王素娥，胡益成，张一西

（1.陕西科技大学电气与信息工程学院，西安710021；2.长安大学汽车学院，西安710064）

基于DSP的电能质量干扰发生装置设计*

王素娥1*，胡益成1，张一西2

（1.陕西科技大学电气与信息工程学院，西安710021；2.长安大学汽车学院，西安710064）

为了检验电能质量控制设备的性能，或者测试电气设备在受到扰动时的工作情况等，需要用一些专门的发生器来产生所需的电能质量干扰现象。基于DSP的电能质量干扰发生装置以DSP为控制器，采用电力电子器件实现，可以产生多种电能质量干扰现象。采用基于模型设计的方法，自动生成代码。最终，在3 kW的试验样机上进行了实验。实验结果表明，电能质量干扰发生装置输出电压的误差精度小于3%，可满足测试电气设备性能的要求。

电能质量；重复控制器；DSP；模型设计

随着电力电子设备在各行业中的广泛应用、电网中各种冲击性和非线性负荷不断增加，使得电力系统中电能质量干扰问题日益严重。电能质量干扰现象主要有：电压凹陷和凸升、电压波动、供电中断以及谐波等方面［1］。不良的电能质量问题可能引起工业生产过程非计划的停产或设备故障，导致用户的生产成本增加，造成经济损失。为了解谐波和畸变等电能质量问题对于电力系统保护、仪器仪表和控制等产生的影响［2］，了解电力系统元件如电机、变压器等对电能质量的反应特性，就需要产生各种类型的电能质量干扰。

目前，比较常见的电能质量干扰发生器都采用波形发生器加功率放大器的方法［1］。其工作原理为：通过任意波形发生器产生所需的低压信号，再通过高压放大器将低压信号放大到合适的值，最后经功率放大后直接输出到待测试的设备上。由于要经过功率放大环节，存在发热问题。因此，基于波形发生器和功率放大器的干扰发生器效率不高，并且容量一般不会很大。

基于上述的问题，本文利用电力电子技术中的交直交变换原理，设计出基于DSP的电能质量干扰发生装置。避免了上述容量限制与效率不高问题，可产生多种的电能质量干扰现象。

1　系统结构

基于DSP的电能质量干扰发生装置的系统框图如1所示，主要由整流模块、逆变模块、DSP控制模块、电压电流采集模块和滤波模块组成。

图1　系统框图

首先通过大功率整流模块从交流电网中获取直流高压作为母线电压。通过人机交互界面设置实验测试所需要的电能质量干扰现象。DSP根据设定电能质量干扰信息，按照相应设定信息，确定给定的电压信号。同时霍尔型电压传感器和霍尔电流传感器采集逆变主回路输出的电压、电流和直流母线电压的信号。信号经过信号调理电路后，通过DSP进行A/D采样，经过标度变换，得到实测电压、电流值。通过闭环控制，采用重复控制算法，进行计算得到各路控制信号的占空比，输出相应的PWM信号。驱动电路根据从DSP输送过来的控制信号驱动IGBT。这样主回路经IGBT开关输出高频方波，通过截止频率适当的三相低通滤波器，输出电能质量出现干扰现象时的电压波形。

2　复合控制器设计

由于本次设计的给定信号为多个频率的交流信号的合成，为实现对给定信号的无静差跟踪。本文采用PI控制与重复控制结合的复合控制器。

2.1传统PI控制器

目前，在逆变器的控制中比例积分（PI）控制器应用比较广泛，其传递函数为：

PI控制器具有算法简单、动态响应快、稳定性好等优点，但PI控制器对交流信号增益是有限的，所以在三相静止坐标系下，很难实现对交流参考信号的无静差跟踪。

2.2重复控制器

重复控制是基于内模原理的控制策略。根据内模原理，系统在稳定状态下，精确跟踪任意参考输入信号的条件是闭环控制系统稳定且包含有输入信号保持器。内模的作用实际上相当于无穷大增益的控制信号保持器，当稳态误差为零时，输出保持在一个恒定的值，仍能维持适当的控制作用。

对于直流信号而言，积分控制器就可以为之提供无穷大的增益，因此能精确地对直流信号进行跟踪。

对于正弦信号而言，以下控制器：

可以为频率是wn的正弦信号提供无穷大的增益。

一般的逆变器重复控制系统示意图如2所示，r为参考信号，e误差信号，ur为补偿后的参考信号，d为扰动信号，P（z）为控制对象，z-N为延迟环节，C（z）为针对被控对象的补偿器。

