一種全數(shù)字串聯(lián)型電能質量控制器的硬件設計

1、目 錄摘要1前言31 電能質量的歷史現(xiàn)狀41.1 電能質量控制技術的國內外研究現(xiàn)狀41.2串聯(lián)型電能質量控制器的研究背景42 串聯(lián)型電能質量控制器的系統(tǒng)結構和基本原理52.1系統(tǒng)結構52.2 基本原理52.3 理論基礎63 控制電路設計84 系統(tǒng)硬件設計和實現(xiàn)94.1 主電路的設計和實現(xiàn)94.1.1 主電路結構94.1.2 主電路元件的選取和參數(shù)的設計94.1.3 主電路的實現(xiàn)114.2 控制電路的設計和實現(xiàn)124.2.1 控制系統(tǒng)結構124.2.2 數(shù)字控制電路板的設計和實現(xiàn)124.2.3 信號采集電路板的設計和實現(xiàn)165 結論18一種全數(shù)字串聯(lián)型電能質量控制器的硬件設計作者：張?zhí)餂_ 指導老

2、師：李雪蓮 管曉虎摘要：串聯(lián)型電能質量控制器是一種可以有效提高用戶端供電質量的電力電子裝置。該文設計并應用數(shù)字信號處理器(digital signal processor-dsp)實現(xiàn)了串聯(lián)型電能質量控制器的全數(shù)字實時控制，提出了一種適合在定點dsp上實現(xiàn)的空間矢量pwm快速生成算法。實驗結果表明所研制的數(shù)字控制系統(tǒng)硬件、軟件結構設計合理，諧波檢測算法和空間矢量pwm算法快速有效，而其控制的串聯(lián)型電能質量控制器具有良好的電能質量控制性能。關鍵詞：電能質量；串聯(lián)型電能質量控制器；空間矢量research and development of a digital controlled series

3、 power quality controllerauthor: zhang tian-chong instructs the teacher:li xue-lian guan xiao-huabstract: series power quality controller(spqc)is an advanced power electronics device to improve the power quality of supply utilitya ful-ly-digital control system based on digital signal processor(dsp)

4、has been developed to implement the realtime control of series power quality controllerand a highspeed generating algorithm of space vector pulse width modulation(svpwm)was proposed，which is easy implemented with fixed-point dsp it can be verified by fully experimental results that the developed dig

5、ital control system works well，and all involved algorithms are effective to compensate the power quality problems of supply side voltagekeywords：power quality；series power quality controller；space vector前言隨著電力的市場化和以信息產(chǎn)業(yè)為代表的高新技術產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，電力負載中的電能質量敏感負荷越來越多，電能質量問題越來越受到重視。串聯(lián)型電能質量控制器是一種可以有效提高用戶端電能質量的電力電子裝

6、置，它串聯(lián)在電網(wǎng)和用電設備之間，可以補償電網(wǎng)存在的諸如電壓諧波、電壓跌落等電能質量問題1 。 控制系統(tǒng)是串聯(lián)型電能質量控制器的核心，直接決定了電能質量控制的效果。由于要補償電網(wǎng)電壓諧波和電壓短時跌落等電能質量問題，對于控制系統(tǒng)實時性的要求非常高，如果控制系統(tǒng)采用模擬器件實現(xiàn)，則存在一些難以克服的缺點，如體積龐大、不易調試、受環(huán)境影響大并且不易更新和維護等 1。近年來電子技術和數(shù)字信號處理器(digital signal processordsp)發(fā)展迅速，已可以滿足電能質量控制中的實時運算的要求。本文將dsp應用于串聯(lián)型電能質量控制器的控制中，設計并研制了一套全數(shù)字控制系統(tǒng)，用dsp實現(xiàn)了諧波

