（电力电子与电力传动专业论文）vsi型电力扰动发生装置的研究与实现.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 电力扰动发生装置是电能质量研究和实验的重要工具，在分析国内外现有的电 力扰动发生装置的基础上，本文提出了一种新型的基于v s i 方式的电力扰动发生装 置的研究思路。并且对主电路和控制部分的研究与设计进行了阐述，最后给出实验 结果证明了上述方法的正确性和可行性。 本文首先论述了电力系统分析与电力设备特性研究中电力扰动发生装置的作 用，以及国内外电力技术研究中电力扰动发生装置的状况。接下来，介绍了电力扰 动发生装置的原理与整体构成，对主回路、控制回路及监控系统进行了简要说明。 论文在第三章系统论述了装置实现过程中开展的相关理论问题的研究，如锁相问 题、三相完备p w m 、p i 控制等。在接下来的三章内容中，论文详细论述了主回路的 实现方法、下位机的硬件实现与软件编程及上位机监控系统的编程。最后，论文给 出了装置所能达到的性能指标及实验波形示例，表明所开发的扰动发生装置的成功 运行及在电力系统负荷特性、电能质量等领域研究工作中的应用。 关键词：扰动发生装置，v s i ，电能质量 a b s t r a c t t h ep o w e ri n t e r r u p t i o ng c n e r a t o ri s i m p o r t a n ti n s t r u m e n tf o rp o w e rq u a l i t y r e s e a r c ha n de x p e r i m e n t a f t e ra n a l y z i n gt h ee x i s t e n tp o w e ri n t e r r u p t i o ng e n e r a t o ri n t h ew o r d ，w eg i v eo n en e wr e s e a r c hm e t h o do fp o w e ri n t e r r u p t i o ng e n e r a t o rb a s e do n v o l t a g es o u r c ei n v e r t e rm o d e a n di n t r o d u c et h er e s e a r c ha n dd e s i g no fm a i nc i r c u i ta n d c o n t r o lm o d u l e i nt h ee n d ，w eg i v et h ei n s t r u m e n tr e s u l ta n dp r o v et h ev a l i d i t ya n d f e a s i b l eo ft h ea b o v e m e n t i o n e dm e t h o d f i r s t l y , w ed i s c u s st h ea c t i o no fp o w e ri n t e r r u p t i o ng e n e r a t o ri np o w e rs y s t e m a n a l y s i sa n dt h er e s e a r c ho fp o w e re q u i p m e n tc h a r a c t e r i s t i c a n di n t r o d u c et h er e s e a r c h s t a t u so fp o w e ri n t e r r u p t i o ng e n e r a t o ri nt h ew o r d t h e n w ei n t r o d u c et h ep r i n c i p l ea n d s t r u c t u r eo fp o w e ri n t e r r u p t i o ng e n e r a t o r a n dw ei n t r o d u c et h em a i nc i r c u i t t h ec o n t r o l c i r c u i ta n dt h em o n i t o r i n gs y s t e ms e p a r a t e l y a tt h et h i r dc h a p t e r w ed i s c u s st h e c o r r e l a t i o nt h e o r yw h i c hw eh a v er e s e a r c h e dd u r i n gt h er e s e a r c ho fp o w e ri n t e r r u p t i o n g e n e r a t o r i nt h ef o l l o w i n gt h r e ec h a p t e r s ，w ed i s c u s st h ei m p l e m e n t a t i o no fm a