基于DSP有源滤波器的设计与应用研究.doc

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高峰：

基于有源滤波器的设计与应用研究

基于DSP有源滤波器的设计与应用研究

摘要

本文先分析了谐波产生的原因，以及各种无源滤波和有源滤波技术，并进行了对比。

再在分析有源滤波的基本原理以及分类的基础上，介绍了电力有源滤波器的系统构成分类，以及谐波检测方法，并选用基于瞬时无功理论的ip—iq检测算法进行电力有源滤波器的谐波检测。

本文还提出了基于DSP的有源电力滤波器的硬件设计方案。

对有源滤波器硬件系统的同步信号以及锁相环倍频电路进行了详细的说明；结合信号前端处理的电路原理图，设计了本系统的模拟信号采集系统，IPM功率单元模块驱动电路，以及实验装置供电电源板等。

关键词：

有源电力滤波器；数字信号处理器；瞬时无功功率；谐波检测

ABSTRACT

Thisarticlefirstanalyzesthecausesofharmonics,andavarietyofpassivefilterandactivefiltertechnology,andcompared.Furtheranalysisofthebasicprincipleofactivefilteringandclassificationbasedonactivepowerfilterpresentedconstituteaclassificationsystem,andtheharmonicdetectionmethodandselectionbasedoninstantaneousreactivepowertheoryofip-iqactivepowerdetectionalgorithmFilterharmonicdetection.ThispaperalsoproposedtheactivepowerfilterbasedonDSPhardwaredesign.Hardwaresystemontheactivefilterandphaselockedloopfrequencysynchronizationsignaltoadetaileddescriptionofthecircuit;combinationoffront-endsignalprocessingcircuitdiagram,designedthesystemanalogsignalacquisitionsystem,IPMpowermoduledrivingcircuitunit,andExperimentaldevicepowersupplyboard.

Keywords:

activepowerfilter,digitalsignalprocessor,instantaneousreactivepower,harmonicdetection

