（电力电子与电力传动专业论文）电能质量调节器检测控制方法研究.pdf

a b s t r a c t o nt h eb a s i co fp r e c e d i n gw o r ko ft h i sp r o j e c ta n dt h er e s e a r c hp r o d u c t i o no ft h i s f i e l d ，t h es t r u c t u r e ，d e t e c ta n dc o n t r o lm e t h o da r ea n a l y z e d t h ec o m p e n t a t i o nd e t e c t m e t h o da n dt h ec o n t r o lm e t h o do fu p q ca r er e s e a r c h e da sm a j o ra s p e c t si nt h i s p a p e r i n t h i sp a p e lp qa n d i p i 口w h i c h a r eu s e dw i d e s p r e a di np r a c t i c ea r e s t u d i e dd e e p l ya n db eo b t a i n e dt h e i rl i m i t a t i o n s 。t h e ya r eo n l yu s e di nt h ec i r c u i to f t h r e e - p h a s et h r e e - w i r es y s t e m 。w h e nt h et h r e e - p h a s ev o l t a g ei sn o ts y m m e t r i co r i n c l u d e s h a r m o n i c ，p q w i l l g e n e r a t e d e t e c te r r o r i nt h i sp a p e r ，an o v e l c o m p e n s a t i o nd e t e c t i o nm e t h o db a s e do ng e n e r a l i z e di n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e r a n d s y n c h r o n o u st r a n s f o r mm e t h o di sp r o p o s e d ，w h i c hi su s e di nt h ec i r c u m s t a n c e so f t h r e e - p h a s ev o l t a g en o n s y m m e t r i c t h es i m u l a t i o nr e s u l t sv e r i f yt h a tt h ed e t e c t m e t h o di sr i g h ta n de f f e c t u a l i no r d e rt oi m p r o v et h et r a c k i n gp e r f o r m a n c eo fu p q c ，i nt h i sp a p e r , an o v e l h y s t e r e s i sc o n t r o lm e t h o db a s e do nv o l t a g es p a c ev e c t o rc o n t r o lm e t h o di sp r o p o s e d t h i sp r o p o s e dm e t h o dh a sf a s tt r a c k i n gr e s p o n s e ，h i g hc o n t r o ll o n g i t u d e ，g o o d c o m p e n s a t i o ne f f e c t ，a n di t c a nb er e a l i z e ds i m p l yw i t h o u tc o m p l i c a t e dv e c t o r t r a n s f o r m t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e dm e t h o di sv a l i da n df e a s i b l e a tl a s t , t h em a i nc i r c u i tb u i l tb a s e do nt h ed s pc o n t r o l l e r b a s i c a l l yr e a l i z e s c o m p e n s a t i o nc o n t r o lo fu p q c 。