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，西安710021；2.長(zhǎng)安大學(xué)汽車(chē)學(xué)院，西安710064）

基于DSP的電能質(zhì)量干擾發(fā)生裝置設(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，西安710021；2.長(zhǎng)安大學(xué)汽車(chē)學(xué)院，西安710064）

為了檢驗(yàn)電能質(zhì)量控制設(shè)備的性能，或者測(cè)試電氣設(shè)備在受到擾動(dòng)時(shí)的工作情況等，需要用一些專(zhuān)門(mén)的發(fā)生器來(lái)產(chǎn)生所需的電能質(zhì)量干擾現(xiàn)象?；贒SP的電能質(zhì)量干擾發(fā)生裝置以DSP為控制器，采用電力電子器件實(shí)現(xiàn)，可以產(chǎn)生多種電能質(zhì)量干擾現(xiàn)象。采用基于模型設(shè)計(jì)的方法，自動(dòng)生成代碼。最終，在3 kW的試驗(yàn)樣機(jī)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，電能質(zhì)量干擾發(fā)生裝置輸出電壓的誤差精度小于3%，可滿足測(cè)試電氣設(shè)備性能的要求。

電能質(zhì)量；重復(fù)控制器；DSP；模型設(shè)計(jì)

隨著電力電子設(shè)備在各行業(yè)中的廣泛應(yīng)用、電網(wǎng)中各種沖擊性和非線性負(fù)荷不斷增加，使得電力系統(tǒng)中電能質(zhì)量干擾問(wèn)題日益嚴(yán)重。電能質(zhì)量干擾現(xiàn)象主要有：電壓凹陷和凸升、電壓波動(dòng)、供電中斷以及諧波等方面［1］。不良的電能質(zhì)量問(wèn)題可能引起工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程非計(jì)劃的停產(chǎn)或設(shè)備故障，導(dǎo)致用戶的生產(chǎn)成本增加，造成經(jīng)濟(jì)損失。為了解諧波和畸變等電能質(zhì)量問(wèn)題對(duì)于電力系統(tǒng)保護(hù)、儀器儀表和控制等產(chǎn)生的影響［2］，了解電力系統(tǒng)元件如電機(jī)、變壓器等對(duì)電能質(zhì)量的反應(yīng)特性，就需要產(chǎn)生各種類(lèi)型的電能質(zhì)量干擾。

目前，比較常見(jiàn)的電能質(zhì)量干擾發(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(guò)任意波形發(fā)生器產(chǎn)生所需的低壓信號(hào)，再通過(guò)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(cè)試的設(shè)備上。由于要經(jīng)過(guò)功率放大環(huán)節(jié)，存在發(fā)熱問(wèn)題。因此，基于波形發(fā)生器和功率放大器的干擾發(fā)生器效率不高，并且容量一般不會(huì)很大。

基于上述的問(wèn)題，本文利用電力電子技術(shù)中的交直交變換原理，設(shè)計(jì)出基于DSP的電能質(zhì)量干擾發(fā)生裝置。避免了上述容量限制與效率不高問(wèn)題，可產(chǎn)生多種的電能質(zhì)量干擾現(xiàn)象。

1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于DSP的電能質(zhì)量干擾發(fā)生裝置的系統(tǒng)框圖如1所示，主要由整流模塊、逆變模塊、DSP控制模塊、電壓電流采集模塊和濾波模塊組成。

