论文部分内容阅读
摘要：由于电网存在过、欠压、谐波等各种质量问题，导致用电设备不能正常、安全运行。为了保证用户端的电压质量，在电网和敏感负荷之间加装串联有源电压质量调节器，通过向电网注入补偿电压来保证用户端的电压质量。本文提出了一种基于DSP+FPGA双CPU控制的两电平半桥串联有源电压质量调节系统结构，开关器件数量少，设备成本低。利用FPGA的控制环路实时性高，其性能可与模拟系统相媲美的特性，在FPGA中采用重复控制、有源阻尼等控制方法，完成整个系统的控制算法，实现电压补偿、无功补偿和谐波电压补偿等功能。所研制的10kVA的设备最终验证了该系统结构的优越性。
关键词：单相两电平半桥结构，无耦合变压器，电压质量，DSP，FPGA，重复控制
1 引言
目前，电网电压中存在的过、欠压，电压暂降及谐波[1-3]等电压质量问题备受关注，而电压质量问题会影响一些重要的负载或对电能质量敏感的设备工作性能及寿命。针对这一问题，可以在电网和敏感负荷之间加装串联有源电压质量调节器[4-6]，向电网注入补偿电压来保证用户端的电压质量。由于串联装置只需要补偿系统电压的畸变和与额定值相差部分，而大部分能量还是直接由电网提供给负载，所以通常它们具有更高的效率。
大多数串联交流电压质量治理装置采用变压器与电网进行耦合或隔离[4]，将系统所需的补偿电压通过变压器耦合到电网或与电网进行必要的电气隔离。这种方式中由于变压器的非线性的特点会导致磁饱和现象的出现，增加装置的损耗并且存在体积大，成本高等问题。
针对上面串联交流电压质量装置所存在的问题，本文采用无耦合变压器的两电平半桥拓扑，较其他两电平结构具有开关器件少，桥臂之间不存在耦合的特点，能实现各种电网电压质量问题的治理，并且这种无耦合变压器治理装置体积小、成本低，模块化设计可实现10台并机。对于其控制策略，本文提出DSP+FPGA的系统控制方案，FPGA主要负责数据实时采集与计算处理、系统状态反馈、故障保护处理、控制算法的实现、脉冲信号产生等，DSP主要负责通信及谐波电压分析检测;这种方案将DSP的高速运算及高效通讯能力和FPGA的高效的并行处理能力相结合，使得系统运算速度快，结构灵活，适用性强。
研制10KVA设备进行实验验证，实验结果验证了本文所用的拓扑以及控制策略的正确性及可行性。
2 单相串联交流电压质量补偿结构及其原理
2.1两电平半桥无耦合变压器拓扑结构
针对有耦合变压器串联补偿结构所存在的问题，本文采用两电平半桥拓扑如图1所示，系统分为并联及串联两大部分，并联部分即整流部分，串联部分即逆变输出部分。整体系统由整流单元、直流侧储能单元、逆变单元、输出LC滤波单元组成，这种结构的优点是：主电路开关管数量较少，也省去了相应的驱动电路;半桥结构只需要4个开关管，相比三桥臂结构（6个开关管）具有更低的成本及更小的体积;且三桥臂结构桥臂之间存在耦合，为了实现解耦，需要控制公共桥臂电压，并以公共桥臂电压为基础进一步控制串联部分和并联部分的逆变电压输出。而半桥结构的串联部分和并联部分不存在耦合，便于控制器设计。该拓扑是在电网与负载之间串入一个补偿电压，来抵消电网电压的波动，属于部分补偿相较于并联模式的全补偿结构，损耗小、效率高。
2.2串联交流电压质量补偿原理
电网电压正常时，设备处于待机备用状态，电网电压低于或高于负载所需电压时，设备启动，开始整流稳压，稳压完成之后旁路开关K断开，逆变输出相应的补偿电压叠加到电网电压，抵消电网电压的扰动，提高用户端的供电电能质量，使负载得到期望的供电电压[7]。
将电网供电电源等效为一个基波电压源Us与谐波电压源Uh之和，负载等效为一个阻抗ZL，负载电压UL，AVQR等效为一个受控电压源Uc，得到串联有源电压质补偿结构的等效电路如图2所示