i nc i r c u i t ， t h ec o n t r o l l e r sh a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o na n ds o f t w a r ep r o g r a m m i n g a n dt h es o f t w a r e p r o g r a m m i n go fm o n i t o r i n gc o m p u t e r i nt h ee n d ，w eg i v et h ep e r f o r m a n c ei n d e xa n dt h e w a v e f o r m ，p r o v i n gt h ep o w e ri n t e r r u p t i o ng e n e r a t o r ss u c c e s s f u lo p e r a t i o n ，a n dp r o v i n g t h ea p p l i c a t i o ni nt h er e s e a r c ho fp o w e rs y s t e ml o a dc h a r a c t e r i s t i c sa n dp o w e r q u a l i t y k e y w o r d s ：i n t e r r u p t i o ng e n e r a t o r , v s l p o w e rq u a l i t y 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文 。， 。, j u l 口a h i l 卢p ；口 l p ：( 3 - - 1 6 ) 叫叫 每种情况对应的函数s 如图3 7 中的粗实线所示。图中对【，。进行了归一化处 理，设定幅值范围为 一1 ，4 - 1 。 从图3 7 可以看出，函数s 为连续但一阶不可导函数，普通的连续且一阶可导 非线性规划最优解存在的必要条件不能满足【1 2 1 。因此，无法采用传统的解析法进行 求解。事实上，图3 7 所示函数s 均由两段线性函数构成。设两线段的交点为u 。， 由于在的u a o 任一去心邻域z ( u b o ，6 ) ，8 0 内，函数s 均可导，当x ( u b 。- 8 ，) 时，( x ) 0 ，依据函数取极值的有关定理， s 在u 。处取得极小值，记作。，其与o l 、p 的关系也在图3 7 中给出。具体数 值求解可通过m a t l a b 等数值计算软件进行。同理可以得到u 。、的最优取值，这 样也就是确定了相电压调制波的变化规律，如图3 8 所示。图3 9 为此调制波的 频谱特性。可以看出谐波分量仅包括3 k 次谐波，且主要成分为3 次谐波。 华北电力大学硕士学位论文 i 多、| |+ 溉 i 、 i u + 口 文妒澎：| 。“。) o r “一= 一 。 肛。加r “_ = 一 4 a t 。 o 时卜j 1 口i l 2 u “，| _ 吉峰专；当口 o 时，l 昙 一声) 医丢u 。 由此可知，相电压的最大幅值为去。那么相对于采用普通s p w m 法，其电压利用 率提高了( 2 一- , 5 ) 3x 1 0 0 w 1 5 5 。这与准优化p w m 基本一致1 3 1 ，但是此法从理 论上系统证明了谐波注入p w m 能够达到的电压利用率的极限值。 当然上述电压提升方法只能用于输出三相对称电压扰动的情景，对于非对称扰 动，电压提升只能依靠合理设计变压器变比的方法。 图3 9 ( 1 ) 完备p 咖调制波波形 图3 - - 9 ( 2 ) 完备p w m 调制波频谱 m昭。舭扪棚帆舳 蜡霉 华北电力大学硕士学位论文 3 3 3 针对单相负荷的控制模式 国3 - 1 0 单相逆变器的结构 a b 在负荷是单相的情况下，出于提高直流电压利用率和降低损耗的考虑，扰动发 生装置只输出单相电压波形。在对输出滤波器的接线作简单的改动之后，只给逆变 器的一个h 桥发出驱动信号，第三个桥臂一直闭锁，就可以得到单相电压了。 逆变器直流侧电容电压是l ，7 ，希望逆变器输出端a 、b 间电压为“。，对应调制 波吼、d b 撇m a x o u 。l ，l u 。i ) 甜2 ， 压，为了反馈控制能够简单快捷的实现， 示如下： 由于针对单相负载，采集到的只能是线电 仍然采用基于线电压的调制方式，具体表 u = + d ，“口= d ( 3 - 1 7 ) 其中，d 是偏移量，按照具体情况取不同的值，当d = 一甜。2 的时候，逆变器 直流电压利用率可以达到1 0 0 ，等效开关频率大于器件开关频率。也可以说，针对 单相负荷的这种调制方式是基于线电压的瞬时平移法的一种特例。 3 4p i 控制 p i 控制是应用最广泛的一种控制规律，调节器的输出与输入之间是比例一积分的关 系。在大多数的控制系统中，由于外界的干扰和各参数的变化以及系统各部分的损耗等， 将会使系统的性能和精度降低。采用p i 控制可以克服这些不利因素。