I

高峰：

基于有源滤波器的设计与应用研究

目录

摘要 I

ABSTRACT II

第1章引言 -1-

1.1谐波研究现状 -1-

1.2谐波的产生原因 -2-

1.3谐波源主要包括哪些设备 -3-

1.3.1电力电子 -3-

1.3.2 可饱和设备 -3-

1.3.3电弧炉设备及气体电光源设备 -3-

1.4谐波的危害 -4-

1.4.1谐波对电网的污染 -4-

1.4.2谐波引发各种电力电子设备出现故障 -4-

1.4.3对开关和继电保护的危害 -5-

1.4.4谐波对IT设备的危害 -5-

第2章谐波抑制方法 -6-

2.1降低谐波源的谐波含量 -6-

2.1.1 增加整流器的脉动数 -6-

2.1.2脉宽调制法 -6-

2.1.3三相整流变压器采用Y／Δ或Δ／Y的接线 -6-

2.2在谐波源处吸收谐波电流 -6-

2.2.1无源滤波器 -7-

2.2.2 有源滤波器 -7-

2.2.3防止并联电容器组对谐波的放大 -7-

2.3改善供电环境 -8-

2.4传统谐波抑制方法的不足 -8-

2.5有源电力滤波技术及其优点 -9-

第3章有源滤波器 -10-

3.1有源滤波器发展现状及前景 -10-

3.2有源滤波器的基本原理 -10-

3.3有源滤波器的系统构成和主电路形式 -12-

3.3.1单独使用的有源滤波器的系统构成 -12-

3.3.2有源滤波器的主电路形式 -14-

3.3.3多重化的主电路形式 -15-

3.4有源滤波器的谐波电流检测方法 -17-

3.4.1基于频域分析的模拟带通或带阻滤波器检测法 -17-

3.4.3基于瞬时无功理论的谐波快速检测法 -18-

3.5并联型有源电力滤波器 -20-

3.5.1指令运算电路 -21-

3.5.2电流跟踪控制电路 -22-

3.6串联型有源电力滤波器 -31-

3.6.1串联型有源电力滤波器的结构和基本原理 -31-

3.6.2串联型有源电力滤波器的控制方式 -32-

3.6.2串联型和并联型有源电力滤波器的对比 -37-

第4章有源滤波器的硬件和软件设计 -38-

4.1三相四线制有源滤波器的系统结构 -38-

4.2APF系统框图 -38-

4.3DSP控制板电路设计 -40-

4.3.1CPU及总线结构 -41-

4.3.2存储器配置 -42-

4.3.3事件管理器模块 -42-

4.3.4片内集成外设 -43-

4.4电压电流采样电路设计 -45-

4.4.1同步信号以及锁相环倍频电路 -45-

4.4.2电流采样电路 -50-

4.5IPM功率单元设计 -51-

4.6供电电源电路设计 -54-

第5章总结与展望 -55-

5.1全文总结 -55-

5.2今后的工作与展望 -56-

结束语 -57-

致谢 -58-

参考文献 -59-

四川理工学院本科毕业（设计）论文

第1章引言

1.1谐波研究现状

在环境保护问题日益受到关注的今天，人们已经认识到电力系统环境净化的必要性。

在电网污染日益严重的情况下，对电网质量的研究和保护自然具有十分重要的意义，而电力系统的谐波是衡量电能质量的一项重要指标。

电力系统谐波和无功的来源主要是源自电网中的非线性负载，如电弧炉、变压器、电力电子装置等，随着这类设备日益广泛的应用和单机容量的不断增大，电力电子装置的谐波污染问题已经成为电气电子工程领域关注和研究的焦点问题之一。

不少国家和国际学术组织都制定了限制电力系统和电力电子设备谐波的标准和规定，这有力的促进了学术界和工程界对谐波抑制技术的研究。

本文将对有源滤波器产生的背景，有源滤波器的优点，原理，主电路的设计等进行研究。

正是由于电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置的日益广泛应用，谐波污染的日趋严重，谐波问题已在世界范围内得到了广泛的关注。

1982年，国际电工委员会第一次制定了通用电器设备产生谐波的限制标准——IEC-55，并且在以后的执行过程中不断地进行了修订和完善，是一部最早的最具权威的谐波限制标准，在欧美等发达国家已被强制执行MI。

1993年，美国电气和电子工程师学会在以上标准的基础上进行了修改和补充，制定了IEEE-519谐波限制标准。

另外，国际大电网会议、国际供电会议等国际性学术组织，也相继成立了专门的电力系统谐波工作组，并已制定出了限制电力系统谐波的相关标准。

国际国内召开了多次有关谐波问题的学术会议，探讨和交流谐波治理的方法和经验。

新的谐波检测方法层出不穷，如AkagiH等学者提出的基于瞬时无功功率理论的谐波电流检测方法，该方法具有较好的实时性，而且既能治理谐波又能补偿无功功率；又如基于傅立叶变换的谐波检测方法，该方法具有检测精度较高、实现简单、功能多和使用方便等诸多优点，因而在频谱分析和谐波检测两个方面均得到了比较广泛的应用。

针对现有的各种谐波电流检测方法都存在延时问题，近年来提出了一些新型谐波电流预测方法，如基于加权一阶局域理论的谐波电流预测方法。

这些成果的取得无疑促进了有源电力滤波技术的发展，特别是进入80年代以后，由于新型电力半导体开关器件的出现，PWM控制技术的发展，以及新型谐波电流检测方法的提出，有源电力滤波技术（ActivePowerFilter简称APF）得以迅速发展。

国外有源电力滤波器的研究以日本为代表，1982年第一台实用的有源电力滤波器装置投入实际运行，现已步入实用化阶段。

尽管如此，由于APF初期投入大，补偿容量难以做大等原因，使得APF未能普及应用。

因此，目前在理论和应用两方面都存在许多问题，需要进一步研究和解决。

近10多年来，对电力谐波问题的研究已经大大超过了电力系统自身的研究范围，渗透到电工理论、非线性系统理论、数字信号处理、电力电子等学科领域，对电力谐波的研究已取得了前所未有的进展，并有了许多重要发展。

