CN101064479A

CN101064479A - 基于叠加原理的大功率测试用可编程谐波电压源

Info

Publication number: CN101064479A
Application number: CN 200710017221
Authority: CN
Inventors: 卓放; 吴隆辉; 董文娟; 张鹏博; 占奇志; 王兆安
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2007-01-11
Filing date: 2007-01-11
Publication date: 2007-10-31

Abstract

本发明公开了一种基于叠加原理的大功率测试用可编程谐波电压源，该谐波电压源包括三相整流桥、逆变器、串联型变压器、三相阻容回路和电流跟踪控制电路，三相整流桥通过进线电感及三相开关与电网连接；逆变器的结构形式为三个单相H桥，每个单相H桥由4个开关管IGBT组成，本发明的基于叠加原理的大功率测试用可编程谐波电压源，采用基波成分和谐波成分分开处理的原理，由电网来提供基波电压，由谐波电压源来提供谐波电压，两者结合使被测试设备得到所要实验的电压波形，谐波通过控制逆变器的输出来产生，这种控制方式可以减小逆变器中电流的大小，提高系统容量，在大多数情况下，可以替代可编程电源。

Description

基于叠加原理的大功率测试用可编程谐波电压源

技术领域

本发明属于电能质量研究中的测试用实验设备，特别涉及一种基于叠加原理的大功率测试用可编程谐波电压源。

背景技术

经申请人进行的资料检索，截止目前为止，现有技术中还没有提出对电压质量问题研究中所使用的大功率可编程谐波电压源。目前主要存在基准电压源和直流标准电压源两类，基准电压源主要向着高精度、低功耗带隙基准电压源发展，该类电压源为整体电路提供基准电压，其值在几毫伏、几伏和几十伏这几个等级。直流标准电压源主要为电路提供实验用直流电源。但是对于大容量电能质量控制设备在实验中所需要的大功率谐波电压目前还没有产品。

近年来，电能质量问题越来越受到人们的重视，电力科研工作者们已经开始将电能质量问题进行分类整理和研究，国外已经有较成熟的成果，对电压质量问题的研究也是国内电力电子领域的研究热点之一。国内许多高等院校及科研单位分别投入了大批的电力科技工作者对电压质量问题进行开拓性和研究型工作，为了对电压质量问题进行研究和治理，必然会涉及到检验电压质量理论分析的正确性、检测电压质量补偿装置的性能、检验电能质量控制设备的有效性等问题，因此研制电压质量模拟装置是十分必要的，同时，为了对一些电压质量敏感的装置进行评估，也需要用到电压质量模拟装置。

随着研究的深入，国内的电压质量补偿装置的功率也越来越大，为了对这些装置进行测试和实验研究，其测试平台的功率也必须提高。因此对大功率电压质量模拟装置的研制也有着非常重要的现实意义。

在对电压质量治理装置进行实验研究和测试时，人们通常用可编程电源来模拟电网中的电压质量问题，随着治理装置容量的不断增加，可编程电源已经很难满足这些装置的实验测试需求。

以下是申请人检索的相关文献：

【1】一种基于新的偏置电路的低电压带隙基准电压源设计；张朵云，罗岚，唐守龙，吴建辉；电子器件，2006年3月，第29卷，第1期。

【2】一种低电压低功耗带隙基准电压源的设计；刘红霞；现代电子技术，2005年，第28卷，第24期，第10-11页。

【3】高精度低功耗带隙电压源设计；徐勇，关宇，赵斐，肖红军，阎小静；解放军理工大学学报(自然科学版)，2006年8月，第7卷，第4期。

【4】10V直流电压标准研究；胡毅飞，唐庚如，王路，赵桂芬；计量学报，2000年7月，第21卷，第3期。

发明内容

针对上述现有技术存在地缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种新型的基于叠加原理的大功率测试用可编程谐波电压源。该可编程谐波电压源能够模拟多种电压质量问题，并具备过流、过压、过热及故障保护功能，能够满足大功率电压质量补偿装置如：串联型电能质量控制器(SPQC)、通用电能质量控制器(UPQC)、动态电压恢复器(DVR)等的测试需求。

为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：

一种基于叠加原理的大功率测试用可编程谐波电压源，其特征在于，该谐波电压源包括：

三相整流桥，该三相整流桥通过三个进线电感与电网三相连接；

逆变器，用于提供谐波电压，逆变器直流侧与整流桥直流侧相连，在整流桥和电容之间串入电阻，以减小投入时刻的充电电流，电阻上并有开关，当充电结束后闭合开关；

逆变器的交流侧经过无源滤波器滤波之后经串联型变压器将谐波电压藕合到负载侧，通过与基波电压的叠加，使负载的波形达到预定值，逆变器的结构形式为三个单相H桥，每个单相H桥由4个开关管组成，每个单相H桥的直流侧并联有两个电容作为开关管的吸收电容，在三个单相H桥的直流侧并联有两个相互串连的电解电容，作为H桥的储能电容；

