有源電力濾波器控制器的研制及其應(yīng)用畢業(yè)論文

1、碩士學(xué)位論文有源電力濾波器控制器的研制及其應(yīng)用research and application of controller in active power filterbyzhao te b.e.(hunan university)2004a thesis submitted in partial satisfaction of the requirements for the degree of master of engineeringin system engineering in thegraduate school ofhunan universitysupervisorprofes

2、sor luo anapril, 2007湖南大學(xué)學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨立進(jìn)行研究所取得的研究成果。 除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。 作者簽名：日期： 年 月 日學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)湖南大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行

3、檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。本學(xué)位論文屬于保密 ，在 年解密后適用本授權(quán)書。2不保密。 (請在以上相應(yīng)方框內(nèi)打”)作者簽名： 日期： 年 月 日導(dǎo)師簽名： 日期： 年 月 日摘 要有源濾波裝置在消除電網(wǎng)諧波方面具有獨特的優(yōu)勢，因而得到了廣泛的應(yīng)用。本論文以某銅箔廠的諧波治理為背景，以并聯(lián)混合型有源濾波器（hapf）的工程實現(xiàn)為主線，研究內(nèi)容包括有源電力濾波器控制器的硬件設(shè)計、諧波檢測算法、控制器系統(tǒng)軟件設(shè)計以及主電路參數(shù)設(shè)計。同時，該裝置的研制成功也將為有源濾波器在國內(nèi)的早日普及應(yīng)用奠定理論和技術(shù)基礎(chǔ)，為高壓、大中等功率混合型有源濾波器的工程應(yīng)用積累經(jīng)驗。本文

4、在有源電力濾波器控制器國內(nèi)外研究的基礎(chǔ)上，提出了一種基于數(shù)字信號處理器（dsp）的控制器硬件結(jié)構(gòu)，并對控制器的實時性、可靠性和兼容性作了詳細(xì)的分析。為滿足智能功率模塊（ipm）對死區(qū)時間的要求，在對電路仿真分析的前提下，論文在控制器硬件中設(shè)計了獨立的硬件死區(qū)延時電路。諧波檢測是有源濾波器的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，而其中的計算延時和許多諧波檢測方法中的低通濾波都會對有源濾波器控制和系統(tǒng)性能造成很大的影響。本文提出了一種基于離散傅立葉變換的滑窗迭代檢測算法，該算法能簡化計算，實時有效的檢測出諧波參考指令電流。論文從頻域濾波器的角度在理論上證明了該算法的可行性和有效性?？刂破鞯南到y(tǒng)軟件設(shè)計分為液晶顯示菜單程序

5、和控制程序。液晶菜單實現(xiàn)了實時電壓電流波形顯示、頻譜和控制參數(shù)顯示；控制程序?qū)崿F(xiàn)了信號采樣分析、pwm脈沖調(diào)制和觸發(fā)、控制參數(shù)的在線修改等功能。論文詳細(xì)闡述了程序設(shè)計思想和實現(xiàn)過程。論文結(jié)合有源電力濾波器控制器在江西某銅箔廠的應(yīng)用實例，詳細(xì)說明了系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、主電路設(shè)計、元件參數(shù)設(shè)計和輸出濾波器設(shè)計，并給出了現(xiàn)場應(yīng)用效果。關(guān)鍵詞：有源電力濾波器，dsp，諧波檢測，滑窗迭代abstractapf (active power filer) has been extensively applied in harmonic eliminating of power network. taking th

6、e 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 of

7、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 an

8、d 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.harmo

9、nic 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 calcu

10、lation 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 prog

11、ram 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 pr

12、ogram 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 effectivene

13、ss.keywords: active power filter, digital signal processing, harmonic detection, sliding-window fourier.目 錄學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明和學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書i摘 要iiabstractiii第1章 緒 論11.1 電力系統(tǒng)諧波11.1.1 電力系統(tǒng)諧波產(chǎn)生的原因11.1.2 電力系統(tǒng)諧波危害21.1.3 電力系統(tǒng)諧波研究現(xiàn)狀41.2 電力系統(tǒng)諧波治理方法51.3 有源電力濾波器的發(fā)展現(xiàn)狀61.4 有源電力濾波器控制器的技術(shù)特點91.5 本文的研究背景及主要內(nèi)容11第2章 有源電力濾波器控制器硬件

14、研制122.1 基于dsp的控制器系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)122.1.1 主處理器模塊介紹122.1.2 采樣電路模塊的設(shè)計162.1.3硬件倍頻電路模塊的設(shè)計172.1.4 串行通信接口電路的設(shè)計192.1.5 脈沖觸發(fā)電路及ipm模塊驅(qū)動電路設(shè)計192.1.6 液晶顯示和矩陣鍵盤電路設(shè)計222.2 基于dsp的控制器pcb制板注意事項232.3 本章小結(jié)24第3章 諧波實時電流檢測方法及dsp實現(xiàn)253.1 常用諧波檢測算法253.2簡化的dft滑窗迭代算法273.2.1傅立葉變換基礎(chǔ)273.2.2 dft頻域濾波器原理分析283.2.3 dft滑窗迭代算法時域?qū)崿F(xiàn)313.2.4 dft滑窗迭代算法的

15、軟件實現(xiàn)333.3 本章小結(jié)36第4章 有源電力濾波控制器系統(tǒng)軟件設(shè)計374.1 系統(tǒng)軟件開發(fā)環(huán)境及前期數(shù)據(jù)格式設(shè)計374.1.1 dsp開發(fā)環(huán)境程序開發(fā)流程374.1.2 數(shù)據(jù)格式的設(shè)定384.2 監(jiān)控模塊軟件設(shè)計394.2.1 鍵盤控制程序設(shè)計404.2.2 液晶顯示菜單程序設(shè)計414.2.3 液晶菜單界面模塊設(shè)計444.3 pwm信號調(diào)制程序設(shè)計474.4 pi控制程序設(shè)計514.5 主程序及中斷程序的設(shè)計524.6 本章小結(jié)55第5章 有源電力濾波器的工程應(yīng)用565.1 工程項目的背景介紹565.2 工程項目方案設(shè)計575.2.1 串聯(lián)諧振注入式hapf補(bǔ)償方案介紹585.2.2 無源

