（电力电子与电力传动专业论文）三相电能质量信号发生器的设计与研究.pdf

a b s t r a c t硕论文 a b s t r a c t a c c o r d i n gt ot h es i g n a lg e n e r a t o rp o w e rq u a l i t yd e s i g n ，2 hb r i d g ec a s c a d ei n v e r t e rw a s u s e da sm a i nc i r c u i tt o p o l o g y 2 hb r i d g ec a s c a d ei n v e r t e rw a ss t u d i e di n d e p t h a c c o r d i n gt o t h ec i r c u i tc h a r a c t e r i s t i c s ，t r i a n g u l a rc a r r i e rp h a s ep w mc o n t r o lw a ss e l e c t e da sac o n t r o l s t r a t e g y m a t l a bw a su s e dt ov e r i f i c a t et h ed e s i g n 。t h em a i nc i r c u i tt o p o l o g yw a sp r o v e d b ec o r r e c t t h eh a r m o n i cc o n t e n to fo u t p u tw a v e f o r m $ i sr e d u c e d b a s e do nt h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n ds i m u l a t i o n ，id os o m eh a r d w a r ed e s i g n 。i nt h e h a r d w a r ed e s i g n ，i n c l u d i n gt h em a i nc o n t r o lu n i td e s i g n ，d r i v ec i r c u i t ，m a i nc i r c u i ta n df i l t e r c i r c u i th a r d w a r e 。i no r d e rt om e e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s ，w em u s tu s ed s pa n df p g at o g e n e r a t et h ep w m c o n t r o ls i g n a l s o f t w a r ed e s i g ni n c l u d i n gf p g as o f t w a r ed e s i g na n dd s ps o f t w a r ed e s i g n f p g ai s r e s p o n s i b l ef o rt h ec o m p l e t i o no ft r i a n g u l a rc a r r i e r , t h ed a t al a t c h ，p w mc o n t r o ls i g n a l ， c o n t r o lm o d u l e s ，d a t as e l e c t i o nm o d u l e ，iu s em o d e l s i ms i m u l a t i o nt ov e r i f i c a t ee v e r y m o d u l e s ，a l lo ft h e ma l ep r o v e dc o r r e c t d s pi sr e s p o n s i b l ef o rr e c e i v i n gi n t e r r u p t s , t h e n c a l c u l a t ed u t yc y c l e a f t e rt h ec o m p l e t i o no fs o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g n , id os o m et e s t sa n dr e c o r dt h e v a r i o u sw a v e f o r m s e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ep o w e rq u a l i t yg e n e r a t o rc a n u n d e r g o n eav a r i e t yo fp o w e rq u a l i t yw a v e f o r m ss u c c e s s f u l l y c o m p a r e d 诹也t r a d i t i o n