基于DSP的电能质量调节器的设计与实现的毕业设计论文定

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成 绩： 江西科技师范学院毕业论文（设计）题 目(中文)：基于DSP的电能质量调节器的设计与实现 (外文）：The Design and Implementation of PowerQuality Conditioner Based on DSP 系（院）： 通信与电子学院 专 业： 电子信息工程 学生姓名： 程 宏 学 号： 20041384 指导教师： 刘 玉 莹 2008年3月15日34目 录1.绪论 11.1 国内外研究状况 21.2 课题研究的目的和意义 31.3 预期达到的目标 32.电能质量标准的分析32.1电能质量的定义32.2 电能质量国家标准42.3 电能质量标准分析 43.电能质量调节器的结构和工作原理 74.检测算法的研究 85.系统硬件设计 115.1 数据采集部分 125.2 数据分析处理部分 196.系统软件设计 226.1软件系统总体设计 226.2系统流程图 236.3 主要子程序的设计与实现267.总结 33参考文献33基于DSP的电能质量调节器的设计与实现摘要：基于DSP的电能质量调节器的设计与实现是数字信号处理这门电子信息类相关专业的重要专业基础课程的重大应用。改善电能质量对于电网和电气设备的安全、经济运行，保障产品质量以及人民的正常生活均有重要意义。针对电网中的谐波、不对称、电压波动、电压跌落等现象，采用电力电子装置电能质量调节器，可以有效地改善电能质量。现在，如何提高电能质量，确保用电设备的安全运作，成为了国内外的广泛关注的焦点之一。论文介绍了基于TMS320F240 DSP芯片开发的电能质量调节器。重点讨论了各模块电路的工作原理，以及实现方法。关键词：电能质量，调节器，DSP，TMS320F2401. 绪论1.1 国内外对电能质量调节器研究的背景及状况查晓明.统一电能质量调节器(UPQC)的理论研究及其实现D.武汉大学博士学位论文,2001,(6)：35-39.电能既是一种经济实用的、清洁方便且容易传输、控制和转换的能源形式，又是一种由电力部门向电力用户提供，并由供、用双方共同保证质量的特殊产品。如今，电能作为走进市场的商品，无疑也应讲求质量。电能质量与一般产品质量不同，对于不同的供(或用)电点在不同的供(或用)电时刻，电能质量指标往往是不同的。电能作为一种使用最为广泛的能源，其电能质量已经成为供用双方共同关注的问题。为保障电能的质量，改善和提高其供电水平，一方面，人们采取各种技术措施，抑制电能质量的恶化或进行负荷的调整和电网的改造，另一方面，人们在电力系统的特殊点处装设电能质量监测设备来监测电能质量的各个参数。电能质量的好坏直接关系到国民经济的总体效益，恶劣的电能质量对电力系统运行和用电设备运行有很大的危害，有的危害甚至是破坏性的。电能质量问题已越来越引起用户和供电部门的重视。以往电能质量的研究主要集中在供电电压偏差、三相电压不平衡、电压波动和闪变、系统频率偏差、公用电网谐波，为此还制定了6项国家相关标准，做到了有标准可依。但要改善电能质量，首先对目前的电能质量状况要有所认识，这样才能采取相应的措施有效改善电能质量。在电力系统中，电能质量问题与用户设备密切相关，所谓合格的电能质量是指给敏感设备提供的电力和设置的接地系统是适合该设备正常工作的。因此，实际供电系统中，电能质量的危害主要体现在与用户密切相关的配电系统以及低压网络中，比如电压跌落问题引起的设备误跳闸、短时断电现象造成的计算机服务器数据丢失、谐波问题引起用户设备不正常发热等。