16、支路參數(shù)和容量設(shè)計595.2.3 輸出濾波器和耦合變壓器設(shè)計615.2.4 逆變電路的設(shè)計635.3 串聯(lián)諧振注入式hapf的工程應(yīng)用645.3.1 高壓開關(guān)柜、無源支路和隔離變壓器655.3.2 有源逆變屏及有源逆變控制器655.3.3 有源輸出屏665.3.4 現(xiàn)場應(yīng)用效果665.4 本章小結(jié)67總結(jié)與展望68參考文獻(xiàn)70附錄a 攻讀學(xué)位期間獲得的研究成果75附錄b 控制系統(tǒng)原理圖76附錄c s1d1335內(nèi)置字符代碼表84致 謝85第1章 緒 論隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，一方面企業(yè)對用電質(zhì)量要求越來越高，另一方面電力電子裝置的大量應(yīng)用，工業(yè)電網(wǎng)中非線性負(fù)載越來越多，嚴(yán)重影響了工業(yè)用電的質(zhì)量，這

17、二者形成嚴(yán)重的矛盾，使得諧波問題引起人們越來越多的關(guān)注。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，諧波抑制技術(shù)也取得了一些突破性的進(jìn)展。本章首先介紹了電力系統(tǒng)諧波，簡要敘述了諧波抑制的主要方法，介紹了有源濾波器的發(fā)展?fàn)顩r并就有源電力濾波器的控制器的一些技術(shù)性能作一些說明，最后介紹了論文的研究背景和主要內(nèi)容。1.1 電力系統(tǒng)諧波目前，世界各國電力工業(yè)中，幾乎都是采用正弦供電方式。在理想的電力系統(tǒng)中，電源以單一恒定頻率（50hz或60hz）的正弦變化規(guī)律向電網(wǎng)供電，系統(tǒng)中各點的電流、電壓都是以單一恒定的供電頻率隨時間按正弦規(guī)律變化的量。一般來說，一個實際的電力系統(tǒng)基本上能滿足理想電力系統(tǒng)的條件。但隨著技術(shù)的發(fā)展，電

18、力系統(tǒng)中的非線性負(fù)載的比重不斷增加，理想電力系統(tǒng)的近似程度變差，直接表現(xiàn)是電力系統(tǒng)中的電流和電壓波形產(chǎn)生畸變。從頻域的觀點，在這些電流和電壓的波形中，不僅包含與供電電源同頻率的正弦量（稱為基波分量），而且出現(xiàn)一系列頻率為基波頻率整倍數(shù)的正弦波分量（稱為高次諧波分量），這一系列正弦分量統(tǒng)稱為電力諧波。在ieee標(biāo)準(zhǔn)519-1981中諧波定義為：“諧波為一周期波或量的正弦波分量，其頻率為基波頻率的整數(shù)倍”。在國際電工標(biāo)準(zhǔn)（iec555-2）與國際大電網(wǎng)會議(cigre)的文獻(xiàn)中定義：“諧波分量為周期量的傅立葉級數(shù)中大于1的h次分量”。1.1.1 電力系統(tǒng)諧波產(chǎn)生的原因在早期的電網(wǎng)中，電力傳輸線路中

19、諧波含量并不高，可以忽略不計，但是隨著科技的進(jìn)步，現(xiàn)代電網(wǎng)中諧波的含量比例越來越高。電網(wǎng)諧波主要來自于3個方面：一是電源質(zhì)量不高產(chǎn)生諧波；二是輸配電系統(tǒng)產(chǎn)生諧波；三是用電設(shè)備產(chǎn)生的諧波。其中用電設(shè)備產(chǎn)生的諧波最多。發(fā)電機(jī)由于三相繞組在制作上很難做到絕對對稱，鐵心也很難做到絕對均勻一致和其他一些原因，發(fā)電機(jī)也會產(chǎn)生一些諧波，但一般來說很少。這種諧波電動勢的頻率和幅值只取決于發(fā)電機(jī)本身的結(jié)構(gòu)和工作情況，基本與外接負(fù)載無關(guān)，可以看作諧波電壓源。輸配電系統(tǒng)中主要是電力變壓器產(chǎn)生諧波，由于變壓器鐵心的飽和，磁化曲線的非線性，加上設(shè)計變壓器時考慮經(jīng)濟(jì)性，其工作磁密選擇在磁化曲線的近飽和段上，這樣就使得磁化

20、電流呈尖頂波形，因而含有奇次諧波。它的大小與磁路的結(jié)構(gòu)形式、鐵心的飽和程度有關(guān)。鐵心的飽和程度越高，變壓器工作點偏離線性越遠(yuǎn)，諧波電流也就越大，其中3次諧波電流可達(dá)額定電流的0.5%。用電設(shè)備產(chǎn)生的諧波是由與電力系統(tǒng)相連的各種非線性負(fù)載產(chǎn)生的1。這些非線性負(fù)載主要是整流器、交流調(diào)壓電路以及頻率變換器等電力電子裝置，由于這些電力電子裝置都為可變結(jié)構(gòu)非線性電力負(fù)荷，工作于非線性狀態(tài)，在高效利用電能的同時也向電網(wǎng)注入大量的非線性電流，給公共電網(wǎng)的電能質(zhì)量帶來了隱患。另外，工業(yè)用的電弧爐、電石爐也是個比較大的諧波源，由于加熱原料時電爐的三相電極很難同時接觸到高低不平的爐料，使得燃燒不穩(wěn)定，引起三相負(fù)荷

21、不平衡，產(chǎn)生諧波電流，經(jīng)變壓器注入電網(wǎng)。其中主要是2次諧波和7次諧波。 除此以外 ,其它像電視機(jī)、電池充電器等裝置也會產(chǎn)生諧波。雖然單個裝置的功耗不大 ,但由于數(shù)量很多 ,因此它們給供電系統(tǒng)注入的諧波分量也不容忽視。1.1.2 電力系統(tǒng)諧波危害諧波電流和諧波電壓的出現(xiàn)，對公用電網(wǎng)時一種污染。在電力電子設(shè)備廣泛應(yīng)用以前，人們對諧波及其危害就進(jìn)行過一些研究，并有一定認(rèn)識，但那時諧波污染還不嚴(yán)重，沒有引起足夠的重視。近幾十年來，各種電力電子設(shè)備的迅速普及和廣泛應(yīng)用使諧波污染日趨嚴(yán)重，由諧波引起的各種事故不斷發(fā)生，如：廣西蘋果鋁廠1996年6月因諧波超標(biāo)，導(dǎo)致電容器爆炸，損壞高壓開關(guān)和主變壓器，造成大

