基于LPC1752的靜止無功發(fā)生器的研究報告提交版

1、.1. - - . 可修編-碩士陳快 基于LPC1752的靜止無功發(fā)生器的研究2021碩士學(xué)位論 文基于LPC1752的靜止無功發(fā)生器的研究箱.1基于LPC1752的靜止無功發(fā)生器的研究摘 要無功功率的補償是保證電能質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)，它在提高功率因數(shù)、降低供電線路的損耗、保證用電設(shè)備的平安運行等方面作用明顯。靜止無功發(fā)生器SVG作為一種補償動態(tài)無功功率的有效方法，已經(jīng)成為近年來無功補償領(lǐng)域的研究熱點。本文首先介紹了無功補償?shù)母靖拍睿瑢VG的工作原理進(jìn)展研究分析，建立了數(shù)學(xué)模型，并在此根底上設(shè)計了基于Philips公司開發(fā)的LPC1752芯片的硬件控制電路和基于SPWM正弦波脈寬調(diào)制控制技術(shù)的

2、軟件控制。在硬件方面，設(shè)計了以MOSFET為功率開關(guān)器件的逆變主電路及由IR2110芯片構(gòu)成的驅(qū)動電路。通過交流信號調(diào)理電路完成強弱電的轉(zhuǎn)換，為交流采樣做準(zhǔn)備；頻率檢測電路用于測量電網(wǎng)電壓信號的周期和頻率，并提供采樣的起始時間，保證采樣和電網(wǎng)信號的同步性；除此之外，還設(shè)計了死區(qū)時間發(fā)生電路，故障檢測電路、通信電路等。在軟件方面，以32位高性能芯片LPC1752作為控制電路的主控制芯片，編寫了基于C語言的控制程序，主要包括：SPWM發(fā)生子程序、采樣子程序、頻率檢測子程序、PI控制器子程序等。在數(shù)據(jù)的處理上，本設(shè)計采用了一種實時替換的方式，即用每次采樣得到的新值替換舊的采樣值，去計算電網(wǎng)相關(guān)參數(shù)，

3、這極大提高了對線路中無功功率的計算精度，實現(xiàn)了對無功的實時跟蹤。本文最后搭建SVG裝置的實驗平臺，對各局部電路的工作性能和輸出效果進(jìn)展測試。這些測試主要包括LPC1752輸出的SPWM波形及其經(jīng)驅(qū)動后的波形，過零比擬電路的輸出波形，對采樣電路的精度驗證，逆變電路輸出的波形以及裝置無功補償效果等方面。本文在最后對本次研究進(jìn)展了總結(jié)，并對今后的研究做出進(jìn)一步展望。關(guān)鍵詞：無功補償 靜止無功發(fā)生器 場效應(yīng)晶體管 LPC1752 SPWM .1Research of Static Var Generator Based on LPC1752ABSTRACTReactive power pensatio

4、n is an important link to guarantee the quality of electrical power,it has a obvious effect on enhancing power factor,reducing the loss of power supply circuit,guaranteeing the safety of electric equipment operation.As a dynamic reactive power pensation method,Static var generator(SVG) has bee a res

5、earch hotspot in the field of reactive power pensation.After introducing the concept of reactive power pensation,analyzing the working principle and establishing the mathematical model of SVG,the paper designs the hardware control circuit based on chip LPC1752 which is developed by Philips pany,and

6、designs the software control based on SPWM(sinusoidal pulse width modulation) control technology.In the part of hardware,the paper designes inverter main circuit using MOSFET as power switch and the drive circuit using chip IR2110.Through the AC signal conditioning circuit to change strong to weak,m

7、ake a preparation for AC sampling;frequency detection circuit is used to measure the AC signal cycle and frequency,and provide the starting time for sampling to ensure the sampling and AC signal synchronization;in addition,the paper also designs a dead-time generator circuit,the fault detection circ

8、uit,munication circuit and so on.In the part of software,based on the LPC1752 which is a 32 bit chip with high performance as the main control chip to control circuit, prepares the control program based on C language, including:SPWM subroutine,sampling subroutine,sampling frequency detection subrout

9、ine,PI controller subroutine and so on.In the processation of data,the paper uses a method of real-time replacement,which uses the new values to replace the old value when sample to calculate the grid parameters,this method improves the calculation accuracy of the reactive power and realizes the rea

10、l-time tracking of the reactive power.At last,the paper builds an e*perimental platform of SVG device,tests the performance and output effect of each part of circuit.These tests include the output of SPWM waveform by LPC1752 and the waveform when SPWM after driving circuit,the output waveform of zer

11、o crossing parison circuit,the precision test of sampling circuit,the waveform of inverter output,reactive power pensation effect of the device and so on.At the end,the paper make a summary of the research,and make a further prospect for future research.KEY WORDS: Reactive pensation; SVG; MOSFET; LP

12、C1752; SPWM.1目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc328611034第一章緒論 PAGEREF _Toc328611034 h 1HYPERLINK l _Toc3286110351.1 課題研究的背景 PAGEREF _Toc328611035 h 1HYPERLINK l _Toc3286110361.2 無功補償?shù)囊饬x和方式 PAGEREF _Toc328611036 h 1HYPERLINK l _Toc3286110371.3 無功補償裝置的開展 PAGEREF _Toc328611037 h 2HYPERLINK l _Toc3286

13、110381.4 國外研究現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc328611038 h 3HYPERLINK l _Toc3286110391.5 SVG的開展趨勢 PAGEREF _Toc328611039 h 4HYPERLINK l _Toc3286110401.6 選題的意義及研究容 PAGEREF _Toc328611040 h 5HYPERLINK l _Toc328611041第二章靜止無功發(fā)生器的根本理論 PAGEREF _Toc328611041 h 6HYPERLINK l _Toc3286110422.1 SVG工作原理 PAGEREF _Toc328611042 h 6HYPE

