电能优化装置中测控单元的设计
如今电力电子技术快速发展，各类非线性电力电子装置得到广泛运用，导致电网中的谐波污染愈加严重，也造成了大量的无功功率损耗。与此同时，电力用户对电能质量的要求也在不断提高，因此，电力领域内的研究专家与学者已经将谐波治理作为重要的研究对象。电能优化装置由于其在优化电能质量工作中的优异性能，在治理电网污染的领域里有着广阔的发展前景。论文首先介绍了电能质量的研究现状，并从有源、无源两方面对电能优化装置进行特性分析。其次将电能优化装置的工作原理进行相关的阐述，包括装置总体说明，并建立了对应的数学模型，讨论了三相四线制电能优化装置主电路的结构，然后对其所运用的检测方法与控制方法进行了简单的介绍。接着是对电能优化装置的进行了硬件系统与软件的设计。其中，硬件电路含有过零检测电路、DSP主电路、FPGA电路以及I/O口保护电路等。软件部分包括软件主程序、主要中断、各中断处理子程序以及控制流程等几个方面。最后将对装置进行实验，并完成调试的工作，获取初步的实验结果。经过对实验结果的理解分析，证明了本装置可以充分实现对电能完成优化的功能。关键词谐波补偿，电能优化，电流检测，DSP
目 录
1 前言 1
1.1 电能质量研究现状 1
1.2 电能优化装置特性分析 2
1.3 本课题主要的工作 3
2 电能优化装置的工作原理 4
2.1 电能优化装置的工作原理 4
2.2 电能优化装置的主电路 5
2.3 电能优化装置的电流检测方法 6
2.4 电能优化装置的控制方法 7
2.5 本章小结 8
3 电能优化装置的系统设计 9
3.1 基于TMS320F2812控制系统的总体设计 9
3.2 硬件电路设计 10
3.3 软件设计 23
3.4 本章小结 31
4 软硬件设计与系统实验仿真 32
4.1 硬件电路板图 32
4.2 仿真软件PSCAD/EMTDC介绍 33
4.3 电能优化装置实验与仿真 33
5 总结与展望 38
5.1 工作总结 38
5.1 工作展望 38 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
致 谢 39
参 考 文 献 40
1 前言
近些年来，科学技术与社会经济发展进入了快速发展的阶段，电能已经逐渐成为人们生活与社会生产所需的重要能源之一。随着大量非线性设备的使用，电能质量问题已经成为电网中的显著问题。然而，用户及电力网中的用电装置对优质电能的需求也越来越强烈。因此，治理谐波、改善无功与提高功率因数成为了当今科技工作者研究的一项重要课题。
电能优化装置因为其在提高电能质量的重大作用，成为国内外供电系统电能优化的研究重点。
1.1电能质量研究现状
波形畸变问题在电力系统中早已出现，并且一直都受到电力系统中专家学者的高度重视，不断对其观察研究。在二十世纪二三十年代的德国，已有人对此开始进行研究。当时，由于静止汞弧变流器的投入使用，致使电压与电流出现波形畸变的问题。在1945年，J.C.Read发表了关于静止变流器产生谐波问题的著作。在上世纪五六十年代的时候，涌现出一大批电力系统领域内的研究人才，高压直流输电技术也因为其不存在无功问题而受到广泛关注，同时出现了大量和谐波问题有关的重要论文著作，极大地推进了对谐波问题研究的发展进程。
我国对电能质量问题的研究起步稍晚。吴竞昌等人在上世纪八十年代末出版了《电力系统谐波》一书，这本书所介绍的关于谐波问题的研究在国内的电力系统领域产生了较大的影响。夏道止等1994年出版的《高压直流直流输电系统的谐波分析与滤波》是近年出版的代表性著作。此外，J.Arrillaga等的著作《电力系统滤波》一书经国内研究者翻译并出版后受到国内电力系统领域内的研究人员的一致好评。后来，徐克明的《电力系统高次谐波》与夏道止的《高压直流输电系统的谐波分析及滤波》等等，这些著作与论文极大地促进了国内电力系统领域的研究人员对谐波问题的认识与探索。在1998年，王兆安等出版了《谐波抑制与无功功率补偿》，详细地探讨了谐波与无功功率等问题，并对国际上所采用的治理方法进行了检验，尤其是里面有关有源电力滤波器的分析与探索，受到国内很多学者的广泛引用，国内对谐波与无功的研究也因此加快了前进的步伐。近些年来，我国的相关技术研究不断发展进步，研究电能质量问题的相关文献也不断增加。虽然我国对谐波等电能质量问题的探索较晚才起步，但是随着时代的迁移，经过我国电力领域科学家的不懈努力，我国已经取得了较大的进步，即使与国外研究水平仍然存在一定的差距，但距离正在缩小。