22、面積停電；湖南漣鋼1998年7月，因5次諧波超標(biāo)，導(dǎo)致豹南山110kv變電站停電16小時；由于電氣化鐵路產(chǎn)生的負(fù)序電流和諧波電流的影響，鄭州電網(wǎng)繼電保護(hù)誤動，致使京廣線中斷數(shù)小時。因此，諧波的危害的嚴(yán)重性才引起人們的高度重視。大體上說，諧波危害主要表現(xiàn)在以下幾個方面1-89-14：（1）電力電容器引起的諧波放大。由于電容器的容抗與頻率成反比，因此在諧波電壓作用下的容抗要比在基波電壓作用下的容抗小得多，從而使諧波電流的波形畸變更比諧波電壓的波形畸變大得多，即便電壓中諧波所占的比例不大，也會產(chǎn)生顯著的諧波電流。特別是在發(fā)生諧振的情況下，很小的諧波電壓就可引起很大的諧波電流，導(dǎo)致電容器因過流而損壞。

23、（2）增加旋轉(zhuǎn)電機(jī)的損耗。諧波電壓或電流會在電機(jī)的定子繞組、轉(zhuǎn)子回路以及定子和轉(zhuǎn)子鐵芯中引起附加損耗。由于渦流和集膚效應(yīng)的關(guān)系，定子和轉(zhuǎn)子導(dǎo)體內(nèi)的這些附加損耗要比直流電阻引起的損耗大。另外，諧波電流還會增大電機(jī)的噪音和產(chǎn)生脈動轉(zhuǎn)矩。（3）增加輸電線的損耗，縮短輸電線壽命。諧波電流一方面在輸電線路上產(chǎn)生諧波壓降，另一方面增加了輸電線路上的電流有效值，從而引起附加輸電損耗。在電纜輸電的情況下，諧波電壓以正比于其幅值電壓的形式增強(qiáng)了介質(zhì)的電場強(qiáng)度，這影響了電纜的使用壽命，據(jù)有關(guān)資料介紹，諧波的影響將使電纜的使用壽命平均下降約60。（4）增加變壓器的損耗。變壓器在高次諧波電壓的作用下，將產(chǎn)生集膚效應(yīng)和

24、鄰近效應(yīng)，在繞組中引起附加銅耗，同時也使鐵耗相應(yīng)增加。另外，3的倍數(shù)次零序電流會在三角形接法的繞組內(nèi)產(chǎn)生環(huán)流，這一額外的環(huán)流可能會使繞組電流超過額定值。對于帶不對稱負(fù)載的變壓器來說，如果負(fù)載電流中含有直流分量，會引起變壓器的磁路飽和，從而會大大增加交流激磁電流的諧波分量。（5）造成繼電保護(hù)、自動裝置工作紊亂。諧波能夠改變保護(hù)繼電器的動作特性，這與繼電器的設(shè)計特點和原理有關(guān)。當(dāng)有諧波畸變時，依靠采樣數(shù)據(jù)或過零工作的數(shù)字繼電器容易產(chǎn)生誤差。諧波對過電流、欠電壓、距離、周波等繼電器均會起拒動和誤動的影響，保護(hù)裝置失靈和動作不穩(wěn)定。零序三次諧波電流過大，可能引起接地保護(hù)誤動作。（6）引起電力測量的誤差

25、。測量儀表是在純正弦波情況下進(jìn)行校驗的，如果供電的波形發(fā)生畸變，儀表則容易產(chǎn)生誤差。比如，感應(yīng)式電能表對設(shè)計參數(shù)以外的頻率的響應(yīng)不靈敏，頻率越高，誤差越大，而且為負(fù)誤差，當(dāng)頻率約為1000時，電度表將會停止轉(zhuǎn)動。（7）干擾通訊系統(tǒng)。供電系統(tǒng)中的靜止變流器在換相期間電流波形發(fā)生急劇變化，該換相電流會在正常供電電壓中注入一個脈沖電壓，該脈沖電壓所包含的諧波頻率較高，甚至達(dá)到1，因而會引起電磁干擾，對通信線路、通信設(shè)備會產(chǎn)生很大的影響。比如電力載波通信、遠(yuǎn)動裝置信號以及與架空線平行的通訊線路，諧波的影響都很大。（8）延緩電弧熄滅。在超高壓長距離輸電線路上，較大的諧波電流會使?jié)摴╇娀∠缪泳?，?dǎo)致單相

26、重合閘失敗，擴(kuò)大事故。在消弧線圈接地系統(tǒng)中較大的諧波分量同樣會延遲或阻礙消弧線圈的滅弧作用。諧波分量還會使電流過零時的值過大，導(dǎo)致斷路器斷弧困難，影響斷流能力。（9）對其它設(shè)備的影響。諧波還會對下列設(shè)備產(chǎn)生影響：導(dǎo)致功率開關(guān)器件控制裝置誤動作；導(dǎo)致功率開關(guān)器件故障而損壞；使日光燈的鎮(zhèn)流器及補(bǔ)償用電容器過熱和損壞；對計算機(jī)產(chǎn)生干擾；影響互感器的測量精度；使熔斷器在沒有超過整定值時就熔斷；影響功率處理器的正常運(yùn)行；影響電視機(jī)的畫面質(zhì)量；影響電子顯微鏡的清晰度；影響其它換流設(shè)備或其它任何由電壓過零所控制的設(shè)備的同步。1.1.3 電力系統(tǒng)諧波研究現(xiàn)狀 電力系統(tǒng)諧波是由于波形畸變產(chǎn)生的，從交流電出現(xiàn)、應(yīng)