圖1　系統(tǒng)框圖

首先通過(guò)大功率整流模塊從交流電網(wǎng)中獲取直流高壓作為母線電壓。通過(guò)人機(jī)交互界面設(shè)置實(shí)驗(yàn)測(cè)試所需要的電能質(zhì)量干擾現(xiàn)象。DSP根據(jù)設(shè)定電能質(zhì)量干擾信息，按照相應(yīng)設(shè)定信息，確定給定的電壓信號(hào)。同時(shí)霍爾型電壓傳感器和霍爾電流傳感器采集逆變主回路輸出的電壓、電流和直流母線電壓的信號(hào)。信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路后，通過(guò)DSP進(jìn)行A/D采樣，經(jīng)過(guò)標(biāo)度變換，得到實(shí)測(cè)電壓、電流值。通過(guò)閉環(huán)控制，采用重復(fù)控制算法，進(jìn)行計(jì)算得到各路控制信號(hào)的占空比，輸出相應(yīng)的PWM信號(hào)。驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)從DSP輸送過(guò)來(lái)的控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)IGBT。這樣主回路經(jīng)IGBT開(kāi)關(guān)輸出高頻方波，通過(guò)截止頻率適當(dāng)?shù)娜嗟屯V波器，輸出電能質(zhì)量出現(xiàn)干擾現(xiàn)象時(shí)的電壓波形。

2　復(fù)合控制器設(shè)計(jì)

由于本次設(shè)計(jì)的給定信號(hào)為多個(gè)頻率的交流信號(hào)的合成，為實(shí)現(xiàn)對(duì)給定信號(hào)的無(wú)靜差跟蹤。本文采用PI控制與重復(fù)控制結(jié)合的復(fù)合控制器。

2.1傳統(tǒng)PI控制器

目前，在逆變器的控制中比例積分（PI）控制器應(yīng)用比較廣泛，其傳遞函數(shù)為：

PI控制器具有算法簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，但PI控制器對(duì)交流信號(hào)增益是有限的，所以在三相靜止坐標(biāo)系下，很難實(shí)現(xiàn)對(duì)交流參考信號(hào)的無(wú)靜差跟蹤。

2.2重復(fù)控制器

重復(fù)控制是基于內(nèi)模原理的控制策略。根據(jù)內(nèi)模原理，系統(tǒng)在穩(wěn)定狀態(tài)下，精確跟蹤任意參考輸入信號(hào)的條件是閉環(huán)控制系統(tǒng)穩(wěn)定且包含有輸入信號(hào)保持器。內(nèi)模的作用實(shí)際上相當(dāng)于無(wú)窮大增益的控制信號(hào)保持器，當(dāng)穩(wěn)態(tài)誤差為零時(shí)，輸出保持在一個(gè)恒定的值，仍能維持適當(dāng)?shù)目刂谱饔谩?/p>

對(duì)于直流信號(hào)而言，積分控制器就可以為之提供無(wú)窮大的增益，因此能精確地對(duì)直流信號(hào)進(jìn)行跟蹤。

對(duì)于正弦信號(hào)而言，以下控制器：

可以為頻率是wn的正弦信號(hào)提供無(wú)窮大的增益。

一般的逆變器重復(fù)控制系統(tǒng)示意圖如2所示，r為參考信號(hào)，e誤差信號(hào)，ur為補(bǔ)償后的參考信號(hào)，d為擾動(dòng)信號(hào)，P（z）為控制對(duì)象，z-N為延遲環(huán)節(jié)，C（z）為針對(duì)被控對(duì)象的補(bǔ)償器。

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)載電流是非正弦的，其中含有基波及多次諧波。并且死區(qū)現(xiàn)象也會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生擾動(dòng)。因此，實(shí)際系統(tǒng)所面臨的擾動(dòng)不是單一頻率的，要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的無(wú)靜差跟蹤則需要設(shè)置多重頻率的正弦函數(shù)內(nèi)?？刂破鳎?-6］。當(dāng)所需設(shè)置的內(nèi)?？刂破髦?cái)?shù)過(guò)多時(shí)，將使控制系統(tǒng)過(guò)于復(fù)雜。由于非線性負(fù)載和死區(qū)所引起的擾動(dòng)在每個(gè)周期都是以完全相同的波形出現(xiàn)的，即擾動(dòng)是周期性重復(fù)的。因此設(shè)置如下內(nèi)?？刂破鳎?/p>

