基于DSP的并网变流器在电网二操作控制.doc

基于DSP的并网功率控制转换器在网格扭曲操作玛丽安P. kazmierkowski，研究员，IEEE，IEEE会员马立克Jasinski，Grzegorz Wrona，学生会员，IEEE摘要电力电子并网变换器（顾客）作为可再生能源并网接口广泛应用。本文提出了一种扩展的直接功率控制空间矢量调制（DPC-SVM）方案的改进根据网格扭曲操作性能。实时操作的方案执行的几个重要DPC-SVM工作：的空间矢量脉宽调制，有功功率反馈控制，电网电流谐波和电压暂降补偿。因此，在开发和实施使用单芯片微控制器DPC-SVM浮点算法TMS320F28335的描述。它结合了大周设备，典型的微控制器，具有很高的计算数字信号处理器（DSP）的容量特性。的该系统的创新之处在于通用扩展通过附加的高次谐波电压DPC-SVM计划倾斜补偿模块及实现在一个单芯片的浮点控制器算法。概述实验室设置的描述的序列基础算法，任务，优化软件以及特定的执行时间在定点和浮点处理器的程序模块进行了讨论。选定波形说明操作该算法用于5 KVA实验室的鲁棒性介绍了GCC模型。标引词数字信号处理（DSP），直流电源控制（DPC），浮点控制器，并网转换器（GCC），实时控制。一、引言 近年来，可再生能源的发展（RES）来自要求增加安全电力供应，减少温室效应，排放二氧化碳气体，避免雨。在RES水电，风电和光伏技术目前最大的使用。然而，主要劣势物的不可控性和有限性（视天气情况）。因此，如果这些系统没有适当的控制，他们本可以连接电网不稳定甚至失败。此外，新标准对RES对公用电网连接（称为网格编码在国家标准规定的 2 ， 11 ）提出了更高的要求更为系统的运行在短期电网干扰能力（非对称条件下，电压骤降）和保证高质量（低电流畸变和操作功率因数）【11】。这些要求可以遇见通过连接电源转换器（GCC）与三相电网适当的控制。 GCC开发了几个通用的控制策略 14 ， 15 ， 20 。最受欢迎的是线性电压定向控制（VOC），功率流控制间接的有功和无功电流的组件使用线性PI控制器和空间矢量调制（SVM）。的有功电流是指同步旋转电压定向的坐标计算测量电网交流电流通过坐标变换。支持向量机的块，在每个采样周期，产生开关在这样一种方式，平均功率晶体管序列了海合会的输出电压是信号控制正比PI控制器送来的。因此，海湾合作委员会采用固定开关频率的采样时间定义。 在直接功率控制（DPC）方案，积极无功功率闭环控制中直接使用非线性磁滞控制和电压选择表【14】【20【15 ， 22 的。DPC没有调制器和简单结构，然而，在滞环控制的晶体管开关频率随负载的变化和GCC直流侧电压脉动。因此，保护和EMI滤波器设计是困难的。 在预测的直接功率控制（P-DPC），晶体管开关状态由预定义的在线选择最小化基于预测模型 4 成本函数， 10 。作为一个结果，GCC，在DPC，变开关操作频率。进行预测控制器的正确运行需要精确系统模型、大量在线运算。 本文提出的方法称为直接功率控制采用空间矢量调制（DPC-SVM）相结合的优势的VOC（SVM线性PI控制器）和DPC方案（结构简单，无电流控制回路） 14 ， 15 。 然而，这里要强调所有上述通用控制方案不能满足电网规范要求关于：总谐波失真（THD）的格网因子目前在电网电压畸变小于5%，额定电压降到90%。特别的，单相电压线索系统不对称，需要相应的补偿算法。 扩展算法的任务一边高功率半导体器件在开关频率GCC另一边需要较大的计算量。目前，在电力电子领域的最受欢迎的是德克萨斯仪器（TI）和模拟设备（AD）处理器与Altera灵活的可编程门阵列（FPGA）。FPGA提供了有趣的选择建立特定的DSP系统。在案例TI DSP，用户在所有的外设，而在该情况下，AD的所有外围设备也必须增加 24 ， 25 。图1。电力电子GCC作为研究网格界面 近日，该DSP的生产者不仅增加了操作速度和计算能力，而且还扩大其提供的专用电路。