a l g e n e r a t o r s ，t h ed e s i g no f t h ep o w e rq u a l i t ys i g n a lg e n e r a t o rh a sa na d v a n t a g e k e yw o r d s ：2 hb r i d g ec a s c a d ei n v e r t e r , f p g a ，s i g n a lg e n e r a t o rp o w e rq u a l i t y , t r i a n g u l a r c a r r i e rp h a s ep w mc o n t r o l l i 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名： 训拳年毒月 了日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： 硕士论文三相电能质量信号发生器的设计与研究 1 绪论 1 1 课题背景 当代，越来越多的电气设备运用到电力系统中，这将会给电网带来众多的电能质量 问题。尤其在一些特殊的行业和领域，运用大量精密仪器和设备，对电能质量提出了更 高的要求。一旦出现电能质量问题，将会给工业生产和生活带来巨大的损失。 美国电科院( e p r i ) 的一份调查数据显示，每一年美国由于电能质量问题造成的损失 超过2 0 0 亿美元。在工业生产中，为了提高生产效率，生产自动化和智能化越来越多地 应用到生产实践中。目前大部分产品生产采用流水线工作，其中任何一个环节发生故障 中断，都将引起这个系统的运行中断，造成巨大的经济损失。 电能质量问题给生产生活带来的危害主要表现在以下几个方面船3 嗣： 1 ) 谐波的产生，增大电网中元件的损耗，大大降低了电能利用的效率；而且谐波 将会造成电气设备局部过热，缩短电气设备的使用寿命； 2 ) 电能质量问题还将会引起电网谐振。产生很大的谐振电流、电压，损坏电气设 备，造成电网的故障； 3 ) 引起继电器或一些自动装置发生误动作，引起供电中断，影响电网的正常运行， 给人们生产生活带来严重的损失； 4 ) 造成突然供电中断或是供电电压忽高忽低。电压的波动和闪变都会导致设备不 能正常运行，导致生产中断或是工作在不正常的状态下： 5 ) 谐波会对通讯造成干扰，产生噪音，引起信息丢失，给企业和用户带来很大的 不便； 6 ) 短时间的电压暂态会使电压达到很高的瞬时值，远远超过用电设备的额定电压， 将会损坏用电设备； 鉴于以上所述的种种危害，电能质量问题得到了人们的广泛关注。各个国家和研究 机构投入了大量的财力和物力在电网治理中，先后设计研发了有源滤波器( a p f ) 、静止 调相机( s t a t c o m ) 、固态电子转换开关( s s t s ) 等。并把成果投入到实际电网中，取得 了良好的效果1 。 各种用电设备受电能质量问题影响的程度各不相同，主要取决于两个方面。一是用 电设备自身的抵抗力，二是电能质量问题的类型和严重程度口，引。前者与设备自身有关。 后者与电网的治理情况有关。在治理中要从两方面入手，即要把新科技和新产品投入到 电网中去，降低电能质量问题发生的概率，并且在同等条件下选择免疫力好的用电设备， 提高设备的可靠性。如何选择免疫力强的用电设备，并把它运用到生产和生活中，这就 需要运用一定的设备对其进行检测。 l 绪论硕士论文 由于不同的用电设备在生产制造、工作原理、性能等方面各不相同，因此对于电能 质量的免疫能力也各不相同。为7 有效选取符合要求的雳电设备，需要通过专f j 酌检测 设备进行检测。因此，这种专门用于免疫力检测的仪器设备显得尤其重要。 1 2 常见电能质量问题 目前常见的电能质量问题主要包括稳态和动态两方面。其中稳态电能质量闻题是指 在段较长的时间里出现一些不正常情况，主要以波形发生畸变为主要特征。相反，动 态电能质量问题则以暂态为特征。 为了能更好地模拟和研究各种电能质量问题，i e e e 和其他专家学者对各种电能质 量问题进行了标准地定义瞪1 伽。 1 ) 电压骤舞( s w e l l s ) ：电压或电流的有效僮上升，并井至额定值的11 0 以上， 时间持续0 5 个周期至1 分钟。 2 ) 电蘧跌落( s a g s ) ：电压或毫流的有效筐下降，并降至额定值的1 0 至9 0 ， 持续时间为0 5 周期至1 分钟。 3 ) 电压中断( i n t e r r u p t i o n s ) ：在一个周期中持续一段时闻失去电压。根据持续时 间的长短又分为瞬时中断和暂时中断。 4 ) 电压凹陷( n o t c h e s ) ：由于电力电子器件在换相中造成电压缺口，此时频率分 量很高。出现的现象为周期性电压扰动，持续时间小予0 5 个周期。 5 ) 电压闪变( f l u c t u a t i o n s ) ：电压规律性的或是随机地在一个电压区间内波动，其波 动的幅度通常为额定值的9 0 - - - 11 0 。 6 ) 谐波( h a r m o n i c s ) ：波形频率为基波频率的整数倍。