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摘要：针对风力发电、光伏发电和电能质量治理等电路拓扑结构的相似性，提出了研制一种由DSP2812控制器、一组“背靠背”的变流器、检测电路、调理电路、驱动电路和保护电路等组成的电能变换与控制通用的研发平台的设计思路。
关键词：电能变换；通用研发平台；DSP2812；实时调试软件
作者简介：巫付专（1965-），男，河南安阳人，中原工学院电子信息学院，教授；彭圣（1984-），男，甘肃会宁人，中原工学院电子信息学院，助理实验师。（河南郑州450007）
基金项目：本文系河南省科技攻关项目（项目编号：豫科鉴委字[2011]第912号）的研究成果。
中图分类号：TM933.4 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2012）12-0154-02
目前我国光电、风电和电能质量治理的科研水平相对较低，仍然落后于国际发达国家。在光电、风电和电能质量治理的研发方面仍属于起步阶段，未来几年中国光电、风电和电能质量治理产品市场仍将保持高速的增长，并有广阔的市场发展空间。在这样的背景下，很多企业、高等院校以及科研院所致力于提高光电、风电和电能治理产品及技术的研究，如光伏并网、双馈风力发电、有源滤波（APF）、动态电压恢复器（DVR）、统一潮流控制器（UPFC）、电能质量控制器（UPQC）、电子负载、功率因数校正（APFC）以及带能量回馈变频器等一系列与绿色能源有关的试验研究。
由此可见，保证电能质量和发展绿色、环保能源已成为当前研究的热点问题，但对通用研发平台的研究较少，研究者不仅要花费大量的精力来搭建这样的试验系统，而且还造成试验调试过程中硬件的损坏。这样就无形中延长了研发的周期，提高了研发的成本。
本项目利用绿色能源（风力发电和光伏发电）和电能质量治理等电路的拓扑结构相似性，研制由DSP2812控制器、一组“背靠背”的变流器、检测电路、调理电路、驱动电路和保护电路等组成的电能转换与控制通用研发平台。该研发平台的研制可以极大地提高高等院校、企业、科研院所等研究人员在绿色能源和电能质量治理等方面的研究水平，节省成本，缩短研发周期，从而提高经济和社会效益。
一、系统方案确定
由于光伏发电、风力发电、有源滤波、动态电压恢复器（DVR）、统一潮流控制器（UPFC）、电能质量控制器（UPQC）、电子负载、功率因数校正（APFC）和带能量回馈的变频器等试验系统的主拓扑结构具有相似性，采用“背靠背”的变流器可以实现能量在电网侧和负载侧的双向流动，可以灵活地对控制策略和控制算法进行验证。系统组成如图1所示。
该系统主要由以下几部分组成：主电路、电流电压检测调理电路、驱动电路（包括高速光电隔离和驱动）、电源电路、启动投切和故障保护电路。
二、系统各电路的设计
对于不同的试验项目，采集电路的电阻，调理电路的电容，主电路的电容和电感都可能不同。本试验台将留出接线端子，可以根据实际情况进行配置。
1.主电路的设计
主电路主要由直流储能电容、变流器、输出电感和滤波电容等组成。
直流储能电容的选取：理论上由于无功只能在交流侧三相之间进行交换，不会与直流侧进行交换，引起电容电压波动主要是开关器件的损耗和六次谐波，所以电容可以取值很小，但从仿真结果来看，电容取值小时将影响补偿后的电流波形。所以应根据仿真结果和不同试验项目对电容值进行选取。
输出电感的选取：输出电感值的选取尚没有一个统一的计算方法，可根据参考文献[1-3]提供的计算方法和不同试验项目选取，本系统留有接口可以随时更换。
输出滤波电容的选取：输出滤波电容主要是滤除开关频率附近高次谐波，同时要保证补偿的高次谐波能通过，所以截止频率的选择比较关键，同理，根据试验项目的不同进行选取。
2.电流电压检测调理电路的设计