27、用發(fā)展到現(xiàn)在，如何將波形畸變限制在一定的范圍內(nèi)一直是電力工程師關(guān)心的問題。在20世紀(jì)20年代和30年代的德國，研究者由靜止變流器引起的波形畸變提出了電力系統(tǒng)諧波的概念。當(dāng)時最有影響的是rissik h.所著的the mercury arc current converter15，另一篇有關(guān)靜止變流器產(chǎn)生諧波的經(jīng)典論文是read j. c.在1945年發(fā)表的the calculation of rectifier and converter performance characteristics16，至今仍被研究者廣泛引用。50年代和60年代在高壓直流輸電方面推進(jìn)了變流器諧波的研究。在這一時期發(fā)

28、表了大量的論文。kimbark e. w.在其著作direct current transmission17中對此進(jìn)行了總結(jié)，該書包括了電力系統(tǒng)諧波方面60篇以上的參考文獻(xiàn)。70年代以后，國際上召開了多次有關(guān)諧波問題的學(xué)術(shù)會議，其中從1984年開始，每兩年召開一次的電力系統(tǒng)諧波國際會議（ichps）極大地推動了諧波領(lǐng)域的研究和交流，不少國家和國際學(xué)術(shù)組織都制定了限制電力系統(tǒng)諧波和用電設(shè)備諧波的標(biāo)淮和規(guī)定，同時對諧波治理問題的研究也蓬勃發(fā)展起來。我國對電力系統(tǒng)諧波問題的研究起步較晚。吳競昌等在1988年出版的電力系統(tǒng)諧波1一書是我國有關(guān)諧波問題早期較有影響的著作。隨后，許克明等也于1991年出版

29、了電力系統(tǒng)高次諧波18，張一中等1992年出版了電力諧波2，夏道止等1994年出版了高壓直流輸電系統(tǒng)的諧波分析及濾波3，林海雪等1998年出版了電力網(wǎng)中的諧波4，這些著作都對人們認(rèn)識和研究諧波作出了很大的貢獻(xiàn)。此外，唐統(tǒng)一等和容健綱等分別于1991年和1994年獨立翻譯了arrilaga j.等的電力系統(tǒng)諧波56，也在國內(nèi)有較大的影響。1998年，王兆安等出版的諧波抑制和無功功率補(bǔ)償12是國內(nèi)迄今為止較為全面的介紹諧波分析和治理方法的著作，特別是其中關(guān)于有源濾波器的分析和闡述，被國內(nèi)許多研究者廣泛引用和參考。近些年來，國內(nèi)期刊和有關(guān)會議上發(fā)表的諧波相關(guān)問題的研究論文也非常多，諧波問題已經(jīng)成為研

30、究熱點。因此可以說，我國對諧波問題的研究起步于80年代，在整個90年代有了長足的發(fā)展，與國外研究水平的差距正在不斷減小。另外，諧波標(biāo)準(zhǔn)做為電力系統(tǒng)諧波的一個分支也在蓬勃的發(fā)展之中。美國海軍早在20世紀(jì)70年代就發(fā)現(xiàn)諧波影響并第一個制訂了諧波限制標(biāo)準(zhǔn)us mil-std-461，目前仍然被美國軍方廣泛使用。1982年國際電工委員會iec（international electro-technical commission 簡寫為iec）第一次指定了通用電器設(shè)備產(chǎn)生諧波的限制標(biāo)準(zhǔn)，即iec-55，并在其后的執(zhí)行過程中修訂完善，目前已經(jīng)被世界許多國家承認(rèn)和接受，在歐、美等發(fā)達(dá)國家已經(jīng)成為強(qiáng)行執(zhí)行的標(biāo)

31、準(zhǔn)。1993年美國電氣與工程協(xié)會（ieee）進(jìn)一步完善了iec-55標(biāo)準(zhǔn)，并在其基礎(chǔ)上補(bǔ)充了對高壓、大功率用電負(fù)荷產(chǎn)生諧波的限制標(biāo)準(zhǔn)，這就是ieee/ansi standard 519諧波限制標(biāo)準(zhǔn)。我國原水利電力部于1984年根據(jù)原國家經(jīng)濟(jì)委員會批轉(zhuǎn)的全國供電用電規(guī)則的規(guī)定，制定并發(fā)布了sd126-84電力系統(tǒng)諧波管理暫行規(guī)定19。國家技術(shù)監(jiān)督局于1993年又發(fā)布了中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)gb/t14549-93電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波20，從1994年3月1日開始實施。該標(biāo)準(zhǔn)對50hz、110kv及以下的公用電網(wǎng)各次諧波電壓極其供電的電力用戶注入的諧波電流作了明確的規(guī)定。對220kv以上的電網(wǎng)及

32、其供電用戶，以110kv電網(wǎng)的規(guī)定作為參考標(biāo)準(zhǔn)，或者以保證220kv下一級電網(wǎng)符合標(biāo)準(zhǔn)的要求為依據(jù)。該標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定了諧波測量和測量數(shù)據(jù)處理以及確定諧波水平的方法21,22。1998年，為了進(jìn)一步限制電網(wǎng)諧波，我國頒發(fā)了gb17625.1-1998低壓電氣及電子設(shè)備發(fā)出的諧波電流限制（設(shè)備每相電流小于16a），即iec 6100-3-2標(biāo)準(zhǔn)，對低壓電氣以及電子設(shè)備發(fā)出的諧波電流進(jìn)行了限制。1.2 電力系統(tǒng)諧波治理方法諧波治理的措施主要有三種：一是受端治理，即從受到諧波影響的設(shè)備或系統(tǒng)出發(fā)，提高它們抗諧波干擾能力；二是主動治理，即從諧波源本身出發(fā)，使諧波源不產(chǎn)生諧波或降低諧波源產(chǎn)生的諧波；三是被動治

33、理，即外加濾波器，吸收諧波源產(chǎn)生的注入電網(wǎng)的諧波，或者阻礙電力系統(tǒng)的諧波流入負(fù)載端。受端治理的措施主要有以下幾種：（1）選擇合理的供電方式。將諧波源由較大容量的供電點或由高一級電壓的電網(wǎng)供電，可以減小諧波對系統(tǒng)和其它用電設(shè)備的影響，這必須在電網(wǎng)規(guī)劃和設(shè)計階段考慮。（2）避免電容器對諧波的放大。改變電容器的串聯(lián)電抗器，或?qū)㈦娙萜鹘M的某些支路改為濾波器，或限定電容器組的投入容量，可以有效地減小電容器對諧波的放大并保證電容器組的安全運(yùn)行。（3）提高設(shè)備抗諧波干擾能力。改進(jìn)設(shè)備性能，使其在諧波環(huán)境中能夠正常工作，當(dāng)然這是有一定限度的，諧波較大時設(shè)備仍將受到嚴(yán)重影響。（4）改善諧波保護(hù)性能。對諧波敏感設(shè)