针对上述的电能质量问题, 国外已提出并开发了许多改善和提高电能质量的装置，其中电能质量调节器PQC就是一种比较先进的电能调节设备，它可快速补偿供电电压的偏差、三相电压不平衡、电压波动和闪变、系统频率偏差和消除公用电网谐波以及故障时的短时电压中断等，是一项具有综合功能的电能质量控制器。西门子公司已系列生产出的PQC装置SIPCON，它是基于IGBT的PWM换流器，是并联型有源电力滤波器和串联型有源电力滤波器的组合，为众多此类研制品中较有代表性的产品。王瑾.串联型有源电力滤波器的研究D.武汉大学硕士学位论文,2001,(6)：12-20.为了保证我国的电能质量，自1990年以来, 我国相继发布了六项电能质量国家标准:GB12325-90电能质量供电电压容许偏差；GB12326-90电能质量电压容许波动和闪变；GB/T14549-93电能质量公用电网谐波；GB/T15543-1995电能质量三相电压容许不平衡度；GB/T15945-1995电能质量电力系统频率容许偏差；GB/T1848-2001电能质量暂时过电压和瞬态过电压。以上电能质量标准分别从发电、供电、用电端对电能质量提出了要求。这些标准的发布无疑为提高我国的电能质量水平起到了促进作用。目前，在国内的实际情况是致力于电能质量控制调节装置研究的科研单位还不多，且在此方面的研究，大多局限在谐波问题的范围内，虽然也提出和开发了一些改善和提高电能质量的电能质量补偿装置，包括各种动态无功补偿装置SVC，有源电力滤波器APF，电能质量综合补偿装置即统一电能质量调节器UPQC，以及动态电压恢复器DVR等。但是与国外相比，差距还是很明显的。1.2 课题研究的目的和意义正是由于电能质量的好坏直接关系到国民经济的总体效益，恶劣的电能质量对电力系统运行和用电设备运行有很大的危害，有的危害甚至是破坏性的。而数字信号处理课程是电子信息相关专业的一门重要专业基础课程，是信息算法理论基础和软件设计的技术基础，学会分析信号、选择算法、设计算法，养成良好的系统设计风格，提高逻辑思维和抽象思维的能力，为以后有关的电子信息课程的学习和从事软硬件的开发奠定基础。所以此课程已经越来越普及，在各高校以及对信号处理学习中已经越来越体现出它的重要性。鉴于此,将信号处理原理应用到实际生活中去很有必要，此时关于电能质量的研究就是这方面的体现。为了保障电能的质量,提高供电水平,必须对供电系统电能质量进行综合监控，以保证电网优质可靠的运行，与此同时，该项技术的研究和开发，对我国的快速发展以及国民生活水平的提高具有重大的意义。使其能符合国家规定的六项电能质量指标, 电能质量控制（也即调节器）是一个比较复杂、综合性强的系统工程，主要涉及电力系统、电工理论、电力电子技术、自动控制理论等学科，包括电源畸变、不平衡的功率理论，电能质量的实时检测与控制等技术还与国家政策和管理机制有关。本文的电能质量调节器是一个以TI公司的数字信号处理器（DSP）TMS320F240芯片为核心的控制系统，其目的在于根据配电电网的实际情况和要求，全面集中地对电网的电能质量进行综合补偿，从而全面经济地解决配电网的电能质量问题，为用户提供可靠的高质量电能 。邓恒,殷波，查晓明.综合电能质量控制器J.电网技术,2002.25-30.1.3 预期达到的目标随着DSP性能的不断改善，用DSP来作实时信号处理，已成为当今和未来技术发展的一个新热点。本文的基于DSP的电能质量调节器的设计与实现正是此项技术的应用。因此我们应该积极的采用数字化控制技术。本文的主要目标包括：1、根据国家发布的六项电能标准，了解各种电能质量指标的定义及我国对于电能质量衡量标准和计算方法的规定。2、在对电能质量问题进行分析的基础上，研究如何实现电能质量各项指标的计算及对电能质量的补偿。3、结合实际应用要求，选用能实现调节的数字信号处理器，设计和实现系统功能。