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1、湖南大学硕士学位论文有源电力滤波器控制器的研制及其应用姓名：赵特申请学位级别：硕士专业：系统工程指导教师：罗安20070401有源电力滤波器控制器的研制及其应用摘要有源滤波装置在消除电网谐波方面具有独特的优势，因而得到了广泛的应用。 本论文以某铜箔厂的谐波治理为背景，以并联混合型有源滤波器（HAPF）的工 程实现为主线，研究内容包括有源电力滤波器控制器的硬件设计、谐波检测算法、 控制器系统软件设计以及主电路参数设计。同时，该装置的研制成功也将为有源 滤波器在国内的早日普及应用奠定理论和技术基础，为高压、大中等功率混合型 有源滤波器的工程应用积累经验。本文在有源电力滤波器控制器国内外研究的基础上
2、，提出了一种基于数字信 号处理器（DSP）的控制器硬件结构，并对控制器的实时性、可靠性和兼容性作 了详细的分析。为满足智能功率模块（IPM）对死区时间的要求，在对电路仿真 分析的前提下，论文在控制器硬件中设计了独立的硬件死区延时电路。谐波检测是有源滤波器的一个关键环节，而其中的计算延时和许多谐波检测 方法中的低通滤波都会对有源滤波器控制和系统性能造成很大的影响。本文提出 了一种基于离散傅立叶变换的滑窗迭代检测算法，该算法能简化计算，实时有效 的检测出谐波参考指令电流。论文从频域滤波器的角度在理论上证明了该算法的 可行性和有效性。控制器的系统软件设计分为液晶显示菜单程序和控制程序。液晶菜单实现了
3、 实时电压电流波形显示、频谱和控制参数显示；控制程序实现了信号采样分析、 PWM 脉冲调制和触发、控制参数的在线修改等功能。论文详细阐述了程序设计 思想和实现过程。论文结合有源电力滤波器控制器在江西某铜箔厂的应用实例，详细说明了系 统拓扑结构、主电路设计、元件参数设计和输出滤波器设计，并给出了现场应用 效果。关键词：有源电力滤波器，数字信号处理，谐波检测，滑窗迭代II硕士学位论文AbstractAPF (Active Power Filer) has been extensively applied in harmonic eliminating of power network. Takin
4、g the harmonic elimination of a Copper Foil Company as object of study, the thesis is focused on the application of HAPF (Hybrid Active Power Filter) and expands the hardware design of controller, harmonic detection methods and software design of controller, as well as parameter design. The research
5、 of HAPF will also build solid base for its universal application in our country, and accumulate experience for its high-voltage and high-power application.The hardware structure of APF controller based on DSP (Digital Signal processor)has been presented, referring to the research achievement inland
6、 and aboard. The real-time performance and reliability, as well as compatibility of controller have been analyzed in detail. In order to meet the requirement of dead-time that IPM (Intelligence power module) demands, independent hardware circuit for generating dead-time is designed in this thesis.Ha
7、rmonic detection is a very important part of APF. Control strategy and performance of APF will be greatly influenced by calculation delay and low-pass filter in many harmonic detection methods. Then an algorithm based on a simplified sliding-window Fourier is presented in this thesis, which makes ca
8、lculation of harmonic current in APF simply and detects referenced current effectively. And then, the effectivity and feasibility of this algorithm have been proved in the theory of frequency-domain filter.The software design of controller is divided into menu program and control program. The menu p
9、rogram is composed of the display about real-time voltage wave, current wave, spectrum and control variable; the control program includes the sampling and signal analysis, the modulation and triggering of signal and the modification of control variable. At last, the thought and realization of system
10、 program are formulated in this thesis.With the appliance of HAPF in Jiang Xi Copper Foil Company, the system topology structure, main circuit design, parameters computation and output filter design are discussed. Furthermore, the feasibility of this equipment has been validated by applying effectiv
11、eness.Keywords: active power filter, digital signal processing, harmonic detection, sliding-window Fourier.III湖南大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。 除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：日期： 年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校
12、有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于保密 ，在 年解密后适用本授权书。2不保密。(请在以上相应方框内打”)作者签名：日期：年月日 导师签名：日期：年月日I第 1 章 绪论随着现代工业的发展，一方面企业对用电质量要求越来越高，另一方面电力 电子装置的大量应用，工业电网中非线性负载越来越多，严重影响了工业用电的 质量，这二者形成严重的矛盾，使得谐波问题引起人们越来越多的关注。
13、随着电 力电子技术的发展，谐波抑制技术也取得了一些突破性的进展。本章首先介绍了 电力系统谐波，简要叙述了谐波抑制的主要方法，介绍了有源滤波器的发展状况 并就有源电力滤波器的控制器的一些技术性能作一些说明，最后介绍了论文的研 究背景和主要内容。1.1 电力系统谐波目前，世界各国电力工业中，几乎都是采用正弦供电方式。在理想的电力系 统中，电源以单一恒定频率（50Hz 或 60Hz）的正弦变化规律向电网供电，系统 中各点的电流、电压都是以单一恒定的供电频率随时间按正弦规律变化的量。一 般来说，一个实际的电力系统基本上能满足理想电力系统的条件。但随着技术的 发展，电力系统中的非线性负载的比重不断增加，
14、理想电力系统的近似程度变差， 直接表现是电力系统中的电流和电压波形产生畸变。从频域的观点，在这些电流 和电压的波形中，不仅包含与供电电源同频率的正弦量（称为基波分量），而且 出现一系列频率为基波频率整倍数的正弦波分量（称为高次谐波分量），这一系 列正弦分量统称为电力谐波。在 IEEE 标准 519-1981 中谐波定义为：“谐波为一 周期波或量的正弦波分量， 其频率为基波频率的整数倍 ”。在国际电工标准 （IEC555-2）与国际大电网会议(CIGRE)的文献中定义：“谐波分量为周期量的 傅立叶级数中大于 1 的 h 次分量”。1.1.1 电力系统谐波产生的原因在早期的电网中，电力传输线路中谐
15、波含量并不高，可以忽略不计，但是随 着科技的进步，现代电网中谐波的含量比例越来越高。电网谐波主要来自于 3 个 方面：一是电源质量不高产生谐波；二是输配电系统产生谐波；三是用电设备产 生的谐波。其中用电设备产生的谐波最多。发电机由于三相绕组在制作上很难做到绝对对称，铁心也很难做到绝对均匀 一致和其他一些原因，发电机也会产生一些谐波，但一般来说很少。这种谐波电 动势的频率和幅值只取决于发电机本身的结构和工作情况，基本与外接负载无关， 可以看作谐波电压源。输配电系统中主要是电力变压器产生谐波，由于变压器铁心的饱和，磁化曲92有源电力滤波器控制器的研制及其应用线的非线性，加上设计变压器时考虑经济性，其工作磁密选择在磁化曲线的近饱和段上，这样就使得磁化电流呈尖顶波形，因而含有奇次谐波。它的大小与磁路 的结构形式、铁心的饱和程度有关。铁心的饱和程度越高，变压器工作点偏离线 性越远，谐波电流也就越大，其中 3 次谐波电流可达额定电流的 0