图2　重复控制原理图

在逆变器控制中，当负载为非线性时，负载电流是非正弦的，其中含有基波及多次谐波。并且死区现象也会对系统产生扰动。因此，实际系统所面临的扰动不是单一频率的，要实现系统的无静差跟踪则需要设置多重频率的正弦函数内模控制器［5-6］。当所需设置的内模控制器重数过多时，将使控制系统过于复杂。由于非线性负载和死区所引起的扰动在每个周期都是以完全相同的波形出现的，即扰动是周期性重复的。因此设置如下内模控制器：

N是每个基波周期的采样次数。式（4）实质是一个数字重复信号发生器，不论输入信号波形如何，只要它以基波周期重复出现，输出就是对输入信号的以基波周期为步长的累加。把这个重复信号发生器作为内模设置在闭环系统中，并设计补偿器以使系统保持稳定，就能够无稳态误差地跟踪相同周期的指令或抑制相同周期的扰动，达到对周期参考信号的完全跟踪和对周期扰动信号的完全抑制。

引入式（4）所示的重复信号发生器内模后，会将N个位于单位圆周上的的极点引入系统，系统将处于临界稳定状态，对模型误差和外界扰动非常敏感，当模型存在误差和有外界扰动时系统将变得不稳定［6-7］。因此在传统重复控制中，会对式（4）所示的内模控制器进行改进，将z-N替换为Q（z）z-N，如图1所示，以确保系统的稳定性。其中Q（z）可以取一个小于1的常数，也可以设计成一个低通滤波器，以减弱积分效果。取Q（z）=0.98时有：

写成差分方程的形式为：

上式可理解为：每隔一个周期（N步），将误差累加一次，本次累加值为上一周期的误差乘以0.98。因此，可以看出Q（z）的引入虽然改善了系统的稳定性，但是系统并非是无静差的。在逆变器控制中，通常取Q（z）为一个小于且接近于1的常数。

前向通道上串接的周期延迟环节Z-N使控制动作延迟一个周期进行，即：本周期检测到的误差信息在下一周期才开始影响控制量。C（Z）是针对逆变器数学模型P（Z）设计的补偿器环节，有以下形式：

它由重复控制增益Kr、超前环节Zk和滤波器S（Z）3个部分组成。其中：

（1）重复控制增益Kr设定为小于1的正常数，它用来控制加入补偿量的强度；

（2）超前环节Zk作为相位补偿环节用来补偿由逆变器控制对象P（Z）和滤波器S（Z）所引入的总相位滞后，从而使得在中低频段近似为零相移。（3）滤波器S（Z）是重复控制器中非常重要的部分，它的作用主要体现在3个方面：它首先要将逆变器控制对象P（Z）中低频段的增益校正为1；其次它应当抵消逆变器较高的谐振峰值，使之不影响系统的平稳性；同时它还应当增强前向通道的高频衰减特性，提高系统的稳定性和抗高频干扰能力。

2.3复合控制技术

重复控制器虽然具有较好的稳态性能，但其前向通道上的延迟环节使本周期的控制量在下一周期才能得到体现。所以当负载突变时，由于控制量在下一周期体现，因而控制器对指令的跟踪受到限制。而PI控制器能对误差即时响应，动态响应速度较快，但对谐波信号跟踪性能不理想。为了使控制系统兼具较好的动态性能和稳态精度，采用如图3所示的复合控制器。

图3　复合控制原理图

当指令突变时，电流内环通过前馈指令即时响应，对突变误差进行调节。而重复控制外环由于滞后一个电网周期，在指令突变的第一个周期内不能对该误差进行调节。在第二个周期中，重复控制器开始起作用，对误差进行逐周期调节。由此可见，PI控制器主要负责加快系统动态响应速度，而重复控制器主要负责提高系统稳态精度。

3　系统仿真及结果分析

3.1仿真系统建立

利用Matlab/Simulink软件建立基于DSP的电能质量干扰发生装置仿真系统如图4所示。

图4　系统仿真模型

其中，滤波电感L1、L2、L3取3 mH，电感内阻Rl= 0.01 Ω，滤波电容C1、C2、C3取4.7 μF。负载电阻R1、R2、R3取20 Ω。交流侧输入电压幅值为800 V。

3.2仿真结果分析

仿真结果如图5所示，为电能质量干扰发生器输出正常电网电压时的波形。可以看出输出的三相电网电压波形标准，无畸变。经FFT分析，其THD为1.83%。

图5　正常电网电压波形

如图6所示，为设置电能质量干扰发生器工作至0.35 s时发生电压凹陷。

图6　电压凹陷波形

从图6以看出，电能质量干扰发生器在0～0.35 s时输出电压正常，在0.35 s时发生电压凹陷，电压降至正常电压的30%。

如图7所示，为设置电能质量干扰发生器工作至0.15 s时发生电压凸升。

图7　电压凸升波形

从图7可以看出，电能质量干扰发生器在0～0.15 s时输出电压正常，在0.15 s时发生电压凸升，并在0.45 s后恢复正常。

图8　电能质量干扰发生器样机

4　试验结果验证

根据前文的设计，本文研制出一台电能质量干扰发生器试验样机如图8所示。并采用基于模型设计的方法自动生成代码。最后，在该试验样机上进行了试验，利用泰克TPS2024B示波器、FLUKE 1735电能质量分析仪进行测试分析。