p o w e rs u p p l yc i r c u i t ，d e t e c t i o n c i r c u i tf o rs e n s o r , z e r o c r o s s i n gd e t e c t o ra n di s o l a t i o nc i r c u i ta n ds oo na r ed e s i g n e d t h es o f t w a r e p r o g r a mi sp r o g r a m m e di n c l u d i n gc o m p e n s a t i o nd e t e c t i o na l g o r i t h m ，i i rd i g i t a lf i l t e r p r o g r a ma n dc o n t r o la l g o r i t h m a n dt h ee x p e r i m e n to nu p q c i sa n a l y z e d k e yw o r d s ：u n i f i e dp o w e rq u a l i t yc o n d i t i o n e r ( u p q c ) ；c o m p e n s a t i o n ， d e t e c tm e t h o d ；h y s t e r e s i sc o n t r o l ；s p a c ev e c t o rc o n t r o lm e t h e d ； s p 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨生盘堂或其他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。 学位论文作者签名： 嘞d 、湫 签字日期： 砌参年月勿日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘鲎有关保留、使用学位沦文的规定。 特授权墨生态茔可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数拐库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字日期：刎矿年 导师签 签字日期：锄眵年月胡 螽胡 卜 锄棚 第一章绪论 第一章绪论 近年来，随蓿我国工业化的提高，配电网中的整流器、变频调速装置、电力 系统中非线性负荷、冲击性负荷等豹不断增加，这些负荷的非线性、冲击性和不 平衡性的用电特性，使电网中的电压、电流波形的畸变越来越严重。同时，电网 电压也经常出现三相不平衡期谐波干扰等现象。另一方面，随着各种复杂的、精 密的、对电能质量要求较高的装置( 如计算机) 的普及，人们对电能质量提出了 越来越高的要求。低劣的供电质量将导致低劣的产品质量，特别是在重要的工业 生产过程中，供电躲中断或波动将带来巨大的经济损失。例如柔性制造系统和计 算机集成制造系统对配电系统中干扰和异常非常敏感，几分之一秒的不正常就可 引起制造系统的混乱。因此，如何提高电能质量成为近年来电力系统、电力电子 等相关领域的热点课题。 1 1 电能质量的基本概念及种类 一、电能质量的基本概念 电能质量描述的是遥过公用电瓣供给用户端的交流电麓的品质。理想状态的 公用电网应以恒定的频率、正弦波形和标准电压对用户供电。在三相交流系统中 还要求各相电压和电流的幅值应大小相等、相位对称且互差1 2 0 度。但由于系统 中的发电机、变压器和负载的非线性或不对称性，以及运行操作、外来干扰和各 种故障等原因，这种理想状态并不存在，因此产生电网运行、电力设备和供用电 环节中的各种问题，也就产生了电能质量的概念。 i e c 标准对电能质量的定义为：电能质量是指供电装置正常工作情况下不中 断和不干扰用户使用电力的物理特性。不过，目前仍没有一个公认的电能质量标 准。关于电能质量的含义，也可从不同角度理解，通常包括： ( 1 电压质量以实际电压与理想电压的偏差，反映供电企业向篇户供应的 电能是否合格。 ( 2 ) 电流质量反映与电压质量有密切关系的电流的变化，即电力用户除对 交流电源有恒定频率、正弦波性的要求外，还要求电流波形也与供电电压同相位 以保证高功率因素运行。 ( 3 ) 供电质量包括两部分含义：技术含义指电压质量和供电可靠性，非技 第一耄绪论 术含义指供电企业的服务质量。 ( 4 ) 用电质量包括电流质量和非技术含义，如用户是否按期、如数的交纳 电费等。 二、电能质量的特点 ( 1 ) 电能质量的动态性：电能从发电生产到用户消耗是一个整体，其流动 始终处于动态平衡中，并且隧着电网结构和负蒋豁改变焉不断变换。在整个电力 系统中，不同时刻、不同地点，电能质量指标往往是不同的，电能质量始终处在 动态变换中。 ( 2 ) 电麓质量的相关性：电能不荔大量存储，其生产、输送、分配和转换 过程直至消耗几乎是同时进行的。当系统处在各种运行状态时，电能质量一旦不 达标，相关设备就会受到不网程度的影响。 ( 3 ) 电能质量的传播性：电力系统是一个复杂的网络，为电能提供最好的 传输途径。电能传播速度快、电气污染面积大，会大大降低相连系统的电能质量。 ( 4 ) 电能质量的潜在性：电能质量扰动复杂多变，事故诱发条件复杂，其 质量的下降造成对系统焉电设备的损害有时并不立帮显现，为安全运行留下了隐 患。 ( 5 ) 电能质量的复杂性：电能质量的多个指标作用于网一个系统时，综合 给出电能质量的评判标准是非常困难的。目前尚没有一个准确和普遍认可的定量 评估计算方法。 h 时，取s ，= l ，即x 相的上桥臂接通：当0 一o 一h 时，取s ，= 0 ，即x 相的下桥臂接通；当一h i ，一z 。 h 时，s 。保持不变，即 x 相桥臂的状态维持不变。可见，按照各相独立的电流滞环跟踪控制规则，电源 电流的控制只能由本相桥臂独立完成。 式( 3 2 ) 中比例系数k ，与负载的有功功率尸之间存在下列关系1 2 4 】 一2 p k = 3 u 3 2 2 电压空间矢量控制 ( 3 - 3 ) 基于电压源型逆变器的有源滤波器的等效电路图如图3 - 6 所示，图中用理想 开关代替实际开关器件。图中r 表示滤波器交流侧线路等效电阻；l 表示滤波器 交流侧等效电感；f 。( x = a 、b 、c ) 表示各相实际的补偿电流值；u x ( x = a 、b 、c ) 表示滤波器实际输出电压；“。扛= a 、b 、c ) 表示系统电压。假定直流侧电容电 压为恒定值u ，o 为系统中性点，则图3 - 6 中滤波器输出的三相电压瞬时值方程 为 u a = r i c d + l d i c d d t + u 婚 u 6 = r i 。b + l d i 。b d t + u 曲 ( 3 - 4 ) u c = r i c c 七l d 。d t 七us c s ns b s c |l| 玑1 c a l ，吖岳删默栌 一1 吖y 、- j m 币泸 心。吖丫n _ 八八广妒 | 。 | d 图3 - 6 有源滤波器的等效电路 引入开关函数s ，分析图3 - 6 中节点a 、b 、c 在开关状态s 。、s 。、s 。的各种 组合s = ( s 。，s 。，s 。) 下的电位。其中逆变器各相输出电压可以用式( 3 5 ) 表示【2 5 2 6 1 。 驴1 0 囊翥器丰姜喜釜至篙羹誓其忙舢、c 表莉相的下桥臂导通，上桥臂关断 。 第三章u p q c 控制策略研究 u 。= ( 2 s 。一咒一s 。) u 。3 u 6 = ( 2 s 6 一s 。一s 。) u 。3 ( 3 5 ) u 。= ( 2 s 。- s 。一咒) 【厂。3 设滤波器在各种开关组合状态下的输出电压矢量为“，将8 种开关函数组 合带入式( 3 5 ) ，即得出相应的滤波器输出相电压值，如表l 所示( 电压以u ，为 基准) 。 表1 开关模式k 与滤波器输出电压值 七 s = ( s 。，s 6 ，s 。)u 。巩u 。u 00 0 0oo0u6 l 0 0 l 2 3 u 。一1 3 u 。一l 3 虬 u o 20 1 0 l 3 u 。1 3 u 。一2 3 u 。 u2 3o l l l 3 虬2 3 u 。一l 3 u 。 ul 41 0 0 一2 3 u 。1 3 【，。1 3 u 。 【，4 51 0 ll 3u l 3 u 。2 3 u c u 5 61 1 0 1 3 u 。一2 3 u 。 1 3u 。u3 71 llooou7 以随着三相开关状态的不同呈离散分布，其中：u 。、u ，位于坐标原点，幅 值为0 ，u 。u ，相邻两个矢量之间相差z 3 ，幅值为2 3 u ，各端点的连线是 一个正六边形。 以上分析可以清楚看出，有源滤波器各相输出的电压不仅与本相桥臂的状态 有关，而且与其它两个桥臂的状态有关，即三相桥臂之间存在关联现象。各相输 出电压的大小取决于三相桥臂的总体状态s = ( s 。，s 。，s 。) 。某相的指令电流可以 通过控制其它桥臂的状态来实现，这为合理安排三相桥臂状态提供可能性。 3 2 3 滤波器电流滞环跟踪控制的转化 矢量变换，即静止正交口一坐标，以分析系统各相电压、电流矢量间的关系。 当口轴与口轴重合时，a 、b 、c 坐标转换到口、坐标变换关系式【2 7 】为 ； = ； 三- 兰1 1，22一-1；，22j-(【-茎g：4 g = g 。+ j g8 = ( g , , g b e ：2 口a + gc e 胁3 、) ( 3 - 6 ) 第三章u p q c 控制策略研究 式中g 可分别表示电压、电流或与它们相关的矢量。 由式( 3 1 ) 和式( 3 2 ) ，利用口一声坐标变换可以得到电源电压矢量“，和电源指 令电流f 。，分别为 ， “j = 妻u f e 兵舻酬2 j(3-7) i s r = k t 要u 。p 八舻引2 u 。、f 。，是以c o t 逆时针匀速旋转的矢量，u 。的旋转轨迹是半径为2 3 u ，的圆； f 。，与u 。同步旋转，旋转轨迹半径是u 。的k ，倍。 整个系统控制的目的是使电源电流矢量i 。跟踪电源指令电流矢量i f ，可引入 电源电流误差矢量a s = i s r f 。，误差越小，则跟踪效果越好，补偿效果越好。f 。在 a 、b 、c 轴上的投影都应该位于以f 。，在各相轴的投影为中心的( - h ，+ ) 范围内。 反映到矢量空间，系统的控制目标应该是使f 。始终位于以i 。，为中心的一个六边形 内。该六边形的3 组对边分别与这3 个坐标轴垂直，对边间的距离为2 h 。