（电力系统及其自动化专业论文）大功率电能质量信号发生装置的设计和实现.pdf

a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f m o d e r ns c i e n t i f i ct e c h n o l o g y , t h e mi sm u c hi n t e l l i g e n ta n dp r e c i s ee l e c t r o n i c s i nt h ef e i l do fc o m p u t e ra n ds e m i c o d d u e t o r , s u c ha ss e r v e r , n u m e r i c a lc o n t r o l - m a c h i n ea n da s s e m b l y l i n e t h e yp r o b a b l yp e r f o r mb a d l ya n de v e nb ed a m a g e dw h e ns u f f e rp o w e rv o l t a g e ，w h i c hw i l lr e s u l ti n a f f e e t t i n gt h ep r o d u c t i o na n dt h el o s so f e c o n o m i c t h e r e f o r e ，d e s i g na n di m p l e m e n to nh i g hp o w e rq u a l i t y g e n e r a t o ri si m p o r t a n te s p e c i a l l y , w h i c hc o u l dp r o v i d es e v e r a lk i n d s o fa b n o r m a lv o l t a g ea p p e a r i n g f r e q u e n t l yi nt h ee l e c t r i c a lg r i d f u r t h e r m o r e ，t h eg e n e r a t o rc a n b eu s e dt ot e s tt h ei m m u n i t , o f e l e c t r o n i c s ， i no r d e rt oi m p r o v et h ea n t i - j a m m i n ga b l i t yo fe q u i p m e n tw h o s er e l i a b l i t ya n ds e c u r i t yw i l lb em o r e s t r e n g t h e n e d n o w a d a y s ，a l t h o u g ht h ep r o d u c t i o no f f o r e i g nc o m p a n yp e r f o r mw e l l ，t h ep r i c ei sh i g h i nc h i n a j u s ta f e wc o m p a n i e sp r o d u c ep o w e rq u a l 时g e n e r a t o ra n di t sp e r f o r m n c ei sd i f i c i e n t 1 1 1 ep o w e rq u a l i t y g e n e r a t o r so re q u i p m e n t si nt h em a r k e tc u r r e n t l ya r ef a rf r o mp e r f e c t i th a v es om a n yd e m e r i t st h a t 啪 n o tm e e tt h en e e do f t e s tr e q u e s tp r i m e l y , l i k eh e a v y , u n a b l et om o v e ，i n t i r c a t es t r u c t u r e ，e t e i nt h i sp a p e r , h i g hf r e q u e n c ys w i t c ha n dh i g hs p e e dc o n t r o l l e ra r es t u d ya n da p p l i e di nt h ea c d c - a cc i r c u i ti no r d e rt o p r o d u c eh i g hp o w e rq u a l i t ys i g n a la n dt oa c h i e v et h eg o a lp r e f e m b l y i no r d e rt oi m p l e m e n tt h es i g n a lg e n e r a t o r , f i r s t l y , t