全数字串联型电能质量控制器的硬件设计

目 录摘要1前言31 电能质量的历史现状41.1 电能质量控制技术的国内外研究现状41.2串联型电能质量控制器的研究背景42 串联型电能质量控制器的系统结构和基本原理52.1系统结构52.2 基本原理52.3 理论基础63 控制电路设计84 系统硬件设计和实现94.1 主电路的设计和实现94.1.1 主电路结构94.1.2 主电路元件的选取和参数的设计94.1.3 主电路的实现114.2 控制电路的设计和实现124.2.1 控制系统结构124.2.2 数字控制电路板的设计和实现124.2.3 信号采集电路板的设计和实现165 结论18一种全数字串联型电能质量控制器的硬件设计作者：张田冲 指导老师：李雪莲 管晓虎摘要：串联型电能质量控制器是一种可以有效提高用户端供电质量的电力电子装置。该文设计并应用数字信号处理器(Digital Signal Processor-DSP)实现了串联型电能质量控制器的全数字实时控制，提出了一种适合在定点DSP上实现的空间矢量PWM快速生成算法。实验结果表明所研制的数字控制系统硬件、软件结构设计合理，谐波检测算法和空间矢量PWM算法快速有效，而其控制的串联型电能质量控制器具有良好的电能质量控制性能。关键词：电能质量；串联型电能质量控制器；空间矢量Research and Development of a Digital Controlled Series 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) 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 digital 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前言随着电力的市场化和以信息产业为代表的高新技术产业的飞速发展，电力负载中的电能质量敏感负荷越来越多，电能质量问题越来越受到重视。串联型电能质量控制器是一种可以有效提高用户端电能质量的电力电子装置，它串联在电网和用电设备之间，可以补偿电网存在的诸如电压谐波、电压跌落等电能质量问题1 。 控制系统是串联型电能质量控制器的核心，直接决定了电能质量控制的效果。由于要补偿电网电压谐波和电压短时跌落等电能质量问题，对于控制系统实时性的要求非常高，如果控制系统采用模拟器件实现，则存在一些难以克服的缺点，如体积庞大、不易调试、受环境影响大并且不易更新和维护等 1。近年来电子技术和数字信号处理器(Digital Signal ProcessorDSP)发展迅速，已可以满足电能质量控制中的实时运算的要求。本文将DSP应用于串联型电能质量控制器的控制中，设计并研制了一套全数字控制系统，用DSP实现了谐波实时检测，并提出了一种在定点DSP中实现空间矢量PWM的算法，从而有效地实现了串联型电能质量控制器的实时控制。1电能质量的历史现状1.1电能质量控制技术的国内外研究现状美国电力科学研究院的N G. Hingorani博士在1988年首先提出了“Custom Power”的电能质量控制技术新概念1，将计算机技术、现代控制理论和现代电力电子技术用于配电系统，与配电系统的自动化技术相结合，为各种不同要求的用户提供相应的供电质量，使电网成为实时可控的柔性化配电系统，这是现代科学技术和电力市场发展的结果，是下一代配电系统的发展方向2。目前，基于电能质量控制技术应用的各种电力电子设备研究方兴未艾，但是大多都未能普及应用和大批量生产。1.2串联型电能质量控制器的研究背景在20世纪80年代以前，由于电压型谐波源的数量少，容量小，并且使用分散，它们产生的谐波没有引起人们重视，因此，针对此类电能质量问题的研究很少。 