微网逆变器及电能质量治理综合装置逆变部分硬件
谐波是影响电能质量的主要因素，根据谐波特性，运用电力电子技术相关知识，设计了一个能够对微网中谐波进行补偿的有源滤波装置，以营造一个“干净”的电力系统。本设计主要分为电网电流采样，DSP控制系统以及功率驱动三个主要组成部分，利用倍频锁相环技术对电网电流进行采样，并将采样信号输入DSP控制系统，按一定的算法输出PWM补偿信号，经过功率驱动电路反馈到电网中，用以与已有谐波进行抵消。此外，系统设计有完善的保护电路，以确保系统电路安全可靠地运行。
本系统设计方案能够对微网中各种谐波进行滤除，运用在电力系统中将会带来显著的经济效益。
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 查阅资料对课题研究的启发 2
2 课题总体方案设计 3
2.1 系统总体设计 3
2.2 系统方案比较 4
2.3 系统实现方法 6
3 硬件系统设计 8
3.1 DSP控制模块 8
3.2 功率驱动电路 10
3.3 同步信号及锁相环电路 12
3.4 微网电参数采样检测模块 14
4 系统软件设计 17
4.1 软件总体功能概述 17
4.2 主程序组成及流程 18
4.3 事件管理器程序模块及其流程 18
5 硬件设计注意事项 20
5.1 ADC模块设计 20
5.2 PCB设计 20
5.3 DSP设计 21
6 原理图与PCB绘制 22
6. *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
1 原理图绘制 22
6.2 PCB图绘制 22
结 论 24
致 谢 25
参 考 文 献 26
附录A：采样检测模块原理图及实物图 27
附录B：DSP主控部分原理图及实物图 28
附录C：PWM驱动逆变部分原理图及实物图 29
1 绪论
1.1 课题意义
随着接入微网中负载越来越多样，大量的谐波混入微网中，电网中电流电压信号发生畸变，导致微网的电能质量逐渐变差，微网受到污染的程度越来越严重，这将直接带来电力系统稳定性及安全性变差的问题，对日常的生产与生活产生了严重的威胁。谐波电流在电网阻抗上，一方面产生附加损耗，使得效率降低，另一方面产生压降，间接地造成电力系统电压波形畸变，对电能质量要求高的设备造成严重影响。因此，急需要这样一个装置能够对电网中变化的谐波分量进行实时的滤除，以减少谐波对电网产生的影响。
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[1]，有源电力滤波器应运而生，能够对微网中各种频次的谐波进行滤除，灵活度高，实时性强。有源滤波器得以实现的思想是，首先对电网中电信号进行采样，以便于解析出所包含的谐波分量，从而根据一定的控制算法，产生谐波补偿信号，通过功率驱动电路，注入到电网中，直接对谐波信号进行抵消消除，这是一种动态谐波治理装置，能够对变化的谐波进行实时准确地治理，治理的谐波频率范围大，此外，有源电力滤波其以DSP为中心，对控制算法进行改造可以实现多种功能，易于升级完善，具有重要的研究价值及实际意义。
课题发展状况
APF的概念是1972年由日本的Sasaki和Machida最早提出的，首次提出了有源滤波器的原始结构模型，并建立了APF理论[2]。
美国西屋电气公司的Gyugyi和Strycula于1976年提出了使用大功率晶体管逆变器构成APF,可惜的是当时大功率电力电子器件难以达到所需的技术要求，使得APF还处于理论阶段。
80年代开始，新型大功率半导体开关器件逐渐被使用，高性能的处理器DSP的刚出现、大大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。