2.电能质量标准的分析2.1电能质量的定义电能质量的定义应该是导致用户设备故障或误动作的以电压电流或频率的偏差为表现形式的一切电力问题。电能质量包括四个方面：林海雪. 中国电力科学研究院电能质量国家标准讲座:(1)-(6).1、电压质量(Voltage quality)即用实际电压与额定电压间的偏差(偏差含电压幅值，波形和相位的偏差)，反映供电企业向用户供给的电力是否合格；2、电流质量(Current quality)即对用户取用电流提出恒定频率、正弦波形要求，并使电流波形与供电电压同相位，以保证系统以高功率因数运行。3、供电质量 (qualityofsupply)包含技术含义和非技术含义两个方面：技术含义有电压质量和供电可靠性；非技术含义是指服务质量(qualityofservice)4、用电质量(qualityofconsumption)包括电流质量和非技术含义。2.2 电能质量国家标准从20世纪80年代初开始，国家质量技术监督局(原国家标准局)将制定国家电能质量标准列为重点项目，至2001年底，已经颁布了6个标准(其中2个标准已经过修订)即： 1、GBT 12325-2003电能质量 供电电压允许偏差；2、GB 123262000电能质量 电压波动和闪变；3、GBT145491993电能质量 公用电网谐波；4、GBT155431995电能质量 三相电压允许不平衡度；5、GBT 159451995电能质量 电力系统频率允许偏差；6、GBT 18481-2001电能质量暂时过电压和瞬态过电压；2.3 电能质量标准分析2.3.1 供电电压偏差供电电压偏差指50HZ电力系统在正常运行条件下供电电压相对额定电压的偏差。根据定义，电压有效值为 （2.3-1）式中，T为被测电压的周期,u(t)为被测电压的瞬时值。电压偏差的数学表达式： （2.3-2）式中：为实测电压 ，为相对额定电压。供电系统正常运行时，负荷在时刻发生着变化，系统的运行也在经常改变，就会引起系统中电压随之发生改变，偏离系统电压额定值。其允许值为，即实测电压幅度大于相对额定电压幅度的110%或小于相对额定电压幅度的90%。2.3.2电压波动和闪变电压波动是一系列电压（方均根值）变动引起的。电压波动值d为波动特性曲线上相邻两个电压之差（）以其标称电压的百分数表示，即： （2.3-3）灯光照度不稳定造成的视感叫闪变。1、闪变觉察率F（%）的统计值：取F=50%作为瞬时闪变视感度s的衡量单位，称为觉察单位。2、闪变视感度系数af:人眼对不同频率的电压波动而引起灯闪的敏感程度3、闪变电压限值Ut 引起闪变刺激性程度的电压波动值。4、等效闪变值U10 （2.3-5）式中Uf1电压调幅波中频率为f 的正弦波分量一分钟均方根平均值，以额定电压的百分数表示。2.3.3 公用电网谐波供电系统谐波的定义是对周期性非正弦电量进行傅立叶级数分解，除了得到与电网基波频率相同的分量，还得到一系列大于电网基波频率的分量,这部分电量称为谐波.谐波频率与基波频率的比值（n=fn/f1) 称为谐波次数.谐波实际上是一种干扰量,使电网受到“污染”。 因此,谐波含量是电能质量的重要指标之一.电压或电流的正弦波形受谐波影响而畸变的程度用谐波电压或电流含有率表示： （2.3-6） （2.3-7）式中 、为第n次谐波电压、电流有效值；、为基波电压、电流有效值。对于谐波信号，可采用滤波器分别率出信号的低频和高频成分。2.3.4三相电压允许不平衡度电力系统三相电压平衡状况是电能质量的主要指标之一。三相不平衡度指50HZ电力系统正常运行方式下由负序分量引起的不平衡的程度。不平衡度的程度，用电压或电流负序分量与正序分量的方均根值百分比表示。