摘要：本装置采用DC-AC及AC-DC-AC双重结构，前级采用功率因数校正（PFC）电路完成AC-DC变换，改善输入端电网电能质量。后级采用单相全桥逆变加变压器输出的拓扑结构，输出功率50W。整个系统以TI公司的浮点数字信号控制器TMS320F28335为控制电路核心，采用规则采样法和DSP片内ePWM模块功能实现SPWM波，采用DSP片内12位A/D对各模拟信号进行采集检测，简化了系统设计和成本。本装置具有良好的数字显示功能，采用CPLD自行设计驱动的4.3英寸彩色液晶TFT-LCD非常直观地完成了输出信号波形、频谱特性的在线实时显示，以及输入电压、电流、功率，输出电压、电流、功率，效率，频率，相位差，失真度参数的正确显示。本装置具有开机自检、输入电压欠压及输出过流保护，在过流、欠压故障排除后能自动恢复。

关键字：PFC，逆变，SPWM，锁相，DSP

Distributed grid of Dynamic Voltage Restorer simulator

Abstract：This device uses a dual structure of the DC-AC and AC-DC-AC, the former level Power Factor Correction (PFC) circuit to complete the AC-DC conversion, to improve the input power quality.The last stage, used single-phase full-bridge inverter topology with transformer output, the output power of 50W.The entire system took TI's floating-point digital signal controller——TMS320F28335 as core of controller ,generated SPWM wave with the on-chip ePWM module according to symmetric regular sampling method.Through the on-chip 12bit A/D converter, TMS320F28335 measured the analog signals, which largely simplified the system design and reduced the cost. The system was embedded with the digital display module. Taking CPLD to drive the 4.3” TFT LCD, the system can display the real-time output signal waveform, the spectral characteristics as well as other parameters, including the input voltage, current, power, the output voltage, current, power, the efficiency, the frequency, the phase the THD. Over-current, over low voltage protection and the automatically recover were realized as well.

Key Words：PFC，inverter，SPWM，Phase-lock，DSP

1 引言

电能是现代社会的主要能源，是人类现代文明的最重要的物质基础之一，高质量的电力供应已成为现代社会生产、生活得以顺利进行和稳定发展的基本条件。上世纪八十年代以来，一些新型电力负荷对电能质量的要求不断提高，电能质量已成为电力企业和用户共同关心的问题。电能质量诸多问题中，由电压波动，包括电压瞬时低下、升高、闪变等造成的危害最为普遍。统计表明，大型电力用户，幅度超过20％的暂降年发生率在10－20次左右。许多高度自动化连续生产过程，每次暂降发生造成的经济损失达数十万至数百万美元之多。可见，减少或减缓电压波动的发生及其造成的危害是提高供电质量的重要内容。

电压凹陷和瞬时供电中断是影响用电设备正常、安全运行最严重的动态电能质量问题。动态电压恢复器(DynamieVoltageRestorer，DVR)是一种电压源型电力电子补偿装置，串接于电源和重要负荷之间。它具有很好的动态性能，当发生电压暂降或凸起时，能在很短的时间（几个毫秒）内将故障处电压恢复到正常值。是解决电压暂降等动态电压质量的方法，具有更高的灵活性，是最经济、最有效的手段，应用前景非常广阔。

本动态电压恢复器实验装置采用DC-AC及AC-DC-AC双重结构，控制器采用TI公司的数字信号处理器TMS320F28335控制,该DSP具有强大的数据处理能力和高运行速度，其丰富的片内资源和外设资源，非常适合于应用于电力电子场合，为本装置设计提供了一个良好的解决方案。实验装置中AC-DC部分采用功率因数校正PFC实现，并联于线路，专注于电流型电能质量问题的治理，以消除谐波污染，节约能源，降低能耗；而动态电压恢复器（DVR）串联于线路，专注于电压型电能质量问题。两部分共用储能单元和能量接口，都可以单独运行实现其自身的功能。PFC和DVR装置同时运行可以使系统的电流和电压波形都保持在一定的标准水平以内，从而实现了统一电能质量调节器所期望达到的目标。

1 系统方案 

2.1 总体介绍

如图所示，本系统采用DC-AC及AC-DC-AC双重结构，两部分共用储能单元和能量接口，DVR的能量源从前级AC-DC或者外接储能元件取得。前级AC-DC采用功率因数校正电路实现，以消除谐波污染，节约能源，降低能耗。在系统电压正常的情况下，DVR装置处于后备状态，串联变压器不向系统注入电压，装置本身的功耗很低。在检测到系统发生电压问题时装置立即投入补偿量，系统电压恢复正常后，补偿量为零，装置再次处于后备状态。控制器TMS320F28335的ePWM模块用来产生SPWM信号；eCAP模块用来接收逆变后正弦信号的频率信息以及其和参考正弦信号之间的相位差；ADC模块用来采样系统各个环节所需的信号量；GPIO模块可以和LCD和按键接口实现人机。

图2-1 DVR拓扑结构图

2.2 方案论证

2.2.1 AC-DC方案

Boost PFC电路的控制模式分为：电感电流连续模式（CCM）、电感电流断续模式（DCM）和电感电流临界连续模式（CRM）。

断续电流模式（DCM）特点：导通时间保持为常数时电感电流的峰值与输入电压成正比。即输入电流波形自然跟踪输入电压波形，其波形图如图（3-4）所示，但开关管电流应力大。

