靜止同步補償器控制單元設(shè)計

1、SHANDONG畢業(yè)設(shè)計說明書靜止無功功率發(fā)生器控制單元設(shè)計學(xué) 院：電氣與電子工程學(xué)院 專 業(yè)：電氣工程及其自動化 學(xué)生姓名： 姚曉龍 學(xué) 號： 0911111143 指導(dǎo)教師： 趙艷雷 2013 年 6 月2摘要摘要我國電力工業(yè)蒸蒸日上，電力需求也猛增，伴隨著經(jīng)濟的發(fā)展，高壓輸電網(wǎng)絡(luò)日趨成型，但同時對電網(wǎng)的無功功率要求越來越高。無功補償能提高電網(wǎng)功率因數(shù)，提高電能質(zhì)量，保證電網(wǎng)安全運行。靜止無功發(fā)生器應(yīng)運而生。由于其重要性，靜止無功發(fā)生器收到越來越多的關(guān)注和研究。本次設(shè)計對靜止無功發(fā)生器的控制單元進行了研究和實驗分析。本課題主要包括以下內(nèi)容：（1）簡單介紹了課題的來源和意義，無功補償設(shè)備的發(fā)

2、展和靜止無功發(fā)生器的研究現(xiàn)狀。系統(tǒng)分析了靜止無功發(fā)生器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理。（2）經(jīng)過對瞬時無功理論研究之后，分析了兩種無功電流的檢測方法：p、q檢測方法和、檢測方法。（3）介紹了無功發(fā)生器的控制方法，PWM變流器的控制方式有直接和間接兩種。對電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)雙環(huán)控制進行了研究。對兩種控制方法的控制原理進行了說明（4）對電路的軟硬件進行了整體的設(shè)計，包括模塊程序流程和參數(shù)選擇。關(guān)鍵詞：靜止無功發(fā)生器，逆變器，無功補償IIIABSTRACTAbstractWith the continuous development of China's power industry, the rapi

3、d growth of electricity demand and rapid economic development, a wide range of high-voltage transmission network gradually, while the reactive power grid requirements become more stringent. Reactive power compensation can improve the power factor of the electric network ,improve the power quality an

4、d ensure the safe operation of its essential parts. Based on the importance of reactive power and reactive power grid on the growing demand, requires a lot of reactive power compensation equipment in operation. This paper aims to STATCOM control unit depth research and experimental analysis.The main

5、 topics include the following: summary describes the origin and significance of issues, the development of reactive power compensation equipment and static reactive power generator for the status quo. Of STATCOM from the basic structure and principle on the system analysis, and conducted modeling. A

6、fter a systematic and comprehensive theory of instantaneous reactive power of the study, the analysis of reactive current detection of two methods: p, q test methods and detection methods. Introduced STATCOM control methods, PWM converter control mode is divided into direct current control and indir

7、ect current control, and analysis derived inner current loop voltage outer loop control strategy for double-loop control strategy for this study. For each control method and the control principle of a detail. The design of the hardware circuit and software design, including parameter selection and p

8、rogram flow of each module.Keywords: STATCOM; reactive power compensation; inverter目錄目錄摘要IAbstractII第一章 緒論11.1 課題研究的意義11.2 無功功率補償裝置的發(fā)展1 1.2.1 并聯(lián)電容器1 1.2.2 靜止無功補償器（SVC）2 1.2.3 靜止無功發(fā)生器（SVG）21.3 近幾年來國內(nèi)外研究現(xiàn)狀31.4 論文研究內(nèi)容4第二章 SVG的基本結(jié)構(gòu)及工作原理52.1 SVG基本原理5 2.1.1 SVG的組成5 2.1.2 SVG的結(jié)構(gòu)62.2 SVG的工作原理6第三章 瞬時無功電流的檢測8

9、3.1 三相電路瞬時無功功率理論83.2 p、q運算方式10 3.2.1 p、q運算方式的原理圖10 3.2.2 檢測原理103.3 p、q運算方式10 3.3.1 、運算方式的原理圖11 3.3.2 檢測原理113.4 本章小結(jié)12第四章 SVG的控制方法- 13 -4.1 電流的直接控制- 13 -4.2 電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制策略- 15 - 4.2.1 電壓外環(huán)- 17 - 4.2.2 電流內(nèi)環(huán)- 18 -4.3 本章小結(jié)- 21 -第五章 SVG的整體設(shè)計- 22 -5.1 硬件設(shè)計- 22 - 5.1.1 電壓過零檢測電路- 22 - 5.1.2 電流的檢測- 23 - 5.1

10、.3 控制器選擇- 24 - 5.1.4 鎖相環(huán)電路- 24 - 5.1.5 數(shù)字PI控制器的設(shè)計方法- 25 - 5.1.6 SPWM控制原理設(shè)計- 26 - 5.1.7 采集電路- 27 - 5.1.8 直流電壓采樣- 28 - 5.1.9 電壓轉(zhuǎn)換電路- 28 - 5.1.10 保護電路- 29 -5.2 軟件設(shè)計- 30 - 5.2.1 主程序- 30 - 5.2.2 中斷服務(wù)程序- 31 - 5.2.3 初始化問題- 32 - 5.2.4 PI調(diào)節(jié)器- 32 - 5.2.5 數(shù)據(jù)采集- 33 - 5.2.6 過零檢測- 34 - 5.2.7 PWM輸出- 35 -5.3 本章小結(jié)-