正（负）序分量是指将不平衡的三相系统的电量按对称分量分解后，其正（负）对称系统中的分量。下面分别是电压和电流不平衡的数学表达式： （2.3-8） （2.3-9）式中：三相电压的正序分量方均根值； ：三相电流的正序分量方均根值 ：三相电压的负序分量方均根值 ：三相电流的负序分量方均根值2.3.5电力系统频率允许偏差根据电工学理论，频率是指在单位时间内变化的次数，即周期的倒数。电力系统在正常运行条件下,系统频率的实际值与标称值之差称为系统的频率偏差,它和电压偏差一样是电能质量基本指标。它反映发电有功功率和消耗的有功功率之间平衡关系，同时也反映频率控制技术水平。2.3.5 暂时过电压和瞬态过电压当峰值电压超过系统正常运行的最高峰值电压时的状况叫过电压。“暂时过电压”是指其频率为工频或某谐波频率，且在持续时间范围内无衰减或衰减慢的过电压；“瞬态过电压”是指动荡衰减非常快，持续时间短的电压。3.电能调节器的结构和原理目前，在电能质量综合治理方面，主要目的是抑制负荷侧谐波电流注入电力系统而造成的谐波污染扩散。因此，人们在处理这方面问题时往往是在变电站或负荷接入点安装一些滤波装置（如：无源或有源滤波装置）。在现在广泛运用的电力系统中，供电端的电压往往存在一些变动，比如各种畸变，谐波、不对称现象，甚至还存在着电压波动、电压跌落、短时电压中断现象。所以，为了消除这些电压畸变对敏感负荷的影响，可以在输电线路中接入电压调节器。该装置的主电路结构同有源滤波器一样，可对三相感性非线性负载注入系统的谐波、负载连接点电压和无功功率等进行动态补偿，其补偿特性不象无源滤波器那样受系统运行条件的限制。另外，它隔断了电网与负载的谐波互相干扰，使电网电压的谐波不干扰负载，也使负载的谐波电流不污染供电电网。章云,谢莉萍,熊红艳.DSP控制器及其技术M.北京:机械工业出版社,2001.325-339.催学深,张建华,肖刚.DSP技术在电力系统中的应用和硬件实现方式J.现代电力,2002.268-300. 所以我认为，为了改善电能质量而通过上述装置均属于本文所讨论的基于DSP的电能质量调节器的范畴。该电能质量调节器的主要包括以下几个单元：传感器电路、信号调理、采样保持及A/D转换电路以及有源部分的控制策略等几个部分。其控制电路原理框图如下：CPLD XC95144MAX125-1MAX125-1TMS320F240驱动电路图3-1 电能质量调节器控制电路原理框图 一开始，通过传感电路获取电压/电流的模拟信号，然后通过信号调理电路，信号调理是把来自传感器的模拟信号变换为用于数据采集、控制过程、执行计算显示读出和其他目的的数字信号。传感器信号不能直接转换为数字数据，主要是由于传感器输出的是相当小的电压、电流或电阻变化，因此，在变换为数据之前必须进行调理，即放大，缓冲或定标模拟信号，使其适合于模/数转换器（ADC）的输入。然后，将已调理的信号输入到由芯片MAX125构成的A/D转换电路，对模拟信号进行数字化，并把数字信号送到TMS320F240芯片中，以便用于系统的数据处理。通过各种分析方法，并根据国家的六项电能质量标准，获得电压补偿量，在理想情况下该补偿量与电压扰动大小相等，方向相反，并将此信号作为指令信号经PWM控制器产生触发信号，驱动IGBT组成的逆变器，产生补偿所需电压，经变压器返回系统，抵消电源电压中的扰动，使负荷侧保持一个幅值恒定的正弦电压波形，达到电能质量调节的目的。4.检测算法的研究在电能调节器的工作环节中，检测是关键环节之一，它的好坏直接影响到电能的调节，只有准确无误的检测出电压电流畸变量，我们才能够得到准确的参考电压值，并且通过这些参考电压值，能够得到理想的补偿效果，从而使得电能质量得到调节。