基於疊加原理的大功率測試用可編程諧波電壓源的製作方法
2023-12-02 14:17:16
專利名稱：基於疊加原理的大功率測試用可編程諧波電壓源的製作方法
技術領域：
本發明屬於電能質量研究中的測試用實驗設備，特別涉及一種基於疊加原理的大功率測試用可編程諧波電壓源。
背景技術：
經申請人進行的資料檢索，截止目前為止，現有技術中還沒有提出對電壓質量問題研究中所使用的大功率可編程諧波電壓源。目前主要存在基準電壓源和直流標準電壓源兩類，基準電壓源主要向著高精度、低功耗帶隙基準電壓源發展，該類電壓源為整體電路提供基準電壓，其值在幾毫伏、幾伏和幾十伏這幾個等級。直流標準電壓源主要為電路提供實驗用直流電源。但是對於大容量電能質量控制設備在實驗中所需要的大功率諧波電壓目前還沒有產品。
近年來，電能質量問題越來越受到人們的重視，電力科研工作者們已經開始將電能質量問題進行分類整理和研究，國外已經有較成熟的成果，對電壓質量問題的研究也是國內電力電子領域的研究熱點之一。國內許多高等院校及科研單位分別投入了大批的電力科技工作者對電壓質量問題進行開拓性和研究型工作，為了對電壓質量問題進行研究和治理，必然會涉及到檢驗電壓質量理論分析的正確性、檢測電壓質量補償裝置的性能、檢驗電能質量控制設備的有效性等問題，因此研製電壓質量模擬裝置是十分必要的，同時，為了對一些電壓質量敏感的裝置進行評估，也需要用到電壓質量模擬裝置。
隨著研究的深入，國內的電壓質量補償裝置的功率也越來越大，為了對這些裝置進行測試和實驗研究，其測試平臺的功率也必須提高。因此對大功率電壓質量模擬裝置的研製也有著非常重要的現實意義。
在對電壓質量治理裝置進行實驗研究和測試時，人們通常用可編程電源來模擬電網中的電壓質量問題，隨著治理裝置容量的不斷增加，可編程電源已經很難滿足這些裝置的實驗測試需求。
以下是申請人檢索的相關文獻1一種基於新的偏置電路的低電壓帶隙基準電壓源設計；張朵雲，羅嵐，唐守龍，吳建輝；電子器件，2006年3月，第29卷，第1期。
2一種低電壓低功耗帶隙基準電壓源的設計；劉紅霞；現代電子技術，2005年，第28卷，第24期，第10-11頁。
3高精度低功耗帶隙電壓源設計；徐勇，關宇，趙斐，肖紅軍，閻小靜；解放軍理工大學學報(自然科學版)，2006年8月，第7卷，第4期。
410V直流電壓標準研究；胡毅飛，唐庚如，王路，趙桂芬；計量學報，2000年7月，第21卷，第3期。
發明內容
針對上述現有技術存在地缺陷或不足，本發明的目的在於，提供一種新型的基於疊加原理的大功率測試用可編程諧波電壓源。該可編程諧波電壓源能夠模擬多種電壓質量問題，並具備過流、過壓、過熱及故障保護功能，能夠滿足大功率電壓質量補償裝置如串聯型電能質量控制器(SPQC)、通用電能質量控制器(UPQC)、動態電壓恢復器(DVR)等的測試需求。
為了實現上述任務，本發明採取如下的技術解決方案一種基於疊加原理的大功率測試用可編程諧波電壓源，其特徵在於，該諧波電壓源包括三相整流橋，該三相整流橋通過三個進線電感與電網三相連接；逆變器，用於提供諧波電壓，逆變器直流側與整流橋直流側相連，在整流橋和電容之間串入電阻，以減小投入時刻的充電電流，電阻上並有開關，當充電結束後閉合開關；
逆變器的交流側經過無源濾波器濾波之後經串聯型變壓器將諧波電壓藕合到負載側，通過與基波電壓的疊加，使負載的波形達到預定值，逆變器的結構形式為三個單相H橋，每個單相H橋由4個開關管組成，每個單相H橋的直流側並聯有兩個電容作為開關管的吸收電容，在三個單相H橋的直流側並聯有兩個相互串連的電解電容，作為H橋的儲能電容；串聯型變壓器，用於提供基波電壓，該串聯型電壓波形變壓器的原邊串連在電網上，並分別與旁路開關並聯，當旁路開關閉合時，該串聯型變壓器不工作，當旁路開關打開時，串聯型變壓器工作，串聯變壓器的副邊與逆變器的輸出端相連接；三相阻容迴路，用於濾除電網中的高頻分量，該三相阻容迴路一端連接在串聯型電壓波形變壓器之後的三相電網，另一端與地線連接；一個電流跟蹤控制電路，用於完成數據的採集、指令諧波電壓的計算、電壓跌落程序的控制、PWM脈寬調製，併兼顧故障保護和信號的傳輸，該電流跟蹤控制電路一端連接在三相電網側和進線電感上，另一端分別連接在儲能電容兩端和待測設備的輸入端。