11、36 -結(jié)論- 37 -致謝- 38 -參考文獻- 39 -附錄- 40 -第一章 緒論第一章 緒論無功電源對電力系統(tǒng)穩(wěn)定和經(jīng)濟運行，提高電能質(zhì)量具有重大的意義。電網(wǎng)無功功率不平衡將會導(dǎo)致系統(tǒng)電壓波動，嚴(yán)重時可能導(dǎo)致用電設(shè)備的損壞，出現(xiàn)系統(tǒng)電壓崩潰和穩(wěn)定破壞的事故。動態(tài)無功補償是一種提高電壓穩(wěn)定性的有效的措施，是促進電網(wǎng)安全穩(wěn)定和經(jīng)濟運行的客觀需求。因此動態(tài)無功補償技術(shù)已成為電力電子技術(shù)和電力系統(tǒng)研究領(lǐng)域的一項重大課題，受到越來越多的研究人員的關(guān)注。1.1 課題研究的意義隨著我國電力工業(yè)的快速發(fā)展，跨省、跨區(qū)域的大型高壓輸電網(wǎng)絡(luò)逐漸形成，電網(wǎng)中無功功率的需求也日益增加。無功電源和有功電源一樣，

12、是保證電力系統(tǒng)穩(wěn)定和經(jīng)濟運行必不可少的部分。電網(wǎng)無功功率不平衡會導(dǎo)致系統(tǒng)電壓的巨大波動，嚴(yán)重時將導(dǎo)致用電設(shè)備的損壞，出現(xiàn)系統(tǒng)電壓崩潰和穩(wěn)定破壞等事故。因此，無功功率對電力系統(tǒng)是十分重要的，研究無功功率具有很重要的現(xiàn)實意義。1.2 無功功率補償裝置的發(fā)展無功功率補償裝置經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，形成了種類繁多的無功功率補償裝置。用于電力系統(tǒng)中的無功補償裝置主要經(jīng)歷了以幾個主要階段：同步調(diào)相機、電力電容器、靜止無功補償器（SVC）和靜止無功發(fā)生器（SVG）。由于同步調(diào)相機有功功率損耗大，運行維護復(fù)雜、響應(yīng)速度慢，已逐漸退出電網(wǎng)運行，正在被高性能的靜止無功功率補償裝置所取代。所以在本文中不作介紹。下面介紹各

13、種無功補償裝置的發(fā)展及應(yīng)用：1.2.1 并聯(lián)電容器并聯(lián)電容器能吸收容性無功功率，增大局部電壓。并聯(lián)電容器價格低廉、安裝靈活、運行穩(wěn)定、維護方便，已被用在電力系統(tǒng)的各點上，為提高輸電和配電的效率，保持電力系統(tǒng)無功功率平衡發(fā)揮了很大的作用。并聯(lián)電容器的一個缺點是其無功功率輸出與電壓平方成正比：在低壓時無功功率輸出減少，而此時的系統(tǒng)卻需要更多的無功功率，因此無法實現(xiàn)無功功率補償?shù)哪康?。另一個缺點是只能補償固定的無功功率，因為一旦電容值選定后，就確定了其相應(yīng)的無功功率，不會隨系統(tǒng)無功功率需求的改變而改變，是一種靜態(tài)的無功功率補償裝置，易造成欠補償和過補償。根據(jù)安裝的位置不同可以分為就地補償、集中補償、

14、分組補償、混合補償以及隨器補償和跟蹤補償?shù)榷喾N方式。1.2.2 靜止無功補償器（SVC）靜止無功補償裝置往往指使用晶閘管的靜止無功補償裝置，包括晶閘管控制電抗器（Thyristor Controlled ReactorTCR）和晶閘管投切電容器（Thyristor Switched Capacitor-TSC）和這兩種的混合裝置（TCR+ TSC）等。靜止無功補償裝置能夠連續(xù)調(diào)節(jié)補償?shù)臒o功功率。晶閘管投切電容器TSC何時投切可控，響應(yīng)快，能實現(xiàn)動態(tài)補償，能較少電壓波動，提高電能質(zhì)量，減少損耗。但TSC不能連續(xù)調(diào)節(jié)，只能分組投切，與TCR配合使用，才能連續(xù)調(diào)節(jié)，不經(jīng)濟。1.2.3 靜止無功發(fā)生器

15、（SVG）靜止無功功率發(fā)生器（SVG）是指通過自換相的電力半導(dǎo)體橋式變流器來實現(xiàn)發(fā)生和吸收無功功率的無功功率動態(tài)補償裝置。SVG經(jīng)過并聯(lián)在電網(wǎng)上的電抗器的自換向橋式電路，適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)交流側(cè)輸出電壓的相位和幅值，或者直接控制其交流側(cè)電流，就能使該電路發(fā)出或吸收滿足需要的無功電流，實現(xiàn)既能補償感性武功功率，又能補償容性無功功率。SVG分為采用電壓型橋式電路和電流型橋式電路兩種類型，目前使用的主要是電壓型。與傳統(tǒng)的以TCR為代表的SVC裝置相比，SVG的調(diào)節(jié)速度快，運行范圍廣，而且在通過采取多重化、多電平或者PWM技術(shù)等措施后可極大的減少補償電流中諧波的含量。更重要的是，SVG中使用的電抗器和電容器元

16、件遠(yuǎn)比SVC中的要小，這將會大大縮小裝置的體積和成本，SVG具有的如此優(yōu)越的性能，為學(xué)者指明了動態(tài)無功補償裝置的研究方向。另外SVG還有一個特點，能夠動態(tài)補償大范圍快速變化的瞬時無功功率。1.3 近幾年來國內(nèi)外研究現(xiàn)狀從上世紀(jì)70年代開始，研究成果相繼問世：1972年日本發(fā)明了強迫換相的晶閘管橋式電路調(diào)相裝置。1976年美國學(xué)者L. Gyugyi 提出了利用半導(dǎo)體變流器進行無功補償?shù)母鞣N方案，其中使用自換相橋式變流電路的方案最受學(xué)者青睞。1980年日本研制出來了功率為20MVA的使用晶閘管進行強制換相的電壓型逆變器，并投入運營。1986年10月，由美國電力研究院和美國西屋電氣公司共同研制的1

