楊麗嬌，粟時(shí)平，華丁劍

(長(zhǎng)沙理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410114)

1 引言

現(xiàn)代電力系統(tǒng)出現(xiàn)了一系列新的特點(diǎn):一是大型、超大型電力系統(tǒng);二是可再生能源發(fā)電的發(fā)展;三是非線性負(fù)荷增長(zhǎng)迅速，造成供電電能質(zhì)量不斷下降。在電力系統(tǒng)面對(duì)這些新挑戰(zhàn)的背景下，作為最基本輸變電裝置的電力變壓器，過(guò)于單一的功能使得其越來(lái)越難滿足現(xiàn)代電力系統(tǒng)的要求。而電力電子變壓器具有如下特點(diǎn):(1)體積小，重量輕，無(wú)環(huán)境污染;(2)運(yùn)行時(shí)可保持副方或用戶端電壓幅值恒定，不隨負(fù)載變化;(3)可以保證原方電流、副方電壓為正弦波形，原方功率因數(shù)可調(diào);(4)具有高度可控性，變壓器原副方電壓、電流和功率均可控;(5)兼有斷路器的功能，大功率電力電子器件可以瞬時(shí)(微秒級(jí))關(guān)斷故障大電流，也無(wú)需常規(guī)變壓器的復(fù)雜繼電保護(hù)裝置;(6)含有智能控制單元，一方面可以實(shí)現(xiàn)裝置的自檢測(cè)、自診斷、自保護(hù)、自恢復(fù)等功能;另一方面可以實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)通信，對(duì)于實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的智能化具有積極意義。能滿足現(xiàn)代電力系統(tǒng)的要求［1，2］。

本文系統(tǒng)采用了整流、高頻隔離、逆變?nèi)?jí)結(jié)構(gòu)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型，開(kāi)發(fā)了基于 TMS320C28343的DSP控制系統(tǒng)，進(jìn)行了10kV/500V智能萬(wàn)用變壓器運(yùn)行與控制的仿真和實(shí)驗(yàn)，結(jié)果證明了設(shè)計(jì)的可行性。

2 IUT原理及主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

IUT的原理結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示。本文采用了一種IUT結(jié)構(gòu)模型，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由簡(jiǎn)單的整流模塊、中間隔離模塊和逆變模塊三部分組成，其中整流模塊采用空間電壓矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)整流器，將輸入的10kV電壓轉(zhuǎn)化為直流信號(hào);中間隔離模塊采用簡(jiǎn)單的單相全橋變換器，將整流模塊輸出的直流信號(hào)調(diào)制成高頻方波，經(jīng)高頻變壓器耦合后還原為直流信號(hào);逆變模塊采用三相PWM逆變器，將隔離模塊輸出的直流信號(hào)變?yōu)樗璧墓ゎl交流信號(hào)。

圖1 IUT結(jié)構(gòu)圖

圖2 IUT基本原理圖

由上述結(jié)構(gòu)及原理圖搭建主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 IUT主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

3 IUT各模塊數(shù)學(xué)模型

3.1 整流模塊數(shù)學(xué)模型

整流模塊主電路功率開(kāi)關(guān)管必須反并聯(lián)一個(gè)續(xù)流二極管，以緩沖PWM過(guò)程中的無(wú)功電能。采用TI公司的TMS320C28343為主控芯片。它內(nèi)部采用程序和數(shù)據(jù)分開(kāi)的哈佛結(jié)構(gòu)，具有專(zhuān)門(mén)的硬件乘法器，廣泛采用流水線操作，提供特殊的DSP指令，可以快速地實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)算法，具有很強(qiáng)的實(shí)時(shí)處理能力。DSP采集輸入電壓，輸入電流以及直流側(cè)電壓，經(jīng)過(guò)判斷，運(yùn)算，輸出6路PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)IGBT，系統(tǒng)框圖如圖4。

圖4 整流模塊框圖

根據(jù)主電路列寫(xiě)整流模塊數(shù)學(xué)方程式:

引入狀態(tài)變量 X=［ia，ib，ic，udc］T并將其分解為高頻分量Xh和低頻分量X1經(jīng)推導(dǎo)得整流模塊數(shù)學(xué)模型

其中:

進(jìn)行dq變換，該模型有助于整流模塊控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

3.2 高頻環(huán)節(jié)數(shù)學(xué)模型

中間隔離環(huán)節(jié)變壓器參數(shù)設(shè)計(jì)為:

其中:Ac為鐵芯有效截面積;Ae為鐵芯窗口面積;Pt為變壓器計(jì)算功率，P0為輸出功率，η為變壓器效率，取80%;K0窗口占空系數(shù)，取0.4;Kj繞組電流密度系數(shù)，取230。故

3.3 逆變模塊數(shù)學(xué)模型

逆變模塊中開(kāi)關(guān)器件通斷用 Si(i=1，2，3，4，5，6)表示，Si=1表示開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通，Si=0表示斷開(kāi)?？紤]三相參數(shù)對(duì)稱，則由輸出端至點(diǎn)g的電壓為:

表示變換器的8種開(kāi)關(guān)狀態(tài)，由此得對(duì)于R和L組成的對(duì)稱三相負(fù)載，逆變模塊的模型為:

拉氏變換得:

各模塊運(yùn)行的數(shù)學(xué)模型為研究IUT的控制提供原理基礎(chǔ)。

4 IUT各模塊的DSP控制及其實(shí)現(xiàn)

4.1 整流模塊的DSP控制

由經(jīng)過(guò)dq變換后整流模塊的數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)該模塊控制結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 整流模塊控制框圖

這樣得到一個(gè)直流電udc，由于隔離環(huán)節(jié)變壓器變比為1:1，故逆變模塊輸入電壓也為udc。

4.2 逆變模塊的DSP控制

由逆變模塊的數(shù)學(xué)模型，可設(shè)計(jì)其控制結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 逆變模塊控制框圖

其中，PWM波形由DSP控制輸出。經(jīng)過(guò)該控制，能夠?qū)⒏綦x模塊輸出的直流電壓udc逆變?yōu)樗璧墓ゎl交流信號(hào)。

4.3 IUT硬件系統(tǒng)框圖

由以上分析可知，IUT各模塊的 PWM波形由一塊DSP芯片發(fā)出，從而控制驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)斷。由于型號(hào)為T(mén)MS320C28343的DSP芯片具有18路PWM通道，且控制功能強(qiáng)大，故為本文所選取。總體硬件結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 硬件結(jié)構(gòu)圖

4.4 IUT軟件系統(tǒng)

根據(jù)系統(tǒng)工作流程，設(shè)計(jì) IUT整流、逆變模塊控制的具體實(shí)現(xiàn)流程圖如圖8和圖9所示。

圖8 DSP控制整流模塊主程序流程圖

圖9 DSP控制逆變模塊主程序流程圖

5 仿真

本文對(duì)用于10kV系統(tǒng)中的IUT進(jìn)行仿真，給出10kV系統(tǒng)的輸入電壓波形，通過(guò)IUT得到的輸出電壓波形，表1為仿真參數(shù)。

表1 仿真參數(shù)

在Matlab/simulink中搭建仿真模型，按照上述表格設(shè)置仿真參數(shù)，示波器測(cè)得各環(huán)節(jié)波形如圖11～13所示。

圖10 輸入電壓U

圖11 觸發(fā)脈沖PWM信號(hào)

圖12 整流模塊輸出直流電壓udc

圖13 逆變模塊輸出交流電壓u0

以上結(jié)果表明，本文搭建的IUT結(jié)構(gòu)及數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)單，在實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)變壓器變壓和隔離的功能外，通過(guò)DSP控制開(kāi)關(guān)管工作能夠得到較為理想的電壓波形，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

6 結(jié)論

現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)對(duì) IUT的研究主要是在 IUT的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方面，控制算法大都采用最優(yōu)控制。本文以10kV電網(wǎng)為例，選擇了結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單、功率器件較少的IUT模型，并分析其數(shù)學(xué)模型，通過(guò)推導(dǎo)變換得到IUT控制策略，通過(guò)型號(hào)為T(mén)MS320C28343的DSP芯片輸出的PWM信號(hào)控制變換器的工作。通過(guò)仿真證明，本文的數(shù)學(xué)模型及其控制能夠?qū)崿F(xiàn)變壓器的功能，并能得到較好的波形，能夠用于10kV電網(wǎng)中。

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