p i 算法除了按偏 差的比例调节外，引入偏差的积分，以克服余差，提高精度，加强对系统参数变化的适 应能力。由此构成理想的模拟p i 调节器的算式为i h l ： = k 专扣叫 睁m 传递函数为： 坤) = k p + 鲁 ( 3 - 1 9 ) 式中：p ( ，) 是被控量y 与给定值，的偏差值( 控制器输入信号) ，“( f ) 是控制量( 控 制器输出信号) ，k 。为比例系数，正为积分时间常数。 2 7 华北电力大学硕士学位论文 数字控制系统采用采样方式实现对过程的检测与控制，属于采样调节。因而， 描述连续系统的微分方程由相应的描述离散系统的差分方程来代替，即数字p i 调节 器。将上式中的积分项和微分项用求和及增量之比来近似表示，则离散型系统的 p i 算式为： ”( ，) z u ( k t ) g ( r ) e ( k t ) f 印) 斫“丁壹咄r ) 砟= 巧 气+ 吉嘉勺丁) ( 3 - 2 0 ) ( 3 2 1 ) 式中：e 。为第k 次采样所获得的偏差信号； 吼为本次和上次测量值偏差的差。 在p i 调节器中，输出值将对应执行机构的实际位置，因此这种算法称为p i 的 位置算式。在位置算式中，每次的输出与过去的所有状态有关。它不仅要求计算机 对e 进行不断累加，而且在计算机发生任何故障时，会造成输出量巩的变化，从而 大幅度地改变执行机构量，容易带来严重的后果。因此目前计算机控制的p i 算式常 作如下的变化。 考虑到第k 1 次采样有： = 巧卜考雾叫 利用u 。和一算式计算两次采样时输出量之差： 诈= 飞。= 巧 c 咯唯沙吉咕 因为a e 5 一一l ，a e k 1 2e i l p 女一2 。 所以 = 巧 c 畋飞小专叶 2 k p ( e k e k 1 ) + 墨气 式中：k2 巧事为积分系数。 为了易于编程实现，将上式合并同类项为： 2 8 ( 3 2 2 ) ( 3 2 3 ) ( 3 - 2 4 ) 华北电力大学硕士学位论文 a u k = k p ( a o e k + a , e k t ) ( 3 2 5 ) 式中：4 = 巧 t + 号 ： b = 一k ，。 上述算式只要预先将a ，b 两系数计算好代入即可依此编制程序。但形式上已 看不出比例、积分关系，只对应各次偏差对控制作用的影响。根据上面算式可画出 程序框图，如图3 1 1 所示。 图3 - 1 1p i 算法程序框图 2 9 华北电力人学硕士学位论文 d s p 输出的指令电压控制逆变器的动作，目的是调制出符合要求的电压波形， 该电压经过滤波器后输出给负荷，在滤波器上有一定的电压损耗，同时当负荷轻重 的不同也会影响输出电压的幅值，因此实际电压就可能达不到需要的数值。通过采 样负荷的电压值与指令电压进行p i 调节，就可以很好的将电压损失消除，具体实现 如下图： 3 5 改进的p l 控制 图3 - 1 2 扰动发生装置p i 控制图 1 积分分离的p i 控制 在一般的p i 控制系统中，当起机、停机或大幅度改变给定值时，由于短时间内 产生很大偏差，加上系统有滞后，往往会产生严重的积分饱和现象，造成很大的超 调和长时间的振荡。为了克服这一缺点，可以采用积分分离手段。其基本思想是： 当偏差气比较大时，取消积分作用，引入微分量；当偏差e 比较小时，投入积分作 用，取消微分作用。 积分分离的算式为： 舰= 髋：矧：嚣最：未尝钚c s z e ， 其中芦为积分分离值。 2 带有死区的p i 控制 带有死区的p i 控制的指导思想是，人为地在计算机中设置不灵敏区( 死区) b ， 当偏差的绝对值川 b 时，增量算式的输出为0 ，即保持原控制量不变；当1 e k l 嚣时， a u k 以p i 算式运算后输出 t s i 。它的控制算式为： 龇一矿忙j 姜i 划= i 刮i 悻b b c s z ， 这种控制方式避免了控制系统的频繁动作，适用于控制过程要求尽量平稳、控 制精度要求不太高的场合。不灵敏区b 的大小应根据实 q - 况需要而定，b 选得太 华北电力大学硕士学位论文 小，引起系统的频繁动作，不利于系统的稳定性；b 选得太大，将影响系统的精度。 3 不完全微分的p i d 控制 对理想的p i d 算式，当输入信号发生较大变化时微分项的输出急剧上升( 或下 降) ；当输入信号恒定不变时，微分项的输出为零，在理想的p 1 d 算式中，微分作用 ( 完全微分) 仅在第一个采样周期内有一个大幅度的输出，而大部分执行机构无法 在较短的采样周期内跟踪较大的微分作用的输出。此外，由于微分作用的急剧变化， 控制系统很容易产生振荡，使调节质量变差。为了克服这一缺点，可仿效模拟调节 器的不完全微分形式，采用如下的算式： 锱= ( 3 2 8 ) 式中杨为微分系数。采用不完全微分的算式，微分项在阶跃信号作用下的输出 能缓慢地持续多个采样周期，使执行机构能较好地跟踪微分作用。同时不完全微分 的p i d 算式中含有一阶惯性环节，具有数字滤波的能力，因此抗高频干扰能力较强， 不易引起振荡，改善了控制品质。 电力扰动发生装置运行模式多样，工作状态各异，控制方法依工作状况调整。 暂降发生期间，进行p i 调节没有意义：稳态运行期间，不进行调节择无法保证输出 的精度。