17、MvarASVG 投入運行，這是世界上第一臺使用大功率的門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）作為逆變器元件的靜止補償器。1991年，日本關(guān)西電力公司和三菱電機公司共同研制成功的80 MvarASVG在犬山變電站的154KV系統(tǒng)中投運，維持了該系統(tǒng)中長距離的送電線路中間點的電壓恒定，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。1996年10月美國田納西州電力局(Tennessee valley authority,縮寫為TVA)和西屋電氣公司合作，在電力系統(tǒng)的500KV變電站建造了100 Mvar ASVG，并于投入運營至今，運行情況良好。1997年，德國西門子公司開發(fā)研制的8Mvar ASVG(又稱GTO-SVC)對風(fēng)力發(fā)電機

18、組進行動態(tài)控制。美國電力(American Electric Power，縮寫為AEP)和西屋公司合作，研制了目前世界上唯一一臺由靜止同步發(fā)生器（SVG）和靜止串聯(lián)補償器（SSSC）組成的統(tǒng)一潮流控制器(UPFC)。該裝置并聯(lián)部分的靜止同步發(fā)生器（SVG）己于1997年7月完成，串聯(lián)部分補償器（SSSC）于1998年6月投入運行。在國內(nèi)，90年代以前還沒有較全面的研究成果，只是一些以清華大學(xué)為代表的一些科研機構(gòu)通過研究，做了一些實際的工程，獲得了一定的實際經(jīng)驗，并在理論上有了一些發(fā)展。1994年作為原電力部重大科技攻關(guān)項目由河南省電力局和清華大學(xué)共同研制了20 Mvar ASVG ，并于200

19、0年6月成功地通過了鑒定，這是國內(nèi)首臺投入應(yīng)用的大容量柔性交流輸電裝置。但是，還存在很多問題：武功電流檢測的誤差的問題，算法的改進問題，控制方法的問題，參數(shù)選擇問題。1.4 論文研究內(nèi)容 本論文主要從無功電流檢測、實時控制和硬軟件設(shè)計等方面研究靜止無功功率器。研究內(nèi)容主要包括下面幾個方面：（1）介紹SVG的基本原理，對其特性進行模型分析。（2）電流檢測的兩種方法：p、q運算方式和、運算方式。（3）SVG間接和直接控制方法，重點研究了電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)的雙向控制策略。（4）對裝置進行了軟硬件的設(shè)計。以雙向控制策略、檢測方法為指導(dǎo)，還對各個模塊進行了介紹。-6-第二章 SVG的工作原理及其控制方式第

20、二章 SVG的基本結(jié)構(gòu)及工作原理靜止無功發(fā)生器是指通過自換相的橋式變流器來吸收和發(fā)出無功功率的動態(tài)補償裝置。SVG由交流環(huán)節(jié)和直流環(huán)節(jié)兩部分組成，交流環(huán)節(jié)與電網(wǎng)相連接，同時直流側(cè)電壓或電流經(jīng)過變流器變換成交流電壓或電流輸送到電網(wǎng)中。在變換交流送往各個元件的裝置，逆變器是其核心，主要器件是 IGBT。2.1 SVG基本原理SVG簡單來說就是將橋式電路通過電容器并聯(lián)在電網(wǎng)上，通過調(diào)節(jié)電壓幅值和相位或直接對交流測的電流進行控制，來達到滿足系統(tǒng)的無功需要，實現(xiàn)動態(tài)實時的無功補償。2.1.1 SVG的組成 同步信號控制器脈沖發(fā)生器曲折變壓器逆變器SVG主電路保護板監(jiān)測監(jiān)測驅(qū)動板檢測高壓母線TV變壓器主斷

21、路器 圖2.1 SVG裝置構(gòu)成SVG有變流器，斷路器，曲折變壓器，電抗器，電壓、電流互感器，監(jiān)測、控制、驅(qū)動、保護電路構(gòu)成。電壓電流互感器能得到裝置的工作狀況，還有隔離的作用；監(jiān)測電路對信號進行實時監(jiān)測；驅(qū)動電路能讓指令順利完成，保護電路能讓電路安全正常工作。他們相輔相成，缺一不可。2.1.2 SVG的結(jié)構(gòu)PWM整流電路分為電壓型和電流型兩大類，其結(jié)構(gòu)的電路分別如下： （1）電壓型橋式電路 （2）電流型橋式電路圖2-2 SVG電路圖 目前，主要是電壓型整流電路。與無功功率有關(guān)的能量都是可以雙向流動的，既可以流往負(fù)載側(cè)，也可以從負(fù)載側(cè)流往電源側(cè)。但是電網(wǎng)的能量只是所有元件有功功率之和，不管負(fù)荷功

22、率因數(shù)如何，只要在三相平衡電路中，就滿足這個關(guān)系。用三相橋式變流電路能將三相給統(tǒng)一起來。 2.2 SVG的工作原理通過電力半導(dǎo)體開關(guān)的通斷，將直流側(cè)電壓轉(zhuǎn)變成與電網(wǎng)同頻率的交流側(cè)電壓，其實跟逆變器一樣，只是其交流側(cè)輸出接的是電網(wǎng)而不是所謂的負(fù)載。當(dāng)僅僅考慮基頻的時候，SVG可等效為相位和幅值都可控的并且與電網(wǎng)頻率相同的電壓源，通過交流電抗器與電網(wǎng)相連接。以單相等效電路為例：由于SVG正常工作的時候就是通過電力電子開關(guān)的開斷將直流側(cè)電壓轉(zhuǎn)換成交流側(cè)的與電網(wǎng)同頻率的輸出電壓，其效果就如同電壓型變流器，只不過其交流側(cè)輸出連接的不是無源的負(fù)載，而是系統(tǒng)。因此，當(dāng)考慮到連接電抗器的損耗和變流器本身的損耗

