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静止无功发生器直接功率控制的研究 摘要 静止无功发生器是一种既可动态补偿无功电流又可抑制谐波的 电力设备。结合直接功率控制和空间矢量脉宽调制的优点，本文提出 了一种定频直接功率控制策略并将其应用于静止无功发生器系统。 在文中，首先从静止无功发生器( s v g ) i j g t 作原理出发，深入分 析了静止无功发生器在不同坐标系下的数学模型，并给出了不同坐标 系下数学模型的s i m u l i n k 仿真图。针对s v g 控制一般采用直接电流 控制，将直接功率控制技术应用于s v g 控制系统中，简化了控制器 结构与算法。同时，用电压空间脉宽矢量控制代替传统直接功率控制 系统中的滞环控制，保证了开关频率的恒定，降低了系统开关损耗。 此外，还进行了控制器的设计，针对电感设计在系统的重要性，从稳 态和瞬态电流跟踪出发，提出一种满足本系统要求的交流侧电感设计 的新方法。最后，在m a t l a b 的s i m u l i n k 仿真环境下建立了整个系 统仿真模型。所提出的控制方法在仿真实验中获得了验证。 关键词：s v g ，空间矢量控制，直接功率控制，p i 调节器，仿真实 验 s t u d y0 nd l r e c tp o w e rc o n t r o lf o rs t a t l c v a rg e n e r a t o rs y s t e m a b s t r a c t s t a t i cv a rg e n e r a t o r ( s v o ) i sa p p l i e dt on o to n l yc o m p e n s a t i n gr e a c t i v ep o w e r b u ta l s oe l i m i n a t i n gh a r m o n i cc u r r e n tp o l l u t i o ni nt h ep o w e rs y s t e m b yu s i n g s p a c e - v e c t o rp u l s e w i d t hm o d u l a t o r ( s v l , w m ) t oi n s t e a do fh y s t e r e s i sc o m p a r a t o r s a n dt h es w i t c h i n gt a b l e ，ad i r e c tp o w e rc o n t r o lw i t hc o n s t a n tf r e q u e n c yi su s e di n s v g i nt h ep r e s e n tt h e s i s ，as p e c i a la t t e n t i o ni s f i r s t l yp a i dt op r i n c i p l e so fs v g o p e r a t i o n ，a n dd i f f e r e n tm a t h e m a t i c a lm o d e l so fs v g i nd i f f e r e n tc o o r d i n a t es y s t e m s a rep r e s e n t e da n d i m p l e m e n t e db y s i m u l i n k s o f t w a r e c o m p a r i n g w i t ht h e c o n v e n t i o n a lc o n t r o ls c h e m e so fs v gb a s e do nd i r e c tc u r r e n tc o n t r o l ，ad i r e c tp o w e r c o n t r o li s a p p l i e dt os v g t h em e t h o du s e ss v p w mt o i n s t e a do fh y s t e r e s i s c o m p a r a t o r so ft h et r a d i t i o n a ld i r e c tp o w e rc o n t r o ls y s t e m ，t h eu t i l i z a t i o no fs v p w m m a k e st h es w i t c h i n gf r e q u e n c yc o n s t a n ta n de n a b l e si tf e a s i b l et od e c r e a s e st h e s w i t c h i n gl o s so fs y s t e m t h ed e s i g nm e t h o do fc o n t r o l l e ri sp r o p o s e d ，a n dad e s i g n m e t h o do ft h ei n d