析研究和討論。本文的主要工作及結(jié)論如下：(1) 研究了并聯(lián)混合型濾波器主電路結(jié)構(gòu)，根據(jù)主電路結(jié)構(gòu)和經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)了無(wú)源部分和有源部分的參數(shù)；(2) 介紹了三相電路瞬時(shí)無(wú)功功率和基于此理論的諧波電流檢測(cè)方法；(3) 完成了混合濾波器硬件控制系統(tǒng)的主體設(shè)計(jì)。在硬件系統(tǒng)構(gòu)成的芯片選型、信號(hào)調(diào)理等方面作了很多工作

52、；(4) 采用了根據(jù)負(fù)載諧波電壓確定有源濾波器諧波電壓的控制策略；(5) 利用matlab仿真軟件對(duì)主電路進(jìn)行了仿真研究，仿真的結(jié)果表明由無(wú)源濾波器和有源濾波器混合構(gòu)成的混合濾波器具有優(yōu)良的濾波性能，在濾波效果上優(yōu)于單獨(dú)使用的無(wú)源濾波器。基于tms320lf2407的并聯(lián)混合型有源電力濾波器，在結(jié)構(gòu)上是合理的，同時(shí)也滿(mǎn)足給定條件下的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)上的要求。但由于時(shí)間上的原因，本文所研究的并聯(lián)混合型有源濾波器系統(tǒng)的部分特性有待進(jìn)一步提高。致 謝本文是在肖申平教授的親切關(guān)懷和悉心指導(dǎo)下完成的，肖教授嚴(yán)謹(jǐn)、求實(shí)、一絲不茍的治學(xué)精神使我受益非淺，對(duì)我今后學(xué)習(xí)工作產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。在此謹(jǐn)向肖教授致以最誠(chéng)摯的謝

53、意和最崇高的敬意。 在論文的寫(xiě)作過(guò)程中參考了大量的資料，其中很多資料是完成本論文的關(guān)鍵性材料，在此，也向這些文章的作者表示深深的謝意，是他們的開(kāi)拓性工作給了我深入研究的基礎(chǔ)。 在論文撰寫(xiě)和修改的時(shí)候，我也得到了幾位專(zhuān)家教授的親切指導(dǎo)，他們幫我分析了論文存在的一些問(wèn)題和不足，并且給了一定的參考意見(jiàn)和修改措施。在此，我也向這幾位和藹可親的長(zhǎng)輩表示由衷的感謝。最后，也對(duì)給我關(guān)懷和鼓舞的電氣031班的各位同學(xué)致敬，是你們?cè)谖衣L(zhǎng)的學(xué)習(xí)道路上給我信心和勇氣。謝謝大家！學(xué)生簽名：日 期：參考文獻(xiàn)1王兆安,楊君,劉進(jìn)軍.諧波抑制和無(wú)功功率補(bǔ)償m.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1998. 2徐永海，肖湘寧，楊以涵.低成本混合濾波方案及特性分析.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，1999，19(12):5-8 3李圣清，朱英浩，周有慶，何立志.電網(wǎng)諧波檢測(cè)方法的綜述.高壓電技術(shù)，2004,10(5):10-134謝運(yùn)祥，唐中琦.電力有源濾波器及其應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展j.電工技術(shù),2004(4):1-3.5劉進(jìn)軍，劉波，王兆安.基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的串聯(lián)混合型單相電力濾波器.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，1997，13(7