23、，并將總的損耗等效為連接電抗器的電阻，則SVG的實際等效電路就如圖2-2a所示，其電流超前和滯后工作的相量圖如圖2-2b所示。變流器電壓與電流仍然相差90°，因為變流器不消耗無功功率。但是系統(tǒng)提供了用來補充電路中的損耗的有功功率，也就是說相對于電網(wǎng)的電壓來講，電流中有一部分有功分量。這個角也就是變流器電壓與電網(wǎng)電壓的相位差。改變這個相位差，通過并且改變的幅值，就能改變電流的相位和大小，從而SVG從電網(wǎng)吸收或者發(fā)出的無功功率的大小和性質(zhì)也就因此得到調(diào)節(jié)。電流超前電流滯后圖2-3 SVG等效電路及工作原理（考慮損耗）a 單相等效電路 b 相量圖在圖2-2中，變流器自身損耗歸算到了交流側(cè)，

24、并等效成連接電抗器電阻進行統(tǒng)一的考慮。實際上，這部分的損耗發(fā)生在變流器的內(nèi)部，應(yīng)該由變流器從交流側(cè)吸收一定量的有功功率來補充。因此，實際上變流器交流側(cè)電壓與電流的相位差并不是嚴(yán)格的90°，而是比90°略小。 2.3 本章小結(jié)本章首先介紹了靜止無功發(fā)生器的基本結(jié)構(gòu)，對靜止無功發(fā)生器的整體概況有了深刻的認(rèn)識，明確了本設(shè)計應(yīng)該完成的具體的任務(wù)；其次對工作原理進行了深入的研究，從理論上進一步掌握了靜止無功功率發(fā)生器的基本原理，為以后的分析奠定了理論基礎(chǔ)。第三章 瞬時無功電流的檢測第三章 瞬時無功電流的檢測三相電路瞬時無功功率理論首先于1983年由日本赤木泰文提出，此后該理論經(jīng)不斷研

25、究而逐漸完善，在許多方面得到了成功的應(yīng)用。SVG是一個動態(tài)的補償裝置，對電流實時檢測有很高的要求。換句話說，SVG的跟蹤補償特性能否起到作用關(guān)鍵在于電流是不是能及時有效地被檢測出來。檢測方法的優(yōu)劣直接影響了檢測的效果，算法應(yīng)滿足簡單易實現(xiàn)，實時性好、精度高，與其相配合的硬件設(shè)計簡單，經(jīng)濟且方便快捷。本設(shè)計擬使用三相電路的瞬時無功功率理論為基礎(chǔ)，得出無功電流檢測的兩種方法。3.1 三相電路瞬時無功功率理論以下的討論中均假設(shè)三相電路的接線方式為三相三線制。設(shè)各相電壓和電流的瞬時值分別為, ,和, ,。通過3/2變換，變換到兩相正交的坐標(biāo)系中進行研究。 ， (3.1) 式中 。 圖31 坐標(biāo)系下 電

26、壓、電流 矢量圖在圖3-1所示的平面上，、 和、可以分別合成為電壓矢量和 電流矢量。 (3.2) (3.3)式中： e、I 和的模 、和的幅角是三相電路瞬時有功電流， 為瞬時無功電流。則 (3.4)式中三相電路瞬時有功功率p為電壓矢量的模與三相電路瞬時有功電流的乘積。則有： (3.5) 將式及代入式(4.5)并寫成矩陣形式得 (3.6)把式(4.1)代入(4.6)式，可求得p、q對于三相電壓電流的表達式 (3.7)3.2 p、q運算方式所謂p、q運算方式，就是以三相電路的瞬時無功功率理論作為基礎(chǔ)，利用坐標(biāo)系中各正交軸上的瞬時有功、無功功率，然后求得各正交軸上的瞬時有功、無功電流，最后得到的就是

27、p，q運算方式。3.2.1 p、q運算方式的原理圖該檢測方法的框圖如圖3-2所示。圖中上標(biāo)-1表示矩陣的逆。圖3-2 p-q運算方式的原理圖3.2.2 檢測原理根據(jù)瞬時無功理論得出p、q，經(jīng)低通濾波器（LPF）得p、q的直流分量、。電網(wǎng)電壓無畸變時，由基波有功電流與電壓作用產(chǎn)生，由基波無功電流與電壓作用產(chǎn)生。于是對進行逆變換即可得到基波無功電流、，得到無功電流如式（3.8）。 （3.8）3.3 -運算方式首先直接求得坐標(biāo)系各正交軸上的瞬時有功電流和瞬時無功電流，然后得到各相的瞬時無功電流的方法，即是-運算方式。3.3.1 、運算方式的原理圖原理流程如圖3-3所示圖3-3 -檢測方法原理圖圖中

28、3.3.2 檢測原理由圖可知，該檢測方法中，使用了與a相電網(wǎng)電壓同相位的正弦信號sin和對應(yīng)的余弦信號-cos，它們由一個鎖相環(huán)（PLL）和一個正、余弦信號發(fā)生電路得到。計算方法大致同p，q檢測法,在計算無功電流時,只需要對其進行反變換，即可得到無功電流計算公式： (3.9)基波、的計算公式 (3.10)3.4 本章小結(jié)本章介紹和分析了基于瞬時無功功率理論的無功電流檢測方法，pq法和-無功電流檢測方法，并給出了各種方法的原理圖，在此基礎(chǔ)上對每種方法的檢測原理進行了深入的分析和研究.本設(shè)計最終采用-的電流檢測方法。- 39 -第四章 SVG的控制方法第四章 SVG的控制方法SVG控制系統(tǒng)相當(dāng)復(fù)雜

