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通用电能质量控制器的统一控制系统及其数字化实现· 叶英华 刘进军 何益宏 王兆安 西安交通大学（西安 710049） 摘 要：本文介绍了通用电能质量控制器的一种统一控制系统及其基于DSP的数字化实现。首先简介采用双变流器结构的通用电能质量控制器的结构和基本原理, 提出对其串联变流器和并联变流器进行统一控制的方法，以及对实现控制系统的要求, 据此确定控制系统硬件结构, 随后介绍硬件配置的特点和软件的具体实现, 最后给出了实验波形。实验表明, 该控制系统满足通用电能质量控制器的实时控制要求，通用电能质量控制器的控制性能良好。 关键词：通用电能质量控制器 控制系统 A Unified Control system and Its Digital Implementation for Universal Power Quality Controller Abstract：This paper introduces a unified control system for universal power quality controller（UPQC）and its digital implementation based on DSP processor. First, the configuration and basic operation principle of the UPQC with a double-converter structure is briefly introduced. Then a unified control method to coordinately control the series converter and the parallel converter simultaneously is proposed. Accordingly, the hardware configuration of the control circuit is determined. The software design and realization is also detailed. Experimental results on a prototype UPQC are provided in the end. It is verified that the proposed control method and control system implementation fully meet the requirement and ensure the good performance of the UPQC. Key words：universal power quality controller（UPQC） control system 1 引 言 电能质量及其控制技术是当前电工领域的研究热点。本文研究的具有双变流器结构的通用电能质量控制器（Universal Power Quality Controller －UPQC）可以快速补偿供电电压中的突升或突降、波动和闪变、不平衡、谐波、短时中断以及负载的谐波和无功电流。 它既可以防止非正常负荷对系统的影响，又可用于防止系统电能质量问题对负荷的影响，具有双向补偿的功能[1,2]。 UPQC的双变流器既有各自不同的分工，又为共同目的协调控制，并通过公共的直流侧相联系，因此如何进行双变流器的协调统一控制是UPQC关键问题之一。本文提出了一种针对UPQC的统一控制方法，并介绍其数字化的实现。 本文实现的数字化控制系统是采用以DSP芯片为核心的模数混合控制系统。该系统结合模拟和数字电路的各自特点，基于成本和控制技术成熟性的考虑，没有盲目的追求全数字化控制，而是采用DSP来实现UPQC的核心控制算法，采用模拟电路来实现电流电压跟踪控制的混和控制方案，经实验证明，该控制系统在确保满足UPQC对实时性要求的同时，充分发挥了模数混合控制的诸多优点。 2 UPQC的结构、原理和统一控制方法 图1是通用电能质量控制装置的系统结构和原理图，它由一个串联在公共母线的进线上的变流器（串联补偿器）和一个并联在进线上的变流器（并联补偿器）组成，二者共用一个直流环节。靠近电源侧的串联补偿器可以等效为一个受控电压源，补偿来自电网侧的电压谐波和抑制电压波动，提高供电电压质量和可靠性。并联补偿器则靠近负载侧，可以等效为一个受控电流源，向电网注入与负载谐波和无功电流大小相等而方向相反的电流，抑制各种非线性、冲击性负载电流对电网的影响。通用电能质量控制器直流母线电容电压的稳定，由并联补偿器从电网吸收或释放有功功率来维持。
