一种无耦合变压器的交流电压质量治理装置的研制

一种无耦合变压器的交流电压质量治理装置的研制

邓亚奎

（云南电网公司红河供电局变电修试所云南红河661199）

摘要：由于电网电压中存在着过欠压、暂降、谐波等各种质量问题，给生产设备的安全运行带来各种问题。为了保证用户端的电压质量，可以在电网和用户端之间加入串联电压质量治理装置，当前普遍采用电力电子拓扑加变压器耦合隔离的方式，但是这种方式存在变压器体积大、损耗大、成本高等缺点。本文采用一种无耦合变压器拓扑，该拓扑结构简单，成本低廉，易于实现，能实现各种电网电压质量问题的治理。本装置采用DSP+FPGA结合的方式实现装置的控制，利用FPGA的并行运行特点，核心控制环的实现在FPGA中进行实现，比较理想的压缩了控制延时，提升了控制系统的特性，基本可以和模拟系统达到同样的控制效果。本文同时进行了实验验证，实验结果验证了本文所采用拓扑及控制方法的正确性。

关键词：无耦合变压器；电压质量问题；串联交流电压质量治理装置；DSP；FPGA

引言

目前，电网电压中存在的如过欠压、暂降、谐波等电压质量问题得到了广泛关注。针对这一问题，一种直接有效的措施就是在电网和敏感负荷之间加装串联交流电压质量治理装置，通过向电网注入补偿电压来保证用户端的电压质量[1]。然而，目前大多数串联交流电压质量治理装置都采用变压器与电网进行耦合或隔离，即将系统需要补偿的缺损电压耦合到电网或与电网进行必要的电气隔离。但是这种方式中的变压器由于其非线性的特点会有磁饱和现象，增加装置的损耗并且存在体积大，成本高等问题[2][3]。

针对以上问题，本文采用一种无耦合变压器拓扑，该拓扑结构简单，易于实现，能实现各种电网电压质量问题的治理。这种无耦合变压器补偿装置体积小、损耗低、成本低，是一种很有发展前景的产品。

另一方面，诸多电源产品都以TI公司的TMS320F28xx系列DSP为控制核心，集中完成数据采样、指令计算、控制计算等多个环节，DSP需要顺序执行以实现以上诸多环节，往往处理这些环节需要在一个开关周期内完成，这样就带了控制延时的问题，导致系统的控制特性无法提高。对于电源控制系统来说，控制延时的存在严重制约着控制增益的提高，进而影响补偿的效果。市场上诸多产品的常用做法是采用模拟电流环的方式来解决此问题，但是带来了模拟实现方面的诸多缺点。本文创新性的采用FPGA实现控制环、PWM波的调制、高速的采样等诸多操作，以达到控制延时最小化的目的，整体控制性能可以和模拟控制器相比拟。

本文搭建了50kVar的样机进行实验验证，实验结果验证了本文采用的拓扑及控制方法的正确性。

1、无耦合变压器补偿装置工作原理及控制方法

1.1无耦合变压器补偿装置拓扑及其工作原理

针对有变压器耦合的串联设备存在的问题，本文采用一种新的拓扑—单相无耦合变压器三桥臂UPQC补偿结构，如图1所示。

图1单相无耦合变压器三桥臂UPQC补偿结构图

图中iS，iL，ia，ib以及ic分别表示电网电流，负载电流，并联补偿电流，流过公共桥臂b的电流以及串联变换器滤波电感电流；而uS，uL，uO以及Udc则分别为电网电压，负载电压，串联补偿电压以及直流侧电压。从图中可以看出，系统补偿结构主要由三个桥臂（六个开关管）和一个公共的直流侧Cdc，并联变换器由开关管V1，V2，V3和V4构成，串联变换器则由V3，V4，V5以及V6组成。V3和V4构成的b桥臂为两个变换器所共用[4]。

结合图1可以得到稳定工作时a桥臂流过电网电流，b桥臂输出电网电流和负载电流，c桥臂输出电流近似负载电流。同时装置只输出实际电网电压与负载额定工作电压的差值，补偿负载的部分电压，承担部分负载侧与网侧的功率交换。