本發明的基於疊加原理的大功率測試用可編程諧波電壓源，採用基波成分和諧波成分分開處理的原理，由電網來提供基波電壓，由諧波電壓源來提供諧波電壓，兩者結合使被測試設備得到所要實驗的電壓波形，諧波通過控制逆變器的輸出來產生。這種控制方式可以減小逆變器中電流的大小，提高系統容量，在大多數情況下，可以替代可編程電源。
本發明的基於疊加原理的大功率測試用可編程諧波電壓源，可以為電能質量相關設備提供測試電壓平臺，試驗過程中不僅對其各實現功能進行了仿真模擬，而且搭建了額定功率為100kVA的三相實驗平臺，通過該實驗平臺對系統的各項功能進行了測試和驗證。從仿真及實驗結果中可以看到，本發明能夠很好的模擬多種電壓質量問題，能夠為研製電能質量相關設備提供測試用電壓平臺。
圖1是本發明的基於疊加原理的大功率測試用可編程諧波電壓源的電路結構圖；圖2是電流跟蹤控制電路原理框圖；圖3是程序流程圖；其中(a)為主程序流程圖，(b)為諧波指令信號生成子程序流程圖。
圖4是疊加3次諧波電壓的負載仿真波形及FFT分析圖；其中(a)為疊加3次諧波後的電壓波形，(b)為疊加3次諧波後對電壓波形進行的FFT分析圖。
圖5是模擬方波的仿真波形及FFT分析圖；其中(a)為模擬方波的電壓波形圖，(b)為對模擬出的方波進行的FFT分析圖。(c)為DFT程序流程圖。
圖6是模擬電壓跌落的仿真波形圖；圖7是加3次諧波電壓的負載實驗波形及電源電壓波形圖；圖8是模擬方波輸出時負載和電源電壓的實驗波形圖；圖9是模擬電壓突升、突降時負載電壓和電源電壓的實驗波形圖。
以下結合附圖和發明人給出的實施例對本發明作進一步的詳細說明。
具體實施例方式
參見圖1，本發明的基於疊加原理的大功率測試用可編程諧波電壓源連接在電網與待測設備之間，包括三相整流橋，該三相整流橋通過進線電感L1、L2、L3，及三相開關BF分別和電網連接；逆變器，逆變器的結構形式為三個單相H橋，每個單相H橋由4個開關管IGBT組成，每組H橋之間並聯有兩個吸收電容(圖中的C1、C2，C3、C4，C5、C6)在三個單相H橋的直流側並聯有相互串連的兩個電解電容(圖中的CD1、CD2)；逆變器的輸出端連接無源濾波器(CF1、LF1、RF1，CF2、LF2、RF2，CF3、LF3、RF3)用來濾除開關次諧波；串聯型變壓器，該串聯型電壓波形變壓器的原邊串連在電網上，並分別與旁路開關KM並聯，當旁路開關KM閉合時，該串聯型變壓器不工作，當旁路開關打開時，串聯型變壓器工作，串聯變壓器的副邊與逆變器的輸出端相連接；三相阻容迴路，該三相阻容迴路一端連接在串聯型電壓波形變壓器之後的三相電網，另一端與地線連接，用來濾除電網中的高頻分量。
一個電流跟蹤控制電路，用於完成數據的採集、指令諧波電壓的計算、電壓跌落程序的控制、PWM脈寬調製，併兼顧故障保護和信號的傳輸，該電流跟蹤控制電路一端連接在三相電網側和進線電感上，另一端分別連接在儲能電容兩端和待測設備的輸入端。
電流跟蹤控制電路包括DSP控制板、模擬跟蹤板和繼電保護板以及三個驅動板(A、B、C)，DSP控制板分別與模擬跟蹤板和繼電保護板連接，並與上位機通訊，模擬跟蹤板和繼電保護板連接，模擬跟蹤板分別連接三個驅動板，其中的一個驅動板C與繼電保護板連接。
三相整流橋前的進線電感L1、L2、L3可以減小裝置對電網的衝擊，考慮到單相負載和三相電壓不平衡的情況，逆變器採用了三個單相H橋來實現。