29、，包括檢測、控制和驅(qū)動等多個環(huán)節(jié)。一個經(jīng)典的SVG控制系統(tǒng)的運行流程是：檢測環(huán)節(jié)是1通過電壓互感器、電流互感器將電網(wǎng)和SVG流出的電壓、電流被運到檢測運算電路，檢測運算電路根據(jù)給定的算法得出所需信號傳送到控制器中。由瞬時無功理論知道控制環(huán)節(jié)處理信號，檢測環(huán)節(jié)發(fā)送命令信息，這樣就有了能然門電路導(dǎo)通的信息，這些被送達驅(qū)動電路。驅(qū)動電路將從控制器運算到的發(fā)送信息進行一定的功率放大，然后將其添到變流器的觸發(fā)，來判斷變流器的導(dǎo)通與截止，完成對SVG的控制。在SVG的控制系統(tǒng)中，兩個關(guān)鍵點是采用合適的檢測算法以便精確、快速檢測到所需要的命令信息和采用合適的控制方法以便精確、快速產(chǎn)生實現(xiàn)控制目標(biāo)的驅(qū)動信號。

30、檢測算法與控制策略直接影響了控制系統(tǒng)的控制條件和SVG的輸出能力。SVG的控制系統(tǒng)是為獲取所需的控制信號和動態(tài)特性對檢測信號和給定參數(shù)入量進行處理，這是控制的基本要求。SVG的輸出電流主要是無功電流，這是SVG工作性質(zhì)決定的，控制SVG輸出的無功電流或者無功功率，就可改變SVG吸收無功功率的性質(zhì)和大小。同時，從SVG的工作原理分析得出，控制SVG的輸出電壓和電流都可以達到控制調(diào)節(jié)SVG輸出的無功電流的大小和性質(zhì)的目的。SVG的集中控制策略都是圍繞如何由無功電流或無功功率參考值調(diào)節(jié)SVG真正產(chǎn)生所需的無功電流或無功功率這個環(huán)節(jié)上進行的。根據(jù)是否直接選取電感電流的瞬時值作為反饋和被控制量，PWM變

31、流器的控制方式分為直接電流控制和間接電流控制兩種。電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)雙環(huán)控制策略的算法的優(yōu)越性決定了被選為設(shè)計的最終策略。4.1 電流的直接控制電流直接控制就是采用跟蹤型PWM控制技術(shù)對SVG的交流側(cè)產(chǎn)生的無功電流進行控制。對SVG的交流側(cè)產(chǎn)生的電流進行控制可以用很多種PWM技術(shù)進行控制，并且可以直接控制SVG輸出的無功電流，因此直接控制輸出的無功電流更加精確。其基本的思路是使用適當(dāng)?shù)腜WM控制策略對系統(tǒng)的瞬時無功電流進行處理，從而得到PWM脈沖信號，然后使用這個PWM脈沖信號去驅(qū)動逆變器中可控器件的開斷，從而將控制逆變器輸出的電流瞬時值與電網(wǎng)的瞬時無功電流之間的誤差控制在允許的范圍內(nèi)。常用的直

32、接電流控制：滯環(huán)比較方式、三角波比較方式和空間矢量法。三角波比較法的PWM電流直接控制策略優(yōu)越性被采用，其原理如圖4-1所示： 圖4-1 電流直接控制的三角波比較法 （-電網(wǎng)（或給定）的無功電流；-SVG的輸出電流）瞬時無功功率參考電流減去反饋電流后，通過PI調(diào)節(jié)器運算，再與恒頻三角波比較，用來決定功率開關(guān)的輸出狀態(tài)。邏輯鎖存器作為比較器的輸出，得保證在一個三角波周期內(nèi)，同一橋臂上的開關(guān)器件的狀態(tài)保持恒定。這樣開關(guān)器件的開關(guān)頻率恒定不變，同三角波的周期一樣。輸出開關(guān)頻率恒定，于三角波頻率相等，這就是三角波比較法的突出優(yōu)點。電流的控制既可以是在靜止坐標(biāo)系，也可以是在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)中計算。在靜止坐標(biāo)系下

33、可以做到電流的無靜差調(diào)節(jié)，電流響應(yīng)相對迅速。先前用模擬電路來對電流進行控制，左邊的實際變換是非常復(fù)雜的，因此控制器更容易在靜止坐標(biāo)系中使用。一般來說，系統(tǒng)反電動勢信息當(dāng)做前饋運用于靜止坐標(biāo)的電流控制效果相當(dāng)于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下的電流控制器從而來彌補這種不足。處理器現(xiàn)在有長足的發(fā)展，模擬電路正被數(shù)字電路取代，數(shù)字電路進行變換坐標(biāo)非常方便，現(xiàn)在大都使用的控制器是在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下運行的。一種控制結(jié)構(gòu)是采用dq坐標(biāo)變換的瞬時電流控制法，其結(jié)構(gòu)如圖4-2所示：圖4-2 dq軸電流控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理框圖SVG發(fā)出的三相電流瞬時值、經(jīng)dq坐標(biāo)變換化為有功電流、無功電流，與有功電流、無功電流給定值校對和以后，經(jīng)PI調(diào)節(jié)器運

