有源滤波装置中dsp平台的设计(附件)
随着电力电子技术的快速发展，各类非线性电力电子装置得到广泛运用，导致了电网中出现了电能质量问题，本课题采用基于DSP芯片对APF的测控平台进行了设计。本课题首先叙述了电能优化的研究现状，其次是对基于 DSP有源滤波装置的工作原理进行相关的分析，紧跟着叙述了有源滤波装置测控平台当前研究状况,接下来是分析本课题设计的测控平台要求。在课题中硬件设计主要包含DSP微处理电路、AD采样模块、FPGA芯片、传感器模块等；软件设计包含主程序、开启中断程序以及处理各个中断的相关子程序等，最后还要完成相关软件流程图的绘制与编写部分程序代码工作，通过实验仿真对基于DSP测控平台的APF装置进行实验。通过对实验数据的处理分析，可以验证所设计的有源滤波装置对电能质量进行高效优化。关键词 电能优化，DSP，FPGA，有源滤波，软硬件设计
目 录
1 绪论 1
1.1 电能优化治理的研究现状 1
1.2 有源电力滤波装置的原理分析 2
1.3 有源滤波装置测控平台的研究现状 3
1.4 本次设计的任务工作 4
2 有源滤波装置测控平台的技术要求分析 4
2.1有源滤波装置的主电路 4
2.2 有源滤波装置电流检测算法的实现 5
2.3 有源滤波装置控制策略的实现 7
2.4 有源滤波装置测控平台具体要求 10
3 有源滤波装置测控平台的硬件设计 10
3.1 DSP微处理器电路 12
3.2 看门狗复位电路 13
3.3 FPGA电路 14
3.4 传感器电路 18
3.5 过零检测电路 19
3.6 模拟数字信号转换电路 21
3.7 DSP供电电路 22
3.8 输出驱动电路 23
3.9 通讯接口电路 23
4 有源滤波装置测控平台的软件设计 24
4.1 主程序 25
4.2 捕获中断程序 26
4.3 定时器子程序 27
4.4 外部中断子程序 28
4.5 数型转换 28
4.6 软件保护程序 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
30
4.7 软件抗干扰 30
5 测控平台的实验与仿真 31
5.1 硬件电路版图 31
5.2 仿真软件简介 32
5.3 实验验证 33
结论 38
致谢 39
参考文献 40
1 绪论
在现代社会快速发展的过程中，科学技术与总体社会经济达到了一个崭新阶段，电能源的使用离不开人们的日常生活使用当中，非线性电力电子设备被广泛使用，导致了电网中出现了电能质量问题，因此电能质量问题成为了学者研究的一个重要课题。
1.1 电能优化治理的研究现状
电能使用状况是作为衡量一个国家的科学技术水平与实际生产发展水平的重要标志。在理想状态下的电力网系统应该是用以一个频率稳定为50Hz的正弦波波形稳定运行，按照有关规定要求的电压水平对用户进行可靠稳定的供电[14] 。在三相电力系统中，每一相的电压、电流幅值大小应该在理论上是相等，在各自的相位角度上应该有一个相位差，这样就组成了三相电的工作环境。随着电力电子技术的迅速发展，在电力领域内被广泛应用导致了电网能承受的有效负荷急剧增大、冲击性负荷以及非线性负荷容量也在不断扩大，进而引发了电力网系统中出现的电压波形畸变、电流波形畸变、电网起伏变化较大以及整个电力网三相不平衡等电能质量问题。在日常用电环境当中产生了谐波污染电流、谐波电压以及无功功率等，电力谐波的存在带来了许多如损耗增加、效率降低、噪声问题，还存在着过热以及过压等电能危害问题，严重地恶化了电能使用环境[19]。为了进一步保证供电质量效果，企业纷纷采用了一些谐波抑制与无功功率补偿的技术，比如说采用无功补偿电容器、同步调相机、静止无功补偿器、静止无功发生器、统一潮流控制器（UPFC）等等。
在上个世纪七八十年代，有学者最先提出有源电力滤波器的概念，其中的关键之处是对“瞬时无功功率理论”的研究，促进了有源滤波技术在电网中的实际应用。我国在有源滤波装置方面也进行了研究，但依据目前的研究状况，我国的有源滤波技术还需进一步提高。