串联型变压器，用于提供基波电压，该串联型电压波形变压器的原边串连在电网上，并分别与旁路开关并联，当旁路开关闭合时，该串联型变压器不工作，当旁路开关打开时，串联型变压器工作，串联变压器的副边与逆变器的输出端相连接；

三相阻容回路，用于滤除电网中的高频分量，该三相阻容回路一端连接在串联型电压波形变压器之后的三相电网，另一端与地线连接；

一个电流跟踪控制电路，用于完成数据的采集、指令谐波电压的计算、电压跌落程序的控制、PWM脉宽调制，并兼顾故障保护和信号的传输，该电流跟踪控制电路一端连接在三相电网侧和进线电感上，另一端分别连接在储能电容两端和待测设备的输入端。

本发明的基于叠加原理的大功率测试用可编程谐波电压源，采用基波成分和谐波成分分开处理的原理，由电网来提供基波电压，由谐波电压源来提供谐波电压，两者结合使被测试设备得到所要实验的电压波形，谐波通过控制逆变器的输出来产生。这种控制方式可以减小逆变器中电流的大小，提高系统容量，在大多数情况下，可以替代可编程电源。

本发明的基于叠加原理的大功率测试用可编程谐波电压源，可以为电能质量相关设备提供测试电压平台，试验过程中不仅对其各实现功能进行了仿真模拟，而且搭建了额定功率为100kVA的三相实验平台，通过该实验平台对系统的各项功能进行了测试和验证。从仿真及实验结果中可以看到，本发明能够很好的模拟多种电压质量问题，能够为研制电能质量相关设备提供测试用电压平台。

附图说明

图1是本发明的基于叠加原理的大功率测试用可编程谐波电压源的电路结构图；

图2是电流跟踪控制电路原理框图；

图3是程序流程图；其中(a)为主程序流程图，(b)为谐波指令信号生成子程序流程图。

图4是叠加3次谐波电压的负载仿真波形及FFT分析图；其中(a)为叠加3次谐波后的电压波形，(b)为叠加3次谐波后对电压波形进行的FFT分析图。

图5是模拟方波的仿真波形及FFT分析图；其中(a)为模拟方波的电压波形图，(b)为对模拟出的方波进行的FFT分析图。(c)为DFT程序流程图。

图6是模拟电压跌落的仿真波形图；

图7是加3次谐波电压的负载实验波形及电源电压波形图；

图8是模拟方波输出时负载和电源电压的实验波形图；

图9是模拟电压突升、突降时负载电压和电源电压的实验波形图。

以下结合附图和发明人给出的实施例对本发明作进一步的详细说明。

具体实施方式

参见图1，本发明的基于叠加原理的大功率测试用可编程谐波电压源连接在电网与待测设备之间，包括：

三相整流桥，该三相整流桥通过进线电感L1、L2、L3，及三相开关BF分别和电网连接；

逆变器，逆变器的结构形式为三个单相H桥，每个单相H桥由4个开关管IGBT组成，每组H桥之间并联有两个吸收电容(图中的C1、C2，C3、C4，C5、C6)在三个单相H桥的直流侧并联有相互串连的两个电解电容(图中的CD1、CD2)；逆变器的输出端连接无源滤波器(CF1、LF1、RF1，CF2、LF2、RF2，CF3、LF3、RF3)用来滤除开关次谐波；

串联型变压器，该串联型电压波形变压器的原边串连在电网上，并分别与旁路开关KM并联，当旁路开关KM闭合时，该串联型变压器不工作，当旁路开关打开时，串联型变压器工作，串联变压器的副边与逆变器的输出端相连接；

三相阻容回路，该三相阻容回路一端连接在串联型电压波形变压器之后的三相电网，另一端与地线连接，用来滤除电网中的高频分量。

电流跟踪控制电路包括DSP控制板、模拟跟踪板和继电保护板以及三个驱动板(A、B、C)，DSP控制板分别与模拟跟踪板和继电保护板连接，并与上位机通讯，模拟跟踪板和继电保护板连接，模拟跟踪板分别连接三个驱动板，其中的一个驱动板C与继电保护板连接。

三相整流桥前的进线电感L1、L2、L3可以减小装置对电网的冲击，考虑到单相负载和三相电压不平衡的情况，逆变器采用了三个单相H桥来实现。

谐波电压源的控制系统要完成数据的采集、指令谐波电压的计算、电压跌落程序的控制、PWM脉宽调制，又要兼顾故障保护和信号的传输等问题。本发明采用了基于DSP控制器为核心的数模混合控制系统结构，其中指令运算是通过数字电路实现的，而PWM生成、电压瞬时反馈则采用模拟电路实现，数模混合的控制结构便于实现模块化扩展，以提高装置容量，该电流跟踪控制电路主要功能有：