一个例子是德克萨斯仪器C2000家族，广泛用于电力电子变换器的控制在交流传动系统和资源，这个家庭也浮点TMS320F28335结合大周对于高计算微控制器典型设备能力的数字信号处理器的特点。此外，实时系统的理论扩展 8 ， 21 。 开发的控制算法的块方法包含以下几个功能模块：脉宽调制器（PWM），网格同步锁相环（PLL），有功和无功功率估计，功率和直流侧电压反馈控制器，高次谐波电流补偿器（HHC），和电压骤降补偿器（VDC）。因此，对新奇该系统是在通用的DPC-SVM延伸通过附加的HHC和伏补偿模块方案并在单片机的整个算法的实现浮点控制器。 该算法的主要特点是： 有功和无功功率流直接控制； 恒定开关频率的功率晶体管； 抗电网干扰像高次谐波和电压骤降； 执行时间短由于软件优化； 实施全面控制和补偿算法在单片机。在本文中，介绍了对5伏安实验设置的描述，讨论对执行时间的最小化，和选定的实验波形图说明操作。II并网变换器原理（GCC）操作海湾合作委员会的withac输入电抗器和输出功率电路直流侧电容器如图1所示，在图2（a）显示其单相表示 13 ，是电网电压空间向量，是电网电流空间矢量，是海湾合作委员会输入电压空间矢量，是一种空间电压矢量对输入的下降（交流网侧）扼流圈L和它的阻力R.图2。操作的GCC（a）单相等效电路和矢量（b）图：1）和2）非全功率因数运行；3）和4）团结的力量因子操作。 电压是可控的，取决于开关信号模式和直流侧电压等级。由于震级和相位的控制电压，线电流可以通过改变电压在输入扼流圈控制-。因此，网格和海湾合作委员会的交流侧电感之间是必不可少的。他们创造了一个电流源提供推动海合会特征。通过控制变换器交流侧电压矢量的幅值和相位的线的电流矢量的相位和振幅控制间接。此外，在图2（b）所示整流和逆变GCC的矢量图。从这个图可以看出，震级较高时比整流逆变模式。随着硬电网假设（即，是一个纯内部的零阻抗电压源）的端电压GCC可以相差达约3%间整顿反相模式 12 。III.GCC控制方案A. DPC-SVM算法的基本方案 基本版DPC-SVM算法的方案图3所示（一）。它包括以下几个模块：支持向量机，坐标变换从同步旋转到静止坐标系下，有功和无功功率估计，三反馈控制回路（有功P和无功Q以及直流侧电压）。命令值的有功功率是由直流侧电压生成PI控制器，而无功功率是单位功率因子的操作条件。B.主动和无功功率估计量使用复杂的符号，在三相瞬时功率，三线制可以表示为 1 图3。GCC接口RES:(一)基本块DPC-SVM方案以及(b)的网格在固定电压矢量表示是共轭栅极电流向量的定义电网电压矢量（图2(a)）和栅极电流矢量瞬时功率可以被计算为 1 ， 2 和是电网电流矢量分量。C. 坐标变换和锁相环由有功和无功产生的指令电压矢量电源控制器是在同步旋转坐标表示。因此，在使用SVM块交直流变换器的控制，在这种情况下，必须改变在固定坐标系。是一个位置的电网电压矢量关于相对于固定坐标轴图3（b）在锁相环的计算，如图4所示在PLL块，正序分量从测量电网电压坐标计算反演变换图4。锁相环与归一化的电网电压矢量的位置和坐标变换图5。图3 withvdc与谐波补偿DPC-SVM框图（HHC）模块PI控制器将降到0并且同步器dq用电网电压矢量坐标见图3（b）。IV.扩展的DPC-SVM框图符合标准和规范要求的网格电能质量和扭曲的网格下GCC操作电压，有必要引入基本的DPC-SV图3两个附加模块方案：高次谐波补偿和电压骤降的补偿器（图5.）。A. 电压骤降补偿器（VDC）一现象产生的电压暂降的主要原因有三：短路故障对电力系统的不同点，非线性负荷接入电力系统，并连接大负荷（例如，高功率驱动器）。电压的持续时间有时，根据欧洲标准EN 50160，分作为 11 ：短期（最多几秒）和浅（低于60%）；-短深（60%以上）；长（超过几秒）和浅（低于60%）；长深（60%以上）。 电压突然变化可以控制引起的问题并网变流器直流侧电压的振荡，如，扭曲的和非对称的交流电流，有功和无功功率振荡。图6.