N是每個(gè)基波周期的采樣次數(shù)。式（4）實(shí)質(zhì)是一個(gè)數(shù)字重復(fù)信號(hào)發(fā)生器，不論輸入信號(hào)波形如何，只要它以基波周期重復(fù)出現(xiàn)，輸出就是對(duì)輸入信號(hào)的以基波周期為步長(zhǎng)的累加。把這個(gè)重復(fù)信號(hào)發(fā)生器作為內(nèi)模設(shè)置在閉環(huán)系統(tǒng)中，并設(shè)計(jì)補(bǔ)償器以使系統(tǒng)保持穩(wěn)定，就能夠無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差地跟蹤相同周期的指令或抑制相同周期的擾動(dòng)，達(dá)到對(duì)周期參考信號(hào)的完全跟蹤和對(duì)周期擾動(dòng)信號(hào)的完全抑制。

引入式（4）所示的重復(fù)信號(hào)發(fā)生器內(nèi)模后，會(huì)將N個(gè)位于單位圓周上的的極點(diǎn)引入系統(tǒng)，系統(tǒng)將處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)，對(duì)模型誤差和外界擾動(dòng)非常敏感，當(dāng)模型存在誤差和有外界擾動(dòng)時(shí)系統(tǒng)將變得不穩(wěn)定［6-7］。因此在傳統(tǒng)重復(fù)控制中，會(huì)對(duì)式（4）所示的內(nèi)?？刂破鬟M(jìn)行改進(jìn)，將z-N替換為Q（z）z-N，如圖1所示，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性。其中Q（z）可以取一個(gè)小于1的常數(shù)，也可以設(shè)計(jì)成一個(gè)低通濾波器，以減弱積分效果。取Q（z）=0.98時(shí)有：

寫(xiě)成差分方程的形式為：

上式可理解為：每隔一個(gè)周期（N步），將誤差累加一次，本次累加值為上一周期的誤差乘以0.98。因此，可以看出Q（z）的引入雖然改善了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但是系統(tǒng)并非是無(wú)靜差的。在逆變器控制中，通常取Q（z）為一個(gè)小于且接近于1的常數(shù)。

前向通道上串接的周期延遲環(huán)節(jié)Z-N使控制動(dòng)作延遲一個(gè)周期進(jìn)行，即：本周期檢測(cè)到的誤差信息在下一周期才開(kāi)始影響控制量。C（Z）是針對(duì)逆變器數(shù)學(xué)模型P（Z）設(shè)計(jì)的補(bǔ)償器環(huán)節(jié)，有以下形式：

它由重復(fù)控制增益Kr、超前環(huán)節(jié)Zk和濾波器S（Z）3個(gè)部分組成。其中：

（1）重復(fù)控制增益Kr設(shè)定為小于1的正常數(shù)，它用來(lái)控制加入補(bǔ)償量的強(qiáng)度；

（2）超前環(huán)節(jié)Zk作為相位補(bǔ)償環(huán)節(jié)用來(lái)補(bǔ)償由逆變器控制對(duì)象P（Z）和濾波器S（Z）所引入的總相位滯后，從而使得在中低頻段近似為零相移。（3）濾波器S（Z）是重復(fù)控制器中非常重要的部分，它的作用主要體現(xiàn)在3個(gè)方面：它首先要將逆變器控制對(duì)象P（Z）中低頻段的增益校正為1；其次它應(yīng)當(dāng)?shù)窒孀兤鬏^高的諧振峰值，使之不影響系統(tǒng)的平穩(wěn)性；同時(shí)它還應(yīng)當(dāng)增強(qiáng)前向通道的高頻衰減特性，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗高頻干擾能力。

2.3復(fù)合控制技術(shù)

重復(fù)控制器雖然具有較好的穩(wěn)態(tài)性能，但其前向通道上的延遲環(huán)節(jié)使本周期的控制量在下一周期才能得到體現(xiàn)。所以當(dāng)負(fù)載突變時(shí)，由于控制量在下一周期體現(xiàn)，因而控制器對(duì)指令的跟蹤受到限制。而PI控制器能對(duì)誤差即時(shí)響應(yīng)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度較快，但對(duì)諧波信號(hào)跟蹤性能不理想。為了使控制系統(tǒng)兼具較好的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)精度，采用如圖3所示的復(fù)合控制器。

