微网逆变器及电能质量治理综合装置apf硬件部分(附件)
近年来，由于微网中一些电力电子器件应用的不断增加，其非线性，不平衡等的用电特性，使得微网中有大量谐波产生，造成电网的污染，谐波污染已成为我们不可忽视的问题。有源电力滤波器（APF）对抑制微网谐波有很好的效果。本文主要对APF硬件部分进行研究和设计，主要讨论了课题研究的意义和方向，课题设计方案的选择，硬件电路的设计以及注意事项等内容。本课题选用TI公司的TMS320F2812 DSP芯片作为核心处理器。重点研究了TMS320F2812 DSP各部分电路、功率驱动电路、同步信号及锁相电路、信号采样电路、光耦隔离电路等的设计原理,制作并调试了实验装置。实验结论表明,基于TMS320F2812 DSP的有源电力滤波器具有良好的谐波补偿性能。 关键词 微网，电能质量，有源电力滤波器，DSP目 录
1 绪论 1
1.1 课题意义 1
1.2 课题发展状况 1
1.3 一般微网电能质量改善的方法 2
1.4 论文的主要工作 2
2.1 系统总体设计 3
2.2 系统方案选择 4
2.3 系统实现方法 5
3 硬件系统设计 7
3.1 TMS320F2812核心处理器 7
3.2 功率驱动电路 10
3.3 同步信号及锁相环电路 12
3.4 信号检测电路设计 13
4 仿真模型 15
4.1 检测模块模型 15
4.2 ip-iq模块仿真模型 16
4.3 p-q模块仿真模型 16
5 硬件设计注意事项 16
5.1 ADC模块设计 16
5.2 PCB设计 17
5.3 DSP设计 17
6 原理图与PCB绘制 18
6.1 原理图绘制 18
6.2 PCB图绘制 19
结 论 20
致 谢 21
参 考 文 献 22
附录A：采样检测模块原理图及实物图 23
附录B：DSP主控部分原理图及实物图 24
附录
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3_5_1_9_1_6_0_7_2
r /> 5.3 DSP设计 17
6 原理图与PCB绘制 18
6.1 原理图绘制 18
6.2 PCB图绘制 19
结 论 20
致 谢 21
参 考 文 献 22
附录A：采样检测模块原理图及实物图 23
附录B：DSP主控部分原理图及实物图 24
附录C：PWM驱动逆变部分原理图及实物图 25
1 绪论
1.1 课题意义
电力系统中谐波的出现，对电力系统运行是种“污染”，它们影响了系统电压正弦波的质量，传统的无源滤波装置存在一些固有的缺陷，已经不能够满足电能质量的要求，有源电力滤波器弥补了无源滤波器的缺点，是未来治理谐波的主要方向[1,2]。
但在实际运行当中，由于光伏逆变器受到外界环境的限制，往往在额定功率以下运行，逆变器不能够充分被利用。并联型有源电力滤波器和光伏并网逆变器虽然在工作原理上有所不同，但二者在主电路结构、控制上有诸多相似之处，因此，将光伏并网逆变器和有源滤波器进行统一控制，减少投资，可以实现一机多功能化，具有很大的应用价值。
消除谐波问题应该从两个方面采取措施：一是，对谐波源头进行整治，采取抑制措施，即对产生谐波的装置进行技术改造，以至于达到不产生谐波的效果。这是一种主动谐波治理的方法，但是这样可能需要暂停生产对企业造成巨大损失，一般适用于早期建设阶段。二是，对已经产生的谐波进行补偿，如无源滤波器、有源滤波器等，这是一种消极的治理方法，适用于建设已经较为完备的后期阶段。
传统的无源滤波器存在的严重的缺点，主要依赖于元器件的参数，一旦选定无法进行更改，也只能对截止频率以上的谐波进行治理，很难对全部的谐波进行治理，滤波效果并不好。针对无源滤波器存在的种种缺点[3]，有源电力滤波器应运而生，有源电力滤波器（APF）是配网中常见的滤波和无功补偿装置，检测谐波电流一般采用瞬时无功检测法，APF可以动态跟踪和补偿谐波和无功电流，速度快并且滤波效果好。因此，对电力系统谐波的研究对于改善电能质量，抑制和消除谐波具有重要的意义。
1.2 课题发展状况