（1）电流检测调理。该检测调理电路由电流传感器、滤波和偏置电路三部分组成。根据要检测的电流范围，选择电流传感器型号。由于进入DSP的信号范围为0-3V，若电流传感器的副边额定有效电流为150mA，则测量电阻RM选择20欧姆。
（2）电网电压检测。例如电网电压有效值220V，可以选择LEM的LV25-P电压传感器测量电压，转换率为2500:1000，该电压传感器原边额定有效值电流为10mA，选择R1=22kΩ的限流电阻；副边额定有效值电流为25mA，选择RM=120Ω的测量电阻。LV25-P电压传感器的输出信号输入由TL081构成的滤波偏置电路。
（3）直流侧电压检测。若直流侧电压UDC=900V，可以选择LEM的LV100电压传感器测量电压，转换率为10000:2000。该电压传感器原边额定电流有效值为10mA，因此原边选择R1=100kΩ的限流电阻，副边额定有效值电流为50mA，选择RM=60Ω的测量电阻。LV100电压传感器的输出信号输入由TL081构成的跟随器。
（4）电网同步信号检测。A相电压经传感器送入比较器进行过零比较，具有锁相环功能，产生一个上升沿与A相电压过零同步的方波信号，送入DSP的捕获单元。当其检测到正弦波电压过零点时，开始启动定时器，触发AD开始采样。通过实验，可看到在电压信号过零点位置，输出的脉冲并不是期望的规则矩形脉冲波，脉冲中出现了毛刺窄脉冲，因此在比较器LM339的同相端前接入12K电阻，同时在同相端与输出端之间也跨接了一个1M 电阻，构成迟滞电路，达到消除毛刺的目的。
3.光电隔离电路
为了增强信号的稳定性，减少信号间的干扰，在DSP和IGBT驱动电路之间需要有光电隔离电路，此次采用由6N137構成的光电隔离电路。
4.电源设计
根据本系统设计要求，需要±15V、1.5V模拟电源、数字3.3V电源、继电器12V电源和光电隔离5V电源。
5.启动投切及故障保护的设计
系统分自动和手动两种操作模式，对应自动投切和手段投切。系统的投切由两个继电器和一个接触器控制，分别控制DSP电源的投切、驱动电路电源的投切和并网电路的投切，而接触器的吸合也由一个继电器控制。上电顺序为先投切DSP电源，后投切驱动电路，最后投切并网电路。故障保护功能主要由DSP脉冲封锁、驱动自保护、切断并网接触器和断开总电源等完成。
三、系统调试软件的设计
为了方便用户在系统工作的过程中观察系统参数的变化，本项目还设计了系统调试软件，使系统的调试过程一目了然，更加有利于用户对自己的控制策略和控制算法的检验。调试软件具有在线修改参数和查看系统运行数据的功能。软件流程如图2所示。
为了方便用户的使用，本系统在研发的过程中还为用户设计了一些例程，方便用户的学习和试验。用户通过修改，还能使其为自己的项目所用。
由该平台实现的有源滤波器[3]程序流程如图3所示。该程序由主程序和两个中断服务程序组成，主程序主要完成与上位机的通信（查询方式）；捕获中断完成并网同步信号的采集；定时下溢中断完成电网信号的采集、运算和PWM波的输出，AD由定时器下溢驱动。
四、结语
首先，本系统利用光伏发电、风力发电、有源滤波、动态电压恢复器（DVR）、统一潮流控制器（UPFC）、电能质量控制器（UPQC）、电子负载、功率因数校正（APFC）以及带有能量回馈的变频器等系统主拓补结构的相似性，通过给用户留有组合接口，用户只需通过灵活组合就可以在此平台上完成上述项目的各种控制算法和控制策略的研究。
其次，为了方便用户在系统工作的过程中观察系统参数的变化，还设计了系统调试软件，使调试过程一目了然，更加有利于用户对自己的控制策略和控制算法的检验。另外，为了方便用户的使用，本系统在研发的过程中为用户设计了一些例程，用户可以方便地学习和试验，从而缩短了研发周期，降低了研发成本。
参考文献：
[1]巫付专,万健如,沈虹.基于不同电流跟踪方式APF连接电感选取与设计[J].电力电子技术,2009,43(8):7-9.
