基于DSP的靜止無功功率發(fā)生器的開發(fā)

凌雷鳴，劉培哲，宋 健

(1. 江蘇鎮(zhèn)安電力設(shè)備有限公司 研發(fā)部，江蘇 鎮(zhèn)江 212000； 2. 江蘇鎮(zhèn)安欣潤電力科技有限公司 研究中心，江蘇 南京 210000)

基于DSP的靜止無功功率發(fā)生器的開發(fā)

凌雷鳴1，劉培哲2，宋 健1

(1. 江蘇鎮(zhèn)安電力設(shè)備有限公司 研發(fā)部，江蘇 鎮(zhèn)江 212000； 2. 江蘇鎮(zhèn)安欣潤電力科技有限公司 研究中心，江蘇 南京 210000)

闡述基于數(shù)字信號處理器(DSP)的三電平靜止無功發(fā)生器(SVG)的軟硬件設(shè)計方法[1]。采用TI公司的F28335芯片，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，同時，在軟件設(shè)計中采用滑窗迭代DFT算法與PI+PR調(diào)節(jié)器，以提升設(shè)備的補償性能。

三電平；DSP；DFT；PI+PR

隨著工業(yè)現(xiàn)代化的快速發(fā)展，用電負荷也趨于復(fù)雜化，其中電動機、變壓器等設(shè)備在運行過程中會產(chǎn)生一定的無功功率。無功功率會增加元件及線路損耗，影響電能質(zhì)量，傳統(tǒng)無功補償方式如電容柜、TSC在運行時又易誘發(fā)電網(wǎng)諧振。隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，靜止無功功率發(fā)生器(SVG)為上述問題提供了解決方案。

1 靜止無功功率發(fā)生器的工作原理

SVG的工作原理如圖1所示，對負載端電壓及電流信號進行取樣，通過信號處理計算出無功電流，將無功電流用作指令信號，送給電流環(huán)，經(jīng)過PI+PR運算后，輸出給PWM指令信號，進而輸出脈沖給IGBT，輸出無功電流，補償?shù)碾娏髋c負載所產(chǎn)生的諧波電流及無功電流相互抵消，最終消除對電網(wǎng)的影響[2]。

圖1 SVG工作原理圖

2 硬件電路設(shè)計

筆者研究了靜止無功功率發(fā)生器的三電平結(jié)構(gòu)，并試制了一臺50kVar的樣機，由DSP構(gòu)成的控制電路對無功采樣信號進行真實值還原，并通過功率模塊產(chǎn)生補償電流。以下詳細敘述主電路及AD調(diào)理電路。

2.1 主電路結(jié)構(gòu)

如圖2所示的主電路采用二極管鉗位的NPC(三電平)結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點在于，管壓降為母線電壓的一半，輸出波形更接近于正弦波[3]，且三電平結(jié)構(gòu)的開關(guān)頻率高于兩電平結(jié)構(gòu)，可以有效減小輸出電感。輸出采用LCL濾波電路，相比于LC濾波，具有體積小、電感量低的特點。其中三電平IGBT模塊型號為GD150MLT65C2S。

圖2 主電路結(jié)構(gòu)

2.2 信號調(diào)理電路

AD調(diào)理電路主要實現(xiàn)模擬信號的濾波、放大、抬升等功能，其電路原理如圖3所示。電路的前級通過第一級運放構(gòu)成電壓伴隨器，并通過C15及R2進行濾波以起到對輸入信號的隔離緩沖作用，通過第二級運放及R21—R24對輸入電壓進行抬升，最后，由穩(wěn)壓管D6，D7構(gòu)成鉗位電路，用以保護DSP輸入引腳。

圖3 AD調(diào)理電路

3 軟件設(shè)計

圖4所示為控制器總體的軟件流程，主要由主程序、算法中斷、通訊中斷構(gòu)成，其中核心算法為無功提取算法和PI+PR控制算法。

圖4 軟件流程圖

3.1 無功電流提取算法

基于瞬時無功理論的諧波檢測算法已成為SVG諧波檢測中的一種重要方法,但這種方法需要進行二次坐標變換,不能直接用于單相的諧波檢測。利用離散傅里葉變換(DFT)或快速傅里葉變換檢測諧波的方法精度高、實現(xiàn)簡單,但計算量大,難以在工程中實現(xiàn)．因此,本樣機中采用滑窗迭代DFT算法[4],具體由以下公式來說明。基波電流分量i1(kτ)可以由式(1),式(2),式(3)計算得到。

i1(kτ)=A1cos(ωkτ)+B1(ωkτ),

(1)

式(1)中，

i((Ncur-N)τ)cos(ω(Ncur-N)τ)+

i(Ncurτ)cos(ωNcurτ),

(2)

i((Ncur-N)τ)sin(ω(Ncur-N)τ)+

i(Ncurτ)sin(ωNcurτ),

(3)