图2-2 Boost PFC工作于DCM模式下波形图

连续电流模式（CCM）特点：电流的纹波小，PFC的效果好，电磁干扰小，开关电流的应力小。适合大功率电路，但其控制策略比较复杂。有三种控制方法：峰值电流控制、滞环电流控制、平均电流控制。其中平均电流控制法的波形如图（2-3）所示。

图2-3 Boost PFC工作于DCM模式下波形图

上述的三种PFC控制方法，其基本特点如表（2-1）所示。

表2-1 常用的PFC控制方法比较

故本设计采用平均电流的控制方法，达到较好PFC效果，开关频率恒定，减少电磁干扰。

2.2.2 DC-AC逆变方案

方案一：单相半桥逆变电路由一对桥臂以及一个带有中点的直流电源构成（如图2-4所示），在实际中，通常用一个直流电源与两个足够大的电容器串联代替带有中点的直流电源，其输出电压幅值为Ud/2，在输出工频电压时，电容的容量要取得大。

图2-4 单相桥式逆变拓扑

方案二： 单相桥式逆变电路是两个单相半桥逆变电路的组合，其电路如图3-2所示。桥式电路的输出波形与单相半桥的输出波形相同，谐波成分也相同，但是幅值增大了一倍。

图2-5 单相桥式逆变拓扑

方案三：采用D类功放芯片，可实现本题目要求的DC—AC驱动、变换及SPWM波，输出可以很好地跟踪电网电压UN，失真小，外围电路简单，只需按要求设计低通滤波器即可。此方案简单，但由于是内部集成，缺少灵活性，故放弃此方案。

经论证比较：单相半桥电路输出幅值低，直流利用率低，且需要很大的电容来保证电容电压的均衡与恒定，很难达到题目的要求，故采用方案二作为DC-AC主电路拓扑。

2.2.3 SPWM方案

方案一：采用分立元件搭建三角波产生电路，正弦波产生电路，通过比较器比较产生正弦脉宽调制信号，通过逆变电路，完成功率放大，实现逆变。

方案二：采用专用集成SPWM芯片产生SPWM信号，通过逆变电路，实现逆变。

方案三：采用软件产生SPWM信号，经逆变电路，实现逆变。

方案比较：方案一模块明确，分立元件成本低，但是电路设计复杂，并且不方便对逆变器的控制，调试时间长。方案二电路简单，易于控制，但是需要控制电路的设计，增加了系统的成本。方案三硬件少，功耗小，容易实现闭环控制和改善系统性能。

综合考虑成本及效率问题，本系统选用方案三。可以采用软件算法全数字化实现。规则采样法产生SPWM波，是由经过采样的正弦波与三角波相交，由交点得出脉冲宽度。当然，这种经过采样的正弦波实际上是阶梯波，只在三角波的顶点位置或底点位置对正弦波进行采样，其原理如图2-6所示。由于阶梯波与三角波的交点所确定的脉冲宽度在一个采样周期Ts（Ts=Tt)内的位置是对称的，所以称为对称规则采样。

由图2-6得，                           （2-1）

脉冲宽度为：          （2-2）

式（2-1）中，为采样点(此处为顶点采样)的时刻。式（2-2）中，采样点时刻只与载波比有关，而与幅度调制比无关，且,。

图2-6 对称规则采样算法示意图

TMS320F28335带有ePWM波形产生单元包含可编程死区控制，可输出非对称PWM波形、对称PWM波形或空间矢量PWM波形。具有可编程的死区控制性能，以防止桥式驱动主电路的上下桥臂短路。同时DSP还具有强大的运算能力，因此用DSP实现SPWM功能更强，编程更灵活，且有更快的运算速度。逆变框图如图2-7所示。

图2-7 DC-AC逆变框图

2.3 关键算法

2.3.1 PFC控制方法

图2-8 PFC基本算法思路框图

在Boost PFC平均电流模式控制方案下，初始PFC控制PWM波形可由电路参数直接计算给出，实现系统启动时无电流内环PI调节，起到PFC系统的快速启动，也避免了启动时电流采样噪声干扰导致的系统不稳定。其中启动PFC控制PWM波形可由下式确定。

      式2-3

其中

即只需知道输入电压幅值，给定中间电压参考值，就可以计算出初始的PWM控制波形，此方法可以大幅减小PFC在启动时对电路的冲击。由于此方法在跟踪相位上略显不足，故在初始启动后，立即采样输入电流波形，加入电流闭环控制，实现相位的精确跟踪，以及进一步减小电流畸变。

图2-9 PFC控制实现算法流程框图

在加入电流闭环控制时，系统采用的是非实时控制，由于实时电流平均控制需要消耗大量CPU资源，而且在电流整流时，波形畸变率也较高。故本设计采用非实时控制，即采集前一个周期的电流波形，在采集的同时对控制PWM波形输出的影子数组进行修改，在紧接着的下个周期，将影子数组赋值给前端工作数组，将计算的PWM波形输出。虽然这种算法在系统响应上有所延时，但带来的电流波形的改善是相当可观的，可以有效消除平均电流的纹波。

2.3.2 PI控制器