14、RLINK l _Toc3286110432.2 SVG主電路的數(shù)學(xué)模型 PAGEREF _Toc328611043 h 9HYPERLINK l _Toc3286110442.3 SVG主電路控制方法 PAGEREF _Toc328611044 h 12HYPERLINK l _Toc3286110452.3.1 電流間接控制法 PAGEREF _Toc328611045 h 13HYPERLINK l _Toc3286110462.3.2 電流直接控制法 PAGEREF _Toc328611046 h 14HYPERLINK l _Toc3286110472.4 本章小結(jié) PAGEREF

15、_Toc328611047 h 16HYPERLINK l _Toc328611048第三章靜止無功發(fā)生器硬件電路設(shè)計 PAGEREF _Toc328611048 h 17HYPERLINK l _Toc3286110493.1 系統(tǒng)總體框圖 PAGEREF _Toc328611049 h 17HYPERLINK l _Toc3286110503.2 靜止無功發(fā)生器主電路的構(gòu)造設(shè)計 PAGEREF _Toc328611050 h 18HYPERLINK l _Toc3286110513.2.1 逆變電路的設(shè)計 PAGEREF _Toc328611051 h 18HYPERLINK l _Toc

16、3286110523.2.2 主回路直流側(cè)電容的選擇48 PAGEREF _Toc328611052 h 18HYPERLINK l _Toc3286110533.2.3 吸收電路 PAGEREF _Toc328611053 h 19HYPERLINK l _Toc328611054驅(qū)動控制電路 PAGEREF _Toc328611054 h 20HYPERLINK l _Toc3286110553.2.5 死區(qū)設(shè)置電路 PAGEREF _Toc328611055 h 22HYPERLINK l _Toc328611056工作電源的設(shè)計 PAGEREF _Toc328611056 h 24HY

17、PERLINK l _Toc3286110573.3 靜止無功發(fā)生器控制電路的構(gòu)造設(shè)計 PAGEREF _Toc328611057 h 24HYPERLINK l _Toc3286110583.3.1 LPC1752的構(gòu)造和特點 PAGEREF _Toc328611058 h 24HYPERLINK l _Toc3286110593.3.2 交流信號調(diào)理電路 PAGEREF _Toc328611059 h 25HYPERLINK l _Toc3286110603.3.3 頻率檢測電路 PAGEREF _Toc328611060 h 27HYPERLINK l _Toc3286110613.3.

18、4 故障檢測電路 PAGEREF _Toc328611061 h 28HYPERLINK l _Toc3286110623.4 通信電路 PAGEREF _Toc328611062 h 29HYPERLINK l _Toc3286110633.5 液晶顯示電路 PAGEREF _Toc328611063 h 30HYPERLINK l _Toc3286110643.6 硬件抗干擾技術(shù) PAGEREF _Toc328611064 h 31HYPERLINK l _Toc3286110653.7 本章小結(jié) PAGEREF _Toc328611065 h 32HYPERLINK l _Toc3286

19、11066第四章靜止無功發(fā)生器的軟件設(shè)計 PAGEREF _Toc328611066 h 33HYPERLINK l _Toc3286110674.1 軟件編程的總體考慮 PAGEREF _Toc328611067 h 33HYPERLINK l _Toc3286110684.2 初始化模塊 PAGEREF _Toc328611068 h 35HYPERLINK l _Toc3286110694.2.1 系統(tǒng)初始化模塊 PAGEREF _Toc328611069 h 35HYPERLINK l _Toc3286110704.2.2 外設(shè)初始化模塊 PAGEREF _Toc328611070 h

20、 35HYPERLINK l _Toc3286110714.3 電網(wǎng)頻率跟蹤模塊 PAGEREF _Toc328611071 h 36HYPERLINK l _Toc3286110724.4 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊 PAGEREF _Toc328611072 h 37HYPERLINK l _Toc3286110734.5 數(shù)據(jù)處理模塊 PAGEREF _Toc328611073 h 37HYPERLINK l _Toc3286110744.6 SPWM脈沖輸出模塊 PAGEREF _Toc328611074 h 43HYPERLINK l _Toc3286110754.6.1 SPWM波形的產(chǎn)生原理

21、PAGEREF _Toc328611075 h 43HYPERLINK l _Toc3286110764.6.2 SPWM波形的生成方法 PAGEREF _Toc328611076 h 44HYPERLINK l _Toc328611077用LPC1752產(chǎn)生SPWM波 PAGEREF _Toc328611077 h 46HYPERLINK l _Toc3286110784.7 故障檢測模塊 PAGEREF _Toc328611078 h 47HYPERLINK l _Toc3286110794.8 數(shù)字PI控制器的設(shè)計 PAGEREF _Toc328611079 h 48HYPERLINK

22、l _Toc3286110804.9 本章小結(jié) PAGEREF _Toc328611080 h 49HYPERLINK l _Toc328611081第五章仿真研究及實驗結(jié)果 PAGEREF _Toc328611081 h 50HYPERLINK l _Toc3286110825.1 逆變電路的仿真與諧波分析 PAGEREF _Toc328611082 h 50HYPERLINK l _Toc3286110835.2 實驗結(jié)果及分析 PAGEREF _Toc328611083 h 54HYPERLINK l _Toc3286110845.2.1 測頻局部實驗結(jié)果 PAGEREF _Toc328

23、611084 h 54HYPERLINK l _Toc3286110855.2.2 SPWM脈沖波形輸出 PAGEREF _Toc328611085 h 55HYPERLINK l _Toc3286110865.2.3 采樣電路實驗驗證 PAGEREF _Toc328611086 h 56HYPERLINK l _Toc3286110875.2.4 逆變電路波形輸出 PAGEREF _Toc328611087 h 59HYPERLINK l _Toc3286110885.2.5 裝置補償效果驗證 PAGEREF _Toc328611088 h 59HYPERLINK l _Toc3286110