諧波電壓源的控制系統要完成數據的採集、指令諧波電壓的計算、電壓跌落程序的控制、PWM脈寬調製，又要兼顧故障保護和信號的傳輸等問題。本發明採用了基於DSP控制器為核心的數模混合控制系統結構，其中指令運算是通過數字電路實現的，而PWM生成、電壓瞬時反饋則採用模擬電路實現，數模混合的控制結構便於實現模塊化擴展，以提高裝置容量，該電流跟蹤控制電路主要功能有1)通過接收計算機輸入的諧波指令，生成指令信號。完成電壓電流信號的調理，並進行採樣，完成相應的數值運算並對控制信號進行調節，最終生成變流器的調製信號；2)通過模擬反饋信號進一步對調製信號進行調節，然後通過與模擬三角波比較，生產相應的PWM脈寬調製信號，由光纖將PWM信號送至專用的驅動模塊，驅動變流器中的開關器件動作，實現對主電路的控制；3)實時監測整個系統的運行狀態，當主迴路中的電壓電流出現異常情況或者開關管IGBT故障時，立即封鎖PWM脈衝輸出，完成對系統的保護。
參見圖2，主電路電壓電流信號(us、uL、ic、udc)通過適當的調理以後，送至DSP控制板中進行運算，生成相應的控制係數及相位偏移量(uca、ucb、ucc、啟/停)等，參與對調製信號的控制，最後由DSP控制專用的D/A晶片輸出初步的調製信號。調製信號送入到模擬跟蹤板以後，經反饋信號的調節後，與ICL8038晶片生成的三角波進行比較，產生PWM波，該波形不能直接用於對IGBT器件的驅動，由於本發明的工作於常壓大功率狀態，為了減小主電路電流電壓對控制信號的幹擾，光電轉換模塊將PWM信號進行光電轉換，由光纖送到驅動板，經驅動板放大後完成對IGBT的控制。
當出現過流過壓故障時，模擬跟蹤板會檢測到故障信號，並將故障信號送至繼電保護板，控制接觸器和繼電器動作，對系統進行保護，此故障信號還會送往DSP控制板，封鎖DSP信號的輸出。當IGBT出現故障時，故障信號會直接送至繼電保護板，從而控制系統的故障保護。
控制系統採用了雙DSP控制板，其中一片採用TMS320C32(32位浮點型)，用於浮點計算和數據處理(浮點計算可以提高精度和動態範圍)；另一片採用TMS320F240，用於輸出採集和大量的邏輯操作控制，兩片通過16K×16bit的雙口RAM(IDT7026)進行數據交換，它具有兩組數據總線和地址總線，可以同時訪問不同的存儲器單元，使得兩塊DSP可以方便快速地進行數據交換，大大提高了兩塊DSP晶片間的並行處理能力。TMS320C32 DSP晶片具有串行通訊功能，為了實現與上位機的串行通訊，本發明通過UART專用集成電路PC16552和RS485接口晶片MAX1480和MAX1468來實現，再通過RS485轉RS232的轉換器來實現與上位機的連接。PC16C552內含兩個PC16C550單元，PC16C550是一種普遍使用的UART，與8250向下兼容，但比8250多了16位元組的FIFO，因此減輕了C32的負擔。控制系統中還選用了一片ALTERA公司的可編程邏輯器件EPM7128STC100，CPLD有較強的邏輯處理能力和豐富的I/O接口。同時CPLD還用來協調兩片DSP以及A/D轉換器、D/A轉換器之間的邏輯。系統中的數據採集通過AD公司的A/D轉換器-AD7892-1來實現，最後的指令輸出通過MAXIM公司的D/A轉換器-MAX547實現。
本裝置的PWM信號採用了三角波異步調製的方法，三角波由ICL8038晶片產生，其輸出頻率和波形可以通過外圍電路來調節。模擬跟蹤板不僅要實現PWM信號的生成，還需要由電壓瞬時反饋的接口電路，為了實現對負載電壓和濾波電容電流的反饋信號的輸入，在調製信號與三角波比較之前，留有信號疊加輸入埠，反饋信號的大小可以通過與信號串聯的電阻來調節。