34、算，再經(jīng)dq反變換，取出三相電流信息，PWM由三角波比較判斷跟蹤，當(dāng)然，PI調(diào)節(jié)器作用于有功電流給定值由直流側(cè)電壓參考值與其同側(cè)電容電壓反饋量比較。但是給定值、和反饋值、一般是直流信息，所以要想點對點的跟蹤監(jiān)測做到無誤差穩(wěn)態(tài)運行交由PI調(diào)節(jié)器。換句話來說，這種策略使用了雙閉環(huán)反饋控制策略，內(nèi)環(huán)是電流環(huán)控制，外環(huán)是電壓環(huán)控制。此控制結(jié)構(gòu)在dq-abc變換前的dq軸下有2個PI調(diào)節(jié)器，且控制結(jié)構(gòu)中電流PI調(diào)節(jié)器是直流信號，直流信號的變化率較大，PI調(diào)節(jié)時無靜態(tài)誤差，調(diào)節(jié)參數(shù)設(shè)計也較為容易。4.2 電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制策略采用帶前饋解耦的PI電流控制策略，逆變器的d、q軸變量相互耦合，由三相逆

35、變器的小信號方程可知，這樣能解除耦合。圖 43無功電流計算圖解圖4-4 控制策略原理框圖圖（1）三相電流用的是負(fù)載側(cè)電流，為圖（2）中所要計算的量在圖4-2中，d軸的參考電流為 (4.1) 為穩(wěn)定直流電壓加入的d軸參考值；q軸參考電流為檢測的無功電流經(jīng)abc/dq變換得到。4.2.1 電壓外環(huán)在已有電流控制環(huán)的基礎(chǔ)上增加電壓控制環(huán)的目的是為了穩(wěn)定逆變器直流側(cè)電壓。由圖4-3得電壓外環(huán)傳遞函數(shù)原理框圖如圖4-5所示圖4-5電壓外環(huán)傳遞函數(shù)原理框圖其中Gv(s)為電壓校正器，Gci(s)為電流內(nèi)環(huán)等效傳遞函數(shù)，為直流輸出受控電流源控制系數(shù)且有，Kv為電壓反饋系數(shù)。1、電流內(nèi)環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù)逆變器的電

36、流內(nèi)環(huán)常按典型I型系統(tǒng)進行設(shè)計以滿足系統(tǒng)隨動性能指標(biāo)。在這種情況下，電流內(nèi)環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù)通常可以近似等效成一階慣性環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)為： （4.14）其中為慣性環(huán)節(jié)時間常數(shù)，大小與電流環(huán)的設(shè)計有關(guān)。2、時變系數(shù)由文獻可知對于時變系數(shù)可以用其最大值作為參數(shù)參與電壓控制環(huán)路的設(shè)計。因此可得： （4.15）3、電壓校正環(huán)節(jié) （4.16）其中為比例參數(shù)，為積分參數(shù)由此得電壓外環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)為 （4.17）電壓外環(huán)可按典型II型系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計控制器參數(shù)，即PI控制器參數(shù)滿足如下關(guān)系： （4.18）其中為斜率為-20dB/dec的中頻段，稱作“中頻寬”令=5， =2ms， =0.01并代入式（4-23）得電壓

37、外環(huán)控制參數(shù)= 71，=0.71，電壓外環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)為： （4.19）電壓外環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù)為： （4.20）本設(shè)計最終采用電壓電流雙環(huán)控制策略。4.2.2 電流內(nèi)環(huán)由圖4-3得系統(tǒng)電流傳遞函數(shù)原理框圖如圖4-4所示：圖4-6傳遞函數(shù)原理框圖其中為電流指令，為反饋電流，為輸出電流，為控制量，Gc(s)為電流校正環(huán)節(jié)，Gpwm(s)為調(diào)制器傳遞函數(shù)，Gf(s)為輸出電流濾波電路傳遞函數(shù)，H(s)為電流反饋采用傳遞函數(shù)。1、輸出電流濾波環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)由圖4-8可以得出從占空比到輸出電流的傳遞函數(shù)Gf(s)為： （4.2）其中為輸出濾波時間常數(shù)2、PWM調(diào)制器傳遞函數(shù)逆變器控制系統(tǒng)的一個重要環(huán)節(jié)PWM

38、是調(diào)制器，該環(huán)節(jié)說明了輸出與輸入之間的關(guān)系，采用三角波比較法的PWM調(diào)制器可以當(dāng)成就是個滯后環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)為 （4.3）其中為三角載波幅值，為開關(guān)周期由于本設(shè)計樣機的開關(guān)頻率為4kHz，開關(guān)周期非常小，所以調(diào)制器可看成一個比例環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)為： （4.4）3、電流反饋環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)因為電流檢測信息中一般都有干擾信號，濾波電路廣泛運用于電流反饋電路中。這環(huán)節(jié)一般使用一階低通濾波器運行。設(shè)濾波器時間常數(shù)為，電流反饋環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)一般用如下表達為： （4.5）其中為濾波器增益4、電流內(nèi)環(huán)PI校正器的傳遞函數(shù)為： （4.6）其中為比例參數(shù)，為積分參數(shù)從控制原理分析，PI控制器為系統(tǒng)傳遞函數(shù)增加了一個位

39、于原點的開環(huán)極點及一個位于平面上左半平面的開環(huán)零點。位于原點的極點用來提高系統(tǒng)的型別以消除或減小系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能，而左平面的負(fù)實零點則用來增加系統(tǒng)的阻尼，緩和控制器極點對整個系統(tǒng)穩(wěn)定性產(chǎn)生的不利影響。系統(tǒng)的電流內(nèi)環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)為： （4.7）其中 當(dāng)考慮電流內(nèi)環(huán)需要具有較快的電流跟蹤性能時，可按典型I型系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計控制器參數(shù)，即PI控制器參數(shù)滿足如下關(guān)系： （4.8）將式（4.8）代入式（4.7）得到開環(huán)傳遞函數(shù)為： （4.9）由典型I型系統(tǒng)的參數(shù)整定法則，取系統(tǒng)阻尼系數(shù)=0.707時有如下關(guān)系成立=0.5 （4.10）由已知得PI控制器參數(shù)為=178 = 0.45 ，所以P

