10kV系统中智能万用变压器建模及DSP控制

杨丽娇，粟时平，华丁剑

(长沙理工大学电气与信息工程学院，湖南 长沙 410114)

1 引言

现代电力系统出现了一系列新的特点:一是大型、超大型电力系统;二是可再生能源发电的发展;三是非线性负荷增长迅速，造成供电电能质量不断下降。在电力系统面对这些新挑战的背景下，作为最基本输变电装置的电力变压器，过于单一的功能使得其越来越难满足现代电力系统的要求。而电力电子变压器具有如下特点:(1)体积小，重量轻，无环境污染;(2)运行时可保持副方或用户端电压幅值恒定，不随负载变化;(3)可以保证原方电流、副方电压为正弦波形，原方功率因数可调;(4)具有高度可控性，变压器原副方电压、电流和功率均可控;(5)兼有断路器的功能，大功率电力电子器件可以瞬时(微秒级)关断故障大电流，也无需常规变压器的复杂继电保护装置;(6)含有智能控制单元，一方面可以实现装置的自检测、自诊断、自保护、自恢复等功能;另一方面可以实现联网通信，对于实现电网的智能化具有积极意义。能满足现代电力系统的要求［1，2］。

本文系统采用了整流、高频隔离、逆变三级结构的拓扑结构模型，开发了基于 TMS320C28343的DSP控制系统，进行了10kV/500V智能万用变压器运行与控制的仿真和实验，结果证明了设计的可行性。

2 IUT原理及主电路拓扑结构

IUT的原理结构如图1和图2所示。本文采用了一种IUT结构模型，这种拓扑结构由简单的整流模块、中间隔离模块和逆变模块三部分组成，其中整流模块采用空间电压矢量脉宽调制(SVPWM)整流器，将输入的10kV电压转化为直流信号;中间隔离模块采用简单的单相全桥变换器，将整流模块输出的直流信号调制成高频方波，经高频变压器耦合后还原为直流信号;逆变模块采用三相PWM逆变器，将隔离模块输出的直流信号变为所需的工频交流信号。

图1 IUT结构图

图2 IUT基本原理图

由上述结构及原理图搭建主电路拓扑结构图如图3所示。

图3 IUT主电路拓扑结构图

3 IUT各模块数学模型

3.1 整流模块数学模型

整流模块主电路功率开关管必须反并联一个续流二极管，以缓冲PWM过程中的无功电能。采用TI公司的TMS320C28343为主控芯片。它内部采用程序和数据分开的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，广泛采用流水线操作，提供特殊的DSP指令，可以快速地实现各种数字信号算法，具有很强的实时处理能力。DSP采集输入电压，输入电流以及直流侧电压，经过判断，运算，输出6路PWM信号驱动IGBT，系统框图如图4。

图4 整流模块框图

根据主电路列写整流模块数学方程式:

引入状态变量 X=［ia，ib，ic，udc］T并将其分解为高频分量Xh和低频分量X1经推导得整流模块数学模型

其中:

进行dq变换，该模型有助于整流模块控制系统的设计。

3.2 高频环节数学模型

中间隔离环节变压器参数设计为:

其中:Ac为铁芯有效截面积;Ae为铁芯窗口面积;Pt为变压器计算功率，P0为输出功率，η为变压器效率，取80%;K0窗口占空系数，取0.4;Kj绕组电流密度系数，取230。故

3.3 逆变模块数学模型

逆变模块中开关器件通断用 Si(i=1，2，3，4，5，6)表示，Si=1表示开关器件导通，Si=0表示断开。考虑三相参数对称，则由输出端至点g的电压为:

表示变换器的8种开关状态，由此得对于R和L组成的对称三相负载，逆变模块的模型为:

拉氏变换得:

各模块运行的数学模型为研究IUT的控制提供原理基础。

4 IUT各模块的DSP控制及其实现

4.1 整流模块的DSP控制

由经过dq变换后整流模块的数学模型，设计该模块控制结构图如图5所示。

图5 整流模块控制框图

这样得到一个直流电udc，由于隔离环节变压器变比为1:1，故逆变模块输入电压也为udc。

4.2 逆变模块的DSP控制

由逆变模块的数学模型，可设计其控制结构如图6所示。

图6 逆变模块控制框图

其中，PWM波形由DSP控制输出。经过该控制，能够将隔离模块输出的直流电压udc逆变为所需的工频交流信号。

4.3 IUT硬件系统框图

由以上分析可知，IUT各模块的 PWM波形由一块DSP芯片发出，从而控制驱动开关器件的开断。由于型号为TMS320C28343的DSP芯片具有18路PWM通道，且控制功能强大，故为本文所选取。总体硬件结构如图7所示。

图7 硬件结构图

4.4 IUT软件系统

根据系统工作流程，设计 IUT整流、逆变模块控制的具体实现流程图如图8和图9所示。

图8 DSP控制整流模块主程序流程图

图9 DSP控制逆变模块主程序流程图

5 仿真

本文对用于10kV系统中的IUT进行仿真，给出10kV系统的输入电压波形，通过IUT得到的输出电压波形，表1为仿真参数。

表1 仿真参数

在Matlab/simulink中搭建仿真模型，按照上述表格设置仿真参数，示波器测得各环节波形如图11～13所示。

图10 输入电压U

图11 触发脉冲PWM信号

图12 整流模块输出直流电压udc

图13 逆变模块输出交流电压u0

以上结果表明，本文搭建的IUT结构及数学模型简单，在实现传统变压器变压和隔离的功能外，通过DSP控制开关管工作能够得到较为理想的电压波形，提高系统的稳定性。

6 结论

现阶段国内对 IUT的研究主要是在 IUT的拓扑结构方面，控制算法大都采用最优控制。本文以10kV电网为例，选择了结构较为简单、功率器件较少的IUT模型，并分析其数学模型，通过推导变换得到IUT控制策略，通过型号为TMS320C28343的DSP芯片输出的PWM信号控制变换器的工作。通过仿真证明，本文的数学模型及其控制能够实现变压器的功能，并能得到较好的波形，能够用于10kV电网中。

［1］许晓慧.智能电网导论［M］.北京:中国电力出版社，2009.160－172.

［2］D.Grahame Holmes，Thomas“Pulse Width Modulation for Power Converters:Principles and Practice”pp.141 －147.2010.

［3］苏奎峰，吕强，邓志东，等.TMS320X28XXX原理与开发.电子工业出版社［M］.北京:2009.3.193－205.

［4］D.Wang，C.Mao，J.Lu，S.Fan，F.Z.Peng，“Theory and application of distribution electronic power transformer，”Electric.Power Syst.Res，vol.77，pp.219 – 226，March 2007.

［5］张兴.电力电子技术［M］.北京:科学出版社，2010.7.119 －137.

［6］H.Liu，C.Mao，J.M.Lu，D.Wang，“Optimal regulator－ based control of electronic power transformer for distribution systems，”Electric.Power Syst.Res，vol.79，pp.863 – 870，2009.

［7］陈亚爱.开关变换器的实用仿真与测试技术［M］.北京:机械工业出版社，2009.11.75 －82.

［8］张淼，冯垛生.现代电力电子技术与应用［M］.北京:中国电力出版社，2010.10.75 －82.