在电网中，由于一些用电 设备和一些负载引起电网波形的畸变，这些畸变波形中就含有大量的谐波。 图1 1 为各常见电能质量信号波形。 2 a ) 电压中断( i n t e r r u p t i o n s ) 波形妨电压跌落( s a g s ) 波形 硕士论文三相电能质量信号发生器的设计与研究 c ) 电压骤升( s w e l l s ) 波形 l 八八八、 v 晒vv 7 、 八八八八。 v 撇v 7 d ) 电压谐波( h a r m o n i c s ) 波形 i 八 八、八 n 八 八厂、八r n s vvv扩 uuuv e ) 电压凹陷( n o t c h e s ) 波形f ) 电压闪变( f l u c t u a t i o n s ) 波形 图1 1 常见的电能质量信号波形 1 3 研究现状和意义 1 3 1 研究现状 为了测试不同的用电设备对电能质量问题的免疫能力，需要有一个测试仪器，能够 产生几种或全部的电能质量信号波形。而从目前的参考资料和产品说明显示，常用来模 拟产生各种电能质量信号波形的方法有以下5 种： 1 ) 利用改变同步发电机励磁电雁大小来使其产生骤升骤降的电压波形h 。但是这 种方法要用到发电机，体积笨重，只能产生一些单一的电能质量波形，而且输出波形的 精度很低。 2 ) 使用晶闸管来配合电抗器产生各种电能质量波形n 副。其中包括电压骤升、骤降、 谐波等。这种方法也存在与方法一类似的缺点，而且还会对电网造成污染。 3 ) 利用电能功率标准源来模拟产生各种电能质量信号n 观。存在的不足是所能提供 的功率不够大，只能运糟在一些小功率设备中，具有很大的局限性。 3 l 缝论 硕士论文 4 ) 利用小信号源产生信号，经过放大器对信号进行放大的方法来模拟n 钔。这种方 法复杂，操作繁琐。即使透过放大器进行放大，功率还是相对较小，很难满足大功率检 测的需要。 5 ) 运用电力电子技术来模拟产生n 5 1 。虽然能够把功率徽大，满足大功率检测的需 要，但是能模拟的信号种类比较少，不能很好地满足检测的需要。 1 3 2 研究意义 电能质量问题的危害性和严重性越来越突显出来，给人们的生产生活造成了巨大的 影响，弓| 起人们的广泛关注。一些用来检测震电设备免疫力的检测工具应运焉生。但是， 目前市面上的检测设备不能很好地应用到实际当中，存在着很多的不足。或者一些设计 成果只停留在实验室的实验阶段。于是，急需要一些实用、性能优良的检测设各来弥补 这个空白。 国外这方面的研究成果领先于国内。当前国内使用的检测设备都是从国外进口，价 格比较昂贵。如e p s 公司生产的i p c ( 电压扰动发生器) 。国内目前还没有产品能同时 运用在工业生产、实验室等不同场合。目前市场上所需的电能质量信号发生器可以同时 在下述领域中使用： 1 ) 运用在工业实践中。对工业中的设备进行电能质量信号测试，获取不同设备的 免疫力数据，为下一步治理和研究提供可靠的数据支持。 2 ) 作为教学仪器或是实验室的研究仪器。同样也是为实验和教学提供设备，提高 效率。 3 ) 弥补国内目前没有这方面产品的空缺，提供性能优良，符合要求的产晶。 1 4 本文的主要内容 1 ) 根据理论分析和比较，提出了将2 h 桥级联逆变器作为电能质量信号发生器的主 电路拓扑结构，并对基于这一拓扑结构的电麓质量发生器进行了深入地研究； 2 ) 通过对2 h 桥级联的电路拓扑结构地分析，确定了三角载波移相p w m 控制作为 逆变电路的控制策略，并利用m a t l a b 进行仿真研究； 3 ) 根据f p g a 的i o 口众多和d s p 运算速度快等优点，采用f p g a 和d s p 作为主 控芯片。完成主控芯片外围电路设计，f p g a 和d s p 之间通讯设计，驱动电路设计，主 电路设计，滤波电路设计等硬件设计； 4 ) 进行软件部分的设计，包括控制核心的选型，软件程序地编写。其中包括f p g a 软件设计和d s p 软件设计。f p g a 编程产生数据锁存模块、载波发生模块、带死区的 p w m 发生模块、控制模块、数据选择模块等。并利用m o d e l s i m 验证各模块的正确性。 d s p 软 孛设计包括初始曩二设计、中断程序设计、p w m 波生成程序设计； 4 硕士论文三相电能质量信号发生器的设计与研究 5 ) 在前期的理论分析和软硬件设计的基础上，制作三相电能质量信号发生器的试 验样机。通过实验产生电压凹陷、跌落、骤升、闪变、谐波等电能质量信号波形，验证 样机设计的可行性。 2 基于电能质量信号发生器的电路拓扑研究 硕士论文 2 基于电能质量信号发生器的电路拓扑研究 本设计所要完成的电能质量信号发生器是用于产生电压骤升、跌落、中断、闪变、 谐波等信号波形。该信号发生器是利用f p g a 产生的p w m 控制信号去控制逆变器的功 率开关管，得到所需要的电能质量信号波形。因此，逆变电路的选择关系到本设计的成 败。 电能质量信号发生器需要产生各种电能质量信号波形，要求输出精度高、可控性好， 并且对电网不能产生污染，还需减少无功的输出，提高功率因数。该装置需要应用到工 业现场中，因此需要有较强的抗干扰能力。 