串联型电能质量控制器的研究，可以追溯到1988年。最早是彭方正等人提出来的混合型串联有源电力滤波器(SHAPF)3。早期研究主要一些以H. Akagi等人为代表的日本学者为主。 20世纪90年代中期以后，应用串联型的电能质量控制器补偿系统三相不平衡、消除电压闪变、瞬时跌落等的研究发展较快。1994年，Alexandre Campos 等人将串联型有源电力滤波器用于平衡三相不平衡电源获得成功4。1994年，A. Nabase等人成功地将串联型有源电力滤波器用于抑制80吨电弧炉所产生的电压闪变5。 20世纪90年代末，西安交通大学姚为正等人对单独使用的串联型有源滤波器作了深入研究，提出了检测负载电压的控制方法，并对控制方法和补偿特性进行了详尽的研究2。 2003年，H. Akagi等人发表了关于串联型有源滤波器的建模和稳定性分析的论文6。目前，国外对串联型电能质量控制器的研究，已从实验研究过渡到实用化研究阶段，德国的西门子公司推出了串联型电能质量控制器的样机，并已开始投入现场试运行。在国内，近年来，清华大学、东南大学、西安交通大学等高校也开展了对串联型电能质量控制器的研究。总体上，国内的研究尚处于理论研究和实验室研究阶段。2串联型电能质量控制器的系统结构和基本原理2.1系统结构串联型电能质量控制器系统总体的结构如图1所示，它由三相变流器主电路和数字控制电路两部分构成。主电路采用三相桥式逆变电路产生三相可控的补偿电压，经输出滤波电路，通过变压器耦合进电网，产生相应的补偿效果。为简化设计，功率器件选用智能功率模块(Intelligent Power ModuleIPM)。数字控制电路以DSP为核心，主要实现数据采集(包括电网电压、负载电压、电网电流等)、数据处理(电压谐波分析和计算等)和空间矢量PWM生成等功能。图1串联型电能质量控制器的系统总体结构2.2基本原理串联型电能质量控制器可以等效地看作一个可控电压源，串联在电网和用户负载之间。当电网电压和理想供电电压*为存在偏差时，串联型电能质量控制器提供补偿电压c对该偏差进行补偿，保证负载得到高质量的供电电压。2.3理论基础为了准确地补偿谐波，需要实时计算检测信号中的谐波成份。本文采用的谐波信号检测算法是基于瞬时无功功率理论的p-q算法7;8。三相电路的瞬时无功功率理论是该谐波实时算法的理论基础。 三相电路瞬时无功功率理论首先于1983年由赤木泰文9;10;11提出，此后该理论经不断研究逐渐完善。赤木泰文最初提出的理论亦称p-q理论，是以瞬时实功率p和瞬时虚功率q的定义为基础的。在瞬时有功电流ip和瞬时无功电流iq为基础的理论体系中，设三相电路各相电压和电流的瞬时值分别为、和、，为分析问题方便，把它们变换到两相正交的坐标系上研究。由下面的变换可以得到两相瞬时电压、和两相瞬时电流、(2-1)(2-2) 其中： 在图2所示的平面上，矢量ea、eb和ia、ib分别可以合成为（旋转）电压矢量e和电流矢量i:(2-3)(2-4) 式中，e、i为矢量e、i的模。分别为矢量e、i的幅角。 三相电路瞬时有功电流和瞬时无功电流分别为矢量i在矢量e及其法线上的投影。即(2-5)(2-6) 式中，。图2坐标系中的电压电流矢量 三相电路瞬时无功功率p（瞬时有功功率q）为电压矢量e的模和三相电路瞬时无功电流（三相电路瞬时有功电流）的乘积。即(2-7)(2-8) 把式(3-5)、(3-6)及代入式(3-7)、(3-8)并写成矩阵形式得出(2-9) 式中： 把式(3-1)、(3-2)代入上式可得出p、q对于三相电压、电流的表达式(2-10)(2-11) 从式(3-10)可以看出，三相电路瞬时有功功率就是三相电路的瞬时功率。 对于三相电压和电流均为正弦波时的情况时，瞬时有功功率、瞬时无功功率的表达式可以描述如下：设三相电压、电流分别为(2-12a)(2-12b)(2-12c)(2-13a)(2-13b)(2-13c) 利用式(3-1)、(3-2)对以上二式进行变换，可得(2-14)(2-15) 式中，。 