u c t a n c eo fa cs i d eb a s e do ns t e a d y - s t a t ea n dt r a n s i e n tc u r r e n t t r a c k i n gi sp r e s e s n t e d , w h i c h 锄m e e td e m a n d so fs v gs y s t e m t h ep r o p o s e d a p p r o a c h e sa r ee v a l u a t e db yt h es i m u l a t e dr e s u l t s k e yw o r d s ：s v g ，s v p w m ，d i r e c tp o w e rc o n t r o l ，p ir e g u l a t o r ，s i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n t h 广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的 成果和相关知识产权属广西大学所有，本人保证不以其它单位为第一署名单位 发表或使用本论文的研究内容。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发 表过的研究成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研 究工作提供过重要帮助的个人和集体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名： 列赅觚 m 9 年6 月1 歹日 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本： 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： d 即时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者繇鸟吸p 导师躲步3 萝2 噼衫月咖 广西大掌硕士掌位论文静止无功发生i h t ，l 接功率控制的研究 致谢 首先要衷心感谢导师卢子广教授。从本论文的选题到论文的结束，都 离不开卢老师的殷切指导和帮助。在此论文完成之际，特向我的导师卢子 广教授致以最诚挚的谢意。此外，卢老师严谨的治学态度，细致、求真的 科研精神，令我受益匪浅。 感谢家人三年来给予我的关心和支持。 衷心感谢上海大学博士研究生杨勇以及唐伟杰、芈书亮等同学，在此论文 写作过程中给予的帮助，同时感谢其他给过我关怀和帮助的老师和同学。 最后，向审阅和评议本论文的专家老师们致以谢意。 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的， 研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出 贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 静止曩助发生器直，赛功率控制的研究 第一章绪论 1 1 静止无功发生器研究的背景及意义 随着电力电子技术的发展，电动机、网络元件等在日常生活占据相当大比 重，它们一方面消耗有功功率，另一方面需要吸收大量无功功率。为保证电网 的稳定运行，网络元件和负载所需要的无功功率就必须从网络中某个地方获得 补偿f 牾1 。很显然，如果这些无功功率都要由发电机提供并经长距离传送是不合 理，一般也是不可能的。合理的方法就是在需要消耗无功功率的地方产生无功 功率，这便是本文所说的无功补偿( 发生) 技术。 目前，在正弦电路中，无功功率的概念是清晰的，而当含有谐波时，至今 对无功功率定义尚未有统一的，但是，对无功功率这一概念的重要性及认识， 却是一致的。 无功补偿的主要作用有i 骝】：一是可提高供用电系统及负载的功率因数，降 低设备容量，减少功率损耗。二是在电气化铁道等三相负载不平衡的场合，通 过适当的无功补偿可以平衡三相的有功及无功负载。三是可保证受电端及电网 的电压稳定，提高供电质量。 当前，解决无功功率增加问题的主要方式是增容，即扩大变压器或配电线 路容量，从而提高供电能力。但是，增容既存在投资大、施工工程量大、周期 长等问题，又存在由于末端无功还需由低压侧集中补偿系统提供、输电线路利 用效率仍较低的问题。在解决谐波问题的同时，现在应用较多的是采用l c 调谐 滤波器。这种方法既可以补偿谐波，又可补偿无功功率，而且结构简单，一直 被广泛应用。其主要缺点是补偿特性受运行状态和电网阻抗影响，易和系统发 生并联谐振，导致谐波放大，使l c 滤波器过载甚至烧毁；此外，这种方法只能 补偿频率固定的谐波，补偿效果不甚理想。因此，对开发线路终端用无功补偿 装置( 无功发生器) 的研究具有相当大的经济意义和社会效益，在补偿无功功率的 同时，又可以抑制负载产生谐波。 1 2 国内外静止无功发生器的发展现状 早期无功功率补偿装置主要有：同步发电机、同步电动机、同步调相机、 广西大学硕士掌位论文静止舅力冀生器直爿警叻率控制的研究 并联电容器等。