图1 UPQC系统基本结构图 图2 UPQC系统等效原理图 图2给出了UPQC系统的一个等效电路图，图中各下标的含义是，S表示电网，L表示负荷，f表示基波，h表示谐波，AF表示电能质量控制器。图中uAF和iAF分别表示UPQC等效为的受控电压源和受控电流源。我们希望负荷侧得到一个稳定的电压uL，且不含谐波成分，如果电源电压含有谐波uS h和幅值低于负荷需要的稳定电压uL时，UPQC的串联补偿器部分就需要对此进行补偿，这个原理可以用一个公式描述如下： 对于电源侧，我们希望的是它发出的电流不含有谐波，如果因为负荷的影响使电源电流含有比较大的谐波时，UPQC的并联调节器部分就需要对此进行补偿，其原理同样可以用一个公式描述如下： 从以上工作原理可知，控制系统应当满足的基本要求就是：从电源电压中检测出谐波和与负荷理想电压的偏差，并控制串联PWM变流器产生与之对应的电压；从负荷电流检 测出谐波电流iLh，并控制并联PWM变流器产生与iLh大小相等、方向相反的谐波电流。整个统一控制系统的结构如图3： 图3 UPQC统一控制系统框架图 3 控制系统硬件的实现 3.1 数字控制部分硬件的实现 本文的控制系统中，谐波的实时检测采用的是三相电路瞬时无功功率理论，通过dq0变换和dq0反变换，检测出所有的谐波，再经过PWM控制信号的生成去控制两个变流器中IGBT的通断来进行补偿。 由于系统的计算和控制功能比较复杂，要得到好的补偿效果，控制系统就应该尽可能快的检测、分析和计算出电流中特定的谐波分量和电压的偏差，然后据此生成补偿电流、电压的指令信号，并实时的控制UPQC的主电路使其输出所需的波形[3]。这一方面需要控制系统具有快速的数字信号处理能力，另一方面，也要求系统具有丰富的I/O 接口并且适用于控制电力电子器件。 为满足上述要求，采用了以TI公司的DSP芯片TMS320C32为核心的模数混和控制系统，其中TMS320C32数字控制部分还包括一片128K*8bit的EPROM（AM27C010-70），两片高速64K*16bit的SRAM（CY7C1021-20），译码电路，模数转换电路，另外本系统还采用了一片CPLD（EPM7128SLC84）。其中EPROM用于存放程序和已初始化数据，SRAM用于存放实时运行的程序和数据，CPLD用来协调系统内部复杂的逻辑。 3.2 模拟控制部分硬件的实现 系统的模拟控制部分主要指的就是电流电压跟踪控制，UPQC的电流电压跟踪控制主要是根据计算出的指令电流、电压，通过检测变流器主电路发生的实际电流、电压，控制主电路产生所需要的补偿电流和电压。在具体实现时，该部分的控制采用了瞬时值定时比较的控制方法。如下图所示： 其工作原理具体的讲，就是通过控制板的定时器确定一控制周期，在每一控制周期内，读取指令电流、电压的数值和补偿电流、电压的实际数值，将两者进行比较。如果指令电流、电压大于实际的补偿电流、电压，则向PWM主电路输出一确定的开关动作序列；反之，则向PWM主电路输出一相反的开关动作序列，从而控制变流器产生所需要的电流、电压信号。采用定时比较的控制方法好处在于可以限制变流器的开关动作频率上限，避免损坏主电路的开关元件[4]。 图5 控制系统硬件结构图 3.3 硬件电路的特点 图5为整个控制系统的硬件结构图，采用这种结构使DSP的程序有很好的动态转移性。TMS320C32的运行速度极快，在50ns的指令周期内即完成取指、译码、执行这三个步骤，因而要求其外部存储器具备很高的存取速度与之相匹配。高速的SRAM芯片价格适宜，但高速的FLASHROM价格非常贵。本系统应用了TMS320C32的程序自引导功能，TMS320C32实时运行的程序和数据可以从外部廉价低速的EPROM或串行口装入SRAM中运行，以节省成本，提高运行速度。这个程序自引导功能是由TMS320C32内部固化的引导程序（BOOT）实现的。TMS320C32复位后，由内部固化的自引导程序（BOOT）将存于EPROM中的程序和数据搬移至高速SRAM，然后在高速SRAM中运行程序。 本控制系统的硬件构成的另一个特点就是应用了复杂可编程逻辑器件CPLD。CPLD具有结构灵活、集成度高等特点。因此应用CPLD的控制系统在许多方面优于应用传统器件的系统。本系统根据所需的I/O数目和控制功能，所选用的CPLD器件是ALTERA公司的EPM7128SLC84。EPM7128SLC84内有边界扫描测试电路，符合JTAG标准，支持在系统编程，内含8个逻辑阵列块，共计128个逻辑宏单元，有64个I/O，可满足设计的需要。 4 控制系统软件设计 DSP是整个UPQC控制系统的核心。