34、備采用靈敏的諧波保護(hù)裝置，這能夠保證在諧波超標(biāo)情況下，設(shè)備不致于損壞，但不能保障設(shè)備的正常工作。主動治理諧波的措施主要有以下幾種：（1）增加變流裝置的相數(shù)或脈沖數(shù)。改造變流裝置或利用相互間有一定移相角的換流變壓器，可有效減小諧波含量，其中包括多脈整流和準(zhǔn)多脈整流技術(shù)2324，但是裝置更加復(fù)雜。（2）改變諧波源的配置或工作方式。具有諧波互補(bǔ)性的裝置應(yīng)集中，否則應(yīng)適當(dāng)分散或交替使用，適當(dāng)限制會大量產(chǎn)生諧波的工作方式。（3）采用多重化技術(shù)。將多個變流器聯(lián)合起來使用，用多重化技術(shù)將多個方波疊加，以消除頻率較低的諧波，得到接近正弦波的階梯波，但裝置復(fù)雜，成本較高。（4）諧波疊加注入。利用三次倍數(shù)的諧波和

35、外部的三次倍數(shù)的諧波源，把諧波電流加到產(chǎn)生的矩形波形上3233，可用于降低給定的運(yùn)行點處的某些諧波。缺點是必須保證三次倍數(shù)的諧波源與系統(tǒng)的同步，且諧波發(fā)生器的功率消耗常常高達(dá)整流器直流功率的10。（5）采用pwm技術(shù)。采用脈寬調(diào)制pwm（pulse width modulation）技術(shù)，使得變流器產(chǎn)生的諧波頻率較高、幅值較小，波形接近正弦波，只適用于自關(guān)斷器件構(gòu)成的變流器。（6）設(shè)計或采用高功率因數(shù)變流器。比如采用矩陣式變頻器、四象限變流器等，可以使變流器產(chǎn)生的諧波非常少，且功率因數(shù)可控制為1。被動治理諧波的措施主要有以下幾種：（1）采用無源濾波器pf（passive filter）。在諧波

36、源附近或公用電網(wǎng)節(jié)點裝設(shè)單調(diào)諧及高通濾波器，可以吸收諧波電流，同時還可以進(jìn)行無功功率補(bǔ)償，運(yùn)行維護(hù)也簡單。（2）采用有源濾波器apf（active power filter）。在諧波源附近和公用電網(wǎng)節(jié)點裝設(shè)并聯(lián)型或串聯(lián)型apf，可以有效地起到補(bǔ)償或隔離諧波的作用，并聯(lián)型還可以進(jìn)行無功功率補(bǔ)償，但裝置造價較高。（3）采用混合型有源濾波器hapf（hybrid active power filter）。hapf兼具pf成本低廉和apf性能優(yōu)越的優(yōu)點，屬于apf的分支和發(fā)展。hapf的種類很多，大致可分為與pf的混合、與其它變流器的混合等兩類。1.3 有源電力濾波器的發(fā)展現(xiàn)狀 有源電力濾波器的基本工

37、作原理是由hsasaki和hmachida于1971年首先提出的25。他們首次提出了有源濾波器的原始結(jié)構(gòu)模型，并建立了有源濾波器的基本理論。有源電力濾波器向電網(wǎng)注入一個與負(fù)載諧波電流幅值相等、相位相反的電流，從而抵消了電網(wǎng)中的諧波電流。但由于當(dāng)時是采用線性放大的方法產(chǎn)生小補(bǔ)償電流，其損耗大，成本高，因而僅在實驗室研究，未能在工業(yè)中實用。1976年，lgyugyi和ecstyaula提出了用pwm逆變器構(gòu)成的有源電力濾波器26。這些采用pwm逆變器構(gòu)成的有源電力濾波電路現(xiàn)已成為有源電力濾波器的基本結(jié)構(gòu)。20世紀(jì)80年代，隨著電力電子技術(shù)和pwm控制技術(shù)的發(fā)展，對有源電力濾波器的研究逐漸活躍起來，

38、成為電力電子技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點之一。1983年赤木泰文等人提出的“三相電路瞬時無功功率理論”27極大的推動了有源電力濾波器的發(fā)展及其工程應(yīng)用。在國外，有源電力濾波器已開始在工業(yè)和民用設(shè)備上得到廣泛使用，并且諧波補(bǔ)償?shù)拇螖?shù)逐步提高，有的可以高達(dá)25次諧波；單機(jī)裝置的容量逐步提高。如在日本和美國，應(yīng)用領(lǐng)域可以接受的apf的容量已增加到50mva，其應(yīng)用領(lǐng)域從補(bǔ)償用戶自身的諧波向改善整個電力系統(tǒng)供電質(zhì)量的方向發(fā)展。我國在有源電力濾波器的應(yīng)用研究方面，繼日本、美國、德國等之后，得到學(xué)術(shù)界和企業(yè)界的充分重視，并投入了大量的人力和物力，到目前為止，國內(nèi)對有源電力濾波器的研究基本上都局限于仿真研究和小型試驗

39、裝置，工程實踐應(yīng)用僅僅也只是小功率的應(yīng)用28,29，而正式投入電網(wǎng)運(yùn)行的幾乎為零30，只有幾臺類似產(chǎn)品投入工業(yè)試運(yùn)行，如華北電力試驗研究所、冶金部自動化研究院和北京供電公司聯(lián)合開發(fā)、研究的有源高次諧波抑制裝置于1992年在北京木材廠中心變電站投入工業(yè)運(yùn)行，該裝置采用了三個單相全控橋逆變器（功率開關(guān)為gtr），用于低壓電網(wǎng)單個諧波源的諧波補(bǔ)償，裝置容量小,且只能補(bǔ)償幾個特定次數(shù)的諧波（5、7、11、13次）,調(diào)制載波的頻率（3.3khz）不高；河南電力局與清華大學(xué)聯(lián)合開發(fā)的200mva靜止無功發(fā)生器（包含有源諧波器）在鄭州孟砦變電站進(jìn)行300kva中間工業(yè)樣機(jī)試運(yùn)行，該樣機(jī)主電路由18脈沖電壓逆