[2]张崇巍,张兴.PWM 整流器及其控制[M].北京:机械工业出版社,
2006．
[3]王兆安,杨君,等.谐波抑制和无功功率补偿[M].北京:机械工业出版社,2006．
（责任编辑：刘辉）
关键词：电能变换；通用研发平台；DSP2812；实时调试软件
作者简介：巫付专（1965-），男，河南安阳人，中原工学院电子信息学院，教授；彭圣（1984-），男，甘肃会宁人，中原工学院电子信息学院，助理实验师。（河南郑州450007）
基金项目：本文系河南省科技攻关项目（项目编号：豫科鉴委字[2011]第912号）的研究成果。
中图分类号：TM933.4 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2012）12-0154-02
目前我国光电、风电和电能质量治理的科研水平相对较低，仍然落后于国际发达国家。在光电、风电和电能质量治理的研发方面仍属于起步阶段，未来几年中国光电、风电和电能质量治理产品市场仍将保持高速的增长，并有广阔的市场发展空间。在这样的背景下，很多企业、高等院校以及科研院所致力于提高光电、风电和电能治理产品及技术的研究，如光伏并网、双馈风力发电、有源滤波（APF）、动态电压恢复器（DVR）、统一潮流控制器（UPFC）、电能质量控制器（UPQC）、电子负载、功率因数校正（APFC）以及带能量回馈变频器等一系列与绿色能源有关的试验研究。
由此可见，保证电能质量和发展绿色、环保能源已成为当前研究的热点问题，但对通用研发平台的研究较少，研究者不仅要花费大量的精力来搭建这样的试验系统，而且还造成试验调试过程中硬件的损坏。这样就无形中延长了研发的周期，提高了研发的成本。
本项目利用绿色能源（风力发电和光伏发电）和电能质量治理等电路的拓扑结构相似性，研制由DSP2812控制器、一组“背靠背”的变流器、检测电路、调理电路、驱动电路和保护电路等组成的电能转换与控制通用研发平台。该研发平台的研制可以极大地提高高等院校、企业、科研院所等研究人员在绿色能源和电能质量治理等方面的研究水平，节省成本，缩短研发周期，从而提高经济和社会效益。
一、系统方案确定
由于光伏发电、风力发电、有源滤波、动态电压恢复器（DVR）、统一潮流控制器（UPFC）、电能质量控制器（UPQC）、电子负载、功率因数校正（APFC）和带能量回馈的变频器等试验系统的主拓扑结构具有相似性，采用“背靠背”的变流器可以实现能量在电网侧和负载侧的双向流动，可以灵活地对控制策略和控制算法进行验证。系统组成如图1所示。
该系统主要由以下几部分组成：主电路、电流电压检测调理电路、驱动电路（包括高速光电隔离和驱动）、电源电路、启动投切和故障保护电路。
二、系统各电路的设计
对于不同的试验项目，采集电路的电阻，调理电路的电容，主电路的电容和电感都可能不同。本试验台将留出接线端子，可以根据实际情况进行配置。
1.主电路的设计
主电路主要由直流储能电容、变流器、输出电感和滤波电容等组成。
直流储能电容的选取：理论上由于无功只能在交流侧三相之间进行交换，不会与直流侧进行交换，引起电容电压波动主要是开关器件的损耗和六次谐波，所以电容可以取值很小，但从仿真结果来看，电容取值小时将影响补偿后的电流波形。所以应根据仿真结果和不同试验项目对电容值进行选取。
输出电感的选取：输出电感值的选取尚没有一个统一的计算方法，可根据参考文献[1-3]提供的计算方法和不同试验项目选取，本系统留有接口可以随时更换。
输出滤波电容的选取：输出滤波电容主要是滤除开关频率附近高次谐波，同时要保证补偿的高次谐波能通过，所以截止频率的选择比较关键，同理，根据试验项目的不同进行选取。
2.电流电压检测调理电路的设计
（1）电流检测调理。该检测调理电路由电流传感器、滤波和偏置电路三部分组成。根据要检测的电流范围，选择电流传感器型号。由于进入DSP的信号范围为0-3V，若电流传感器的副边额定有效电流为150mA，则测量电阻RM选择20欧姆。
