基于DSP的電能質(zhì)量干擾發(fā)生裝置設(shè)計*

王素娥，胡益成，張一西

（1.陜西科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，西安710021；2.長安大學(xué)汽車學(xué)院，西安710064）

基于DSP的電能質(zhì)量干擾發(fā)生裝置設(shè)計*

王素娥1*，胡益成1，張一西2

（1.陜西科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，西安710021；2.長安大學(xué)汽車學(xué)院，西安710064）

為了檢驗電能質(zhì)量控制設(shè)備的性能，或者測試電氣設(shè)備在受到擾動時的工作情況等，需要用一些專門的發(fā)生器來產(chǎn)生所需的電能質(zhì)量干擾現(xiàn)象?；贒SP的電能質(zhì)量干擾發(fā)生裝置以DSP為控制器，采用電力電子器件實現(xiàn)，可以產(chǎn)生多種電能質(zhì)量干擾現(xiàn)象。采用基于模型設(shè)計的方法，自動生成代碼。最終，在3 kW的試驗樣機上進行了實驗。實驗結(jié)果表明，電能質(zhì)量干擾發(fā)生裝置輸出電壓的誤差精度小于3%，可滿足測試電氣設(shè)備性能的要求。

電能質(zhì)量；重復(fù)控制器；DSP；模型設(shè)計

隨著電力電子設(shè)備在各行業(yè)中的廣泛應(yīng)用、電網(wǎng)中各種沖擊性和非線性負荷不斷增加，使得電力系統(tǒng)中電能質(zhì)量干擾問題日益嚴重。電能質(zhì)量干擾現(xiàn)象主要有：電壓凹陷和凸升、電壓波動、供電中斷以及諧波等方面［1］。不良的電能質(zhì)量問題可能引起工業(yè)生產(chǎn)過程非計劃的停產(chǎn)或設(shè)備故障，導(dǎo)致用戶的生產(chǎn)成本增加，造成經(jīng)濟損失。為了解諧波和畸變等電能質(zhì)量問題對于電力系統(tǒng)保護、儀器儀表和控制等產(chǎn)生的影響［2］，了解電力系統(tǒng)元件如電機、變壓器等對電能質(zhì)量的反應(yīng)特性，就需要產(chǎn)生各種類型的電能質(zhì)量干擾。

目前，比較常見的電能質(zhì)量干擾發(fā)生器都采用波形發(fā)生器加功率放大器的方法［1］。其工作原理為：通過任意波形發(fā)生器產(chǎn)生所需的低壓信號，再通過高壓放大器將低壓信號放大到合適的值，最后經(jīng)功率放大后直接輸出到待測試的設(shè)備上。由于要經(jīng)過功率放大環(huán)節(jié)，存在發(fā)熱問題。因此，基于波形發(fā)生器和功率放大器的干擾發(fā)生器效率不高，并且容量一般不會很大。

基于上述的問題，本文利用電力電子技術(shù)中的交直交變換原理，設(shè)計出基于DSP的電能質(zhì)量干擾發(fā)生裝置。避免了上述容量限制與效率不高問題，可產(chǎn)生多種的電能質(zhì)量干擾現(xiàn)象。

1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于DSP的電能質(zhì)量干擾發(fā)生裝置的系統(tǒng)框圖如1所示，主要由整流模塊、逆變模塊、DSP控制模塊、電壓電流采集模塊和濾波模塊組成。

