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1、河北工业大学城市学院本科毕业设计（论文）前期报告毕业设计（论文）题目：基于DSP的有源电力滤波器监控系统设计专业（方向）：自动化专业学 生 信 息： 学号：086119 姓名：李晓阳 班级：自动化C084指导教师信息：教师号：05119 姓名：孙曙光 职称：讲师报告提交日期：2012年3月17日星期六一、 文献综述 （一）研究背景中国正处于全面建设小康社会和构建社会主义和谐社会新的历史时期，工业化、城镇化进程不断加快，电力需求增长迅速。伴随着工业、农业和生活用电的快速增长，对供电质量和供电可靠性的要求也逐步提高，电能质量已经越来越受到大家的重视。但目前的现实情况是，绝大多数电能密集区都程度不同
2、的为劣质电能所困扰。目前在美国，由于电能质量下降,每年的经济损失达200-300亿美元。无论是电力生产运行还是市场化运营，电能质量已不仅仅是一个技术问题，而是演变成为一个严重的经济问题。国内对这方面还没有定量的统计指标，但电能质量劣化造成的经济损失无疑是巨大的。因此，对电能质量问题、尤其是谐波及其抑制和滤除问题进行深入细致研究，具有长远的重要的实际意义。（二）有源电力滤波器有源电力滤波器（Active Power Filter,APF）是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置，它能够对大小和频率都变化的谐波以及变化的无功进行补偿，之所以称为有源，顾名思义该装置需要提供电源，其应用可克
3、服LC滤波器等传统的谐波抑制和无功补偿方法的缺点（传统的只能固定补偿），实现了动态跟踪补偿，而且可以既补谐波又补无功。1.有源电力滤波器的工作原理有源电力滤波器的主电路包括指令电流运算电路和补偿电流发生电路，其中补偿电流发生电路由电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路三部分组成。以并联型有源电力滤波器为例，其原理图如下图1所示:esisiL驱动电路电流跟踪控制电路指令电流运算电路主电路负载icAPFError! No bookmark name given.图1并联型有源电力滤波器原理图图1中，es代表交流电源，is代表交流电源电流，iL代表负载电流，iC代表补偿电流，负载为谐波源，它产生谐波并消
4、耗无功。指令电流运算电路的功能是检测被补偿对象电流中的谐波分量和无功分量，这是有源电力滤波器能够准确进行谐波补偿的先决条件。而根据指令电流运算电路得出的指令信号，产生实际补偿电流的任务则由补偿电流发生电路来完成。主电路的变流器均采用脉冲宽度调制（PWM）方法控制，使用由驱动电路给出的PWM信号控制功率开关器件的开通与关断。变流器一般工作在逆变和整流两种工作状态。当电网向有源电力滤波器传递能量，即向APF直流侧充电时，变流器处于整流的工作状态；当APF产生补偿电流时，变流器处于逆变工作状态。其具体工作原理为：先使用电压传感器和电流传感器将被补偿对象的电压和电流检测出来，然后送到DSP计算出补偿电
5、流指令信号，再用补偿电流发生电路放大得出补偿电流，与被补偿设备中的谐波及无功等电流抵消，从而保证供电质量。如果改用公式表示，则可以写为： is=iL+iC (1.1) iL=iLh+iLf (1.2) iC=-iLh (1.3) iS=iL+iC=iLf (1.4)其中，iLh表示补偿对象负载电流的谐波分量，iLf表示负载电流基波分量。如果在补偿谐波的同时，还要求补偿负载无功功率，则只需要在补偿电流指令信号中加入与负载电流的基波无功分量反极性的电流成分即可。2.有源电力滤波器的发展：1）最早在20世纪60年代末B.M.Rird的论文中出现，是有源电力滤波器思想的基础。2）1971年H.sasa
6、ki和T.Machida发表了描述有源电力滤波器基本原理的论文。3）1976年美国西屋电气公司提出了采用脉冲宽度调制控制的有源电力滤波器，讨论了实现的方法和相应的控制原理，奠定了有源电力滤波器的基础。4）20世纪80年代以来新型半导体器件的诞生以及PWM技术的发展极大地促进了有源电力滤波器的发展。5）1986年第一台900KVA的并联APF和6600kVA并联PPF组成混合的APF使用。1988年彭方正等人提出了串联混合APF，从此APF的研究进入了一个飞速发展的时代，并且不断投入实际应用。6）从90年代中期至今，APF的研究主要集中在自适应算法、神经网络算法，小波算法等新型的参考信号提取方法
