一种用于串联补偿的可控移相逆变电源设计

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(广西大学电气工程学院，广西壮族自治区 南宁 530004)

1 引言

目前在城乡电网传输过程中1，功率因数普遍偏低，并且随着各户家庭所用电器数量上升，感性负载的增加，导致电网末端电压不达标的情况越发严峻，甚至影响到了居民生活[1-2]。为了解决有功损耗与电压幅值的降低，最常用的方法是安装无功补偿装置，同时根据成本与实际需求合理的选择装置类型和安装位置是十分重要的[3]。目前，无功补偿装置使用最广泛的是采用电力电子器件的无功补偿装置[5-6]。文献[7]介绍了一种采用模糊控制的TSC装置快速控制方法，实现了TSC的快速投切，但是并没有改善TSC装置有级补偿的特点，无法做到精确无级的效果。文献[8]介绍了一种将SVG与晶闸管投切电容协同运行的装置，满足了无级补偿的要求，但是由于目前SVG价格高昂使其不能大规模运用。从电网系统的建设、运营、运行综合考虑，无功补偿未来的发展趋势是在缩减成本的基础上，使补偿更加的快速与准确。因此，如何在较低成本的基础上实现对电网无功的高精度补偿成为了现在的重点研究方向。

为了实现对电网低成本高精度的无功补偿，本文设计了一种可控移相逆变电源，其可以与TSC装置共同使用达到无级补偿的作用，同时也可单独运行进行电压补偿。该装置还在中频电源、移相变压器、智能变压器中能够得到广泛的应用。该可控移相逆变电源能够输出稳定的交流电压，同时能够根据输入的方波信号，调整其输出的交流电压的频率和相位，以此达到无功补偿的目的。为了提升电能的利用效果，减小装置对电网的谐波污染，在可控移相逆变电源前级加入了PFC电路，提高装置的功率因数。最后，通过示波器等实验装置测量验证了该装置的电压补偿效果。

2 设计方案

整个系统控制方案如图1所示，采用典型的AC-DC-AC拓扑，整个系统主要由不控整流电路，Boost变换器电路和单相逆变电路组成。控制使用TMS230F28335芯片。

图1 系统框图

该装置通过市电获取电能，经过不控整流桥将市电变为直流电，然后通过Boost PFC电路对其进行功率因数校正，同时使用DSP进行控制，将直流侧电压稳定在400V，再使用4个功率MOSFET进行逆变，最后经过LC电路滤波得到可控的交流电压。为了保证装置运行的安全性，设计了硬件与软件的过电压与过电流保护。

装置逆变部分由隔离变压器串联接入电网之中，通过调节逆变侧输出电压的幅值与相位改变变压器副边线圈上的电压，达到增加或减小输电线上的阻抗的目的，从而改变线路电压压降使负载端电压能够稳定在负载正常工作所需范围之内，实现电压补偿的功能。并且装置补偿的效果能够随着输出电压相位变化而变化。同时，隔离变压器能在电网与逆变装置之间起到隔离的作用。

3 控制策略设计

Boost功率因数校正电路需要达到两个目的，第一是将输出电压稳定在400V，第二是使输入电流正弦化，并且输入电流相位和输入电压相位要保持一致。因此，控制策略选用外环控制电压、内环控制电流的双闭环控制策略，控制框图如图 1所示。

图2 功率因数校正电路控制框图

(1)

文献[9]建立了逆变电路的数学模型为如下：

(2)

其中uaco(s)为逆变器的输出电压，L、C、r分别为逆变回路的滤波电感、电容与等效损耗阻抗；io(s)为逆变器的输出电流；ui(s)为单相全桥的输出电压。其对应的连续时间模型如图3所示。

本文单相逆变器采用的控制方法为电压幅值PI控制。控制器拓扑如图4所示，给定值为单相逆变器所需要输出的正弦电压峰值，将其与实际采样电压的峰值相减得到电压误差信号，送入电压环PI调节器。要跟随的方波信号输入到DSP的外部中断引脚，由DSP计算出需要逆变的正弦波的周期和相位。对电压环PI调节器的输出与计算出的正弦波进行SPWM调制，从而得到控制开关管的占空比信号。由于电压幅值控制的是输出电压波形的峰值，其正弦度由DSP计算得到，这样减小了硬件电路带来的干扰，使输出波形形变更小，并且能够减小DSP系统资源的占用。

图3 单相逆变器连续时间模型

图4 逆变电路控制拓扑

图5 PI电压环控制框图

由于电压环在采样过程中会产生延时以及PWM控制信号所具有的小惯性特性，忽略电流的影响，使用PI做电压环控制时的控制框图可等效于图5。其中，Ts为电压环采样周期，KPWM为PWM等效增益。将两式合并可得：

(3)

(4)

为保证快速跟踪给定电压，本文按典型I型系统设计电压环，由图5得到电压环开环传递函数为：

(5)

(6)

则其闭环传递函数为：

(7)

该系统传递函数为二阶系统，则其阻尼比为：

(8)

PWM波是控制MOSFET的开关脉冲信号，因此其增益为1。逆变器的滤波电感为4.58mH，线路等效阻抗为0.167Ω，信号采样频率等于开关频率20kHz。若使调整时间最小，根据最优阻尼比(ζ=0.707)整定电压环PI参数可得Kpv=30.57，既而得Kiv=1112。