近年来，静止无功补偿装置( s v c ) 有较大发展，由于使用晶闸管 的静止无功补偿装置具有优良的性能，已被广泛用于输电系统长距离输电的分 段补偿，也大量用于负载无功补偿。主要有以下两大类型：一类是具有饱和电抗 器的静止无功补偿装置( s a t u r a t e dr e a c t o r s r ) ；另一类是晶闸管投切电容器 ( t h y f i s t o rs w i t c hc a p a c i t 0 广t s c ) ，晶闸管控制电抗器( t h y r i s t o rc o n t r o lr e a c t o r _ - t c 鼬，这两类装置通称为s v c ( s t a t i cv a fc o m p e n s a t o r ) 。静止无功功率补偿装 置的重要特性是它能连续调节补偿装置的无功功率，实现了无功功率的补偿从 有级补偿到无级补偿。随着电力电子技术和计算机、控制技术等的发展，出现 了比s v c 更先进的现代补偿装置静止无功发生器( s t a t i cv a tg e n e r a t o r s v g ) 。与s v c 相比【1 1 【1 1 】i 镐l ，除了其运行范围大的特点外，还具有一些突出的优 势如连接电抗小、谐波量小、可控性能好及调节速度更快。 静止无功发生器( s v g ) 又称为静止同步补偿- 器( s t a t i cs y n c h r o n o u sc o m p e n s a - t o r 一一s t a t c o m ) 或静止同步调相机( s t a t i cs y n c h r o n o u sc o n d e n s e r 一一 s t a t c o n ) ，是柔性交流输电系统的重要成员之一。具有实时向电力系统注入感 性或容性无功功率、阻尼系统振荡、支撑网络节点电压、补偿高次谐波等功能。 目前我国在s v g 方面的研究工作有了长足的进步和突破性的发展，并逐渐 向国际先进水平靠扰，可以说，在国内，s v g 在高压输电系统中得到了迅速 发展，并在实际应用中起到了重要的作用。 但是在一定程度上讲现代电力系统还是相当脆弱的动态大系统，仅仅靠使 用一些大型的装置和设备来对整个系统进行调节和控制还是不够的，需要对系 统进一步实行分层次的检测、调节、控制以及补偿，特别是在低压配电环节。 低压配电系统是电力系统与用户紧密联系的内在环节，其电能质量的好坏直接 影响到用户的生产、生活和经济效益，因此对低压侧s v g 的研制已成为国内 同行研究的热门领域。将s v g 装置应用在低压配电系统中，起到稳定节点电 压、提高线路功率因数等作用，可是在低压配电系统s v g 装置的机理研究和 实现过程中还存在不少需要进一步解决和完善的地方。例如：如何使所设计的 s v g 控制器适应系统的各种扰动、网络结构以及系统参数的变化，简化控制器 结构，使之具有较强的鲁棒性；如何在控制理论上加强非线性相互作用的分析 以及非线性时域、频域控制方面的分析；如何使所提出的s v g 装置的控制策 略在软、硬件等工程方面易于实现，这些问题还有待进一步研究、解决。 从世界范围来看，自1 9 8 0 年世界上第一台采用强迫换流方式的s v g 以来， 2 静止囊动发生器直舞强力率控制的研究 世界许多著名的电气公司都竞相推出了容量为数十兆乏的s v g 装置，其产品 已比较成熟，特别是在高电压、大功率s v g 方面的研究走在了前列。并且， s v g 在电压平衡电力系统，非线性负载中的技术和应用都已经很成熟，现在已 经进入在电压不平衡、非线性负载中的研究和应用。 就控制技术而言，随着电力电子器件、计算机的发展，出现了各种不同的 p w m 控制方式，在电力系统控制策略方面也出现了几种重要的控制方式：应用 静止旋转坐标变换的矢量控制如电压定向控制o c ) 、瞬时功率控制如直接功 率控制( d p c ) 。 因逆变器应用场合不同，负载特性和要求也各异，到目前为止还没有一种 p w m 方法能够兼顾各方面的要求。最常使用的几种方法有：正弦脉冲宽度调制 ( s p w m ) 、消除特定谐波脉冲宽度调制、空间电压矢量脉冲宽度调制( s v p w m 或s v m ) 和瞬时值跟踪型脉冲宽度调制。s p w m 因其原理通俗直观、实现简便、 谐波特性优良等特点曾被广泛应用，但它也存在直流电压利用率低的缺点。消 除特定谐波脉冲宽度调制适合于开关频率比较低的场合，但不宜应用于开关频 率较高的逆变器。电流跟踪型p w m 因其动态响应速度快、逆变器结构简单、 系统运行受负载参数影响小、电流谐波小等特点，因此目前应用比较广泛，但 由于常用滞环电流跟踪。p w m 控制技术的实现方式，其明显的缺陷是其开关频 率受诸多因素的影响并不恒定。相对于传统的s p w m 方法，s v p w m 具有直 流电压利用率更高、电机的谐波电流和转矩脉动更小、开关频率恒定等优点， 目前在调速系统中都得到了越来越广的应用。 鉴矢量控制在交流电机变频调速控制系统中应用的基本思想，在电网直接 电流控制中，发展了电网电压定向控制。