基于双CPU的矿用统一电能质量调节器的研究

刘国鹏

(中煤科工集团太原研究院有限公司，山西 太原 030006)



基于双CPU的矿用统一电能质量调节器的研究

刘国鹏

(中煤科工集团太原研究院有限公司，山西 太原 030006)

近年来，由于电力电子器件的大量应用，给电力系统造成了诸多的电能质量问题，从而使配电线路电能质量差，功率因数低。稳定的电压对于煤矿企业的安全生产来说至关重要。针对此现象，采用了统一电能质量调节器来改善电能质量，分析了基于双CPU的统一电能质量调节器的工作原理，给出了设计方法并进行了系统仿真。

电能质量；谐波；无功补偿；统一电能质量调节器

1 前言

随着大容量电力电子装置在煤矿中的应用日益广泛，我国煤矿电网中的谐波污染日趋严重，给煤矿供电系统和各类用电设备带来危害。电力电子装置的开关动作向电网中注入了大量的谐波和次谐波分量，导致了交流电网中电压和电流波形的严重失真，代替了传统的变压器等铁磁材料的非线性引起的谐波，成为最主要的谐波源。从安全的角度讲，煤矿中对电能质量的要求很高，电能质量的下降严重影响着供用电设备的安全经济运行。因此电能质量问题日益突出，引起了供电部门和广大电力用户的普遍重视。

当前，改善电能质量的设备主要包括无源LC滤波器(Passive LC Filter)、静态无功功率补偿器(Static Var Compensator)以及静态补偿器(Static Compensator)等。1998年日本学者Akagi首次提出了统一电能质量调节器(UPQC)的概念。在这种系统中一个并联有源电力滤波器(Shunt Active Power Filter)和一个串联有源电力滤波器(Series Active Power Filter)通过公共的直流母线组合到一起，就可以同时使几种电能质量功能得到改善[1-2]。

本文根据实际情况介绍了基于双CPU的矿用统一电能质量调节器(UPQC)的工作原理，给出了设计方法并对系统进行了仿真。

2 UPQC的基本结构和工作原理

统一电能质量调节器(UPQC)的原理图如图1所示。 如图1所示，UPQC通常由一对串/并联型APF构成，公用一个直流电容。工作时，并联型APF接入负荷侧，主要用于吸收谐波电流、补偿无功和负序电流分量，同时维持两个APF之间的直流电容电压恒定。串联型APF接到系统电源侧，在系统和负荷之间对谐波起到隔离作用，另外，串联型APF还具有维持连接点处电压、补偿电压闪变和不对称的功能。

图1 UPQC原理图

除此之外，还有一种特殊型UPQC的拓扑结构，特殊型UPQC从结构上看，除了有串/并联型APF外，在负荷侧并联接入一个LC无源滤波器(PF)，而且并联型APF接入系统侧。从器件的功能上看，运行时串联型APF不仅对谐波起隔离作用，同时它还肩负着阻止PF与系统阻抗之间可能产生的串/并联谐振。直流侧电容电压的稳定由并联侧APF来维持。并联的无源电力滤波器可以减小并联APF的容量，从而可以大大减少装置的成本[3]。

3 UPQC控制电路的设计

3.1 UPQC的信号检测方法和跟踪控制策略

信号检测方法和跟踪控制策略是实现电能质量控制技术的关键，其实时性与准确性对改善矿区低压电网电能质量具有决定性的影响。目前的检测方法主要有：用模拟滤波器检测、基于fryze时域分析有功电流分离法、基于频域分析的FFT法、基于瞬时无功功率理论的检测法等。

比较实用的广义跟踪型PWM控制法有两种：瞬时值滞环比较方式和三角波比较方式。瞬时值滞环控制硬件电路简单，补偿量响应快，用载波，逆变输出中不含特定频率的谐波分量，当滞环带带宽一定时，补偿量的跟踪误差范围固定，但逆变器的开关频率是变化的。不过，可以通过定时控制或变滞环宽度来是实现

频率的固定，但牺牲了补偿量跟踪误差的固定性。

三角波比较硬件比较复杂，跟踪误差比较大，逆变输出谐波含量少，与三角载波频率相同，放大器的增益有限，开关器件的开关频率固定为三角波的频率，补偿量的响应速度比较慢。两者在实际应用中基本各占一半。 基于上述两种控制方法的优缺点，本文提出一种恒频无偏差的跟踪控制器[4]。对于滞环控制，其频率和带宽是一对矛盾，不能同时固定。带宽固定有利于最大误差的固定，但不利于周期固定。而周期的固定对开关器件的运行，电路的保护关重要的作用。本文在最大带宽一定的情况下，用简单的偏移量反馈校正，实现了恒频无偏差控制。其原理如图2所示。