将电能质量干扰发生器设置在不同的模式，进行如下测试：

（1）设置电能质量干扰发生器工作在发生电压凹陷状态，观察其输出电压波形，与给定信号对比失真度；

（2）设置电能质量干扰发生器工作在发生电压凸升状态，观察其输出电压波形，记录示波器的波形和电能质量分析仪的数据；

（3）设置电能质量干扰发生器工作在发生电压波动状态，记录示波器的波形和电能质量分析仪的数据；

（4）设置电能质量干扰发生器工作在输出含谐波状态，记录电能质量分析仪分析的谐波总含量和各次谐波含量。

如图9所示为泰克示波器测出的电能质量干扰发生器模拟正常电网电压时的输出波形。可以看出电能质量干扰发生器输出的电压波形良好，其总谐波畸变率（THD）为2.1%。

图9　标准电网电压波形

如图10所示，泰克示波器测出电能质量干扰发生器工作在电压凹陷状态时的输出电压波形，其在0～0.35 s时输出电压正常，在0.35 s时发生电压凹陷。电压凹陷发生时间和凹陷后电压幅值与设定一致，其输出与仿真波形基本一致，无失真。

图10　电压凹陷波形

如图11所示，为电能质量干扰发生器工作在输出含谐波且发生电压凸升时的电压波形。设置电能质量干扰发生器输出含3、5、7谐波，谐波畸变率分别为25%、20%、15%，并在0.3 s时发生电压凸升。

图11　输出含谐波且发生电压凸升波形

根据测试结果可知：电能质量干扰发生器输出谐波含量与设定含量基本一致。电压凸升发生时间与设定时间一致，输出波形与仿真波形基本一致。

为了检测本次设计的电能质量干扰发生器的的控制和调节精度，对电能质量干扰发生器输出电压进行了测量分析。通过对测量数据的分析得到，本次设计的电能质量干扰发生器输出谐波含量的误差小于3%和电压幅度的误差小于2%。

5　结论

本文分析了电能质量干扰发生器的工作原理，采用复合控制策略，设计了一台3 kW电能质量干扰发生器的实验样机。仿真和实验结果表明该装置能够模拟电网中发生电压凹陷和凸升、电压波动、供电中断以及谐波等干扰电能质量现象，并且控制输出电压误差小于2%，能够满足测试电气设备性能的要求。

［1］李维光.电力谐波发生器试验装置的研究［D］.河北：华北电力大学，2005.

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王素娥（1973-），女，汉族，河北省安平县人，陕西科技大学电信学院自动化系副主任，硕士，副教授，硕士生导师，研究方向为电力电子与电力传动，自动化控制，296579923@qq.com；

胡益成（1992-），男，汉族，陕西安康人，陕西科技大学控制理论与控制工程专业在读硕士研究生，研究方向为电力电子与电力传动，自动化控制，383197211@qq.com。

Design of Power Quality Disturbances Generator Based on DSP*

Wang Sue1*，Hu Yicheng1，Zhang Yixi2
（1.College of Electrical and Information Engineering，Shaanxi University of Science&Technology，Xi'an 710021，China；2.School of Automoble，Chang'an University，Xi'an 710064，China）

To test custom power devices for their ability to mitigate power quality disturbances，or to test electrical devices for their performance in the presence of disturbances，some special generators are needed to generate the required.Based on DSP，the power quality disturbances generator is designed，which uses DSP as its controller and power electronics devices implement.The generator can generate many types of power quality disturbances.Then using the method of model-based design can be used to implement the automatic code generation.Eventually，experiment on the 3 kW prototype.Experimental results show that the output voltage's error precision of power harmonic disturbances generator is less than 3%，which can meet the performance requirements of testing electrical equipments.

power quality；repetitive controller；DSP；Model design

TM464

A

1005-9490（2016）05-1255-06

项目来源：陕西省教育厅专项项目（2013JK1065）；陕西省工业科技攻关项目（2015GY038）；陕西省协同创新计划项目（2016XT-15）

2015-10-29修改日期：2015-11-19

EEACC:836010.3969/j.issn.1005-9490.2016.05.045