本裝置採用了混合集成驅動模塊M57962AL，該模塊的驅動信號延遲最大僅1.3μs；最高工作頻率可達40kHz；內裝用於主電路和驅動電路之間隔離的光耦，可承受1分鐘2500V的交流電壓(有效值)；內置保護電路，能在短路和過流情況下做出迅速的反應。
保護電路主要有以下幾個部分1)直流母線過壓保護，當直流母線電壓大於給定參考電壓時，保護電路應該動作，給出過壓信號並保持。只有在直流母線電壓降為設定電壓以下並且有復位信號時才能復位；2)過流保護，除了基於M57962AL厚膜驅動電路中的過流保護電路外，在系統中還設有過流集中保護電路，採用霍爾電流傳感器檢測該相輸出電流，當被檢電流超出設定的閥值，保護電路動作，封鎖驅動電路的驅動信號，保障IGBT的安全；3)過熱保護，當IGBT模塊的工作溫度過高時，其散熱器上的溫度繼電器立即動作，並將IGBT過熱故障信號傳遞至控制板和繼電保護板，控制板立即封鎖PWM脈衝使變流器停止工作，繼電保護板立即控制繼電器動作，最終控制接觸器動作，完成系統的故障停機。
本裝置的軟體設計主程序採用循環的方式，首先進行初始化，然後判斷是否啟動諧波電壓源，如果為未啟動則開通訊中斷，此時可進行通訊，接收數據，裝置啟動後，程序則要判斷相應的中斷標誌，進入相應的中斷程序。主程序流程如圖3中(a)所示。由於主程序只需在開始的時候啟動相應的中斷即可，後面在每個中斷服務子程序處理完後會自動啟動這些中斷。計數器1是用來啟動A/D轉換的，它每次周期匹配後就會發出啟動A/D轉換的脈衝信號。主程序所要完成的主要功能是在每次直流側調節標誌位為1時運行直流側調節程序，該標誌位在過零中斷服務子程中被置1。程序的其他功能也是採用中斷的方式來實現的。程序中共有兩個中斷，即過零中斷(對應DSP的INT0中斷引腳)和A/D中斷(對應DSP的INT1中斷引腳)。過零中斷主要任務是置直流側調節標誌位，以便使主程序能以工頻為周期運行直流側調節程序；A/D中斷的主要任務是讀相應的A/D轉換結果，並按控制策略和指令進行相應的運算，最後將結果輸出到外部D/A，生成初步PWM調製信號。
指令生成子程序主要是要根據DSP接收到的指令信號，按照指令生成所需要的初始調製信號波形。由於接收的諧波指令信號為各次諧波的百分含量和相位信息，而且指令是25次以內各次諧波的組合，為了方便指令的生成，在設計時，預先在程序中加入了標準的正弦表，採用了指令循環查表的方法來實現初始指令的生成，程序流程圖如圖3(b)所示。系統為了模擬電壓跌落、電壓突升和電壓切痕等電壓質量問題，需要改變指令的生成方式，但是其基本原理與諧波指令信號生成子程序類似，主要區別在於在模擬電壓跌落和電壓突升時，需要加入定時器環節，因為在模擬電壓跌落時，諧波指令需要根據設置的跌落時長和跌落幅度進行周期性變化。
在對系統進行數字反饋時，需要用到DFT分析，計算負載電壓中的諧波含量，經F240A/D轉換輸入的採樣數據，以有符號整數形式存放在指定的內存單元中，C32首先將整數轉換為浮點數，然後根據公式X(k)=DFT[x(n)]=n=0509x(n)WNkn]]>其中WN＝e-j2π/N即可得到直流分量、基波分量和各次諧波分量，其中k為指定傅立葉變換的諧波次數，n為A/D轉換輸入的採樣數據數，DFT程序流程圖如圖3(c)所示。K取值範圍0≤k≤25，取0值時對應直流分量，取1至25則對應為基波至25次諧波，N為採樣點數。
在對系統數據進行採樣時，對每個周期採510個點，在對數據進行DFT分析時，也是採用循環尋址的方式來實現。在進行DFT分析前，首先需要將存放結果的510個單元清零，然後根據諧波的次數和計算的點數進行循環判斷，根據式5-1計算k次諧波的DFT變換的值。