h i sp a p e rs t u d yt h ea c d c - a cc i m u i ta n dm a k e s i m u l a t i o nt oc o n f i r mo n eb e s ti ns e v e r a le o n t r o ls t r a t e g i e s n er e s u l to fs i m u l a t i o ns h o wt h a tt h es t u d y m e t h o di sa v a l l a b l ea n dr e a s o n a b l e b ys i m u l a t i o na n dc a l c u l a t i o n p a r a m e t e r so fh a r d w a r ea r ef i x e do ni n t h em a i nc i r c u i t ，l i k ed i r e c tc a p a c i t a n c e ，i n p u ti n d u c t s n c ea n df i l t e rp a r a m e t e r s s e c o n d l y , o nt h eo n eh a n c t , t h ef i l t e ra n dp r o t e c t i o nc i r c u i t ，s i g n a lr e g u l a t i o nc i r e u i t , c o n t r o lc i r c u i ta r ed e s i g n e da n dl a yo u tr e a s o n a b l y i n t e u i g e n tp o w e rm o d e l ( i p m ) i ss e l e c t e d a sp o w e rd e v i c ea n dt h ed s po ft m s 3 2 0 f 2 8 1 2i ss e tt o c a t c u l a t ed a t a b yc h a n g i n gt h ep u l s ew i d t ht oc o n t r o lt h ei g b t - t h ef u n c t i o no ft h es a m p l ei sf u l f i l e d o nt h eo t h e rb a n d u n d e rt h ei n s t r u c t i o no fc o n t r o ls t r a t e g y , t h es o f t w a r eo fc c si su s e dt op r o g r a m m e m a i n l yw i t hcl a n g u a g ea n d a s s e m b l el a n g u a g e t h es o f t w a r ei sb a s e do nm o d u l a r i z e dd e s i g n ，w h i c hh a sa c l e a ra r r a n g e m e n ta n de a s yt od e b u g f i n a l l y , a r e rt h ed e s i g no f t h eh i g hp o w e rq u a l i t yg e n e r a t o r ，d e b u g a n dw a v e - t e s tw a sd o n et om o d i f yp a r a m e t e ro fi t s t h er e s u l ts h o wt h a tt h ep o w e rg e n e r a t o rc a np r o d u c e w a v e so f v o l t a g es a g , s w e l l ，f l i c k e r , h a r m o n i ca n dn o t e h w h i c hc a nb ea p p l i e di nt e a c h i n ga n de x p e r i m e n t b e c a u s eo f i t ss m a l le a s y t om o v ea n ds i m p l es l n l e t u r e k e yw o r d s ：p o w e rq u a l i t y ，s i g n a lg e n e r a t o r ，c o n t r o ls t r a t e g y ，d s p ，坤m 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 签名： 关于学位论文使用授权的说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 签名3 鄱哞导师签名嗣强日舢，f 乃 第一章绪论 1 i 研究背景 第一章绪论 随着高新技术产业的发展以及信息设备在社会各个领域的渗透应用，电能质量问题日益引起人 们的广泛关注。