圖1　系統(tǒng)框圖

首先通過大功率整流模塊從交流電網(wǎng)中獲取直流高壓作為母線電壓。通過人機交互界面設(shè)置實驗測試所需要的電能質(zhì)量干擾現(xiàn)象。DSP根據(jù)設(shè)定電能質(zhì)量干擾信息，按照相應(yīng)設(shè)定信息，確定給定的電壓信號。同時霍爾型電壓傳感器和霍爾電流傳感器采集逆變主回路輸出的電壓、電流和直流母線電壓的信號。信號經(jīng)過信號調(diào)理電路后，通過DSP進行A/D采樣，經(jīng)過標度變換，得到實測電壓、電流值。通過閉環(huán)控制，采用重復(fù)控制算法，進行計算得到各路控制信號的占空比，輸出相應(yīng)的PWM信號。驅(qū)動電路根據(jù)從DSP輸送過來的控制信號驅(qū)動IGBT。這樣主回路經(jīng)IGBT開關(guān)輸出高頻方波，通過截止頻率適當?shù)娜嗟屯V波器，輸出電能質(zhì)量出現(xiàn)干擾現(xiàn)象時的電壓波形。

2　復(fù)合控制器設(shè)計

由于本次設(shè)計的給定信號為多個頻率的交流信號的合成，為實現(xiàn)對給定信號的無靜差跟蹤。本文采用PI控制與重復(fù)控制結(jié)合的復(fù)合控制器。

2.1傳統(tǒng)PI控制器

目前，在逆變器的控制中比例積分（PI）控制器應(yīng)用比較廣泛，其傳遞函數(shù)為：

PI控制器具有算法簡單、動態(tài)響應(yīng)快、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，但PI控制器對交流信號增益是有限的，所以在三相靜止坐標系下，很難實現(xiàn)對交流參考信號的無靜差跟蹤。

2.2重復(fù)控制器

重復(fù)控制是基于內(nèi)模原理的控制策略。根據(jù)內(nèi)模原理，系統(tǒng)在穩(wěn)定狀態(tài)下，精確跟蹤任意參考輸入信號的條件是閉環(huán)控制系統(tǒng)穩(wěn)定且包含有輸入信號保持器。內(nèi)模的作用實際上相當于無窮大增益的控制信號保持器，當穩(wěn)態(tài)誤差為零時，輸出保持在一個恒定的值，仍能維持適當?shù)目刂谱饔谩?/p>

對于直流信號而言，積分控制器就可以為之提供無窮大的增益，因此能精確地對直流信號進行跟蹤。

對于正弦信號而言，以下控制器：

可以為頻率是wn的正弦信號提供無窮大的增益。

一般的逆變器重復(fù)控制系統(tǒng)示意圖如2所示，r為參考信號，e誤差信號，ur為補償后的參考信號，d為擾動信號，P（z）為控制對象，z-N為延遲環(huán)節(jié)，C（z）為針對被控對象的補償器。

圖2　重復(fù)控制原理圖

在逆變器控制中，當負載為非線性時，負載電流是非正弦的，其中含有基波及多次諧波。并且死區(qū)現(xiàn)象也會對系統(tǒng)產(chǎn)生擾動。因此，實際系統(tǒng)所面臨的擾動不是單一頻率的，要實現(xiàn)系統(tǒng)的無靜差跟蹤則需要設(shè)置多重頻率的正弦函數(shù)內(nèi)?？刂破鳎?-6］。當所需設(shè)置的內(nèi)?？刂破髦財?shù)過多時，將使控制系統(tǒng)過于復(fù)雜。由于非線性負載和死區(qū)所引起的擾動在每個周期都是以完全相同的波形出現(xiàn)的，即擾動是周期性重復(fù)的。因此設(shè)置如下內(nèi)模控制器：

N是每個基波周期的采樣次數(shù)。式（4）實質(zhì)是一個數(shù)字重復(fù)信號發(fā)生器，不論輸入信號波形如何，只要它以基波周期重復(fù)出現(xiàn)，輸出就是對輸入信號的以基波周期為步長的累加。把這個重復(fù)信號發(fā)生器作為內(nèi)模設(shè)置在閉環(huán)系統(tǒng)中，并設(shè)計補償器以使系統(tǒng)保持穩(wěn)定，就能夠無穩(wěn)態(tài)誤差地跟蹤相同周期的指令或抑制相同周期的擾動，達到對周期參考信號的完全跟蹤和對周期擾動信號的完全抑制。