补偿目标是将负载电压补偿至于标准的正弦电压一致，若电网中还有电压质量问题，如电压谐波、幅值高于或者低事实上于参考电压时，该电压补偿装置会立即进行补偿，输出补偿电压，使负载电压等于参考电压，该原理如式（2-1）所示：
2.3同相补偿策略
本文中的电压补偿装置采用同相补偿模式，其原理图如图3所示。同相补偿是指装置的补偿电压与跌落时的电网电压同相，实现同相补偿的方法是：锁相环与电网电压同步，参考电压的相角是锁相环所锁住的电网的相角，幅值是跌落前的负载的电压。
3 单相串联有源电压质量补偿控制方案
3.1整体系统控制方案
本文采用基于DSP和FPGA的双CPU结构的控制方式，整体系统控制框图如图5所示：
图4为整体系统控制框图，其中DSP负责与上位机通信，且进行谐波电压分析检测，将检测的谐波电压指令、设置参数及启动、停机等控制命令通过数据交互缓冲区发送到FPGA，并将FPGA的状态等信息上传到触摸屏进行实时监测;FPGA通过DSP得到的設置参数和基准正弦信号得到正弦电压指令，以正弦数组的形式存放其内部，FPGA提供采样频率给ADC芯片，ADC接收到FPGA提供的采样频率对采样的电压、电流信号进行转换，转换之后的信号送入相应的控制模块进行控制计算，得到的调制信号送入波形发生模块与FPGA内部产生的三角波比较得到功率开关器件的驱动信号。其中，并联、串联侧均采用电压、电流双闭环控制，串联侧电压环采用重复控制来实现输出电压的无差跟踪，提高系统的抗扰动性能。
3.2并联及串联侧控制策略
并联侧整流器控制方式如图5所示，采用母线电压外环、电感电流内环控双闭环控制方式，这样的双闭环控制方式可使跟踪交流信号无静差，达到最好的控制效果。
并联侧采用LCL滤波，这种滤波器会为并网逆变器引入一对谐振极点，其阻尼比为零且振荡频率较高，影响系统的稳定性。因此，为了抑制LCL滤波器所带来的谐振峰，入网侧增加有源阻尼算法来抑制LCL滤波器的谐振峰，增加系统的稳定性。有源阻尼[10]控制只是通过算法增加系统阻尼，相较于增加阻尼电阻的方式，没有附加的阻尼电阻，因此没有增加系统的损耗，提高了系统效率，且有源阻尼实现方法中电容电流反馈有源阻尼实现简便，应用广泛。并联侧控制中加入电网电压前馈[6]使并联侧电流不受电网电压畸变的影响，从而保证直流母线电压的稳定，串联侧正常逆变输出。 串联侧逆变器控制方式[9]如图6所示，采用输出电压外环电感电流内环的双闭环控制系统，针对可能存在周期性扰动的负载，电压外环采用重复控制，可以有效抑制电压畸变并且能够快速跟踪给定电压，电流环采用P控制器，此外，为了抵抗非线性负载的影响，还引入了负载电流前馈io。Kc交流输出电流调节器的输出信号通过惯性环节延时后在拓扑上输出，与电容电压作差形成电感电压，电感两端电压通过等效电抗形成流过电感的电流，电感电流与负载电流之和为电容电流，与电容的容抗形成电容两端的输出电压。
3.3FPGA重复控制器原理及实现
重复控制[8]是基于内膜原理的一种控制算法，能够以较简单的结构实现多次谐波的抑制，易于数字控制实现。重复控制器主要包含重复信号发生器、周期延时单元Z-N、针对控制对象设计的补偿器C（z），其控制框图如图7所示：
重复控制实现的关键部分是其中的重复信号发生器，即反馈环节通过包含上一周期的信号来实现内膜功能，周期延时单元Z-N作为实现超前补偿的重要环节，使得本周期的误差在下个周期产生影响，即延迟了一个周期从而获得了超前性。针对控制对象设计的补偿器C（z）为控制对象Gp（z）提供幅值和相位补偿，图6为重复控制在FPGA中实现的状态机。
重复控制的实现主要是利用FPGA的RAM将误差数据存储起来，实现重复控制内膜，再通过相位补偿、幅值调整及二阶低通滤波器来得到输出，从而实现重复控制。
4 实验结果及分析
研制10kVA设备进行实验验证，设备样机如图9所示，其主要参数如表1：
