高供電品質(zhì)整流電路控制系統(tǒng)的研究

鄧永紅，曹浩堃，張伊樂，孫 雷

(華北科技學(xué)院 電子信息工程學(xué)院，北京 東燕郊 101601)

1 問題提出

隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展與廣泛應(yīng)用，供電系統(tǒng)中添加了大量的非線性負(fù)載，這引起電網(wǎng)電壓、電流的畸變，導(dǎo)致電力污染。尤其是二極管、晶閘管整流電路，其作為各類電力電子設(shè)備與電網(wǎng)的接口，是主要的諧波污染源。高供電品質(zhì)整流電路供電設(shè)備能夠使整流器的交流側(cè)電流正弦化，并且運(yùn)行于單位功率因數(shù)狀態(tài)，消除了傳統(tǒng)整流器的弊端；而且能夠?qū)崿F(xiàn)將負(fù)載端的能量反饋回電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動，做到能量的高效利用與綠色使用。

本文研究的是高效綠色設(shè)備高供電品質(zhì)整流電路控制系統(tǒng)，研制出一套基于32位高速信號處理器DSP[1]為控制核心高供電品質(zhì)整流電路裝置，運(yùn)用新型IGBT及其可靠的驅(qū)動技術(shù)；采用電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，輸出穩(wěn)定的直流電壓并使功率因數(shù)接近1；具有能量雙向流動的功能，既能工作在整流模式，也能工作在逆變模式，使負(fù)載能量回饋電網(wǎng)；提高電力電氣裝備的安全性，穩(wěn)定可靠性，降低裝備的體積質(zhì)量。

圖1 系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)圖

2 驅(qū)動系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)

高供電品質(zhì)整流電路[2-5]的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。其主要由輸入變壓器、濾波電感、IGBT以及直流側(cè)電容，續(xù)流二極管構(gòu)成。整個電路由電壓型PWM整流器為核心，輸入三相交流電，經(jīng)PWM整流器輸出直流電，由控制臺發(fā)出啟動/停止命令，檢測回路檢測輸入輸出參數(shù)，并把相關(guān)狀態(tài)信息送DSP處理，計(jì)算出整流器每個開關(guān)管的導(dǎo)通時間，輸出三相SVPWM[6-8]波，經(jīng)過驅(qū)動電路，驅(qū)動IGBT開關(guān)管工作。

3 控制系統(tǒng)硬件組成

本系統(tǒng)的核心部分為高速信號處理器TMS320F28035，該芯片采用單電源供電，只要3.3V就可以穩(wěn)定工作，內(nèi)部集成了1.8V的 LDO給內(nèi)核功電；內(nèi)部采用了上電復(fù)位電路外接阻容就可以工作；不需要外接晶體， 節(jié)省成本；集成的ADC有12位的分辨率，采樣精度高。其控制結(jié)構(gòu)圖如圖2所示：

1) 由TMS320F28035單片機(jī)和外部端子數(shù)字量輸入信號電路組成的DSP數(shù)字控制系統(tǒng)。它能完成各種數(shù)字的計(jì)算、外部端子的控制和系統(tǒng)的啟動與停止。

2) IGBT驅(qū)動電路，主要是將DSP所發(fā)出的SVPWM信號轉(zhuǎn)化為脈沖信號來驅(qū)動IGBT，以及當(dāng)IGBT發(fā)生了短路或過流故障時，保護(hù)IGBT，并把信息信號反饋DSP。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3) 模擬量接口電路，主要有電壓檢測電路、電流檢測電路和外部端子采樣電路組成。其作用是將電壓電流等強(qiáng)電信號轉(zhuǎn)換成弱電信號，以供給DSP采樣。

4 SVPWM單元

控制系統(tǒng)中采用的是電壓、電流的雙閉環(huán)控制算法，電壓調(diào)節(jié)和電流調(diào)節(jié)均采用了PI調(diào)節(jié)器，結(jié)合空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)的控制算法，實(shí)現(xiàn)了電壓和電流的快速調(diào)節(jié)。在圖3中，給出了8個基本的空間矢量所對應(yīng)的向量圖，其將空間劃分為六個扇區(qū)，根據(jù)電壓空間矢量在三相空間坐標(biāo)系上的投影可以得到公式(1)：

(1)

圖3 SVPWM空間向量圖

根據(jù)公式(1)，和公式(2)的規(guī)則確定空間電壓矢量所對應(yīng)的扇區(qū)N：

N=A+2B+4C

(2)

其中，若va>0,那么A=1，否則A=0；

若vb>0,那么B=1，否則B=0；

若vc>0,那么C=1，否則C=0。

我們引入通用變量X、Y、Z來計(jì)算時間t1、t2：

(3)

但是，由于直流電壓的下降可能使電壓矢量的幅值減少，因此，計(jì)算時間t1和t2之和有可能超過PWM周期TPWM的一半T,即t1+t2>T,這種情況稱為飽和，需要進(jìn)行修正如公式(4)所示：

(4)

用T1、T2代替t1、t2再定義占空比參數(shù)Taon、Tbon、Tcon：

(5)

最后可以確定實(shí)際控制所需要的三相SVPWM波的占空比，如表1所示：

表1 三相SVPWM波占空比

5 軟件實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)程序主要由主程序、波形發(fā)生器中斷程序等組成，其流程圖如圖4所示，主程序主要完成的是CPU系統(tǒng)初始化設(shè)置，初始化變量和數(shù)據(jù)設(shè)置，特殊功能寄存器以及外部管理寄存器的初始化設(shè)置，I/O口設(shè)置，開中斷等功能。

6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果仿真波形分析

實(shí)驗(yàn)所用的交流電源輸入電壓為310 V、濾波電感0.5 mH、濾波電容60 μF、直流濾波電容200 μF、開關(guān)頻率10 kHz,在構(gòu)建了六路SVPWM調(diào)制波模型、帶PID調(diào)節(jié)器的電流隨動內(nèi)環(huán)模型、帶PID調(diào)節(jié)器的電壓定值內(nèi)環(huán)模型、SVPWM輸出的控制系統(tǒng)模型和主控制電路模型之后，所得到的實(shí)驗(yàn)仿真波形如圖5所示。從圖中的波形可以看出，幅值較大的3種顏色的波形分別代表著相位之間互差120°的電壓波形。幅值較小的3中顏色則代表著電流波形。此時電流相位與電壓相位相同，且無雜波諧波的影響，電路的功率因數(shù)接近于1，滿足高供電品質(zhì) 整流電路的需求。

圖4 程序流程圖

圖5 實(shí)驗(yàn)仿真波形

7 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了基于32位高速單片微機(jī)TMS320F28035的高供電品質(zhì)整流電路控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)的SVPWM相比較而言，有效的降低了諧波含量，能很好地應(yīng)用于高供電電路中，提高了電力電氣裝備運(yùn)行的安全性、穩(wěn)定可靠性，工程應(yīng)用價值高。

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