40、變器、直流儲能電容器、9臺曲折繞組變壓器及系統(tǒng)的連接變壓器組成，18脈沖逆變器分為3個6單相脈沖電壓逆變器（功率開關(guān)為gto），系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尺寸龐大，功耗大，價值昂貴，很難推廣應(yīng)用；華南理工大學(xué)研制了混合型有源電力濾波器用于牽引變電站的諧波治理，該裝置在減小濾波器有源部分容量和技術(shù)實現(xiàn)上有一定的改進(jìn)，但其濾波效果和隔離基波電壓的無源網(wǎng)絡(luò)阻抗存在矛盾，也就是說，無源網(wǎng)絡(luò)的阻抗大，則有源部分的容量小但系統(tǒng)濾波效果不好，無源網(wǎng)絡(luò)的阻抗小，則濾波效果好但有源部分的容量大；西安交通大學(xué)提出了四重化變流器作為大容量有源電力濾波器主電路的方法，該方法有效地解決了大容量和開關(guān)頻率的矛盾，但該方法的成本高、技

41、術(shù)實現(xiàn)難度大，且未見有實際應(yīng)用的報道?？偟膩碚f，國內(nèi)有源電力濾波器的應(yīng)用技術(shù)和電子工業(yè)發(fā)達(dá)的國家相比有一定的差距。最早的有源電力濾波器是單獨使用的并聯(lián)型有源電力濾波器，經(jīng)過多年的發(fā)展，為了盡量發(fā)揮有源電力濾波器的特長，提高其性能并盡量降低其容量，結(jié)合無源電力濾波器的特點發(fā)展成了串聯(lián)混合型有源電力濾波器、并聯(lián)混合型有源電力濾波器等等，為了適應(yīng)不同的補(bǔ)償對象，發(fā)展了各種各樣的有源濾波器形式。根據(jù)有源濾波器和電網(wǎng)的連接方式，apf可以分為并聯(lián)型和串聯(lián)型兩大類。1986年akagi h.提出了并聯(lián)型apf單獨使用方式27，它是最早期的有源濾波裝置。圖1.1 單獨使用的并聯(lián)型apf這種方式的主電路結(jié)構(gòu)簡

42、單，但由于逆變器直接承受基波電壓，所以其成本高且不適合高電壓系統(tǒng)的補(bǔ)償。為降低成本、減小逆變器的容量和適應(yīng)高電壓的要求，人們利用pf的成本低的優(yōu)點，提出了各種apf與pf混合使用方式。1987年takeda m.等人提出用并聯(lián)型apf和并聯(lián) pf相結(jié)合的混合型apf31。圖1.2 并聯(lián)型apf并聯(lián)pf的hapf該方式利用無源部分濾除了大部分的諧波，所以其有源部分的諧波容量較小，且pf能夠提供一定的無功功率，但逆變器仍然直接承受了基波電壓，所以功率開關(guān)器件的耐壓等級并沒有降低。1990年fujita h.等人提出將apf與pf相串聯(lián)后與電網(wǎng)并聯(lián)的混合型方案32。圖1.3 apf與pf串聯(lián)后并聯(lián)接

43、入電網(wǎng)的hapf這種方式利用無源部分承受了大部分的基波電壓，所以逆變器承受的基波電壓小，適合于高電壓系統(tǒng)的應(yīng)用。但由于流過無源部分的基波電流都流入逆變器，所以不能利用pf提供大容量的無功功率。利用無源元件lc的串、并聯(lián)諧振特性，人們提出了注入式apf的結(jié)構(gòu)33,34。將lc對基波串聯(lián)諧振電路作為有源部分的注入電路，能夠大大降低apf承受的基波電壓和容量，且可以利用無源元件提供無功功率，但其諧波容量相對較大，而且所能提供的無功容量有限。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，全控型功率開關(guān)器件（如可關(guān)斷晶閘管gto和絕緣柵雙極性晶體管igbt）的電壓和電流額定值不斷提高，成本不斷降低，人們從雙或多逆變器的方向提

44、出了各種apf的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，來滿足工業(yè)應(yīng)用的要求。1994年，akagi h.等提出一種將串聯(lián)型apf和并聯(lián)型apf進(jìn)行混合的方式，也稱為統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器（unified power quality conditioner，upqc）35。圖1.4 并聯(lián)型apf串聯(lián)型apf的hapf這種方式從理論上講，可以抑制電壓閃變、電壓波動、不對稱和諧波，但由于采用了雙逆變器，所以存在控制復(fù)雜和成本高的缺點。上述描述了并聯(lián)型apf的發(fā)展現(xiàn)狀，有源濾波器還有另外一大類串聯(lián)型apf,圖1.5為典型的串連apf拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)36。圖1.5 單獨使用的串聯(lián)型apf串聯(lián)型apf單獨使用方式能有效濾除電網(wǎng)的諧波電壓，具有有

45、源裝置容量小和運(yùn)行效率高等優(yōu)點，但存在絕緣強(qiáng)度高、難以適應(yīng)線路故障條件以及不能進(jìn)行無功功率動態(tài)補(bǔ)償?shù)热秉c，且負(fù)載的基波電流全都流過連接用的變壓器，其工程實用性受到限制。在串聯(lián)型apf單獨使用方式基礎(chǔ)上發(fā)展出的串聯(lián)型apf混合型結(jié)構(gòu)37,38，也都同樣存在絕緣強(qiáng)度高和難以適應(yīng)線路故障的缺點，本文在此就不一一闡述了。1.4 有源電力濾波器控制器的技術(shù)特點雖然有源濾波器發(fā)展至今，其主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制策略都發(fā)生了變化，但都是從最早期的并聯(lián)型apf，根據(jù)對偶原理或通過混合逐步演變而來的。所以，存在對apf的一般性定義：將系統(tǒng)中所含有害電流（電壓）檢出，并產(chǎn)生與其相反的補(bǔ)償電流（電壓），以抵消輸電線路中

