基于DSP的电网谐波抑制和预警系统的研究

论文摘要

由于电力网谐波问题导致电能质量下降而影响电气电子设备正常工作的问题,早在电力供应开始就引起了人们的关注。随着生活水平的提高和工业规模的扩大,各个部门急剧增大的用电需求以及新型电力电子产品的广泛使用都对电网波形的畸变造成了很大的影响,使得谐波抑制问题变得更为严峻。本文即以谐波抑制方案为研究对象,从谐波的检测、分析和治理等多方面入手,设计了一套谐波抑制和预警系统。对谐波的抑制可以概括地分为两步,其一确定电网谐波成分,其二确定谐波治理方式。确定电网谐波成分即谐波的检测分析,本文以现代高性能DSP的发展为依托,以FFT分析为基础,并结合电网谐波分析特点,提出滑动的Pruning-FFT算法,提高了FFT算法在电网谐波检测分析上的适用性和效率。在谐波治理方式上,传统的无源滤波器已不能满足对电网谐波快速动态补偿的要求,而有源滤波器以其可靠性高、动态性能好、滤波精度高等特点成为谐波治理方式的发展趋势。本文以集成功率模块为依托,结合了无源滤波器和有源滤波器的特点,构建了一套混合有源滤波器方案,提高了补偿的精度、动态性能和容量。此外,系统具备预警功能,能判断电网过压、过流、功率模块欠压、短路等故障,并提供预警和保护措施。电网谐波的监测信息和预警故障信息将通过液晶显示,同时系统预留了RS232口与计算机通讯。系统在硬件和软件设计上均采用了模块和封装的思想。硬件上将DSP最小系统板、数据采集板、功率驱动板和人机交互板等分开设计,并以标准接口连接,从而降低了调试难度,缩短了开发周期,并增强了各个模块的稳定性。软件上将常用代码进行封装,提高了模块的可重用性,同时预留部分程序接口,为维护更新提供了便利。本文将从谐波抑制背景开始,详细介绍谐波抑制和预警系统的实现原理,硬件和软件设计以及实验测试结果。最后,在文章的末尾对系统进行总结,并提出了进一步研究的方向。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 课题研究范围和现状
• 1.3 数字信号处理器在本课题研究中的意义
• 1.4 本文主要工作
• 第二章 谐波抑制系统原理
• 2.1 电力网谐波基础
• 2.2 电力网谐波电压标准
• 2.3 常用谐波检测算法简述
• 2.3.1 基于模拟滤波器的谐波检测算法
• 2.3.2 基于瞬时无功理论的谐波检测算法
• 2.3.3 基于FFT 的谐波检测算法
• 2.3.4 基于小波变换的谐波检测算法
• 2.3.5 基于智能方法的其他谐波检测算法
• 2.4 本系统谐波检测算法
• 2.4.1 DFT 和FFT
• 2.4.2 滑动DFT 和Pruning-FFT
• 2.5 常用电力滤波器结构简述
• 2.5.1 无源滤波器（PF）
• 2.5.2 有源滤波器（APF）
• 2.5.3 混合滤波器（HAPF）
• 2.6 本系统滤波器电路结构
• 2.7 故障预警系统构建思路
• 2.8 本章小结
• 第三章 系统硬件设计
• 3.1 DSP 选型设计
• 3.1.1 DSP 选型原则
• 3.1.2 DSP 系统板设计
• 3.1.2.1 电源和时钟模块
• 3.1.2.2 外扩RAM
• 3.1.2.3 R5232 串行口
• 3.2 数据采集系统
• 3.2.1 参考电压电路
• 3.2.2 信号变换电路
• 3.2.3 过零比较电路
• 3.2.4 锁相环倍频电路
• 3.3 故障保护子系统
• 3.4 人机交互子系统
• 3.4.1 液晶电路
• 3.4.2 键盘电路
• 3.4.3 通讯模块
• 3.5 驱动系统
• 3.6 电磁干扰与PCB 布板
• 3.6.1 元器件处理
• 3.6.2 接地方案
• 3.6.3 信号走线
• 3.7 本章小结
• 第四章 系统软件设计
• 4.1 系统软件整体框架
• 4.1.1 DSP 软件简述
• 4.1.2 单片机软件简述
• 4.2 DSP 捕获单元程序
• 4.3 DSP 模数转换程序
• 4.3.1 DSP 模数转换模块简介
• 4.3.2 模数转换流程
• 4.3.3 校正算法
• 4.4 DSP 数据分析程序
• 4.4.1 傅立叶变换的计算
• 4.4.2 常用电量的计算
• 4.4.2.1 电压和电流有效值的计算
• 4.4.2.2 功率和功率因数的计算
• 4.4.3 预警保护计算
• 4.5 DSP 输出控制程序
• 4.5.1 SPWM 调制原理
• 4.5.2 PWM 的DSP 实现
• 4.5.3 IPM 保护程序
• 4.6 单片机人机交互控制程序
• 4.6.1 单片机液晶控制
• 4.6.2 键盘控制
• 4.7 DSP 与单片机通讯
• 4.8 本章小结
• 第五章 系统测试与分析
• 5.1 测试系统简介
• 5.1.1 测试样机
• 5.1.2 谐波源
• 5.2 输入部分波形分析
• 5.2.1 过零信号
• 5.2.2 信号调理
• 5.3 输出部分波形分析
• 5.3.1 PWM 输出波形
• 5.3.2 谐振电路输出波形
• 5.3.3 谐波抑制实验波形
• 5.4 本章小结
• 第六章 设计总结和展望
• 6.1 系统设计总结
• 6.2 系统设计展望
• 参考文献
• 缩略语
• 攻读学位期间发表的学术论文目录
• 致谢