因此，扰动发生装置应在稳态运行期间，依据负荷水平及输入电压变化进 行调节，得到合理的调制比。扰动发生时，固定该调制比，除电流保护外，闭环调 节闭锁。 3 6 扰动发生装置设计的数值仿真 为对所设计的扰动发生装置的特性事先有所了解，对设计方案及参数进行必要 的调整。在装置物理实现之前，进行了数值仿真。负荷考虑恒阻抗、恒电流及恒功 率特性。仿真所采用的主电路如图3 一1 3 所示。 障囔i 三罐阳i 兰曩 睡薹i h = p e 重圣】 图3 1 3 扰动发生装置仿真模型 3 1 兰髟 + 上私 + 华北电力大学硕士学位论文 下面是针对三相三线制负荷进行仿真，产生各种类型的扰动波形的结果。 1 电压暂降： 通过控制调制波( 乩6 ，u b 。) 幅值，在0 1 s o 2 s 时刻从3 8 0 v 减d , n2 0 0 v 电 压，之后又回复到原来的3 8 0 v 。最终得到暂降波形为持续时间1 0 0 m s 、暂降后幅值 为4 7 ( 2 0 0 v ) 的电压暂降波形。 图3 1 4 电压暂降波形 2 三相不平衡 控制调制波( 以6 ，。) 为不同的值( 例如3 8 0 v 和2 0 0 v ) ，与同个三角波 比较产生所需波形。最终得到不平衡度为4 7 的线电压波形。 广丁_ - if fl t lj 、，。j1 1 、。i f 1 l ，1 ，1j r l l】；1 f “i ，1j ? il 1 1i j ，ih l 。，i 一 图3 - 1 5 三相不平衡 3 频率变化的波形： 通过改变调制波频率为4 9 h z 和5 1 h z 来实现所需波形。从图3 1 6 中的( 1 ) 和( 2 ) 可以看出，输出波形的周期发生了变化。 3 2 枷 l 兰 。 华北电力人学硕士学位论文 6 0 0 - - - - - - - - - - - - - - 4 0 0 l ji “，j 2 0 0 ，”， o ? f 、jf 一2 0 0 、il 4 0 0 1 f ? ：。f 。 e o o jj 菇r 矗 图3 1 6 ( 1 ) 4 9 h z 的输出电压 6 0 0 r一 4 0 0 11，7 1，一 ? o l1 1 1 2 0 0 1 + 。h1 i 1 11i _ r 0r 1 ：ll - 2 0 0 ，。i l fj - 4 0 0 【j 【f i 。h；1 j l v 。 。1 “。 6 0 0l ，j 一。j ，一 00 0 5 0 10 15 1 ：f ：1j ：、，、： 1 ，_ - 、f j l 、j 图3 1 6 ( 2 ) 5 1 h z 的输出电压 4 电力谐波 在所需基波中加入幅值为基波1 0 的5 次谐波作为调制波，再与三角波进行比 较。 图3 - 1 75 次谐波 为了验证仿真结果是否为1 0 的5 次谐波，通过m a t l a b 的m 文件编程，实现 对逆变侧的p w m 波形和经过滤波器后波形的傅立叶变换，得到幅频特性图。其结 果示于图3 - 18 中。 3 3 刊。 华北电力大学硕士学位论文 1 0 0 一1 一一”t 5 0 o 。- 。童k i 。l 上。盘一一。j02 04 08 08 01 0 01 2 0 1 4 01 6 01 8 0 2 0 0 1 0 0 厂_ r 一一 一 5 0h uul-*u-一 02 04 06 0 8 01 0 01 2 01 4 01 6 01 8 02 0 0 图3 - 1 8 ( 1 ) 逆变侧p w m 波的幅频特性( 2 ) 经过滤波后的输出波形的幅频特性 ( 横坐标：谐波次数；纵坐标：占基波百分数) 从图中验证了输出电压中含5 次谐波且幅值为基波的1 0 。 5 电压闪变 将基波用1 0 基波幅值、频率为1 0 h z 的正弦波进行调幅，再与三角波进行比 较产生开关控制信号。 图3 1 9 电压闪变 通过以上主回路设计到仿真分析，我们得出的结果与理论分析相符合，说明了电力 扰动发生装置样机设计方案的可行性。 一 兰i ! 鱼垄查鲎堡圭兰堡鲎塞 一 第四章电力扰动发生装置下位机控制器硬软件设计 4 1 硬件设计 411 硬件原理 扰动发生装置的控制器以主控板为核心，采样、信号调理、驱动板等辅助板配 合主控板的工作。硬件原理图如图4 - l 所示。 4 1 2 主控板设计 图4l 控制器硬件原理图 扰动发生装置采用t i 公司t m s 3 2 0 f 2 4 0 ( 以下简称f 2 4 0 ) 作为控制芯片。 t m $ 3 2 0 c 2 4 x 系列d s p 属于定点型的，是t i 公司专门针对电机、逆变器、机器人、 数控机床等控制而设计的，在电力系统中有着非常广泛的应用。f 2 4 0 片内外设非常 丰富，包括事件管理模块( e v ) 、a d 转换模块、串行通信模块( s c i ) 、串行外设 接口模块( s p i ) 、中断管理系统和系统监视模块。具体讲，f 2 4 0 内置硬件乘法器， 8 级硬件堆栈，6 个外部中断，三个1 6 位通用定时器，3 个全比较p w m 单元，4 个捕获单元，2 个8 通道1 0 位a d c ，2 8 个可编程i o 引脚。