图10为电网电压跌至130V补偿到220V的实验波形，图11为低压补偿满载、空载切换实验波形，图12为电网电压突变实验波形。图中CH1为电网电压，CH2为负载电流，CH3为负载电压，设备串在电网与负载之间，当电网电压过低时，设备输出与电网电压同频同相的补偿电压叠加到电网电压上，将负载侧电压补偿到220V，在满载、空载切换及电网电压突变的情况下，负载电压能够快速响应;
图13为电网电压升至280V补偿到220V的实验结果，图中CH1为电网电压，CH2为负载电流，CH3为负载电压，设备串在电网与负载之间，当电网电压过高时，设备输出与电网电压相位相反的补偿电压叠加到电网电压上，将负载侧电压补偿到220V;
图14为含有谐波的电网电压进行补偿的实验结果，图中CH4为电网电压，CH1为补偿后的负载电压，补偿前的电网电压THD为10%，补偿后的负载电压THD为1.85%;
5 结论
对于低压系统中电网存在的过、欠压、谐波等电压质量问题，本文采用单相无耦合变压器两电平半桥电压补偿装置，提出了DSP+FPGA双CPU的控制方式，对电路原理及控制方法进行分析、仿真及实验验证。在10kVA的设备上，分别验证了电网在低压、高压及存在谐波的情况下，串联电压补偿装置都能很好的改善电网电压质量，保证负载端用电设备的正常运行。在电网电压发生突变时，设备能够快速响应并跟踪，且可以将15%的谐波电压补偿至3%以内，实验结果验证了该方案在治理电网电压质量问题方面的可行性及有效性。
参考文献
[1] 王兆安，杨君，刘进军，王跃. 谐波抑制和无功功率补偿[M]. 北京： 机械工业出版社， 2005.
[2]Cho Young-Hoon，SulSeung-Ki.Controller design for dynamic voltage restorer with harmonics compensation function[C].IEEE Industry Applications Conference，39th IAS Annual Meeting，Seattle，USA，2004.
[3] YH Cho， SK Sul. Controller Design for Dynamic Voltage Restorer with Harmonics compensationFunction.Industry Applications Conference， 2004.39th IAS Annual Meeting. Conference Record of the2004 IEEE vol.3， pp. 1452 - 1457
[4] 肖国春，南长合，胡志亮，等. 一种串联有源电压质量调节器的移相控制技术[J]. 中国电机工程学报，2008，28（4）：114-122.
[5] Lee Sang-Joon，Kim Hyosung，Su Seung-Ki.A novel control method for the compensation voltages in dynamicvoltage restorers[C]. Nineteenth Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition，Anahem，USA，2004.
[6] 肖國春，胡志亮，张磊，王兆安，等. 一种可调直流侧电压的串联有源交流电压质量调节器[J].电工技术学报，2010，25（10）：176-182.
[7] 胡志亮，肖春，刘莉等.无变压器串联电压质量调节器的复合控制[J].电源技术学报，2007，5（4）：317-321.
[8] 胡高平，李建益.逆变器重复控制器设计与仿真[J].现代电子技术，2013，36（22）：164-167.