常见的电压电流畸变检测法有以下几种：基于Fryze时域分析的有功电流分析法，低通滤波器提取基波分量法、基于频域分析的FFT法，自适应检测法，基于日本学者Akagi提出的瞬时无功理论的瞬时空间矢量检测法等。邓恒,殷波，查晓明.综合电能质量控制器J.电网技术,2002.25-30.上述各种各样的检测方法各有各的优点和缺点，因此选用哪种方法应根据实际需要来选择。基于瞬时无功功率理论的瞬时空间矢量法简单易行，性能良好，并已趋于完善和成熟，今后仍将占主导地位。实时性和准确性是衡量一种检测算法孰优孰劣的标准，不管什么算法都会占用CPU一定的时间来计算，所以，在确保检测算法准确性的前提下，应选择数字信号处理器(DSP)。下面将主要针对应用于本文中的快速傅立叶变换的具体分析：傅立叶变换是一种将信号从时域变换到频域的变换形式，是声学、语音、电信和信号处理等领域中的一种重要工具。离散傅立叶变换DFT是连续傅立叶在离散系统中的表现形式，但直接应用DFT的计算工作量太大，即使采用计算机也很难对问题进行实时分析，以至于在实践中无法广泛应用。1965年Cooley和Tukey提出了快速傅立叶变换算法，简记为FFT，它以较少的计算量实现DFT的快速运算，使具体计算DFT的理论成为现实，在实际应用中成为稳态谐波测量的最好方法。DFT原理程佩青.数字信号处理教程(第二版)M.清华大学出版社,2001.138-151.184.丁玉美，高西全.数字信号处理M.西安电子科技大学出版社,2002.500-543.设x(t为一连续非周期时间信号，若x(t满足狄里赫利条件时，x(t的傅立叶变换存在，并定义为:在实际运算中，人们希望在计算机实现信号频谱分析及其他方面的处理工作，对信号的要求是:在时域和频域应是离散的，且都是有限长。由此，引出离散傅立叶变换的定义。定义在的有限长序列xn和其离散时间傅立叶变换之间的最简单关系,可以通过在W轴上对均匀抽样得到: 序列Xk称为序列xn的离散傅立叶变换(DFT).采样符号:,也称为碟形因子.碟形因子具有以下特点:的周期性: 的对称性: 的可约性: FFT的推导:快速FFT算法基本上可以分为两大类,即按时间抽取(DIT)法和按频率抽取(DIF)法.下面通过基2时间抽取FFT算法基本原理进行分析:基2时间抽取FFT算法利用前述的,M为整数.将xn的DFT运算按n次分为奇、偶两部分，即：以2r表示偶数n，2r+1表示奇数n，相应的r取值范围是0-N/2-1，则有，式中所以有：式中： 这样一个N点DFT已被分解为两个N/2点的DFT。G（K）、H（k）都只有N/2个点，X（k）为N个点。所以根据G（K）、H（k）的两个重要周期性可知：，又由于所以可以得到以和表达的全部关系式：其中k=0，1，2，N/2-1；G（k） H（k）H（k） H（k）-1X（k）X（k+N/2）4-1 时间抽选法碟形流图采用这种方法能够将上面讨论的分解过程如下图所式。此图表示N=8的情况，N/2点DFTN/2点DFTX（0）X（1）X（2）X（3）X（4）X（5）X（6）X（7）x(0)x(2)x(4)x(6)x(1)x(3)x(5)x(7)4-2 时间抽选法流图可以进一步的把每个N/2点子序列在按其奇偶部分分解为两个N/4点的子序列。设、且同上面分析的过程一样，有下列公式成立。同样就也可以进行同样的分解： 当时，全部DFT运算可以分解为M级碟形图，其中每级都包含N/2次复数乘，N次加（减），因此FFT的全部运算工作量如下：复数乘法： 复数加减法： 而直接DFT计算量为：复数乘法：次复数加减法： 次5.系统硬件设计电能质量调节器是一种广泛运用于电力系统，并可根据检测系统获得电网参数，从而对电网的电能质量进行调节，使广大用户获得稳定的良好电能的调节装置。根据实际需要，现设计该系统硬件连接框图。