电压跌落补偿方案（VDC）算法在电压不对称的情况下，电压空间矢量（在稳定状态）是由两个相量描述：否定积极的角频率和是复值不同类型的电压暂降中，最流行的是：类型A-相电压降在相同数量的大小；类型B-在震级只有一个电压下降；这类将含有零序分量；类型C-两相电压降的大小及变化在相移；类型D-两相电压降的大小及变化在相移，在第三级相电压降；这型坑含有负序分量。虚拟算法框图如图6示。的计算（3）测量电网电压元件和交付正序估计和负。在这两个估计的输入，一个坐标变换阳性和阴性电网电压的位置角度。负电压元件（11）的旋转坐标系dq表现为100赫兹的信号已被分离和消除从控制和同步块。因此，适当的过滤可以被运用。动态性能的改进，在这两个估计串联陷波滤波器100赫兹与低通滤波器的应用30赫兹。负栅电压分量的滤波处理图7所示。B.高谐波补偿器（HHC）为了在正弦电流下的网格扭曲成进给多栅极电压HHC系统运行应用参考每个谐波应消除 2 ， 6 ， 7 ， 17 。高谐波补偿器HHC显示在图8块图。扭曲的电网电压与谐波可以表示为图7.负栅压组件使用过滤过程的级联缺口和低通滤波器。图8.HHC的图解为当k=5和7这些谐波导致电网电流畸变的相同的频率。HHC由坐标变换为配合次谐波同步旋转得到补偿。这样，谐波是转移到直流信号，以及一个完整的控制器是用来减少分量为零。因此，TH电流谐波消除。控制器的输出产生必要的补偿在同步旋转坐标系dq下的电压，因此，包括了第二坐标变换块。补偿电压和被总结并加入GCC的参考电压是用空间矢量调制SVM计算占空周期功率晶体管。为补偿的控制器谐波应足够慢，因此不想采取行动这些频率。在实践中，有限直流增益积分器可以使用Kk是增益因子。它可以根据设计的带宽指标 17 是所需的阶跃响应时间为次谐波并且是网格的期数时间常数Tk是由Ak是预期的次谐波确定阻尼在频率的回路增益。V.实验结果A. 实验室设置概述实验装置由一个商业丹麦丹佛斯5 kVA PWM变流器电网与可再生能源的接口源（RES）。这两个系统之间通过LC滤波器和隔离变压器。在实验室设置，RES功能执行异步发电机通过一个转换器连接到直流侧控制GCC（背靠背）。实验室的建立具有两分离部分：高压电路和低压测量控制系统。与单片机控制信号经过一个光纤接口传送的转换器，当电流和电压测量是基于LEM的传感器和隔离放大器iso124。实验室设置框图如图9所示。一个可编程的加利福尼亚仪器5000ix提供电源可调的交流电压。得益于个人控制允许模拟各个阶段，和谐波任何电压骤降重复和控制条件的干扰。实验室设置的参数见表1。控制方法：用电压降和较高的DPC-SVM谐波补偿以及发电机侧变流器控制算法（空间矢量直接转矩控制调制DTC-SVM）在单片机实现TMS320F28335。单片机是一个32位浮点DSP单元属于C2000 Delfino的家庭德克萨斯仪器。它的基本参数被总结在表二里。算法的实现算法在以前描述的控制与补偿部分已在C语言和汇编程序。单片机的时钟频率为150 MHz。两个转换器使用12pwmoutputs，设置为10kHz的频率。此外，七个ADC通道用来测量电压和电流，并在适当的触发的瞬间一个同频率的PWM通道。整体该算法的结构如图10所示。它包括一组程序和单片机的配置功能封闭的循环。该算法的初始化，中断常规从PWM模块。中断时调用PWM计数器复位（图10）。PWM计数器操作在上下模；这允许产生对称的PWM在空间矢量调制器脉冲。模数转换器ADC也与PWM计数器的同步。图9.实验室的设置。表一实验室设置的主要参数表二数字控制器的规范图10.与所有模块的控制算法的总体结构。B.实验结果控制算法已在实验室设置测试（图9）图12显示运行中的波形反演模式。说明反应电压从100 V 20两。上有直流侧电压波形与发电机相电流的研究。在较低的波形波形图显示的三相电压、三相电流GCC。注意，当前在电网电压相位相反只显示有功功率流。这对应于统一功率因数（UPF）的GCC操作。无功功率这种情况下设置为零（图3Qc=0）。然而，在一般的情况下的无功功率Qc指令值可调由外部电源管理系统来支持网格稳定 5 。此外，在人物的电流接近正弦波，随着谐波形状。