当i 。，旋 转时，六边形将随。，移动，但其各边的长度、各边与坐标轴之间的垂直关系始终 保持不变。系统各矢量关系如图3 。7 。 图3 - 7 各电压矢量间的关系 由图3 5 可知，影响电源电流f 。的因素是负载电流i ：。和有源滤波器的输出电 流i 。，其中只有是可控的，所以可以通过控帛旨t j i 。而使各相的电源电流误差限定 在滞环宽度内。 ， 滤波器实际输出端电压矢量方程式定义指令补偿电流矢量i c 与实际补偿电 流矢量t 之差为电流误差矢量4 ，即有 4=i：一i。(3-8)d j2c 一。 电源电流误差矢量艿。与滤波器补偿电流误差矢量4 的关系由图3 7 可得 第三章u p q c 控制策略研究 正= l s r - i , = ( e + t ) 一( t + 屯) = - i c = 4 ( 3 9 ) 所以可知嗔与4 的矢量关系相同，即4 也为一个正六边形，它的对边分别与 a 、b 、c 三轴垂直，且对边的宽度为2 办。这样便将f ，对f ，的滞环跟踪控制转化 为t 对的滞环跟踪控制，从而将复杂问题简单化。为了方便既、民、晚的正 负极性判别，蠡空间区域可如图3 - 8 所示划分为6 个三角区域，记为( 1 ) ( 6 ) ， 滞环宽度为h 。 图3 - 8 西区域划分 又由图3 - 6 可得滤波器实际输出端电压矢量方程式 u = l d i 。坊+ r f 。+ u ( 3 1 0 ) 当输出电流为指令补偿电流矢量c 时，由式( 3 1 0 ) 有 u = l d i ：d t + r i ：+ u( 3 一l1 ) 8 种开关模式所对应的输出电压矢量巩( 尼= o ，7 ) 将矢量空间划分为6 个 扇区，故亦将“+ 所在区域划分为6 个扇区，记为：i ，如图3 - 9 所示。 图3 - 9 “区域划分 式( 3 - 11 ) e e “为指令补偿电流矢量i ：对应的滤波器输出指令电压矢量，将式 第三章u p q c 控制策略研究 ( 3 1 1 ) 与式( 3 1 0 ) 相减，忽略滤波器的交流侧线路等效电阻，有 甜一“= l d 4 d r( 3 1 2 ) 即指令电压矢量“的方向可由滤波器实际输出“和补偿电流误差矢量最的变化 率共同决定。通常认为“+ 在一个开关周期中是一个常数，因此电流控制的问题 就转化为如何正确的选择输出电压矢量u 。( k = o ，7 ) ，使补偿电流误差矢量4 限制在很小的区域内，充分简化问题。 3 3 电流滞环跟踪的电压矢量控制 电流滞环跟踪的矢量控制方法的核心：以滤波器相电流误差作为控制对象， 使用3 个滞环比较器，根据相应的比较状态值、首次的指令电压矢量区域判定及 上次输出的电压矢量，最终由电压空间矢量选择逻辑，输出一个最佳电压矢量， 统一控制功率开关器件动作，使滤波器的实际补偿电流跟踪指令补偿电流。 电流滞环跟踪的电压矢量控制方法的控制原理如图3 1 0 所示。将并联有源 滤波器指令补偿电流f 二、f 二、f 二与实际补偿电流f i 舻i ，通过3 组滞环比较单 元，输出相应的比较状态值晚、如、蠡，并通过对滤波器指令电压矢量“的首 次区域判别及上次电压矢量u ，最终由电压空间矢量选择逻辑，输出一个合适 的电压矢量u ，从而使滤波器实际补偿电流跟踪指令补偿电流。 = ( 0 7 ) 域 选 择 图3 1 0 电流滞环跟踪的电压矢量控制方法原理图 3 3 1 控制原理分析 = ( 0 7 ) 由式( 3 一1 2 ) 分析，当指令电压矢量u 和补偿电流误差矢量4 确定之后，就是 要选择一个合适的电压空间矢量u ：，使补偿电流误差矢量变化率d 4 a c t 与电流 误差矢量谚方向始终相反，即当谚有变大趋势时，d 4 d t 就及时变小，以阻止谚 变大。即当1 4 l h 时，选择电压空间矢量u ? ，使其对应的d 4 折具有与电流误 第三章o e o c 控制策略研究 差矢量4 方向相反的最小分量，以确保电流矢量i 。在跟踪指令补偿电流矢量f ：的 同时，限制电流变化率：当慨l h 时，原有u ：不切换，不但限制了平均开关频 率，而且增加控制稳定性。 如图3 1 i 所示，根据i 最i 的不同情况进行分析，首先，优先考虑a s , 出模值 较小矢量对应的【厂? ，如图3 1 1 所示，显然矢量u 区域对应的三角形边界矢量 u 。、砜、u 。、u ，满足此条件；然后，选定的u ：所对应的矢量a s , 以必须始终 与矢量4 方向相反。当4 处于( 3 ) 区时，则只有矢量u 满足上面条件。当“、 最处于其它不同区域时，u 。选择如表2 所示。 图3 - 1 1 a s , d t 、u + 分布 表2 “和4 区域与输出电压矢量【，。的关系 甜6 ： 区域 ( 1 ) ( 2 ) ( 3 ) ( 4 )( 5 )( 6 ) iu ou1u1u6 7u 6 ，7u o u iu1u2u2u6 7u6 7 u 6 7u2u2u3u3u 6 7 u 6 7u6 7u3u3u4u4 v u5u6 7u6 7u4u4u5 v iu ouo u 6 7u6 7u5u 5 3 3 24 、“区域判断 1 瞑区域判断 ， 由图3 8 可知，通过补偿电流误差矢量4 在3 个坐标轴a 、b 、c 上分量 屯、瓯、谚。