把式(3-14)和(3-15)代入式(3-9)可得(2-16a)(2-16b)令，分别为相电压和相电流的有效值，得(2-17a)(2-17b) 从上面的式子可以看出，在三相电压和电流均为正弦波时，p、q均为常数，且其值和按传统理论算出的有功功率P和无功功率Q完全相同。 传统理论中的有功功率、无功功率等都是在平均值基础或相量的意义上定义的，它们只适用于电压电流均为正弦波时的情况。而瞬时无功功率理论中的概念都是在瞬时值的基础上定义的，它不仅适用于正弦波，也适用于非正弦和任何过渡过程的情况。从以上各定义可以看出，瞬时无功功率理论中的概念在形式上和传统理论非常相似，可以看成传统理论的推广和延伸。3控制电路设计控制系统是串联型电能质量控制器的核心。控制电路采用以DSP为核心的全数字化方案，系统结构如图3所示，它包括三块控制电路板：信号采集板(简称AD板)、数字控制板(简称DSP板)和驱动板。图3串联型电能质量控制器的控制系统示意图AD板主要实现输入信号的预滤波和模数转换功能。需采集的信号为电网电压u 、负载电压u 和电网电流i ，分别经相应的隔离和信号调理电路调理后进入各自的AD转换芯片进行模数转换，转换结果送入DSP板。DSP板以DSP芯片为核心，由扩展存储器、锁相环(Phase Lock LoopPLL)和复杂可编程逻辑器件(Complex Programmable Logic DeviceCPLD)构成。DSP芯片采用TI公司推出的TMS320LF2407A，它采用三级流水线工作方式，具有强大的指令系统和高速的数据处理功能，并且含有丰富的外接IO端口、片内集成外围设备和专用的脉冲宽度调制(Pulse Width ModulationPWM)生成单元和捕获单元，因此控制性能远远超过传统的16位微控制器，可以满足电能质量控制中实时运算的要求。重要数据的存储由系统外扩一片存储器CY7C1021芯片来完成。锁相环电路可以获取a相电源电压的相位，用于谐波检测算法。控制系统的译码电路采用CPLD实现，用于协调各模块之间的逻辑关系。控制脉冲通过空间矢量算法产生。最后由驱动板将DSP板生成的PWM信号转换为能有效驱动IPM的脉冲信号。4系统硬件设计和实现4.1主电路的设计和实现4.1.1主电路结构串联型电能质量控制器所采用的主电路应能产生三相可控电压，对外相当于三相可控电压源。经常采用的主电路结构有两类：一个三相逆变桥或三个单相逆变桥。本文主电路采用一个三相逆变桥的拓扑结构。其结构如图4-1所示。图4-1串联型电能质量控制器的主电路结构主电路包括电力电子器件、直流侧电容、输出滤波电路、变压器等几部分。4.1.2主电路元件的选取和参数的设计在设计之前，首先根据电网和负载的工况，确定串联型电能质量控制器的额定工作条件如下：电源电压：380V负载功率： 6.6 kVA（根据负载的参数确定）主电路电流：2 kVA针对三相对称系统的应用，本文主电路的参数设计，主要以单相电路进行分析的。单相系统结构图如图4-2。图4-2串联型电能质量控制器的单相系统结构1）功率器件的选取为简化设计，功率器件选用智能功率模块(Intelligent Power Module，简称IPM)模块。IPM是采用微电子技术和先进的制造工艺，把智能功率集成电路与微电子器件及外围功率器件组装成一体，能实现智能功率控制的商品化部件。模块大多采用密封式结构，以保证良好的电气绝缘和抗震性能。用户只须了解模块的外特性即可使用。因此，采用IPM可以简化设计工作，缩短系统的研制周期。模块内部主要包括欠压保护电路、驱动IGBT的电路、过流保护电路、短路保护电路、温度传感器及过热保护电路、门电路和IGBT12。