24、895.2.6 研究總結(jié) PAGEREF _Toc328611089 h 60HYPERLINK l _Toc3286110905.3 下一步的研究方向 PAGEREF _Toc328611090 h 61HYPERLINK l _Toc328611091參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc328611091 h 62HYPERLINK l _Toc328611092致 PAGEREF _Toc328611092 h 65HYPERLINK l _Toc328611093攻讀學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文 PAGEREF _Toc328611093 h 66.1.1第一章 緒論1.1 課題研究的背景科技

25、的進(jìn)步帶來了現(xiàn)代電力電子技術(shù)日新月異的開展，近年來，諸如整流器、逆變器、無功補償裝置等電力電子裝置在電力系統(tǒng)、各工業(yè)部門的廣泛應(yīng)用，嚴(yán)重影響了電網(wǎng)的供電質(zhì)量，甚至帶來平安隱患；各種精細(xì)儀器在生產(chǎn)和生活中得到越來越廣泛的應(yīng)用，這些復(fù)雜的設(shè)備對電能質(zhì)量非常敏感，因此電能質(zhì)量的改善已經(jīng)成為現(xiàn)代工業(yè)和居民用電的迫切要求。無功功率的補償是保證電能質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)，它在提高功率因數(shù)、減輕電力系統(tǒng)負(fù)擔(dān)、降低供電線路的損耗、保證用電設(shè)備的平安運行等方面卓有成效12。所以研究無功補償問題意義重大。在電力系統(tǒng)中，輸電設(shè)備在輸送電能的過程中必須吸收一定的無功功率，這些無功功率的消耗使得線路的輸送容量減小，并且可能會影

26、響到整個供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因此在輸電線路中，有必要在*些重要節(jié)點增加無功補償設(shè)備，對消耗掉的無功能量作出相應(yīng)地補償。在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中，*些感性負(fù)載和非線性負(fù)載也會消耗無功功率，如繼電器、日光燈、電動機及各種變流裝置、電子數(shù)據(jù)圖像設(shè)備等，這些負(fù)載在啟動和正常工作時，有時會吸收大量的無功功率，容易導(dǎo)致電網(wǎng)電壓的波動，給平安用電帶來隱患34。無功功率對輸電網(wǎng)絡(luò)和用電設(shè)備的影響主要有以下幾方面：1無功功率的存在會增大供電線路中的電流，由可知，電流的增大會使線路消耗更多的電能，導(dǎo)致功率利用率的下降，而且消耗的電能會轉(zhuǎn)換成熱量，加速電線的老化。2輸電線路中的視在功率是一定的，由可知，如果無功功率增加

27、，則有功功率必然會減少，有功功率是將電能轉(zhuǎn)化成動能等其他能量的電功率，是用電設(shè) 備正常運行的動力和保證，它的減小會影響對用電設(shè)備的帶動力，給生產(chǎn)生活帶來壓力。3無功功率的增加會增大用電設(shè)備和供電端間的壓降，使電壓產(chǎn)生波動，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定和電能的質(zhì)量5。4感性負(fù)載需要無功功率來建立其正常工作時所需的交變磁場，如果無功功率缺乏，負(fù)載有可能因為工作條件達(dá)不到設(shè)計時的技術(shù)參數(shù)要求而運行失常。1.2 無功補償?shù)囊饬x和方式無功功率對整個電力系統(tǒng)有著重大的意義，對無功功率的補償應(yīng)有針對性，不同情況下的無功應(yīng)選擇不同的補償方式，這樣才能在最大程度上降低損耗，穩(wěn)定電網(wǎng)電壓，防止諧波的產(chǎn)生和增大。由無功功率對輸電

28、網(wǎng)絡(luò)和用電設(shè)備的影響可知，對線路中的無功進(jìn)展補償是十分有意義的，主要表達(dá)如下：1無功補償可以提高系統(tǒng)的功率因數(shù)，增大線路的輸送能力和電網(wǎng)出力，降低線路損耗，實現(xiàn)電能利用的最大化。2就近增設(shè)無功補償裝置，可以方便地為變壓器等感性負(fù)載提供所需的工作條件，保證其正常運行。3能夠減小用電設(shè)備和供電端間的壓降，穩(wěn)定電網(wǎng)電壓，提高供電系統(tǒng)平安性。實現(xiàn)無功補償?shù)姆绞接卸喾N，按照無功補償裝置的安裝位置，可以分為集中補償、分組補償和就地補償三種。集中補償是在供配電線路終端統(tǒng)一安裝無功補償裝置，對整個系統(tǒng)的無功進(jìn)展補償；分組補償主要是在變壓器低壓側(cè)設(shè)置無功補償裝置，對*個區(qū)域的無功進(jìn)展補償；就地補償通常是在單個電

29、動機處安裝無功補償裝置，補償?shù)膰⌒?，也更有針對性，能夠更?zhǔn)確地對所需無功進(jìn)展補償。無功補償通常包括對基波無功和諧波無功的補償兩個方面，本論文只考慮基波的無功電流，對其作動態(tài)無功補償，提高其功率因數(shù)。1.3 無功補償裝置的開展最初的無功補償裝置為并聯(lián)電容器和同步調(diào)相機，在一定的時期，它們在無功補償方面發(fā)揮了極大的作用。隨著電力電子技術(shù)的開展，靜止無功補償器SVC出現(xiàn)了，由各種不同組合方式構(gòu)成的SVC裝置占據(jù)了無功補償領(lǐng)域的主導(dǎo)地位。在此根底上，一種更為先進(jìn)、更具潛力的無功補償裝置出現(xiàn)了，即靜止無功發(fā)生器SVG，現(xiàn)如今，SVG得到了各國的大力開展和研究，逐漸成為無功補償領(lǐng)域的核心力量6。并聯(lián)電