（2）电网电压检测。例如电网电压有效值220V，可以选择LEM的LV25-P电压传感器测量电压，转换率为2500:1000，该电压传感器原边额定有效值电流为10mA，选择R1=22kΩ的限流电阻；副边额定有效值电流为25mA，选择RM=120Ω的测量电阻。LV25-P电压传感器的输出信号输入由TL081构成的滤波偏置电路。
（3）直流侧电压检测。若直流侧电压UDC=900V，可以选择LEM的LV100电压传感器测量电压，转换率为10000:2000。该电压传感器原边额定电流有效值为10mA，因此原边选择R1=100kΩ的限流电阻，副边额定有效值电流为50mA，选择RM=60Ω的测量电阻。LV100电压传感器的输出信号输入由TL081构成的跟随器。
（4）电网同步信号检测。A相电压经传感器送入比较器进行过零比较，具有锁相环功能，产生一个上升沿与A相电压过零同步的方波信号，送入DSP的捕获单元。当其检测到正弦波电压过零点时，开始启动定时器，触发AD开始采样。通过实验，可看到在电压信号过零点位置，输出的脉冲并不是期望的规则矩形脉冲波，脉冲中出现了毛刺窄脉冲，因此在比较器LM339的同相端前接入12K电阻，同时在同相端与输出端之间也跨接了一个1M 电阻，构成迟滞电路，达到消除毛刺的目的。
3.光电隔离电路
为了增强信号的稳定性，减少信号间的干扰，在DSP和IGBT驱动电路之间需要有光电隔离电路，此次采用由6N137構成的光电隔离电路。
4.电源设计
根据本系统设计要求，需要±15V、1.5V模拟电源、数字3.3V电源、继电器12V电源和光电隔离5V电源。
5.启动投切及故障保护的设计
系统分自动和手动两种操作模式，对应自动投切和手段投切。系统的投切由两个继电器和一个接触器控制，分别控制DSP电源的投切、驱动电路电源的投切和并网电路的投切，而接触器的吸合也由一个继电器控制。上电顺序为先投切DSP电源，后投切驱动电路，最后投切并网电路。故障保护功能主要由DSP脉冲封锁、驱动自保护、切断并网接触器和断开总电源等完成。
三、系统调试软件的设计
为了方便用户在系统工作的过程中观察系统参数的变化，本项目还设计了系统调试软件，使系统的调试过程一目了然，更加有利于用户对自己的控制策略和控制算法的检验。调试软件具有在线修改参数和查看系统运行数据的功能。软件流程如图2所示。
为了方便用户的使用，本系统在研发的过程中还为用户设计了一些例程，方便用户的学习和试验。用户通过修改，还能使其为自己的项目所用。
由该平台实现的有源滤波器[3]程序流程如图3所示。该程序由主程序和两个中断服务程序组成，主程序主要完成与上位机的通信（查询方式）；捕获中断完成并网同步信号的采集；定时下溢中断完成电网信号的采集、运算和PWM波的输出，AD由定时器下溢驱动。
四、结语
首先，本系统利用光伏发电、风力发电、有源滤波、动态电压恢复器（DVR）、统一潮流控制器（UPFC）、电能质量控制器（UPQC）、电子负载、功率因数校正（APFC）以及带有能量回馈的变频器等系统主拓补结构的相似性，通过给用户留有组合接口，用户只需通过灵活组合就可以在此平台上完成上述项目的各种控制算法和控制策略的研究。
其次，为了方便用户在系统工作的过程中观察系统参数的变化，还设计了系统调试软件，使调试过程一目了然，更加有利于用户对自己的控制策略和控制算法的检验。另外，为了方便用户的使用，本系统在研发的过程中为用户设计了一些例程，用户可以方便地学习和试验，从而缩短了研发周期，降低了研发成本。
参考文献：
[1]巫付专,万健如,沈虹.基于不同电流跟踪方式APF连接电感选取与设计[J].电力电子技术,2009,43(8):7-9.
[2]张崇巍,张兴.PWM 整流器及其控制[M].北京:机械工业出版社,
2006．
[3]王兆安,杨君,等.谐波抑制和无功功率补偿[M].北京:机械工业出版社,2006．
（责任编辑：刘辉）