上述这些硬件单元都 为我们实现功能强大、算法复杂的高速控制器提供了基础。 t m s 3 2 0 f 2 4 0 主要结构如下图4 - 2 所示i ”l ： t m s 3 2 0 f 2 4 0 主要结构如下图4 - 2 所示i ”l ： 华北电力大学硕士学位论文 图4 - 2t m s 3 2 0 f 2 4 0 结构原理图 f 2 4 0 片内集成的丰富的外设使主控板的外围电路非常的简单。主控板的主要输 入输出信号有p w m 输出、模拟量输入、锁相信号输入、报警信号输入、i o 量输出、 人机接口、电源接口等【2 3 1 。 考虑到采样精度的问题，我们采用高精度的1 4 位a d c 芯片m a x l 2 5 ，可以同 时满足采样精度和速度的问题。m a x l 2 5 a d c 是1 4 位带多路开关和采样保持电路 的a d 转换器，具有8 种转换模式及一个节电模式，a d 转换时间是1 3 s 。用户可 在2 组多路开关之间选择同时采样的4 路输入通道，容易实现保证采样得到的三相 工频信号之间的正确相位关系。 d s p 器件通过j t a g 测试口与仿真器相连，在p c 机上做好的程序可以通过 j t a g 接口下载到目标系统的存储器中运行。利用f 2 4 0 的事件管理器模块可以产生 用于控制逆变器的6 路p w m 信号，这6 路p w m 信号的高电平是5 v ，为了与驱动 板进行配合，同时为了增大驱动能力，装置采用电压抬升芯片把高电平抬升到了 3 6 华北电力人学硕士学位论文 1 5 v 。扰动发生装置采用r s 2 3 2 串口与其他设备进行通讯，所以在主控板上还有相 应的串口通讯芯片。 4 1 3 辅助板设计 测量与信号调理板。包括电压互感器( 交流) 、电压霍尔( 直流) 、电流互感器 ( 交流) 、信号的调理、过零检测电路( 用以产生锁相信号) ( 如下图4 3 ) 等。电 压互感器采用星格s p t 2 0 4 ，电压霍尔采用l e m 产品l v 2 8 p ，电流互感器采用绿加 力的l a 5 0 p 。采样过来的信号通过由运放电路组成的调理电路调理后送到主控板 上。过零检测电路将正弦波整形成方波信号，整形后的信号接入d s p 的捕获输入端 口。从而可以利用d s p 的捕获单元进行锁相。 i g b t 接口与驱动板。主要包括p w m 信号的隔离与电平转换、故障信号的隔离 和驱动i g b t 。d s p 的p w m 信号输出给驱动板，由驱动板驱动i g b t ，同时驱动板 负责逆变器的保护以及向d s p 发送故障信号。考虑到综合成本和开发周期，本装置 采用的是西门康的驱动板s k h 6 0 i ，它的电源是由主控板提供的1 5 v 电源，采用硬 件完成保护和故障报警等操作，具有很高的可靠性。 继电器板。包括开关信号的隔离和驱动、继电器等。继电器板采用的是小容量 的继电器，主要是增强d s p 发出的开关信号的驱动能力，用以控制装置输出继电器 和旁路继电器的投切，同时还负责控制故障报警设备。 4 2 软件设计 4 2 1 程序结构及流程图 图4 - 3 过零检测电路 n 公司提供了很好的d s p 开发平台c o d ec o m p o s e r ，此平台支持汇编语言和c 语言编程。平台提供了图形化的调试手段，可以将d s p 内存中的数据以图形的方式 显示出来，方便快捷。平台提供在线硬件仿真功能，便于在调试中发现程序的不足 3 7 华北电力大学硕士学位论文 之处以及加以修改。由于采用的是时钟溢出中断，需要对程序的源代码进行精确的 控制，我们采用d s p 汇编语言进行应用系统的设计。 为了解决汇编语言的可读性差的缺点，软件的编写时刻体现着功能化和模块化 的编程思想。基于这个编程思想，软件的设计工作主要分为三步，归纳起来也就是： 总分一一总。首先，总体的规划，根据装置所要实现的功能确定软件总的结构； 然后，把整个软件分成若干个功能模块分别实现：最后，把所有的功能模块整合在 一起，同时根据具体的需要对某些模块的功能进行加强或调整。 从结构上讲，软件主要包括初始化程序，主循环和中断服务程序三个部分。在 初始化程序中，主要是对d s p 的各种寄存器和各个子程序的初始化。d s p 系统初始 化主要是将f 2 4 0 配置成正确工作的状态。包括定时器周期的设置、系统时钟设置、 事件管理器设置、看门狗设置等，其中事件管理器设置中又包括定时器计数器计数 方式设雹、p w m 输出状态设置、死区时间设置( 一般设为3 微秒) 、捕获单元设置 等【2 ”。子程序初始化主要是进行变量的写入。数字滤波子程序初始化是写入滤波使 用的差分方程的系数：p i 子程序初始化完成写入p i 调节参数。 在各子程序初始化完成以后，进入了主循环。在主循环中实现对实时性要求不 高的串口通讯数据处理等操作，在主循环结束的时候是看门狗写入操作。当时钟溢 出中断发生的时候进入中断服务程序，否则一直循环下去。中断可以发生在主循环 的任何位置，当中断发生的时候，中止当前的操作，并对锁存那一时刻的状态，当 中断服务程序执行完毕，跳出中断后，程序跳到进入中断时的位置，继续向下执行。 