基于雙CPU的礦用統一電能質量調節器的研究

劉國鵬

(中煤科工集團太原研究院有限公司，山西 太原 030006)

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基于雙CPU的礦用統一電能質量調節器的研究

劉國鵬

(中煤科工集團太原研究院有限公司，山西 太原 030006)

近年來，由于電力電子器件的大量應用，給電力系統造成了諸多的電能質量問題，從而使配電線路電能質量差，功率因數低。穩定的電壓對于煤礦企業的安全生產來說至關重要。針對此現象，采用了統一電能質量調節器來改善電能質量，分析了基于雙CPU的統一電能質量調節器的工作原理，給出了設計方法并進行了系統仿真。

電能質量；諧波；無功補償；統一電能質量調節器

1 前言

隨著大容量電力電子裝置在煤礦中的應用日益廣泛，我國煤礦電網中的諧波污染日趨嚴重，給煤礦供電系統和各類用電設備帶來危害。電力電子裝置的開關動作向電網中注入了大量的諧波和次諧波分量，導致了交流電網中電壓和電流波形的嚴重失真，代替了傳統的變壓器等鐵磁材料的非線性引起的諧波，成為最主要的諧波源。從安全的角度講，煤礦中對電能質量的要求很高，電能質量的下降嚴重影響著供用電設備的安全經濟運行。因此電能質量問題日益突出，引起了供電部門和廣大電力用戶的普遍重視。

當前，改善電能質量的設備主要包括無源LC濾波器(Passive LC Filter)、靜態無功功率補償器(Static Var Compensator)以及靜態補償器(Static Compensator)等。1998年日本學者Akagi首次提出了統一電能質量調節器(UPQC)的概念。在這種系統中一個并聯有源電力濾波器(Shunt Active Power Filter)和一個串聯有源電力濾波器(Series Active Power Filter)通過公共的直流母線組合到一起，就可以同時使幾種電能質量功能得到改善[1-2]。

本文根據實際情況介紹了基于雙CPU的礦用統一電能質量調節器(UPQC)的工作原理，給出了設計方法并對系統進行了仿真。

2 UPQC的基本結構和工作原理

統一電能質量調節器(UPQC)的原理圖如圖1所示。 如圖1所示，UPQC通常由一對串/并聯型APF構成，公用一個直流電容。工作時，并聯型APF接入負荷側，主要用于吸收諧波電流、補償無功和負序電流分量，同時維持兩個APF之間的直流電容電壓恒定。串聯型APF接到系統電源側，在系統和負荷之間對諧波起到隔離作用，另外，串聯型APF還具有維持連接點處電壓、補償電壓閃變和不對稱的功能。

圖1 UPQC原理圖

除此之外，還有一種特殊型UPQC的拓撲結構，特殊型UPQC從結構上看，除了有串/并聯型APF外，在負荷側并聯接入一個LC無源濾波器(PF)，而且并聯型APF接入系統側。從器件的功能上看，運行時串聯型APF不僅對諧波起隔離作用，同時它還肩負著阻止PF與系統阻抗之間可能產生的串/并聯諧振。直流側電容電壓的穩定由并聯側APF來維持。并聯的無源電力濾波器可以減小并聯APF的容量，從而可以大大減少裝置的成本[3]。

3 UPQC控制電路的設計

3.1 UPQC的信號檢測方法和跟蹤控制策略

信號檢測方法和跟蹤控制策略是實現電能質量控制技術的關鍵，其實時性與準確性對改善礦區低壓電網電能質量具有決定性的影響。目前的檢測方法主要有：用模擬濾波器檢測、基于fryze時域分析有功電流分離法、基于頻域分析的FFT法、基于瞬時無功功率理論的檢測法等。

比較實用的廣義跟蹤型PWM控制法有兩種：瞬時值滯環比較方式和三角波比較方式。瞬時值滯環控制硬件電路簡單，補償量響應快，用載波，逆變輸出中不含特定頻率的諧波分量，當滯環帶帶寬一定時，補償量的跟蹤誤差范圍固定，但逆變器的開關頻率是變化的。不過，可以通過定時控制或變滯環寬度來是實現

頻率的固定，但犧牲了補償量跟蹤誤差的固定性。

三角波比較硬件比較復雜，跟蹤誤差比較大，逆變輸出諧波含量少，與三角載波頻率相同，放大器的增益有限，開關器件的開關頻率固定為三角波的頻率，補償量的響應速度比較慢。兩者在實際應用中基本各占一半。 基于上述兩種控制方法的優缺點，本文提出一種恒頻無偏差的跟蹤控制器[4]。對于滯環控制，其頻率和帶寬是一對矛盾，不能同時固定。帶寬固定有利于最大誤差的固定，但不利于周期固定。而周期的固定對開關器件的運行，電路的保護關重要的作用。本文在最大帶寬一定的情況下，用簡單的偏移量反饋校正，實現了恒頻無偏差控制。其原理如圖2所示。