此外，在开始在电压跌落到底有超调量小的电流的证明过程运行正常。它应该注意，变形不影响机器的电流，因为它是脱离电网侧的直流侧电压在期望的电平控制。图11.该PWM配置图。图12.实验波形说明动态操作的转换器80毫秒的电压暂降下。1-dc-side电压Udc 100 Vdiv ；2，3，4 -感应机电流的ISA，ISB，ISC 5 ）；/ DIV 5线电压UA 100 V /格；6，7，8线电流IA，IB，IC 5 / DIV。图13.较高的谐波补偿算法操作。（一）操作开关线电流补偿前。（b）正弦电流对补偿算法开关后。表三执行时间选定的组件的控制算法图13显示了HHC算法模块的操作在电网电压畸变（由高次谐波）。它可以看出，没有HHC模块，电网电流Ia的畸变测量总谐波失真系数：THD=16.5%在HHC算法切换，总谐波失真降低到5%。整个程序是在一个中断触发的执行PWM接口（图11）。C.在算法执行时间的探讨在实时系统中极为重要的是程序的执行时间。对于正确的操作，它需要计算新在下一个功率晶体管PWM模块的价值接通。表III，该部分的执行时间控制算法所示。进行测量基于TMS320F28335的单片机用的三不同的图书馆比较新的执行时间浮点单片机与流行版TMS320F2812定点。程序执行时间测量通过内置的计时器。表四所选操作的执行时间第二列包含的执行时间与使用IQmath库旨在执行浮点运算在定点处理器。这种方法也被称为“虚拟浮点” 23 ，包括介绍32位定点数浮点数。特征这样的表现是整个精度相同数字范围，什么是 23 。用户必须选择精度和范围的数字之间的一种折衷。在这种情况下，一般Q值设置为18，在一些业务提高到24，例如，三角函数运算。代码基于IQmath库可以很容易地从定点系统浮动，仅通过改变一个相反的行代码。中柱表三显示执行时间使用标准的内置函数库实现。最后一列包含程序的执行时间使用fastrts文库是一家集优化浮点在C28x浮点控制器的数学函数。它可以看出，解决方案是在某些情况下的速度比使用与标准库中的浮点单元更快的方法。它是由耗费时间的划分和一些三角函数特别是但，如表本功能显示可变的执行时间从3.5到7美元。在表，给出了平均值。另一方面，随着实现方法，转换格式和整数的智商对面是一个耗时的操作。这是明显的和PWM更新程序的测量。对浮点单元的最快的算法使用该库fastrts。每个数值表示的精度够这个程序并没有影响算法运行。IV.结论一种新的并网变换器的控制方案（GCC）作为可再生能源并网接口（RES）已经提出了这项工作。它是基于通用的直接采用空间矢量调制的功率控制（DPC-SVM）控制方案，通过网格附加模块扩展电压跌落补偿（VDC）和高次谐波的网格电流中和（HHC）。重要的特点，在开发的算法：直接控制有功和无功功率流恒定开关频率的功率晶体管；抗电网干扰像高次谐波和电压骤降；执行时间短由于软件优化；在低成本单片机单片机浮点TMS320F28335实施全面控制和补偿算法。实验波形测量在5 KVA实验室转换器进行验证控件的属性算法。2011年2月2日收到稿件；2011年3月15日修订；接受2011年3月19日。出版日期2011年4月19日；当前版本日期2011年5月6日。这项工作得到ncbir N R01资助0014 06 / 2009。本文tii-11-045号。作者是华沙工业大学，华沙00-662，波兰（电子邮件：.pl；.pl；Grzegorz。沃纳 EE。PW。edu。PL）。本文中的一个或一个以上的数字彩色版本在线时。数字对象标识符10.1109/tii.2011.2134856引用 1 H.赤城，EH渡边，和M. aredes，瞬时功率理论和功率调节中的应用。纽约：威利，2007。 2 H.赤城，“现代有源滤波器与传统的无源滤波器，“公告波兰科学院的，技术科学，54卷，3号，255页269，2006。 3 美国alepuz re，S.布斯克茨，J. bordonau，J. 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