早在 1969 年，在 B.M.Bird 和 J.F.Marsh 发表的文章当中出现过有源电力滤波器APF 的思想[4]，它介绍了一种改善电源电流波形的新方法，即向电源中注入三次谐波电流用来减少电源中的谐波含量，这标志着有源电力滤波思想的出现。日本的T.Machida 和 H.Sasaki 于1971年完整地描述了有源电力滤波器的基本工作原理。美国西屋电气公司的 E.C.Strycula 于 1976 年首次提出使用脉冲宽度调制 PWM 来对有源电力滤波器进行控制[5]，并确定了主电路的基本拓扑结构和控制方案，并讨论了实现的方法和控制原理，但是由于当时的电力电子器件发展的还不够完善，缺少大功率的可关断器件，该研究只能处于理论论证阶段，几乎没有任何实验方面的进展。
80年代初，新型大功率半导体开关器件以及高性能的处理器DSP的出现，促进了各种快速准确的谐波滤除思想的提出。此外，先进的现代控制理论以及PWM调制技术的快速发展都为APF奠定了基础。
在工业企业和民用设备中，有源电力滤波器已经得到了广泛使用，容量方面得到逐步提升（在日本和美国的应用领域，可以接受的 APF的容量可以达到50MVA）[6]，另外，补偿频次也有很大提高（典型应用已达到25次谐波），应用范围的发展方向也从单独的谐波治理扩展到改善电网电能质量。
1.3 一般微网电能质量改善的方法
非线性负荷带来的谐波电流以及负荷侧由无功需求不平衡造成的电压波动是造成微网电能质量问题的主要原因,这也同样是电能质量问题最常见的两个。
滤波器用来滤除微网中的谐波电流,无源滤波LC或者滤波RLC以及有源电力滤波APF是目前常用的两种滤波方法。无源滤波器一般是由电容、电感串并联组成,只针对于5次、7次这样的特定频次的谐波。在电力系统中,无源滤波器在谐波滤除的同时，还可以进行无功补偿，是由静态功率变流器构成的元器件,另外它能够动态地补偿无功和抑制谐波,对大小以及频率不固定的谐波、补偿变化的无功,可控性较高,响应迅速,是谐波治理的发展方向。
微网中出现的电压波动和闪变主要靠无功就地补偿来改善。无功功率的就地平衡是系统电压稳定的前提,分布式电源接入微网时,系统中包括原有的无功负荷将改变,,有些分布式电源也是一种无功负荷。无功补偿需要减少无功功率的传输,以及其导致的能量损耗。如今联合控制来保证电网无功功率的就地平衡已经被许多学者提出,这样可以更好的滤除微网中的的谐波,通过仿真得出此方法能够达到较高的电压质量,同时适用于联网供电和微网孤立供电等。
1.4 论文的主要工作
介绍了有源无源滤波产生的背景、意义及电能质量改善的方法。
设计总体的方案，阐述系统功能，比较各种设计方案并
1 绪论 1
1.1 课题意义 1
1.2 课题发展状况 1
1.3 一般微网电能质量改善的方法 2
1.4 论文的主要工作 2
2.1 系统总体设计 3
2.2 系统方案选择 4
2.3 系统实现方法 5
3 硬件系统设计 7
3.1 TMS320F2812核心处理器 7
3.2 功率驱动电路 10
3.3 同步信号及锁相环电路 12
3.4 信号检测电路设计 13
4 仿真模型 15
4.1 检测模块模型 15
4.2 ip-iq模块仿真模型 16
4.3 p-q模块仿真模型 16
5 硬件设计注意事项 16
5.1 ADC模块设计 16
5.2 PCB设计 17
5.3 DSP设计 17
6 原理图与PCB绘制 18
6.1 原理图绘制 18
6.2 PCB图绘制 19
结 论 20
致 谢 21
参 考 文 献 22
附录A：采样检测模块原理图及实物图 23
附录B：DSP主控部分原理图及实物图 24
附录
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6 原理图与PCB绘制 18
6.1 原理图绘制 18
6.2 PCB图绘制 19
结 论 20
致 谢 21
参 考 文 献 22
附录A：采样检测模块原理图及实物图 23
附录B：DSP主控部分原理图及实物图 24
附录C：PWM驱动逆变部分原理图及实物图 25
1 绪论
1.1 课题意义
电力系统中谐波的出现，对电力系统运行是种“污染”，它们影响了系统电压正弦波的质量，传统的无源滤波装置存在一些固有的缺陷，已经不能够满足电能质量的要求，有源电力滤波器弥补了无源滤波器的缺点，是未来治理谐波的主要方向[1,2]。