的正负极性判别，容易确定矢量4 所在的区域。而瓦、晚、晚的正 负极性可以从3 组滞环比较器的输出逻辑状态( 1 或o ) 直接判定，则矢量4 区 域判断如表3 所示。 第三章u p q c 控制策略研究 表3 4 区域判断 谚区域( 1 )( 2 )( 3 )( 4 )( 5 )( 6 ) 6 i n l1oo01 瓯 oll1oo 瞑。 o00l1l 2 ”区域判断 当式( 3 5 ) 中电流量取指令电流f 二、磊、t 时，可得有源滤波器输出指令相电 压“：、u b 、“：。滤波器输出电压空间矢量图可以划分为六个扇区，6 个扇区i 之间是由六边形的3 条对角线隔开的，这3 条对角线分别对应于 “：。= 0 、“0 = 0 、l l = 的情形。对于给定的输出指令电压”，可以将其在c a 0 a 、b 、c 三坐标轴上分解为“：、“：、u ：，再求得“：。、“二、“二，最后根据 “：。、“：，、“二在6 个不同扇区的符号正负情况判断矢量u 所在区域。 当滤波器输出指令电压“+ 区域确定后，即由表2 查出所选择的输出电压矢 量巩，但u 的判断是个很复杂，每次都要重新判断u 所在区域会影响系统相应 速度。滤波器在下一时刻输出电压矢量u ：可由当前状态u ：_ 1 和误差万，所在区域 决定。这样只需求判断一次u + 所在区域即可。若当前选用的是非零电压矢量， 那么当开关状态发生变化时，可以逆时针或顺时针旋转到相邻电压矢量，要插入 零矢量，但要考虑减少开关次数的要求。这与s v p w m 调制类似泌3 3 1 。表4 给出 了滤波器输出的电压矢量u ：，u 与最2 _ f q f f o 关系。 表4 u ? 、u ? - 1 与4 之间关系 6 i u p ( 1 )( 2 )( 3 )( 4 )( 5 )( 6 ) u 6 7u o u l u 2 u 3【厂l u 5 u ouou l u i u 6u5u5 u lu ou1u2u2 u ，u o u 2ul u iu2u3u3u 6 u 3 u ，u 2u 2u3 u 【，4 u 4u 5u6u3u 3 udu 5 u 5 ，uou o u ， u 4u 4u 5 3 4 电压滞环跟踪的电流矢量控制 u p q c 串联侧相当于一个串联有源滤波器，它主要是用来实现电压补偿。电 第三章u p q c 控制策略研究 压滞环跟踪电流矢量控制方法应用于u p q c 串联侧核心思想是：以相电压误差 作为控制对象，使用3 个滞环比较器，根据相应的比较状态值、首次指令电压矢 量区域判断及上次输出电流矢量，最终由电压空阆矢量选择逻辑，输出个最佳 的电压空间矢量，从而使u p q c 的串联侧实际输如电压跟踪指令补偿电压。 3 。5 仿真分析 本文在m a t l a b s i m u l i n k 3 描翻中对本文提出麴u p q c 李j 偿量检测算法、控制 方法进行仿真研究，u p q c 并联侧主电路的m a t l a b 仿真模型见附录l 。模型中， 三相电网电压对称且发生畸变，非线性负载为三相不可控整流桥，接阻性负载。 电源测量模块和负载测量模块分别用于测量电网电压、电源电流、负载电压和负 载电流，根据上节所述补偿量检测算法搭建仿真模型见附录2 ，其输出为三相电 压补偿量和三相电流补偿量。主要仿真参数如下 e a = 3 l l x s i n ( 1 0 0 n + 3 0 0 n f ) e 6 = 3 1 l x s i n ( 1 0 0 n f + 3 0 0 厢一1 2 0 。) ( 3 一1 4 ) e 。= 3 1l s i n ( 1 0 0 n t + 3 0 0 n f + 1 2 0 。) 整流桥负载r = 3 蚴，l = 4 m h ，滞环比较器的宽度是负载侧电流有效值的l o ， 约为o 5 。利用仿真模型，对本文提出的u p q c 补偿量检测算法和电流滞环跟踪 的矢量控制方法进行仿真，并与传统的p q 法和滞环跟踪控制方法进行对比。 图3 1 2 给出了本文提出的电流滞环跟踪的矢量控制方法的仿真模型。 矿撩令电濂 i k j ：4y d r - r 叶 t r , l m t 3 bu p u l l l 嶷辩 罐奄猿 一 薹) “) | a 。 ，击一 一_芸、- r掣i n p u t 2 b bu 2 1u 粥 i g 嚷 穗赁耩奄骧 r e l a y 2 蚕电碗9 - 匪f - = n p u t lb eu p )u 糊 圈a 西区域判断仿真模型 第三章u l o c 控制簧略研究 图bu 区域判断仿真模型 测量磬 图c 电压空间矢量选择仿真模型 图3 - 1 2 电流滞环跟踪的矢景控制方法的仿真模型 图3 1 3 给出了三相负载电流的波形圈，图3 - 1 4 给出了利用本文提出的u p q c 补偿量检测方法提取的三相电流基波分量波形图。可吼看出本文提出的补偿量 检测方法能很好的从含有谐波的负载电流中提取出基波分量从而能准确的得到 补偿量的值。 图3 一1 3 三相负载电流波形图图3 一1 4 三相电流基波分量波形图 使用本文提出的u p q c 补偿量检测方法进行朴偿量检测，使用本文提出的 电流滞环跟踪的矢量控制方法进行补偿量发牛将补偿盘回馈给电网。