经过上述分析，将电压环PI参数整定完毕后，可以画出其开环bode图与闭环bode图，如图6所示。由图中可看出，电压开环相角稳定裕度为满足系统要求。但是由于建模过程中是在理想模式下工作的模型，忽略了许多干扰及其他条件，因此，实物实验过程中该参数可能不是最优，需要按实际运行过程中调节。

图6 逆变电路波特图

4 关键参数设计

4.1 滤波电路设计

图7 输出电压的FFT图

装置隔离变压器可采用升压变压器或降压变压器。使用降压变压器可减小装置电流容量，本装置由于采用功率MOSFET电流容量较小，因此采用降压变压器，变比为220∶7.5。

当开关器件动作时，由于电路中存在杂散电感，容易在开关器件两端产生尖峰电压，从而损坏开关器件，需要其两端并联RCD吸收电路。PCB布线减小直流母线的引线电感，可以降低开关管尖峰电压。同时，适当增加其源极引线电感可以有效地抑制在开关器件动作时产生的高频电磁干扰[10]。

4.2 DSP软件设计

系统主要使用了TMS320F28335的外部中断模块，ADC模块，PWM模块，DMA模块，SCI模块等外设。功率因数校正电路所需正弦信号通过对市电电压采样信号做过零比较检测转换为方波信号输入到DSP芯片的外部中断引脚，从而在电压过零点时置DSP中的相位变量为0，并且在PWM定时中断服务程序中不断的累加相位变量，由此可以计算出要跟随电压的相位信号。同理可以计算出逆变模块需要跟随的相位信号将其代入算法中运算。在进行AD采样时，可能会采集到开关管的开关噪声，影响采样精度，可以使用DSP进行软件滤波。具体实现是，间断地多次采集同一个通道的值，将多个AD转换器采回的值传输到内存中，在PWM定时中断服务程序中进行中值滤波，最终得到精度较高的数字量。整个系统的程序包括主程序和中断服务程序，主程序中执行实时性要求不高的任务；中断服务程序中主要执行实时性要求较高的任务，。为了减小程序的执行时间，在程序开始时需要将占MCU运算资源多的程序装载到DSP的RAM中运行。

5 实验结果分析

为了验证以上理论的实际可行性，研制了一套1kW带功率因数校正的可控移相逆变电源装置。Boost电路升压电感为1.35mH，Boost电路输出电容为3000μF电解电容和2μF CBB电容并联，功率MOSFET选用IRFP460，Boost PFC电路开关频率为20kHz，逆变电路开关频率为20kHz。控制芯片采用TMS320F28335，电压传感器、电流互感器选用LV25-P、CT103。

使用隔离示波器观察电压传感器采集的电压波形与控制相位的方波，测试结果如图8所示。从图8中可以看出逆变器输出的电压相位是完全跟踪上给定方波的，达到了控制方波使逆变器输出波形移相的目的，并且改变方波的频率同样也可以使得逆变器输出波形的频率随之而改变。使用电能质量分析仪测量可以知道逆变器的空载损耗为40W，损耗低于总容量的3%，符合逆变器通用标准。

图8 输出测试波形

用示波器对装置输入输出的电压与电流波形进行测量，图9(a)是装置没有启动PFC电路时装置输入电压与电流的波形，由于不控整流桥与直流侧大电容的存在使装置输入电流发生严重畸变，导致输入装置的功率因数十分低，图9(b)是装启用了PFC电路的实验结果。从图中可以看出，装置输入的电流跟踪上了输入电压波形，提高了装置的输入功率因数，减小了电网的谐波污染，使用电能质量分析仪，可知装置加载PFC电路之后的功率因数可以达到0.98。

图9 输入波形

图10是装置通过隔离降压变压器将逆变端接入电网中的实验波形。其中，uac是电网负载侧的电压，uo是隔离变压器副边输出电压。图10(a)～(d)分别为在控制装置在改变输出波形的相位时，负载端的电压变化。其中图10(b)是波形相位由0°变化到90°时产生的效果，图10(c)是波形相位由90°变化到180°时产生的效果，图10(d)是波形相位由180°到270°变化时产生的效果。

由图中可知，逆变器电压经过隔离变压器之后产生电压，当其接入电网之后负载电压有明显的变化，并且在装置输出波形处于不同相位的时候，所带给电网的补偿效果也是明显不同的。说明装置能够改变输电线路上的压降，从而实现无级电压补偿的功能。

图10 变压器输出电压与电网负载端电压

6 结论

本文充分利用了TMS320F28335芯片信息处理速度快、能力强，性能优越的特点设计了一种基于DSP的可控移相逆变电源装置。详细介绍了其拓扑结构、关键元器件选择以及算法结构。实验结果表明，该装置可以输出稳定的正弦交流信号，并且能够跟随给定方波，自动调整输出电压的相位与频率，从而改变输电线路上的阻抗达到电压补偿的目的。装置的输出电压谐波率THD值为1.5%满足国标 GB/T14549-93中0.38kV以下电压谐波畸变率为5%的指标。其输入功率因数在带载情况下能达到0.98。为配电网中无级无功补偿实验与应用提供必要条件。