圖3　復(fù)合控制原理圖

當(dāng)指令突變時(shí)，電流內(nèi)環(huán)通過(guò)前饋指令即時(shí)響應(yīng)，對(duì)突變誤差進(jìn)行調(diào)節(jié)。而重復(fù)控制外環(huán)由于滯后一個(gè)電網(wǎng)周期，在指令突變的第一個(gè)周期內(nèi)不能對(duì)該誤差進(jìn)行調(diào)節(jié)。在第二個(gè)周期中，重復(fù)控制器開(kāi)始起作用，對(duì)誤差進(jìn)行逐周期調(diào)節(jié)。由此可見(jiàn)，PI控制器主要負(fù)責(zé)加快系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，而重復(fù)控制器主要負(fù)責(zé)提高系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度。

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的電能質(zhì)量干擾發(fā)生裝置仿真系統(tǒng)如圖4所示。

圖4　系統(tǒng)仿真模型

其中，濾波電感L1、L2、L3取3 mH，電感內(nèi)阻Rl= 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5所示，為電能質(zhì)量干擾發(fā)生器輸出正常電網(wǎng)電壓時(shí)的波形?？梢钥闯鲚敵龅娜嚯娋W(wǎng)電壓波形標(biāo)準(zhǔn)，無(wú)畸變。經(jīng)FFT分析，其THD為1.83%。

圖5　正常電網(wǎng)電壓波形

如圖6所示，為設(shè)置電能質(zhì)量干擾發(fā)生器工作至0.35 s時(shí)發(fā)生電壓凹陷。

圖6　電壓凹陷波形

從圖6以看出，電能質(zhì)量干擾發(fā)生器在0～0.35 s時(shí)輸出電壓正常，在0.35 s時(shí)發(fā)生電壓凹陷，電壓降至正常電壓的30%。

如圖7所示，為設(shè)置電能質(zhì)量干擾發(fā)生器工作至0.15 s時(shí)發(fā)生電壓凸升。

圖7　電壓凸升波形

從圖7可以看出，電能質(zhì)量干擾發(fā)生器在0～0.15 s時(shí)輸出電壓正常，在0.15 s時(shí)發(fā)生電壓凸升，并在0.45 s后恢復(fù)正常。

圖8　電能質(zhì)量干擾發(fā)生器樣機(jī)

4　試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證

根據(jù)前文的設(shè)計(jì)，本文研制出一臺(tái)電能質(zhì)量干擾發(fā)生器試驗(yàn)樣機(jī)如圖8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)，利用泰克TPS2024B示波器、FLUKE 1735電能質(zhì)量分析儀進(jìn)行測(cè)試分析。

將電能質(zhì)量干擾發(fā)生器設(shè)置在不同的模式，進(jìn)行如下測(cè)試：

（1）設(shè)置電能質(zhì)量干擾發(fā)生器工作在發(fā)生電壓凹陷狀態(tài)，觀察其輸出電壓波形，與給定信號(hào)對(duì)比失真度；

（2）設(shè)置電能質(zhì)量干擾發(fā)生器工作在發(fā)生電壓凸升狀態(tài)，觀察其輸出電壓波形，記錄示波器的波形和電能質(zhì)量分析儀的數(shù)據(jù)；

（3）設(shè)置電能質(zhì)量干擾發(fā)生器工作在發(fā)生電壓波動(dòng)狀態(tài)，記錄示波器的波形和電能質(zhì)量分析儀的數(shù)據(jù)；

（4）設(shè)置電能質(zhì)量干擾發(fā)生器工作在輸出含諧波狀態(tài)，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9所示為泰克示波器測(cè)出的電能質(zhì)量干擾發(fā)生器模擬正常電網(wǎng)電壓時(shí)的輸出波形。可以看出電能質(zhì)量干擾發(fā)生器輸出的電壓波形良好，其總諧波畸變率（THD）為2.1%。