46、的有害電流（電壓）的半導(dǎo)體電力變換裝置1,39。有源濾波器一般由三大部分組成：檢測電路、控制電路和功率變換電路。 其中控制電路的實現(xiàn)方式也是最多樣化的，它的多樣化也體現(xiàn)了控制方法的多樣性，而有源電力濾波器的控制器也是各種控制電路的集合。有源電力控制器一般包括硬件電路和軟件算法兩部分。隨著電子元器件技術(shù)的發(fā)展，控制器硬件也經(jīng)歷了分立元件集成電路單片機(jī)dsp（digital signal process）芯片的一個發(fā)展歷程；同樣軟件算法也從早期的與硬件電路捆綁變成如今的獨立模塊，可以單獨開發(fā)，而且算法也在不斷的改進(jìn)，它體現(xiàn)出的實時性，穩(wěn)定性也越來越強(qiáng)。設(shè)計一個好的控制器會從如下幾個方面來考慮問題：

47、 控制器的實時性 控制器的可靠性 控制器的兼容性 控制器的可操作性一個性能完備的控制系統(tǒng)要求動態(tài)跟蹤性能快和穩(wěn)態(tài)誤差小，從動態(tài)特性方面考慮，控制器的實時性也就是控制器的響應(yīng)速度必須要滿足系統(tǒng)的要求，具體而言，一個性能優(yōu)良的有源電力濾波器控制器的響應(yīng)速度一般在一個工頻周期也即20ms的時間之內(nèi)。要滿足控制器響應(yīng)速度快的要求，這就要從硬件和軟件上綜合考慮，硬件上要選用處理速度快的處理器，現(xiàn)今的dsp芯片最高主頻可以達(dá)到150mhz的速度，這里所講的芯片側(cè)重控制芯片而不是通常意義的偏重于計算的芯片；軟件上要選用時間效率高的算法，在有源電力濾波器中，關(guān)鍵是設(shè)計諧波檢測算法和控制算法，這兩個算法是控制器

48、的核心部分?？刂破鞯目煽啃允沁m應(yīng)工業(yè)上的要求，對于電氣設(shè)備都是全天候的工作，所以控制器的工作場合也必須是時間連續(xù)，而且要求控制精度的準(zhǔn)確性，這也就是控制器的可靠性。實現(xiàn)控制器的可靠性，必須先滿足硬件的上的可行可靠，在硬件設(shè)計方面就要首先考慮，防止通訊干擾，設(shè)備的靜電屏蔽，強(qiáng)電弱電的耦合等等方面，這是第一個層面要考慮的；另外，還需在軟件設(shè)計上對程序做一個合理的跟蹤，比如設(shè)計看門狗電路，防止程序跑飛以及不可預(yù)見的事件，系統(tǒng)自檢報警程序等都是可以行之有效的方法。控制器的兼容性設(shè)計是工業(yè)技術(shù)設(shè)計方面經(jīng)常用到的準(zhǔn)則，好比今天使用的pc機(jī)，無論是硬件設(shè)備還是軟件協(xié)議，驅(qū)動配置都是要求有兼容性的要求，不然就

49、沒有辦法實現(xiàn)當(dāng)今internet的飛速發(fā)展。在有源電力濾波器控制器的設(shè)計中的兼容性是指在設(shè)計的初期要能準(zhǔn)確的預(yù)測將來技術(shù)的走向，或者對于功能的全面性有一個事先的考慮，在系統(tǒng)的設(shè)施上給將來的擴(kuò)展留下接口和一些裕量，具體而言，可以將電力保護(hù)的單元逐漸集成到有源電力濾波器中，以增加系統(tǒng)的兼容性；其次，在軟件的設(shè)計上可以采用模塊化設(shè)計，方便功能的修改和調(diào)整?？刂破鞯目刹僮餍允侵杆挠押玫娜藱C(jī)操作界面。因為現(xiàn)在的技術(shù)水平還不能達(dá)到工業(yè)設(shè)備的完全智能化的要求，所以在操作一臺設(shè)備時候，友好的人機(jī)界面能夠在操作人和機(jī)器之間建立一個溝通的橋梁，對于指令的準(zhǔn)確執(zhí)行起著很大的作用。現(xiàn)在固定的裝置或者便攜設(shè)備基本都是

50、采用lcd模塊來設(shè)計，正在逐步取代模擬時代的發(fā)光二極管的顯示方式，這也是順應(yīng)科技發(fā)展的一個技術(shù)趨勢。至于界面的設(shè)計它又是多樣化的，可操作性和便于理解的使用性是最先考慮的。1.5 本文的研究背景及主要內(nèi)容本文的研究課題屬于國家863計劃引導(dǎo)項目配電網(wǎng)智能型無功自動補(bǔ)償、電能質(zhì)量和負(fù)荷監(jiān)視一體化系統(tǒng)（2004aa001032），同時也屬于國家自然科學(xué)基金（60474041）支持項目，還得到了湖南省發(fā)展計劃委員會重點項目基金和湖南省電力公司重大科技項目基金的大力支持。研究的目的是應(yīng)用混合注入式有源電力濾波器對江西某銅箔廠進(jìn)行諧波治理和無功補(bǔ)償綜合治理。對江西某銅箔廠的現(xiàn)場數(shù)據(jù)收集顯示，其諧波分量主要

51、集中在5次、7次、11次、13次，而且現(xiàn)場的功率因素僅為0.65，所以，對銅箔廠的治理不僅包括諧波治理，還要補(bǔ)償3600kvar的無功功率。本論文以江西某銅箔廠的諧波環(huán)境為工程背景，主要內(nèi)容為應(yīng)用成熟的有源電力濾波器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，開發(fā)一種適合于工程實際的電力濾波器控制器，這其中包括硬件的設(shè)計和軟件設(shè)計以及最后的實施。鑒于此，本文的各章節(jié)的設(shè)計如下：第二章，有源電力濾波器控制器硬件的研制。本章主要講述了控制器的硬件設(shè)計及其它的實現(xiàn)，并以一種模塊化的思想介紹了各個模塊功能，技術(shù)特點，并給出了部分的設(shè)計參數(shù)。第三章，諧波實時電流檢測及dsp實現(xiàn)。本章先比較了一些常用的諧波檢測算法，然后根據(jù)實際的工程需