目前，有源电力滤波器已经广泛地在生产生活中得到运用，不仅在容量方面得到较大的提高，补偿谐波的频率范围也得到了较大的扩展，并且正逐渐从单独治理向电网质量改善的方向发展。虽然近些年国内有源滤波器取得了较大的发展，但是和电力电子发达的国家作比较，依然存在着一定的技术差距。当前，国内也有多台APF设备投入工业运行。如华北电力试验研究所、冶金部自动化研究院和北京供电公司联合开发的有源高次谐波治理装置于1992年在北京木材厂投入运行；华南理工大学研制了用于牵引变电站的谐波治理的混合型有源电力滤波器，该装置在能够减小滤波器有源部分容量，也取得了相当的成果，但仍需进一步改进和完善，部分具体技术实现也尚在研究中。
1.3 查阅资料对课题研究的启发
越来愈多的非线性负荷接入微网，使得谐波问题越来越受到关注。传统的解决办法是采用无源滤波器对含有微网中的谐波进行滤出，但是这样具有明显缺陷的装置，在现在这个智能化的时代显得格格不入，势必要引入一个实时快速多功能宽频率的有源滤波装置来替代传统的无源滤波器。
通过查阅资料，对本课题有了较为深入的理解。本课题的重点在于完善传统的逆变器，电力电子逆变器本身就是一个谐波源，由于现实矛盾，需要对逆变的谐波进行整治。采取的方案即闭环控制，实时反馈微网中的谐波量，随即产生整治谐波来抵消微网中的谐波。具体分析思路如下：微网中的信号受到各种外界因素的干扰，处于一个动态变化的状态，这就需要实时进行整治。此外，采集的信号包含有多频次的信号，信息量大，运算处理复杂，这就需要一个数据处理能力强，工作速度快的处理器，DSP正好符合要求，并且DSP输入输出资源丰富，易于嵌入，更容易实现装置智能化[3]。最后将处理的反馈信号，按一定的算法如PI控制算法加入到控制输出端，以实现闭环控制。在上述过程中存在着两大难点：一是，实现实时快速的采集分析，准确地解析出微网中包含谐波的幅值与相位；二是，单纯直接的控制必然会导致系统变得不稳定，选择一个合适的控制算法也将成为一个研究的重点。
综合上述，本课题的设计研究非常具有实际意义，可以很好地解决直流电源并网
逆变器产生的谐波问题。为此，我们选择了该课题为研究方向。
1.4 论文结构安排
第一章介绍了有源无源滤波产生的背景、意义及课题研究的方向，提出了课题研究的启发。
第二章主要给出了总体的方案设计，并对系统功能进行阐述，对各种设计方案进行比较最终得到最优的设计方案。
外接R2
5
INH
禁止端
13
PC2out
（4）ADC模块初始化，包含基准时钟设置、通道转换以及中断设置。
1 绪论 1
1.1 课题意义 1
1.2 课题发展状况 1
1.3 查阅资料对课题研究的启发 2
2 课题总体方案设计 3
2.1 系统总体设计 3
2.2 系统方案比较 4
2.3 系统实现方法 6
3 硬件系统设计 8
3.1 DSP控制模块 8
3.2 功率驱动电路 10
3.3 同步信号及锁相环电路 12
3.4 微网电参数采样检测模块 14
4 系统软件设计 17
4.1 软件总体功能概述 17
4.2 主程序组成及流程 18
4.3 事件管理器程序模块及其流程 18
5 硬件设计注意事项 20
5.1 ADC模块设计 20
5.2 PCB设计 20
5.3 DSP设计 21
6 原理图与PCB绘制 22
6. *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
1 原理图绘制 22
6.2 PCB图绘制 22
结 论 24
致 谢 25
参 考 文 献 26
附录A：采样检测模块原理图及实物图 27
附录B：DSP主控部分原理图及实物图 28
附录C：PWM驱动逆变部分原理图及实物图 29
1 绪论
1.1 课题意义
随着接入微网中负载越来越多样，大量的谐波混入微网中，电网中电流电压信号发生畸变，导致微网的电能质量逐渐变差，微网受到污染的程度越来越严重，这将直接带来电力系统稳定性及安全性变差的问题，对日常的生产与生活产生了严重的威胁。谐波电流在电网阻抗上，一方面产生附加损耗，使得效率降低，另一方面产生压降，间接地造成电力系统电压波形畸变，对电能质量要求高的设备造成严重影响。因此，急需要这样一个装置能够对电网中变化的谐波分量进行实时的滤除，以减少谐波对电网产生的影响。