图3 一】5 第三章u p q c 控制簟略研究 厘国霍雪 囊笪曼曼曼蔓童舅曼童蹩嘲霍 霍雪厘_ l 麓璺舅笪曼曼量舅笪誊麓霞 厘舅厘l l 第三章u p q c 控制策略研究 电流误差矢量曩的区域来选择最佳电压空间矢量，实现了有源滤波器的三相桥臂 间的关联控制，避免各相独立控制中的无效开关过程，从而改善电流跟踪性能。 本文深入研究电流滞环跟踪的矢量控制方法在u p q c 并联侧的疲用。由于 时间和精力的原因，此方法在串联侧的应用并未做深入研究，还有待继续深入研 究。 第四章u p q c 实验研究 第四章u p q c 实验研究 u p q c 补偿系统的设计网的就是设计一个能实时检测补偿对象的电压、电流 谐波等阏题，并实现实时补偿的系统，这就要求不但要选择合适的检测和控制算 法，还对硬件有较高要求。u p q c 系统中主要包含了数据采集、补偿量检测、补 偿量发生等环节，其中含有大量运算，这就要求核心微处理器要具有高速运算能 力。在电能质量补偿方面，由于需要补偿的多位蔫次谐波，这就要求功率器件为 全控型，开关速度快，损耗小，耐压高，通态压降低等，并且整个主电路必须能 够保证工作稳定，否则反面会变为掰的谐波源。 由于上述原因，本文采用处理速度高的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 作为核心处理器。它 具有非常高的运算精度( 3 2 位) 和系统处理能力( 达到1 5 0 m i p s ) ，其主频最高 达到1 5 m 配，这为提高采样频率创造了基本条件。除此之外，t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 还具有丰富的片内外设：d 转换器、事件管理模块、数字输入输出接口、s c i 串行通信口、s p i 串行通信口、c a n 总线模块以及看门狗电路等等【3 m 0 1 。 本论文的实验设计主要剥焉f 2 8 1 2 内部的a d c 模块实现对电网侧电压_ 和负 载侧电流信号的采样，利用d s p 内部的e v 模块和定时器模块实现检测、控制 算法。实验装置实物图见附录3 。 4 1 硬件电路设计 4 1 1 总体结构 硬僚电路的总体结构图如图4 1 所示，系统的整个工作过程包括三部分：数 据采集、补偿量检测、补偿量产生。其中数据采集电路包括传感器检测电路、电 平偏移电路、滤波电路、限幅电路等组成。补偿量检测和补偿量产生主要在d s p 中进行，将a d 采样来的电压、电流的瞬时值，通过补偿量检测算法得到补偿量 值，再通过控制方法，将产生的补偿量反馈回电网。 第四章u p q c 实验研究 4 。1 。2 主电路设计 图4 1硬件总体结构原理框图 u p q c 主电路由两个背靠背的i p m 模块7 m b p 5 0 r a l 2 0 、四个串并联的电容、 不可控二极管整流模块6 r 1 7 5 g 1 6 0 组成，如图4 之所示。 4 2 主电路结构框图 i p m 模块的系统性能和可靠性良好，使设计和开发变得简单。由于i p m 遥 态损耗和开关损耗都比较低，使得散热器减小，因而系统尺寸也减小。尤其i p m 模块集成驱动和保护电路，使系统的硬件电路简单可靠，并提高故障情况下的自 保护能力，i p m 模块内置保护功能有：控制电源欠压保护、过热保护、过流保护、 短路傈护等。如果i p m 模块有一种保护动作启动，i g b t 栅极驱动单元就会自动 关断电压并输出一个故障信号( o f ) 。 i p m 模块和电容c l 、c 2 、c 3 和c 4 组成电压源型逆变器，它是u p q c 的主 第四章u p q c 实验研究 要部分。u p q c 直流侧的四个串并联的电容相当于直流电压源，其电压以最小 应该大于交流侧相电压峰值的3 倍，如果直流侧电压太小，补偿电流、补偿电压 不能按照要求跟踪指令电流和指令电压，u p q c 补偿效果差。但是，u ，越大， 要求电容耐压越高。根据参考文献 2 1 1 中主电路设计方法有 玑3e。(4-1) 实验室将采用三相电网电压经变压器( 匝数比为2 ：1 ) 后的有效值为1 1 0 v 的交流电压为非线性负载供电，所以直流侧电容电压为 u 。= 2 3 4 枣1 1 0 5 1 4( 4 - 2 ) 满足3 木l l o 宰4 2 4 6 6 6 2 5 1 4( 4 3 ) 所以选用四个耐压值为4 5 0 v ，容量为2 2 0 0 1 t a c 的电解电容，先两两串联，组 成耐压值为9 0 0 v ，容量1 1 0 0 9 f 的电容组：再相互并联，组成耐压为9 0 0 v ，容 量2 2 0 0 9 f 的电路。 4 1 3 非线性负载电流的检测与a d 转换 控制回路的核心是d s p ，利用传感器检测电网侧三相电压的瞬时值和负载侧 三相电流的瞬时值，通过信号调理电路、低通滤波电路、限幅电路，将所有信号 都转化为0 3 v 的电压信号。利用d s p 中的a d 模块进行采样，从而实现补偿量 检测算法、补偿量控制算法。 4 1 3 1 非线性负载电流的检测 在控制系统中，为了实时计算指令电流，必须对非线性负载电流进行检测。 