引入式（4）所示的重復(fù)信號發(fā)生器內(nèi)模后，會將N個位于單位圓周上的的極點引入系統(tǒng)，系統(tǒng)將處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)，對模型誤差和外界擾動非常敏感，當模型存在誤差和有外界擾動時系統(tǒng)將變得不穩(wěn)定［6-7］。因此在傳統(tǒng)重復(fù)控制中，會對式（4）所示的內(nèi)?？刂破鬟M行改進，將z-N替換為Q（z）z-N，如圖1所示，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性。其中Q（z）可以取一個小于1的常數(shù)，也可以設(shè)計成一個低通濾波器，以減弱積分效果。取Q（z）=0.98時有：

寫成差分方程的形式為：

上式可理解為：每隔一個周期（N步），將誤差累加一次，本次累加值為上一周期的誤差乘以0.98。因此，可以看出Q（z）的引入雖然改善了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但是系統(tǒng)并非是無靜差的。在逆變器控制中，通常取Q（z）為一個小于且接近于1的常數(shù)。

前向通道上串接的周期延遲環(huán)節(jié)Z-N使控制動作延遲一個周期進行，即：本周期檢測到的誤差信息在下一周期才開始影響控制量。C（Z）是針對逆變器數(shù)學(xué)模型P（Z）設(shè)計的補償器環(huán)節(jié)，有以下形式：

它由重復(fù)控制增益Kr、超前環(huán)節(jié)Zk和濾波器S（Z）3個部分組成。其中：

（1）重復(fù)控制增益Kr設(shè)定為小于1的正常數(shù)，它用來控制加入補償量的強度；

（2）超前環(huán)節(jié)Zk作為相位補償環(huán)節(jié)用來補償由逆變器控制對象P（Z）和濾波器S（Z）所引入的總相位滯后，從而使得在中低頻段近似為零相移。（3）濾波器S（Z）是重復(fù)控制器中非常重要的部分，它的作用主要體現(xiàn)在3個方面：它首先要將逆變器控制對象P（Z）中低頻段的增益校正為1；其次它應(yīng)當?shù)窒孀兤鬏^高的諧振峰值，使之不影響系統(tǒng)的平穩(wěn)性；同時它還應(yīng)當增強前向通道的高頻衰減特性，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗高頻干擾能力。

2.3復(fù)合控制技術(shù)

重復(fù)控制器雖然具有較好的穩(wěn)態(tài)性能，但其前向通道上的延遲環(huán)節(jié)使本周期的控制量在下一周期才能得到體現(xiàn)。所以當負載突變時，由于控制量在下一周期體現(xiàn)，因而控制器對指令的跟蹤受到限制。而PI控制器能對誤差即時響應(yīng)，動態(tài)響應(yīng)速度較快，但對諧波信號跟蹤性能不理想。為了使控制系統(tǒng)兼具較好的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)精度，采用如圖3所示的復(fù)合控制器。

圖3　復(fù)合控制原理圖

當指令突變時，電流內(nèi)環(huán)通過前饋指令即時響應(yīng)，對突變誤差進行調(diào)節(jié)。而重復(fù)控制外環(huán)由于滯后一個電網(wǎng)周期，在指令突變的第一個周期內(nèi)不能對該誤差進行調(diào)節(jié)。在第二個周期中，重復(fù)控制器開始起作用，對誤差進行逐周期調(diào)節(jié)。由此可見，PI控制器主要負責加快系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)速度，而重復(fù)控制器主要負責提高系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度。

3　系統(tǒng)仿真及結(jié)果分析

3.1仿真系統(tǒng)建立

利用Matlab/Simulink軟件建立基于DSP的電能質(zhì)量干擾發(fā)生裝置仿真系統(tǒng)如圖4所示。

圖4　系統(tǒng)仿真模型

其中，濾波電感L1、L2、L3取3 mH，電感內(nèi)阻Rl= 0.01 Ω，濾波電容C1、C2、C3取4.7 μF。負載電阻R1、R2、R3取20 Ω。交流側(cè)輸入電壓幅值為800 V。

