基于CAN总线的晶闸管投切滤波器控制系统的设计

摘要

目前，电网中的非线性负载数量日益增多，总负荷日益加大，产生大量的谐波注入电网，使电网电压的畸变日益严重。电网中大量的无功负荷使电网电压稳定性和整个电网的效率受到严重影响。因此，谐波治理和无功补偿的问题引起了人们的越来越广泛的关注和研究，而如何将谐波抑制与无功补偿同时进行考虑，是重要的研究课题之一。目前，同时进行谐波抑制与无功补偿的理论发展比较迅速，但实际应用尚需实践。
　　本论文根据我国电能质量的现状，研究同时补偿谐波和无功的综合控制技术。论文首先对谐波和无功的定义、产生、对电网的危害、两者的联系、国内外发展现状进行了综述。论文然后设计了一个利用晶闸管投切并联电容器来同时进行谐波抑制和无功补偿的滤波器控制系统，该系统通过采样并计算电流电压，依据投切逻辑判断是否需要投切并联电容器，在电压电流过零点利用晶闸管投切电容器，对电网3(预留)、5、7、11次谐波进行处理，以有效解决用电企业在实际用电过程中的谐波和无功消耗问题，保证电网无功功率供需平衡，改善供电质量，减少电能损耗。该滤波器控制系统控制的整个滤波器装置属于无源滤波器，应用于0.4KV电压等级的谐波源和无功消耗大户，如住宅小区、办公大楼以及大型整流装置等。
　　论文主要介绍了滤波器控制系统的硬件和软件设计两方面的工作：
　　在硬件设计方面，论文设计了基于CAN总线的晶闸管投切滤波器控制系统的硬件结构。该滤波器控制系统由主控制器、触发保护器、过零投切板和监控上位机四部分构成。其中，为增强可靠性、抗干扰性以及方便日后多级扩展延用，主控制器、触发保护器和监控上位机采用CAN总线互联以实现相互通信；而触发保护器与过零投切板直连，控制过零投切板在电压电流过零点投切相应的并联补偿电容器。论文完成了主控制器、触发保护器、过零投切板的硬件电路设计。
　　在软件设计方面，论文完成主控制器和触发保护器的采样数据处理与计算、主控制器的投切控制逻辑、过零投切板的过零检测、CAN总线通信以及上位机监控等几个关键的嵌入式软件的设计。采样数据处理与计算采用了FFT的方法，计算基波、各次谐波、有功、无功等；投切控制逻辑基于实际客户需求而定，将谐波抑制在国家标准范围内，同时进行无功补偿，将功率因数控制达标，而且投切快速、精确、无振荡；过零检测算法也是基于FFT的方法，实现了快速的过零点检测，避免了通常采用的过零点检测硬件电路经常出现的误触发以及硬件成本高的问题。
　　通过在工厂变电处的实地测试以及长时间监控运行，表明本论文设计的滤波器控制系统可以有效降低工厂日用电流入电网的谐波，实现谐波电流和无功电流的就地补偿，可达到国家电力部门的标准。论文还在在实验室环境下对过零投切效果和过零投切冲击涌流进行详细的测试和分析。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 前言

1.2 谐波问题及谐波抑制

1.2.1、谐波的危害

1.2.2、谐波的抑制

1.2.3、谐波研究的意义及相关标准

1.3 无功功率及无功补偿

1.4 谐波抑制和无功补偿的关系

1.5 国内外研究发展现状与趋势

1.5.1、无功补偿装置

1.5.2、谐波抑制与无功补偿的结合

1.6 论文的主要工作及内容安排

1.6.1、论文的主要工作

1.6.2、论文的内容安排

第二章 无功功率与谐波计算的理论基础

2.1、瞬时无功功率理论

2.1.1、基于ip-iq的瞬时无功功率的基本原理

2.1.2、瞬时无功功率的计算过程

2.1.3、瞬时无功功率的缺点

2.2、广义瞬时无功功率理论

2.2.1、广义瞬时无功功率的计算原理

2.2.2、广义imp-ipm法

2.2.3、广义瞬时无功功率的缺点

2.3、无锁相环的任意次谐波检测算法

2.4、采用FFT计算无功功率与谐波

2.5、本章小结

第三章 滤波器控制系统的硬件设计

3.1、系统硬件结构

3.2、整个滤波器装置设计时需要考虑的设计准则

3.3、主控制器的设计

3.3.1、DSP部分

3.3.2、电压-电流采样部分

3.3.3、显示部分

3.3.4、按键部分

3.3.5、电源部分：

3.3.6、JTAG接口

3.4、触发保护器

3.4.1、电压一电流采样部分

3.4.2、DSP及其余部分

3.5、过零投切板

4.4.1、主控芯片

4.4.2、电源部分

4.4.3、霍尔采样部分

4.4.4、晶闸管电路

3.6、CAN总线通信

3.6、本章小结

第四章 滤波器控制系统的软件设计

4.1、采样数据处理与计算

4.1.1、三相电流、电压

4.1.2、电网频率、功率因数

4.1.3、功率

4.2、主控制器投切逻辑的设计

4.2.1、手动投切

4.2.2、自动投切

4.2.3、手动投切与自动投切之间的切换

4.3、过零检测软件的设计

4.3.1、电网电压频率检测

4.3.2、峰值点捕捉

4.3.3、峰值点修正

4.4、CAN总线通信软件的设计：

4.4.1、CAN控制器eCAN初始化

4.4.2、数据发送和接收

4.5、上位机监控软件的设计

4.6、本章小结

第五章 滤波器控制系统的现场测试及分析

5.1、整机实物

5.2、谐波抑制及无功补偿效果的测试与结果分析

5.2.1、测试数据(谐波电压、电流)

5.2.2、测试结果分析

5.3、过零投切效果的测试与结果分析

5.4、过零投切冲击涌流的测试与结果分析

5.4.1、三相无谐波情况下投切电容器冲击

5.4.2、三相电压畸变率5.2％谐波情况下投切电容器冲击

5.4.3、三相电压畸变9.8％谐波情况下投切电容器冲击

5.4.4、测试结果分析

5.5、测试结论

第六章 总结与展望

6.1、总结

6.2、展望

致谢

参考文献

附录：