7、和控制方法，以及新型数字控制器的使用。 上世纪90年代之后，有源滤波器为抑制电网谐波、改善供电质量的一项重要技术，在日本、美国、德国等工业发达国家已得到了高度重视和日益广泛的应用。目前世界上APF主要生产厂家有日本三菱电机公司、美国西屋电气公司、瑞士ABB、德国西门子公司等。在国内有源电力滤波技术还处于研究试验阶段，例如西安交通大学、清华大学、哈尔滨工业大学、华北电力大学、中国电力科学研究院等高等院校、科研院以及少数公司相继开展对于APF的研究。我们研究的是基于DSP的有源电力滤波器监控系统的设计，利用触摸屏和电能表实现有源电力滤波器参数的显示与设置，以及有源电力滤波器功能选项的设置等。因此我
8、们主要针对DSP、触摸屏以及电能表的研究。（三）有源电力滤波器监控系统的实现1）数字信号处理器随着电力电子技术特别是数字信号处理器（DSP）技术的发展，APF的谐波监测与系统控制也由模拟走向数字。DSP是一种很合适处理数字信号的微处理器，实现了实时快速的处理各种数字信号处理算法，大大的提高了其处理速度。其流程图如下：抗混叠滤波 A/DD/ADSP芯片 平滑滤波输入输出 图2 DSP流程图1.数字信号处理器的特点：1）哈佛结构：程序与数据存储独立寻址。2）指令流水线，取指、译码和执行等操作可重叠执行。3）硬件加法、累加器：一个指令周期内可完成一次乘累加。4）多种寻址方式（多总线结构）。5）独立D
9、MA总线和控制器。6）多处理器接口。7）有JTAG接口和标准测试接口：在线仿真与调试方便。2. 数字信号处理器的发展：1）多DSP协同工作。2）更方便的开发环境。3）大量专用DSP的出现。4）更低的价格，更高的性能/价格比。5）更广泛的应用（每年以30%增长）。6）更低的功耗。7）更高的运行速度和处理速度。TMS320F2812芯片是目前C2000系列中应用最广泛、最具代表性的芯片。它不仅具有多数DSP芯片广泛使用的32位内核结构、片内/外存储器映射、时钟和中断管理机制，而且还具有事件管理器(EV)、串行通信接口(SCI)、串行外设接口(SPI)、多通道缓冲串行口(McBSP)、CAN总线模块
10、和模数转换模块(ADC)等多种片内外设。它为实现高性能、高精度的数字控制提供了很好的解决方案。2）触摸屏1.触摸屏的工作原理 为了操作上的方便，人们用触摸屏来代替鼠标或键盘。工作时，我们必须首先用手指或其它物体触摸安装在显示器前端的触摸屏，然后系统根据手指触摸的图标或菜单位置来定位选择信息输入。触摸屏由触摸检测部件和触摸屏控制器组成；触摸检测部件安装在显示器屏幕前面，用于检测用户触摸位置，接受后送触摸屏控制器；而触摸屏控制器的主要作用是从触摸点检测装置上接收触摸信息，并将它转换成触点坐标，再送给CPU，它同时能接收CPU发来的命令并加以执行。 2.触摸屏的主要类型 按照触摸屏的工作原理和传输信
11、息的介质，我们把触摸屏分为四种，它们分别为电阻式、电容感应式、红外线式以及表面声波式。每一类触摸屏都有其各自的优缺点，要了解那种触摸屏适用于那种场合， 关键就在于要懂得每一类触摸屏技术的工作原理和特点。触摸屏是一个使多媒体信息或控制改头换面的设备，它赋予多媒体系统以崭新的面貌， 是极富吸引力的全新多媒体交互设备。触摸屏对于各种应用领域的电脑已经不再是可有可无的东西，而是必不可少的设备。它极大的简化了计算机的使用， 即使是对计算机一无所知的人， 也照样能够信手拈来，使计算机展现出更大的魅力。解决了公共信息市场上计算机所无法解决的问题。3）电力监测仪电力监测仪是针对电力系统、工矿企业、公用设施、智
12、能大厦的电力监控需求而设计的数字式多功能网络电力监测装置。本论文选择的是青智仪器ZW3432C电力监测仪。该设备能够对三相电流、三相电压、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、有功电能、无功电能、频率、50次以内的谐波、电压电流畸变率等测量。接受标准CT和PT输入，直接测量电压达500V，可记录数据最大值和最小值及其发生时间，可修改的具有延时功能的定值报警和继电器输出功能，还具有报警事件记录功能。可通过大液晶显示屏轻松修改设置，而且还具有密码保护功能。符合Modbus -RTU协议带光电隔离的RS-485通讯接口，还具有扩展功能的接口。本电力监测仪的测试对象为（4565）Hz和（350-45