谐波问题逐渐被认识和了解，对其产生的原因，计算方法的分析，危害与影响的机理，测量与评估标准的制定，以及研究综合治理措施等方面的探索也在不断深入。

但由于谐波问题复杂，涉及领域宽，目前仍有大量问题需要解决。

谐波研究工作概括起来可以划分为4个方面。

1）谐波功率理论研究；

2）谐波及其危害和影响的分析，制定限制谐波的标准；

3）谐波有关的测量问题；

4）谐波的补偿和抑制。

1.2谐波的产生原因

电网中的谐波主要是由各种大量电力和用电变流设备以及其它非线性负载产生的。

当正弦基波电压（当电源阻抗为零阻抗时）施加于非线性负荷时，负荷吸收的电流与施加的电压波形不同，畸变的电流影响电流回路中的配电设施。

在实际存在系统电源阻抗时，畸变电流将在阻抗上产生电压降，因而产生畸变电压，畸变电压将对负载产生影响。

系统中的主要谐波源可分为两大类:

含半导体非线性元件的谐波源；由于PWM变换器的数学模型为非线性时变耦合的多阶系统，基于线性系统的现代控制理论算法很难获得完全理想的控制效果。

因此，工程使用上不如前述几种通用的控制策略。

1.3谐波源主要包括哪些设备

1.3.1电力电子

电力电子设备主要包括整流器、变频器、开关电源、静态换流器、晶闸管系统及其他SCR控制系统等。

由于工业与民用电力设备常用到这类电力电子设备和电路如整流和变频电路，其负载性质一般分为感性的容性两种，感性负载的单相整流电路为含奇次谐波的电流型谐波源，其谐波含量与电容值大小有关，电容值越大，谐波含量越大。

变频电路谐波源由于采用的是相位控制，其谐波成分不仅含有整流倍数的谐波，还含有非整流倍数的间谐波。

1.3.2 可饱和设备

可饱和设备主要包括变压器、电动机、发电机等。

可饱和设备是非线性设备，其铁心材料具有非线性磁化曲线的磁滞回线，在正弦波电压的作用下，励磁电流为对称函数，并满足：

f（wt+π）=-f（wt）应用傅立叶级数分解时仅含有奇次项，对于三相对称的变压器，3次谐波的奇数倍（3次、6次、9次……） 谐波均匀为零序，可认为变压器是只产生奇次谐波的电流源型谐波源。

变压器的谐波次数还受到一、二次侧接线方式的影响，谐波的大小与磁路的结构形式、铁心的饱和程度有关，变压器空载时，铁心的饱和程度超高，谐波电流就越大。

与电力电子设备的电弧设备相比，可饱和设备上的谐波在未饱和的情况下，其谐波的幅值往往可以忽略。

1.3.3电弧炉设备及气体电光源设备

电弧炉在熔炼金属过程中的非线性影响将产生大量的谐波。

气体电光源包括荧光灯、卤化灯、霓虹灯等。

根据这类气体放电光源的伏安特性，其非线性十分严重，同时含有负的伏安特性。

而气体灯具工作时要与电感性镇流器相串联，并使其综合伏安特性不再为负才能正常工作。

由于镇流器的非线性相当严重，其中三次谐波含量在20%以上，其特性为对称函数，只含有奇次谐波，所以气体电光源设备属于电流型谐波源。

1.4谐波的危害

谐波的危害是多方面的，对不同的主体会造成不一样的危害。

简单归纳为一下几个方面。

1.4.1谐波对电网的污染

1．造成电网的功率损耗增加，设备寿命缩短，接地保护功能失常，遥控功能失常，线路和设备过热等，特别是三次谐波会产生非常大的中性线电流，使得配电变压器的零线电流甚至超过相线电流值，造成设备的不安全运行。