3.2仿真結(jié)果分析

仿真結(jié)果如圖5所示，為電能質(zhì)量干擾發(fā)生器輸出正常電網(wǎng)電壓時的波形?？梢钥闯鲚敵龅娜嚯娋W(wǎng)電壓波形標準，無畸變。經(jīng)FFT分析，其THD為1.83%。

圖5　正常電網(wǎng)電壓波形

如圖6所示，為設(shè)置電能質(zhì)量干擾發(fā)生器工作至0.35 s時發(fā)生電壓凹陷。

圖6　電壓凹陷波形

從圖6以看出，電能質(zhì)量干擾發(fā)生器在0～0.35 s時輸出電壓正常，在0.35 s時發(fā)生電壓凹陷，電壓降至正常電壓的30%。

如圖7所示，為設(shè)置電能質(zhì)量干擾發(fā)生器工作至0.15 s時發(fā)生電壓凸升。

圖7　電壓凸升波形

從圖7可以看出，電能質(zhì)量干擾發(fā)生器在0～0.15 s時輸出電壓正常，在0.15 s時發(fā)生電壓凸升，并在0.45 s后恢復(fù)正常。

圖8　電能質(zhì)量干擾發(fā)生器樣機

4　試驗結(jié)果驗證

根據(jù)前文的設(shè)計，本文研制出一臺電能質(zhì)量干擾發(fā)生器試驗樣機如圖8所示。并采用基于模型設(shè)計的方法自動生成代碼。最后，在該試驗樣機上進行了試驗，利用泰克TPS2024B示波器、FLUKE 1735電能質(zhì)量分析儀進行測試分析。

將電能質(zhì)量干擾發(fā)生器設(shè)置在不同的模式，進行如下測試：

（1）設(shè)置電能質(zhì)量干擾發(fā)生器工作在發(fā)生電壓凹陷狀態(tài)，觀察其輸出電壓波形，與給定信號對比失真度；

（2）設(shè)置電能質(zhì)量干擾發(fā)生器工作在發(fā)生電壓凸升狀態(tài)，觀察其輸出電壓波形，記錄示波器的波形和電能質(zhì)量分析儀的數(shù)據(jù)；

（3）設(shè)置電能質(zhì)量干擾發(fā)生器工作在發(fā)生電壓波動狀態(tài)，記錄示波器的波形和電能質(zhì)量分析儀的數(shù)據(jù)；

（4）設(shè)置電能質(zhì)量干擾發(fā)生器工作在輸出含諧波狀態(tài)，記錄電能質(zhì)量分析儀分析的諧波總含量和各次諧波含量。

如圖9所示為泰克示波器測出的電能質(zhì)量干擾發(fā)生器模擬正常電網(wǎng)電壓時的輸出波形?？梢钥闯鲭娔苜|(zhì)量干擾發(fā)生器輸出的電壓波形良好，其總諧波畸變率（THD）為2.1%。

圖9　標準電網(wǎng)電壓波形

如圖10所示，泰克示波器測出電能質(zhì)量干擾發(fā)生器工作在電壓凹陷狀態(tài)時的輸出電壓波形，其在0～0.35 s時輸出電壓正常，在0.35 s時發(fā)生電壓凹陷。電壓凹陷發(fā)生時間和凹陷后電壓幅值與設(shè)定一致，其輸出與仿真波形基本一致，無失真。

圖10　電壓凹陷波形

如圖11所示，為電能質(zhì)量干擾發(fā)生器工作在輸出含諧波且發(fā)生電壓凸升時的電壓波形。設(shè)置電能質(zhì)量干擾發(fā)生器輸出含3、5、7諧波，諧波畸變率分別為25%、20%、15%，并在0.3 s時發(fā)生電壓凸升。

