基于DSP的電力諧波發(fā)生器設(shè)計(jì)*

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，陜西 西安 710021；2.長安大學(xué) 汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

基于DSP的電力諧波發(fā)生器設(shè)計(jì)*

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，陜西 西安 710021；2.長安大學(xué) 汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

基于DSP的電力諧波發(fā)生器，具有輸出所含諧波次數(shù)可設(shè)置、諧波含量可調(diào)、諧波注入時(shí)間可控、動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間快等特點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)不同頻率的交流信號(hào)的無靜差跟蹤，采用改進(jìn)型重復(fù)控制策略。在MATLAB/ Simulink中搭建系統(tǒng)模型，進(jìn)行仿真。并采用基于模型設(shè)計(jì)的方法，自動(dòng)生成代碼，克服了電力電子裝置傳統(tǒng)開發(fā)模式中研發(fā)周期長，代碼測試及驗(yàn)證費(fèi)時(shí)費(fèi)力等缺點(diǎn)。最終，在3 kW的樣機(jī)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，電力諧波發(fā)生器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。

諧波；DSP；重復(fù)控制器；模型設(shè)計(jì)

0 引言

隨著電力電子設(shè)備的廣泛應(yīng)用，其所帶來的電網(wǎng)諧波污染問題也日益嚴(yán)重。諧波的存在會(huì)使電氣設(shè)備過熱、產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，并使絕緣老化，使用壽命縮短，甚至發(fā)生故障或燒毀。諧波又可能引起繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置產(chǎn)生誤動(dòng)作，造成電力系統(tǒng)故障[1，2]。

為了避免故障的發(fā)生，一些電氣設(shè)備和控制裝置在使用前必須經(jīng)過嚴(yán)格的測試。但是，由于電網(wǎng)中的諧波是不可控的，在實(shí)際中難以得到理想的測試條件。因此，需要使用專門的諧波發(fā)生器來獲得測試所需的條件。

目前，比較常見的電力諧波發(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(hào)，再通過高壓放大器將低壓信號(hào)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諧波發(fā)生器效率不高，并且容量一般不會(huì)很大。

基于上述的問題，本文設(shè)計(jì)的基于DSP的電力諧波發(fā)生器，利用電力電子技術(shù)中的交直交變換原理，采用電力電子器件實(shí)現(xiàn)。避免了上述容量限制與效率不高問題，可實(shí)現(xiàn)輸出諧波次數(shù)、含量可調(diào)，并且適用于大功率場合。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于DSP的電力諧波發(fā)生器的系統(tǒng)框圖如圖1所示，主要由整流電路、逆變主電路、DSP控制電路、電壓電流檢測電路和濾波電路組成。

電網(wǎng)電壓經(jīng)整流電路整流后得到逆變直流側(cè)直流電壓。通過人機(jī)交互界面設(shè)置實(shí)驗(yàn)測試所需要的電網(wǎng)電壓諧波。DSP根據(jù)設(shè)定波形信息，按照基波和各次諧波幅值比以及相位信息，確定給定的電壓信號(hào)。經(jīng)電壓電流檢測電路，檢測出實(shí)際電壓、電流值。通過閉環(huán)控制，采用重復(fù)控制算法，計(jì)算得出控制信號(hào)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路輸出，控制逆變輸出。最后經(jīng)濾波電路濾波后，即可輸出模擬電網(wǎng)含有諧波時(shí)的電壓波形。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 重復(fù)控制器設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)對(duì)交流給定信號(hào)的無靜差跟蹤，本次設(shè)計(jì)采用重復(fù)控制器。重復(fù)控制是基于內(nèi)模原理的一種控制方法[4]。內(nèi)模是指在穩(wěn)定的閉環(huán)控制系統(tǒng)內(nèi)部含有外部被控信號(hào)的數(shù)學(xué)模型；對(duì)于一個(gè)系統(tǒng)，如果控制環(huán)節(jié)的反饋來自于被控信號(hào)，并且在控制環(huán)節(jié)中含有外部被控信號(hào)的數(shù)學(xué)模型，那么這個(gè)系統(tǒng)是穩(wěn)定的，此為內(nèi)模原理的具體描述[5，6]。

一般的逆變器重復(fù)控制系統(tǒng)示意圖如圖2所示，r為參考信號(hào)，e為參考信號(hào)與輸出信號(hào)的誤差，ur為控制信號(hào)，P(z)為控制對(duì)象，d為擾動(dòng)信號(hào)。