谐波对电网的安全性、稳定性可靠性电流影响还表现在可能引起电网发生谐振，使正常的供电中断、事故扩大、电网解裂。

2.引起变电站局部并联或串联谐振，造成电压互感器设备损坏;造成变电站系统中的设备元器件产生附加的谐波损耗、引起电力变压器、电力电缆、电动机等设备发热，电容器损坏，并加速绝材料的老化;造成断路器电弧熄灭时间的延长，影响断路器的开断容量;造成电子元器件的继电保护或自动装置误动作;影响电子仪表和通信系统的正常工作，降低通信质量;增大附加磁场的干扰等。

1.4.2谐波引发各种电力电子设备出现故障

1.谐波使系统中的元件产生附加的谐波损耗，除降低了发电、输配电和其他用电设备的效率以外，在三相四线制的电路中，由于大量的零序谐波电流，特别是3次谐波电流流过中线，会引起中线过热，有引发火灾的危险。

另外，异常的、过大的中线电流的增加，会导致电网中线对地线的电压突增，将危及数据处理系统的安全。

2.谐波对于旋转电动机来说，除了增加损耗和引起发热以外，还会产生机械振动、噪声和谐波过电压，对电动机的寿命造成严重的影响。

3.谐波电流流入变压器，对变压器而言，谐波电流可导致铜损和杂散损增加，谐波电压则会增加铁损。

与纯正基本波运行的正弦电流和电压相较，谐波对变压器的整体影响是温升较高。

须注意的是，这些由谐波所引起的额外损失将与电流和频率的平方成比例上升，进而导致变压器的基波负载容量下降。

而当你为非线性负载选择正确的变压器额定容量时，应考虑足够的降载因数，以确保变压器温升在允许的范围内。

还应注意的是用户由于谐波所造成的额外损失将按所消耗的能量（千瓦小时）反应在电费上，而且谐波也会导致变压器噪声增加。

4.谐波电流流经电力电缆，在导体中非正弦波电流产生的热量与俱有相同均方根值的纯正弦波电流相较，则非正弦波有较高的热量。

该额外温升是由众所周知的集肤效应和邻近效应所引起的，而这两种现象取决于频率及导体的尺寸和间隔。

长期的过热运行将导致电缆的绝缘老化，甚至产生漏电和短路现象。

1.4.3对开关和继电保护的危害

谐波电流也会引起开关之额外损失，并提高温升使承载基波电流能力降低。

温升的提高对某些绝缘组件而言会降低其使用寿命。

低压断路器之固态跳脱装置，系根据电流峰值来动作，而此种型式之跳脱装置会因馈线供电给非线性负载而导致不正常跳闸。

1.4.4谐波对IT设备的危害

在计算机机房中，大量使用PC、服务器、交换机等整流滤波型非线性负载，它们向电网注入零序电流，使电网受到污染。

反过来，电网的低功率因数会影响IT设备的正常运行

-5-

第2章谐波抑制方法

    在电力系统中对谐波的抑制就是如何减少或消除注入系统的谐波电流，以便把谐波电压控制在限定值之内，抑制谐波电流主要有三方面的措施：

2.1降低谐波源的谐波含量

也就是在谐波源上采取措施，最大限度地避免谐波的产生。

这种方法比较积极，能够提高电网质量，可大大节省因消除谐波影响而支出的费用。

具体方法有：

2.1.1 增加整流器的脉动数

整流器是电网中的主要谐波源，其特征频谱为：

n＝Kp±1，则可知脉冲数p增加，n也相应增大，而In≈I1／n，故谐波电流将减少。

因此，增加整流脉动数，可平滑波形，减少谐波。

2.1.2脉宽调制法

    采用PWM，在所需的频率周期内，将直流电压调制成等幅不等宽的系列交流输出电压脉冲可以达到抑制谐波的目的。

2.1.3三相整流变压器采用Y／Δ或Δ／Y的接线

这种接线可消除3的倍数次的高次谐波，这是抑制高次谐波的最基本的方法。