7、實時檢測，并提出了一種在定點dsp中實現(xiàn)空間矢量pwm的算法，從而有效地實現(xiàn)了串聯(lián)型電能質量控制器的實時控制。1電能質量的歷史現(xiàn)狀1.1電能質量控制技術的國內外研究現(xiàn)狀美國電力科學研究院的n g. hingorani博士在1988年首先提出了“custom power”的電能質量控制技術新概念1，將計算機技術、現(xiàn)代控制理論和現(xiàn)代電力電子技術用于配電系統(tǒng)，與配電系統(tǒng)的自動化技術相結合，為各種不同要求的用戶提供相應的供電質量，使電網(wǎng)成為實時可控的柔性化配電系統(tǒng)，這是現(xiàn)代科學技術和電力市場發(fā)展的結果，是下一代配電系統(tǒng)的發(fā)展方向2。目前，基于電能質量控制技術應用的各種電力電子設備研究方興未艾，但是大多

8、都未能普及應用和大批量生產(chǎn)。1.2串聯(lián)型電能質量控制器的研究背景在20世紀80年代以前，由于電壓型諧波源的數(shù)量少，容量小，并且使用分散，它們產(chǎn)生的諧波沒有引起人們重視，因此，針對此類電能質量問題的研究很少。 串聯(lián)型電能質量控制器的研究，可以追溯到1988年。最早是彭方正等人提出來的混合型串聯(lián)有源電力濾波器(shapf)3。早期研究主要一些以h. akagi等人為代表的日本學者為主。 20世紀90年代中期以后，應用串聯(lián)型的電能質量控制器補償系統(tǒng)三相不平衡、消除電壓閃變、瞬時跌落等的研究發(fā)展較快。1994年，alexandre campos 等人將串聯(lián)型有源電力濾波器用于平衡三相不平衡電源獲得成功

9、4。1994年，a. nabase等人成功地將串聯(lián)型有源電力濾波器用于抑制80噸電弧爐所產(chǎn)生的電壓閃變5。 20世紀90年代末，西安交通大學姚為正等人對單獨使用的串聯(lián)型有源濾波器作了深入研究，提出了檢測負載電壓的控制方法，并對控制方法和補償特性進行了詳盡的研究2。 2003年，h. akagi等人發(fā)表了關于串聯(lián)型有源濾波器的建模和穩(wěn)定性分析的論文6。目前，國外對串聯(lián)型電能質量控制器的研究，已從實驗研究過渡到實用化研究階段，德國的西門子公司推出了串聯(lián)型電能質量控制器的樣機，并已開始投入現(xiàn)場試運行。在國內，近年來，清華大學、東南大學、西安交通大學等高校也開展了對串聯(lián)型電能質量控制器的研究?？傮w上，

10、國內的研究尚處于理論研究和實驗室研究階段。2串聯(lián)型電能質量控制器的系統(tǒng)結構和基本原理2.1系統(tǒng)結構串聯(lián)型電能質量控制器系統(tǒng)總體的結構如圖1所示，它由三相變流器主電路和數(shù)字控制電路兩部分構成。主電路采用三相橋式逆變電路產(chǎn)生三相可控的補償電壓，經(jīng)輸出濾波電路，通過變壓器耦合進電網(wǎng)，產(chǎn)生相應的補償效果。為簡化設計，功率器件選用智能功率模塊(intelligent power moduleipm)。數(shù)字控制電路以dsp為核心，主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集(包括電網(wǎng)電壓、負載電壓、電網(wǎng)電流等)、數(shù)據(jù)處理(電壓諧波分析和計算等)和空間矢量pwm生成等功能。圖1串聯(lián)型電能質量控制器的系統(tǒng)總體結構2.2基本原理串聯(lián)型電能

11、質量控制器可以等效地看作一個可控電壓源，串聯(lián)在電網(wǎng)和用戶負載之間。當電網(wǎng)電壓和理想供電電壓*為存在偏差時，串聯(lián)型電能質量控制器提供補償電壓c對該偏差進行補償，保證負載得到高質量的供電電壓。2.3理論基礎為了準確地補償諧波，需要實時計算檢測信號中的諧波成份。本文采用的諧波信號檢測算法是基于瞬時無功功率理論的p-q算法7;8。三相電路的瞬時無功功率理論是該諧波實時算法的理論基礎。 三相電路瞬時無功功率理論首先于1983年由赤木泰文9;10;11提出，此后該理論經(jīng)不斷研究逐漸完善。赤木泰文最初提出的理論亦稱p-q理論，是以瞬時實功率p和瞬時虛功率q的定義為基礎的。在瞬時有功電流ip和瞬時無功電流iq

