高供电品质整流电路控制系统的研究

2015-01-12邓永红曹浩堃张伊乐

华北科技学院学报 2015年6期

邓永红，曹浩堃，张伊乐，孙雷

(华北科技学院电子信息工程学院，北京东燕郊 101601)

1 问题提出

随着电力电子技术的快速发展与广泛应用，供电系统中添加了大量的非线性负载，这引起电网电压、电流的畸变，导致电力污染。尤其是二极管、晶闸管整流电路，其作为各类电力电子设备与电网的接口，是主要的谐波污染源。高供电品质整流电路供电设备能够使整流器的交流侧电流正弦化，并且运行于单位功率因数状态，消除了传统整流器的弊端；而且能够实现将负载端的能量反馈回电网，实现能量的双向流动，做到能量的高效利用与绿色使用。

本文研究的是高效绿色设备高供电品质整流电路控制系统，研制出一套基于32位高速信号处理器DSP[1]为控制核心高供电品质整流电路装置，运用新型IGBT及其可靠的驱动技术；采用电压外环和电流内环的双闭环控制系统，输出稳定的直流电压并使功率因数接近1；具有能量双向流动的功能，既能工作在整流模式，也能工作在逆变模式，使负载能量回馈电网；提高电力电气装备的安全性，稳定可靠性，降低装备的体积质量。

图1 系统控制结构图

2 驱动系统电路结构

高供电品质整流电路[2-5]的结构框图如图1所示。其主要由输入变压器、滤波电感、IGBT以及直流侧电容，续流二极管构成。整个电路由电压型PWM整流器为核心，输入三相交流电，经PWM整流器输出直流电，由控制台发出启动/停止命令，检测回路检测输入输出参数，并把相关状态信息送DSP处理，计算出整流器每个开关管的导通时间，输出三相SVPWM[6-8]波，经过驱动电路，驱动IGBT开关管工作。

3 控制系统硬件组成

本系统的核心部分为高速信号处理器TMS320F28035，该芯片采用单电源供电，只要3.3V就可以稳定工作，内部集成了1.8V的 LDO给内核功电；内部采用了上电复位电路外接阻容就可以工作；不需要外接晶体，节省成本；集成的ADC有12位的分辨率，采样精度高。其控制结构图如图2所示：

1) 由TMS320F28035单片机和外部端子数字量输入信号电路组成的DSP数字控制系统。它能完成各种数字的计算、外部端子的控制和系统的启动与停止。

2) IGBT驱动电路，主要是将DSP所发出的SVPWM信号转化为脉冲信号来驱动IGBT，以及当IGBT发生了短路或过流故障时，保护IGBT，并把信息信号反馈DSP。

图2 控制系统结构图

3) 模拟量接口电路，主要有电压检测电路、电流检测电路和外部端子采样电路组成。其作用是将电压电流等强电信号转换成弱电信号，以供给DSP采样。

4 SVPWM单元

控制系统中采用的是电压、电流的双闭环控制算法，电压调节和电流调节均采用了PI调节器，结合空间矢量脉宽调制(SVPWM)的控制算法，实现了电压和电流的快速调节。在图3中，给出了8个基本的空间矢量所对应的向量图，其将空间划分为六个扇区，根据电压空间矢量在三相空间坐标系上的投影可以得到公式(1)：

(1)

图3 SVPWM空间向量图

根据公式(1)，和公式(2)的规则确定空间电压矢量所对应的扇区N：

N=A+2B+4C

(2)

其中，若va>0,那么A=1，否则A=0；

若vb>0,那么B=1，否则B=0；

若vc>0,那么C=1，否则C=0。

我们引入通用变量X、Y、Z来计算时间t1、t2：

(3)

但是，由于直流电压的下降可能使电压矢量的幅值减少，因此，计算时间t1和t2之和有可能超过PWM周期TPWM的一半T,即t1+t2>T,这种情况称为饱和，需要进行修正如公式(4)所示：

(4)

用T1、T2代替t1、t2再定义占空比参数Taon、Tbon、Tcon：

(5)

最后可以确定实际控制所需要的三相SVPWM波的占空比，如表1所示：

表1 三相SVPWM波占空比

5 软件实现

本系统程序主要由主程序、波形发生器中断程序等组成，其流程图如图4所示，主程序主要完成的是CPU系统初始化设置，初始化变量和数据设置，特殊功能寄存器以及外部管理寄存器的初始化设置，I/O口设置，开中断等功能。

6 实验结果仿真波形分析

实验所用的交流电源输入电压为310 V、滤波电感0.5 mH、滤波电容60 μF、直流滤波电容200 μF、开关频率10 kHz,在构建了六路SVPWM调制波模型、带PID调节器的电流随动内环模型、带PID调节器的电压定值内环模型、SVPWM输出的控制系统模型和主控制电路模型之后，所得到的实验仿真波形如图5所示。从图中的波形可以看出，幅值较大的3种颜色的波形分别代表着相位之间互差120°的电压波形。幅值较小的3中颜色则代表着电流波形。此时电流相位与电压相位相同，且无杂波谐波的影响，电路的功率因数接近于1，满足高供电品质整流电路的需求。