30、容器具有本錢低、方便安裝、構(gòu)造簡單等優(yōu)點，但它的電容值固定不變，不能根據(jù)電網(wǎng)中的無功情況進(jìn)展連續(xù)調(diào)節(jié)實現(xiàn)動態(tài)補償。它對電網(wǎng)的無功補償量還容易受到電網(wǎng)電壓的影響，引起系統(tǒng)的并聯(lián)諧振，帶來平安隱患。同步調(diào)相機是一種能夠?qū)崿F(xiàn)動態(tài)補償?shù)难b置，根據(jù)不同的情況可以對容性無功或感性無功進(jìn)展補償。在過去的幾十年中，它在無功補償領(lǐng)域中占據(jù)著重要的地位，但它的有功損耗大、響應(yīng)慢、維護(hù)復(fù)雜，近來已逐漸退出了電網(wǎng)無功補償?shù)膽?yīng)用領(lǐng)域。自上世紀(jì)70年代以來，靜止型無功補償裝置Static Var pensatorSVC開場得到應(yīng)用。經(jīng)過三、四十年的研究，SVC也經(jīng)歷了幾個時期的開展。第一個時期是1967年，英國GEC公司

31、研制出飽和電抗器SR型的SVC裝置。SR型SVC能夠直接響應(yīng)端電壓的變化，其采用鐵芯構(gòu)造，能承受一定的過電流，但其鐵心需磁化到飽和狀態(tài)，導(dǎo)致很大的損耗，而且當(dāng)負(fù)載三相不平衡時，其不能進(jìn)展分相調(diào)節(jié)，這限制了它在無功補償領(lǐng)域的應(yīng)用。SVC開展的第二個時期是晶閘管器件在SVC中得到了研究應(yīng)用7。1977年，美國GE公司首次將應(yīng)用了晶閘管的SVC接入電網(wǎng)中，并進(jìn)展了演示。第二年，西屋電氣公司使用晶閘管研制了SVC裝置并投入運行。隨后，世界各國都開場大力研發(fā)新型的SVC裝置，我國也引進(jìn)這類裝置進(jìn)展研究，掌握了制造技術(shù)。在近二十多年中，使用了晶閘管的SVC裝置呈現(xiàn)出許多其他傳統(tǒng)補償裝置不可比擬的優(yōu)良性能，

32、其逐漸占據(jù)了市場的主要地位89。SVC有晶閘管控制電抗器和晶閘管投切電容器兩種根本類型，除此之外，還包括它們與機械投切電容器或固定電容器等混合構(gòu)造的裝置，如、等10。SVC響應(yīng)速度快，最重要的是它可以連續(xù)調(diào)節(jié)輸出的無功功率，實現(xiàn)動態(tài)補償，但它需要大電感、大電容，輸出電壓諧波成分較大，只能在感性工況下實現(xiàn)輸出無功功率的連續(xù)調(diào)節(jié)。到80年代，靜止無功發(fā)生器Static Var GeneratorSVG出現(xiàn)了，根據(jù)需要及控制方式，SVG的輸出可以呈現(xiàn)不同的狀態(tài)，當(dāng)呈容性狀態(tài)時，其發(fā)出無功功率；呈感性狀態(tài)時，其吸收無功功率。為了使其輸出電流具有良好的正弦形態(tài)，通?？刹捎肞WM方法對其主電路進(jìn)展控制。與

33、SVC相比，SVG具有如下幾方面的優(yōu)點，這些優(yōu)點使SVG在現(xiàn)代無功補償領(lǐng)域占據(jù)了重要的地位。1SVC響應(yīng)時間約40-60ms，而SVG響應(yīng)時間一般不大于10ms，在抑制閃變上效果更好。2在裝置構(gòu)成上，SVC裝置需較大容量的電容器和電抗器，而SVG則不需要，這使得SVG裝置的占地面積比SVC所占面積小得多。根據(jù)國外的工程經(jīng)歷，同容量的SVG裝置占地面積僅為SVC裝置的三分之一。由于SVG裝置的體積小，因此甚至可以將SVG裝置做成移動式；3在各種類型的SVC裝置中，裝置本身會產(chǎn)生一定量不同次數(shù)的諧波，濾波難度大。而在SVG裝置中，可以采用多電平技術(shù)、多重化技術(shù)和PWM技術(shù)等多種方式來消除次數(shù)較低的

34、諧波，這些方式還能顯著地減小7、11等較高次數(shù)的諧波；4SVC裝置是電抗型的，將其接入電力系統(tǒng)時可能會引起系統(tǒng)阻抗特性的變化，導(dǎo)致諧振的發(fā)生。而SVG裝置為電壓源型的，對系統(tǒng)阻抗沒有影響，也不會導(dǎo)致諧振的發(fā)生1112。5SVG的調(diào)節(jié)圍更大，可根據(jù)需要選擇對系統(tǒng)的無功或有功進(jìn)展調(diào)節(jié)，而SVC只能對系統(tǒng)的無功進(jìn)展補償。由于SVG優(yōu)良的性能，它在無功補償研究領(lǐng)域占據(jù)了極其重要的地位，是電力行業(yè)研究的一個重要熱點。1.4 國外研究現(xiàn)狀使SVG的開展邁上新臺階的是門極可關(guān)斷晶閘管GTO等器件的出現(xiàn)，這些器件功率大且門極可全控，將它們應(yīng)用于SVG裝置的自換相橋式電路中，SVG的性能得到了極大的提高，輸出的

35、波形具有更快的響應(yīng)速度和更好的動態(tài)特性，不管是感性工況還是容性工況，它都能進(jìn)展連續(xù)調(diào)節(jié)，實現(xiàn)無功補償?shù)膰?。SVG在提高系統(tǒng)穩(wěn)定性、防止系統(tǒng)振蕩方面具有其他補償裝置不能相比的優(yōu)越性，已經(jīng)成為靜止無功補償領(lǐng)域的主要開展方向13。在歐美、日本等興旺國家，SVG已經(jīng)得到了應(yīng)用。1980年，世界上首臺SVG樣機問世并投入電網(wǎng)運行，其由日本關(guān)西電力和三菱電機兩家公司共同研制，使用晶閘管構(gòu)成強迫換相橋式電路，容量為14。1986年，美國國家電力研究院和西屋電氣公司研制了SVG實驗裝置，其使用了大功率的GTO作為逆變電路的開關(guān)器件，經(jīng)過測試，其運行狀況良好15。1991年，日本關(guān)西電力和三菱電機公司研制的