在信息技术飞速发展的今天，计算机、微处理器控制的用电设备和电力电子设备在系 统中大量投入使用，它们对系统的供电质量的要求特别高，即不论系统是处于正常稳态还是故障状态， 均需保证幅值偏差很小的基波正弦电力的可使用性。 据国外统计一次幅值低于9 0 、持续时间超过3 5 m s 电压骤降可造成半导体芯片工厂的直接损 失约为1 0 0 万美元。随着中国经济的快速发展，高新技术在中国也得到了长足的进展，对电能质量敏 感的负荷也日益增加，电能质量问题造成的危害也日益突出i l “。 据美国文献调查，对于高薪技术产业，不到l o o m s 的电压中断或暂降造成的损失，可能与几分 钟的电压供电中断或暂降造成的损失相当，线路发生经常性电压下跌和短时扰动时，都将影响这些 设备的正常工作，造成控制失误( 如计算机丢失数据或死机，通讯信号中断) 、设各损坏、产品报废( 尤其 是微电子器件及有关材料制造) ，引起的损失可达1 8 0 万美元年。 图1 1 为中国某航天基地实际测量到的动态电压跌落示意图，这样的电压跌落将对敏感的高技术 设备造成严重影响，因此引起了军事科学部门及电力部门的高度重视”j 。 图1 - 2 为某精密制造业检测到的动态电压跌落并引起跳闸停电的录波图，该电压跌落造成了该企 业制造流水线停电跳闸，直接导致约3 0 万元的经济损失，据称这样的电压跌落故障每年都要发生。国 内其它的i t 制造企业也发生过类似的电压跌落问题，并引起过停电。 图1 1 航天基地动态电压跌落示意图图l - 2 精密制造业的动态电压跌落示意图 i e e es t d 1 1 0 0 1 9 9 9 将“电能质量”定义为“满足电子装置的运行条件，并能够以一种与逐步线系 统及其它相关装置相协调的方式驱动、保护电子装置”。 图1 3 是i e e es t d l l 5 9 0 1 9 9 5 中的有关规定，我国在参考i e ce m c - 6 1 0 0 0 系列标准和i e e es t d 标准后，已经颁布的电能质量系列国家标准有供电电压允许偏差、电压允许波动和闪变、公 用电网谐波、三相电压允许不平衡度和电力系统频率允许偏差等五项标准。 东南大学硕士学位论文 幅值 1 0 誓毒电压突升 过电压 正常运行 电压 电压跌落 缺口 欠电压 暂杏 时 暂时 5 y c k3 s1 m i a 图 - 3i e e es t d l l 5 9 1 9 9 5 中的有关规定 时问 国际上已有大量关于动态电压质量问题对各种用户造成损失的研究报告。各种电能质量问题的 产生原因、规律、特点及其控制手段是目前研究与开发的热点课题。 电能质量问题会对电力系统、电力公司和用户带来严重的危害，主要表现在以下几个方面 4 - 0 3 ： ( 1 ) 谐波使公用电网中的元件产生附加损耗，降低了发电、输电设备的效率。 ( 2 ) 引起电网谐振，放大谐波电流或电压达数倍至数十倍，造成设备损坏，尤其是对电容器和 与之串连的电抗器构成威胁。 ( 3 ) 导致电设备发生过热，损耗。电机运行时振动加剧，产生附加噪声。变压器局部过热，损 坏绝缘。使电缆、电容器等设备加速老化，缩短寿命。 ( 4 ) 继电保护装置和自动装置发生误动和拒动，造成不必要的供电中断、导致事故或扩大事故。 ( 5 ) 影响计量表计的准确性，产生计量误差，给电力公司或用户带来经济损失。 ( 6 ) 干扰通讯系统，造成电话噪声和通讯受阻、信息丢失，特别是高压直流输电系统( h v d c ) 的影响很大。 ( 7 ) 短时停电或电压骤降、骤升会影响许多行业的生产过程，如接触器、r r 行业的服务器等， 会带来严重的经济损失，破坏用户的正常工作。 ( 8 ) 电压的波动和闪变会引起设备工作异常，诸如电机的转速不匀、显示器画面闪烁等。 ( 9 ) 短时的电压暂态会带来很高的电压瞬时峰值，损坏用电设备的绝缘。 同时，调查结果显示电力系统中发生电压暂降的频率是很高的： ( 1 ) 美国电压暂降幅值低于0 7 p u 的典型值为1 8 - 2 0 次年，低于0 9 p u 的次数为5 0 次，年。 ( 2 ) 加拿大对工业用户的调查结果是每个用户侧监测点每相每月平均暂降3 8 次。 ( 3 ) 英国某造纸厂年电压暂降事件次数约3 6 次。 c 4 ) 杭州东信通讯移动电话公司2 0 0 3 年上半年就发生了6 - 7 次暂降事件。 有鉴于此，电能质量问题越来越受到电力研究人员的广泛关注，许多研究成果都已经应用于电 能质量问题的治理领域当中，如有源滤波器( a p f ) 、动态电压恢复器( d v r ) 、统一电能质量控制 2 第一章绪论 器( u p q c ) 等，并取得良好的效果。 用电设备受到电能质量问题的影响取决于两个条件：发生的电能质量问题种类、严重程度和用 电设备本身的免疫度。前者与电网的实际情况和治理措施相关，后者主要取决于自身的性能。在一 定的电网电能质量环境下，具有较高免疫能力的电气设备工作的可靠性更高，更加经济，因此，电 能质量免疫问题的研究和电能质量问题治理显得同等重要。