基于DSP的電能質量干擾發生裝置設計*

王素娥，胡益成，張一西

（1.陜西科技大學電氣與信息工程學院，西安710021；2.長安大學汽車學院，西安710064）

基于DSP的電能質量干擾發生裝置設計*

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，西安710021；2.長安大學汽車學院，西安710064）

為了檢驗電能質量控制設備的性能，或者測試電氣設備在受到擾動時的工作情況等，需要用一些專門的發生器來產生所需的電能質量干擾現象。基于DSP的電能質量干擾發生裝置以DSP為控制器，采用電力電子器件實現，可以產生多種電能質量干擾現象。采用基于模型設計的方法，自動生成代碼。最終，在3 kW的試驗樣機上進行了實驗。實驗結果表明，電能質量干擾發生裝置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。

電能質量；重復控制器；DSP；模型設計

隨著電力電子設備在各行業中的廣泛應用、電網中各種沖擊性和非線性負荷不斷增加，使得電力系統中電能質量干擾問題日益嚴重。電能質量干擾現象主要有：電壓凹陷和凸升、電壓波動、供電中斷以及諧波等方面［1］。不良的電能質量問題可能引起工業生產過程非計劃的停產或設備故障，導致用戶的生產成本增加，造成經濟損失。為了解諧波和畸變等電能質量問題對于電力系統保護、儀器儀表和控制等產生的影響［2］，了解電力系統元件如電機、變壓器等對電能質量的反應特性，就需要產生各種類型的電能質量干擾。

目前，比較常見的電能質量干擾發生器都采用波形發生器加功率放大器的方法［1］。其工作原理為：通過任意波形發生器產生所需的低壓信號，再通過高壓放大器將低壓信號放大到合適的值，最后經功率放大后直接輸出到待測試的設備上。由于要經過功率放大環節，存在發熱問題。因此，基于波形發生器和功率放大器的干擾發生器效率不高，并且容量一般不會很大。

基于上述的問題，本文利用電力電子技術中的交直交變換原理，設計出基于DSP的電能質量干擾發生裝置。避免了上述容量限制與效率不高問題，可產生多種的電能質量干擾現象。

1　系統結構

基于DSP的電能質量干擾發生裝置的系統框圖如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　系統框圖

首先通過大功率整流模塊從交流電網中獲取直流高壓作為母線電壓。通過人機交互界面設置實驗測試所需要的電能質量干擾現象。DSP根據設定電能質量干擾信息，按照相應設定信息，確定給定的電壓信號。同時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。信號經過信號調理電路后，通過DSP進行A/D采樣，經過標度變換，得到實測電壓、電流值。通過閉環控制，采用重復控制算法，進行計算得到各路控制信號的占空比，輸出相應的PWM信號。驅動電路根據從DSP輸送過來的控制信號驅動IGBT。這樣主回路經IGBT開關輸出高頻方波，通過截止頻率適當的三相低通濾波器，輸出電能質量出現干擾現象時的電壓波形。

2　復合控制器設計

由于本次設計的給定信號為多個頻率的交流信號的合成，為實現對給定信號的無靜差跟蹤。本文采用PI控制與重復控制結合的復合控制器。

2.1傳統PI控制器

目前，在逆變器的控制中比例積分（PI）控制器應用比較廣泛，其傳遞函數為：

PI控制器具有算法簡單、動態響應快、穩定性好等優點，但PI控制器對交流信號增益是有限的，所以在三相靜止坐標系下，很難實現對交流參考信號的無靜差跟蹤。

2.2重復控制器

重復控制是基于內模原理的控制策略。根據內模原理，系統在穩定狀態下，精確跟蹤任意參考輸入信號的條件是閉環控制系統穩定且包含有輸入信號保持器。內模的作用實際上相當于無窮大增益的控制信號保持器，當穩態誤差為零時，輸出保持在一個恒定的值，仍能維持適當的控制作用。