36、采用GTO作為功率開關(guān)器件的SVG裝置投入電網(wǎng)運行16。1993年，東京電力與東芝、日立研制了的SVG并成功投運。1996年，美國國家電力研究院、田納西電力局和西屋電氣研制的SVG裝置成功投運。1997年，德國西門子研制的SVG投入運行17；美國投運了的SVG18。2001年，美國投運了的SVG19。2005年，美國能源公司投運了的SVG裝置20。我國在SVG的研究領(lǐng)域起步比擬晚，各大院校成為SVG研究的主力，華北電力大學(xué)、東北電力大學(xué)、清華大學(xué)都發(fā)揮了巨大的作用，取得了卓著的成績。1994年，省供電局和清華大學(xué)將開發(fā)SVG列入研究方案，并先由清華大學(xué)研制一臺容量為的中間工業(yè)試驗裝置和的動態(tài)模

37、擬裝置作為根底理論研究21，1995年，的中試驗裝置通過運行測試，兩年后，該試驗裝置正式投入電網(wǎng)運行22。到1999年，SVG研制成功并順利投運23。SVG的成功研制是我國無功補償領(lǐng)域的里程碑，我國在理論和實踐方面都有了巨大的收獲。目前，通過研制H橋級聯(lián)逆變器，清華大學(xué)成功地研制了SVG，并于2006年成功投運。這標(biāo)志著我國對SVG裝置的研究也到達(dá)了兆乏級，它創(chuàng)造性地使用了鏈?zhǔn)?，能夠在故障突發(fā)時提供電壓支撐，防止暫態(tài)電壓崩潰2425這一事故的發(fā)生。由以上描述可看出，我國在這一領(lǐng)域的研究已經(jīng)到達(dá)了國際水平。1.5 SVG的開展趨勢現(xiàn)代電力電子技術(shù)日新月異的開展，以及各種控制算法的不斷創(chuàng)新，使得S

38、VG有了新的開展趨勢：1SVG主電路由多重化方波變流器開展為PWM型變流器，在現(xiàn)實中，為減少耦合電壓器的使用，一般情況下都將多電平PWM變流器與多重化技術(shù)結(jié)合使用，例如H橋級聯(lián)型多電平變流器26；2早期的SVG的變流器采用GTO作為控制開關(guān)器件，而現(xiàn)在，IGBT和IGCT正逐步取代GTO，在SVG的研究中占據(jù)重要的地位。在裝置容量為幾十兆乏以下的場合，IGBT更是得到重用27；3早期的SVG主要對輸電系統(tǒng)作出無功補償，而到現(xiàn)在，其補償對象的圍得到極大的擴大，不僅要實現(xiàn)對配電系統(tǒng)作出補償，而且在必要情況下還要對各個層次的負(fù)荷進(jìn)展補償。1.6 選題的意義及研究容電能是現(xiàn)代工業(yè)的主要能源，電能質(zhì)量的

39、好壞，直接影響到工業(yè)設(shè)備的運行及企業(yè)的經(jīng)濟效益、社會效益等。為了有效抵抗系統(tǒng)的電壓波動，改善供電環(huán)境，提高電能質(zhì)量，研究容量大、響應(yīng)速度快的無功補償裝置就顯得尤為重要。通過對SVG裝置性能的研究，其在改善電網(wǎng)環(huán)境、提高電能質(zhì)量方面發(fā)揮著越來越重要的作用。對SVG的控制方法進(jìn)展深入的理論研究，對完成的裝置進(jìn)展測試并分析結(jié)果，驗證硬件設(shè)計、軟件設(shè)計以及所選控制方法的合理性和正確性。本論文主要包括以下方面：1對SVG的工作原理進(jìn)展研究，建立數(shù)學(xué)模型，分析其主電路的控制方法，通過比照，采用電流直接控制法進(jìn)展控制。2設(shè)計實驗裝置的硬件電路，包括使用MOSFET作為開關(guān)器件的逆變主電路，驅(qū)動電路、交流電壓

40、電流信號調(diào)理電路、頻率測量電路、保護(hù)電路和通信電路等；3設(shè)計軟件流程，編寫各模塊子程序，包括A/D采樣、SPWM驅(qū)動信號、數(shù)據(jù)計算處理程序等，使用LPC1752實現(xiàn)所采用的算法以及控制功能；4搭建容量為1000var/220V的SVG實驗平臺，對逆變電路、采樣電路、驅(qū)動電路等各局部電路進(jìn)展測試，并對整個裝置進(jìn)展測試，驗證本論文中硬件設(shè)計和軟件編程的正確性。.1第二章 靜止無功發(fā)生器的根本理論2.1 SVG工作原理靜止無功發(fā)生器SVG采用自換相橋式電路為逆變電路，其部通過對電網(wǎng)的無功情況進(jìn)展測算，產(chǎn)生控制逆變電路功率開關(guān)器件的通斷信號，去調(diào)節(jié)逆變電路輸出電壓，或者直接控制交流側(cè)電流。將逆變電路交

41、流側(cè)輸出端接入電網(wǎng)，即可向電網(wǎng)吸收或發(fā)出無功功率28。SVG裝置中常用的橋式主電路主要有兩種類型：電壓型和電流型29，如圖2-la和圖2-lb所示分別為兩種電路的構(gòu)造圖。其中電壓型的橋式電路其直流側(cè)采用的儲能元件為電容，交流側(cè)輸出端通過電抗器接入電網(wǎng)；電流型的橋式電路其直流側(cè)采用的儲能元件為電感，因為開關(guān)器件自換相時會產(chǎn)生過電壓，所以其交流側(cè)輸出端需要并聯(lián)電容器去吸收過電壓。實際中，在考慮了運行效率等諸多因素后，電網(wǎng)中投入運行的SVG裝置以采用電壓型橋式電路為主電路居多30。(a)采用電壓型橋式電路 (b)采用電流型橋式電路圖2-1 SVG的電路根本構(gòu)造Fig.2-1 Basic circui