图2 无差拍恒频控制比较器

3.2 UPQC的控制电路

统一电能质量调节器需要实现电压(电流)量的信号采集、处理、显示、控制以及通讯等主要功能。其中电压(电流)信号的采集很重要，它需要在一个周期内进行上千次采样，其采样频率达到了几兆赫兹，同时必须进行数据的处理运算并产生PWM波，对MPU的利用率很高。所以，在本系统设计时数据处理器采用TI公司的TMS320LF2407A芯片，控制器采用三星公司的S3C44B0X控制器芯片。

两个CPU可以根据系统的总体功能要求进行合理的分工。利用DSP芯片的运算优势，而基于ARM7TDMI内核的S3C44B0X芯片可以充分发挥MPU的事件处理、存储、控制以及通讯作用。二者相互补充不仅最大限度提高了整个系统的效率和性能，而且还大大提高了统一电能质量调节器的智能化水平。图3为系统的硬件总体框图。

图3 统一电能质量调节器硬件总体框图

3.3 系统软件设计

数字控制器的软件系统充分地应用了DSP和ARM内的许多功能模块，如PWM单元、串口通信、定时器、片内A/D和看门狗等。软件的编制与硬件相配合，对于各计算环节与IPM模块控制信号的产生等功能的实现至关重要。统一电能质量调节器的软件系统包括2个部分：DSP模块和ARM模块。

主程序流程图如图4所示，系统主程序主要负责系统的初始化和程序的调用。中断服务子程序如图5所示。中断服务程序包括数据采集、畸变信号检测、补偿量的产生三部分，每次采样都是在定时器的控制下进行。

图4 主程序流程图

图5 中断服务程序流程图

4 UPQC的系统仿真

本文利用PSIM仿真软件进行系统的仿真，PSIM是用于电力电子和电机控制的专业仿真软件，能够提供友好用户界面，具有快速仿真和多功能波形处理等优点，并包含有丰富的控制元件库，为电力电子中电力转换电路设计与控制回路分析提供了强大的仿真开发环境。

在仿真模型中，系统电源采用标准的正弦波电压源来模拟，其线电压幅值设为10kV；系统阻抗设为0.1Ω的电阻和0.05mH的电感；非线性负载采用多个电流源并联，分别为基波250A，2次谐波20A，3次谐波10A，5次谐波25A，7次谐波15A。各谐波A相初相角均为0，这些都是针对煤矿的特征谐波分量进行的设置。仿真波形如图6所示。

图6 UPQC的电流电压补偿前后仿真波形

仿真结果表明，综合电能质量控制技术不仅使矿区低压电网电压波动得到有效控制，谐波电压和不对称现象也基本消除，而且可抑制非线性负载的谐波电流和负序电流且无功电流补偿效果良好。

5 结语

根据上述分析设计的统一电能质量调节器可以看出，这种电能质量调节装置能大大改善配电网的电能质量，为电力系统生产提供绿色能源，从而达到安全生产的目的，大大降低事故发生率，节约电能。随着电力电子技术的发展，功率器件价格将不断降低，统一电能质量控制器在煤矿低压配电网中将会有很好的发展前景。

[1] 吴珊珊，李金鹏，闫陆.统一电能质量调节器的研究综述[J].广东电力，2014，27(1)：94-99.

[2] 王兆安，杨君，刘进军，等.谐波抑制和无功功率补偿[M].北京：机械工业出版社，2006.

[3] 蒋建民，冯志勇，刘美仪.电力网电压无功功率自动控制系统[M].沈阳：辽宁科学技术出版社，2010.

[4] 万健如，裴玮，张国香.统一电能质量调节器同步无差拍控制方法研究[J].中国电机工程学报，2005，25(13)：63-67.

Research on Unified Electric Energy Quality Regulator for Mine Based on CPU

LIUGuo-peng

(Taiyuan Institute of China Coal Science and Industry Group Co.Ltd.,Taiyuan 030006,China)

Recently,with the widely application of the power electronics equipments,it takes many power quality problems to electric power system,makes the power quality of the distribution system too bad and the power factor too low.A steady voltage is important to coal companies for safe production.Considering such phenomena,Unified Power Quality Conditioner(UPQC)was used to improve the power quality,the operational principle of UPQC based on double CPU was analyzed,the design method was put forward and system simulation was realized.

power quality;harmonics;reactive compensation;unified electric energy quality regulator

1004-289X(2015)04-0015-03

国家高技术研究发展计划(863计划)重要项目(2012AA06A405); 山西省科技重大专项(20111101026)

TM714.3

A

2014-10-31

刘国鹏(1983-)，男，山西朔州人，硕士，助理研究员，2008年毕业于辽宁工程技术大学电机与电器专业，从事与煤矿采掘设备自动化相关的研究设计工作。