[9] 刘计龙，马伟明，肖飞，陈明亮，杨旭.一种LCL滤波器有源阻尼策略与设计方法[J].电机与控制学报，2013，17（5）：22-27.
[10] 吴云亚，谢少军，阚加荣，过亮.逆变器侧电流反馈的LCL并网逆变器电网电压前馈控制策略[J].中国电机工程学报，2013，33（6）：54-60.
关键词：单相两电平半桥结构，无耦合变压器，电压质量，DSP，FPGA，重复控制
1 引言
目前，电网电压中存在的过、欠压，电压暂降及谐波[1-3]等电压质量问题备受关注，而电压质量问题会影响一些重要的负载或对电能质量敏感的设备工作性能及寿命。针对这一问题，可以在电网和敏感负荷之间加装串联有源电压质量调节器[4-6]，向电网注入补偿电压来保证用户端的电压质量。由于串联装置只需要补偿系统电压的畸变和与额定值相差部分，而大部分能量还是直接由电网提供给负载，所以通常它们具有更高的效率。
大多数串联交流电压质量治理装置采用变压器与电网进行耦合或隔离[4]，将系统所需的补偿电压通过变压器耦合到电网或与电网进行必要的电气隔离。这种方式中由于变压器的非线性的特点会导致磁饱和现象的出现，增加装置的损耗并且存在体积大，成本高等问题。
针对上面串联交流电压质量装置所存在的问题，本文采用无耦合变压器的两电平半桥拓扑，较其他两电平结构具有开关器件少，桥臂之间不存在耦合的特点，能实现各种电网电压质量问题的治理，并且这种无耦合变压器治理装置体积小、成本低，模块化设计可实现10台并机。对于其控制策略，本文提出DSP+FPGA的系统控制方案，FPGA主要负责数据实时采集与计算处理、系统状态反馈、故障保护处理、控制算法的实现、脉冲信号产生等，DSP主要负责通信及谐波电压分析检测;这种方案将DSP的高速运算及高效通讯能力和FPGA的高效的并行处理能力相结合，使得系统运算速度快，结构灵活，适用性强。
研制10KVA设备进行实验验证，实验结果验证了本文所用的拓扑以及控制策略的正确性及可行性。
2 单相串联交流电压质量补偿结构及其原理
2.1两电平半桥无耦合变压器拓扑结构
针对有耦合变压器串联补偿结构所存在的问题，本文采用两电平半桥拓扑如图1所示，系统分为并联及串联两大部分，并联部分即整流部分，串联部分即逆变输出部分。整体系统由整流单元、直流侧储能单元、逆变单元、输出LC滤波单元组成，这种结构的优点是：主电路开关管数量较少，也省去了相应的驱动电路;半桥结构只需要4个开关管，相比三桥臂结构（6个开关管）具有更低的成本及更小的体积;且三桥臂结构桥臂之间存在耦合，为了实现解耦，需要控制公共桥臂电压，并以公共桥臂电压为基础进一步控制串联部分和并联部分的逆变电压输出。而半桥结构的串联部分和并联部分不存在耦合，便于控制器设计。该拓扑是在电网与负载之间串入一个补偿电压，来抵消电网电压的波动，属于部分补偿相较于并联模式的全补偿结构，损耗小、效率高。
2.2串联交流电压质量补偿原理
电网电压正常时，设备处于待机备用状态，电网电压低于或高于负载所需电压时，设备启动，开始整流稳压，稳压完成之后旁路开关K断开，逆变输出相应的补偿电压叠加到电网电压，抵消电网电压的扰动，提高用户端的供电电能质量，使负载得到期望的供电电压[7]。
将电网供电电源等效为一个基波电压源Us与谐波电压源Uh之和，负载等效为一个阻抗ZL，负载电压UL，AVQR等效为一个受控电压源Uc，得到串联有源电压质补偿结构的等效电路如图2所示
补偿目标是将负载电压补偿至于标准的正弦电压一致，若电网中还有电压质量问题，如电压谐波、幅值高于或者低事实上于参考电压时，该电压补偿装置会立即进行补偿，输出补偿电压，使负载电压等于参考电压，该原理如式（2-1）所示：
2.3同相补偿策略