依据研究方向，分类方式也是各有不同，如下图11所示：
图11 APF的分类图
依据实际应用场合的不同技术层面要求，APF可以分为直流类型和交流类型，直流型主要是运用于变流器直流电压领域以及相关的电流谐波抑制功能，交流型主要是应用于交流电力系统中各电压等级抑制谐波等相关领域[20]，如今社会研究的方向主要是集中在有源型交流电力滤波器上。
1.2 有源电力滤波装置的原理分析
依据相关知识分析电力滤波装置不同的类型，所使用到的理论依据是分压与分流原理特性。无源滤波装置的工作原理决定了它只能够抑制一些特定次的谐波，和人们所期望的滤波能力有所差距。有源型电能优化装置与无源型滤波装置相比，不但可以对无源滤波装置的不足之处进行完善，而且它的响应速度以及可控性都有较大的提高。下图12给出的是的原理图。
图12 有源电力滤波装置的原理图
上图12中的，与分别为交流电源与交流电流，其中非线性负载是由不可控整流桥带阻感性负载所得到，此类负载会产生高次的谐波电流与无功损耗。
有源电力滤波器的工作原理是，对于由非线性负载产生电流内部的谐波成分，指令电流检测电路负责将其检测出来，并由此检测结果来产生指令信号。在指令信号的作用下，补偿电流发生电路产生相应的电流以抑制谐波。就比如说，如果要对电力系统中非线性负载所产生的谐波电流进行滤除，第一步需要电流检测电路检测到补偿对象负载电流里面的谐波量，接着把进行反极性，得到的是补偿电流的指令控制信号，这时候，就会成为电流控制信号，将其输入电流跟踪控制电路，通过控制与放大从而可以得到开关驱动信号，然后就能由开关驱动信号来控制变流器各个桥臂中开关的通断来获取补偿电流。此时的与电网中负载产生的谐波电流幅值大小相等，时域上则会存在180°的相位差。此时将补偿电流通入电网，则中的谐波就可得以抵消，从而实现对谐波的抑制功能。这样就能实现消除电网中谐波电流的目的。
以上展示的原理图能够由下面的公式来进行叙述：
（11）
在上面的公式表达中，为属于基波的电流分量信号。
根据有源滤波技术对谐波抑制的工作方式，它还有另外一项性能是对无功功率的补偿。在它的方案设计上是可以在原来的硬件上作出调整，实现方案具体是在不更换现有硬件外围电路的情况下，但是要在它的指令控制信号中加入一个与负载电流的基波无功信号分量。并同时保证极性相反的信号分量。这样通过高效的补偿之后才能让在实际理论上功率因数为1。
目 录
1 绪论 1
1.1 电能优化治理的研究现状 1
1.2 有源电力滤波装置的原理分析 2
1.3 有源滤波装置测控平台的研究现状 3
1.4 本次设计的任务工作 4
2 有源滤波装置测控平台的技术要求分析 4
2.1有源滤波装置的主电路 4
2.2 有源滤波装置电流检测算法的实现 5
2.3 有源滤波装置控制策略的实现 7
2.4 有源滤波装置测控平台具体要求 10
3 有源滤波装置测控平台的硬件设计 10
3.1 DSP微处理器电路 12
3.2 看门狗复位电路 13
3.3 FPGA电路 14
3.4 传感器电路 18
3.5 过零检测电路 19
3.6 模拟数字信号转换电路 21
3.7 DSP供电电路 22
3.8 输出驱动电路 23
3.9 通讯接口电路 23
4 有源滤波装置测控平台的软件设计 24
4.1 主程序 25
4.2 捕获中断程序 26
4.3 定时器子程序 27
4.4 外部中断子程序 28
4.5 数型转换 28
4.6 软件保护程序 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
30
4.7 软件抗干扰 30
5 测控平台的实验与仿真 31
5.1 硬件电路版图 31
5.2 仿真软件简介 32
5.3 实验验证 33
结论 38
致谢 39
参考文献 40
1 绪论
在现代社会快速发展的过程中，科学技术与总体社会经济达到了一个崭新阶段，电能源的使用离不开人们的日常生活使用当中，非线性电力电子设备被广泛使用，导致了电网中出现了电能质量问题，因此电能质量问题成为了学者研究的一个重要课题。