在研究中，治理和免疫两个方面需要统 一考虑。可以根据用电设备免疫能力制订实际的治理措施和治理力度，确定治理的侧重点，达到技 术和投资的综合效率最高。另一方面，在现有的治理条件和用电环境下，选择免疫能力强的设备入 网工作，增加设备工作的可靠性。 不同的设备由于工作原理、工作环境、设计标准、制造厂家等不一样，在电能质量免疫问题上 的表现也不一样。为了得到各个类型的设备在不同的电能质量问题下的工作特点，理论分析和计算 是一个方面，更重要的是必须通过专门仪器对设备进行测试，得到其免疫能力的实测数据，才可能 有效研究治理电能质量问题的方法，减少电能质量问题带来的经济损失。因此，适用的测试仪器对 于电能质量问题的研究和治理来说显得尤为重要。 1 2 研究的现状及其意义 随着现代科学技术的发展，供电系统中增加了大量的非线性负载，会引起电网电流、电压波形 发生畸变，造成电网的“污染”；由于负荷扰动、电力系统故障引起的电压波动、瞬间跌落等电能质 量也很常见。 根据i e e e 第2 2 标准统筹委员会( i e e es t a n d a r d sc o o r d i n a t i n gc o m m i t t e e2 2 ) ( 电能质量) 和其 它国际委员会推荐如下几种定义，各术语的定义如下川： 电压跌落( s a g s ) ： 电压或电流有效值降至额定值的1 0 9 0 ，持续时间为o 5 个周期至1 分钟。 电压中断( i n t e r r u p t i o n s ) ： 在一相或多相线路中完全失去电压( 低于额定值的l o ) 一段时间。持续时间0 5 个周期至3 秒为瞬时中断；持续时间3 秒至6 0 秒为暂时中断；持续时间大于6 0 秒为持续中断。 电压上升( s w e l l s ) ： 电压或电流有效值升至额定值的1 1 0 以上，典型值为额定值的1 1 0 一1 8 0 ，持续时间为0 5 个周期至1 分钟。 电压尖峰( t r a n s i e n t s ) ： 指在一定时间间隔内两个稳态量之间的变化。电压尖峰可以是任意极性的单方向脉冲或是第一 个峰值为任意极性的衰减振荡波。 过电五, ( o v e r v o l t a g e ) ： 电压为额定值的1 1 0 - 1 2 0 ，持续时间大于1 分钟。， 欠电五( u n d e r v o l t a g e ) ： 电压为额定值的8 0 - 9 0 ，持续时间大于1 分钟。 谐波( h a r m o n i c s ) ： 3 东南大学硕士学位论文 频率为电源基波频率整数倍的正弦电压或电流。由电力系统中的装置和负载的非线性特性引起 的波形畸变可分解为基波和各次谐波之和。 间谐波( i n t e r h a r m o n i c s ) ： 电压和电流的频率不是基波频率的整数倍。间谐波主要由静止变频器、周波变频器、感应电机 和电弧设备产生，电力载波信号也认为是一种问谐波。 电压凹陷( n o t c h e s ) ： 持续时间小于0 5 个周期的周期性的电压扰动。电压缺口主要是电力电子装置由一相换至另一 相时参与换相的电路瞬时短路造成的，与电压凹陷有关的频率分量很高，采用谐波分析仪测量可能 是很困难的。 电压闪变( f l u c t u a t i o n s ) ： 电压闪变，有时也称为f l i c k e r ，是指电压幅值在一定范围内有规律地或随机地变化。其电压幅 值的变化通常为额定值的9 0 1 1 0 。这种电压波动常称为电压闪变。在输电和配电系统中电压闪 变主要是由电弧炉冲击引起的。 在图l - 2 图l - 9 中，显示了各类电能质量问题的波形。 图l 4 电压凹陷( n o t c h e s ) 波形 图1 - 5 电压跌落( s a g s ) 波形 图1 6 电压骤升( s w e l l ) 波形图1 7 电压尖峰( t r a n s i e n t s ) 波形 图1 - 8 电压谐波( h a r m o n i c s ) 波形图1 - 9 电压间谐波( i n t e r h a r m o n i c s ) 波形 4 第一章绪论 图l - 1 0 电压闪变( f l u c t u a t i o n s ) 波形 图i - l l 电压中断( i n t e r r u p t i o n s ) 波形 从收集的研究文献和产品资料来看，当前，国内外用来模拟产生电能质量问题的方法主要有以 下几种限2 1 ： l ，用柴油机作为动力装置，通过改变发电机励磁电压的大小，使得发电机输出电压产生骤降。 这种方法存在体积和重量大、功能单一、输出精度不高、通用性差的缺点。 2 、用晶闸管控制电抗器来模拟产生电压的骤升、骤降、过电压、欠电压以及诣波。这种方法的 缺点与l 相同，而且还会产生电流谐波污染电网。 3 、用电能功率标准源产生电能质量问题信号。但是这种方法的主要缺点是输出功率不够，而且 波形种类也不够丰富，不能为一些大功率的设备供电，只能用来校准各种交流电压表、交流电流表、 功率表、相位表和电能表，如美国福禄克公司推出的6 1 0 0 a 型电能功率标准源的电压输出端只能输 出5 0 v a 的功率。 