2.2在谐波源处吸收谐波电流

    这类方法是对已有的谐波进行有效抑制的方法，这是目前电力系统使用最广泛的抑制谐波方法。

主要方法有以下几种：

2.2.1无源滤波器

    无源滤波器安装在电力电子设备的交流侧，由L、C、R元件构成谐振回路，当LC回路的谐振频率和某一高次谐波电流频率相同时，即可阻止该次谐波流入电网。

由于具有投资少、效率高、结构简单、运行可靠及维护方便等优点，无源滤波是目前采用的抑制谐波及无功补偿的主要手段。

但无源滤波器存在着许多缺点，如滤波易受系统参数的影响；对某些次谐波有放大的可能；耗费多、体积大等。

因而随着电力电子技术的不断发展，人们将滤波研究方向逐步转向有源滤波器。

2.2.2 有源滤波器

    早在70年代初期，日本学者就提出了有源滤波器APF（ActivePowerFilter）的概念，即利用可控的功率半导体器件向电网注入与原有谐波电流幅值相等、相位相反的电流，使电源的总谐波电流为零，达到实时补偿谐波电流的目的。

    与无源滤波器相比，APF具有高度可控性和快速响应性，能补偿各次谐波，可抑制闪变、补偿无功，有一机多能的特点；在性价比上较为合理；滤波特性不受系统阻抗的影响，可消除与系统阻抗发生谐振的危险；具有自适应功能，可自动跟踪补偿变化着的谐波。

目前在国外高低压有源滤波技术已应用到实践，而我国还仅应用到低压有源滤波技术。

随着容量的不断提高，有源滤波技术作为改善电能质量的关键技术，其应用范围也将从补偿用户自身的谐波向改善整个电力系统的电能质量的方向发展。

2.2.3防止并联电容器组对谐波的放大

在电网中并联电容器组起改善功率因数和调节电压的作用。

当谐波存在时，在一定的参数下电容器组会对谐波起放大作用，危及电容器本身和附近电气设备的安全。

可采取串联电抗器，或将电容器组的某些支路改为滤波器，还可以采取限定电容器组的投入容量，避免电容器对谐波的放大。

快速变化的谐波源，如：

电弧炉、电力机车和卷扬机等，除了产生谐波外，往往还会引起供电电压的波动和闪变，有的还会造成系统电压三相不平衡，严重影响公用电网的电能质量。

在谐波源处并联装设静止无功补偿装置，可有效减小波动的谐波量，同时，可以抑制电压波动、电压闪变、三相不平衡，还可补偿功率因数。

2.3改善供电环境

选择合理的供电电压并尽可能保持三相电压平衡，可以有效地减小谐波对电网的影响。

谐波源由较大容量的供电点或高一级电压的电网供电，承受谐波的能力将会增大。

对谐波源负荷由专门的线路供电，减少谐波对其它负荷的影响，也有助于集中抑制和消除[1]。

2.4传统谐波抑制方法的不足

在实际应用中，无源滤波器存在下面几个问题：

（1）只能抑制按设计要求规定的谐波成分，有时由于高次谐波成分复杂，必须同时加入多个滤波电路，这会使整个无源滤波装置的容量和体积增大，损耗增加。

同时考虑到成本问题，不可能仅靠增加无源滤波器数量的办法来提高滤波效果。

（2）谐波电流过大时可能造成无源滤波器的过载，损坏设备。

（3）无源滤波器的滤波效果将随系统的运行情况而变化，特别是对电网阻抗和频率的变化十分敏感，在这种情况下难以保证滤波效果。

在一个复杂的电力系统中，这两个参数的变化规律很难精确预知的，因此一个实际的无源滤波器要达到理想的滤波效果是很难的。

（4）对特殊的谐波或系统阻抗和频率变化时，有可能因为与电源阻抗在电源侧发生并联谐振而产生“谐波电流放大”现象，从而使无源滤波装置无法正常工作，严重时会损害无源滤波器。