圖2 無差拍恒頻控制比較器

3.2 UPQC的控制電路

統一電能質量調節器需要實現電壓(電流)量的信號采集、處理、顯示、控制以及通訊等主要功能。其中電壓(電流)信號的采集很重要，它需要在一個周期內進行上千次采樣，其采樣頻率達到了幾兆赫茲，同時必須進行數據的處理運算并產生PWM波，對MPU的利用率很高。所以，在本系統設計時數據處理器采用TI公司的TMS320LF2407A芯片，控制器采用三星公司的S3C44B0X控制器芯片。

兩個CPU可以根據系統的總體功能要求進行合理的分工。利用DSP芯片的運算優勢，而基于ARM7TDMI內核的S3C44B0X芯片可以充分發揮MPU的事件處理、存儲、控制以及通訊作用。二者相互補充不僅最大限度提高了整個系統的效率和性能，而且還大大提高了統一電能質量調節器的智能化水平。圖3為系統的硬件總體框圖。

圖3 統一電能質量調節器硬件總體框圖

3.3 系統軟件設計

數字控制器的軟件系統充分地應用了DSP和ARM內的許多功能模塊，如PWM單元、串口通信、定時器、片內A/D和看門狗等。軟件的編制與硬件相配合，對于各計算環節與IPM模塊控制信號的產生等功能的實現至關重要。統一電能質量調節器的軟件系統包括2個部分：DSP模塊和ARM模塊。

主程序流程圖如圖4所示，系統主程序主要負責系統的初始化和程序的調用。中斷服務子程序如圖5所示。中斷服務程序包括數據采集、畸變信號檢測、補償量的產生三部分，每次采樣都是在定時器的控制下進行。

圖4 主程序流程圖

圖5 中斷服務程序流程圖

4 UPQC的系統仿真

本文利用PSIM仿真軟件進行系統的仿真，PSIM是用于電力電子和電機控制的專業仿真軟件，能夠提供友好用戶界面，具有快速仿真和多功能波形處理等優點，并包含有豐富的控制元件庫，為電力電子中電力轉換電路設計與控制回路分析提供了強大的仿真開發環境。

在仿真模型中，系統電源采用標準的正弦波電壓源來模擬，其線電壓幅值設為10kV；系統阻抗設為0.1Ω的電阻和0.05mH的電感；非線性負載采用多個電流源并聯，分別為基波250A，2次諧波20A，3次諧波10A，5次諧波25A，7次諧波15A。各諧波A相初相角均為0，這些都是針對煤礦的特征諧波分量進行的設置。仿真波形如圖6所示。

圖6 UPQC的電流電壓補償前后仿真波形

仿真結果表明，綜合電能質量控制技術不僅使礦區低壓電網電壓波動得到有效控制，諧波電壓和不對稱現象也基本消除，而且可抑制非線性負載的諧波電流和負序電流且無功電流補償效果良好。

5 結語

根據上述分析設計的統一電能質量調節器可以看出，這種電能質量調節裝置能大大改善配電網的電能質量，為電力系統生產提供綠色能源，從而達到安全生產的目的，大大降低事故發生率，節約電能。隨著電力電子技術的發展，功率器件價格將不斷降低，統一電能質量控制器在煤礦低壓配電網中將會有很好的發展前景。

[1] 吳珊珊，李金鵬，閆陸.統一電能質量調節器的研究綜述[J].廣東電力，2014，27(1)：94-99.

[2] 王兆安，楊君，劉進軍，等.諧波抑制和無功功率補償[M].北京：機械工業出版社，2006.

[3] 蔣建民，馮志勇，劉美儀.電力網電壓無功功率自動控制系統[M].沈陽：遼寧科學技術出版社，2010.

[4] 萬健如，裴瑋，張國香.統一電能質量調節器同步無差拍控制方法研究[J].中國電機工程學報，2005，25(13)：63-67.

Research on Unified Electric Energy Quality Regulator for Mine Based on CPU

LIUGuo-peng

(Taiyuan Institute of China Coal Science and Industry Group Co.Ltd.,Taiyuan 030006,China)

Recently,with the widely application of the power electronics equipments,it takes many power quality problems to electric power system,makes the power quality of the distribution system too bad and the power factor too low.A steady voltage is important to coal companies for safe production.Considering such phenomena,Unified Power Quality Conditioner(UPQC)was used to improve the power quality,the operational principle of UPQC based on double CPU was analyzed,the design method was put forward and system simulation was realized.

power quality;harmonics;reactive compensation;unified electric energy quality regulator

1004-289X(2015)04-0015-03

國家高技術研究發展計劃(863計劃)重要項目(2012AA06A405); 山西省科技重大專項(20111101026)

TM714.3

A

2014-10-31

劉國鵬(1983-)，男，山西朔州人，碩士，助理研究員，2008年畢業于遼寧工程技術大學電機與電器專業，從事與煤礦采掘設備自動化相關的研究設計工作。