42、t structure of SVG由圖2-la可知，SVG工作時類似于一個電壓型逆變器31 32，通過對橋式電路開關(guān)器件的通斷進(jìn)展控制，可以將直流側(cè)電壓逆變成交流電壓，交流電壓由交流側(cè)輸出并接入電網(wǎng)，輸出交流電壓應(yīng)與電網(wǎng)電壓同頻率。如果只考慮基波頻率，SVG可等效為一個交流電壓源，其與電網(wǎng)的頻率一致，且幅值和相位均可控制。輸出端通過電抗器接入電網(wǎng)，通過調(diào)節(jié)電流去控制輸出無功功率的性質(zhì)和大小。如圖2-2所示為SVG單相等效電路原理圖，為電網(wǎng)電壓，為SVG交流側(cè)輸出電壓，連接電抗上的電壓為，則可表示成和的相量差，即，上的電流可以通過控制來改變。即為SVG從電網(wǎng)吸收的電流。SVG是吸收感性無功還是

43、容性無功以及吸收無功的大小，取決于其從電網(wǎng)吸收的電流的大小和相位，由上述分析可知，此時只需改變的幅值及其相對于的相位就能夠改變上的電壓，從而控制的大小和方向33。通過控制開關(guān)器件使逆變器輸出電壓與電網(wǎng)電壓同頻率同相位，則逆變器輸出電流為 2-1先考慮不計損耗的情況，這時可將連接電抗器當(dāng)作純電感，它不需要電網(wǎng)向其提供有功功率，如圖2-2a所示。(a) 單相等效電路 (b)電流超前相量圖 c電流滯后相量圖圖2-2 SVG等效電路及原理不考慮損耗Fig.2-2 Basic equivalent circuit and principle of SVG (without loss)由于與同相，由式2-

44、1可知逆變器交流側(cè)輸出電流與電網(wǎng)電壓間存在90的相位差，可知逆變器輸出的電流為無功電流，相應(yīng)地，輸出功率為無功功率。設(shè)逆變器輸出的無功電流為，輸出的無功功率為，則 2-2 2-3 2-4由式2-2可知，當(dāng)時，滯后90，如圖2-2b所示，這時無功功率發(fā)生器輸出感性無功功率，這時式2-3中的；當(dāng)時，超前90，如圖2-2c所示，這時無功功率發(fā)生器輸出容性無功功率，這時式2-3中的。通過對SVG輸出電壓電流與電網(wǎng)電壓大小及相位的關(guān)系討論，可知控制SVG輸出電壓的大小，就可以控制其輸出無功功率的大小，以及無功功率是感性的還是容性的。在SVG的直流側(cè)，要有一個直流電壓源以提供逆變所需的直流電壓，如果逆變電

45、路中開關(guān)器件在工作過程中不消耗有功功率，即不產(chǎn)生有功損耗，則SVG直流側(cè)的直流電壓源可用一個電容器或幾個電容器組合代替，這時只需給直流電容器提供一個初始充電電壓即可，通過電容的充放電可完成整個逆變過程。但無損耗只是一種非常理想的狀態(tài)，開關(guān)器件在實際工作過程中必須消耗一定的有功功率。如果SVG只輸出無功功率，并且與電網(wǎng)間無任何有功能量的交換，則開關(guān)器件所需的有功能量只能來自于電容器電壓，在電容器的充放電過程中不斷消耗，這時電容電壓不斷減少，這將影響SVG輸出電壓電流的穩(wěn)定性，影響SVG的性能，為了防止這一情況的出現(xiàn)，在每個電容充放電周期中，應(yīng)適當(dāng)?shù)亟o開關(guān)器件補充能量34。如圖2-3a所示，是考慮

46、損耗下的單相等效電路圖，這里將線路中總的耗損歸結(jié)到連接電抗器的電阻來考慮，這時表示的是連接電抗器和電阻上的總壓降，SVG的有功損耗即是上消耗的有功能量。在這種情況下，SVG的輸出電壓為純感性或純?nèi)菪裕渑c電流相差90。而由于的存在，電網(wǎng)要向提供一定量的有功能量，這時電網(wǎng)電壓與電流的相位差不再是90，而是存在一個值為的差角，所以電流中產(chǎn)生了有功分量。改變值和SVG輸出電壓的幅值大小，即可改變電流的大小和方向，繼而可以控制SVG從電網(wǎng)吸收無功功率的性質(zhì)。如圖2-3b所示為電流超前和電流滯后時的SVG工作相量圖，當(dāng)電流超前電壓時，SVG吸收的無功為容性無功；當(dāng)電流滯后電壓時，SVG吸收的無功為感性無

47、功。(a)單相等效電路 (b)電流超前向量圖 c電流滯后向量圖圖2-3 SVG的等效電路及工作原理計及損耗Fig.2-3 Basic equivalent circuit and principle of SVG(including loss)在以上分析中，將逆變器自身的損耗與連接電抗器損耗一起考慮，一同歸入交流側(cè)，而在實際情況下，逆變器的損耗發(fā)生在其部，這表示逆變器從交流測吸收了一定量的有功功率，所以SVG輸出電壓與其輸出電流并不是嚴(yán)格地相差90，而是略小于9035 36。下面將對考慮損耗情況下，對影響SVG輸出無功的因素進(jìn)展分析。如圖2-4所示為SVG工作時的無功示意圖。(a)容性工況 (

48、b)零無功 (c)感性工況圖2-4 無功示意圖有損耗時Fig.2-5 The picture of reactive power(including loss)分析圖中各向量構(gòu)成的三角關(guān)系，可得下式： 2-5式中 SVG輸出電壓有效值；電網(wǎng)電壓有效值；與相位差；連接電抗器阻抗角，。由此得連接電抗器兩端電壓有效值為 2-6穩(wěn)態(tài)時SVG從電網(wǎng)吸收的無功電流和有功電流可由電抗器兩端的電壓及電抗和等效電阻確定，易得無功電流和有功電流的有效值分別為 2-7 2-8SVG交流側(cè)輸出基波電壓為 2-9則SVG從系統(tǒng)吸收的無功功率與有功功率分別為 2-10 2-11由式2-10可知，當(dāng)時，即超前，SVG吸收超

