基于DSP的静止无功功率发生器的开发

凌雷鸣，刘培哲，宋 健

(1. 江苏镇安电力设备有限公司 研发部，江苏 镇江 212000； 2. 江苏镇安欣润电力科技有限公司 研究中心，江苏 南京 210000)

基于DSP的静止无功功率发生器的开发

凌雷鸣1，刘培哲2，宋 健1

(1. 江苏镇安电力设备有限公司 研发部，江苏 镇江 212000； 2. 江苏镇安欣润电力科技有限公司 研究中心，江苏 南京 210000)

阐述基于数字信号处理器(DSP)的三电平静止无功发生器(SVG)的软硬件设计方法[1]。采用TI公司的F28335芯片，提高系统的响应速度，同时，在软件设计中采用滑窗迭代DFT算法与PI+PR调节器，以提升设备的补偿性能。

三电平；DSP；DFT；PI+PR

随着工业现代化的快速发展，用电负荷也趋于复杂化，其中电动机、变压器等设备在运行过程中会产生一定的无功功率。无功功率会增加元件及线路损耗，影响电能质量，传统无功补偿方式如电容柜、TSC在运行时又易诱发电网谐振。随着电力电子技术的飞速发展，静止无功功率发生器(SVG)为上述问题提供了解决方案。

1 静止无功功率发生器的工作原理

SVG的工作原理如图1所示，对负载端电压及电流信号进行取样，通过信号处理计算出无功电流，将无功电流用作指令信号，送给电流环，经过PI+PR运算后，输出给PWM指令信号，进而输出脉冲给IGBT，输出无功电流，补偿的电流与负载所产生的谐波电流及无功电流相互抵消，最终消除对电网的影响[2]。

图1 SVG工作原理图

2 硬件电路设计

笔者研究了静止无功功率发生器的三电平结构，并试制了一台50kVar的样机，由DSP构成的控制电路对无功采样信号进行真实值还原，并通过功率模块产生补偿电流。以下详细叙述主电路及AD调理电路。

2.1 主电路结构

如图2所示的主电路采用二极管钳位的NPC(三电平)结构，这种结构的优点在于，管压降为母线电压的一半，输出波形更接近于正弦波[3]，且三电平结构的开关频率高于两电平结构，可以有效减小输出电感。输出采用LCL滤波电路，相比于LC滤波，具有体积小、电感量低的特点。其中三电平IGBT模块型号为GD150MLT65C2S。

图2 主电路结构

2.2 信号调理电路

AD调理电路主要实现模拟信号的滤波、放大、抬升等功能，其电路原理如图3所示。电路的前级通过第一级运放构成电压伴随器，并通过C15及R2进行滤波以起到对输入信号的隔离缓冲作用，通过第二级运放及R21—R24对输入电压进行抬升，最后，由稳压管D6，D7构成钳位电路，用以保护DSP输入引脚。

图3 AD调理电路

3 软件设计

图4所示为控制器总体的软件流程，主要由主程序、算法中断、通讯中断构成，其中核心算法为无功提取算法和PI+PR控制算法。

图4 软件流程图

3.1 无功电流提取算法

基于瞬时无功理论的谐波检测算法已成为SVG谐波检测中的一种重要方法,但这种方法需要进行二次坐标变换,不能直接用于单相的谐波检测。利用离散傅里叶变换(DFT)或快速傅里叶变换检测谐波的方法精度高、实现简单,但计算量大,难以在工程中实现．因此,本样机中采用滑窗迭代DFT算法[4],具体由以下公式来说明。基波电流分量i1(kτ)可以由式(1),式(2),式(3)计算得到。

i1(kτ)=A1cos(ωkτ)+B1(ωkτ),

(1)

式(1)中，

i((Ncur-N)τ)cos(ω(Ncur-N)τ)+

i(Ncurτ)cos(ωNcurτ),

(2)

i((Ncur-N)τ)sin(ω(Ncur-N)τ)+

i(Ncurτ)sin(ωNcurτ),

(3)