通过电网电压定向控制，可将对交流 电流的控制等效转化为对直流电流的控制，达到无功电流与有功电流解耦的作 用。但基于矢量控制自身的缺陷如：因采用了旋转坐标变换，使算法复杂化， 不宜于进行软、硬件上的实现；受转子参数变化等影响；开关频率受诸多因素 的影响并不恒定等，有学者提出了直接功率控制【2 1 1 4 1 1 5 1 1 3 5 。 瞬时功率控制是以无功、有功功率为控制对象，是通过控制功率来实现对 控制对象的电流或电压的控制。传统的直接功率控制是以功率环为内环，直流 侧电压控制为外环的双闭控制，是将给定有功无功功率与实际有功无功功率进 行比较，再将其差值送p i 调节器，经滞环和开关表后产生开关信号来控制变换 器的开关状态。采用直接功率控制可以简化控制器结构，避免了复杂的旋转变 3 广西大掌硕士掌位论文静止元功戋生器直接功率控制的研究 换，便于进行软、硬件的实现。但因其还是采用了滞环控制，所以开关频率易 受影响而不能保持恒定。 结合电压定向控制及直接功率控制的优点，有学者提出了定频直接功率控 制的概念f 翊，并将其应用于整流器p w m 控制系统中，取得了良好的动静态性 能，且电流畸变量小，弥补了传统直接功率控制和电压定向控制的缺点，具有 一定的实用价值和应用前景。 本文就是在借鉴定频直接功率在整流器p w m 控制系统中应用的基础上，将 定频直接功率控制技术应用于s v g 控制系统中，以实现对s v g 装置的高性能 控制，同时便于后续工作中d s p 编程及软、硬件的实现。 总的来说，自从lg y u g y i 提出利用变换器进行无功补偿的理论以来，近2 0 年的研究成果与运行经验表吲4 2 1 ，s v g 无论是在实际上还是在上理论都是提高 电力系统供电质量的一1 非常有力的工具，技术上也已基本成熟，经济上日趋可 行。 1 3 本文的主要工作内容 本课题首先分析了静止无功功率发生器的工作原理以及在不同坐标系下的 数学模型，然后介绍静止无功功率发生器控制系统的结构，分析了当前应用几 种较广的p w m 控制方式，介绍了电压定向控制o c ) 工作原理及详细论述了基 于电压空间矢量原理的定频直接功率控制拓朴结构及工作原理。接下来根据系 统传递函数进行p i 调节器设计，设计了功率调节器和电压调节器，确定了调节 器的参数。同时，根据s v g 装置的特点，介绍了直流侧电压及电容的选取，并 针对i g b t 开关管的特性及电感在本系统中的重要性，采用了一种新的方法进行 电感的设计。在完成了系统各个组成部分的建模后，构建了电压定向控制系统 及定频直接功率控制系统的s i m u l i n k 模型。而后在m a t l a b s i m u l i n k 的环境下， 进行系统仿真，并根据需要调整控制器参数，以获得最好的控制效果。接下来 对几种控制策略( 如s p w m 调制方式与s v p w m 调制方式，电压定向控制与定频 直接功率控制) 进行比较分析，通过实验波形可知，将定频直接功率控制应用于 s v g 中，系统可以得到良好的动静态特性，可以实现对容性无功或感性无功进 行有效地补偿。为进一步验证定频直接功率控制方法在s v g 应用中的有效性， 还进行了在三相不对称电压情况下的仿真实验。同时在给定无功功率发生变化 时，或者给定无功电流发生突变时，以及给定直流侧电压突变时，使系统能够 4 广西大掌硕士掌位论文静止勇囊力戋生器直扫晦6 率控制的研究 有效地抑制动态电压，最终获得稳定的无功输出，并且满足过渡过程短暂，恢 复时间快的要求。 5 3 - - 面大掌硕士掌位论文静止无功发生器直接功率控制的研究 第二章静止无功发生器工作原理 2 1 引言 a c a a c 变换器是a c 舱c 变换器的一种组成形式。a c a c 变换器一般 是从一个a c 系统得到能量再将其传给另一个幅值、频率、相位均可调的系统。 这种系统可以是单相或三相电路，主要应用于可调速传动系统。其主要由 a c c 、d c 拍c 两部分组成，即整流与逆变两部分。静止无功发生器是可实现 交流电转换为直流电的一种装置即逆变器。 由于数学模型对控制结构的非常重要，在这一章首先介绍s v g 工作原理， 包括分析其开关特性及输出电压的形式，介绍其工作过程，而后根据s v g 的动 态方程建立其在不同坐标系下数学模型。最后具体分析s p w m 与s v p w m 两种 脉宽调制方式的工作方式与特点，以便于p w m 控制方式与控制策略的选择。 2 2 静止无功发生器( s v g ) 的工作原理 静止无功发生器是一种将直流电压通过可控开关管变换为大小和频率均可 调的三相交流电压的装置，其结构图如图2 - 1 所示( 电压型s v g ) 。其主电路由三 个桥臂构成的桥式电路，每个桥臂上下两组均由一个i g b t 管子与一个反并联的 二极管构成1 4 】。图中、分别指三相对称电网相电压，屹、k 分别指s v g 交流侧三相对称相电压，、& 、分别指上桥臂开关状态，夏、 夏、墨分别指下桥臂开关状态，l 为交流侧电感，c 为直流侧电容。 