對于直流信號而言，積分控制器就可以為之提供無窮大的增益，因此能精確地對直流信號進行跟蹤。

對于正弦信號而言，以下控制器：

可以為頻率是wn的正弦信號提供無窮大的增益。

一般的逆變器重復控制系統示意圖如2所示，r為參考信號，e誤差信號，ur為補償后的參考信號，d為擾動信號，P（z）為控制對象，z-N為延遲環節，C（z）為針對被控對象的補償器。

圖2　重復控制原理圖

在逆變器控制中，當負載為非線性時，負載電流是非正弦的，其中含有基波及多次諧波。并且死區現象也會對系統產生擾動。因此，實際系統所面臨的擾動不是單一頻率的，要實現系統的無靜差跟蹤則需要設置多重頻率的正弦函數內模控制器［5-6］。當所需設置的內模控制器重數過多時，將使控制系統過于復雜。由于非線性負載和死區所引起的擾動在每個周期都是以完全相同的波形出現的，即擾動是周期性重復的。因此設置如下內模控制器：

N是每個基波周期的采樣次數。式（4）實質是一個數字重復信號發生器，不論輸入信號波形如何，只要它以基波周期重復出現，輸出就是對輸入信號的以基波周期為步長的累加。把這個重復信號發生器作為內模設置在閉環系統中，并設計補償器以使系統保持穩定，就能夠無穩態誤差地跟蹤相同周期的指令或抑制相同周期的擾動，達到對周期參考信號的完全跟蹤和對周期擾動信號的完全抑制。

引入式（4）所示的重復信號發生器內模后，會將N個位于單位圓周上的的極點引入系統，系統將處于臨界穩定狀態，對模型誤差和外界擾動非常敏感，當模型存在誤差和有外界擾動時系統將變得不穩定［6-7］。因此在傳統重復控制中，會對式（4）所示的內模控制器進行改進，將z-N替換為Q（z）z-N，如圖1所示，以確保系統的穩定性。其中Q（z）可以取一個小于1的常數，也可以設計成一個低通濾波器，以減弱積分效果。取Q（z）=0.98時有：

寫成差分方程的形式為：

上式可理解為：每隔一個周期（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的穩定性，但是系統并非是無靜差的。在逆變器控制中，通常取Q（z）為一個小于且接近于1的常數。

前向通道上串接的周期延遲環節Z-N使控制動作延遲一個周期進行，即：本周期檢測到的誤差信息在下一周期才開始影響控制量。C（Z）是針對逆變器數學模型P（Z）設計的補償器環節，有以下形式：

它由重復控制增益Kr、超前環節Zk和濾波器S（Z）3個部分組成。其中：

（1）重復控制增益Kr設定為小于1的正常數，它用來控制加入補償量的強度；

（2）超前環節Zk作為相位補償環節用來補償由逆變器控制對象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）是重復控制器中非常重要的部分，它的作用主要體現在3個方面：它首先要將逆變器控制對象P（Z）中低頻段的增益校正為1；其次它應當抵消逆變器較高的諧振峰值，使之不影響系統的平穩性；同時它還應當增強前向通道的高頻衰減特性，提高系統的穩定性和抗高頻干擾能力。

2.3復合控制技術

重復控制器雖然具有較好的穩態性能，但其前向通道上的延遲環節使本周期的控制量在下一周期才能得到體現。所以當負載突變時，由于控制量在下一周期體現，因而控制器對指令的跟蹤受到限制。而PI控制器能對誤差即時響應，動態響應速度較快，但對諧波信號跟蹤性能不理想。為了使控制系統兼具較好的動態性能和穩態精度，采用如圖3所示的復合控制器。

圖3　復合控制原理圖

當指令突變時，電流內環通過前饋指令即時響應，對突變誤差進行調節。而重復控制外環由于滯后一個電網周期，在指令突變的第一個周期內不能對該誤差進行調節。在第二個周期中，重復控制器開始起作用，對誤差進行逐周期調節。由此可見，PI控制器主要負責加快系統動態響應速度，而重復控制器主要負責提高系統穩態精度。