为了满足装置的要求，硬件电路结构应具备以下的特点n 吼： 1 ) 结构简单，控制简单： 2 ) 输出电压波形畸变少，谐波含量低； 3 ) 能够产生较大功率； 4 ) 损耗小，输出无功含量少，功率因数高。 根据以上的要求并且结合本文的实际情况，不仅需要产生标准正弦波，还需产生各 种类型的电能质量信号波形，其中包括电压骤升、跌落、谐波等。因此，需要运用多电 平输出来实现这些不规则信号波形的产生。多电平逆变电路能很好地改善输出电压波 形，减少电压波形畸变，降低谐波含量。因此，本章就以多电平逆变电路进行分析讨论， 选择最适合的电路拓扑结构作为电能质量信号发生器的主电路。 2 1 多电平逆变电路概述 在电力电子技术中，逆变技术广泛地应用在各个领域和行业中。德国学者h o l t z 首 先提出三电平逆变器的主电路拓扑结构，日本学者a n a b a e 等人在其基础上利用二极管 代替了两个反并联的功率管，多电平逆变技术应运而生n 。如图2 1 所示。 根据研究和实验表明，多电平逆变电路在实际运用中，尤其是在高压大功率的场合， 具有显著的优点n 8 1 卵。 1 ) 每个功率开关承受的电压将会大大降低，可以实现高压大功率输出； 2 ) 由于电平数的增加，使得输出电压波形有所改善，减小输出电压中低次谐波的含 量并减少电压畸变； 3 ) 多电平逆变电路可以减少开关频率，大大提高了系统的效率； 4 ) 在相同电压条件下，与两电平逆变电路相比，大大降低了每个功率管承受的驯西 应力； 6 硕士论文三相电能质量发生器的设计与研究 易 2 易 2 a ) h o l t z 提出的三电平逆变器b ) a n a b a e 提出的三电平逆变器 图2 1 多电平逆变电路 本文设计的电能质量信号发生器不仅要发生标准正弦波，还需要产生各种电能质量 信号波形。为提高波形的质量，防止产生畸变，决定采用多电平逆变电路作为主电路拓 扑结构。目前，比较常见的多电平逆变电路主要分为两大类：一是钳位式多电平逆变电 路，其中包括二极管钳位式多电平逆变电路和飞跨电容型多电平逆变电路；二是级联式 多电平逆变电路，其中常见的有2 h 桥级联、3 h 桥级联、混合级联等伽3 。 下面对常见的几种多电平逆变电路的原理和特点进行简单的介绍，并比较分析，确 定一种拓扑结构作为主电路方案。 2 1 1 钳位式多电平电路概述 钳位式多电平逆变电路主要有二极管钳位式和飞跨电容式两种形式，都是将功率器 件串联组成半桥结构，采用一个直流电源供电。利用多个串联电容进行分压，并利用钳 位二极管或电容将功率管上的电压钳位到一个电容电压上。这样输出为高电压，但每个 功率开关管所承受的电压却因为被电容分压而减少瞳。 图2 2 是一个最简单的二极管钳位式三电平逆变器，它由一对钳位二极管v d 和v d ， 两个直流分压电容c ，和c ，四个续流二极管，四个主功率管组成。当k 、k 同时导 通时，= e 2 ；当k 、圪导通时，u 加= 一纠2 ；当匕、巧导通时，叽d = 0 。逆变 电路输出电平数为三电平。 二极管钳位型多电平逆变电路是通过直流电容分压得到的，为了使逆变器能够正常 地工作，需要保证电容电压稳定。但是随着电平数的增加，电路结构需要加入大量的钳 位二极管。同理，飞跨电容逆变电路需要采用串联电容钳位，必须要对电压进行控制。 因此，钳位式多电平逆变电路适用于输出电平数少，控制结构简单的情况下。 7 2 基于电能质量信号发生器的电路拓扑研究硕士论文 e 图2 2 攀粳二极管钳能三电平逆变器 2 1 2 级联多电平逆变电路概述 级联式逆变电路，不存在直流分压问题。它是将基本功率单元级联而成的一种电路 拓卦结构。它是1 9 7 5 年毒p 。h a m m o n d 提出，赠来 ! 导到了广泛地使用。这种拓扑结构采 用多个独立的直流电源供电，适合离电压、大功率等场合。级联式多电平逆变器主要有 以下优点瞻2 瑚1 ： 1 ) 输出电平数相同时，元器件数量最少； 2 ) 不需要钳位二极管和钳位电容，不存在均压问题； 3 ) 功率器件工作在基频状态，开关损耗小，并且效率高； 4 ) 适合模块化控制，控制方式比较简单； 5 ) 整今系统的输入功率因数离，谐波小，对邀网的污染小； 6 ) 各个模块都相对独立，当某个模块出现问题，容易检测； 利用级联式逆变电路可以利用较少的器件输出较多的电平数，并且还能提高电能质 量发生器的输出功率和输出电压。可以实现模块化控制，简单易操作。因此，本文采用 级联式多电平逆变电路作为电能质量发生器的圭电路拓扑结构。 2 22 h 桥级联逆变电路 根据上文的分辑和沈较，本设计决定采用2 h 桥级联逆变电路作为主毫路拓矜结构。 下面就对2 h 桥级联电路的原理和特点进行详细地分析，为控制策略地选择和硬件电路 的设计奠定理论基础。 2 。2 。1 嚣桥逆交单元 s 硕士论文 三相电能质量发生器的设计与研究 各种形式的多电平逆变电路为了得到多电平输出，需要对基本单元进行复杂的组 合。级联多电平逆变器就是采用串联的方式得到多电平输出。级联逆变器中的基本单元 为单相电压型全桥逆变电路。基本单元的电路图如图2 3 所示。 s l _ ) 配 2i 夥 2 ， - - v 6 - z1 墨2 2 j s ：- 图2 3h 桥逆燹单兀 图中，墨，、s l 。