本文中的电压补偿装置采用同相补偿模式，其原理图如图3所示。同相补偿是指装置的补偿电压与跌落时的电网电压同相，实现同相补偿的方法是：锁相环与电网电压同步，参考电压的相角是锁相环所锁住的电网的相角，幅值是跌落前的负载的电压。
3 单相串联有源电压质量补偿控制方案
3.1整体系统控制方案
本文采用基于DSP和FPGA的双CPU结构的控制方式，整体系统控制框图如图5所示：
图4为整体系统控制框图，其中DSP负责与上位机通信，且进行谐波电压分析检测，将检测的谐波电压指令、设置参数及启动、停机等控制命令通过数据交互缓冲区发送到FPGA，并将FPGA的状态等信息上传到触摸屏进行实时监测;FPGA通过DSP得到的設置参数和基准正弦信号得到正弦电压指令，以正弦数组的形式存放其内部，FPGA提供采样频率给ADC芯片，ADC接收到FPGA提供的采样频率对采样的电压、电流信号进行转换，转换之后的信号送入相应的控制模块进行控制计算，得到的调制信号送入波形发生模块与FPGA内部产生的三角波比较得到功率开关器件的驱动信号。其中，并联、串联侧均采用电压、电流双闭环控制，串联侧电压环采用重复控制来实现输出电压的无差跟踪，提高系统的抗扰动性能。
3.2并联及串联侧控制策略
并联侧整流器控制方式如图5所示，采用母线电压外环、电感电流内环控双闭环控制方式，这样的双闭环控制方式可使跟踪交流信号无静差，达到最好的控制效果。
并联侧采用LCL滤波，这种滤波器会为并网逆变器引入一对谐振极点，其阻尼比为零且振荡频率较高，影响系统的稳定性。因此，为了抑制LCL滤波器所带来的谐振峰，入网侧增加有源阻尼算法来抑制LCL滤波器的谐振峰，增加系统的稳定性。有源阻尼[10]控制只是通过算法增加系统阻尼，相较于增加阻尼电阻的方式，没有附加的阻尼电阻，因此没有增加系统的损耗，提高了系统效率，且有源阻尼实现方法中电容电流反馈有源阻尼实现简便，应用广泛。并联侧控制中加入电网电压前馈[6]使并联侧电流不受电网电压畸变的影响，从而保证直流母线电压的稳定，串联侧正常逆变输出。 串联侧逆变器控制方式[9]如图6所示，采用输出电压外环电感电流内环的双闭环控制系统，针对可能存在周期性扰动的负载，电压外环采用重复控制，可以有效抑制电压畸变并且能够快速跟踪给定电压，电流环采用P控制器，此外，为了抵抗非线性负载的影响，还引入了负载电流前馈io。Kc交流输出电流调节器的输出信号通过惯性环节延时后在拓扑上输出，与电容电压作差形成电感电压，电感两端电压通过等效电抗形成流过电感的电流，电感电流与负载电流之和为电容电流，与电容的容抗形成电容两端的输出电压。
3.3FPGA重复控制器原理及实现
重复控制[8]是基于内膜原理的一种控制算法，能够以较简单的结构实现多次谐波的抑制，易于数字控制实现。重复控制器主要包含重复信号发生器、周期延时单元Z-N、针对控制对象设计的补偿器C（z），其控制框图如图7所示：
重复控制实现的关键部分是其中的重复信号发生器，即反馈环节通过包含上一周期的信号来实现内膜功能，周期延时单元Z-N作为实现超前补偿的重要环节，使得本周期的误差在下个周期产生影响，即延迟了一个周期从而获得了超前性。针对控制对象设计的补偿器C（z）为控制对象Gp（z）提供幅值和相位补偿，图6为重复控制在FPGA中实现的状态机。
重复控制的实现主要是利用FPGA的RAM将误差数据存储起来，实现重复控制内膜，再通过相位补偿、幅值调整及二阶低通滤波器来得到输出，从而实现重复控制。
4 实验结果及分析
研制10kVA设备进行实验验证，设备样机如图9所示，其主要参数如表1：
图10为电网电压跌至130V补偿到220V的实验波形，图11为低压补偿满载、空载切换实验波形，图12为电网电压突变实验波形。图中CH1为电网电压，CH2为负载电流，CH3为负载电压，设备串在电网与负载之间，当电网电压过低时，设备输出与电网电压同频同相的补偿电压叠加到电网电压上，将负载侧电压补偿到220V，在满载、空载切换及电网电压突变的情况下，负载电压能够快速响应;