40、I控制器傳遞函數(shù)為： （4.11）將式（4.11）和其它參數(shù)代入式（4.9）得開環(huán)傳遞函數(shù)為： （4.12）電流內(nèi)環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù)為： （4.13）4.3 本章小結(jié)本章主要是研究了SVG的控制方法，特別是對電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)雙環(huán)控制策略的研究，其為電流的直接控制策略，還理論推導(dǎo)出了電壓電流控制環(huán)節(jié)的開閉環(huán)傳遞函數(shù)。第五章 SVG的整體設(shè)計第五章 SVG的整體設(shè)計前面幾章對靜止無功功率發(fā)生器的檢測環(huán)節(jié)和控制策略進行了深入的研究，本章結(jié)合上述的知識要點主要介紹靜止無功發(fā)生器的硬件電路設(shè)計和軟件設(shè)計。5.1 硬件設(shè)計此次設(shè)計涉及到了PWM變流器主電路，用控制電路來實現(xiàn)逆變器的導(dǎo)通與截止，從而產(chǎn)生一定量的

41、補償電流，為減少相應(yīng)的高次諧波含量，SVG的交流側(cè)輸出端子應(yīng)用平波的電抗器。檢測電路主要由電流電壓信號的檢測、采集和轉(zhuǎn)換 。 圖5-1系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖硬件設(shè)計主要有檢測電路、控制電路組成，現(xiàn)給出參數(shù)選擇和方案。5.1.1 電壓過零檢測電路過零檢測電路用于檢測交流電壓的過零點。其原理圖如下5-2 過零檢測電路該電路包括輸入濾波和過零比較兩個部分，它產(chǎn)生一個與電網(wǎng)同周期的信號，上升沿觸發(fā)，作為控制系統(tǒng)的同步中斷源用方波正向過零點的電網(wǎng)信號。中斷發(fā)生時，在中斷服務(wù)程序中采樣，根據(jù)檢測的電壓電流相位關(guān)系，能算出功率因數(shù)角。但是從電網(wǎng)輸出的往往不是標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，加入濾波信號，就能很好的跟蹤電網(wǎng)信號。5.1

42、.2 電流的檢測本系統(tǒng)采用LTS25-NP型傳感器來檢測電流。本文設(shè)計了帶有電壓跟隨的二階低通濾波器檢測電路，具體原理圖如圖52所示。圖53 電流檢測及模擬二階低通濾波器設(shè)計電路在實際電路中，不可避免的出現(xiàn)高次諧波信號及噪聲信號，設(shè)計濾波器過濾掉這些干擾信號至關(guān)重要。上圖中電阻R=10KW,C3=0.1u，C4=0.05u，過濾后的信號經(jīng)過放大電路放大時期電壓幅值在3V以內(nèi)，然后讓DSP進行后續(xù)處理。5.1.3 控制器選擇本設(shè)計采用TMS320LF2407數(shù)字信號處理器(DSP)作為控制器，它內(nèi)部集成了高速DSP內(nèi)核和外圍電路，最高工作頻率可達到40MHz,速度高于傳統(tǒng)的MCU。TMS320L

43、F2407是由TI公司推出的數(shù)字信號處理器芯片，其控制系統(tǒng)的控制精度和芯片的處理能力較高，可以很好的滿足靜止無功發(fā)生器的實時控制要求。采用高性能靜態(tài)COMS技術(shù)，可以將供電電壓降為3.3V，降低了控制器的功耗；30MIPS的執(zhí)行速度可以把指令周期縮短到33ns，從而提高了控制器的實時控制能力。片內(nèi)高達32K的FLASH程序存儲器，高達1.5K字的數(shù)據(jù)/程序RAM，544字雙口RAM和2K字的單口RAM。在靜止無功發(fā)生器控制系統(tǒng)中，TMS320LF2407主要完成控制算法的計算和生產(chǎn)PWM脈沖。由于TMS320LF2407數(shù)字信號處理器本身包括可編程死區(qū)的12路PWM引腳輸出，所以可以方便的實現(xiàn)

44、電力電子器件的控制。DSP中包含兩個事件管理模塊，每個事件管理模塊均可同時產(chǎn)生6路PWM波形輸出，并帶有可編程死區(qū)控制的比較單元。TMS320LF2407專門針對SPWM調(diào)制配備了相應(yīng)的外設(shè)管理器，能夠方便的進行三相SPWM控制信號。5.1.4 鎖相環(huán)電路鎖相環(huán)PLL是一種控制晶振使其相對于參考信號保持恒定相位的電路，在數(shù)字通信系統(tǒng)中使用比較廣。PLL是一個閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，它能使輸出相位和參考相位之間的相差減小到最小。由鑒相器（ phase detector ）、環(huán)路濾波器（ loop filter ）和壓控振蕩器（ voltage control oscillator,VCO ）組成的一種

45、相位負(fù)反饋系統(tǒng)基本鎖相環(huán)，鑒相器的導(dǎo)出信息是輸入信號和振蕩器輸出信號的相位差，該誤差電壓信號通過環(huán)路濾波器濾除高頻分量和噪聲后，輸出低頻信號作為VCO 的控制信號。在控制電壓作用下，VCO 輸出信號的頻率發(fā)生變化并反饋到鑒相器。PDLPFVCO輸出輸入 圖54 鎖相環(huán)路的基本方框圖本文中采用數(shù)字信號處理器(DSP)TMS320LF2407，其運算功能強大，ns級的運算速度，實現(xiàn)了并網(wǎng)鎖相。在軟件程序中，為周期中斷信號分配一個計數(shù)變量，同時設(shè)定該計數(shù)參量用單增這種方式。TLL信息是上升沿觸發(fā)方式，使得全部系統(tǒng)電壓頻率一般由00相位位置對LF2407一個過零的信息。軟件規(guī)定了只要有過零信息計數(shù)變量