本系统中采用霍尔电流检测器件，霍尔器件对直流和交流电流都能进行检测。 本实验的补偿量检测算法中，电网侧电压、负载侧电流的实时检测是很重要 的环节。本实验选用宇波模块c h v - 5 0 p 进行电压测量，选用浙江大丰模块d t - 5 0 p 进行电流测量。c h v - 5 0 p 型电压传感器输出端与原边电路是隔离的，性能稳定 可靠，易于安装，用于电压测量时，传感器通过与模块原边电路串联的电阻与被 测量电路并联连接，输出的电流正比于原边电流。如图4 3 所示。 鼍r 图4 - 3c h v - 5 0 p 连接电路 实验中选用浙江大丰模块d t - 5 0 p 霍尔电流传感器。其连接方式如图4 4 所 第四章u p q c 实验研究 示。d t 5 0 p 具有下列优点：副边电流能够忠实的反映原边电流波形、测量精度 高( o 5 ) 、动态性能好( 响应时间小于l p s ) ，且原副边高度电绝缘。其连接 图类似予电压传感器，不同点在于采用中间穿孔设计，只需将所要测量电流懿导 线穿过就行，不必另外接线。 - 5 ! ：蛰 4 + b 三 砒 圈4 - 4d t 5 0 一p 连接电路 电压传感器、电流传感器都将其检测到的电压、电流信号转化为有效值1 5 v 的交流电信号输惑，其变纯范围：i 5 v - - + l 。5 v ，其必须要经过信号调理电路， 对传感器输出的信号进行转化，才能输出给d s p ，因为d s p 接收的信号是0 3 v 的电压信号。所以需要一个电平偏移电路将其转化为o 3 v 的单极性信号，并且 透过二极管限幅电路，将检测的电压、电流信号严格的限制在乱3 v 之内，再送 至d s p 的a d 端阴。其信号调理电路如图4 5 所示。 为了避免数字采样中的混叠现象，必须设置低通滤波器进行滤波。内于采样 频率选择为3 2 k h z ，被采榉信号中的最高次分量频率应小予等于采样频率静一 半，实际的抗混叠低通滤波器的截止频率选择为l k h z ( 香农定理) 。 r n 图4 ，5 信号调理电路 4 1 3 2 采样周期信号发生电路 电蘸楣电压经传感器，褥经过信号调理电路送入毙较器进行过零比较，其有 锁相环功能，产生一个上升沿与a 相电压过零同步的方波信号，送入d s p 的 x i n t 2 端口。当其检测到正弦波电压过零点时，开始启动定时器，触发a d 开始 第四章u p q c 实验研究 采样。每个周波内，a d 转换器都将从零点开始重新采样，从而避免采样过程中 的累积误差。图4 - 6 是过零检测电路。 图4 6 过零检测电路 4 133 电源电路和电平转换电路 i p m 模块由三个桥臂组成，每个桥臂包含上下两个i g b t 管。其中，上桥臂 的三个i g b t 管分别用三组电源进行控制，下桥臂三个管子以及制动单元共用一 组电源，因此驱动电路共翥提供四路+ 1 5 v 电源。 交流电压2 2 0 v 经单相变压器转化为所需的交流电压，实验中变压器副边电 压为18 v 的交流电，经单相整流变为1 6 7 v 直流电，再经过三端稳压器7 8 1 5 ， 得到+ 1 5 v 的输出电压。4 7 0 拜f 、0 1 心和1 0 心的电容都具有滤波的作孀，能够 消除整流桥输出直流电压的纹波。除此之外，4 7 0 p , f 的极性电容抑制高频分量的 效果好；0 1 心的电容还能实现去藕作用；这些电源同时也是光藕的供电电源。 7 冀l s 图4 。7 + 1 5 v 直流电源模块电路图 图4 8 士1 5 v 直流电源模块电路图 在本实验中要用到的电压值有模拟电压和数字电压。其中模拟电压要用到 + | 5 v 、一1 5 v 、+ 5 v 、一5 v 、+ 3 。3 v 等，数字电压要用n + 1 5 v 、1 5 v 、+ 5 v 、5 v 、 3 7 第四章u p q c 实验研究 + 3 3 v 等，这就需要完成很多的电平转换，需要很多的电平转换芯片。在实验中 用到的电平转化芯片有：m a x 6 0 2 5 、m c 7 8 0 5 、m c 7 9 0 5 、t p s 7 3 3 3 q d 、t p s 7 6 7 d 等；如图套9 所示。 婴一 + s v a 4 。重。4 驱动电路设计 图4 9 电平转换电路 本实验是用弱信号来控制强信号，驱动电路的作用是隔离控制电路和主电 路。控制电路中d s p 发出豹p w m 信号，属于微弱信号，妊须经过光藕隔离帮 放大后再触发主电路中的功率开关器件，此外，光藕能抑制一些干扰信号和噪声 信号。如图4 1 0 所示，选用h c l p 4 5 0 4 高速光藕。 1 i 酆l噼k 黧 刍( 2 = 2 5 v 1 0 u t u g 2 ，6l 。i | |s | 章多 t| ， ， h ( 2 , p 4 5 0 4 图4 一1 9 光藕驱动隧离电路 4 2 补偿量检测及控制算法软件设计 在介绍各部分程序之前，先概述一下程序运行环境。 t m s 3 2 0 f 2 812 配套的软件调试工具是c c s 2 代码编译器，它和d s p 芯片遗 过并口仿真器x d s p p 相连。