《電子技術應用》
您所在的位置：首頁 > 電源技術 > 設計應用 > 基于DSP的電力諧波發(fā)生器設計
基于DSP的電力諧波發(fā)生器設計
2016年電子技術應用第3期
王素娥1，胡益成1，張一西2
1.陜西科技大學 電氣與信息工程學院，陜西 西安710021；2.長安大學 汽車學院，陜西 西安710064
摘要： 基于DSP的電力諧波發(fā)生器，具有輸出所含諧波次數(shù)可設置、諧波含量可調(diào)、諧波注入時間可控、動態(tài)響應時間快等特點。為了實現(xiàn)對多個不同頻率的交流信號的無靜差跟蹤，采用改進型重復控制策略。在MATLAB/Simulink中搭建系統(tǒng)模型，進行仿真。并采用基于模型設計的方法，自動生成代碼，克服了電力電子裝置傳統(tǒng)開發(fā)模式中研發(fā)周期長，代碼測試及驗證費時費力等缺點。最終，在3 kW的樣機上進行了實驗。實驗結果表明，電力諧波發(fā)生器輸出電壓的誤差精度小于3%，可滿足測試電氣設備性能的要求。
中圖分類號： TM646
文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2016.03.038
中文引用格式： 王素娥，胡益成，張一西. 基于DSP的電力諧波發(fā)生器設計[J].電子技術應用，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.
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
Abstract： 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.
Key words : harmonic；DSP；repetitive controller；model design

0 引言

    隨著電力電子設備的廣泛應用，其所帶來的電網(wǎng)諧波污染問題也日益嚴重。諧波的存在會使電氣設備過熱、產(chǎn)生振動和噪聲，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和自動裝置產(chǎn)生誤動作，造成電力系統(tǒng)故障[1，2]。

    為了避免故障的發(fā)生，一些電氣設備和控制裝置在使用前必須經(jīng)過嚴格的測試。但是，由于電網(wǎng)中的諧波是不可控的，在實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，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，并且容量一般不會很大。

    基于上述的問題，本文設計的基于DSP的電力諧波發(fā)生器，利用電力電子技術中的交直交變換原理，采用電力電子器件實現(xiàn)。避免了上述容量限制與效率不高問題，可實現(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)結構

    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。

dy1-t1.gif

    電網(wǎng)電壓經(jīng)整流電路整流后得到逆變直流側直流電壓。通過人機交互界面設置實驗測試所需要的電網(wǎng)電壓諧波。DSP根據(jù)設定波形信息，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。經(jīng)電壓電流檢測電路，檢測出實際電壓、電流值。通過閉環(huán)控制，采用重復控制算法，計算得出控制信號，經(jīng)驅(qū)動電路輸出，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)含有諧波時的電壓波形。

2 重復控制器設計

    為實現(xiàn)對交流給定信號的無靜差跟蹤，本次設計采用重復控制器。重復控制是基于內(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的數(shù)學模型；對于一個系統(tǒng)，如果控制環(huán)節(jié)的反饋來自于被控信號，并且在控制環(huán)節(jié)中含有外部被控信號的數(shù)學模型，那么這個系統(tǒng)是穩(wěn)定的，此為內(nèi)模原理的具體描述[5，6]。

    當外部信號或干擾為單一頻率的正弦信號時，在控制環(huán)節(jié)中嵌入與其同頻的正弦信號模型dy1-t2-s1.gif即可實現(xiàn)系統(tǒng)的零穩(wěn)態(tài)誤差跟蹤。因此，本文采用重復控制器。

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

dy1-t2.gif

    在逆變器控制中，當負載為非線性時，負載電流不僅含有基波分量，還含有各次的諧波分量。因此，對于逆變器系統(tǒng)若采用傳統(tǒng)的內(nèi)?？刂?，控制環(huán)節(jié)的結構將會非常復雜，不符合實際應用的需求。但對于逆變器系統(tǒng)，其諧波信號頻率是基波信號頻率的倍數(shù)，并且具有周期性。因此設置如下的內(nèi)?？刂破鳎?/p>

    dy1-gs1.gif

    其中N是每個基波周期的采樣次數(shù)。式(1)實質(zhì)是一個數(shù)字重復信號發(fā)生器，對于重復出現(xiàn)、且頻率是基波倍數(shù)的諧波信號，該內(nèi)模的輸出信號是輸入信號的逐周期累加，其作用與積分環(huán)節(jié)相近，能夠?qū)斎氲耐獠勘豢匦盘栠M行調(diào)節(jié)。當輸入信號最終被調(diào)節(jié)為0時，該內(nèi)模仍然會逐周期輸出與上周期相同的控制信號，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的零穩(wěn)態(tài)誤差跟蹤。