指令电流、电压的运算都靠TMS320C32芯片运行相应的程序来完成。下面就从DSP的角度来描述软件流程的实现。 TMS320C32系统的软件设计主要包括主程序、时间基准捕获程序、A/D转换控制程序、D/A转换中断程序、外部中断服务程序以及定时器中断服务程序、瞬时无功计算子程序、电压单元计算子程序。主程序系统的初始化，然后就等待中断，根据不同的中断进入相应的中断服务子程序。时间基准捕获程序主要完成同步信号频率的测量、采样周期的确定以及使能T1，T3通用定时器，启动A/D转换。定时器中断服务程序用来在每个采样时刻启动A/D转换。A/D中断服务程序用来将负载电流、电源电压的A/D转换结果送入数据寄存器。瞬时无功计算子程序用来计算电流谐波，提供并联调节器的补偿指令信号。电压单元计算子程序用来计算串联调节器需要提供的补偿电压信号。最后D/A转换中断程序启动D/A转换将结果送到电流电压跟踪控制电路。 根据上面软件设计的思想，DSP模块的工作原理就是：a相同步电压过零则开始采集数据（包括负载电流、电源电压和直流侧电压），定时器控制A/D转换的开启，保证每1/N (N为每个工频周期的采样点数)个工频周期采集一组数据（包括负载电流、电源电压、直流侧电压），同时进行瞬时无功的计算（电压采用直接与基准电压相减的方式），然后启动D/A转换将结果送到输出。整个软件的设计流程图如图6： 图6 控制系统软件设计流程图 5 实验结果 根据以上原理和控制方法研制了通用电能质量控制器的实验装置，并对其进行了补偿实验。实验系统中负载端为直流侧接阻性负载的三相整流电路。实验是在低压下进行的，图7(a)为补偿前后负载电压的波形和频谱，控制系统设计的负载稳定电压为45V，实际上补偿前负载电压为36.7V，而且还包含有谐波，补偿后负载的电压为45.2V，负载上的7次，11次电压谐波基本上都被补偿掉了。图7(b)为补偿前后电源电流的波形和频谱，可以看到通用电能质量控制装置投入补偿后，大量的3，5，7，11次电流谐波都被全部补偿掉了。这都表明通用电能质量控制装置既能消除系统电压跌落和电压谐波对负荷的影响，又能消除因非线性负荷产生的谐波电流对系统的影响，具有很好双向多种电能质量问题的补偿功能。 电压：纵坐标60.00V/div, 横坐标10 ms/div 频谱：纵坐标20dB/div, 横坐标100Hz/div (a) 补偿前和补偿后负载电压波形和频谱
电流：纵坐标5.00A/div, 横坐标10 ms/div 频谱：纵坐标20dB/div, 横坐标100Hz/div (b) 补偿前和补偿后电源电流和频谱 图7 通用电能质量控制装置的实验结果 6 结 论 随着以DSP为基础的实时数字信号处理技术的迅速发展和电能质量控制技术的越来越复杂性，采DSP作为电能质量控制系统的工具已经成为当今和未来技术发展的一个趋势。本文所介绍的就是一种以DSP为核心的UPQC的模数混和控制系统。该系统根据UPQC主电路的要求采取了相应的控制策略、控制方法和控制系统结构。并针对DSP的特点，采用了相适应的硬件和软件设计。实验结果表明，该模数混和控制系统实现了对UPQC的实时控制，基于该控制系统的UPQC对各种电能质量问题具有很好的补偿效果。 参考文献： [1] Zhao Jianfeng, Jiang Ping, Li Naihu, et al. Study of Power Quality Compensators in PowerSystem. In:ProcIEEE PEDS' 1 999. Hong Kong:1999 [2] L.Gyugyi. A unified power flow control concept for for flexible ac transmission system. Inst. Elect. Eng. Proc. Vol. 1992, 139(4): 323~331 [3] R. Li, and A. T. Johs, “Control Concept of Unified Power Flow line Conditioner”, IEEE Summer Meeting, 2000. [4] 王兆安，杨君，刘进军. 谐波抑制和无功功率补偿. 北京：机械工业出版社. 1998 [5] Texas Instruments Incorporated. TMS320C3X user’s guide. Revision C, U.S.A. Texas Instruments Incorporated, 2000, 7 |
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图4 定时控制的瞬时值比较方式原理