和墨：、s l ：分别为同一桥臂上的两个功率开关管。h 桥逆变单元通 过控制功率开关管的开通关断来得到不同的电压输出。 1 ) 当s = s 1 2 = 1 且墨：= s l 。= 0 时，工作在正向导通状态，坼= + e ； 2 ) 当墨：= s l 。= 1 且s = s l ：= 0 时，工作在反向导通状态，u e = - e ； 3 ) 当s l 。= s l ：= 1 且s 。= s ：= 0 时，工作在正向旁路状态，酢= 0 ； 4 ) 当墨。= s ：= 1 且= s l ：= 0 时，工作在反向旁路状态，坼= 0 ； 图2 4 为四种工作状态的示意图。h 桥逆变单元通过不同的组合，得到+ e 、0 、一层 三种电平输出。图2 5 所示。 a ) 正向导通 e 1 s f 2【 墨一 - 2i 、 l s 。 【0s 2l l l b ) 反向导通 9 2 基于电能质量信号发生器的电路拓扑研究硕士论文 e l a ) 正向旁路 e 1 图2 4 四种工作状态 b ) 反向旁路 图2 5 工作波形 2 2 2 单元级联逆变电路 由n 个结构相同的逆变单元级联组成，叠加形成多电平输出的逆变电路称为单元级 联型多电平逆变电路。如a 相输出相电压叽为： u a n = u 二l + u 乙2 + + u 乙 ( 2 1 ) 由式( 2 1 ) 可知，单元级联多电平逆变电路每相的输出电压为n 个h 桥逆变单元 输出电压之和。由于每个逆变单元输出三电平：+ e 、0 、一e ，因此，级联后每一相可 以输出电平数m 为： 一e ，- ( n - 1 ) e ，一e ，0 ，e ，( n - 1 ) e ，n e 级联型多电平逆变电路输出电平数m 与逆变单元个数n 之间满足以下的关系： m = 2 n + l ( 2 2 ) 目前最常用的级联型多电平逆变电路为2 h 桥级联逆变电路。图2 6 所示的为单相 2 h 桥级联逆变电路。通过不同的脉冲控制方式来控制功率开关管的导通与关断，形成 一系列的阶梯波，以阶梯波来逼近正弦波来满足应用要求。 1 0 硕士论文三相电能质量发生器的设计与研究 图2 6 两单元级联逆变电路 图2 6 所示为单相2 h 桥级联，n = 2 。根据式( 2 2 ) 可知，输出的电平数m = 5 ， 输出电平为：- 2 e 、一e 、o 、+ e 、+ 2 e 。由图2 7 所示。 ：n。 ：“一j 图2 7 两功率单元级联输出电压 2 基于电能质量信号发生器的电路拓扑研究硕士论文 一 一一一一一一一一一一一一一一一一一纛黼 潮 硕士论文 三相电能质量发生器的设计与研究 ab c 图2 8 主电路拓扑结构 2 32 h 桥级联多电平逆变器的载波p w l v i 控制 控制策略能直接影响一个逆变电路工作性能的好坏，尤其是多电平逆变电路。它需 要控制的目标比较多、性能要求也比较高。因此，选择一个适合电路特性的控制方式就 显得尤为重要。控制主要有两个目的：一是控制输出电压；二是改善输出波形并且平衡 分压电容的电压乜钔。 2 3 12 h 桥实现级联的必备条件与控制方式 本文设计采用2 h 桥级联逆变电路作为主电路，其特点是通过串联叠加输出大电压、 大功率。但在进行叠加时必须遵循两个原则汹鲫，5 ： 1 ) 进行级联叠加时，每个2 h 桥必须具备独立的电源； 2 ) 每个2 h 桥必须工作在正反向导通，正反向旁路四种工作状态，否则逆变电路不 能正常工作； 为了满足2 h 桥分别工作在四种工作状态下，必须采用双极性三角载波移相p w m 来控制2 h 桥的每一个桥臂。图2 9 为2 h 桥级联多电平逆变器的控制电路，它由n 个 依次移相州的三角载波发生器，三相正弦波发生器、用来产生p w m 控制信号的比较 器三部分组成。 2 基于电能质量信号发生器的电路拓扑研究硕士论文 v l v 2 v 3 婚 1 2 h 井1 j 1 2 h 桥2 j 1 2 h 桥- n j 图2 92 h 轿级联式多毫平逆燹器控制电路 采用这种控制方式，可以保证每个2 h 桥工作在四种工作状态下，满足2 h 桥级联 的必备条件。这种方式在级联式逆变器中应用广泛，控制技术成熟、效果好。 2 。3 。2 三兔载波移穗降麓控制 三角载波移相p w m 控制是指，对于n 个功率单元级联，分别将载波移相州，与 同一调制波进行比较，产生n 组p w m 控制信号去驱动控制n 个功率单元。这种控制 方法能够很好地降低开关频率隗甄撬鞣。 结合本文设计，对主电路拓扑结构采用三角载波移相p w m 控制。由于三相电路的 对称性，为了简化分析过程，对其中的a 相进行分析。电路结构图如图2 6 所示。主电 路功率单元个数n = 2 。因此，每列载波移相彩2 = 9 0 。u c ，、u c 2 、镌；、绞。为鍪列载波， 初始相位角分别为0 4 、9 0 4 、1 8 0 4 、2 7 0 。四列载波与同一列正弦调制波f 。进行比较产 生p w m 控制信号。对于“小“以，当正弦波大于三角载波时，产生正脉冲，反之产生 负脉冲。菰对于材。，、静。来说，恰恰相反。当芷弦波大于三角载波时，产生负脉冲，反 之产生芷脉冲。 