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[1]，有源电力滤波器应运而生，能够对微网中各种频次的谐波进行滤除，灵活度高，实时性强。有源滤波器得以实现的思想是，首先对电网中电信号进行采样，以便于解析出所包含的谐波分量，从而根据一定的控制算法，产生谐波补偿信号，通过功率驱动电路，注入到电网中，直接对谐波信号进行抵消消除，这是一种动态谐波治理装置，能够对变化的谐波进行实时准确地治理，治理的谐波频率范围大，此外，有源电力滤波其以DSP为中心，对控制算法进行改造可以实现多种功能，易于升级完善，具有重要的研究价值及实际意义。
课题发展状况
APF的概念是1972年由日本的Sasaki和Machida最早提出的，首次提出了有源滤波器的原始结构模型，并建立了APF理论[2]。
美国西屋电气公司的Gyugyi和Strycula于1976年提出了使用大功率晶体管逆变器构成APF,可惜的是当时大功率电力电子器件难以达到所需的技术要求，使得APF还处于理论阶段。
80年代开始，新型大功率半导体开关器件逐渐被使用，高性能的处理器DSP的刚出现、大大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。
目前，有源电力滤波器已经广泛地在生产生活中得到运用，不仅在容量方面得到较大的提高，补偿谐波的频率范围也得到了较大的扩展，并且正逐渐从单独治理向电网质量改善的方向发展。虽然近些年国内有源滤波器取得了较大的发展，但是和电力电子发达的国家作比较，依然存在着一定的技术差距。当前，国内也有多台APF设备投入工业运行。如华北电力试验研究所、冶金部自动化研究院和北京供电公司联合开发的有源高次谐波治理装置于1992年在北京木材厂投入运行；华南理工大学研制了用于牵引变电站的谐波治理的混合型有源电力滤波器，该装置在能够减小滤波器有源部分容量，也取得了相当的成果，但仍需进一步改进和完善，部分具体技术实现也尚在研究中。
1.3 查阅资料对课题研究的启发
越来愈多的非线性负荷接入微网，使得谐波问题越来越受到关注。传统的解决办法是采用无源滤波器对含有微网中的谐波进行滤出，但是这样具有明显缺陷的装置，在现在这个智能化的时代显得格格不入，势必要引入一个实时快速多功能宽频率的有源滤波装置来替代传统的无源滤波器。
通过查阅资料，对本课题有了较为深入的理解。本课题的重点在于完善传统的逆变器，电力电子逆变器本身就是一个谐波源，由于现实矛盾，需要对逆变的谐波进行整治。采取的方案即闭环控制，实时反馈微网中的谐波量，随即产生整治谐波来抵消微网中的谐波。具体分析思路如下：微网中的信号受到各种外界因素的干扰，处于一个动态变化的状态，这就需要实时进行整治。此外，采集的信号包含有多频次的信号，信息量大，运算处理复杂，这就需要一个数据处理能力强，工作速度快的处理器，DSP正好符合要求，并且DSP输入输出资源丰富，易于嵌入，更容易实现装置智能化[3]。最后将处理的反馈信号，按一定的算法如PI控制算法加入到控制输出端，以实现闭环控制。在上述过程中存在着两大难点：一是，实现实时快速的采集分析，准确地解析出微网中包含谐波的幅值与相位；二是，单纯直接的控制必然会导致系统变得不稳定，选择一个合适的控制算法也将成为一个研究的重点。
综合上述，本课题的设计研究非常具有实际意义，可以很好地解决直流电源并网
逆变器产生的谐波问题。为此，我们选择了该课题为研究方向。
1.4 论文结构安排
第一章介绍了有源无源滤波产生的背景、意义及课题研究的方向，提出了课题研究的启发。
第二章主要给出了总体的方案设计，并对系统功能进行阐述，对各种设计方案进行比较最终得到最优的设计方案。
外接R2
5
INH
禁止端
13
PC2out
（4）ADC模块初始化，包含基准时钟设置、通道转换以及中断设置。
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