52、要提出了一種基于dft滑窗迭代算法的諧波檢測算法，分析算法的機(jī)理，給出了仿真波形，并設(shè)計程序流程，最后是dsp的實現(xiàn)。第四章，有源電力濾波器控制器系統(tǒng)軟件開發(fā)。本章主要講述了在ti公司的開發(fā)平臺ccs2000上進(jìn)行控制器的程序設(shè)計，對各個程序模塊完成的功能進(jìn)行了一個由整體到局部的描述，并給出了各個子程序的軟件流程圖。第五章，有源電力濾波器控制的工程應(yīng)用。本章主要首先概要介紹了在江西某銅箔廠的整個系統(tǒng)設(shè)計方案，以及現(xiàn)場數(shù)據(jù)的展示，然后是講述了控制器在現(xiàn)場應(yīng)用的效果，給出了現(xiàn)場的一些照片和實際的波形展示。最后為總結(jié)和展望部分。第2章 有源電力濾波器控制器硬件研制傳統(tǒng)的有源電力濾波器采用的是模擬控制

53、系統(tǒng)，它的缺點是電路設(shè)計復(fù)雜且性能不穩(wěn)定。有源電力濾波器控制器是整個控制系統(tǒng)的核心部分，它完成的功能包括檢測計算，控制算法以及pwm脈寬調(diào)制等。單片機(jī)在工業(yè)控制方面有廣泛的應(yīng)用，以往的控制器都是用單片機(jī)來實現(xiàn)的，它的優(yōu)點是穩(wěn)定性好，缺點是處理速度不夠快，控制的實時性不能滿足要求。隨著控制技術(shù)的發(fā)展，各種控制算法應(yīng)運(yùn)而生，具體而言，在有源電力濾波器控制器的算法中，核心的算法是如何來調(diào)制pwm脈沖，來實現(xiàn)逆變電路的穩(wěn)定快速準(zhǔn)確的工作，在硬件上，單片機(jī)在pwm調(diào)制上不具備優(yōu)勢，必須多片單片機(jī)共同來完成，這樣會造成硬件結(jié)構(gòu)上的復(fù)雜和控制程序上的難度。20世紀(jì)60年代以來，隨著計算機(jī)和信息科學(xué)的迅速發(fā)展

54、，數(shù)字信號處理技術(shù)（dsp，digital signal processing）也飛速崛起，近幾十年來，數(shù)字信號處理已經(jīng)在通信、自動化等領(lǐng)域得到了極為廣泛的發(fā)展。這為有源電力濾波器控制器數(shù)字化提供了先決條件，無論從硬件的完備性，數(shù)據(jù)處理的快速性，還是算法的兼容性上講，它既發(fā)揮了單片機(jī)的各種優(yōu)勢，也克服了以前單片機(jī)系統(tǒng)的一些客觀的弱點。所以，dsp技術(shù)在有源電力濾波器中的應(yīng)用將是一個很大的契機(jī)。正是基于這樣一種背景下，本章將分模塊的講述控制器的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。2.1 基于dsp的控制器系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)本章中系統(tǒng)控制器采用的是德州公司的tms320lf2407a(以下簡稱2407a)數(shù)字化dsp控制方案

55、。如圖2.1所示，整個控制器包括：處理器模塊、a/d采樣模塊、數(shù)據(jù)存儲器擴(kuò)展模塊、液晶顯示模塊、矩陣鍵盤輸入模塊、硬件鎖相環(huán)模塊、pwm硬件死區(qū)延時模塊和通信模塊。2.1.1 主處理器模塊介紹ti（texas instruments）公司的tms320lf240x系列dsp控制器是在24x的基礎(chǔ)上低功耗改進(jìn)型，它是為了滿足控制應(yīng)用而設(shè)計的。2407a是此系列中的一個分支，通過把一個高性能的dsp內(nèi)核和微處理器的片內(nèi)外設(shè)集成為一個芯片的方案，2407a成為傳統(tǒng)的微控制單元（mcu）和昂貴的多片設(shè)計的一種廉價的替代品。每秒3000萬條指令（30mips）的處理速度，使2407a型dsp控制器可以提

56、供超過傳統(tǒng)的16位微控制器和微處理器的能力。2.1.1.1 2407a型數(shù)字處理器特點 圖2.1 dsp控制器系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)（1）改進(jìn)哈佛結(jié)構(gòu)哈佛結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的馮諾依曼（von neuman）結(jié)構(gòu)相比，其主要特點是程序和數(shù)據(jù)存儲具有獨立的存儲空間，有各自獨立的程序總線和數(shù)據(jù)總線，每個存儲器獨立編址，獨立訪問。大大地提高了數(shù)據(jù)處理能力，非常適合于實時的數(shù)字信號處理。ti公司的dsp芯片結(jié)構(gòu)是基本哈佛結(jié)構(gòu)的改進(jìn)類型，改進(jìn)之處是在數(shù)據(jù)總線和程序總線之間進(jìn)行局部的交叉連接，這一改進(jìn)允許數(shù)據(jù)存放在程序存儲器中，并被算術(shù)運(yùn)算指令直接使用，增強(qiáng)了芯片的靈活性，只要調(diào)度好兩個獨立的總線就可使處理能力達(dá)到最高，以實現(xiàn)全速運(yùn)行40。 （2）流水線操作與哈佛結(jié)構(gòu)相匹配，dsp芯片指令系統(tǒng)廣泛采用流水線操作以減少指令執(zhí)行時間，增強(qiáng)處理器的處理能力，把指令周期減小到最小值。2407a采用四級流水線深度，也就是說，處理器可以并行處理四條指令，每條指令處于流水線的不同階段40。（3）專用硬件乘法器在數(shù)據(jù)處理中，乘法是其中的重要組成部分。乘法速度越快，dsp處理器的性能越高。在通用的微處理器中，乘法指令是由一系列加法和移位來實現(xiàn)的，故需要許多個指令周期來完成。例如，執(zhí)行一條字相乘，80c196系列芯片要20個狀態(tài)周期（如