圖2 重復(fù)控制原理圖

在逆變器控制中，當(dāng)負(fù)載為非線性時(shí)，負(fù)載電流不僅含有基波分量，還含有各次的諧波分量。因此，對(duì)于逆變器系統(tǒng)若采用傳統(tǒng)的內(nèi)模控制，控制環(huán)節(jié)的結(jié)構(gòu)將會(huì)非常復(fù)雜，不符合實(shí)際應(yīng)用的需求。但對(duì)于逆變器系統(tǒng)，其諧波信號(hào)頻率是基波信號(hào)頻率的倍數(shù)，并且具有周期性。因此設(shè)置如下的內(nèi)?？刂破鳎?/p>

其中N是每個(gè)基波周期的采樣次數(shù)。式(1)實(shí)質(zhì)是一個(gè)數(shù)字重復(fù)信號(hào)發(fā)生器，對(duì)于重復(fù)出現(xiàn)、且頻率是基波倍數(shù)的諧波信號(hào)，該內(nèi)模的輸出信號(hào)是輸入信號(hào)的逐周期累加，其作用與積分環(huán)節(jié)相近，能夠?qū)斎氲耐獠勘豢匦盘?hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)輸入信號(hào)最終被調(diào)節(jié)為0時(shí)，該內(nèi)模仍然會(huì)逐周期輸出與上周期相同的控制信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的零穩(wěn)態(tài)誤差跟蹤。

但是理想重復(fù)控制器的極點(diǎn)分布在虛軸上，使得控制系統(tǒng)處在臨界穩(wěn)定狀態(tài)，穩(wěn)定性很差。當(dāng)被控對(duì)象的器件參數(shù)略微改變時(shí)，整個(gè)控制系統(tǒng)極容易不穩(wěn)定[6]。因此在傳統(tǒng)重復(fù)控制中，會(huì)對(duì)理想重復(fù)控制器進(jìn)行改進(jìn)，將 z-N替換為 Q(z)z-N，如圖2所示，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。其中 Q(z)可以取為小于 1的常數(shù)，或者普通低通濾波器，以減弱積分效果。如果Q(z)取為小于1的常數(shù)，則幅值會(huì)逐漸衰減；如果 Q(z)選取為 LPF，則信號(hào)的低頻分量會(huì)衰減得較慢，高頻分量會(huì)衰減得較快，信號(hào)的形式最終會(huì)發(fā)生改變。

可以看出采用改進(jìn)型重復(fù)控制器，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但是無法實(shí)現(xiàn)零穩(wěn)態(tài)誤差跟蹤。實(shí)際逆變器控制中一般取Q(z)為小于1的常數(shù)，在這里取Q(z)為0.95。

在圖2中延遲環(huán)節(jié)z-N位于控制系統(tǒng)的前向通路上，使控制信號(hào)延遲一個(gè)周期。由于基準(zhǔn)信號(hào)和干擾信號(hào)均為周期信號(hào)，因此延時(shí)環(huán)節(jié)對(duì)下一個(gè)周期而言具有超前性。同時(shí)，延時(shí)環(huán)節(jié)也是重復(fù)控制補(bǔ)償環(huán)節(jié)中的超前相位補(bǔ)償所必需的[7]。

補(bǔ)償環(huán)節(jié)S(z)是針對(duì)被控對(duì)象P(z)的特性補(bǔ)償而設(shè)計(jì)的，具體的補(bǔ)償環(huán)節(jié)為：

它由重復(fù)控制增益 Kc、超前環(huán)節(jié) zk和濾波器 C(z)三個(gè)部分組成。其中：

(1)Kc：重復(fù)控制增益,用來調(diào)節(jié)重復(fù)控制強(qiáng)度，通常Kc設(shè)定為小于或等于1的常數(shù)。

(2)zk：超前環(huán)節(jié)，用作相位補(bǔ)償器。其作用為補(bǔ)償P(z)C(z)引起的相位滯后，使得P(z)C(z)在中低頻段近似零相移。

(3)C(z)：濾波器。通常濾波器C(z)設(shè)計(jì)為使P(z)C(z)在中低頻率增益為1，在中高頻段增益迅速衰減，這樣能夠明顯提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性能和抗干擾能力。

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的諧波發(fā)生器仿真系統(tǒng)如圖3所示。

其中，濾波電感L1、L2、L3取3 mH，電感內(nèi)阻R1= 0.01 Ω，濾波電容 C1、C2、C3取4.7 μF。負(fù)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4所示，電力諧波發(fā)生器輸出正常電網(wǎng)電壓時(shí)的波形。可以看出輸出的三相電網(wǎng)電壓波形標(biāo)準(zhǔn)，無畸變。經(jīng)FFT分析，其總諧波畸變率(THD）為1.86%。