图4 4 为主程序流程图： d s p 系统初始化 a d 、v o 口：扔始 化 数字滤波子程序 初始化 锁相于程序初始 化 d s p 上电运行或m 5 c 各子程序变量 初始化 进入主循环 看门狗写入 数据传送子程序 韧始化 产生指令电压于 程序初始化 直流电压处理子 程序初始化 p i 子程序 初始化 图4 - 4 主程序流程图 系统的数据采样和运算都是在定时器中断服务程序中进行的，我们采用定时器 1 的周期匹配中断。在系统初始化中，设置定时器1 的周期寄存器的值，在定时器 3 8 华北电力大学硕士学位论文 开始计数后，到达周期寄存器的值时重新开始计数同时将产生周期中断，进入中断 服务程序。此定时器中断每7 6 微秒产生一次。定时器1 同时用作产生锯齿波的工 具。在中断程序中主要是进行采样锁相、实现控制算法、输出控制结果以及故障检 测和处理等。 上位机与下位机之间的串行通信也采用中断方式。上位机每传送给下位机一个 字节，就执行一次串行通信中断服务程序。采用中断方式可以保证数据接收的可靠 性，有效避免数据丢失。 ， 当进入中断服务程序后，必须马上执行中断现场保护程序，目的是记下中断发 生时刻的主循环中执行到什么位置。当中断服务程序结束的之前必须执行的是中断 现场恢复，目的是使把程序指针指向中断发生时主循环中的位置，然后返回到那个 位置。 4 2 2 上位机与下位机通信方案 扰动发生装置上位机与下位机的通信可按两种方式进行： 1 、扰动波形的信息直接用波形数据表示 这种方法简单地说就是把波形等间隔地进行数据采样，然后把采样得到的波形 数据全部传输给下位机。 该方法的优点：下位机处理接收的数据时，不用针对每一种扰动类型都开发一 个相对应的处理模块，只需开发一个相对统一的处理模块即可。而且，增加没有事 先定义的扰动类型时，无需修改下位机的程序。 该方法的缺点：由于需要对波形进行采样，这样得到的波形数据必然很多，按 照一个周波采样2 6 4 个点计算，一个5 h z 的电压闪变波形将有2 6 4 0 个数据，由于 串行通信只能传输8 位字节，所以每个数据将在d s p 中占用两个字( 1 6 位) ，这样 一个闪变波形数据将达到5 2 8 0 个字。这对于内存的要求，通信纠错的要求都比较 高。但是由于目前内存裕量足够，通信纠错问题也得到解决，所以缺点可以克服。 2 、扰动波形信息采用电能质量标准的参数表示 该方法的优点：由于只需要传输波形的描述参数，所以需要传输的数据量比较 少，数据帧的长度比较短，通讯过程中出错的概率比较小。 该方法的缺点：对于每一种扰动波形，其描述参数都是不一样的，因此，对应每一 种扰动波形，下位机都必须开发一个相应的处理模块，并且还需要自己计算出扰动 波形。而且，即便如此，能够产生的还是一些标准的扰动波形，对于一些不规则波 形或者难以用参数描述的扰动波形，该方法难以胜任。 综合以上比较，扰动发生装置最终决定采用第一种方案。 3 9 华北电力大学硕士学位论文 第五章电力扰动发生装置人机监控系统的设计 电能质量扰动的类型很多，为了充分研究待测试设备在各种情况下的性能，扰 动装置的扰动输出应该既能输出各种标准的单项扰动，又能输出不同类型扰动的组 合；即可以按人为设定的扰动数据输出，也可以按现场录制的实际数据输出，实现 扰动( 或故障) 的重现，从而最大的满足设备检测的和事故分析的双重目的。 根据上述功能，我们采用上位机( 微型计算机) 和下位机( 数字信号处理器d s p ) 协同控制方案来进行扰动装置的软件设计。上位机和下位机采用串行通信实现数据 的传输和指令的发送。 5 1 上位机程序的设计原则 扰动装置的扰动输出是由下位机程序根据给定的扰动波形数据来产生的。扰动 波形数据原则上既可以由上位机生成，也可以由下位机生成。由于组合扰动的不确 定性以及实际扰动数据无法用数学模型精确描述，显然，采取下位机生成波形数据 的方法将使扰动装置的功能受到限制，无法充分满足用户对扰动装置的要求。因此， 我们这里采取由上位机生成扰动波形数据，再将数据通过串行通讯下发给下位机的 方案。这样带来的好处是：一方面，下位机可以将正常的正弦电压波形数据和扰动 波形数据采取同样的方法对待，无需考虑扰动波形数据的生成的。通过将波形的生 成分为正常态和扰动态，并在这两个状态间切换就可方便的实现正常电压的输出和 扰动电压的输出。从而大大简化了下位机的程序结构和复杂性。另一方面，采取这 种方案，既完善了扰动类型，又充分利用p c 机的优势，为用户提供了一个灵活的、 友好的扰动波形定制交互界面。 5 2 上位机程序的功能 通过对扰动装置的功能分析以及对用户的需求分析，我们开发了电能质量扰动 装置的监控平台。该平台采用m v c 软件体系结构，运行在p c 机上，具有以下功能： 1 、数据导入导出： 用户利用数据导入功能，可以将电能质量监测仪和( 或) 故障录波器记录的实 际数据导入监控平台，以完成实际扰动的发生，或者对实测的数据进行电能质量分 4 0 华北电力人学硕士学位论文 析。数据导入支持多种格式( 如：p q d i f f ，f l u k e 等) 。 