这种算法将计算A1和B1的公式简化为一次加法和一次减法,谐波电流的计算量大大减少,提高了系统的实时性。

3.2 无功电流环PI+PR调节器

本样机的控制器中，采用的是PI+PR控制，其中PI为线性控制器，比例环节用以减少偏差量，积分环节用以减少静态误差。比例谐振控制，即PR控制，是在PI控制理论的基础上发展起来的。当跟踪的信号是直流分量时，常规的积分器就可以保证系统没有稳态误差。当跟踪的信号是具有一定频率的周期信号时，就需要对常规的控制器进行延伸，要用到比例谐振控制器。PR控制器的传递函数需要设置更多的系数。其中设定的参数包括截止频率、基波谐振频率、比例系数、谐振系数及特定的谐波次数。这5个参数中，基波谐振频率及要补偿的谐波次数是已知的，因此只需要设计其余3个参数。在设计参数时，要保证两个参数恒定不变，改变一个参数，通过观察这个参数的变化对系统性能的影响来确定合适值。通过绘制波特图可以观察到，截止频率的大小可以直接决定带宽的大小，即截止频率越大，带宽越大。比例系数增大，PR控制器的谐振作用随之减少，对频率的选择性补偿作用也就减弱；比例系数过大时，会引起谐振频率和其他频率相互干扰，破坏系统的稳定性。谐振系数越大，在谐振处的增益就越大，系统的稳态误差就越小。在软件中，加入了PR控制器，其传递函数在虚轴上增加了两个闭环极点，控制器在这个点发生谐振，据此，可将PR控制器做成陷波滤波器[5]，对特定频率的谐波进行补偿。本样机的控制器软件中PI+PR控制的原理如图5所示，其中指令电流为从负载电流中检测到的无功电流，反馈电流为PWM变流器产生的电流，经过PI+PR控制器后，产生的比较信号为PWM驱动信号的占空比，将比较信号传递给PWM信号产生模块，从而产生驱动脉冲，进而构成闭环控制器[6]。

图5 PI+PR控制流图

4 调试波形及结论

调试以电容柜为无功电流发生设备，检测到电容的电流波形，然后，SVG发出同样的无功电流来补偿，其中测试的最终结果的波形如图6所示。

图6 SVG调试波形

图6中，1通道为SVG发出的电流波形，2通道为直流侧的电压波形，3通道为电容柜的电流波形，电流的峰值大约100 A。

由图6可知，SVG发出的无功电流波形基本与电容柜无功电流波形吻合，即SVG对负载无功电流有较好的补偿性。

[1] 肖峰.静止无功补偿发生器SVG的研究[D].青岛:山东科技大学,2012: 37-45.

[2] 赵小皓,冯晓云,王利军.电力电子系统的无功功率补偿与谐波抑制研究[J].铁道机车车辆,2007(6):59-61.

[3] 黄赟鹏.三相四线制三电平有源电力滤波器控制方法的研究[D].天津:河北工业大学,2013: 26-31.

[4] 陈勇,田丽,赵明敏,等.基于滑窗迭代DFT和小波分析的谐波电流检测方法[J].重庆工商大学学报,2014(11):25-39.

[5] 任建功,冯斌,牟恩旭,等.滤波器在运动控制器中的应用[J].机床与液压,2014(11):103-106.

[6] 张云.基于改进PR控制的三相四桥臂APF的研究[D].镇江:江苏大学,2012:33-38.

〔责任编辑： 卢 蕊〕

Design of static var generator based on DSP

LING Leiming1, LIU Peizhe2, SONG Jian1

(1. Research and Development Department, Jiangsu Zhen’an Power Equipment Co,Ltd., Zhenjiang 212000, China; 2. Research and Development Department, Jiangsu Zhen’an Xinrun Power Science and Technology Co,Ltd., Nanjing 210000, China)

This thesis mainly describes the software and hardware design methods for multi-level inverters static var generator (SVG) based on digital signal processor (DSP). Application of the chip type F28335 of TI can improve the response rate of the system. At the same time, inserting iteration DFT arithmetic and PI regulation method in the soft design can further improve the compensation performance of the equipment.

multi-level inverters; DSP; DFT; PI+PR

2017-01-12

凌雷鸣(1991—)，男，江苏丹阳人，助理工程师，主要从事控制工程方面研究；刘培哲(1987—)，男，河北保定人，工程师，主要从事电力电子方面研究。

TM761

A

1008-8148(2017)02-0083-03