图13为电网电压升至280V补偿到220V的实验结果，图中CH1为电网电压，CH2为负载电流，CH3为负载电压，设备串在电网与负载之间，当电网电压过高时，设备输出与电网电压相位相反的补偿电压叠加到电网电压上，将负载侧电压补偿到220V;
图14为含有谐波的电网电压进行补偿的实验结果，图中CH4为电网电压，CH1为补偿后的负载电压，补偿前的电网电压THD为10%，补偿后的负载电压THD为1.85%;
5 结论
对于低压系统中电网存在的过、欠压、谐波等电压质量问题，本文采用单相无耦合变压器两电平半桥电压补偿装置，提出了DSP+FPGA双CPU的控制方式，对电路原理及控制方法进行分析、仿真及实验验证。在10kVA的设备上，分别验证了电网在低压、高压及存在谐波的情况下，串联电压补偿装置都能很好的改善电网电压质量，保证负载端用电设备的正常运行。在电网电压发生突变时，设备能够快速响应并跟踪，且可以将15%的谐波电压补偿至3%以内，实验结果验证了该方案在治理电网电压质量问题方面的可行性及有效性。
参考文献
[1] 王兆安，杨君，刘进军，王跃. 谐波抑制和无功功率补偿[M]. 北京： 机械工业出版社， 2005.
[2]Cho Young-Hoon，SulSeung-Ki.Controller design for dynamic voltage restorer with harmonics compensation function[C].IEEE Industry Applications Conference，39th IAS Annual Meeting，Seattle，USA，2004.
[3] YH Cho， SK Sul. Controller Design for Dynamic Voltage Restorer with Harmonics compensationFunction.Industry Applications Conference， 2004.39th IAS Annual Meeting. Conference Record of the2004 IEEE vol.3， pp. 1452 - 1457
[4] 肖国春，南长合，胡志亮，等. 一种串联有源电压质量调节器的移相控制技术[J]. 中国电机工程学报，2008，28（4）：114-122.
[5] Lee Sang-Joon，Kim Hyosung，Su Seung-Ki.A novel control method for the compensation voltages in dynamicvoltage restorers[C]. Nineteenth Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition，Anahem，USA，2004.
[6] 肖國春，胡志亮，张磊，王兆安，等. 一种可调直流侧电压的串联有源交流电压质量调节器[J].电工技术学报，2010，25（10）：176-182.
[7] 胡志亮，肖春，刘莉等.无变压器串联电压质量调节器的复合控制[J].电源技术学报，2007，5（4）：317-321.
[8] 胡高平，李建益.逆变器重复控制器设计与仿真[J].现代电子技术，2013，36（22）：164-167.
[9] 刘计龙，马伟明，肖飞，陈明亮，杨旭.一种LCL滤波器有源阻尼策略与设计方法[J].电机与控制学报，2013，17（5）：22-27.
[10] 吴云亚，谢少军，阚加荣，过亮.逆变器侧电流反馈的LCL并网逆变器电网电压前馈控制策略[J].中国电机工程学报，2013，33（6）：54-60.