這種算法將計算A1和B1的公式簡化為一次加法和一次減法,諧波電流的計算量大大減少,提高了系統(tǒng)的實時性。

3.2 無功電流環(huán)PI+PR調(diào)節(jié)器

本樣機的控制器中，采用的是PI+PR控制，其中PI為線性控制器，比例環(huán)節(jié)用以減少偏差量，積分環(huán)節(jié)用以減少靜態(tài)誤差。比例諧振控制，即PR控制，是在PI控制理論的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。當跟蹤的信號是直流分量時，常規(guī)的積分器就可以保證系統(tǒng)沒有穩(wěn)態(tài)誤差。當跟蹤的信號是具有一定頻率的周期信號時，就需要對常規(guī)的控制器進行延伸，要用到比例諧振控制器。PR控制器的傳遞函數(shù)需要設(shè)置更多的系數(shù)。其中設(shè)定的參數(shù)包括截止頻率、基波諧振頻率、比例系數(shù)、諧振系數(shù)及特定的諧波次數(shù)。這5個參數(shù)中，基波諧振頻率及要補償?shù)闹C波次數(shù)是已知的，因此只需要設(shè)計其余3個參數(shù)。在設(shè)計參數(shù)時，要保證兩個參數(shù)恒定不變，改變一個參數(shù)，通過觀察這個參數(shù)的變化對系統(tǒng)性能的影響來確定合適值。通過繪制波特圖可以觀察到，截止頻率的大小可以直接決定帶寬的大小，即截止頻率越大，帶寬越大。比例系數(shù)增大，PR控制器的諧振作用隨之減少，對頻率的選擇性補償作用也就減弱；比例系數(shù)過大時，會引起諧振頻率和其他頻率相互干擾，破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性。諧振系數(shù)越大，在諧振處的增益就越大，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差就越小。在軟件中，加入了PR控制器，其傳遞函數(shù)在虛軸上增加了兩個閉環(huán)極點，控制器在這個點發(fā)生諧振，據(jù)此，可將PR控制器做成陷波濾波器[5]，對特定頻率的諧波進行補償。本樣機的控制器軟件中PI+PR控制的原理如圖5所示，其中指令電流為從負載電流中檢測到的無功電流，反饋電流為PWM變流器產(chǎn)生的電流，經(jīng)過PI+PR控制器后，產(chǎn)生的比較信號為PWM驅(qū)動信號的占空比，將比較信號傳遞給PWM信號產(chǎn)生模塊，從而產(chǎn)生驅(qū)動脈沖，進而構(gòu)成閉環(huán)控制器[6]。

圖5 PI+PR控制流圖

4 調(diào)試波形及結(jié)論

調(diào)試以電容柜為無功電流發(fā)生設(shè)備，檢測到電容的電流波形，然后，SVG發(fā)出同樣的無功電流來補償，其中測試的最終結(jié)果的波形如圖6所示。

圖6 SVG調(diào)試波形

圖6中，1通道為SVG發(fā)出的電流波形，2通道為直流側(cè)的電壓波形，3通道為電容柜的電流波形，電流的峰值大約100 A。

由圖6可知，SVG發(fā)出的無功電流波形基本與電容柜無功電流波形吻合，即SVG對負載無功電流有較好的補償性。

[1] 肖峰.靜止無功補償發(fā)生器SVG的研究[D].青島:山東科技大學(xué),2012: 37-45.

[2] 趙小皓,馮曉云,王利軍.電力電子系統(tǒng)的無功功率補償與諧波抑制研究[J].鐵道機車車輛,2007(6):59-61.

[3] 黃赟鵬.三相四線制三電平有源電力濾波器控制方法的研究[D].天津:河北工業(yè)大學(xué),2013: 26-31.

[4] 陳勇,田麗,趙明敏,等.基于滑窗迭代DFT和小波分析的諧波電流檢測方法[J].重慶工商大學(xué)學(xué)報,2014(11):25-39.

[5] 任建功,馮斌,牟恩旭,等.濾波器在運動控制器中的應(yīng)用[J].機床與液壓,2014(11):103-106.

[6] 張云.基于改進PR控制的三相四橋臂APF的研究[D].鎮(zhèn)江:江蘇大學(xué),2012:33-38.

〔責(zé)任編輯： 盧 蕊〕

Design of static var generator based on DSP

LING Leiming1, LIU Peizhe2, SONG Jian1

(1. Research and Development Department, Jiangsu Zhen’an Power Equipment Co,Ltd., Zhenjiang 212000, China; 2. Research and Development Department, Jiangsu Zhen’an Xinrun Power Science and Technology Co,Ltd., Nanjing 210000, China)

This thesis mainly describes the software and hardware design methods for multi-level inverters static var generator (SVG) based on digital signal processor (DSP). Application of the chip type F28335 of TI can improve the response rate of the system. At the same time, inserting iteration DFT arithmetic and PI regulation method in the soft design can further improve the compensation performance of the equipment.

multi-level inverters; DSP; DFT; PI+PR

2017-01-12

凌雷鳴(1991—)，男，江蘇丹陽人，助理工程師，主要從事控制工程方面研究；劉培哲(1987—)，男，河北保定人，工程師，主要從事電力電子方面研究。

TM761

A

1008-8148(2017)02-0083-03