因此，共获得四组p w m 控制信号去控制2 个2 h 桥的四个桥臂，得到四组桥臂输 出电压、以、u b 。逆变电路最终输出电压材删= 一心+ 以一玩，则通过一系列地 推导计算得掰。的表达式为： v i e s = 2 m e s i n j t o s t 士等m 三羞3 掣s i n + 删 眩3 ， 甜彳 ， s 等朋曼 4 川：矗3 卫乇一【- ( 脚。棚) 叫 q 3 由式( 2 。3 ) 可知，2 h 桥级联逆变电路，采用三焦载波移楣p w m 控制，可以使输出 电压幅值增大2 倍。如果是n 个2 h 桥级联则输出的电压幅值就增大n 倍。由此可以说 1 4 镪伽如 以魄锄 讥妇 硕士论文 三相电能质量发生器的设计与研究 明采用级联逆变电路，可以利用小功率器件得到高电压大功率输出。而且级联逆变电路 还可以消除f 。1 次以下的以及m ：2 n 以下的谐波及其上下边频n 训。 2 4 电能质量发生器系统仿真研究 为了验证设计方案的有效性，首先进行仿真验证。仿真软件选用的是m a t l a b 。 m a t l a b 的应用范围非常广，在信号和图像处理、通讯、控制系统设计、测试和测量、 财务建模和分析以及计算生物学等众多领域得到了广泛地应用，现已成为国际控制界的 标准仿真软件。 考虑到三相模块的对称性，我们仅以单相2 h 桥级联逆变电路为例进行仿真研究。 需要进行仿真验证的主要有两部分：控制电路和主电路。 2 4 1 控制电路的仿真验证 根据上文所论述的载波移相p w m 控制电路原理，需要四列移相9 0 。的三角载波与 正弦波进行比较产生p w m 控制信号。因此，控制电路由三部分组成：移相9 0 。的三角 波( x 2 极性) 发生模块、可调幅调频的正弦波发生模块、调制波和载波比较电路。只要 通过改变正弦波的幅值、频率就能改变逆变器的输出电压幅值和频率，得到所需波形。 下面为控制电路的各个模块的仿真框图。三角波发生模块如图2 1 0 所示。 0 0 图2 1 0 三角波发生模块 正弦波发生模块和比较模块如图2 1 1 所示。从图中可以看出，在具体的仿真电路中 采用m a t l a b 中的正弦函数发生器来产生正弦波。通过比较器使得正弦波和三角载波 进行比较，产生8 路驱动信号来驱动其中一相的8 个功率开关管。 1 5 2 基于电能质量信号拦生器的电路拓扑研究碘论文 图21 i 正弦波发生模块和比较模块 2 4 2 主电路的仿真验证 本设计的主电路采用的是三相2 h 挢级联逆变电路。由于三相电路的对称性，我们 只需对其中一相进行仿真研究，验证其正确性。因此，主电路由两个独立直流电源，两 个h 桥逆变电路和负载电路组成。具体的仿真框图如图2 1 2 所示。 图2 1 2 主电路仿真框隧 2 4 , 3 仿真结果、i 在仿真中，设置参数为：直流电压为1 4 0 v ，负载为阻性负载，电阻r 为5 0 q ，调 制比m ：o8 。根据式( 23 ) 可知输出电压为2 2 0 v 。三角载波的频率f 设为4 9 5 k h z 。 其仿真结果下图所示。 颀论文三相电能质量发生嚣的哥计与研究 图2 1 3h 桥输出电压波形 图2 1 3 所示的为单个h 桥的输出电压波形，从图中可以看出为三电平输出，输出 电压峰值为1 4 0 v 左右，符合设计要求。 图21 4 单相级联逆变电路输出电压波形 图2 1 4 所示的为2 h 桥级联后的输出电压波形，为五电平输出，波形的峰值为2 8 0 v ， 所输出的波形是没有经过滤波电路的，含有各种谐波。加入了滤波电路后，得到标准正 弦波的输出波形，如图2 1 5 所示。 图2 1 5 标准正弦波输出 2 基于电能质量信号麓生器的电路拓扑研究颇i 论立 从图2 1 5 中的正弦波可以看出，输出电压的峰值为2 2 0 v ，与预期的设计要求一致， 说明主电路和控制电路符台设计要求。 图2 1 6t h d 分析圈 通过对主电路和控制电路仿真验证，输出正弦波波形良好。证明了主电路和控制电 路的正确性，为后期产生各种电能质量信号波形奠定了基础。在后期的设计中将会用 实验的方式得出各种电能质量信号波形，包括电压骤升、跌落、闪变、谐波、中断，以 此进一步证明主电路和控制电路的正确性。 2 5 本章小结 本章介绍了各种多电平逆变电路的工作原理和特点进行比较分析。确定了电能质 量发生器的主电路拓扑结构为2 h 桥级联逆变电路。详细介绍了这种电路的工作情况和 特点，并选取了三角载波相移p w m 控制作为主电路的控制策略。最后运用m a t l a b 对主电路和控制电路进行仿真验证，证明电路的正确性，为下一章的硬件电路设计提供 理论基础。 硕士论文三相电能质量发生器的设计与研究 3 系统硬件设计 2 h 桥联逆变器，采用2 h 桥功率单元串联，大大降低装置成本，利用低耐压器件实 现高压输出。2 个2 h 桥级联可以实现五电平的输出，使用最少的功率器件实现最大电 平数的输出。这种方式适合高压大功率场合，并且这种拓扑结构在工作可靠性和成本上 具有较大的优势。这使其适合作为电能质量信号发生器的主电路拓扑。 3 1 总体硬件设计 本文所设计的电能质量信号发生器的硬件系统结构图如图3 1 所示。