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电力电子变压器高压级的综合控制及其DSP实现.pdf
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1、第 5 3卷第 4期 2 0 1 6年2月 2 5日 电测与仪表 El e c t r i c a lM e a s u r e me n t I n s t r u me n t a t i o n V0 1 5 3 No 4 Fe b 2 5。 2 0 1 6 电力电子变压器高压级的综合控制及其 D S P实现 术 赵刚, 卢子广 , 杨达亮 ( 广西大学 电气工程学院, 南宁 5 3 0 0 0 4) 摘要: 为了使电力电子变压器适应配电网高压大功率场合, 文章采甩了高压级 H桥级联低压级 H桥并联的电 路结构, 该结构可以提高系统的电压等级和电流等级。文中主要对系统的工作原理、 拓扑结
2、构进行了分析, 研 究了高压级的控制策略。M A T L A B S i m u l i n k 仿真验证了本方案的可行性。最后用 M O S F E T开关管I R F P 4 6 0自 制 H桥搭建实验平台, 采用 3 2位定点 D S P处理器 T M S 3 2 0 F 2 8 1 2实现对高压 级的综合控制。实验结果表明, 该 系统可以实现 H桥均压, 单位功率因数运行和实时无功补偿等功能, 具有良好的动静态响应性能。 关键词: 电力 电子变压器 ; 级联 H桥 ; 载波移相 S P WM技术 ; D S P 中图分类号: T M 4 2 文献标识码 : B 文章编号: 1 0 0
3、1 : 1 3 9 0 ( 2 0 1 6 ) 0 4 - 0 0 5 1 - 0 6 The hi g h v o l t a g e s t a g e c o mpr e he n s i v e c o nt r o l o f a p o we r e l e c t r o n i c t r a ns f o r m e r an d i t s i m p l e me nt a t i o n o f DS P Z ha o Ga n g,L u Zi g u a n g,Ya n g Dali a n g ( C o l l e g e o fE l e c t r i c
4、 a l E n g i n e e r i n g ,G u a n g x i U n i v e r s i t y , N a n n i n g 5 3 0 0 0 4, C h i n a ) A b s t r a c t : I n o r d e r t o ma k e p o w e r e l e c t r o n i c t r a n s f o r me r( P E T )a p p l y t o h i g h v o l t a g e a n d h i g h p o w e r s i t u a t i o n , a c i r c u i t
5、 s t r u c t u r e o f h i g h v o l t a g e s t a g e c o n s i s t i n g o f c a s c a d e d H b ri d g e s a n d l o w v o l t a g e s t a g e c o n s i s t i n g o f p a r a l l e l H b ri d g e s i s p r o p o s e d i n t h i s p a p e r ,w h i c h c o u l d i mp r o v e t h e v o l t a g e a n
6、 d c u r r e n t c l a s s T h e o p e r a t i o n p r i n c i p l e s a n d t o p o l o g y s t r u c t u r e o f t h e s y s t e m a r e d e s c ri b e d a n d a n a l y z e d a n d t h e c o n t r o l s t r a t e g y o f h i g h v o l t a g e s t a g e i s d i s c u s s e d i n d e t a i l T h e
7、p r a c t i c a b i l i t y o f t h e me t h o d i s v e ri fi e d b y MA T L AB s i mu l a t i o n r e s u l t s F i n a l l y ,t h e h i g h v o l t a g e s t a g e e x p e r i me n t p l a t f o rm i s e s t a b l i s h e d b y H b rid g e s ma d e o f I RF P 4 6 0 a n d c o mp r e h e n s i v e
8、c o n t r o l o f t h e s t a g e i s r e a l i z e d b y fi x e d p o i n t 3 2 一 b i t s DS P c o n t r o l l e r T MS 3 2 0 F 2 8 1 2T h e e x p e rime n t r e s u l t s s h o w t h a t t h e s y s t e m,p o s s e s s e d o f a g o o d p e rfo rm a n c e o f d y n a mi c a n d s t a t i c r e s p