12、為基礎的理論體系中，設三相電路各相電壓和電流的瞬時值分別為、和、，為分析問題方便，把它們變換到兩相正交的坐標系上研究。由下面的變換可以得到兩相瞬時電壓、和兩相瞬時電流、(2-1)(2-2) 其中： 在圖2所示的平面上，矢量ea、eb和ia、ib分別可以合成為（旋轉）電壓矢量e和電流矢量i:(2-3)(2-4) 式中，e、i為矢量e、i的模。分別為矢量e、i的幅角。 三相電路瞬時有功電流和瞬時無功電流分別為矢量i在矢量e及其法線上的投影。即(2-5)(2-6) 式中，。圖2坐標系中的電壓電流矢量 三相電路瞬時無功功率p（瞬時有功功率q）為電壓矢量e的模和三相電路瞬時無功電流（三相電路瞬時有功電流

13、）的乘積。即(2-7)(2-8) 把式(3-5)、(3-6)及代入式(3-7)、(3-8)并寫成矩陣形式得出(2-9) 式中： 把式(3-1)、(3-2)代入上式可得出p、q對于三相電壓、電流的表達式(2-10)(2-11) 從式(3-10)可以看出，三相電路瞬時有功功率就是三相電路的瞬時功率。 對于三相電壓和電流均為正弦波時的情況時，瞬時有功功率、瞬時無功功率的表達式可以描述如下：設三相電壓、電流分別為(2-12a)(2-12b)(2-12c)(2-13a)(2-13b)(2-13c) 利用式(3-1)、(3-2)對以上二式進行變換，可得(2-14)(2-15) 式中，。 把式(3-14)和

14、(3-15)代入式(3-9)可得(2-16a)(2-16b)令，分別為相電壓和相電流的有效值，得(2-17a)(2-17b) 從上面的式子可以看出，在三相電壓和電流均為正弦波時，p、q均為常數(shù)，且其值和按傳統(tǒng)理論算出的有功功率p和無功功率q完全相同。 傳統(tǒng)理論中的有功功率、無功功率等都是在平均值基礎或相量的意義上定義的，它們只適用于電壓電流均為正弦波時的情況。而瞬時無功功率理論中的概念都是在瞬時值的基礎上定義的，它不僅適用于正弦波，也適用于非正弦和任何過渡過程的情況。從以上各定義可以看出，瞬時無功功率理論中的概念在形式上和傳統(tǒng)理論非常相似，可以看成傳統(tǒng)理論的推廣和延伸。3控制電路設計控制系統(tǒng)是

15、串聯(lián)型電能質量控制器的核心?？刂齐娐凡捎靡詃sp為核心的全數(shù)字化方案，系統(tǒng)結構如圖3所示，它包括三塊控制電路板：信號采集板(簡稱ad板)、數(shù)字控制板(簡稱dsp板)和驅動板。圖3串聯(lián)型電能質量控制器的控制系統(tǒng)示意圖ad板主要實現(xiàn)輸入信號的預濾波和模數(shù)轉換功能。需采集的信號為電網(wǎng)電壓u 、負載電壓u 和電網(wǎng)電流i ，分別經(jīng)相應的隔離和信號調理電路調理后進入各自的ad轉換芯片進行模數(shù)轉換，轉換結果送入dsp板。dsp板以dsp芯片為核心，由擴展存儲器、鎖相環(huán)(phase lock looppll)和復雜可編程邏輯器件(complex programmable logic devicecpld)構成

16、。dsp芯片采用ti公司推出的tms320lf2407a，它采用三級流水線工作方式，具有強大的指令系統(tǒng)和高速的數(shù)據(jù)處理功能，并且含有豐富的外接io端口、片內集成外圍設備和專用的脈沖寬度調制(pulse width modulationpwm)生成單元和捕獲單元，因此控制性能遠遠超過傳統(tǒng)的16位微控制器，可以滿足電能質量控制中實時運算的要求。重要數(shù)據(jù)的存儲由系統(tǒng)外擴一片存儲器cy7c1021芯片來完成。鎖相環(huán)電路可以獲取a相電源電壓的相位，用于諧波檢測算法?？刂葡到y(tǒng)的譯碼電路采用cpld實現(xiàn)，用于協(xié)調各模塊之間的邏輯關系?？刂泼}沖通過空間矢量算法產(chǎn)生。最后由驅動板將dsp板生成的pwm信號轉換為