图2 1 电压型s v g 的主电路结构 f i g 2 - 1t o p o l o g i c a ls t r u c t u r eo fv o l t a g e - t y p eo fs v g 6 广西大掌硕士掌位论文静止夏劫裳生器，：j 妥功率控靛l 的研究 2 2 1 开关特性及输出电压 设三相对称正弦交流电力系统 屹- 西c o s 似) v b 一, f 2 vc o s ( t o t 一1 2 0 。) k 一, 历v c o s ( a x + 1 2 0 。) ( 2 1 ) 式中为电源角频率，v 为电压有效值。 定义电压空间矢量 矿。昙( 屹+ 口吃+ 口2 ) ，。e j 2 x 1 3 ( 2 - 2 ) 矿。亏化+ 口吃+ 口2 工 在图2 1 中，如果把开关器件的导通状态用1 表示，关断状态用“0 ”表示， 下桥臂则反之，因为s v g 的上桥臂和下桥臂的开关状态互补，所以只用上桥 臂的三个功率开关器件来描述s v g 的工作状态( 疋s 足) ，如图2 2 所示。 巧( 疋- l 咒一0 ，足0 ) 砚伐- 1 咒- 1 , s 。0 ) 巧( 咒o ，咒- 1 , s , - 0 ) v , ( s o o ，咒t 1 ，一1 ) 瓦( - 0 ，& - 0 ，s c 一1 ) 谚o ( s o - o ，咒一o ，乏- o ) 厂矾 彳l 皿彳 吒( 疋- 1 , & - o ，疋- 1 ) 弓( - 1 , 品- 1 , s c 一1 ) 图2 2s v g 的开关状态 f i g 2 - 2s w i t c h i n g s t a t e sf o rs v g 7 广西大掌硕士掌位论文静止元功发生器直，妾功率控制的研究 根据开关特性，当为六个有效开关矢量( 巧一瓦) 时，输出的相电压等札3 或3 ，当为零矢量( 瓦、巧) 时，输出相电压为“0 ”。s v o 产生的相电压、 线电压分别如图2 - 3 ( a ) 、( b ) 所示，图中为直流侧电容电压。 2 3 岛k 3 2 , - r v b n 2 v 3 2 3 2 l ，3 - 2 3 ；h f 、j 蕊 il 幼 _ 一一 1 ，1 ，1 ，1 ，1 j1 ， 一铭 一 一 幼 一 幼 幼 p ) 图2 3s v g 产生的三相电压波形：a ) 相电压，b ) 线电压 f i g 2 - 3t h r e ev o l t a g ew a v e f o r m sg e n e r a t e db ys v g ：a ) p h a s ev o l t a g e s ，b ) l i n et ol i n e v o l t a g e s 为便于分析，假设s v g 产生的三相电压波形如图2 - 4 所示，由图可知s v g 8 静止囊翻力发生器直努晦寿率控制的研究 输出电压屹为六阶梯波，具有奇函数和半波对称性质，用傅里叶级数展开可得 式中 即 匕似) 荟吃s i l l 仍圳以。1 2 ，3 ，一( 2 - 3 ) 屯t 知屹( 鲥) s i n ( n w t ) d ( w t ) ( 2 - 4 ) 又根据图2 4 可得 吃一；2l j o - r 孝j l s i l l o 研矽池) + 霉2 a 詈s 通( n t o t ) d ( w t ) + 辱吾s i n o 甜) d ( 埘) 】 将上式化简后得 ， ( 2 5 ) 玩。j 41 1 。纠 ( 2 - 6 ) 把式( 2 - 6 ) 代入式( 2 - 3 ) 后化简得 匕( 伍玎) # 妻耄昙s i n ( 刀研) ，疗。1 + 6 七，七。，】，2 ， ( 2 7 ) ( 耐) - 等( s i n “+ 1 5 s i l l 5 “+ 1 7 s i n 7 a t + + 1 以s i l l ，l 耐) ( 2 - 8 ) 由此可得输出基波幅值圪，为 其基波波形如图2 - 4 虚线所示。 矿。2 v , u d l 石 9 ( 2 9 ) 广西大掌硕士学位沦文静止元动发生器，：抒l 劝率控制的研究 2 3 - 2 v 。3 屹 r r i 、 ， j 要争 ， v 3 l ；2 3 ，r 准 4 3 a5 3 帝h 。+ ， 。 t - - 1 圈2 - 4s v g 产生的三相电压波形( 实线) 及基波电压( 虚线) f i g 2 - 4s v gp h a s ev o l t a g eg e n e r a t e dd u r i n gs i xs t e po p e r a t i o n ( s o l i dl i n e ) ，c o r r e s p o n d i n g a n df u n d a m e n t a lc o m p o n e n to fo u t p u tv o l t a g e ( d a s h e dl i n e ) 根据空间矢量定义，则逆变器a c 侧电压可表示为 砭- 亏2 ，出1 ( n - 1 唔，甩一1 ，6 吒一0 ， 一0 ，7 ( 2 1 0 ) ( 2 - 1 1 ) 2 2 2 静止无功发生器工作情况分析 为便于分析，取单相等效电路来分析s v g 的工作情况，其等效电路如图 2 5 所示。