9、 o n s e,c a n a c h i e v e v o l t a g e e q u ali z i n g o f e v e r y H b ri d g e ,o p e r a t e u n d e r a u n i t p o we r f a c t o r c o n d i t i o n o n t h e d s i d e a n d r e a l i z e r e a l t i me r e a c ti v e p o w e r c o mp e n s a t i o n Ke y wo r d s : p o we r e l e c t
10、r o n i c t r a n s f o rm e r ,c a s c a d e d H b r i d g e ,c a r r i e r p h a s e - s h i f t e d S P WM t e c h n o l o gy ,DS P 0引 言 随着电网向智能化方 向发展 , 传统 电力变 压器 因其结构和功 能上 的缺 陷在应用 中越来越 受 到限 制 , 电力电子变压器 ( 又称 固态变压器或智能通用变 压器) 便应 运而生 。电力 电子变压器是一种把 电压 变换、 频率变换、 动态无功补偿、 电能质量控制和不 间断电源等功能集于一身的智能配电设备 1 。
11、文献 2 4 记录了智能变压器早期发展的足迹, 直到 1 9 9 6 年 日本学者提出 了一种智能变压器 , 它不仅体积减 小 , 还能实现恒压恒流 以及功率 因数校正等功能 。 基金项目: 广西科技攻关计划项目( 桂科攻 1 3 4 8 0 0 7 -4 ) 文献 6 提出了一种 由高压级、 隔离级和低压级三级 结构组成 的电力 电子变压器 , 突破 了之前只适用 于 低压小功率场合的局限。近年来, 美 国北卡州罗莱 纳大学提 出了新型智能微型 电网模 型, 即未来可再 生电能 传输 和管 理 网络 ( F u t u r e R e n e w abl e E l e c t ri c E
12、 n e r gy D e l i v e ry a n d Ma n a g e m e n t , F R E E D M) , 并对其 中作为“ 电力路 由器” 的核心设备即固态变压器进行 了大量的研究 并取得了丰厚 的成果【 m J 。 目前 学术 界对应用于高压大功率的电力电子变压器的研究仍 属于重难点, 国内研究以仿真研究为主, 如文献 1 1 进行了电力电子变压器瞬时值控制的仿真研究; 文 献 1 2 提出了 自平衡电子电力变压器的概念, 并对 一 51 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 3卷第 4期 2 0 1 6年2月 2 5日 电测与仪
13、表 El e c t r i c a l Me a s u r e me nt& I n s t r u me nt a t i o n V0 I 5 3 No 4 Fe b 2 5 2 ol 6 其进行 了建 模 和仿 真 研 究; 文献 1 3 引进 了 F R E E D M的先进设计理念, 对应用于 F R E E D M的固 态变压器进行 了仿真研究; 文献 1 4 介绍 了一种 A C D C A C型的电力电子变压器, 并设计了控制器, 做了仿真分析。 文章主要对应用于高压大功率的电力电子变压 器进行研究, 分析其电路拓扑结构, 重点研究了高压 级的控制, 并对其进行仿真和分析,
14、 最后通过 D S P实 现了对高压级的综合控制。仿真和实验结果验证了 文章方案 的可行性和有效性 。 1 电路拓扑结构 如图 1 所示的是一个 电力 电子变压器 的基本原 理拓扑结构 。它 的工作原理是将工频交流电通过三 相全控整流器转变为直流 电, 再将 直流电通 过单相 逆变调制成高频交流, 经高频变压器耦合到副边后 再通过单相整流桥 同步解调成为直 流电, 最后经三 相全控逆变器将直流电逆变成工频交流电输出, 供 用户使用 。 然而 , 在实际的配电网中, 由于受 电力 电子器件 耐压水平的限制, 上述拓扑结构不能满足高压大功 率场合 的需求。基 于该 问题 , 1 9 9 9年 R
15、o n a n和 S u d n o ff提出了一种输入级 ( 高压侧 ) 、 隔离级和输 出级 ( 低压侧 ) 三级结构的电力 电子变压器 6 。这种输入 串联输出并联 的模 块化结构 , 很好地满 足了一 次侧 高电压小电流二次侧低电压大电流的要求, 适用于 高压大功率场合。 文章亦采用高压级、 隔离级和低压级 的三级结 构, 高压级由H桥级联而成, 低压级 H桥并联后连接 三相逆变器, 隔离级为前置 H桥、 高频变压器和后置 H桥组成的双主动桥 , 为研究方便又不失代表性 , 文 章仿真时高压级采用三级级联, 如图2 所示。 2 电力电子变压器的控制 2 1 高压 级控 制 高压级控制一
16、直以来是研究高压大功率电力电 子变压器的重难点, 它主要实现无功功率补偿, 最好 是单位功率 因数 控制 , 并 且尽 可能减 少 电流谐波 。 文章采用基于电压定 向的双 闭环 P I 控制 , 即电压外 环和电流内环控制 。电压外环 的作用 主要是控制输 出直流电压 , 保证直流电压的恒定 ; 电流内环 的作用 主要是按 照电压外 环输 出 的电流指令 进行 电流控 制, 实现单位功率因数。高压级电路的控制结构图 如图 3所示 。 图 1 P E T的基本原理拓扑结构 F i g 1 B a s i c p r i n c i p l e t o p o l o g y s t r u c