圖11　輸出含諧波且發(fā)生電壓凸升波形

根據(jù)測試結(jié)果可知：電能質(zhì)量干擾發(fā)生器輸出諧波含量與設(shè)定含量基本一致。電壓凸升發(fā)生時間與設(shè)定時間一致，輸出波形與仿真波形基本一致。

為了檢測本次設(shè)計的電能質(zhì)量干擾發(fā)生器的的控制和調(diào)節(jié)精度，對電能質(zhì)量干擾發(fā)生器輸出電壓進行了測量分析。通過對測量數(shù)據(jù)的分析得到，本次設(shè)計的電能質(zhì)量干擾發(fā)生器輸出諧波含量的誤差小于3%和電壓幅度的誤差小于2%。

5　結(jié)論

本文分析了電能質(zhì)量干擾發(fā)生器的工作原理，采用復(fù)合控制策略，設(shè)計了一臺3 kW電能質(zhì)量干擾發(fā)生器的實驗樣機。仿真和實驗結(jié)果表明該裝置能夠模擬電網(wǎng)中發(fā)生電壓凹陷和凸升、電壓波動、供電中斷以及諧波等干擾電能質(zhì)量現(xiàn)象，并且控制輸出電壓誤差小于2%，能夠滿足測試電氣設(shè)備性能的要求。

［1］李維光.電力諧波發(fā)生器試驗裝置的研究［D］.河北：華北電力大學(xué)，2005.

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［3］Rahmat Allah Hooshmand，Mahdi Torabian Esfahani.A New Combined Method in Active Filter Design for Power Quality ImprovementinPowerSystems［J］.ISA Transactions，2011，50（2）：150-158.

［4］陳宏.基于重復(fù)控制理論的逆變電源控制技術(shù)研究［D］.南京：南京航空航天大學(xué)，2003.

［5］鄭宏，蔣超，蔣麗琴.基于重復(fù)和PI復(fù)合控制的光伏并網(wǎng)逆變器研究［J］.電子器件，2014，37（5）：983-986.

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［8］王兆安，楊君，劉進軍.諧波抑制和無功功率補償［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1998.

［9］王兆安，黃俊.電力電子技術(shù)［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2001.

［10］張興，張崇巍.PWM整流器及其控制［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2012.

王素娥（1973-），女，漢族，河北省安平縣人，陜西科技大學(xué)電信學(xué)院自動化系副主任，碩士，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向為電力電子與電力傳動，自動化控制，296579923@qq.com；

胡益成（1992-），男，漢族，陜西安康人，陜西科技大學(xué)控制理論與控制工程專業(yè)在讀碩士研究生，研究方向為電力電子與電力傳動，自動化控制，383197211@qq.com。

Design of Power Quality Disturbances Generator Based on DSP*

Wang Sue1*，Hu Yicheng1，Zhang Yixi2
（1.College of Electrical and Information Engineering，Shaanxi University of Science&Technology，Xi'an 710021，China；2.School of Automoble，Chang'an University，Xi'an 710064，China）

To test custom power devices for their ability to mitigate power quality disturbances，or to test electrical devices for their performance in the presence of disturbances，some special generators are needed to generate the required.Based on DSP，the power quality disturbances generator is designed，which uses DSP as its controller and power electronics devices implement.The generator can generate many types of power quality disturbances.Then using the method of model-based design can be used to implement the automatic code generation.Eventually，experiment on the 3 kW prototype.Experimental results show that the output voltage's error precision of power harmonic disturbances generator is less than 3%，which can meet the performance requirements of testing electrical equipments.

power quality；repetitive controller；DSP；Model design

TM464

A

1005-9490（2016）05-1255-06

項目來源：陜西省教育廳專項項目（2013JK1065）；陜西省工業(yè)科技攻關(guān)項目（2015GY038）；陜西省協(xié)同創(chuàng)新計劃項目（2016XT-15）

2015-10-29修改日期：2015-11-19

EEACC:836010.3969/j.issn.1005-9490.2016.05.045