1)通过接收计算机输入的谐波指令，生成指令信号。完成电压电流信号的调理，并进行采样，完成相应的数值运算并对控制信号进行调节，最终生成变流器的调制信号；

2)通过模拟反馈信号进一步对调制信号进行调节，然后通过与模拟三角波比较，生产相应的PWM脉宽调制信号，由光纤将PWM信号送至专用的驱动模块，驱动变流器中的开关器件动作，实现对主电路的控制；

3)实时监测整个系统的运行状态，当主回路中的电压电流出现异常情况或者开关管IGBT故障时，立即封锁PWM脉冲输出，完成对系统的保护。

参见图2，主电路电压电流信号(u_s、u_L、i_c、u_dc)通过适当的调理以后，送至DSP控制板中进行运算，生成相应的控制系数及相位偏移量(u_ca、u_cb、u_cc、启/停)等，参与对调制信号的控制，最后由DSP控制专用的D/A芯片输出初步的调制信号。调制信号送入到模拟跟踪板以后，经反馈信号的调节后，与ICL8038芯片生成的三角波进行比较，产生PWM波，该波形不能直接用于对IGBT器件的驱动，由于本发明的工作于常压大功率状态，为了减小主电路电流电压对控制信号的干扰，光电转换模块将PWM信号进行光电转换，由光纤送到驱动板，经驱动板放大后完成对IGBT的控制。

当出现过流过压故障时，模拟跟踪板会检测到故障信号，并将故障信号送至继电保护板，控制接触器和继电器动作，对系统进行保护，此故障信号还会送往DSP控制板，封锁DSP信号的输出。当IGBT出现故障时，故障信号会直接送至继电保护板，从而控制系统的故障保护。

控制系统采用了双DSP控制板，其中一片采用TMS320C32(32位浮点型)，用于浮点计算和数据处理(浮点计算可以提高精度和动态范围)；另一片采用TMS320F240，用于输出采集和大量的逻辑操作控制，两片通过16K×16bit的双口RAM(IDT7026)进行数据交换，它具有两组数据总线和地址总线，可以同时访问不同的存储器单元，使得两块DSP可以方便快速地进行数据交换，大大提高了两块DSP芯片间的并行处理能力。TMS320C32 DSP芯片具有串行通讯功能，为了实现与上位机的串行通讯，本发明通过UART专用集成电路PC16552和RS485接口芯片MAX1480和MAX1468来实现，再通过RS485转RS232的转换器来实现与上位机的连接。PC16C552内含两个PC16C550单元，PC16C550是一种普遍使用的UART，与8250向下兼容，但比8250多了16字节的FIFO，因此减轻了C32的负担。控制系统中还选用了一片ALTERA公司的可编程逻辑器件EPM7128STC100，CPLD有较强的逻辑处理能力和丰富的I/O接口。同时CPLD还用来协调两片DSP以及A/D转换器、D/A转换器之间的逻辑。系统中的数据采集通过AD公司的A/D转换器-AD7892-1来实现，最后的指令输出通过MAXIM公司的D/A转换器-MAX547实现。

本装置的PWM信号采用了三角波异步调制的方法，三角波由ICL8038芯片产生，其输出频率和波形可以通过外围电路来调节。模拟跟踪板不仅要实现PWM信号的生成，还需要由电压瞬时反馈的接口电路，为了实现对负载电压和滤波电容电流的反馈信号的输入，在调制信号与三角波比较之前，留有信号叠加输入端口，反馈信号的大小可以通过与信号串联的电阻来调节。

本装置采用了混合集成驱动模块M57962AL，该模块的驱动信号延迟最大仅1.3μs；最高工作频率可达40kHz；内装用于主电路和驱动电路之间隔离的光耦，可承受1分钟2500V的交流电压(有效值)；内置保护电路，能在短路和过流情况下做出迅速的反应。

保护电路主要有以下几个部分：

1)直流母线过压保护，当直流母线电压大于给定参考电压时，保护电路应该动作，给出过压信号并保持。只有在直流母线电压降为设定电压以下并且有复位信号时才能复位；

2)过流保护，除了基于M57962AL厚膜驱动电路中的过流保护电路外，在系统中还设有过流集中保护电路，采用霍尔电流传感器检测该相输出电流，当被检电流超出设定的阀值，保护电路动作，封锁驱动电路的驱动信号，保障IGBT的安全；

3)过热保护，当IGBT模块的工作温度过高时，其散热器上的温度继电器立即动作，并将IGBT过热故障信号传递至控制板和继电保护板，控制板立即封锁PWM脉冲使变流器停止工作，继电保护板立即控制继电器动作，最终控制接触器动作，完成系统的故障停机。