13、0Hz）交流电压、电流信号，该设备还具有高速数据处理，高精度，低功耗等特点。设备实物如图3所示：图4.17 电力监测仪 图 图3青智仪器ZW3432C电力监测仪监控系统能实现的功能，即触摸屏所显示的内容包括：系统参数显示即电压和电流及电流的畸变率；系统功率和功率因数显示；系统参数设置即2-50次谐波选择；谐波电流显示，三相2-10次谐波电流含有率、三相11-20次谐波电流含有率、三相21-30次谐波电流含有率、三相31-40次谐波电流含有率、三相41-50次谐波电流含有率；柱状图显示A相谐波电流含有率。 二、工作过程1）查阅了智能电力监测仪、触摸屏、有源电力电力滤波器和DSP技术的相关资料和书
14、籍。2）掌握了电力监测仪、触摸屏、有源电力滤波器以及DSP的工作原理。3）确定了使用电力监测仪和触摸屏实现对有源电力滤波器的监测，并且掌握了他们之间如何进行数据传输。 三、遇到的问题1.有源电力滤波器数据采集问题。 2.利用电力监测仪和触摸屏实现有源电力滤波器参数的显示与设置，以及有源电力滤波器功能选项的设置等。四、解决问题的方法、效果与启示1. 参阅网上与图书馆的相关文献，根据教程熟悉基于DSP的有源电力滤波器的使用以及电力监测仪、触摸屏的设计与使用。2. 对于总体构架的选择，尽量多的了解国内外现有的构架，并对其进行分类，分析其优缺点，这样在选择时便容易下手。通过对以上问题以及在设计过程中各
15、种问题的解决，我认识到清晰的知识脉络对课题设计的重要性，这些解决问题的经验将成为自己以后工作中的宝贵财富。 五、完成进度1. 完成了查阅资料工作，明确了研究方向，对设及内容有了总体了解。2. 完成前期报告。参考文献：1 宋文南，刘宝仁电力系统谐波分析北京：中国电力出版社，1998.2 吴竟昌电力系统谐波北京：水利电力出版社，1998.3 王兆安，杨君，刘进军谐波抑制和无功功率补偿（第二版）北京：机械工业出版社，2005.4 Lin haixue. Analysis on some foreign harmonic voltage standards. Power supply and use,
16、 2008, Vol.25, No.3:4-7,17.5 Joe F.,Chicharo,Haihong Wang.Power system harmonic signal estimation and retrieval for active power filter applications.IEEE Transactions on Power Electronics,1994,Vol. 9,No.6:580-586. 6 Zhang LinliWang,guangzhu.New artigicial neural network approach for measuring harmon
17、ics.Proceeding of the EPSA,2004,Vol 16, No.2:40-43. 7 智能显示终端开发指南北京迪文科技有限公司，2010.8 ZW3432C电力检测仪使用说明书青岛青智仪器有限公司，2008.9 Texas Instruments. TMS320F28x DSP Event Manager（EV）Reference Guide. SPRU065A, 2003.10 罗仕监，朱上上，孙守迁.人机界面设计M.北京：机械工业出版社，2004.11 刘广.嵌入式系统人机界面结构化设计与实现D.武汉：华中科技大学，2005.12 周立功，等.ARM嵌入式系统应用技术笔记M.广州：广州致远电子有限公司，2007.13 孙增圻智能控制理论与技术，北京：清华大学出版社，1997.14 洪乃刚电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB 仿真，北京：机械工业出版社，2006.15 陈兵，谢运祥，陈江辉有源电力滤波器拓扑及控制策略比较J，. 2006 .12(5).1-13.16 张雄伟, 陈亮, 徐光辉等. DSP集成开发与应用实例. 北京：电子工业出版社, 2002.17 Texas Instruments. TMS320x280x DSP模数转换器（ADC）参考指南. ZHCU004,2004.11.
