趙巧妮

（湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖南 株洲　412001）

基于DSP的分布式電網(wǎng)動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器模擬系統(tǒng)的研究

趙巧妮

（湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖南 株洲412001）

本文旨在通過(guò)設(shè)計(jì)一款分布式電網(wǎng)動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器模擬系統(tǒng)裝置，解決電力設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中電壓暫降或中斷情況下的動(dòng)態(tài)電能安全問(wèn)題。裝置采用"直流-交流"及"交-直-交"雙重結(jié)構(gòu)，控制系統(tǒng)采用TMS320F28335為控制核心，采用規(guī)則采樣法和DSP片內(nèi)EPWM模塊功能實(shí)現(xiàn)SPWM波，經(jīng)過(guò)軟硬的設(shè)計(jì)，經(jīng)測(cè)試本裝置在PFC環(huán)節(jié)，功率因數(shù)基本接近1；SPWM調(diào)制算法近似性引入的誤差、直流側(cè)電壓波動(dòng)、檢測(cè)電路及AD轉(zhuǎn)換器的誤差小。開(kāi)機(jī)自檢、輸入電壓欠壓及輸出過(guò)流保護(hù)，在過(guò)流、欠壓故障排除后能自動(dòng)恢復(fù)。

PFC；逆變；SPWM；鎖相；DSP

文中研究一款動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器實(shí)驗(yàn)裝置，采用“直流-交流”及“交-直-交”雙重結(jié)構(gòu)，第一級(jí)采用功率因數(shù)校正（PFC）電路，它的作用是完成交流-直流變換，可以改善輸入側(cè)電網(wǎng)電能質(zhì)量。第二級(jí)則采用單相全橋逆變加變壓器輸出的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。全橋逆變的控制通過(guò)DSP實(shí)現(xiàn)死區(qū)控制，防止直通，實(shí)現(xiàn)分布式電網(wǎng)動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器模擬系統(tǒng)。

1　總體方案

DVR的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。它主要由有源濾波器及逆變器裝置、DVR與逆變器裝置、重要負(fù)載構(gòu)成。儲(chǔ)能單元和能量接口為兩級(jí)公用，在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，如果電壓正常，DVR裝置不會(huì)向系統(tǒng)注入補(bǔ)償電壓量，裝置本身的功耗非常低，處于備用狀態(tài)。當(dāng)動(dòng)態(tài)電壓出現(xiàn)下降等問(wèn)題時(shí)，DVR裝置瞬間啟動(dòng)，并向電路投入補(bǔ)償量，保證電壓的正常。當(dāng)電壓恢復(fù)后，DVR裝置又回到備用狀態(tài)。

圖1　DVR拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

設(shè)計(jì)采用TMS320F28335作為控制器，它具有可編程的死區(qū)控制功能，可防止橋式驅(qū)動(dòng)電路上下橋臂產(chǎn)生直通而燒毀。同時(shí)可產(chǎn)生SPWM信號(hào)，通過(guò)規(guī)則采樣法產(chǎn)生SPWM波，其對(duì)稱規(guī)則采樣算法如圖2所示。由圖2可得：

圖2　對(duì)稱規(guī)則采樣算法示意圖

脈沖寬度為：

式（1）中，t1為采樣點(diǎn)。式（2）中，采樣點(diǎn)時(shí)刻t1只與載波比N有關(guān)，而與幅度調(diào)制比M無(wú)關(guān)，且：

t1=kTt，k=0，1，…，N-1。

2　PFC控制方法

PFC基本算法思路如圖3。系統(tǒng)采用的控制模式是Boost PFC平均電流模式，由電路參數(shù)直接計(jì)算給出初始PFC控制PWM波形，系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，電流內(nèi)環(huán)進(jìn)行PI調(diào)節(jié)，在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)快速啟動(dòng)的同時(shí)，還可以避免啟動(dòng)瞬間電流采樣噪聲干擾。此外系統(tǒng)在啟動(dòng)瞬間進(jìn)行輸入電流波形的采樣，同時(shí)進(jìn)行閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)相位的精確跟蹤，大幅減小電流畸變。

圖3　PFC基本算法思路框圖

3　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1PFC輸入電壓頻率檢測(cè)電路

輸入電壓頻率檢測(cè)電路如圖4所示。首先將輸入信號(hào)采用變壓器隔離，經(jīng)過(guò)零比較及整形限幅后得到方波信號(hào)，根據(jù)DSP的特點(diǎn)，ECAP捕獲模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行響應(yīng)時(shí)只在上升沿和下降沿，并對(duì)信號(hào)的幅值同樣有嚴(yán)格的要求（小于3.3V），因此輸出的正弦信號(hào)需轉(zhuǎn)為幅值小于3，3 V的方波信號(hào)，在過(guò)零點(diǎn)時(shí)，為了不造成CAP的誤觸發(fā)，轉(zhuǎn)換信號(hào)必須避免過(guò)零振蕩。