近些年来，随着大量电力电子设备的投入使用，由电力电子设备产生的谐波是最主要的谐波源。与此同时，电力电子设备等非线性装置亦会导致较多的无功功率损耗，影响电网容量，此类装置比如相控整流器、相控交流调功电路等。因此给电网造成的污染相当严重，影响了电网与用户的正常使用。为了避免由这些电能质量问题造成的损失，很多国家与国际组织制定了相关用电装置的谐波标准，从源头对谐波进行管理。正是因为这些谐波标准的制定，厂家必须进行提高技术水平，减小其生产的电力电子变流设备所可能产生的谐波。因此，对电力电子设备所产生的谐波问题与无功损耗进行研究并减少其带来的危害，是对国家对应的电气标准的遵守，亦是改善电力系统中电能质量、提高其运行效率的有效手段，从而使电力系统中的电气设备工作于安全稳定的电气环境。故对电能质量问题的相关探索研究是目前国内外电力学科的重点方向。
1.2电能优化装置特性分析
为解决电力系统的谐波污染与无功损耗等电能质量问题，可以从两方面着手进行研究：一方面是对用电设备进行性能改进，减少其产生的谐波与无功。这种方法对大容量的非线性用电装置、电力电子设备的设计有着重要意义，不过无法处理已经运用的设备。另一方面，可以在电力系统中采用某些电力电子设备，通过这些设备在电网中的运行来实现谐波抑制与无功补偿。
第一个方面可以称其为主动方式，一般运用于产生谐波的电力电子设备，现在主要方法有：选取多重化接线方式；添加整流相数；选择先进的控制技术比如PWM技术等。这种主动抑制谐波的方式体现出了电力电子技术的前进方向，但是对于之前已经投入使用的用电装置则需要采用第二种方法，即在电网中装设用于补偿谐波的电力电子设备，我们将此称为被动方式。
无源滤波装置通过采用与谐波源并联的方式进行滤波，同时又可以补偿无功功率来提高功率因数。因为其技术日趋成熟，结构简单，可靠运行与维护方便的特点，如今被广泛地运用。可是其也存在诸多缺陷：1:只能对特定次数的谐波进行抑制，如果出现高次谐波成分复杂的情况，就需要同时在系统中添加更多的滤波器，这一方面会导致无源滤波设备容量与体积的增加，另一方面又会提高滤波装置的造价；2：如果由于谐波太大而造成过载，则会损坏设备；3：电源阻抗在一定情况下可能与无源滤波装置发生并联谐振的事故，直接致使谐波电流增大4：存在与电力系统产生串联谐振的可能性，使得电压波形畸变产生额外的谐波电流。
有源型电能优化装置是一种可以对谐波进行动态抑制的电力电子装置，是由检测电路检测出电网中的谐波电流，接着通过控制逆变电路的方式产生出与谐波次数一一对应的补偿电流分量，然后再将其通入到电网之中，便可以实现对谐波的抑制功能，完成对电能质量的优化工作。它的主要特点有：
目 录
1 前言 1
1.1 电能质量研究现状 1
1.2 电能优化装置特性分析 2
1.3 本课题主要的工作 3
2 电能优化装置的工作原理 4
2.1 电能优化装置的工作原理 4
2.2 电能优化装置的主电路 5
2.3 电能优化装置的电流检测方法 6
2.4 电能优化装置的控制方法 7
2.5 本章小结 8
3 电能优化装置的系统设计 9
3.1 基于TMS320F2812控制系统的总体设计 9
3.2 硬件电路设计 10
3.3 软件设计 23
3.4 本章小结 31
4 软硬件设计与系统实验仿真 32
4.1 硬件电路板图 32
4.2 仿真软件PSCAD/EMTDC介绍 33
4.3 电能优化装置实验与仿真 33
5 总结与展望 38
5.1 工作总结 38
5.1 工作展望 38 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
致 谢 39
参 考 文 献 40
1 前言
近些年来，科学技术与社会经济发展进入了快速发展的阶段，电能已经逐渐成为人们生活与社会生产所需的重要能源之一。随着大量非线性设备的使用，电能质量问题已经成为电网中的显著问题。然而，用户及电力网中的用电装置对优质电能的需求也越来越强烈。因此，治理谐波、改善无功与提高功率因数成为了当今科技工作者研究的一项重要课题。
电能优化装置因为其在提高电能质量的重大作用，成为国内外供电系统电能优化的研究重点。
1.1电能质量研究现状