圖9　標(biāo)準(zhǔn)電網(wǎng)電壓波形

如圖10所示，泰克示波器測(cè)出電能質(zhì)量干擾發(fā)生器工作在電壓凹陷狀態(tài)時(shí)的輸出電壓波形，其在0～0.35 s時(shí)輸出電壓正常，在0.35 s時(shí)發(fā)生電壓凹陷。電壓凹陷發(fā)生時(shí)間和凹陷后電壓幅值與設(shè)定一致，其輸出與仿真波形基本一致，無(wú)失真。

圖10　電壓凹陷波形

如圖11所示，為電能質(zhì)量干擾發(fā)生器工作在輸出含諧波且發(fā)生電壓凸升時(shí)的電壓波形。設(shè)置電能質(zhì)量干擾發(fā)生器輸出含3、5、7諧波，諧波畸變率分別為25%、20%、15%，并在0.3 s時(shí)發(fā)生電壓凸升。

圖11　輸出含諧波且發(fā)生電壓凸升波形

根據(jù)測(cè)試結(jié)果可知：電能質(zhì)量干擾發(fā)生器輸出諧波含量與設(shè)定含量基本一致。電壓凸升發(fā)生時(shí)間與設(shè)定時(shí)間一致，輸出波形與仿真波形基本一致。

為了檢測(cè)本次設(shè)計(jì)的電能質(zhì)量干擾發(fā)生器的的控制和調(diào)節(jié)精度，對(duì)電能質(zhì)量干擾發(fā)生器輸出電壓進(jìn)行了測(cè)量分析。通過(guò)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的分析得到，本次設(shè)計(jì)的電能質(zhì)量干擾發(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%。

5　結(jié)論

本文分析了電能質(zhì)量干擾發(fā)生器的工作原理，采用復(fù)合控制策略，設(shè)計(jì)了一臺(tái)3 kW電能質(zhì)量干擾發(fā)生器的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該裝置能夠模擬電網(wǎng)中發(fā)生電壓凹陷和凸升、電壓波動(dòng)、供電中斷以及諧波等干擾電能質(zhì)量現(xiàn)象，并且控制輸出電壓誤差小于2%，能夠滿足測(cè)試電氣設(shè)備性能的要求。

［1］李維光.電力諧波發(fā)生器試驗(yàn)裝置的研究［D］.河北：華北電力大學(xué)，2005.

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［3］Rahmat Allah Hooshmand，Mahdi Torabian Esfahani.A New Combined Method in Active Filter Design for Power Quality ImprovementinPowerSystems［J］.ISA Transactions，2011，50（2）：150-158.

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［9］王兆安，黃俊.電力電子技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

［10］張興，張崇巍.PWM整流器及其控制［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

王素娥（1973-），女，漢族，河北省安平縣人，陜西科技大學(xué)電信學(xué)院自動(dòng)化系副主任，碩士，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電力傳動(dòng)，自動(dòng)化控制，296579923@qq.com；

胡益成（1992-），男，漢族，陜西安康人，陜西科技大學(xué)控制理論與控制工程專(zhuān)業(yè)在讀碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電力傳動(dòng)，自動(dòng)化控制，383197211@qq.com。

Design of Power Quality Disturbances Generator Based on DSP*

Wang Sue1*，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）

To test custom power devices for their ability to mitigate power quality disturbances，or to test electrical devices for their performance in the presence of disturbances，some special generators are needed to generate the required.Based on DSP，the power quality disturbances generator is designed，which uses DSP as its controller and power electronics devices implement.The generator can generate many types of power quality disturbances.Then using the method of model-based design can be used to implement the automatic code generation.Eventually，experiment on the 3 kW prototype.Experimental results show that the output voltage's error precision of power harmonic disturbances generator is less than 3%，which can meet the performance requirements of testing electrical equipments.

power quality；repetitive controller；DSP；Model design

TM464

A

1005-9490（2016）05-1255-06

項(xiàng)目來(lái)源：陜西省教育廳專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目（2013JK1065）；陜西省工業(yè)科技攻關(guān)項(xiàng)目（2015GY038）；陜西省協(xié)同創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目（2016XT-15）

2015-10-29修改日期：2015-11-19

EEACC:836010.3969/j.issn.1005-9490.2016.05.045