1.1 电能优化治理的研究现状
电能使用状况是作为衡量一个国家的科学技术水平与实际生产发展水平的重要标志。在理想状态下的电力网系统应该是用以一个频率稳定为50Hz的正弦波波形稳定运行，按照有关规定要求的电压水平对用户进行可靠稳定的供电[14] 。在三相电力系统中，每一相的电压、电流幅值大小应该在理论上是相等，在各自的相位角度上应该有一个相位差，这样就组成了三相电的工作环境。随着电力电子技术的迅速发展，在电力领域内被广泛应用导致了电网能承受的有效负荷急剧增大、冲击性负荷以及非线性负荷容量也在不断扩大，进而引发了电力网系统中出现的电压波形畸变、电流波形畸变、电网起伏变化较大以及整个电力网三相不平衡等电能质量问题。在日常用电环境当中产生了谐波污染电流、谐波电压以及无功功率等，电力谐波的存在带来了许多如损耗增加、效率降低、噪声问题，还存在着过热以及过压等电能危害问题，严重地恶化了电能使用环境[19]。为了进一步保证供电质量效果，企业纷纷采用了一些谐波抑制与无功功率补偿的技术，比如说采用无功补偿电容器、同步调相机、静止无功补偿器、静止无功发生器、统一潮流控制器（UPFC）等等。
在上个世纪七八十年代，有学者最先提出有源电力滤波器的概念，其中的关键之处是对“瞬时无功功率理论”的研究，促进了有源滤波技术在电网中的实际应用。我国在有源滤波装置方面也进行了研究，但依据目前的研究状况，我国的有源滤波技术还需进一步提高。
依据研究方向，分类方式也是各有不同，如下图11所示：
图11 APF的分类图
依据实际应用场合的不同技术层面要求，APF可以分为直流类型和交流类型，直流型主要是运用于变流器直流电压领域以及相关的电流谐波抑制功能，交流型主要是应用于交流电力系统中各电压等级抑制谐波等相关领域[20]，如今社会研究的方向主要是集中在有源型交流电力滤波器上。
1.2 有源电力滤波装置的原理分析
依据相关知识分析电力滤波装置不同的类型，所使用到的理论依据是分压与分流原理特性。无源滤波装置的工作原理决定了它只能够抑制一些特定次的谐波，和人们所期望的滤波能力有所差距。有源型电能优化装置与无源型滤波装置相比，不但可以对无源滤波装置的不足之处进行完善，而且它的响应速度以及可控性都有较大的提高。下图12给出的是的原理图。
图12 有源电力滤波装置的原理图
上图12中的，与分别为交流电源与交流电流，其中非线性负载是由不可控整流桥带阻感性负载所得到，此类负载会产生高次的谐波电流与无功损耗。
有源电力滤波器的工作原理是，对于由非线性负载产生电流内部的谐波成分，指令电流检测电路负责将其检测出来，并由此检测结果来产生指令信号。在指令信号的作用下，补偿电流发生电路产生相应的电流以抑制谐波。就比如说，如果要对电力系统中非线性负载所产生的谐波电流进行滤除，第一步需要电流检测电路检测到补偿对象负载电流里面的谐波量，接着把进行反极性，得到的是补偿电流的指令控制信号，这时候，就会成为电流控制信号，将其输入电流跟踪控制电路，通过控制与放大从而可以得到开关驱动信号，然后就能由开关驱动信号来控制变流器各个桥臂中开关的通断来获取补偿电流。此时的与电网中负载产生的谐波电流幅值大小相等，时域上则会存在180°的相位差。此时将补偿电流通入电网，则中的谐波就可得以抵消，从而实现对谐波的抑制功能。这样就能实现消除电网中谐波电流的目的。
以上展示的原理图能够由下面的公式来进行叙述：
（11）
在上面的公式表达中，为属于基波的电流分量信号。
根据有源滤波技术对谐波抑制的工作方式，它还有另外一项性能是对无功功率的补偿。在它的方案设计上是可以在原来的硬件上作出调整，实现方案具体是在不更换现有硬件外围电路的情况下，但是要在它的指令控制信号中加入一个与负载电流的基波无功信号分量。并同时保证极性相反的信号分量。这样通过高效的补偿之后才能让在实际理论上功率因数为1。
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