波形畸变问题在电力系统中早已出现，并且一直都受到电力系统中专家学者的高度重视，不断对其观察研究。在二十世纪二三十年代的德国，已有人对此开始进行研究。当时，由于静止汞弧变流器的投入使用，致使电压与电流出现波形畸变的问题。在1945年，J.C.Read发表了关于静止变流器产生谐波问题的著作。在上世纪五六十年代的时候，涌现出一大批电力系统领域内的研究人才，高压直流输电技术也因为其不存在无功问题而受到广泛关注，同时出现了大量和谐波问题有关的重要论文著作，极大地推进了对谐波问题研究的发展进程。
我国对电能质量问题的研究起步稍晚。吴竞昌等人在上世纪八十年代末出版了《电力系统谐波》一书，这本书所介绍的关于谐波问题的研究在国内的电力系统领域产生了较大的影响。夏道止等1994年出版的《高压直流直流输电系统的谐波分析与滤波》是近年出版的代表性著作。此外，J.Arrillaga等的著作《电力系统滤波》一书经国内研究者翻译并出版后受到国内电力系统领域内的研究人员的一致好评。后来，徐克明的《电力系统高次谐波》与夏道止的《高压直流输电系统的谐波分析及滤波》等等，这些著作与论文极大地促进了国内电力系统领域的研究人员对谐波问题的认识与探索。在1998年，王兆安等出版了《谐波抑制与无功功率补偿》，详细地探讨了谐波与无功功率等问题，并对国际上所采用的治理方法进行了检验，尤其是里面有关有源电力滤波器的分析与探索，受到国内很多学者的广泛引用，国内对谐波与无功的研究也因此加快了前进的步伐。近些年来，我国的相关技术研究不断发展进步，研究电能质量问题的相关文献也不断增加。虽然我国对谐波等电能质量问题的探索较晚才起步，但是随着时代的迁移，经过我国电力领域科学家的不懈努力，我国已经取得了较大的进步，即使与国外研究水平仍然存在一定的差距，但距离正在缩小。
近些年来，随着大量电力电子设备的投入使用，由电力电子设备产生的谐波是最主要的谐波源。与此同时，电力电子设备等非线性装置亦会导致较多的无功功率损耗，影响电网容量，此类装置比如相控整流器、相控交流调功电路等。因此给电网造成的污染相当严重，影响了电网与用户的正常使用。为了避免由这些电能质量问题造成的损失，很多国家与国际组织制定了相关用电装置的谐波标准，从源头对谐波进行管理。正是因为这些谐波标准的制定，厂家必须进行提高技术水平，减小其生产的电力电子变流设备所可能产生的谐波。因此，对电力电子设备所产生的谐波问题与无功损耗进行研究并减少其带来的危害，是对国家对应的电气标准的遵守，亦是改善电力系统中电能质量、提高其运行效率的有效手段，从而使电力系统中的电气设备工作于安全稳定的电气环境。故对电能质量问题的相关探索研究是目前国内外电力学科的重点方向。
1.2电能优化装置特性分析
为解决电力系统的谐波污染与无功损耗等电能质量问题，可以从两方面着手进行研究：一方面是对用电设备进行性能改进，减少其产生的谐波与无功。这种方法对大容量的非线性用电装置、电力电子设备的设计有着重要意义，不过无法处理已经运用的设备。另一方面，可以在电力系统中采用某些电力电子设备，通过这些设备在电网中的运行来实现谐波抑制与无功补偿。
第一个方面可以称其为主动方式，一般运用于产生谐波的电力电子设备，现在主要方法有：选取多重化接线方式；添加整流相数；选择先进的控制技术比如PWM技术等。这种主动抑制谐波的方式体现出了电力电子技术的前进方向，但是对于之前已经投入使用的用电装置则需要采用第二种方法，即在电网中装设用于补偿谐波的电力电子设备，我们将此称为被动方式。
无源滤波装置通过采用与谐波源并联的方式进行滤波，同时又可以补偿无功功率来提高功率因数。因为其技术日趋成熟，结构简单，可靠运行与维护方便的特点，如今被广泛地运用。可是其也存在诸多缺陷：1:只能对特定次数的谐波进行抑制，如果出现高次谐波成分复杂的情况，就需要同时在系统中添加更多的滤波器，这一方面会导致无源滤波设备容量与体积的增加，另一方面又会提高滤波装置的造价；2：如果由于谐波太大而造成过载，则会损坏设备；3：电源阻抗在一定情况下可能与无源滤波装置发生并联谐振的事故，直接致使谐波电流增大4：存在与电力系统产生串联谐振的可能性，使得电压波形畸变产生额外的谐波电流。
有源型电能优化装置是一种可以对谐波进行动态抑制的电力电子装置，是由检测电路检测出电网中的谐波电流，接着通过控制逆变电路的方式产生出与谐波次数一一对应的补偿电流分量，然后再将其通入到电网之中，便可以实现对谐波的抑制功能，完成对电能质量的优化工作。它的主要特点有：
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