1.2耦合变压器补偿装置控制方式

单桥无变压器耦合三桥臂UPQC的控制部分主要包含并联侧整流器控制器和串联侧电压补偿控制器；

并联侧整流器控制器的控制方式的框图：

图3串联侧控制器的双闭环控制系统框图

式中，UOref为串联输出电压的指令，UO输出电压采样，Kv交流输出电压调节器，Kc交流输出电流调节器；交流输出电流调节器的输出信号通过惯性环节延时后在拓扑上输出，与电容电压作差形成电感电压，电感两端电压通过等效电抗形成流过电感的电流，电感电流与负载电流求和是流过电容器的电流，与电容的容抗形成电容两端的输出电压。此外，为了抵抗非线性负载的影响，还引入了负载电流前馈iR。

系统要实现三桥臂UPQC补偿功能就必须对两个端口电压进行合理的控制。其中有两个控制器要控制三个电压控制量，先通过电网电压设置比较合理的比例系数，确定并联侧和串联侧都存在关系的中间电压控制量，然后，通过两个控制器分别控制端口电压，最终实现补偿功能；两个控制器的调制输出结果作为正交平面中的矢量，通过SVPWM的调制方式输出PWM波，控制三个桥臂上开关[5]。

1.3基于DSP和FPGA实现控制

数字控制技术以其高度集成化的控制电路和工作性能，成为电力电子行业的一个发展方向，TI公司生产的DSP系列产品TMS320F28xx在电力电子产品中得到广泛应用。由于DSP控制器需要集中完成数据采样、指令计算、控制计算等多个环节，往往处理这些环节需要在一个开关周期内完成，否则容易造成控制混乱，这使得在一定程度上影响着系统开关频率的提高。同时，基于DSP的控制方式的缺点是存在固有一拍延迟，虽然国内外研究减小延时的方法，但固有延时仍然存在。

为了减小控制延时，提高开关频率，系统的控制环可以用模拟电路来完成，但模拟电路存在一致性差，受环境条件影响大、控制不够灵活等缺点。采用FPGA同样可以实现控制环环的模拟控制，同时FPGA可以重复编程，在线调试和运行，配合DSP实现产品的综合控制。本文提出一种DSP+FPGA综合控制方式，用DSP实现复杂的谐波电压分析运算及通讯显示，FPGA实现逻辑保护处理、采样及串并联控制等功能。

如图4所示为FPGA中具体实现主要功能框图，时钟模块分频、倍频用于其中各个子模块的时钟输入。ADC采样模块已很快的速率进行各种电参量的采样，全部电参量通过数据总线传输给DSP，DSP将串联输出的控制指令回传给FPGA模块。PLL锁相环是取输入端的单相电压进行锁定相位，送给并联控制环和串联控制环。三角波发生器以时基计数器为时钟，进行三角波的形成。控制环以采样频率计数器的输出为触发信号，间隔性的进行各个控制参数计算和输出。比较器与死区模块产生具有一定死区时间的同一桥臂上下管PWM驱动脉冲。

图5低电压的补偿

对于图6，通道一是电网电压，通道三是负载电压，设备串联在电网和负载之间；模拟电网电压出现30V左右的高次电压谐波，设备检测电网的高次谐波，输出补偿电压。最后的补偿效果电压谐波在1V以下；

图6电压谐波的补偿

3、结论

本文针对无耦合变压器串联交流电压质量治理装置的新拓扑，在控制系统采用DSP+FPGA综合控制的方式的条件下，搭建一台50kVA容量的串联交流电压质量治理样机。其实验结果证明了该拓扑及其控制方法的有效性，对电网中存在过欠压、暂降、谐波等各种质量问题具有很好的补偿效果。

参考文献：

[1]王兆安，杨君，刘进军，王跃.谐波抑制和无功功率补偿[M].北京:机械工业出版社,2005.

[2]王兆安，刘进军.电力电子技术[M].北京:机械工业出版社,2009.

[3]肖国春,刘进军,王兆安.电能质量及其控制技术的研究进展[J].电力电子技术,2000,34:58-60.

[4]徐峰．一种有源电压质量控制器的研制[D]．西安：西安交通大学．pp.25-40.

[5]胡志亮，肖国春，刘莉等．无变压器串联电压质量调节器的复合控制[J]．电源技术学报，2007，5(4)：317~321．

[6]仇志凌，基于LCL滤波器的三相三线并网变流器若干关键技术研究[D]，浙江大学