    但是理想重復控制器的極點分布在虛軸上，使得控制系統(tǒng)處在臨界穩(wěn)定狀態(tài)，穩(wěn)定性很差。當被控對象的器件參數(shù)略微改變時，整個控制系統(tǒng)極容易不穩(wěn)定[6]。因此在傳統(tǒng)重復控制中，會對理想重復控制器進行改進，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)，則幅值會逐漸衰減；如果Q(z)選取為LPF，則信號的低頻分量會衰減得較慢，高頻分量會衰減得較快，信號的形式最終會發(fā)生改變。

    可以看出采用改進型重復控制器，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但是無法實現(xiàn)零穩(wěn)態(tài)誤差跟蹤。實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，使控制信號延遲一個周期。由于基準信號和干擾信號均為周期信號，因此延時環(huán)節(jié)對下一個周期而言具有超前性。同時，延時環(huán)節(jié)也是重復控制補償環(huán)節(jié)中的超前相位補償所必需的[7]。

    補償環(huán)節(jié)S(z)是針對被控對象P(z)的特性補償而設計的，具體的補償環(huán)節(jié)為：

    dy1-gs2.gif

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

    (1)Kc：重復控制增益,用來調(diào)節(jié)重復控制強度，通常Kc設定為小于或等于1的常數(shù)。

    (2)zk：超前環(huán)節(jié)，用作相位補償器。其作用為補償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)設計為使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。

dy1-t3.gif

    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。負載電阻R1、R2、R3取20 Ω。交流側輸入電壓幅值為800 V。

3．2 仿真結果分析

    仿真結果如圖4所示，電力諧波發(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，其總諧波畸變率(THD）為1.86%。

dy1-t4.gif

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

dy1-t5.gif

    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 試驗結果驗證

    根據(jù)以上分析與設計，本文研制出一臺電力諧波發(fā)生器試驗樣機如圖6所示。并采用基于模型設計的方法自動生成代碼。最后，在該試驗樣機上進行了試驗，利用示波器、電能質(zhì)量分析儀進行測試分析。

dy1-t6.gif

    將電力諧波發(fā)生器設置在不同的工作模式，進行如下測試：

    (1)觀察諧波次數(shù)、形狀，與給定信號對比其失真度；

    (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)時的輸出波形。用電能質(zhì)量分析儀對其測量得THD為2.1%。

dy1-t7.gif

    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，諧波對稱度好，與仿真波形基本一致，無畸變。

dy1-t8.gif

    為了檢測本次設計的電力諧波發(fā)生器的的控制精度，對電力諧波發(fā)生器輸出電壓諧波的THD進行了測量分析。

    通過對測量的數(shù)據(jù)分析可得，本次設計的電力諧波發(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%，達到預期目標。

5 結論

    本文分析了電力諧波發(fā)生器的工作原理，并設計了一臺3 kW電力諧波發(fā)生器的實驗樣機。仿真和實驗結果表明其能夠模擬電網(wǎng)中電壓平衡或非平衡時注入諧波的現(xiàn)象。通過采用重復控制策略，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備性能的要求。

參考文獻

[1] 張香真.電能質(zhì)量干擾發(fā)生器試驗裝置的研究[D].保定：華北電力大學，2004.

[2] 王兆安，劉進軍.電力電子裝置諧波抑制及無功補償技術的進展[J].電力電子技術，1997（1）：102-106.

[3] HARA S，YAMAMOTO Y，OMATA T，et al.Repetitive control system：a new type servo system for periodic exogenous signals[J].IEEE Transactions on Automatic Control，1988，33(7)：659-668.

[4] 陳東.并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)中的重復控制技術及其應用研究[D].杭州：浙江大學，2013.

[5] 王斯然，呂征宇.LCL型并網(wǎng)逆變器中重復控制方法研究[J].中國電機工程學報，2010，30（27）：69-75．

[6] 周亮.基于內(nèi)模原理的逆變器波形控制技術研究[D].武漢：華中科技大學，2006.

[7] 張興，汪楊俊，余暢舟.LCL并網(wǎng)逆變器改進型重復控制策略[J].電力系統(tǒng)自動化，2014，38（20）：101-107．

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

[9] 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.

此內(nèi)容為AET網(wǎng)站原創(chuàng)，未經(jīng)授權禁止轉載。