（5）可能与电力系统发生串联谐振，造成电压波形畸变而产生附加的谐波电流流进无源滤波器，影响滤波效果[2]。

2.5有源电力滤波技术及其优点

目前，谐波抑制的一个重要趋势是采用有源电力滤波器（APF），APF其基本原理是从补偿对象中检测出谐波电流，由补偿装置产生与该谐波电流大小相等而极性相反的补偿电流，从而使电网电流只含与电网电压同相的基波成分。

APF是一种动态抑制谐波和补偿无功的新型电力电子装置，它能对频率和幅值都变化的谐波和无功进行补偿，可以弥补无源滤波器的不足，获得比无源滤波器更好的补偿特性，是一种理想的谐波补偿装置。

与无源电力滤波器相比，有源电力滤波器具有以下优点:

（1）实现了动态补偿。

有源电力滤波器可对频率和幅值都变化的谐波进行补偿，对补偿对象有极快的响应.

（2）可同时对谐波、无功和负序电流进行补偿，也可单独补偿谐波、无功或负序电流，补偿无功的程度可连续调节。

（3）在实际应用中，有源电力滤波器的贮能元件容量很小。

（4）即使需要补偿的电流超过其额定值，也不会发生过载情况，并能在其额定容量内继续正常工作。

（5）受电网阻抗的影响较小，不易与电网阻抗发生谐振。

（6）能跟踪谐波频率的变化，补偿性能不受谐波频率的影响。

随着开关器件的制造技术、谐波检测技术和电流控制技术的发展，有源电力滤波器的技术会不断进步，应用会不断增加。

-59-

第3章有源滤波器

3.1有源滤波器发展现状及前景

有源电力滤波器作为改善电能质量的关键技术,其开发和应用得到全世界特别是发达国家的重视。

从目前研究现状和应用水平看出APF的发展趋势为如下几个方面:

①增大器件容量,提高开关频率,以实现电流的快速控制,提高补偿效果。

此外,应用多重化技术也能提高器件等效开关频率,实现对高次谐波有效补偿;②降低价格,提高性价比;有源滤波器能消除高次谐波,提高系统稳压性、抑制闪变和补偿无功等;一机多用符合当今电力系统发展需要,提高性价比是APF实用方向之一。

随着电力电子器件制造水平提高和发展,混合型系统成本优势逐渐消失,于功能强大,将是一种有发展前途的有源滤波器;③降低损耗,提高系统的可靠性方面研究:

包括采用合理的开关频率,选择适当的吸收回路,以提高装置使用效率,采用过流、过压保护技术,故障诊断技术以使系统工作可靠等都是有待进一步发展的方向。

我国在有源电力滤波器方面研究起步较晚,目前还主要以理论研究和实验为主,今后加强引进发达国家技术,提高器件制造水平;发展适合我国电力系统标准的控制技术,研制开发低损耗、低价格、大容量的APF;是加快APF在生产实际的应用,改善电能质量的有效途径[3]。

3.2有源滤波器的基本原理

图3-1所示为最基本的有源电力滤波器系统的原理图。

有源电力滤波器系统主要由两大部分组成，即指令电流检测电路和补偿电流发生电路。

下文根据并联型有源滤波器的系统结构对有源滤波器的基本原理进行讨论。

有源滤波器系统由两大部分组成，即指令运算电路和补偿电流发生电路（有电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路三个部分构成）。

其中指令电流检测电路的功能主要是从负载电流中分离出谐波电流分量和基波无功电流，然后将其反极性作用后发生补偿电流的指令信号。

电流跟踪控制电路的功能是根据主电路产生的补偿电流，计算出主电路各开关器件的触发脉冲，此脉冲经驱动电路

图3-1并联型有源滤波器系统构成

后作用于主电路。

这样电源电流中只含有基波的有功分量，从而达到消除谐波与进行无功补偿的目的。

根据同样的原理，电力有源滤波器还能对不对称三相电路的负序电流分量进行补偿[4]。

例如，当需要补偿负载所产生的谐波电流时，有源电力滤波器检测出补偿对象