系统所要完成 的硬件设计主要有以下几个部分：f p g a 外围电路设计、f p g a 与d s p 之间通讯设计、 驱动电路设计、主电路设计、滤波电路设计。 滤 屯能质量 负 波 信号潞形。 电 载 路 图3 1 硬件系统总体设计框图 如图3 1 所示，f p g a 内部由数据锁存模块、载波移相发生模块、p w m 发生模块、 控制模块、数据选择模块组成。d s p 在整个设计中起到对占空比进行计算、传送并通过 控制总线对f p g a 进行控制。该系统的工作原理为：f p g a 中的载波相移发生模块由4 个加减计数器组成，由于初值设置不同，得到四列移相9 0 。的三角载波。在载波计数器 计数到最大值时，发出中断信号，d s p 感应中断后便开始占空比的计算。将计算好的占 空比数据通过数据总线传送给f p g a 并锁存到锁存模块中，与载波值进行比较，得到所 需的p w m 控制信号。经过驱动电路后，控制主电路中的2 4 个功率开关管，经过滤波 电路后得到所需的各种电能质量信号波形。 通过第二章的理论分析和仿真验证，采用2 h 桥级联作为电能质量信号发生器的主 电路。主电路中需要用到的功率器件比较多，需要2 4 个功率开关管。由于这一电路特 1 9 3 系统硬件设计硕士论文 点，则需要产生2 4 路p w m 控制信号对每个功率开关管进行控制。由于功率器件众多， 波形精度要求高等因索，对微控制器的选择提漱了很高的要求，控制器输出的控制信号 的精确性将直接影响波形质量好坏。在本设计中，控制器件要计算大量的占空比数据， 这对控制器的运算速度和性能提出了更高的要求。 。冒前，随着控制器件的迅速发展，先后出现了许多优秀的控制器箨，各有其优缺点。 譬如d s p 、a r m 等。d s p 以数字信号来处理大量信息，实时运算速度非常快。d s p 在 运算速度方面在各控制器件中占有很大的优势。本设计需要进行大量的运算，对控制器 件的运算速度有很高的要求。因此，选用d s p 作为主控制器。但单独使用d s p 作为主 控芯片，不能产生2 4 路p w m 控制信号，不能满足设计要求。目前市面上的d s p 最多 只能产生1 2 路p w m 输出。通过查阅文献和资料，得到可以利用f p g a 与d s p 配合完 成设计。f p g a 为现场可编程门阵列，可以自由地对f p g a 内部的逻辑模块和i o 口进 行重新配置，f p g a 靛i o1 2 众多，可以根据功能需要进行灵活编程。1 根据以上的分耩， 提出以d s p 和f p g a 相互配合产生2 4 路p w m 控制信号。即充分利用d s p 处理速度快， f p g ai o 口众多等优点，形成优势互补嘲5 5 朔。 本设计孛选焉的d s p 是瑞泰创新的d s p 2 8 1 2 最小系统。d s p 2 8 1 2 爱蓠满子主流芯 片，常用于控制领域，处理速度快。f p g a 2 5 0 芯片是a c t e l 公司最新推出的一款f p g a ， 具有2 5 万个系统门，1 0 0 个i o 管脚，可以自由地进行开发。 3 。2 即激外围电路设计 本设计中，f p g a 的核心芯片采用的是a c t e l 公司的a 3 p 2 5 0 ，该芯片属于p r o a s i c 3 系列，采用v g l 0 0 封装，2 5 万个系统门，以f l a s h 架构为基础，是一款低功耗，掉电 非易失浆f p g a 嘲。f p g a 2 5 0 的硬件电路总体框图如图3 1 所示。在一般的设计中，电 源、时钟和复位等外围硬件电路都是f p g a 运行所需的部件。本设计中将下载器集成在 了电路板上，方便下载。下面分别介绍f p g a 的外围硬件电路。 图3 1f p g a 2 5 0 硬件设计框图 硕士论文三相电能质量发生器的设计与研究 3 2 1 电源电路设计 a 3 p 2 5 0 需要靠两组电源供电：内核电压和f o 电压，分别为1 5 v 和3 3 v 。如图3 2 所示。为了给主控芯片提供所需的电源，选用e x a r 公司的s p x 3 8 1 9 电源芯片。这款芯 片的参数指标如下：输出电流为5 0 0 m a ，静态电流为9 0 9 a 。图a ) 为3 3 v 的电源，给 f o 和一些外设供电。图b ) 为1 5 矿电源电路，给内核供电。图中的c 1 ，c 2 分别为0 1 9 a 和l g f ，对输入电源进行滤波。c 3 、c 4 分别为l g f 和i o p f ，对输出电源滤波，减少 电源信号产生的干扰。 a ) 3 3 v 电源电路 b ) 1 5 v 电源电路 图3 2 电源电路 d l 。阳朋刃l b 、 一 d l 、p o w e rl i d 一 3 2 2 时钟电路设计 在一般的f p g a 设计中，不设计振荡电路，一般只接有源晶振。本设计采用4 8 m h z 的有源晶振，该频率基本满足了设计的要求。如果设计需要小时钟频率，则只须在编程 中对时钟进行分频。为了输出良好的时钟波形，首先要保证给时钟提供稳定的电源。因 此，在晶振电路前端加两个小电容c 1 2 、c 1 3 ，起到对电源滤波的作用。