圖5所示為電力諧波發(fā)生器工作在輸出含 3、5、7、9、11次諧波時(shí)狀態(tài)，設(shè)置3、5、7、9、11次諧波畸諧波畸變率分別為30%、25%、20%、15%、10%。

圖3 系統(tǒng)仿真模型

圖4 正常電網(wǎng)電壓波形

圖5 含有3、5、7、9、11諧波電壓波形

從圖中可以看出，輸出波形和給定波形基本一致。經(jīng)FFT分析得，其各次諧波畸變率分別為30.3%、25.3%、20.2%、15.2%、10.1%。

4 試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證

根據(jù)以上分析與設(shè)計(jì)，本文研制出一臺(tái)電力諧波發(fā)生器試驗(yàn)樣機(jī)如圖6所示。并采用基于模型設(shè)計(jì)的方法自動(dòng)生成代碼。最后，在該試驗(yàn)樣機(jī)上進(jìn)行了試驗(yàn)，利用示波器、電能質(zhì)量分析儀進(jìn)行測試分析。

將電力諧波發(fā)生器設(shè)置在不同的工作模式，進(jìn)行如下測試：

(1)觀察諧波次數(shù)、形狀，與給定信號(hào)對(duì)比其失真度；

(2)調(diào)整諧波幅值，觀察記錄示波器的波形和電能質(zhì)量分析儀的數(shù)據(jù)；

(3)調(diào)整諧波相位，觀察記錄示波器的波形和電能質(zhì)量分析儀的數(shù)據(jù)；

(4)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7所示為示波器測出的電力諧波發(fā)生器模擬正常電網(wǎng)時(shí)的輸出波形。用電能質(zhì)量分析儀對(duì)其測量得THD為2.1%。

圖6 電力諧波發(fā)生器樣機(jī)

圖7 正常電網(wǎng)電壓波形

如圖8所示為示波器測出的電力諧波發(fā)生器輸出含有多次諧波的電網(wǎng)波形，設(shè)置 3、5、7、9、11次諧波的諧波畸變率分別為30%、25%、20%、15%、10%。經(jīng)FFT分析得，輸出所含各次諧波的諧波畸變率分別為30.6%、25.5%、20.3%、15.4%、10.2%。諧波含量與給定基本一致，諧波對(duì)稱度好，與仿真波形基本一致，無畸變。

圖8 含有3、5、7、9、11次諧波電壓波形

為了檢測本次設(shè)計(jì)的電力諧波發(fā)生器的的控制精度，對(duì)電力諧波發(fā)生器輸出電壓諧波的THD進(jìn)行了測量分析。

通過對(duì)測量的數(shù)據(jù)分析可得，本次設(shè)計(jì)的電力諧波發(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%，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

5 結(jié)論

本文分析了電力諧波發(fā)生器的工作原理，并設(shè)計(jì)了一臺(tái)3 kW電力諧波發(fā)生器的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明其能夠模擬電網(wǎng)中電壓平衡或非平衡時(shí)注入諧波的現(xiàn)象。通過采用重復(fù)控制策略，提高了系統(tǒng)的控制精度。使其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。

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Design of power harmonic disturbances generator based on DSP

Wang Su′e1，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）

The power harmonic disturbances generator based on DSP,which has set harmonic number and harmonic content,controlled the time of harmonic injection and dynamic response fast.To achieve zero static error of tracking for many AC signals of different frequency,this paper uses improved repetitive control strategy.Building the system model in MATLAB/Simulink and simulating.Then using the method of model-based design,automatic code generation,which can overcome the long development cycles, code testing and verify of the traditional power electronic development mode.Eventually,experiment on the 3 kW prototype.Experimental results show that the output voltage′s error precision of power harmonic generator is less than 3%,which can meet the performance requirements of testing electrical equipments.

harmonic；DSP；repetitive controller；model design

TM646

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.03.038

王素娥，胡益成，張一西.基于DSP的電力諧波發(fā)生器設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42(3)：137-140.

英文引用格式：Wang Su′e，Hu Yicheng，Zhang Yixi.Design of power harmonic disturbances generator based on DSP[J].Application of Electronic Technique，2016，42(3)：137-140.

2015-09-27)

王素娥（1973-），女，碩士，副教授，主要研究方向：電力電子與電力傳動(dòng)，自動(dòng)化控制。

陜西省教育廳專項(xiàng)資助項(xiàng)目（2013JK1065)；陜西省工業(yè)科技攻關(guān)資助項(xiàng)目（2015GY038）

胡益成（1992-），男，在讀碩士研究生，主要研究方向：電力電子與電力傳動(dòng)，自動(dòng)化控制。