17、 t u r e o f P E T 高压级: 隔离级 !低压级 上 : = T J : J l_JI T j_ : : T 图2 高压级 H桥级联的 P E T拓扑结构 F i g 2 A PET t o p o l o g y s t r u c u t u r e o f c a s c a d e d H b r i d g e s i n h i g h v o l t a g e s t a g e 图 3 高压级 的控 制 结构 图 F i g 3 C o n t r o l s t r u c t u r e d i a g r a m o f h i g h v o l t
18、a g e s t a g e 单相交流输入无法完成 电压定 向, 常规的解决 方法是将单相交流电压 “ 。 分别延迟 1 2 0 。 和 2 4 0 。 得 到三相虚拟交 流电, 然后将虚拟三相 电进行坐标变 换 , 从静止三相坐标 系变换到两相静止坐标 系, 最后 得到定向角的三角函数实现电压定 向。之后进行 d q 反变换也是先将 d轴 q轴分量从两相旋转坐标系 变换到两相静 止坐标 系 , 再从两相静止坐标 系变换 到三相静止坐标系, 过程相对复杂, 如图4 ( a ) 所示。 文章采用的是虚拟两相交 流电, 整个变换 过程 如图4 ( b ) 所示 。将单相交流电压 M 延迟 9 0
19、 。 得到正 交分量, 将其直接作为两相静止坐标系 轴和 p轴 上的分量进行定向角三角函数计算。整个过程省去 了三相静止坐标系和两相静止坐标系之间的相互 变换 。 双闭环控制中, 电压外环输出作为 i , 同时令 i = 0 , 如此就可实现单位功率因数控 制。通过 d q 反 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 3卷第 4期 2 0 1 6年2月 2 5日 电测 与仪表 El e c t r i c a l M e a s u r e me n t& I ns t r u me n t at i o n V0 1 5 3 No 4 F e b 25。 2
20、0 1 6 ( a ) 虚拟三相 C o ) 虚拟 两相 图 4 坐标 变换 示意 图 F i g 4 T r a n s f o r ma t i o n s c h e ma t i c d i a g r a m o f c o o r d i n a t e s 变换后取 轴分量作为电流内环给定 二, 最后 采用载波移相 S P WM调制技术产生 P WM波分别去 控制三个变流器 。 引。其中, 设 T ( 0 ) 为三相静止坐 标系到旋转 d q坐标系的变换矩阵, 则 T ( 0 ) 为 d q反 变换矩阵。 根据图 3所示 的控制结构 图可 以画出控制程序 流程图( 见图 5 )
21、, 以便数字控制器的实现。 直流电压P I 调节,得f 直流d ( 反 变换,得 分量作为 给定 电流P I 调节。得调制波 调制波归一化 计算脉冲宽度,发出 P W M波 冲发送完毕? Y e sI ( a ) 主程序流程图 ( b ) P WM发生子程序流程图 图 5控制 程序 流程 图 F i g 5 F l o wc h a r t o f c o n t r o l p r o g r a m 流程图包括主程序 流程图和 中断程 序流程 图。 主程序主要完成系统初始化 、 G P I O口设置、 事件管理 器设置及发生 P WM波等 工作 ; 中断程 序即 P WM 波 发生子程序主
22、要根据双闭环控制算法实时产生 P WM 波信号。 2 2隔 离级 和低 压级 控制 中间隔离级采用常规的开环 P WM控制 , 即对于 前置 H桥采用 占空 比为 5 0 频率 为 1 k H z的 P WM 信号进行逆变, 对于后置 H桥用相同的P WM信号进 行 同步整流 即可_ l 。低压级为三相逆变器 , 对其 的 控制已经很成熟 , 此处不再赘述。 3 仿真及分析 为验证该系统 的有效性 , 文章在 M A T L A B S i m u 1 i n k中根据图2的电路拓扑建立了仿真模型, 并对其 进行了仿真实验。该系统参数为: 电网侧单相交流 电源峰值为 3 1 1 0 2 V,
23、频率 5 0 H z , 滤波电感 5 m H; 高压级直流侧 电容各为 1 0 0 0 0 Ix F, 直流侧总电压给 定为 3 0 0 0 V; 高频变压器容量各为 2 0 k V A, 频率为 1 k H z ; 低压 侧直 流 电容 各 为 1 0 0 Ix F , 滤 波 电感 为 5 mH, 滤波 电容为 3 t x F; 输 出三相交流电压峰值给定 为 3 1 1 V, 负 载有功 功率 为 3 0 k W, 无功 功率 为 1 0 k V a r 。仿真时间设置为 0 4 s , 在 0 2 s 处投入负载。 仿真结果如图 6所示。 由图6 ( d ) 可见, 高压级直流侧总电
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- 电力 电子变压器 压级 综合 控制 及其 DSP 实现
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