4 、采用小信号源外加放大器放大的方法产生电能质量问题信号。这种方法的特点是结构相对复 杂，功率不容易做大，但是难以满足大功率测试的要求。 5 、采用电力电子技术产生电能质量信号，功率较大，但是所能产生的信号较少，以电压跌落、 中断和骤升为主。 目前，国外和国内的很多科研单位都研制出了电能质量分析仪。种类较多，并且对电压、电流 波形进行检测分析，还能测量各次谐波。 为了克服以上缺点，本文采用电力电子技术研究大功率电能质量信号发生装置。采用交直- 交 主电路结构，选用大功率的i g b t 作为功率器件，高速d s p 作为控制核心，达到结构简单、体积小、 功率大，电能质量信号种类多的要求。 美国f l u k e 公司生产的f 4 3 手持型电力质量分析仪就具有完善的测试功能，能够捕捉瞬变电 压和波形失真，测量谐波最高次数达5 1 次；该公司的6 1 0 0 a 可以产生一整套全面类型的电能功率信 号序列，并具有非常高的准确度。根据系统的配置，可以组合为l 、2 、3 相或4 相系统。虚负载功 率6 1 0 0 a 能提供达1 0 0 0 v 的正弦电压和2 0 a 的正弦电流。从电压输出端可提供5 0 v a 的功率来支 持从所测电源线吸收功率的设备。从电流输出端可提供高达1 4 v 峰值的顺从电压，以确保电流在包 括长电缆、连接器和切换器，或者多个设备串联时的可靠传输。电流输出端也可提供辅助输出电压， 用来模拟由分流器或电流钳产生的信号，如图1 1 2 。 另外安捷伦公司a g i l e n t 6 8 0 0 b 系列交流源分析仪，是适应多种应甩，如电源测试、u p s 测试、 航空a t e 的理想仪器，可测试经功率因素校正的设备和部件。它是一种多功能的仪器，它可用作交 流源、支流源、强大的任意波形发生器，以及通用功率分析仪，从而节省工作台和机架空间。还可 s 查塑奎兰塑主兰堡堡兰 使用可选的第2 台功率分析仪，以用作独立源或用于双节点测量，例如电源输入或输出效率测试。 如图1 1 3 。 图1 - 1 2f l u k e 公司6 1 0 0 a 电能功率标准源 图l 一1 3 安捷伦公司6 8 1 0 b 系列的功率源 但是，国内尚无大功率电能质量信号发生装置系统能满足实际的需要，不能提供足够、全面的 数据给电能质量免疫研究。就现有设备本身来看，有的体积笨重，无法应用到工业现场流动测试， 甚至本身就会带来电能质量问题；有些设备虽然可以携带，但是信号种类较少，适应不了不同设备 和应用场合的需要，或者是功率太小，无法对大功率工业设备进行测试。而国外较好的该类设备虽 然性能良好，功能强大，但是价格昂贵，从性价比来说不利于实验室使用。 因此，该课题具有一定的创新性和实用性。 1 3 论文的主要工作 本文预期设计出一大功率的电能质量信号发生装置，该装置的具体指标为： ( 1 ) 输入电压：单相2 2 0 v 交流电； ( 2 ) 输入频率：5 0 i l z ： ( 3 ) 输出电压波形：电压跌落，电压骤升，电压凹陷、电压尖峰、电压谐波等； ( 4 ) 输出电压：2 2 0 v a c + l o ； 6 第一章绪论 ( 5 ) 输出电流：5 a 1 0 ： ( 6 ) 开关频率：1 0 5 0 k h z ： 论文的主要研究工作： ( 1 ) p s c a d e m t d c 是一个0 以1 1 t 形为基础的电力系统模拟工具，采用其对主电路进行模拟仿真。 在信号发生装置研究的原有基础上，对主电路控制策略上进行了适当调整和改进，同时研究了信号发 生装置闭环控制的仿真图像和实际效果。 ( 2 1 设计了电能质量信号发生装置的硬件。通过仿真以及实验确定了主电路、调理电路、驱动 电路等硬件模块原理和功能以及电容电感等重要参数。芯片的选择和原理图设计尽量满足一般工业 控制要求、以增强实用性，同时贴近教材。便于实验及教学。使用p r o t e l9 9 软件进行电路板的绘制 并且制作成硬件。 ( 3 ) 设计了电能质量信号发生装置的软件，采用d s p2 8 1 2 作为核心控制器进行编程处理数据。 软件设计中采用模块化思想，以c c s 为编程平台，运用c 语言和汇编语言编程。 ( 4 ) 将各部分硬件进行焊接与组装，同时通过软件进行编程控制，调试软硬件，制作样机。结 合设计和调试过程中遇到的问题，针对该装置的性能优化及抗干扰相关问题作了仿真和改进。 7 东南大学硕士学位论文 第二章信号发生装置的结构和原理 2 1 信号发生装置的结构 信号发生装置主要由以下几部分组成，具体如图2 - t ： 1 主电路：主要是整流和逆变两个电路组成，用i g b t 作为开关，具体分析见主电路原理。 2 驱动调理板：主要采用三菱公司的i p m 模块，内部集成驱动电路和过流保护；对a d 转换 前的信号进行调理，该板还包括了锁相电路( p l l ) 和复位指示等辅助电路，以满足d s p 的需要。 3 控制板：采用美国1 1 公司的d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 作为控制核心，对数据进行处理，控 制开关信号。 