在對負載電壓中的諧波進行DFT變換以後，還需要計算負載電壓中的基波DFT變換後的值，通過諧波電壓和基波電壓的比值來計算負載中的諧波含量，通過和輸入的指令進行比較來調節指令的幅值係數，從而完成基於DFT的數值反饋。
圖4、5、6給出了諧波電壓源應用到系統中的仿真波形，分別為疊加3次諧波電壓、產生方波電壓和模擬電壓跌落的仿真波形，從給出的FFT分析棒圖中可以看出該裝置能夠很好的模擬指定的電壓問題。
圖7、8、9給出了實際搭建的容量為100kVA的諧波電壓源模擬電壓質量問題時的波形，實驗波形分別為模擬3次諧波電壓、模擬方波電壓及模擬電壓突升的實驗波形。從波形中可以看出裝置很好的模擬了要求的電壓問題。
權利要求
1.一種基於疊加原理的大功率測試用可編程諧波電壓源，其特徵在於，該諧波電壓源包括三相整流橋，該三相整流橋通過三個進線電感與電網三相連接；逆變器，用於提供諧波電壓，逆變器直流側與整流橋直流側相連，在整流橋和電容之間串入電阻，以減小投入時刻的充電電流，電阻上並有開關，當充電結束後閉合開關；逆變器的交流側經過無源濾波器濾波之後經串聯型變壓器將諧波電壓藕合到負載側，通過與基波電壓的疊加，使負載的波形達到預定值，逆變器的結構形式為三個單相H橋，每個單相H橋由4個開關管組成，每個單相H橋的直流側並聯有兩個電容作為開關管的吸收電容，在三個單相H橋的直流側並聯有兩個相互串連的電解電容，作為H橋的儲能電容；串聯型變壓器，用於提供基波電壓，該串聯型電壓波形變壓器的原邊串連在電網上，並分別與旁路開關並聯，當旁路開關閉合時，該串聯型變壓器不工作，當旁路開關打開時，串聯型變壓器工作，串聯變壓器的副邊與逆變器的輸出端相連接；三相阻容迴路，用於濾除電網中的高頻分量，該三相阻容迴路一端連接在串聯型電壓波形變壓器之後的三相電網，另一端與地線連接；一個電流跟蹤控制電路，用於完成數據的採集、指令諧波電壓的計算、電壓跌落程序的控制、PWM脈寬調製，併兼顧故障保護和信號的傳輸，該電流跟蹤控制電路一端連接在三相電網側和進線電感上，另一端分別連接在儲能電容兩端和待測設備的輸入端。
2.如權利要求1所述的基於疊加原理的大功率測試用可編程諧波電壓源，其特徵在於，所述的電流跟蹤控制電路包括DSP控制板、模擬跟蹤板和繼電保護板以及三個驅動板，DSP控制板分別與模擬跟蹤板和繼電保護板連接，並與上位機通訊，模擬跟蹤板和繼電保護板連接，模擬跟蹤板分別連接三個驅動板，其中的一個驅動板與繼電保護板連接。
3.如權利要求1所述的基於疊加原理的大功率測試用可編程諧波電壓源，其特徵在於，所述的DSP控制板採用雙DSP控制板，其中一片採用TMS320C32晶片，用於浮點計算和數據處理；另一片採用TMS320F240晶片，用於輸出採集和大量的邏輯操作控制，通過16K×16bit的雙口RAM進行數據交換，它具有兩組數據總線和地址總線，可同時訪問不同的存儲器單元。
全文摘要
本發明公開了一種基於疊加原理的大功率測試用可編程諧波電壓源，該諧波電壓源包括三相整流橋、逆變器、串聯型變壓器、三相阻容迴路和電流跟蹤控制電路，三相整流橋通過進線電感及三相開關與電網連接；逆變器的結構形式為三個單相H橋，每個單相H橋由4個開關管IGBT組成，本發明的基於疊加原理的大功率測試用可編程諧波電壓源，採用基波成分和諧波成分分開處理的原理，由電網來提供基波電壓，由諧波電壓源來提供諧波電壓，兩者結合使被測試設備得到所要實驗的電壓波形，諧波通過控制逆變器的輸出來產生，這種控制方式可以減小逆變器中電流的大小，提高系統容量，在大多數情況下，可以替代可編程電源。
文檔編號H02M7/48GK101064479SQ20071001722
公開日2007年10月31日 申請日期2007年1月11日 優先權日2007年1月11日
發明者卓放, 吳隆輝, 董文娟, 張鵬博, 佔奇志, 王兆安 申請人:西安交通大學