设电网电压和s v g 输出的交流电压分别用相量矿和矿表示，则连接 电抗己上的电压矽即为珑和矿的相量差，而通过连接电抗的电流可由其电压来 控制的，这个电流便是s v g 从电网吸收的电流，。所以，改变s v g 交流侧输 出电压矿的幅值及其相对于系统电压圪的相位，便可改变连接电抗上的电压， 进而控制了s v g 从电网吸收电流的相位和幅值，也就决定了s v g 吸收无功 功率的性质和大小【蚓。 在图2 5 所示的电路中，假设连接电抗器视为纯电感，没有考虑其损耗及逆 变器的损耗，故不必考虑从电网吸收有功能量。在主电路连接电感的作用下， s v g 的输出电压矿和电网侧的电压矿都与通过电感的电流，相位相差9 0 0 ，此时 只要使谚与矿同相，即仅改变破的幅值大小，就可以控制电流，的流向，从而控 制s v g 从电网吸收的电流，是超前还是滞后9 0 0 ，并且能控制该电流的大小： 1 0 静止曩助发生器l 接功率控制的研究 当k k 时，电流超前系统电压9 0 0 ，s v g 从系统吸收容性的 无功功率，如图2 5 ( b ) 右图所示。 k屹一闺 - - - - i 卜- ( a ) 电流滞后( 吸收感性无功) ? 一 k 电流超前( 吸收容性无功) ( b ) 臣 2 - 5s v g 等效电路及工作原理( 不考虑损翱 ( a ) 单相等效电路( b 内- l t 压t f i g2 - 5s v ge q u i v a l e n tc i r c u i t sa n di t sw o r k i n gp r i n c i p l e ( n o ti n c l u d i n gu l l a g e ) 若考虑到连接电抗器的损耗和变流器本身的损耗，且将总的损耗集中作为 连接电抗器的电阻考虑，则s v g 的单相等效电路如2 6 ( a ) 所示，吸收容性无功 与吸收感性无功时的相量图如图2 6 ( b ) 所示。 在此种情况下，因为逆变器无需有功能量，逆交器电压矿与电流，仍相差 9 0 0 ，而电网电压矿与电流，的相差不再是9 0 0 ，而是比9 0 0 小6 角，这时电网提 供了有功功率来补偿电路中的损耗，也就是说相对于电网电压而言，电流，中有 一定的有功分量，而这个6 角也就是逆变器电压矿与电网电压垆的相位差。改 j - - 西大掌硕士掌位论文静- a - 天- 功冀生器，：强劫率控制的研究 变这个相位差，或改变政的幅值，则产生的电流j 的大小和相位也随之改变。控 制6 ，则控制了s v g 从电网中吸收的有功，使系统直流侧电压得到改变，也就 间接控制了逆变器输出电压的幅值，进而使s v g 既可吸收容性无功功率，也 可吸收感性无功功率，这种情况下吸收无功功率的原理与不考虑损耗时是一样 的。 j i , i 焖 p 谚吃7 电流滞后( 吸收感性无功)电流超前( 吸收容性无功) ( b ) 图2 - 6s v g 等效电路及工作原理( 考虑损耗) ( a 洋相等效电路( b ) 相量图 f i g 2 - 6s v ge q u i v a l e n tc i r c u i t sa n di t sw o r k i n gp r i n c i p l e ( i n c l u d i n gu l l a g e ) 2 3s v g 在不同坐标系下的模型 2 3 1 静止无功发生器工作条件 正如输入系统一样，s v g 对电网电压与直流侧电压是有过电流限制的，超 过这个工作条件，s v g 就不能正常工作及保持功率因数为“1 的要求。较小的 电感和较大的蓄留电压( 电网电压与直流侧电压) 可以提高工作限制，但直流侧电 静止曩翻力发生器直扫锄率控制的研究 压最小值应满足【4 1 压厄 ( 2 1 2 ) 式e e v , 为电源电压有效值，( 比如，若屹- 2 2 0 v ，则 芝；事2 2 0 t 5 3 8 v ， 这是电压最低值，考虑到功率因数一般要求为0 9 1 ，以及滤波电感的压降及电 压波动等综合因素，本文取v , u - 8 0 0 v ) 。 2 3 2 三相静止坐标系下静止无功发生器模型 假设图2 - 1 所示系统为无中线的三相对称系统，功率并关为理想的，暂不考 虑输入电路中的电阻，则由s v g 的输入电路可得 匕+ v lih( 2 1 3 ) 式中匕为电网电压，吃为电感两端电压，屹为逆变器交流侧电压，其中 v l - l 堕d t ( 2 - 1 4 ) 式中为滤波电感。 s v g 交流侧电压根据开关函数可定义为 4 1 屹。如( 足一三季叉) 式中为直流侧电压，足( 七t 口，b ，c ) 为s v g 的开关状态， 另一方面，直流侧电容电流为 ( 2 1 5 ) 取“o 或“1 ”。 c 誓- k 一乞+ 饿+ 之置( 2 - 1 6 ) 由式( 2 1 3 ) 、( 2 1 4 ) 、( 2 1 5 ) 可得s v g 交流侧三相电压方程为 鲁。缸( 一三季s ) 一。出( 一三c 墨+ s + 疋，) 一。 c 2 1 7 ， 广西大掣硕士学位论文静止囊动鼍：生器，：强劫率控制的研究 鲁。e t ( & 一言拿墨) 。- 。- ( 咒一三c 瓯+ 瓦+ ，) 一 二鲁- v 由( & _ 詈季足) 。