一种全数字串联型电能质量控制器的硬件设计

目录摘要...............................................................2前言...............................................................41电能质量的历史现状...............................................41.1电能质量控制技术的国内外研究现状..............................41.2串联型电能质量控制器的研究背景................................42串联型电能质量控制器的系统结构和基本原理.........................52.1系统结构......................................................52.2基本原理......................................................62.3理论基础......................................................63控制电路设计.....................................................84系统硬件设计和实现...............................................94.1主电路的设计和实现............................................94.1.1主电路结构..................................................94.1.2主电路元件的选取和参数的设计...............................104.1.3主电路的实现...............................................124.2控制电路的设计和实现.........................................124.2.1控制系统结构...............................................124.2.2数字控制电路板的设计和实现.................................134.2.3信号采集电路板的设计和实现.................................175结论............................................................19一种全数字串联型电能质量控制器的硬件设计作者：张田冲指导老师：李雪莲管晓虎摘要：串联型电能质量控制器是一种可以有效提高用户端供电质量的电力电子装置。该文设计并应用数字信号处理器(DigitalSignalProcessor-DSP)实现了串联型电能质量控制器的全数字实时控制，提出了一种适合在定点DSP上实现的空间矢量PWM快速生成算法。实验结果表明所研制的数字控制系统硬件、软件结构设计合理，谐波检测算法和空间矢量PWM算法快速有效，而其控制的串联型电能质量控制器具有良好的电能质量控制性能。关键词：电能质量；串联型电能质量控制器；空间矢量ResearchandDevelopmentofaDigitalControlledSeriesPowerQualityControllerAuthor:ZHANGTian-chongInstructstheteacher:LIXue-lianGUANXiao-huAbstract:Seriespowerqualitycontroller(SPQC)isanadvancedpowerelectronicsdevicetoimprovethepowerqualityofsupplyutility．Aful-ly-digitalcontrolsystembasedondigitalsignalprocessor(DSP)hasbeendevelopedtoimplementthereal—timecontrolofseriespowerqualitycontroller．andahigh—speedgeneratingalgorithmofspacevectorpulsewidthmodulation(SVPWM)wasproposed，whichiseasyimplementedwithfixed-pointDSP．Itcanbeverifiedbyfullyexperimentalresultsthatthedevelopeddigitalcontrolsystemworkswell，andallinvolvedalgorithmsareeffectivetocompensatethepowerqualityproblemsofsupplysidevoltage．Keywords：powerquality；SeriesPowerQualityController；spacevector前言随着电力的市场化和以信息产业为代表的高新技术产业的飞速发展，电力负载中的电能质量敏感负荷越来越多，电能质量问题越来越受到重视。串联型电能质量控制器是一种可以有效提高用户端电能质量的电力电子装置，它串联在电网和用电设备之间，可以补偿电网存在的诸如电压谐波、电压跌落等电能质量问题[1]。控制系统是串联型电能质量控制器的核心，直接决定了电能质量控制的效果。