49、前無功；當(dāng)時，即滯后，SVG吸收滯后無功。兩種狀態(tài)下，均可用式2-7式2-11來描述系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)。由式2-9可知，與的大小是一一對應(yīng)的關(guān)系，這為通過控制提供了理論依據(jù)。通過之前的分析可知，SVG在運行過程中自身有一定的損耗，由式2-11，無論大于還是小于0，均有，這說明電網(wǎng)必須提供一定量的有功來補償SVG部的損耗。2.2 SVG主電路的數(shù)學(xué)模型SVG接線圖如圖2-5。圖2-5 SVG接線圖Fig.2-5 SVG wiring diagram建模之前先對SVG裝置作如下假設(shè)37 38：1將SVG裝置中的各種損耗用等效電阻表示，連接電抗器、變壓器中的電感用等效感抗表示；2設(shè)三相電路參數(shù)對稱，SVG裝

50、置中的變壓器為理想變壓器；3在設(shè)計中，SVG裝置的輸出電壓由三個單相橋式電路輸出的電壓疊加合成，采用PWM控制法，只含有少量的高次諧波，這里忽略不考慮，而只考慮SVG輸出電壓中的基波分量。基于如上三點假設(shè)，將SVG輸出的三相基波電壓串聯(lián)起來，則可得總的輸出電壓為： 2-12式中 比例系數(shù)；SVG輸出電壓與系統(tǒng)電壓的夾角，其大小可以控制。系統(tǒng)三相電壓對稱，兩兩間的夾角為120，可用如下式子描述： 2-13根據(jù)SVG的原理圖，可得SVG裝置三相數(shù)學(xué)方程為： 2-14將式2-12和式2-13代入，得到： (2-15)根據(jù)能量關(guān)系，直流側(cè)電容電壓的方程為： (2-16)利用式2-12化簡式2-16，可

51、得： (2-17)因此得到SVG裝置的數(shù)學(xué)模型為： (2-18)式2-18所示的為時變系數(shù)微分方程組，其中包含了四個未知數(shù)，只要知道SVG裝置電流和直流側(cè)電壓的初值，然后求解微分方程，就可以得到各變量和時間之間的關(guān)系。為便于理論分析，可通過線性變換即變換將方程變換為常系數(shù)微分方程，其中線性變換矩陣為： (2-19)逆變換所用矩陣為： (2-20)對三相電流進(jìn)展變換，即令： (2-21)對式2-18進(jìn)展變換得到SVG在坐標(biāo)下的數(shù)學(xué)模型為： (2-22)其中為三相電流之和。由于SVG裝置為三相三線制系統(tǒng)，所以始終有，可將與之有關(guān)的方程去掉，SVG的數(shù)學(xué)模型可簡化如下： (2-23)式2-23即為S

52、VG裝置的常系數(shù)微分方程數(shù)學(xué)模型。根據(jù)瞬時功率理論，可得SVG裝置并入電網(wǎng)時的有功功率和無功功率為： (2-24)而 (2-25)所以可得 (2-26)2.3 SVG主電路控制方法相較于SVC，SVG主電路的控制方法比擬復(fù)雜，其中的一個關(guān)鍵是根據(jù)電網(wǎng)的無功功率設(shè)定一個無功參考值，然后根據(jù)這個值去控制開關(guān)器件的動作，從而調(diào)節(jié)SVG的輸出，使其滿足需求。電流直接控制法和間接控制法是兩種控制SVG主電路的方法39，這兩類控制法控制對象不同，各有優(yōu)勢和劣勢，以及各自的適用圍，在具體應(yīng)用過程中應(yīng)充分考慮實際情況。2.3.1 電流間接控制法間接控制即通過控制SVG交流側(cè)輸出電壓來控制其交流側(cè)電流，這里SV

53、G相當(dāng)于一個可調(diào)的交流電壓源，可以根據(jù)需要調(diào)整其輸出電壓，以滿足系統(tǒng)需求。常用的電流間接控制法有單控制及和配合進(jìn)展控制，下面將對這兩種進(jìn)展分析比擬。1單控制401PI控制如圖2-6所示為PI控制原理示意圖，由式2-9可知，與SVG輸出電壓的大小相對應(yīng)，控制即可控制的大小，從而控制SVG從電網(wǎng)吸收的無功功率。除此之外，為了提高無功電流的控制精度，通常在電路中參加可用PI控制的無功反響環(huán)節(jié)。圖2-6 PI控制原理框圖Fig.2-6 PI control2逆系統(tǒng)PI控制如圖2-7所示為逆系統(tǒng)PI控制原理示意圖。逆系統(tǒng)PI控制法中采用了非線性的PI控制方法，可由式2-10獲得。由于對的動態(tài)調(diào)節(jié)作用，所

54、以此控制法在控制效果上比PI控制更好，響應(yīng)速度更快。圖2-7 逆系統(tǒng)PI控制原理框圖Fig.Inverse system control of PI2和配合控制為開關(guān)器件的導(dǎo)通角，它的大小變化同樣會影響SVG輸出電壓的值。和配合控制即同時對二者的大小進(jìn)展控制，以調(diào)節(jié)SVG輸出的交流電壓幅值。這種控制方法有著明顯的優(yōu)點，其能穩(wěn)定直流側(cè)電容電壓，使變流器的輸出具有更好的動態(tài)特性，改善系統(tǒng)的運行狀況；但因為其需要和配合著去進(jìn)展控制，且二者的配合受主電路參數(shù)的影響，必須隨參數(shù)的變化而變化，所以其控制過程比擬復(fù)雜。在實際運用中，為了抑制諧波，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，常將電流間接控制法與多重化技術(shù)相結(jié)合進(jìn)展控制

