基于DSP的有源电力滤波器的研制

论文摘要

本文以高速信号处理器件DSP为主控制器,以大功率开关器件IGBT为执行元件,综合利用PWM波控制技术、光纤传输技术以及瞬时无功功率理论,研制出新一代的有源电力滤波器。该系统首先通过电压和电流传感器从电网中检测出所需要的电压和电流变化参数,经过高精度A/D把这些量采集到主控制器DSP中,经指令电流运算单元计算出需要补偿的指令电流,发出PWM控制信号,然后经过放大电路放大并利用抗干扰较强的光纤传输到IGBT驱动电路中,得到补偿电流,补偿电流再与负载电流中谐波电流抵消,完成补偿谐波电流的功能。文中阐述的并联型有源电力滤波器的硬件由信号采集隔离电路、指令电流运算及跟踪控制系统、IGBT变流桥组成的主电路三部分组成。为了降低系统设计成本,信号采集隔离电路采用高速度、低非线性度光耦隔离器件HCNR200/1代替以往设计中经常使用的隔离放大器ISO124,实现采集信号的传输过程;由于指令电流运算电路在工作时存在着大量数据运算与整个系统对实时性的要求之间的矛盾,为确保补偿电流输出的准确性,提高检测与控制精度,此部分采用具有高速的浮点数据处理能力DSPTMS320VC33为主控制器;为了提高主电路IGBT驱动部分的可靠性,简化硬件电路的PCB布局,使用高集成度的驱动芯片2SD315A来确保驱动能力,并且驱动芯片与主控电路的连接中采用光纤传输来抑制高频电流产生的电磁干扰。软件的设计以瞬时无功功率理论为依据,通过ip-iq运算方式实时检测出谐波电流,其算法包括数字滤波、定时滞环控制等模块的应用;为了保证系统运行的安全性和可靠性,软件方法实现对直流侧电容电压的PI控制和保护、电网电压过高以及电流过载保护、外部中断保护等一系列功能。针对三相三线制供电系统的此种有源电力滤波器样机在实验室已经调试成功,该补偿装置能有效的改善电网波形,降低负载电流总谐波畸变率THD,对整流器﹑变频装置﹑电弧炉等非线性、冲击性负载引起的电网电压、电流畸变具有很强的抑制作用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 谐波补偿技术的研究概况及发展趋势
• 1.2.1 国内、外谐波抑制技术研究概况
• 1.2.2 两种谐波补偿装置的综合分析
• 1.3 本课题研究的主要内容
• 1.4 本章小结
• 2 电力系统谐波分析及控制策略
• 2.1 电力系统谐波的产生机理
• 2.2 谐波及其危害
• 2.2.1 谐波的起源
• 2.2.2 谐波造成的危害
• 2.3 谐波和无功检测算法的研究及补偿技术
• 2.3.1 谐波和无功电流的检测方法
• 2.3.2 瞬时无功功率理论基础
• 2.3.3 三相电路谐波和无功电流的实时检测
• 2.4 谐波标准
• 2.4.1 谐波电压限值
• 2.4.2 用户谐波指标的分配
• 2.5 本章小结
• 3 有源电力滤波器（APF）的结构及工作原理
• 3.1 APF 的基本原理
• 3.2 APF 的拓扑结构
• 3.2.1 并联型APF
• 3.2.2 串联型APF
• 3.2.3 串并联型APF（电能质量调节器）
• 3.3 本章小结
• 4 基于DSP 的三相三线制有源电力滤波器
• 4.1 系统总体设计
• 4.2 基于TMS320VC33 的有源电力滤波器系统硬件设计
• 4.2.1 信号采集隔离电路
• 4.2.2 传感器的选择及信号采样原理
• 4.2.3 ADC 模块
• 4.2.4 基于DSP 的指令电流运算与处理及跟踪控制电路
• 4.2.5 PWM 模块
• 4.2.6 IGBT 隔离驱动电路
• 4.2.7 主电路中IGBT 的选择及工作原理
• 4.2.8 输入保护模块检测电路
• 4.2.9 直流侧电容电压的检测
• 4.3 基于TMS320VC33 的有源电力滤波器系统软件设计
• 4.3.1 主程序流程设计
• 4.3.2 谐波和无功电流的检测及计算方法
• 4.3.3 电流跟踪控制电路的实现方法
• 4.3.4 模块程序的设计
• 4.4 实施方案的改进过程以及辅助工作
• 4.4.1 隔离电路设计方案的调整
• 4.4.2 电源模块的设计
• 4.4.3 模拟信号源的设计
• 4.5 本章小结
• 5 系统抗干扰设计
• 5.1 干扰的定义及危害性
• 5.2 干扰的来源和种类
• 5.3 抑制干扰的方法
• 5.3.1 硬件抗干扰措施
• 5.3.2 印制电路板抗干扰设计技术
• 5.3.3 软件抗干扰措施
• 5.3.4 传感器的安装应注意的问题
• 5.3.5 电磁兼容性
• 5.4 散热设计
• 5.5 本章小结
• 6 实验装置补偿效果分析
• 6.1 实验系统参数与结构
• 6.2 实验结果及分析
• 6.3 本章小结
• 7 结论
• 7.1 结论
• 7.2 前景与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录