4 电源： 型号a t x - 3 0 0 p 4 - p f c ； 输入：a c 2 2 0 v3 a5 0 h z ； 直流输出： 十3 3 v ，1 4 a ： - 5 v ，0 3 a ； + 5 v，2 1 a ； 一1 2 v ，0 8 a ； + 1 2 v ，1 0 a ； + 5 v ， 2 a ； 所有硬件安置在变流箱中，为提高整个系统电磁兼容性，变流箱共分三层板。上层为控制板和 供电电源，采用1 1 公司的t m s 3 2 0 c f 2 8 1 2 d s p 设计的控制板完成系统采样信号处理、控制算法实 现、保护和状态信号输出及驱动脉冲产生等功能；中间层为驱动调理板，完成驱动信号电平转换和 控制电路及主电路之间的隔离：底层为主电路开关管、电压电流传感器和电容电感。 一般功率器件电压定额为输出电压的2 - 3 倍，所以功率开关器件采用额定电压6 0 0 v ，额定电 流5 0 a 的i g b t 。另根据系统控制需要，选用3 个电压传感器测量交流和直流电压，2 个电流传感 器测量交流电流。 信号发生装置中功率开关器件电路是散热问题考虑的主要对象。将i p m 、电流、电压功率放大 管附着在大型散热器上，增大其散热面积是必要的措施。除此之外，还需要在散热器上添加散热风 扇，构成风冷回流，以提高散热的效益。 8 第二章信号发生装置的结构和原理 2 2 信号发生装置的原理 2 2 1 主电路特点及其原理 图2 - l 信号发生装置侧面结构图 电能质量信号发生装置要求能够输出各种类型的电能质量信号，包括谐波、电压跌落、电压骤 升、闪变、凹陷等，对用电设备进行电能质量免疫能力测试；输出量具有较高的精度，可控性能好： 电能质量信号发生装置工作时，对电网而言可以看作普通用电设备，不能对电网产生污染，并且保 证高功率因数，减少吸收的无功。电能质量信号发生装置的硬件尽量简约不繁琐，便于携带，且抗 干扰能力强。 为了满足以上要求，所选的电路结构应该具有如下的特点【1 1 川： ( 1 ) 结构简单，输入输出可以实现解耦控制； ( 2 ) 可控性能强，硬件器件简单； ( 3 ) 输入侧对于电网能够呈现等效线性特性，输出侧对负荷呈现电压源特性； ( 4 ) 能够允许较大的功率穿越； ( 5 ) 工作损耗小，效率高； 根据以上的要求，在拓扑上选择交一直交( 双p w m ) 电路作为主电路，如图2 - 2 所示： 9 东南大学硕士学位论文 整流 逆变 。适 ch 褥in c 心奄 蚝 ：。 “ 兰 厶 6 丰地 翘i 蚝奄 l k 适i n 领 【 图2 - 2 电路拓扑结构 分析整流电路，各个不同开关模式期间内，电流流通回路如下： 砖 i ：趟 【： 二土1 - _ _ - - _ r r r y 、_ - _ _ 一 ，t1、趟i ；还 i ：、 图2 - 3 ( a ) o ：y 。迹 ， ，t1 v l 2 _ _ _ _ _ 1 、1 _ _ _ - 一 “m j l 、u c ；还 - v 砭 4 图2 - 3c o ) l 毒 i ：固j 【： 4 】 _ _ r y _ r 一一 “ ，t17 趟i ：趟 ：、 图2 - 3 ( c ) l o r r r 第二章信号发生装置的结构和原理 羹 i ：趟 ， ，t1 ： _ _ _ - o 、1 1 _ _ _ _ _ 7 趋：v 。链 i ：、 图2 3 ( d ) 图2 3 不同开关模式下电流路径 r 图2 - 3 所示粗线条和箭头为电流流通路径。在同一个开关模式下，也会存在两个不同的电流流 通路径。从换流过程可以看到，交流侧的电流和功率全部进入直流侧，发生功率交换和传递。如果 直流电容容量足够，那么在p w m 开关过程中直流电压可以近似认为保持不变。由于电感l 存在， 电感电流变化的时候会出现电感电动势，与交流电源叠加后加在整流器交流侧，能够实现升压整流， 直流电压可以高于交流电源电压的峰值。整流器交流侧电压u a c 波形为幅值在u d c 和一i l d c 问切换的方 波，在第k 个开关周期有如下表达式： 甜。= “。p = 冀。磊i ：兰巍，m c z 钔 t s 为开关周期，为开关导通时间。开关函数p 是一系列的方波脉冲，其排列和脉宽规律决定 于调制方式。通常获得p 的方法有两种：一是采用正弦脉宽调制( s p w m ) 得到；二是通过电流滞 环控制计算得到。 2 2 2 整流的控制策略 整流电路的控制方式，有以下几种方案：优化p w m 方式；空间电压矢量控制方式；滞环电流 控制方式等【1 0 。 优化p w m 方式一般又分为二种：其一为谐波消除法，其二为优化目标函数法。前者适用于低 调制比场合，没有角度调变的缺点，但他的缺点是总的谐波失真率比后者要大。而后者适用于高调 制比的场合，随着调制比的变化，开关角度存在调变的缺点，但其总的谐波失真率比前者要小。 空间电压矢量控制方式是依据变流器空间电压矢量切换来控制变流器的一种新颖思路的控制策 略，主要用于三相控制方面。 滞环电流控制方式具有控制精度高且响应速度快、电流跟踪能力强、硬件实现容易等特点，因 此选其作为整流控制方式 东南大学硕士学位论文 交流同步 电压信号 直流 图2 4 参考电流的产生 直流电 压给定 p i 是比例积分环节，用以实现无差跟踪，提高控制精度。