y 鬈- 出( 足一言c 疋+ 咒+ 疋，) 一v 。 同理，s v g 直流侧电流方程可表示为 ( 2 i s ) ( 2 - 1 9 ) c 丝d t 。+ f 6 咒+ 蝇 ( 2 - 2 0 ) 由式( 2 1 7 ) 、( 2 - 1 8 ) 、( 2 - 1 9 ) 、( 2 2 0 ) 可建立s v g 在三相静止坐标系的原理 框图如图2 7 所示。 图2 7s v g 在三相静止坐标系中原理框图 f i g 2 - 7 b l o c kd i a g r a mo ft h es v gi nt h r e e - p h a s ea b cc o o r d i n a t e s 2 3 3 两相静止坐标系下静止无功发生器模型 在一些研究中，静止两相坐标系下的静止无功发生器模型也是很有用途的。 由( 2 - 1 7 ) 、( 2 - 1 8 ) 、( 2 - 1 9 ) 、( 2 - 2 0 ) 经c l a r k e 变换后得如下空间矢量综合表达式 1 4 广西大等明炙士学位沦文 静止天劝发生器：拱哼扫率控制的研究 譬， ，出墨一匕 出 “ ( 2 2 1 ) c d v l c 三也是+ $ ) (222)dt2 、。 尸p 7 、 式中s ( f 一口，户) 为开关量，其表达式为 是。毛一吾( + s b + ) ，s p 百1 ( 一s o ) ( 2 2 3 ) j x l j 进而得含口、分量的表达式为 譬a ，出是一 ( 2 2 4 ) 出 “ l 譬。，出& 一 ( 2 2 5 ) 出 “尸 叩 - c 等t 扣- 吾也是蚺) ( 2 - 2 6 ) f 1 3 式( 2 2 3 ) 、( 2 2 4 ) 、( 2 2 5 ) 、( 2 2 6 ) 可建立s v g 在两相静止坐标系的原理 框图加图2 8 所示。 图2 - 8s v g 在两相静止坐标系中原理框图 f i g 2 - 8 m o d e lo fat h r e e p h a s es v gi ns t a t i o n a r ya 卢c o o r d i n a t e s 2 3 4 同步旋转两相坐标系下静止无功发生器模型 将式( 2 2 4 ) 、( 2 - 2 5 ) 、( 2 2 6 ) 经过p a r k 变换得由坐标系下综合表达式为 广西大尊啊炙士掌位论文静止元功发生器直接功率控制的研究 式中s j ( j - d ，口) 为开关量。 乏】。卜c o s s 证o 口s i n s 0 8j1【ss卢o】 进而得含d 、g 分量的表达式为 哮叱& 一+ 以 哮叱一一以 ( 2 2 7 ) ( 2 - 2 8 ) ( 2 2 9 ) ( 2 - 3 0 ) ( 2 - 3 1 ) c d 出v a c 三搴& 一主也& + ) ( 2 3 2 ) 由式( 2 - 3 0 ) 、( 2 3 1 ) 、( 2 - 3 2 ) 可建立s v g 在两相静止坐标系的原理框图如图 2 9 所示。 图2 - 9s v g 在同步旋转两相坐标系中的原理框图 f i g 2 - 9 m o d e lo fa t h r e e p h a s es v g i ns y n c h r o n o u s l yr o t a t i n g 由c o o r d i n a t e s 1 6 “ 叫 s 也 & d 矿 缅石 么 一 1 生f争等 d 。 c 广西大学硕士掌位论文 静止无功戋生器直接功率控制的研究 2 4 脉冲宽度调制方式( p w m ) p w m 是斩波控制方式中的一种控制方式，在保持开关周期恒定的情况下 通过改变功率器件的占空比来控制输出量的大小。其在电压型s v g 中应用的主 电路如图2 1 所示，是通过对功率器件的导通与关断来控制能量的传递：改变调 制信号频率来实现输出电压基波频率的控制，改变调制信号幅值来实现输出电 压基波幅值的控制。随着电力电子技术的发展，出现了许多不同的调制方式并 在不断发展【5 】1 1 3 ”】【2 l l 例，这些调制方式是控制结构中的重要部分，一般具有以 下特点：线性工作范围宽，电压、电流中高次谐波量少，含有低次谐波，存在 过调制，开关次数少，开关损耗小等。这些调制方式可以提高逆变器的参数性 能，但不同的调制方式具有不同的特点，到目前为止，还没有一种p w m 调制方 式能满足所有要求，所以下面仅以正弦脉宽调制( s p w m ) 和空间矢量脉宽调制 ( s v p w m ) 为例进行分析【4 7 1 【5 0 1 5 1 1 【5 3 】 2 4 1 正弦脉宽调f # u ( s p w m y 载波调制是目前广泛应用的调制方式之一，它包括正弦脉宽调制、三角波 调制等。s p w m 是采用正弦波与三角波相交的方法来确定各段矩形脉冲宽度的 一种调制方法，如图2 1 0 所示( 单极性s p w m 为例) ，图中心、匕分别指三角载 波、正弦调制波，屹为输出电压。 