由于要补偿电网电压谐波和电压短时跌落等电能质量问题，对于控制系统实时性的要求非常高，如果控制系统采用模拟器件实现，则存在一些难以克服的缺点，如体积庞大、不易调试、受环境影响大并且不易更新和维护等1。近年来电子技术和数字信号处理器(DigitalSignalProcessor—DSP)发展迅速，已可以满足电能质量控制中的实时运算的要求。本文将DSP应用于串联型电能质量控制器的控制中，设计并研制了一套全数字控制系统，用DSP实现了谐波实时检测，并提出了一种在定点DSP中实现空间矢量PWM的算法，从而有效地实现了串联型电能质量控制器的实时控制。1电能质量的历史现状1.1电能质量控制技术的国内外研究现状美国电力科学研究院的NG.Hingorani博士在1988年首先提出了“CustomPower”的电能质量控制技术新概念[1]，将计算机技术、现代控制理论和现代电力电子技术用于配电系统，与配电系统的自动化技术相结合，为各种不同要求的用户提供相应的供电质量，使电网成为实时可控的柔性化配电系统，这是现代科学技术和电力市场发展的结果，是下一代配电系统的发展方向[2]。目前，基于电能质量控制技术应用的各种电力电子设备研究方兴未艾，但是大多都未能普及应用和大批量生产。1.2串联型电能质量控制器的研究背景在20世纪80年代以前，由于电压型谐波源的数量少，容量小，并且使用分散，它们产生的谐波没有引起人们重视，因此，针对此类电能质量问题的研究很少。串联型电能质量控制器的研究，可以追溯到1988年。最早是彭方正等人提出来的混合型串联有源电力滤波器(SHAPF)[3]。早期研究主要一些以H.Akagi等人为代表的日本学者为主。20世纪90年代中期以后，应用串联型的电能质量控制器补偿系统三相不平衡、消除电压闪变、瞬时跌落等的研究发展较快。1994年，AlexandreCampos等人将串联型有源电力滤波器用于平衡三相不平衡电源获得成功[4]。1994年，A.Nabase等人成功地将串联型有源电力滤波器用于抑制80吨电弧炉所产生的电压闪变[5]。20世纪90年代末，西安交通大学姚为正等人对单独使用的串联型有源滤波器作了深入研究，提出了检测负载电压的控制方法，并对控制方法和补偿特性进行了详尽的研究[2]。2003年，H.Akagi等人发表了关于串联型有源滤波器的建模和稳定性分析的论文[6]。目前，国外对串联型电能质量控制器的研究，已从实验研究过渡到实用化研究阶段，德国的西门子公司推出了串联型电能质量控制器的样机，并已开始投入现场试运行。在国内，近年来，清华大学、东南大学、西安交通大学等高校也开展了对串联型电能质量控制器的研究。总体上，国内的研究尚处于理论研究和实验室研究阶段。2串联型电能质量控制器的系统结构和基本原理2.1系统结构串联型电能质量控制器系统总体的结构如图1所示，它由三相变流器主电路和数字控制电路两部分构成。主电路采用三相桥式逆变电路产生三相可控的补偿电压，经输出滤波电路，通过变压器耦合进电网，产生相应的补偿效果。为简化设计，功率器件选用智能功率模块(IntelligentPowerModule—IPM)。数字控制电路以DSP为核心，主要实现数据采集(包括电网电压、负载电压、电网电流等)、数据处理(电压谐波分析和计算等)和空间矢量PWM生成等功能。图1串联型电能质量控制器的系统总体结构2.2基本原理串联型电能质量控制器可以等效地看作一个可控电压源，串联在电网和用户负载之间。当电网电压su和理想供电电压su*为存在偏差时，串联型电能质量控制器提供补偿电压Luc对该偏差进行补偿，保证负载得到高质量的供电电压。2.3理论基础为了准确地补偿谐波，需要实时计算检测信号中的谐波成份。本文采用的谐波信号检测算法是基于瞬时无功功率理论的p-q算法[7;8]。三相电路的瞬时无功功率理论是该谐波实时算法的理论基础。三相电路瞬时无功功率理论首先于1983年由赤木泰文[9;10;11]提出，此后该理论经不断研究逐渐完善。赤木泰文最初提出的理论亦称p-q理论，是以瞬时实功率p和瞬时虚功率q的定义为基础的。在瞬时有功电流ip和瞬时无功电流iq为基础的理论体系中，设三相电路各相电压和电流的瞬时值分别为ea、eb、ec和ia、ib、ic，为分析问题方便，把它们变换到两相正交的坐标系上研究。由下面的变换可以得到两相瞬时电压e、e和两相瞬时电流i、ieeCeeeabc32(2-1)iiCiiiabc32(2-2)其中：C32231121203232在图2所示的平面上，矢量e、e和i、i分别可以合成为（旋转）电压矢量e和电流矢量i:eeeee(2-3)iiiii(2-4)式中，e、i为矢量e、i的模。分别为矢量e、i的幅角。三相电路瞬时有功电流ip和瞬时无功电流iq分别为矢量i在矢量e及其法线上的投影。即iipcos(2-5)iiqsin(2-6)式中，ei。iqieipiqiqiiipipieee图2坐标系中的电压电流矢量三相电路瞬时无功功率p（瞬时有功功率q）为电压矢量e的模和三相电路瞬时无功电流iq（三相电路瞬时有功电流ip）的乘积。即peip(2-7)qeiq(2-8)把式(3-5)、(3-6)及ei代入式(3-7)、(3-8)并写成矩阵形式得出pqeeeeiiCiipq(2-9)式中：Ceeeepq把式(3-1)、(3-2)代入上式可得出p、q对于三相电压、电流的表达式peieieiaabbcc(2-10)qeeieeieeibcacababc13[()()()](2-11)从式(3-10)可以看出，三相电路瞬时有功功率就是三相电路的瞬时功率。对于三相电压和电流均为正弦波时的情况时，瞬时有功功率、瞬时无功功率的表达式可以描述如下：设三相电压、电流分别为eEtamsin(2-12a)eEtbmsin(/)23(2-12b)eEtcmsin(/)23(2-12c)iItamsin()(2-13