并且在时钟输出 2 l 3 系统硬件设计硕士论文 端加一个小电阻r 6 ，使得能够有效地抑制高次谐波，使得与阻抗匹配。时钟电路如下 图3 3 所示： 图3 3 时钟电路 3 2 3 复位电路 复位电路设计采用简单的阻容复位。上电期间为低电平，内部的寄存器就复位到初 始值，上电完成后为变为高电平，则恢复正常工作状态，复位电路设计如下图3 4 所示： 3 2 4 并口下载器设计 f p g a 的程序需要通过硬件下载器下载到f p g a 里，该下载器主要实现的功能是p c 机并口电平与f p g a 电平之间的转换，防止因p c 机的电压和f p g a 的电压不匹配而损 坏f p g a 。f p g a 下载接口协议遵循j t a g 协议，只需要t d i 、t m s 、t d o 、t c k 四根 线。主要通过三极管来实现，三极管还可以加强驱动能力，采用推挽输出的方式。 v r r 鹦3 图3 4 复位电路 3 3f p g a 与d s p 之间的控制系统设计 硕士论文三相电能质量发生器的设计与研究 设计中，d s p 与f p g a 通过数据总线和控制总线来进行配合使用。f p g a 中的四列 载波计数器计数到最大值时产生四路中断，传送给d s p 。d s p 接受到中断后，计算占空 比，并把计算结果传送给f p g a ，与f p g a 中的载波计数值进行比较产生p w m 控制信 号。d s p 计算的占空比数据通过数据总线传送给f p g a 。f p g a 内部有许多模块，如数 据锁存模块、载波相移模块、p w m 发生模块等，需要d s p 对其进行控制。为了更好地 实现两者的配合，需要d s p 控制总线来配合完成。图3 5 为d s p 与f p g a 配合完成的 p w m 波形发生器的系统框图。 2 4 路 p 1 ) l ，m 输 出 图3 5 系统框图 f p g a 中有众多的端口需要d s p 控制，例如载波计数使能端、各个数据锁存器的控 制端口、p w m 发生器的控制端口等。如果d s p 直接对这些端口进行控制，会占用太多 的i 0 口以及控制端口。因此，采用对各个需要控制的端口进行编码，大大减少控制端 口。 表3 1 控制端口的编码表 3 系统硬件设计 硕士论文 表中的e n c 表示载波计数器计数开始，z e - 1 、z e 一2 、z e 一3 、z e 一4 分别表示四个 模块，e n a 、e n b 、e n c 分别表示a 、b 、c 三相，g 表示p w m 发生器的封锁信号。 通过四路控制信号，就能对所有的控制端口进行控制，为d s p 和f p g a 之间的配合提 供了方便。 利用d s p 中的d o 到d 1 2 这1 3 位数据总线传送数据。t 1 c t r i p 、t 2 c t r p 、t 3 c t r i p 、 t 4 c t r i p 这四个端口作为控制端口对f p g a 进行控制。q e p l 、q e p 2 、q e p 3 、q e p 4 作 为接受f p g a 中断的中断口。d s p 通过上表对f p g a 进行控制。首先控制总线输出0 0 0 0 ， 对f p g a 进行初始化，再输出1 11 1 ，f p g a 中的载波计数器开始计数，接着就是等待 f p g a 中四个模块的中断到来。如果模块一的中断到来，控制信号选择0 0 0 1 ，数据总线 上的数据就传入a 相数据锁存器锁存，接着选择0 0 1 0 ，输入b 相并锁存数据，最后选 择0 0 1 1 ，输入c 相并锁存数据。4 个模块的4 路中断依次传入d s p ，重复上述过程，分 别把四个模块中的a 、b 、c 三相占空比数据传入相应的锁存器中锁存。 3 4 主电路设计 主电路的电路拓扑结构经过第二章的理论分析比较，选定2 h 桥级联为主电路拓扑 结构。在前期仿真中，每个2 h 桥功率单元的直流侧电压为1 4 0 v ，根据式( 3 1 ) 可以 得到输出的基波最大幅值为2 2 0 v 。由于实验条件的限制，在实际实验中，加在每个2 h 桥直流测的电压为3 0 v ，则每个功率开关管需要承受的最大电压为3 0 v 。考虑到足够的 余量和实验条件，选用p m o s f e t 管i r f l 6 3 0 作为主电路功率开关，它的参数如下：额 定电压为2 0 0 v ，额定电流为5 9 a ，很好地满足了设计的要求。 为了方便分析，把前文式( 2 3 ) 罗列如下： = 2 m e s i n 铲等m 曼4 玎：墨3 掣s i n ( ，z ) 吖 ( 3 ，) 材彳2 2 s i n 继等聊曼4 朋：主3 j l - ( ，z + 甩) 咚叫 3 _ ) 由式( 3 1 ) 可知，2 h 桥级联输出的电压基波最大值为2 m e ，其中m 为调制比， 取m = 0 8 ，e 表示每个2 h 桥所加的直流侧电压，取e = 3 0 v ，则可得输出基波电压u 。 为4 8 v 。设计中负载选取5 0 q ，则可计算出主电路的输出功率为1 3 8 w 。 为了抑制开关器件中的过电压、过电流和减少开关损耗