图5-1系统硬件结构图电流互感器信号调理电路电压互感器三相电压三相电流DSP处理器补偿电路A/D采集电路锁相环电路该系统主要有数据采集部分、数据分析处理部分和补偿电路的设计部分及周围的一些基本电路。结合数字信号处理技术和DSP接口技术，在此主要完成虚线所框部分的设计，及主要完成检测控制部分和数据分析处理部分两部分的功能，以确定电能质量是否合格，若不合格则产生PWM信号通过D/A转换来驱动电能补偿电路。为此选择了高精度浮点DSP芯片TMS320F240作为数字处理器，并设计了以2x4通道14位高速A/D转换芯片MAX125为核心的前向数据采集通道电路。5.1 数据采集部分一次系统三相电压三相电流线性变换电 路多路数据同步采 集图5-2采样原理图数据采集部分在整个系统中占有举足轻重的作用，数据采集的精度直接影响到后面各项数据的处理，对整个调节器最终能否达到调节电能质量的目的，至关重要，它的合理设计能够提供预期的采样速度，提高A/D转换精度，简化电路、增强电路抗干扰的性能。这部分主要包括电压传感器、电流传感器、调理电路、滤波器、锁相环和A/D转换芯片等。5.1.1 电压/电流传感器、信号调理电路的应用信号调理是把来自传感器的模拟信号变换为用于数据采集、控制过程、执行计算显示读出和其他目的的数字信号。通常，传感器信号不能直接转换为数字数据，这是因为传感器输出是相当小的电压、电流或电阻变化，因此，在变换为数据之前必须进行调理。调理就是放大，缓冲或定标模拟信号，使其适合于模/数转换器（ADC）的输入。A/D 输入信号调理电路主要由隔离、滤波、衰减/放大和限幅电路构成。由于传感器输出信号中存在高频干扰,因此为了消除高频干扰，需在信号输入调理通道中设计抗混叠低通滤波器。抗混叠低通滤波器一般为有源低通滤波器,按通带滤波特性可分为最大平坦型滤波器、等纹波型滤波器、线性相移型滤波器等。通常在实际设计中对应采用的有以下三种形式: 1、巴特沃兹(Butterworth)型低通滤波器 2、切比雪夫(Chebyshev)型低通滤波器 3、贝塞尔(Bessel)型低通滤波器 根据本设计中的要求，所需滤波器应该在通带内具有平坦的低通滤波器特性且过渡带较陡,因此可以选用3阶切比雪夫低通滤波器作为抗混叠滤波器。由于调理电路的最终目的是为了使输入信号的幅值符合A/D转换器的要求，而且图5-3 电流信号调理电路 本设计中所使用的A/D转换芯片是MAX125，但由于它的输入电压为V，然而电流传感器输出的是电流信号，因此必须将电流信号转化为可用的电压信号。电流调理电路图如图5-3所示，由四部分组成：由电容滤波器C1和精密采样电阻R1构成，将电流信号变换为电压信号；由R2和C2构成一个截止频率为10KHZ左右的低通滤波器；一个同相跟随电路进行幅值变换和隔离；两个稳压管将输出值限定在V之间。图5-4 电压信号调理电路与经过电流传感器的变送的电流信号调理不一样的电压信号的调理就比较简单了，其调理电路如图5-4所示。在这里只需要进行同相隔离和幅值变换，通过调节可变电位器R1的大小，就可以实现对输出电压的调节。5.1.2 锁相环设计在周期性的电参量的测量中，进行同步采样是准确测量实时信号的关键。所谓同步采样就是将信号的一个周期（或多个周期）进行均匀离散，在每一离散点处取其信号的瞬时值。同步采样有利于离散傅立叶变换中减少频谱泄露，进而减小误差。采样信号获取电路的核心由集成琐相环CD4046和串行分频器构成。琐相环实现对频率的实时跟踪，而分频器实现对频率的分频，再加上相应的外围电路即可获得与输入信号具有一定关系并跟踪输入信号频率变化的信号。但是由于信号中存在着不同的谐波，而这些谐波对琐相环电路的准确运行具有比较大的干扰，因此为了使琐相环能够严格地琐定在输入信号的基波频率上，应消