本文实验装置采用三相的IPM模块7MBP75RA-1200。其耐压为1200V， 电流为75A。2）变压器的设计从电路拓扑上看，变压器设计主要是选择变压器的变比以及额定工作时的电压、电流、容量等参数。由于变压器串联在电源和负载之间，因此其主电路一侧电流的额定值和负载额定值一样。当桥式整流负载工作在额定情况时，其直流侧电压uLd为540V。所以变压器主电路一侧的额定电压峰值为负载相电压峰值： 2-1)当选择直流侧电容电压uDC为700V时，串联型电能质量控制器主电路中变流器能够输出的最大电压的峰值为(2-2)考虑到损耗及裕量，选择变压器的变比为n=1。因此，可知变压器主电路一侧的有效值为： (2-3)综上，本文最后确定的变压器的额定电压为90V，额定电流为5A。变压器应能满足1kHz以下正常工作的要求。3）输出滤波电路设计功率电路的输出是频率很高的方波，需要将其开关频率的分量滤除后才能接到变压器上。滤波电路设计的原则是能恰好滤除开关频率的分量，保留输出所需要的谐波分量。滤波环节的传递函数为：(3-1) 其谐振频率为：(3-2) 本文开关频率为固定的20kHz，要求串联型电能质量控制器能补偿20次以内的谐波，即能无失真地输出1kHz以下的补偿电压。根据滤波环节的波特图，综合考虑开关频率的滤波效果、输出频率和最小的谐振幅度，确定滤波参数为L=0.2mH、C=20F、R=2 。此时，系统的谐振频率为3.5kHz，传递函数为：(3-3)4.1.3主电路的实现主电路的设计，除了要对元件的参数进行设计，还需要进行散热的设计、电磁兼容的设计、结构的设计，以及用户操作接口的设计。图4-3给出了最终实现的全数字串联型电能质量控制器实物照片。图4-3串联型电能质量控制器实物照片4.2控制电路的设计和实现控制系统是串联型电能质量控制器的核心。本文采用以DSP为核心控制器的全数字控制方案。4.2.1控制系统结构控制系统检测主电路的电压或电流信号，经相应的运算，产生占空比变化的脉动信号，驱动变流器中的开关器件动作，实现对主电路的控制。出于降低制作风险、方便调试以及通用性等方面的考虑，本文控制电路分布在两块电路板上：数字控制电路板（简称DSP板）、信号采集电路板（简称A/D板）。图4-4给出一个直观的示意图。图4-4串联型电能质量控制器的控制系统结构4.2.2数字控制电路板的设计和实现DSP是整个数字控制系统的核心，本文选用TI公司的DSP芯片，型号为TMS320LF2407A。TI公司开发的DSP芯片占世界DSP芯片市场的50以上，在中国应用也最为广泛。TMS320LF2407A采用多级流水线工作方式，具有强大的指令系统和高速的数据处理功能。采用TMS320LF2407A组成的DSP系统如图4-5所示。图4-5DSP控制系统结构图图4-6表示了数据在控制系统中的流向，描述了整个控制系统的轮廓和连接关系。图4-6控制系统数据流向示意图数字控制板主要实现数据的采集、补偿指令电流的运算以及与其他设备通讯的功能。它以DSP芯片为核心，由扩展存储器、CPLD模块和PWM信号输出模块构成。1) 扩展存储器系统需要外扩数据存储器。在调试的时候，用作程序存储器和数据存储器；在实际运行的时候，用作数据存储器。系统使用了一片CY7C1021，连接如图4-7。图4-7外扩存储器(CY7C1021)电路2) CPLD逻辑控制模块控制系统的译码电路采用可编程逻辑器件（Complex Programmable Logic Device，简称CPLD）实现，用于协调各模块之间的逻辑关系。CPLD是一种可编程逻辑器件，主要是“与-或”两极结构，采用可编程“熔丝”将“与”门阵列、“或”门阵列及寄存器互连起来。具有集成度高、结构灵活等特点，还有标准逻辑器件和半定制逻辑器件的优点。