17、能有效驅動ipm的脈沖信號。4系統(tǒng)硬件設計和實現(xiàn)4.1主電路的設計和實現(xiàn)4.1.1主電路結構串聯(lián)型電能質量控制器所采用的主電路應能產(chǎn)生三相可控電壓，對外相當于三相可控電壓源。經(jīng)常采用的主電路結構有兩類：一個三相逆變橋或三個單相逆變橋。本文主電路采用一個三相逆變橋的拓撲結構。其結構如圖4-1所示。圖4-1串聯(lián)型電能質量控制器的主電路結構主電路包括電力電子器件、直流側電容、輸出濾波電路、變壓器等幾部分。4.1.2主電路元件的選取和參數(shù)的設計在設計之前，首先根據(jù)電網(wǎng)和負載的工況，確定串聯(lián)型電能質量控制器的額定工作條件如下：電源電壓：380v負載功率： 6.6 kva（根據(jù)負載的參數(shù)確定）主電路電流：

18、2 kva針對三相對稱系統(tǒng)的應用，本文主電路的參數(shù)設計，主要以單相電路進行分析的。單相系統(tǒng)結構圖如圖4-2。圖4-2串聯(lián)型電能質量控制器的單相系統(tǒng)結構1）功率器件的選取為簡化設計，功率器件選用智能功率模塊(intelligent power module，簡稱ipm)模塊。ipm是采用微電子技術和先進的制造工藝，把智能功率集成電路與微電子器件及外圍功率器件組裝成一體，能實現(xiàn)智能功率控制的商品化部件。模塊大多采用密封式結構，以保證良好的電氣絕緣和抗震性能。用戶只須了解模塊的外特性即可使用。因此，采用ipm可以簡化設計工作，縮短系統(tǒng)的研制周期。模塊內部主要包括欠壓保護電路、驅動igbt的電路、過流

19、保護電路、短路保護電路、溫度傳感器及過熱保護電路、門電路和igbt12。本文實驗裝置采用三相的ipm模塊7mbp75ra-1200。其耐壓為1200v， 電流為75a。2）變壓器的設計從電路拓撲上看，變壓器設計主要是選擇變壓器的變比以及額定工作時的電壓、電流、容量等參數(shù)。由于變壓器串聯(lián)在電源和負載之間，因此其主電路一側電流的額定值和負載額定值一樣。當橋式整流負載工作在額定情況時，其直流側電壓uld為540v。所以變壓器主電路一側的額定電壓峰值為負載相電壓峰值： 2-1)當選擇直流側電容電壓udc為700v時，串聯(lián)型電能質量控制器主電路中變流器能夠輸出的最大電壓的峰值為(2-2)考慮到損耗及裕量

20、，選擇變壓器的變比為n=1。因此，可知變壓器主電路一側的有效值為： (2-3)綜上，本文最后確定的變壓器的額定電壓為90v，額定電流為5a。變壓器應能滿足1khz以下正常工作的要求。3）輸出濾波電路設計功率電路的輸出是頻率很高的方波，需要將其開關頻率的分量濾除后才能接到變壓器上。濾波電路設計的原則是能恰好濾除開關頻率的分量，保留輸出所需要的諧波分量。濾波環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為：(3-1) 其諧振頻率為：(3-2) 本文開關頻率為固定的20khz，要求串聯(lián)型電能質量控制器能補償20次以內的諧波，即能無失真地輸出1khz以下的補償電壓。根據(jù)濾波環(huán)節(jié)的波特圖，綜合考慮開關頻率的濾波效果、輸出頻率和最小的諧