圖4　輸入電壓頻率檢測(cè)電路

3.2直流電壓電流調(diào)理電路

直流電壓信號(hào)調(diào)理電路和直流電流信號(hào)調(diào)理電路分別如圖5、圖6所示。直流電壓通過(guò)電阻分壓，由電壓跟隨后經(jīng)低通濾波器后送入采樣。直流電流信號(hào)通過(guò)電阻將其轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)后由放大器將電壓信號(hào)放大后送入采樣。

4　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要包含以下功能模塊：初始化模塊，中斷模塊，按鍵模塊和LCD模塊。軟件結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。

5　測(cè)試與結(jié)論

5.1頻率跟蹤范圍測(cè)試

測(cè)試方法：當(dāng)系統(tǒng)工作于UPS狀態(tài)下，輸入為標(biāo)準(zhǔn)的、40～60 Hz之間變化的正弦波，測(cè)試輸出電壓頻率。測(cè)試結(jié)果如表1所示。

5.2輸出穩(wěn)壓精度測(cè)試

測(cè)試方式：設(shè)定輸出電壓分別為10 V和20 V的情況下，依次調(diào)整負(fù)載的大小從10～30 Ω變化，測(cè)量電壓穩(wěn)定精度。測(cè)試數(shù)據(jù)如表2，可見(jiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)壓精度穩(wěn)定在1%之內(nèi)。

圖5　直流電壓信號(hào)調(diào)理電路

圖6　直流電流信號(hào)調(diào)理電路

圖7　軟件總體框圖

表2　電壓穩(wěn)定精度測(cè)量表

5.3PFC輸入功率因數(shù)及波形畸變率測(cè)量

輸入工作于PFC模式，分別在不同負(fù)載情況下，測(cè)試得到的功率因素和波形畸變率的數(shù)據(jù)如表3所示，從表中可以看出，功率因素接近1，波形畸變率低。

表3　輸入功率因數(shù)及波形畸變率測(cè)量表

6　結(jié)　論

經(jīng)過(guò)以上軟硬件的設(shè)計(jì)及測(cè)試試驗(yàn)，頻率跟蹤范圍測(cè)試、輸出穩(wěn)壓精度測(cè)試、PFC輸入功率因數(shù)及波形畸變率測(cè)量，各項(xiàng)誤差都在允許范圍之內(nèi)。在PFC環(huán)節(jié)，功率因數(shù)基本接近1。對(duì)于最大頻率點(diǎn)跟蹤功能，通過(guò)更換不能的源阻和負(fù)載，測(cè)試得到的相對(duì)偏差很小，絕對(duì)值僅為0.6%。

［1］栗然，張烈勇，顧雪平，等.采用粗糙集聯(lián)合規(guī)則挖掘算法的分布式電網(wǎng)故障診斷［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2010，30 （3）：28-32.

［2］任惠，米增強(qiáng)，趙洪山．基于編碼PETRI網(wǎng)的電力系統(tǒng)故障診斷模型研究［J］．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2005，25（20）：44-49．

［3］文明.動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器電壓凹陷補(bǔ)償算法及其性能改善研究［D］.長(zhǎng)沙：長(zhǎng)沙理工大學(xué)，2012.

［4］周暉，齊智平.動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器檢測(cè)方法和補(bǔ)償策略綜述［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2006，30（6）：23-29.

［5］王力.分布式電網(wǎng)用有源濾波型并網(wǎng)逆變器的研究［D］.南京：南京航空航天大學(xué)，2013.

［6］李泰.基于飛輪儲(chǔ)能的動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器研究 ［D］.成都：西南交通大學(xué)，2008.

Research of the distributed power system dynamic voltage restorer simulation based on DSP

ZHAO Qiao-ni
（Hunan Railway Professional Technology College，Zhuzhou 412001，China）

This paper aims to design a distributed grid simulation system dynamic voltage restorer means to solve the problem of dynamic energy security in case of equipment operating in the electricity voltage sag or interruption.Means the use of"DCAC"and"AC-DC-AC"dual structure，control system uses TMS320F28335 to control core sampling method within the rules and DSP chip EPWM module functions to achieve SPWM wave，after hardware and software design，the test of the PFC link device，the power factor was close to 1；a small error SPWM modulation algorithm approximation introduced DC voltage fluctuation detection circuit and AD converter error.POST，input under-voltage and output over-current protection，overcurrent，under-voltage troubleshooting can automatically restore.

PFC；inverter；SPWM；phase-locked；DSP

TN925

A

1674－6236（2016）09-0116-03

2015-05-19稿件編號(hào)：201505165

湖南省教育廳科學(xué)研究項(xiàng)目（14C0754）

趙巧妮（1982—），女，湖南株洲人，碩士研究生，講師。研究方向：電子技術(shù)應(yīng)用、智能儀器與儀表。