此外，用户还可以将监控平台产生的扰动数据导出，便于编写分析报告和实验 报告。数据导出支持文本和图形方式。 2 、扰动数据生成 用户根据自己的需要，可生成各种标准的单项扰动数据、组合扰动数据或按实 测数据生成扰动。 3 、状态设置 用户可以根据所接负载的情况，设置装置工作在单相负载或三相负载运行状态。 还可以根据实验的需要，灵活的切换扰动装置的电压输出状态( 输出正常电压状态 和输出扰动电压状态) 。 4 、r s 2 3 2 串口数据通信 扰动装置的运行通过上位机和下位机间的r s 2 3 2 串1 2 通信协调控制。扰动数据 和控制指令由上位机通过通信模块下发给下位机执行。下位机的工作状态由下位机 通过通信模块上传给上位机。 5 、数据分析 为了便于用户对实验生成的数据进行分析，或者对现场的实测数据进行分析， 本软件提供了各种常用的电能质量分析模块。 6 、报告编写 提供报告编写功能，可以在完成实验的同时自动生成实验报告和分析报告，并 根据用户的需要生成w o r d 或e x c e l 格式文档。 7 、在线帮助和标准查询 本软件提供在线帮助功能，以便于用户熟练的掌握软件的使用。此外，软件还 提供电能质量标准查询功能，便于用户客观评价实验数据。 5 3 人机监控界面的实现 经过如上论述，我们选择p c 机来完成人机监控界面的功能。p c 机具有键盘、 显示器、打印机等外设及大容量硬盘和丰富的软件资源，可容易地编制人机界面友 好，数据处理能力较强的软件。在进行后台数据分析时具有集成度高、处理能力强、 工作可靠稳定、直观显示结果等特点。通过p c 机可以较容易地实现上一节所述的 功能。 上位机采用v i s u a lc + + 提供的m s c o m m 控件控制上位机的串口来实现和下位机 的通信。该控件提供了一系列标准通信命令接口，可以连接到其他的通信设备，还 可以发送命令、进行数据交换和监视等功能，从而可以用它来创建全双工的、事件 4 l 华北电力火学硕士学位论文 驱动的、高效的应用通信程序。该方法在应用程序中，不需要直接对接口硬件进行 操作，只需要插入该控件便可调用它提供的所有函数。其余部分工作由系统完成。 系统软件结构采用面向对象的方法化设计，分别设置有初始化串口程序、设置 参数、发送初始化参数、空闲时演示曲线、关闭串口、数据分析等。 在系统中，为用户设计了良好的可视化人机界面，使用户可通过鼠标与键盘预 先协调所要进行的工作，使系统自动运行。同时进行数据采集和各种控制功能转换， 并根据用户的要求，检测相关数据，自动生成各种曲线( 如下图5 1 ) 。 图5 - 1 监控界面软件结构图 图5 - 2 是电力扰动发生装置的人机界面。菜单栏中包括串口打开、关闭、串口 设置、故障波形的产生、波形显示、装置运行方式控制、扰动的发生、扰动停止等 等功能按钮。通过点击菜单来实现上述功能。故障波形的种类包括：电压暂降、三 相不平衡频率偏差、电力谐波、电压闪变。装置运行方式包括：三相运行和单相运 行。 华北电力入学硕士学位论文 图5 - 2 监控界面示意图 界面中是一个电压闪变的生成波形，点击“数据下载”按钮，波形数据就会通 过串口传送到d s p 中存储，在波形数据下载结束后，d s p 上传接收结束信号，“扰 动发生”按钮激活，点击即可发生故障。 为了使上、下位机可靠通信，相互间须有通讯协议。传送方式：p c 机采用查询 方式发送数据，事件驱动方式接收数据；校验方式采用异或校验方式；波特率为 1 1 5 2 0 0 b s ；信息格式：8 位数据位，一位停止位，无奇偶校验。 按照通信协议和用户需求初始化发送数据包。一个数据包如下表5 1 所示，其 串头为f f h ( 1 6 进制) ，紧跟整个数据包的长度( 两个字节) ，然后是命令类型，每 个命令数据一个字节，其后为该命令类型对应的波形数据，每个波形数据两个字节， 最后为异或校验的值( 一个字节) 。表中：h 为高位字节，l 为低位字节。 表5 1 数据包的格式 字节1字节2字节3字节4字节5 f f h长度( i - t )长度( l ) 扰动类型 命令 字节 字节 字节字节字节最后 波形数据 波形数据 异或校验 ( h ) ( l ) 4 3 华北电力大学硕士学位论文 第六章装置达到的指标及实验结果 6 1 扰动发生装置的技术指标 本装置实现的扰动发生装置能够达到的技术指标如下： 电压：3 8 0 v ( 三相) 2 2 0 v ( 单相) 负载能力：2 0 a 扰动类型： 1 ) 电压偏差( + 1 0 一一1 0 0 ) ： 2 ) 频率偏差( 1 0 h z ) ； 3 ) 三相不平衡( 0 一1 0 0 ) ： 4 ) 电压谐波( 最高2 0 次谐波) ； 5 ) 电压波动与闪变( 方波与正弦波调制) ： 6 ) 电压暂降、暂升与短时中断( 暂降：0 一1 0 0 ，暂升：0 一1 5 短时中断：2 s ) ： 7 ) 移相控制( o 一3 6 0 0 ) 8 ) 定制波形 带宽：1 k h z 图6 1 ( a ) 与图6 1 ( b ) 所示为装置的外观及主结构图 图6 - 1 ( a ) 装置的外观图 图6 - 1 ( b ) 装置的主结构图 华北电力大学硕士学1 ： ) = 论文 以下为利用扰动发生样机进行相关实验，所产生的波形。 