CPLD的逻辑结构和功能，最终由用户编程决定。主要实现以下功能：1) 进行A/D转换时的地址译码和数据锁存；2) 增强总线驱动能力3) 协调各个中断综合考虑容量、时延和成本等因素，选择了ALTERA公司的EPM7128STC100-15。其信号连接如图4-8所示。图4-8CPLD (EPM7128STC100-15)电路3)PWM信号输出模块针对驱动板的特点，PWM信号输出模块需要将DSP直接输出的PWM信号反相，并进行锁存。同时在系统初始上电时，PWM输出信号应当封锁，以免出现异常。选用的芯片为74ACT00，其连接如图4-9。图4-9PWM信号输出电路4.2.3信号采集电路板的设计和实现信号采集电路板主要完成信号采集、模数转换的功能，它以A/D转换芯片为核心，由输入信号检测和调理模块、A/D转换模块和锁相环构成。1) 输入信号检测和调理模块三相负载电流经霍尔电流传感器后，在取样电阻上形成与其成比例的电压信号，然后经同相比例放大电路（输入阻抗高，可减少对前级电路的影响）后，进入抗混叠滤波电路，其原理图如图4-10。设计的抗混叠滤波器的截止频率为2.5kHz。图4-10前向信号调理电路2) A/D转换模块串联型电能质量控制器的指令是谐波，因此，需要A/D芯片具有比较高的精度，而且应能同步采样。A/D转换由外扩的三片A/D转换芯片A/D7864来实现的。A/D7864片内含有12位A/D转换器快速模拟数字转换芯片，转换速率为250kSPS。它具有4路输入通道，可同时采样并进行转换。典型的采样转换时间为4s，用单一正5V供电，模拟量输入范围为10V。自身具有高速并行输出接口，以二进制补码形式输出。控制系统通过编写DSP和CPLD的程序来控制三片A/D转换芯片的启动与转换结果的读取。采样时间的基准由电压同步电路和CPLD共同进行控制来完成。负载的三相谐波电流信号、三相谐波电压信号以及直流母线电压信号分别经相应的隔离和信号调理电路调理后进入各自的A/D转换芯片进行A/D转换，如图4-11。图4-11A/D转换电路3) 同步信号获取模块在电流谐波指令计算时，需要知道正弦波电压的相位，另外，为了确定采样的起始时刻，也需要确定电压的相位信号。为此，将a相电压，经隔离降压后引入到控制电路中，经滤波整形后，将与a相电压同频同相的5V方波信号引入到CPLD，CPLD根据a相同步确定A/D采样时刻，同步信号获取的电路如图4-12所示。图4-12同步信号获取电路设计完控制电路的原理图后，还需要设计印刷线路板，并进行硬件调试。最终实现了串联型电能质量控制器的全数字控制系统实物如图4-13所示。图3-18DSP数字控制系统实物照片5结论本文首先阐述了串联型电能质量控制技术的研究背景和研究现状，分析了电能质量控制技术，然后介绍了串联型电能质量控制器的系统结构和基本工作原理，并设计制作了一台以全控型器件IPM为开关器件的实验样机，分别介绍了主电路和基于DSP的全数字控制系统的设计和实现，并提出了一种适合在定点DSP上实现的空间矢量PWM快速算法。最后，本文详细讨论了当电网存在电压谐波和负载为电压源型谐波源时，串联型电能质量控制器的控制方法。串联型电能质量控制器是一种可以有效提高用户端供电质量的电力电子装置，其对控制系统的实时性要求非常高。本文实现了一套基于DSP的全数字化串联型电能质量控制器，可以实时补偿电网中存在的诸如电压谐波、电压跌落等电能质量问题。该数字控制系统具有硬件设计简单、调试方便、控制灵活、抗干扰性强等模拟控制系统不能比拟的优点。同时，本文还提出了一种适合在定点DSP上实现的空间矢量PWM快速算法。实验表明该系统硬件、软件结构设计合理，具有一定的推广价值。参考文献：1 H. 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