46、清0并且重新開始，有了周期中斷中的計數(shù)器，當(dāng)然能看出系統(tǒng)電壓頻率和相位。5.1.5 數(shù)字PI控制器的設(shè)計方法設(shè)計數(shù)字PI 控制器, 就是要確定其系數(shù)K P 、K , , 由于采樣頻率是固定的, 常見的數(shù)字設(shè)計方法有z 域設(shè)計法和模擬設(shè)計法。在PID控制模塊的設(shè)計中，控制參數(shù)的選擇特別重要，一般選擇兩種方法：解析法和實驗法選擇參數(shù)。在選擇PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)時應(yīng)遵循以下原則：1、適當(dāng)加大比例系數(shù)，系統(tǒng)響應(yīng)也會很快，靜差縮減。比例系數(shù)大小要合適，否則會引起系統(tǒng)震蕩。2、增大微分時間能促使整體響應(yīng)靈敏，超調(diào)量會相應(yīng)小點，穩(wěn)定性得到提高。不過易受擾動。當(dāng)微分系數(shù)過大或過小時，能夠讓超調(diào)量和調(diào)節(jié)時間過長。

47、3、減小積分時間將加快系統(tǒng)靜差的消除。但會是超調(diào)量增大，振蕩頻率更大，穩(wěn)定性變壞。圖55數(shù)字PI控制器的結(jié)構(gòu)框圖5.1.6 SPWM控制原理設(shè)計圖 5-6 連續(xù)增減模式下的通用定時器的PWM輸出如圖5-6所示的原理，可得到PWM波的輸出，最終實現(xiàn)SPWM的控制。SPWM的基本思想是使輸出的脈沖寬度按正弦規(guī)律變化，從而有效的抑制了輸出電壓中的低次諧波分量，用三角波與正弦參考波的交點控制開關(guān)管的開通與截止，也就是說能有一組脈沖寬度隨正弦方式變化的矩形脈沖波，其基波周期與T一致，且基波幅值正比于給定調(diào)制電壓信息幅值。本設(shè)計的SPWM控制主要是結(jié)合電流環(huán)的控制和借助于DSP中寄存器來實現(xiàn)的。通過電流環(huán)

48、的控制得到有功部分電壓Ud和無功部分電壓Uq，再經(jīng)過CLARK反變換，得到三相電壓的瞬時值Ua，Ub，Uc。再根據(jù)T3中斷的計數(shù)設(shè)定值，給比較寄存器載入比較值。5.1.7 采集電路采集電路主芯片引腳圖如圖5-7所示：圖5-7 MAX125引腳圖MAX125是MAXIM公司生產(chǎn)的一種高速、8通道、14位的數(shù)據(jù)采集A/D轉(zhuǎn)換芯片，每次轉(zhuǎn)換4通道（CH1CH4）,對于每一指定通道的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，都能最快在3微秒內(nèi)完成轉(zhuǎn)換（在詩中信號接16MHz的情況下），存于內(nèi)部14×4RAM中。且在每個CONVST(轉(zhuǎn)換啟動輸入引腳)脈沖下，內(nèi)部序列發(fā)生器將會產(chǎn)生至少1個通道、最多5個通道的轉(zhuǎn)換順序（在缺

49、省模式下，CH1通道上的數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)換），從而連續(xù)的轉(zhuǎn)換指定通道上的數(shù)據(jù)。在一個轉(zhuǎn)換順序中，當(dāng)最后一個通道的轉(zhuǎn)換結(jié)束后，/INT（中斷輸出，轉(zhuǎn)換結(jié)束信號）的引腳出現(xiàn)了一個低電平，在/RD引腳家低電平脈沖可以一次性的讀取CH1到CH4的數(shù)據(jù)。讀完后，其內(nèi)部數(shù)據(jù)指針返回CH1，且/INT引腳才面位高。MAX125的輸入指令（A0A3）與數(shù)據(jù)輸出（D0D13）在低四位通過三態(tài)門實現(xiàn)復(fù)用。MAX125可獨立采集四路電壓、電流信號，本設(shè)計在采集之前，需要通過HCPL7800光電耦合器件對電壓和電流進行衰減，得到A/D轉(zhuǎn)換和DSP可以處理的小信號，一般將其變換為5+5V的交流電壓信號送入A/D轉(zhuǎn)換芯片，MAX

50、125需采用雙極性供電，本設(shè)計采用LM7905來供電，與DSP的接口經(jīng)過芯片電路74F245進行電平轉(zhuǎn)換后連接。5.1.8 直流電壓采樣如圖58所示，在直流采樣的電路中采用光耦隔離的運放HCPL7800，通過直流電壓的采樣電路、MAX125 A/D轉(zhuǎn)換電路將直流側(cè)的電壓采樣至DSP中，與給定的基準(zhǔn)值比較，形成電壓外環(huán)，為有功電流提供 給定值，使系統(tǒng)穩(wěn)定的運行。圖 5-8直流電壓采樣電路5.1.9 電壓轉(zhuǎn)換電路本設(shè)計中控制板的供電電源是5V，但是TMS320LF2407的工作電壓為3.3V，所以必須進行電壓的轉(zhuǎn)換，將大電壓轉(zhuǎn)換為適合DSP芯片工作的電壓。一種電源轉(zhuǎn)換系列芯片TPS73xx是TI公司為配合DSP而設(shè)計的。其中