21、振幅度，確定濾波參數(shù)為l=0.2mh、c=20f、r=2 。此時，系統(tǒng)的諧振頻率為3.5khz，傳遞函數(shù)為：(3-3)4.1.3主電路的實現(xiàn)主電路的設計，除了要對元件的參數(shù)進行設計，還需要進行散熱的設計、電磁兼容的設計、結構的設計，以及用戶操作接口的設計。圖4-3給出了最終實現(xiàn)的全數(shù)字串聯(lián)型電能質量控制器實物照片。圖4-3串聯(lián)型電能質量控制器實物照片4.2控制電路的設計和實現(xiàn)控制系統(tǒng)是串聯(lián)型電能質量控制器的核心。本文采用以dsp為核心控制器的全數(shù)字控制方案。4.2.1控制系統(tǒng)結構控制系統(tǒng)檢測主電路的電壓或電流信號，經(jīng)相應的運算，產(chǎn)生占空比變化的脈動信號，驅動變流器中的開關器件動作，實現(xiàn)對主電路

22、的控制。出于降低制作風險、方便調試以及通用性等方面的考慮，本文控制電路分布在兩塊電路板上：數(shù)字控制電路板（簡稱dsp板）、信號采集電路板（簡稱a/d板）。圖4-4給出一個直觀的示意圖。圖4-4串聯(lián)型電能質量控制器的控制系統(tǒng)結構4.2.2數(shù)字控制電路板的設計和實現(xiàn)dsp是整個數(shù)字控制系統(tǒng)的核心，本文選用ti公司的dsp芯片，型號為tms320lf2407a。ti公司開發(fā)的dsp芯片占世界dsp芯片市場的50以上，在中國應用也最為廣泛。tms320lf2407a采用多級流水線工作方式，具有強大的指令系統(tǒng)和高速的數(shù)據(jù)處理功能。采用tms320lf2407a組成的dsp系統(tǒng)如圖4-5所示。圖4-5ds

23、p控制系統(tǒng)結構圖圖4-6表示了數(shù)據(jù)在控制系統(tǒng)中的流向，描述了整個控制系統(tǒng)的輪廓和連接關系。圖4-6控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)流向示意圖數(shù)字控制板主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、補償指令電流的運算以及與其他設備通訊的功能。它以dsp芯片為核心，由擴展存儲器、cpld模塊和pwm信號輸出模塊構成。1) 擴展存儲器系統(tǒng)需要外擴數(shù)據(jù)存儲器。在調試的時候，用作程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器；在實際運行的時候，用作數(shù)據(jù)存儲器。系統(tǒng)使用了一片cy7c1021，連接如圖4-7。圖4-7外擴存儲器(cy7c1021)電路2) cpld邏輯控制模塊控制系統(tǒng)的譯碼電路采用可編程邏輯器件（complex programmable logic devi

24、ce，簡稱cpld）實現(xiàn)，用于協(xié)調各模塊之間的邏輯關系。cpld是一種可編程邏輯器件，主要是“與-或”兩極結構，采用可編程“熔絲”將“與”門陣列、“或”門陣列及寄存器互連起來。具有集成度高、結構靈活等特點，還有標準邏輯器件和半定制邏輯器件的優(yōu)點。cpld的邏輯結構和功能，最終由用戶編程決定。主要實現(xiàn)以下功能：1) 進行a/d轉換時的地址譯碼和數(shù)據(jù)鎖存；2) 增強總線驅動能力3) 協(xié)調各個中斷綜合考慮容量、時延和成本等因素，選擇了altera公司的epm7128stc100-15。其信號連接如圖4-8所示。圖4-8cpld (epm7128stc100-15)電路3)pwm信號輸出模塊針對驅動板

25、的特點，pwm信號輸出模塊需要將dsp直接輸出的pwm信號反相，并進行鎖存。同時在系統(tǒng)初始上電時，pwm輸出信號應當封鎖，以免出現(xiàn)異常。選用的芯片為74act00，其連接如圖4-9。圖4-9pwm信號輸出電路4.2.3信號采集電路板的設計和實現(xiàn)信號采集電路板主要完成信號采集、模數(shù)轉換的功能，它以a/d轉換芯片為核心，由輸入信號檢測和調理模塊、a/d轉換模塊和鎖相環(huán)構成。1) 輸入信號檢測和調理模塊三相負載電流經(jīng)霍爾電流傳感器后，在取樣電阻上形成與其成比例的電壓信號，然后經(jīng)同相比例放大電路（輸入阻抗高，可減少對前級電路的影響）后，進入抗混疊濾波電路，其原理圖如圖4-10。設計的抗混疊濾波器的截止