o 图2 1 0s p w m 逆变电路波形 f i g 2 1 0b a s i cw a v e f o r m so fc a i t i e l b a s e ds i n u s o i d a lp w m 1 7 广西大学硕士掌位论文 静止无功发生器直接功率控制的研究 定义调制比m 式中吃、分别为、屹的幅值。 定义频率比k y 肌堡 吃 ( 2 3 3 ) k 号( 2 - 3 4 ) 式中丘、，分别为三角载波、正弦调制波的频率。 由图2 - 1 0 ( b ) 可见，输出电压屹具有奇函数和半波对称性质，用傅里叶级数 时不包含偶次谐波，采用平均模型分析基波电压，k 在一个载波周期中的平均 值为 吃- 箭陀心出一警哪心 式中i 为三角载波周期，d 为占空比。 匕。暑；瑞 ( 2 3 5 ) ( 2 3 6 ) 由于瓦z ，在一个载波周期中，原来按正弦变化的调制信号u 可近似看 作为定值，于是由图2 1 0 ( a ) 的关系可改画为图2 1 1 ，再利用几何关系有 训z 警z 7 , 2 图2 - 1 1 当足1 时，k 和u 的近似关系 f i g 2 - 1 1t h er e l a t i o no f v 。a n d v , w h e nk 1 将式( 2 3 7 ) 4 - ( 2 - 3 5 ) 中，并考虑到哆o ) s i l l ( 研) 得 1 8 ( 2 3 7 ) 静止夫动发生器i 秘岛方率控制的研究 吃- 笋吃s 巡耐) 一小s i n ( 耐) ( 2 3 8 ) r 佩 又由于2 ：r ，根据平均值模型法，吃可近似视为吃的基波分量匕。，即 吃一匕l 屹ks i n ( o 澎)( 2 - 3 9 ) 式中圪拥为基波幅值，从而得 虼h - m v 脚d 蚵 ( 2 - 4 0 ) e - 砂，姗叽( 2 - 4 1 ) 则当万一1 时， c l 一彤h 4 - 0 7 8 5 m( 2 4 2 ) 从式( 2 4 2 ) 可知，单极性s p w m 逆变输出电压的基波幅值随m 线性增加， 电路调压性能较好，对双极性s p w m 而言，其分析类似，具有线性调压特性【4 刁。 ：；， 2 4 2 空间矢量脉宽调- 朱u ( s v p w m 或s v m ) s v p w m 与载波p w m 控制的区别在于三相电路中彼此都没有独立的调制模 块，取代他们的是用逆变器的输出电压作为矢量来合成参考电压，因此就有八 种输出电压矢量，包括六个有效矢量( 瓦一瓦) 和两个零矢量( 瓦、巧) ，如图2 1 2 所示，参考电压矢量就是由这八个矢量有序地合成产生而来的。图中谚为参考电 压矢量，八个矢量对应于逆变器的八种开关状态，其中六个有效矢量将圆为分 六个扇区( i 一) 。在图中i 区内，巧就是由两个有效矢量( 巧、瓦) 及两个零矢量 ( 瓦、再) 合成而得。 图2 - 1 2 电压空间矢量图 f i g 2 1 2v o l t a g es p a c ev e c t o r sc o r r e s p o n d i n gt ot h es w i t c h i n gm o d e s 1 9 广西大掌硕士掌位论文 静止无功戋生器l 接功率控制的研究 假设参考电压矢量巧的采样频率为正- 1 互，用来计算时间f 1 ，t ：，f o ，t ，的下一 个采样值为砭伍) ，经过空间矢量调制模块的信号流程如图2 1 3 所示。 剥择枣l ， 一w v s b jlj r 7 丁 、! i k f 1f 2气 广 刮计算 在图2 1 2 中， 图2 - 1 3s v p w l v l 方框图 f i g 2 - 1 3b l o c ks c h e m e o ft h es p a c ev e c t o rm o d u l a t o r 根据平行四边形法则可得p ，j p 引 - 譬种坶小竽m 聃刊 乞孚砷咖竽腕驯咖) ( 2 - 4 3 ) 万 m 叱f 孓 式中妒为巧与巧的相角( i 区) ，m 为调制比( s v m 时) ，k 为巧的幅值。 当方波电压输出时，调制比0 ms 1 。从图2 1 2 可知，采用空间矢量脉宽 调制时，矢量巧的幅值最大值等于正六形内接圆的半径，即巧一3 3 ，由此得 粤胆。0 9 0 7 一 (244)m 7 一。 l 二。 由此可见，相对于s p w m 调制比为0 7 8 5 ，s v m 调制方式大大提高了线性 调制区，提高了直流侧电压的利用率( 约为1 5 4 5 ) ，如图2 1 2 所示。从而把调 制区分为两个工作区：当0 m 墨0 9 0 7 时，为线性区：当0 9 0 7 互，则f l 一幔他+ f 2 ) ， 乞= 必( f l + 1 2 ) 。 表2 - 1 f l 和2 的赋值表 t a b 2 - la s s i g n m e n to ft la n dt 2 s e p a r a t e l y 扇区 ii iv 号n 气 zy zx z 遗 t 2 】，一xxz文一z 2 1 广西大掌硕士掌位截吁 静止无功发生器0 封臼力率控制的研究 表2 - 2 开关切换时间表 t a b 2 2s w i t c h i n gt i m et a b l e 扇区 i i iiv 号n 乙。瓦互c互瓦 乙2l互瓦瓦瓦互 乙3c瓦互五互 3 ) 确定空间矢量切