直流电压给定和实际直流电压的差值 经过p i 环节后，与电网电压同步信号相乘，就得到参考电流乇。 藤_ 乒一 蠹。豢羚黪i 图2 - 5 滞环电流原理 当实际电流f t 艿时，关断q z t iq 3 ，开通q l 和q 4 ，对直流电压侧电容反方向充电，使 电流f 控制在环宽范围内；反之，当f 一s 万时，亦然。占越小，f 就越接近站但控制频率将增 加。频率增加会导致开关损耗增加，同时在控制中计算量增加，难以满足计算速度的需要，因此实 际应用中会采用折中的策略，保持一定的控制精度，让系统具有良好的动态性能，又不使频率增加 过多。 2 2 3 逆变的控制策略 逆变电源是一种采用开关方式的电能变换装置，图2 - 6 是逆变电源中能量的转换过程：输入的 工频交流电经过整流电路成为直流电，直流电通过逆变电路变为交流p w l v i 波电压，其基波频率是 逆变电源的输出频率，p w m 波电压经过输出变压器隔离，再由l c 滤波器滤成正弦波 衡量逆变电源性能高低的主要指标是输出电压的品质，输出电压品质由以下特性来衡量刚： ( 1 ) 稳压特性：指稳态时输出电压有效值的稳定度，一般用电压稳定度来衡量。 ( 2 ) 稳频特性：指稳态时输出电压频率的稳定度。一般用频率稳定度来衡量。 ( 3 ) 波形特性：指稳态时输出电压波形的特性。一般用以下四项指标评价： t 总谐波含量：除基波分量外各次谐波的方均根电压值与基波电压有效值之比。 b 单次谐波含量：某一次谐波电压有效值与基波电压有效值之比。 1 2 第二章信号发生装置的结构和原理 c 波峰系数：电压峰值与有效值之比。 d 偏离系数：波形对基波相应点的偏离之与基波峰值之比。 ( 4 ) 动态特性：当负载突变或输入电压突变时，输出电压波动越小，调整时间越短，说明逆变 电源的动态特性越好。 ( 5 ) 电压调制特性：指输出电压幅度的波动特性。用电压调制量的大小来衡量。电压调制量是 指稳态输出电压峰值包络线的最高电压与最低电压之差。 图2 - 6 逆变电源变换的基本原理 逆变电路是能够实现直流电能到交流电能的转换电路。逆变技术中最重要的组成部分就是控制 电路和控制策略的实现。本文对电压滞环反馈控制、无差拍控制、p w m 开环控制和滑模变控制结 构控制策略进行了分析和比较。 1 电压滞环反馈控制 如图2 7 ，电压反馈控制是采用输出电压瞬时值反馈控制策略，输出电压与电压给定比较产生 的误差信号经调节器后，其输出信号用以调节正弦调制信号的幅值，这样输出电压的幅值可连续调 节并保证一定的静差。另外为了实现输出电压波形控制，使反馈电压与正弦调制信号比较后再经一 个p i d 电压调节器，其输出信号作为调制信号与载波信号比较产生s p w m 信号控制开关管。其控 制方式与电流滞环控制类似，故不赘述。 整流 2 无差拍控制 图2 - 7 电压反馈滞环控制框图 东南大学硕士学位论文 g o k h a l e 在1 9 8 7 年根据卡尔曼等人提出的无差拍控制理论应用于逆变控制上，逆变电路无差拍 控制才引起广泛重视。该控制是多变量反馈控制，它是在控制对象离散数学模型基础上，经过精确 计算控制量而在下一个周期内修正输出误差。现用具体的电路说明其基本原理，逆变主电路如图2 - 8 所示【2 1 1 。 避童 t 链 【t a 一e dc 吼f c uc l 图2 - 8 逆变原理图 取电容和电流为状态变量，其状态方程为 鲁= 血+ 舰。 x = k ci c l l a = 01 胪l 绉j 根据线性系统理论，其运动方程的表达式为 工( f ) 2p 肌工r f d ，+ e a e - t ) b u ( o d t 把式( 2 5 ) 离散化后的方程 x 洙+ o t j = x ( 囤七2 e a m b e a d t o 七a 1 2 2 七a t s 名1 b e d 把式( 2 - 6 ) 展开得 黔射幺篇 + 汁删一 乏 ( 2 - 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 - 7 ) 从上式中第一分式提出了a t ( k ) ，并用蚱f 传+ 矽代替伍+ 砂就能得到无差拍控制算法。 删= 伟+ 一厶一厶嘞一厶屹+ ( z - 8 ) 此算法中每个采样间隔发出的控制量t 强) 是根据当前时刻的状态向量和下一时刻给定值计算 出来的，由负载扰动或非线性负载引起的输出电压偏差可在一个采样周期得到修正。 此控制方式有非常快的动态响应，跟踪精度高等优点，对于电流电压等多变量反馈优点更为突 出。 绉勉d 绉 第二章信号发生装置的结构和原理 3 p w m 开环控制方式 p w m 调制采用三角载波与调制信号比较得到触发脉冲实现控制。p w m 三角载波方式一般都是 固定频率的，滤波器参数的设计和计算简单。p w m 控制方式使用d s p 控制也较容易实现，有些型 号的d s p 如t m s 2 x 系列的事件管理器专门能够实现p w m 功能，给控制和设计带来较大便利。 