t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的代码程序支持c 语言、c + 十和汇编语 言，同时与t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 数字信号处理器的代码兼容。由于u p q c 的算法较为 第四章u p q c 实验研究 复杂，用汇编语言实现比较麻烦，因此本实验中主要采用c 语言编写u p q c 程序。 在调试之前，需要编写三种文件：c 语言文件( c ) 、头文件( h ) 、命令文件( c m d ) 。 头文件中主要是定义程序中用到的d s p 寄存器映射地址、用户自定义变量以及可 调用宏文件；命令文件是用来分配程序存储空间和数据存储空间；c 语言文件是 核心，实现用户所要完成的特定功能1 4 1 4 5 1 。 u p q c 的程序主要用来实现补偿量检测和补偿量控制。其具体包括：主程序、 中断程序以及各种调用子程序。本实验的检测算法采用第三章提出的基于广义瞬 时无功和同步变换法的u p q c 的补偿量检测方法，控制算法设计为传统形式， 计算出补偿量后，直接通过s v p w m 算法发出补偿量信号，反馈回电网，从而 实现补偿。 本实验的软件程序规划为一个主程序和两个中断服务子程序。主程序主要执 行各部分的初始化以及分配中断服务的中断向量。一个中断服务子程序是由外部 中断申请引起；另一个中断服务子程序由a d 中断申请引起。另外，数据采集、 补偿量检测、补偿量的产生都是在定时器的控制时序下进行。数据采集以n 倍 于电源电压频率厂的采样定时控制下进行，即每个周期采样n 个点。在每个采 样周期内，进行数据采集、补偿量检测、产生补偿量。主程序流程图4 1 1 示。 图4 1 1 主程序流程图 3 9 第四章l i p q c 实验研究 4 2 1 外部中断服务子程序 於部中断子程序主要用于电压过零点检测，即实现锁相环的功能。利用 4 1 3 5 中的过零点检测电路，即可实现当a 相电网电压过零点时，进入外部中 断子程序，并认为该时刻电压相位角为零，同时在该子程序中启动定时器。图 4 1 2 示为外部中断x i n t 2 中断服务子程穿流程图。 图4 1 2 外邦中断x i n t 2 中断服务子程序流程圈 4 2 2a d 中断服务子程序 该子程序主要是读取a d 采样结果，然后实现补偿量检测及s v p w m 算法， 图4 1 3 所示为a d 中断服务子程序流程图。图4 1 4 为补偿量检测算法的流程图。 图4 1 3a d 中断服务子程序流程图 第四章u p q c 实验研究 采样得到三相负载电流相加后除以3 ， 即为每相的零序分量i 。、i b 、i c 上 三相负载电流减去零序分量后，乘以c c ；得 到i ，正、余弦表指针自动加1 土 对蜮生行数字滤波得到直流分量i ， l 对电容总电压进行控制，得到钙 上 | 鳞与z ，之和乘以乞c ，得到三相基波有功分量 土 三相负载电流减去三相基波有功分量 图4 - 1 4 改进的补偿量检测算的流程图 la d 采样值的处理 为达到一定的控制耩度，整个算法需要进行大量的浮点运算，但是 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 是定点d s p ，而系统变量大小不一，为简化计算，对各变量采用 标么值形式。另外，霍尔电流传感器、霍尔电压传感器检测的电流、电压信号经 过硬件的电平转换毫路转换为单极性电平信号( 啦3 v ) ，输入给d s p 的a d 通 道，经a d 转换后得到0 4 0 9 5 之间的一个结果。又因为检测的是交流电压和电 流信号，所以应将转换结果减去2 0 4 8 ，变为有符号数。 2 数字低遁滤波器 在a p f 中，低通滤波器的设计应满足：截止频率低，过渡带快，通带内增益 接近l 、阻带内增益接近0 ，在满足精度要求的前提下，阶数尽量低，以使滤波 器的运算速度抉。 滤波器有模拟滤波器和数字滤波器两种。这里选用数字滤波器，因为它相对 于模拟滤波器更容易进行滤波代数运算，而且数字滤波器的优点是没有模拟滤波 4 1 第四章u p q c 实验研究 器那样的随时间、温度、电压漂移，数字滤波器还能实现近似理想的响廒和线性 相位，所以能更好地达到谐波检测的实时性和准确性的要求1 4 卜5 0 j 。 数字滤波器鸯无限冲激响应( i i r ) 系统和有限冲激响巍( f l r ) 系统两种。 i i r 系统的优点是实现的阶数低，对于实现相同要求的数字滤波器，f i r 滤波器的 阶数要l 匕i i r 滤波器的阶数高5 l o 倍，i i r 滤波器的设计相对简单，可以由对应 的模拟滤波暴转换丽来。f i r 系统豹优点是采焉递归结构，可以褥到严格的线性 相位，运算的误差也较小，f i r 的设计比i i r 要灵活。结合i i r 滤波器和f i r 滤波器 的优缺点，由于在a p f i 皆波检测中的低通数字滤波器是用于通过直流，滤掉交流， 对相位的要求不高，而且希望运算尽量小，因此选用i i r 滤波器。 一般而言，a p f 要求能够滤掉的谐波为2 、3 、5 、7 次，截止频率可以相应 取在5 0 10 0 h z 。本文通过理论分析和