但在实际运行当中，由于光伏逆变器受到外界环境的限制，往往在额定功率以下运行，逆变器不能够充分被利用。并联型有源电力滤波器和光伏并网逆变器虽然在工作原理上有所不同，但二者在主电路结构、控制上有诸多相似之处，因此，将光伏并网逆变器和有源滤波器进行统一控制，减少投资，可以实现一机多功能化，具有很大的应用价值。
消除谐波问题应该从两个方面采取措施：一是，对谐波源头进行整治，采取抑制措施，即对产生谐波的装置进行技术改造，以至于达到不产生谐波的效果。这是一种主动谐波治理的方法，但是这样可能需要暂停生产对企业造成巨大损失，一般适用于早期建设阶段。二是，对已经产生的谐波进行补偿，如无源滤波器、有源滤波器等，这是一种消极的治理方法，适用于建设已经较为完备的后期阶段。
传统的无源滤波器存在的严重的缺点，主要依赖于元器件的参数，一旦选定无法进行更改，也只能对截止频率以上的谐波进行治理，很难对全部的谐波进行治理，滤波效果并不好。针对无源滤波器存在的种种缺点[3]，有源电力滤波器应运而生，有源电力滤波器（APF）是配网中常见的滤波和无功补偿装置，检测谐波电流一般采用瞬时无功检测法，APF可以动态跟踪和补偿谐波和无功电流，速度快并且滤波效果好。因此，对电力系统谐波的研究对于改善电能质量，抑制和消除谐波具有重要的意义。
1.2 课题发展状况
早在 1969 年，在 B.M.Bird 和 J.F.Marsh 发表的文章当中出现过有源电力滤波器APF 的思想[4]，它介绍了一种改善电源电流波形的新方法，即向电源中注入三次谐波电流用来减少电源中的谐波含量，这标志着有源电力滤波思想的出现。日本的T.Machida 和 H.Sasaki 于1971年完整地描述了有源电力滤波器的基本工作原理。美国西屋电气公司的 E.C.Strycula 于 1976 年首次提出使用脉冲宽度调制 PWM 来对有源电力滤波器进行控制[5]，并确定了主电路的基本拓扑结构和控制方案，并讨论了实现的方法和控制原理，但是由于当时的电力电子器件发展的还不够完善，缺少大功率的可关断器件，该研究只能处于理论论证阶段，几乎没有任何实验方面的进展。
80年代初，新型大功率半导体开关器件以及高性能的处理器DSP的出现，促进了各种快速准确的谐波滤除思想的提出。此外，先进的现代控制理论以及PWM调制技术的快速发展都为APF奠定了基础。
在工业企业和民用设备中，有源电力滤波器已经得到了广泛使用，容量方面得到逐步提升（在日本和美国的应用领域，可以接受的 APF的容量可以达到50MVA）[6]，另外，补偿频次也有很大提高（典型应用已达到25次谐波），应用范围的发展方向也从单独的谐波治理扩展到改善电网电能质量。
1.3 一般微网电能质量改善的方法
非线性负荷带来的谐波电流以及负荷侧由无功需求不平衡造成的电压波动是造成微网电能质量问题的主要原因,这也同样是电能质量问题最常见的两个。
滤波器用来滤除微网中的谐波电流,无源滤波LC或者滤波RLC以及有源电力滤波APF是目前常用的两种滤波方法。无源滤波器一般是由电容、电感串并联组成,只针对于5次、7次这样的特定频次的谐波。在电力系统中,无源滤波器在谐波滤除的同时，还可以进行无功补偿，是由静态功率变流器构成的元器件,另外它能够动态地补偿无功和抑制谐波,对大小以及频率不固定的谐波、补偿变化的无功,可控性较高,响应迅速,是谐波治理的发展方向。
微网中出现的电压波动和闪变主要靠无功就地补偿来改善。无功功率的就地平衡是系统电压稳定的前提,分布式电源接入微网时,系统中包括原有的无功负荷将改变,,有些分布式电源也是一种无功负荷。无功补偿需要减少无功功率的传输,以及其导致的能量损耗。如今联合控制来保证电网无功功率的就地平衡已经被许多学者提出,这样可以更好的滤除微网中的的谐波,通过仿真得出此方法能够达到较高的电压质量,同时适用于联网供电和微网孤立供电等。
1.4 论文的主要工作
介绍了有源无源滤波产生的背景、意义及电能质量改善的方法。
设计总体的方案，阐述系统功能，比较各种设计方案并
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