6 2 电压暂降 电压暂降表现为电压有效值一段时间内的跌落，通常由电力系统邻域内的故 障、大型负荷的启动等造成，是电熊质量诸闯题中怠害最严重，也较难治理的种。 暂降对负荷的危害与暂降的深度、持续的时间密切相关，因此，扰动装置能够产生 可自由设定暂降强度的扰动是一项基本内容。图6 2 所示为电压幅值降落2 0 ，持 续2 0 0 m s 的电压暂降。 j 冀：警：电曼：；掣i 燃燃螋蝴 6 3 三相不平衡 图6 - 2 产生暂降的波形 供用电系统三相不平街度通常限定在z 以内，不平衡度太大，会造成设备利用 率下降、异常发热、负序分量增加等一系列危害。对这一危害的研究就需要扰动装 鼍能够产生不同不平衡度的电压。由于该装置采用三相分别控制的方式，因此，通 过控制调制波为不同幅值很容易实现这种扰动。图6 - 3 所示为产生了一小段时间的 a b 两相发生5 0 电压暂降，c 相正常的情况，随后电压恢复正常，从上到下依次为钿、 砺c 、 图6 - 3 不平衡三相电压波形 4 5 1 s3 月2 d d 5 华北电力大学硕士学位论文 6 4 谐波 传统电压谐波产生的方法是通过有一定内阻的电源驱动非线性负载实现的。这 种方法不仅设备占用空间多，功耗大、效率低，且不易控制。本文实现的基于v s i 的扰动发生装置则通过在调制波中加入各次谐波，且通过对谐波成份及大小的指 定，能够高效率地实现所需的谐波扰动。图6 4 ( 1 ) 所示为含3 0 _ - - - 次谐波时的 输出相电压；图6 4 ( 2 ) 所示为含2 0 五次谐波时的输出线电压；。 6 5 闪变 ： ；_i ： ：广、飞h ：j卜，产飞 0 o 7 一v j “o ：矿 ： ii 。， 一d 图6 - 4 ( 1 ) 含3 次谐波的相电压波形 二 | _ - ；弋 ? ! 一z 囊y 八八：八 vv j v 昭 二o 。、：oo 0，。! 。，。， 。： 图6 4 ( 2 ) 含5 次谐波的线电压波形 电源出现闪变，则在驱动白炽灯时，表现为灯光的闪烁。闪变可通过电压幅度 波动对正弦稳定瞬时值的调制来刻画。这种电能质量问题通过l 节提到的交流斩波 实现就非常困难，而本文提出的方案，则只需预制两张调制波与载波的表格就可实 现所需的闪变扰动。图6 5 所示为经幅度2 0 ，频率8 h z 正弦调制得到的闪变波形。 0 黼剿艏瑟。v釜：垒v建!j氆v翁v鬯 牌 图6 - 5 闪变波形示例 华北电力大学硕士学位论文 6 6 频率变动 频率作为电能质量的一项重要指标，对负荷的运行有很大影响。然而，由于想 改变电力系统频率来分析这种影响比分析电压变化的影响要难得多，至今这类频率 特性的分析并不多见。本文提出的基于v s i 的扰动发生装置则可通过控制器定时步 长的调整得到所需频率的调制波。图6 6 ( 1 ) 所示波形频率为4 9 h z ，图6 6 ( 2 ) 所 示波形频率为5 1 h z 。 图6 - - 6 ( 1 ) 4 9 h z 电压波形 图6 - - 6 ( 2 ) 5 1 h z 电压波形 6 7 负荷特性测试示例 比较异步电机直接接入电网和经由变频调速接入电网的负荷特性是现代负荷建 模的重要课题之一。该课题必需研究负荷在各种扰动下的动态行为。有了本项目实 现的扰动发生装置，测试实验就很容易进行了。图6 7 所示为测试到的异步电机经 由变频调速接入电源和直接接入电源对于小幅电压跌落的响应示例，上图为电压暂 降时的电压值，中图为异步电机经过变频调速接入电源在电压暂降时的定子电流 值，下图为异步电机直接接入电源在电压暂降时定子电流值。 运hr 小 墓l ；型；。二：三盎；土 图6 7 负荷对于电器跌落的响应示例 华e 电力大学硕士学位论文 图6 8 为测量得到的异步电机启动时的电压( 上) 和电流( 下) 波形 图6 8 异步电机启动时的电压( 上) 和电流( 下) 波形 图6 9 为测量得到的带异步电机负载时，发生4 0 幅度电压暂降时，电机定 子侧电压和电流波形： 幽6 - - 9 4 0 幅度电压暂降时，电机定子侧电压和电流波形 华北电力人学硕士学位论文 第七章结论 本文介绍了基于电压型逆变器的电力扰动发生装置的结构与工作原理。给出了 电路的拓扑结构与控制算法。通过功率回路设计、控制回路设计、驱动与保护回路 设计、低通滤波器设计，实现了在实验室环境下的原理性样机。样机能够产生诸如 电压暂降、三相不平衡、谐波、电压波动与闪变、频率变动等电能质量问题相应的 扰动。 本文介绍了硬件锁相和软件锁相的原理，并且成功的将两种锁相方法在扰动发 生装置样机的控制策略中实现，使软件锁相和硬件锁相能有机结合，互为备用，保 证了锁相的成功和可靠。对于数字滤波环节，本文介绍了数字滤波的实现原理，并 且设计了简约的、适用的程序算法，最后成功地将其运用到样机中。 本文介绍了三相完备p w m 波调制用于提高电压利用率的方法，从理论上计算出 调制波中注入3 k 次谐波的p w m 调制能够达到的电压利用率的极限值，并且在样机 实现后，验证了该计算的正确性。 本