本装置的软件设计：主程序采用循环的方式，首先进行初始化，然后判断是否启动谐波电压源，如果为未启动则开通讯中断，此时可进行通讯，接收数据，装置启动后，程序则要判断相应的中断标志，进入相应的中断程序。主程序流程如图3中(a)所示。由于主程序只需在开始的时候启动相应的中断即可，后面在每个中断服务子程序处理完后会自动启动这些中断。计数器1是用来启动A/D转换的，它每次周期匹配后就会发出启动A/D转换的脉冲信号。主程序所要完成的主要功能是在每次直流侧调节标志位为1时运行直流侧调节程序，该标志位在过零中断服务子程中被置1。程序的其他功能也是采用中断的方式来实现的。程序中共有两个中断，即过零中断(对应DSP的INT0中断引脚)和A/D中断(对应DSP的INT1中断引脚)。过零中断主要任务是置直流侧调节标志位，以便使主程序能以工频为周期运行直流侧调节程序；A/D中断的主要任务是读相应的A/D转换结果，并按控制策略和指令进行相应的运算，最后将结果输出到外部D/A，生成初步PWM调制信号。

指令生成子程序主要是要根据DSP接收到的指令信号，按照指令生成所需要的初始调制信号波形。由于接收的谐波指令信号为各次谐波的百分含量和相位信息，而且指令是25次以内各次谐波的组合，为了方便指令的生成，在设计时，预先在程序中加入了标准的正弦表，采用了指令循环查表的方法来实现初始指令的生成，程序流程图如图3(b)所示。系统为了模拟电压跌落、电压突升和电压切痕等电压质量问题，需要改变指令的生成方式，但是其基本原理与谐波指令信号生成子程序类似，主要区别在于在模拟电压跌落和电压突升时，需要加入定时器环节，因为在模拟电压跌落时，谐波指令需要根据设置的跌落时长和跌落幅度进行周期性变化。

在对系统进行数字反馈时，需要用到DFT分析，计算负载电压中的谐波含量，经F240A/D转换输入的采样数据，以有符号整数形式存放在指定的内存单元中，C32首先将整数转换为浮点数，然后根据公式：

X (k) = DFT [x (n)] = Σ_{n = 0}^{509} x (n) {W_{N}}^{kn}

其中W_N＝e^-j2π/N

即可得到直流分量、基波分量和各次谐波分量，其中k为指定傅立叶变换的谐波次数，n为A/D转换输入的采样数据数，DFT程序流程图如图3(c)所示。K取值范围：0≤k≤25，取0值时对应直流分量，取1至25则对应为基波至25次谐波，N为采样点数。

在对系统数据进行采样时，对每个周期采510个点，在对数据进行DFT分析时，也是采用循环寻址的方式来实现。在进行DFT分析前，首先需要将存放结果的510个单元清零，然后根据谐波的次数和计算的点数进行循环判断，根据式5-1计算k次谐波的DFT变换的值。

在对负载电压中的谐波进行DFT变换以后，还需要计算负载电压中的基波DFT变换后的值，通过谐波电压和基波电压的比值来计算负载中的谐波含量，通过和输入的指令进行比较来调节指令的幅值系数，从而完成基于DFT的数值反馈。

图4、5、6给出了谐波电压源应用到系统中的仿真波形，分别为叠加3次谐波电压、产生方波电压和模拟电压跌落的仿真波形，从给出的FFT分析棒图中可以看出该装置能够很好的模拟指定的电压问题。

图7、8、9给出了实际搭建的容量为100kVA的谐波电压源模拟电压质量问题时的波形，实验波形分别为模拟3次谐波电压、模拟方波电压及模拟电压突升的实验波形。从波形中可以看出装置很好的模拟了要求的电压问题。

Claims

1.一种基于叠加原理的大功率测试用可编程谐波电压源，其特征在于，该谐波电压源包括：

2.如权利要求1所述的基于叠加原理的大功率测试用可编程谐波电压源，其特征在于，所述的电流跟踪控制电路包括DSP控制板、模拟跟踪板和继电保护板以及三个驱动板，DSP控制板分别与模拟跟踪板和继电保护板连接，并与上位机通讯，模拟跟踪板和继电保护板连接，模拟跟踪板分别连接三个驱动板，其中的一个驱动板与继电保护板连接。

3.如权利要求1所述的基于叠加原理的大功率测试用可编程谐波电压源，其特征在于，所述的DSP控制板采用双DSP控制板，其中一片采用TMS320C32芯片，用于浮点计算和数据处理；另一片采用TMS320F240芯片，用于输出采集和大量的逻辑操作控制，通过16K×16bit的双口RAM进行数据交换，它具有两组数据总线和地址总线，可同时访问不同的存储器单元。