3　系統仿真及結果分析

3.1仿真系統建立

利用Matlab/Simulink軟件建立基于DSP的電能質量干擾發生裝置仿真系統如圖4所示。

圖4　系統仿真模型

其中，濾波電感L1、L2、L3取3 mH，電感內阻Rl= 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5所示，為電能質量干擾發生器輸出正常電網電壓時的波形。可以看出輸出的三相電網電壓波形標準，無畸變。經FFT分析，其THD為1.83%。

圖5　正常電網電壓波形

如圖6所示，為設置電能質量干擾發生器工作至0.35 s時發生電壓凹陷。

圖6　電壓凹陷波形

從圖6以看出，電能質量干擾發生器在0～0.35 s時輸出電壓正常，在0.35 s時發生電壓凹陷，電壓降至正常電壓的30%。

如圖7所示，為設置電能質量干擾發生器工作至0.15 s時發生電壓凸升。

圖7　電壓凸升波形

從圖7可以看出，電能質量干擾發生器在0～0.15 s時輸出電壓正常，在0.15 s時發生電壓凸升，并在0.45 s后恢復正常。

圖8　電能質量干擾發生器樣機

4　試驗結果驗證

根據前文的設計，本文研制出一臺電能質量干擾發生器試驗樣機如圖8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，利用泰克TPS2024B示波器、FLUKE 1735電能質量分析儀進行測試分析。

將電能質量干擾發生器設置在不同的模式，進行如下測試：

（1）設置電能質量干擾發生器工作在發生電壓凹陷狀態，觀察其輸出電壓波形，與給定信號對比失真度；

（2）設置電能質量干擾發生器工作在發生電壓凸升狀態，觀察其輸出電壓波形，記錄示波器的波形和電能質量分析儀的數據；

（3）設置電能質量干擾發生器工作在發生電壓波動狀態，記錄示波器的波形和電能質量分析儀的數據；

（4）設置電能質量干擾發生器工作在輸出含諧波狀態，記錄電能質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出的電能質量干擾發生器模擬正常電網電壓時的輸出波形。可以看出電能質量干擾發生器輸出的電壓波形良好，其總諧波畸變率（THD）為2.1%。

圖9　標準電網電壓波形

如圖10所示，泰克示波器測出電能質量干擾發生器工作在電壓凹陷狀態時的輸出電壓波形，其在0～0.35 s時輸出電壓正常，在0.35 s時發生電壓凹陷。電壓凹陷發生時間和凹陷后電壓幅值與設定一致，其輸出與仿真波形基本一致，無失真。

圖10　電壓凹陷波形

如圖11所示，為電能質量干擾發生器工作在輸出含諧波且發生電壓凸升時的電壓波形。設置電能質量干擾發生器輸出含3、5、7諧波，諧波畸變率分別為25%、20%、15%，并在0.3 s時發生電壓凸升。

圖11　輸出含諧波且發生電壓凸升波形

根據測試結果可知：電能質量干擾發生器輸出諧波含量與設定含量基本一致。電壓凸升發生時間與設定時間一致，輸出波形與仿真波形基本一致。

為了檢測本次設計的電能質量干擾發生器的的控制和調節精度，對電能質量干擾發生器輸出電壓進行了測量分析。通過對測量數據的分析得到，本次設計的電能質量干擾發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　結論

本文分析了電能質量干擾發生器的工作原理，采用復合控制策略，設計了一臺3 kW電能質量干擾發生器的實驗樣機。仿真和實驗結果表明該裝置能夠模擬電網中發生電壓凹陷和凸升、電壓波動、供電中斷以及諧波等干擾電能質量現象，并且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。

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王素娥（1973-），女，漢族，河北省安平縣人，陜西科技大學電信學院自動化系副主任，碩士，副教授，碩士生導師，研究方向為電力電子與電力傳動，自動化控制，296579923@qq.com；

胡益成（1992-），男，漢族，陜西安康人，陜西科技大學控制理論與控制工程專業在讀碩士研究生，研究方向為電力電子與電力傳動，自動化控制，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

項目來源：陜西省教育廳專項項目（2013JK1065）；陜西省工業科技攻關項目（2015GY038）；陜西省協同創新計劃項目（2016XT-15）

2015-10-29修改日期：2015-11-19

EEACC:836010.3969/j.issn.1005-9490.2016.05.045