55、41 42。2.3.2 電流直接控制法直接控制法即將SVG交流側(cè)電流反響至輸入端，將反響值與設(shè)定的參考電流值作比擬，直接調(diào)節(jié)和控制交流側(cè)電流43。1滯環(huán)比擬法和三角波比擬法如圖2-8所示為滯環(huán)比擬法原理圖44，圖中為瞬時無功參考電流，為來自逆變器交流側(cè)的反響電流，為兩者的差值，在控制前先設(shè)定滯環(huán)寬度，作為調(diào)節(jié)的標(biāo)準(zhǔn)。根本控制過程是：將和的差值輸入到滯環(huán)比擬器中，根據(jù)與滯環(huán)寬度最大值和最小值的關(guān)系去控制逆變電路開關(guān)器件，使輸出電流處于增大或減小的狀態(tài)，實現(xiàn)對的跟蹤。在滯環(huán)比擬法中，選擇適宜的滯環(huán)寬度是關(guān)鍵，如果寬度過大，則容易導(dǎo)致輸出電流波形失真；而寬度越窄對開關(guān)頻率的要求越高，還可能導(dǎo)致超調(diào)，

56、引起誤差。為了得到較好的跟蹤效果，開關(guān)頻率需作頻繁變化，這增大了輸出濾波器的設(shè)計難度。圖2-8 滯環(huán)比擬法Fig.2-8 Hyteresis parison method如圖2-9所示為三角波比擬法。圖2-9 三角波比擬方式Fig.2-9 Triangle wave parison method其控制過程如下：與相比擬，將差值通過一個PI調(diào)節(jié)器，輸出結(jié)果與恒頻三角波比擬，再用比擬后的結(jié)果來控制逆變器的開關(guān)器件。通常在比擬器的輸出端增加邏輯鎖存單元，使器件的開關(guān)頻率與恒頻三角波頻率一致。相比于滯環(huán)比擬法，三角波比擬法的開關(guān)頻率保持不變，這降低了開關(guān)損耗，但其使用了三角波作為載波，不可防止地帶來*

57、些次數(shù)的諧波。三角波比擬法通常用于功率等級較高的場合。2軸電流控制和軸電流控制如圖2-10所示為采用了軸下的瞬時電流控制系統(tǒng)，其主要完成兩項任務(wù)：使直流側(cè)電壓恒定和實時跟蹤無功電流。圖2-10 abc軸電流控制Fig.2-10 The electric current control based on abc a*is其工作的根本過程如下：將直流參考電壓與直流反響電壓相比擬，兩者差值通過一個電壓PI調(diào)節(jié)器后生成，即為流入SVG 的有功電流，對其進(jìn)展控制即可控制逆變器直流側(cè)電壓，使其穩(wěn)定；然后有功電流與無功電流通過環(huán)節(jié)進(jìn)展變換，得到的三相參考電流與三相瞬時電流求差后，得到的差值經(jīng)PI調(diào)節(jié)與恒頻三

58、角波比擬，用比擬后的結(jié)果來控制逆變器開關(guān)器件的通斷，從而實現(xiàn)對無功電流的實時跟蹤。圖2-11 dq軸電流控制Fig.2-11 The electric current control based on dq a*is如圖2-11為采用了軸下的瞬時電流控制系統(tǒng)。其工作的根本過程如下：與相比擬，兩者差值經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器后生成。SVG輸出的三相瞬時電流經(jīng)過變換后得到和，分別與有功電流參考值及無功電流參考值比擬，兩組差值分別經(jīng)PI調(diào)節(jié)后得到的結(jié)果進(jìn)展變換得到三相電流，然后再與恒頻三角波進(jìn)展比擬，用比擬的結(jié)果去控制SVG逆變電路開關(guān)器件的通斷。由于、和、在穩(wěn)態(tài)時均為直流信號，因此這種控制方法不存在穩(wěn)態(tài)誤差

59、。基于軸的電流控制方法和基于軸的電流控制方法實現(xiàn)的功能一樣，但兩者在控制方法和控制過程上存在較大的差異，前者的電流反響環(huán)節(jié)為SVG輸出的三相電流反響，而后者是通過將SVG輸出三相電流轉(zhuǎn)換成有功電流和無功電流進(jìn)展反響，在控制無功電流的速度方面更勝一籌。除此之外，二者PI調(diào)節(jié)器的數(shù)量、調(diào)節(jié)的信號均不同，前者需要三個PI調(diào)節(jié)器，設(shè)置于變換后的軸下，而且PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)的參數(shù)及系統(tǒng)的反響信號均為交流正弦信號；后者只需要兩個PI調(diào)節(jié)器，設(shè)置于變換前的軸下，且PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)的信號是直流信號。由于PI調(diào)節(jié)器在信號變化率較大時容易產(chǎn)生靜態(tài)誤差，所以綜合比擬兩種控制方法，考慮所需調(diào)節(jié)器的數(shù)目，控制電流的精度，控制

60、參數(shù)的選取等方面，可知在實際操作中，基于軸的電流控制方法比基于軸的電流控制方法更準(zhǔn)確，在設(shè)計上也較容易實現(xiàn)。電流直接控制法比擬適用于較小容量的SVG。電流的直接控制法與電流的間接控制法各有特點，其中電流的間接控制法相對簡單，對開關(guān)器件的開關(guān)頻率要求較低，損耗較小，適用于大容量的系統(tǒng)，但其電流的響應(yīng)速度較慢，控制精度較低；電流的直接控制法對開關(guān)頻率要求高，適用于小容量的系統(tǒng)，在電流直接控制系統(tǒng)中增加了瞬時反響環(huán)節(jié)，當(dāng)直流側(cè)電壓和電網(wǎng)電壓產(chǎn)生波動時，控制系統(tǒng)具有較高的靈敏度，能夠快速地做出反響，調(diào)整SVG交流側(cè)輸出電流，具有較好的控制效果45。綜合考慮了兩種控制法的優(yōu)缺點及適用圍，本文采用電流的直