26、頻率為2.5khz。圖4-10前向信號調理電路2) a/d轉換模塊串聯(lián)型電能質量控制器的指令是諧波，因此，需要a/d芯片具有比較高的精度，而且應能同步采樣。a/d轉換由外擴的三片a/d轉換芯片a/d7864來實現(xiàn)的。a/d7864片內含有12位a/d轉換器快速模擬數(shù)字轉換芯片，轉換速率為250ksps。它具有4路輸入通道，可同時采樣并進行轉換。典型的采樣轉換時間為4s，用單一正5v供電，模擬量輸入范圍為10v。自身具有高速并行輸出接口，以二進制補碼形式輸出。控制系統(tǒng)通過編寫dsp和cpld的程序來控制三片a/d轉換芯片的啟動與轉換結果的讀取。采樣時間的基準由電壓同步電路和cpld共同進行控制來

27、完成。負載的三相諧波電流信號、三相諧波電壓信號以及直流母線電壓信號分別經(jīng)相應的隔離和信號調理電路調理后進入各自的a/d轉換芯片進行a/d轉換，如圖4-11。圖4-11a/d轉換電路3) 同步信號獲取模塊在電流諧波指令計算時，需要知道正弦波電壓的相位，另外，為了確定采樣的起始時刻，也需要確定電壓的相位信號。為此，將a相電壓，經(jīng)隔離降壓后引入到控制電路中，經(jīng)濾波整形后，將與a相電壓同頻同相的5v方波信號引入到cpld，cpld根據(jù)a相同步確定a/d采樣時刻，同步信號獲取的電路如圖4-12所示。圖4-12同步信號獲取電路設計完控制電路的原理圖后，還需要設計印刷線路板，并進行硬件調試。最終實現(xiàn)了串聯(lián)型

28、電能質量控制器的全數(shù)字控制系統(tǒng)實物如圖4-13所示。圖3-18dsp數(shù)字控制系統(tǒng)實物照片5結論本文首先闡述了串聯(lián)型電能質量控制技術的研究背景和研究現(xiàn)狀，分析了電能質量控制技術，然后介紹了串聯(lián)型電能質量控制器的系統(tǒng)結構和基本工作原理，并設計制作了一臺以全控型器件ipm為開關器件的實驗樣機，分別介紹了主電路和基于dsp的全數(shù)字控制系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)，并提出了一種適合在定點dsp上實現(xiàn)的空間矢量pwm快速算法。最后，本文詳細討論了當電網(wǎng)存在電壓諧波和負載為電壓源型諧波源時，串聯(lián)型電能質量控制器的控制方法。串聯(lián)型電能質量控制器是一種可以有效提高用戶端供電質量的電力電子裝置，其對控制系統(tǒng)的實時性要求非常高

29、。本文實現(xiàn)了一套基于dsp的全數(shù)字化串聯(lián)型電能質量控制器，可以實時補償電網(wǎng)中存在的諸如電壓諧波、電壓跌落等電能質量問題。該數(shù)字控制系統(tǒng)具有硬件設計簡單、調試方便、控制靈活、抗干擾性強等模擬控制系統(tǒng)不能比擬的優(yōu)點。同時，本文還提出了一種適合在定點dsp上實現(xiàn)的空間矢量pwm快速算法。實驗表明該系統(tǒng)硬件、軟件結構設計合理，具有一定的推廣價值。參考文獻：1 h. akaginew trends in active filters for power conditioningieeet ransindustry applications，1996，vo132(6)：131213222 peng, f.

30、 z., a new approach to harmonic compensation in power systems-a combined system of shunt passive and series active filters, industry applications, ieee transactions on, 1990, vol. 26, no. 6, pp. 983-990.3 campos a, j. g. z. p. d., lindsay j f. analysis and design of a series voltage unbalance copensator based on a three-phase vsi operating with unbalanced switching functions, ieee trans.on power electronics, 1994,vol. 9(3) pp. 269-274.4 nabae a et al, suppression of flicker i