用通用定时器产生p w m 输出，采用连续递增递减计数模式。通过a d 采样中断函数，根据控 制策略对数据进行处理判断后触发p w m l 、2 和p w m 5 、6 ，p w m 波不可以与功率电路直接相连， 中间需要隔离和升压处理。该方法较为简单容易实现。 4 滑模变控制结构控制 滑模变结构控制是变结构控制系统的一种控制策略。该控制策略与常规控制的根本区别在于控 制的不连续性，即一种系统结构随时变化的开关切换。该控制特性可以迫使系统在一定条件下沿规 定的状态轨迹做小幅度、高频率的上下运动，即滑模运动。信号装置的闪变由于逆变电路内在的开 关切换，使其适合于滑模控制。早期的模拟滑模控制有电路复杂、控制功能有限且可靠性差的弱点， 数字滑模控制克服了模拟控制的缺点，同时滑模控制的最大优势是对参数变动和外部扰动不敏感， 这样使逆变电路性能大大提高 2 2 2 4 。 滑模控制器的设计步骤：1 、设计参考模型的动态行为。设计滑模面，保证逆变电路输出在滑模 域，具有跟踪参考模型相同的系统响应。2 、设计对象的开关率使其满足滑模控制的达到条件。3 、 设计对象的开关率使其满足滑模控制的达到条件。 图2 - 9 前馈滑模控制框图 在仿真过程中，由于无差拍控制的算法比较复杂，实现起来不容易，它对系统模型的准确性要 求较高，对负载大小的变化及负载的性质变化比较敏感，当负载大小变化及负载性质变化时不易获 得理想的波形输出，不采用；而p w m 的控制方式虽然容易实现。但是波形的精确度和谐波比较多； 滞环控制里的：离散滑模控制能使逆变电路输出波形有较好的瞬态响应，但是系统的稳态性能却不 够理想。为此，如图2 - 9 所示，改善系统稳态性能和稳态精度。但是当负载超出正常值后，滑模控 制的负担将会非常严重。滑模控制优点明显，但稳态性能不好，切换面难于选取。 东南大学硕士学位论文 滞环控制对于持续时间短而且变化率非常大的信号，需要的时候能改变控制的频率，根据情况 增加控制的开关脉冲数，就很好地真实反映所需波形。同时在输出变化率不大的信号的时间段内， 频率无需维持那么高，这样对于开关的损耗也不高，也能够输出所需的电压信号。滞环控制的输出 电压变化范围被限制在上下环宽之间。当环宽比较小，输出电压的波形将基本吻合参考信号。通过 调整环宽可以控制波形畸变大小，保证波形良好。 综合上述，逆变电路选择电压反馈的滞环控制策略。 2 3 本章小结 本文设计的信号发生装置结构主要分为三层，上层为控制板和供电电源，采用n 公司设计的 t m s 3 2 0 c f 2 8 1 2 d s p 为控制器完成系统采样信号处理、控制算法实现、保护和状态信号输出及驱动 脉冲产生等功能；中间层为驱动调理板，完成驱动信号电平转换和控制电路及主电路之间的隔离； 底层为主电路开关管、电压电流传感器和电容电感。 电能质量信号范围不限于简单正弦波，还包括许多非正弦信号，涉及到信号的时延、精确、畸 变以及开关损耗等问题，因此需要综合考虑控制策略。在主电路控制方面，本文分析讨论了整流侧 和逆变侧的几种控制策略，从控制精度高低、响应速度快慢，电压电流跟踪能力强弱、硬件实现容 易等方面考虑，最后采用了滞环控制策略。 1 6 第三章系统硬件设计 3 1 系统设计 第三章系统硬件设计 如图3 - 1 ，信号发生装置的硬件一共由三大部分组成： i 、控制板 采用d s pt m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ( t i 公司推出的数字信号处理器) 作为控制核心，其a d 电路为d s p 自身所有，1 6 通道高性能1 2 位a d c 单元提供了两个采样保持电路，可以实现双通道信号同步采样。 、驱动调理板块 该板块包括了各传感器、信号调理电路、保护电路、锁相电路( p l l ) 和复位指示等辅助电路。 、主电路 直流电容c 、滤波器l c ，功率器件选择m m 智能功率模块p s 2 1 8 6 9 ，基本结构为i g b t 管与续 流二极管反向并联，内部集成驱动电路和过流、过压、过温保护。 3 2 硬件参数的选择 3 2 1 输入电感设计 图3 - 1 系统设计图 整流侧的交流电感主要有两个作用：抑制电流谐波和实现升压整流。设计中要首先对电流滞环 控制的开关频率进行分析，电感值必须能够跟随滞环控制的最高开关频率，由此确定电感值上限。 在滞环开关频率低的点处要求能够抑制谐波，由此确定电感值下限。另一方面，为产生足够高的附 加电势，电感值不能太小。 电感上限值确定如下【1 5 捌： 1 7 东南大学硕士学位论文 ， 二小 h 甜_ 锚 图3 - 2 整流电路图 图3 3 过零点处一个开关周期内电流波形 甜。“ac2 上万 u = x 2usi n ( t + 妒) u 。2 一ed 0s t f ， u 口c 。edt 上 。一 t i + t 2 一t l + t 2 图3 - 3 中各电流值和表达式如下： 1 8 ( 3 - 2 ) 第三章系统硬件设计 她= 譬半 妒华 i = 压i s i n ( c o t ) ( 3 - 3 ) 开关频率远高于工频的时候，设在考察的开关周期内电压值为蛳并保持不变( 当为单位功率因 数