（控制理论与控制工程专业论文）基于dsp的静止无功发生器（svg）控制器的研究.pdf

摘要 基于d s p 的静止无功发生器( s v g ) 控制器的研究 摘要 静止无功发生器( s v g ) 是柔性交流输电系统( f a c t s ) 设备中的一 种，可以对电网的无功功率进行动态补偿，能够吸收感性无功和容性 无功，因而成为交流输电系统中较为理想的无功补偿设备。 本文介绍了柔性交流输电系统( f a c t s ) 的发展和现状，分析了静 止无功发生器( s v g ) 的工作原理以及其数学模型，并以此为基础设 计了以ti 公司的数字信号处理器d s p ( t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ) 为基础的控 制电路板和以s p w m 控制为核心内容的控制软件。 在硬件部分采用了锁相环( p l l ) 同步采样技术来达到对电网数 据采样的同步性，可以实现对电网频率的自动跟踪，同时利用d s p 作为控制器的核，b 处理器，可以提高补偿的实时性；静止无功发生器 ( s v g ) 的控制方法包括电流间接控制方式和电流直接控制方式，与 电流间接控制方式相比，电流直接控制方式在电流跟踪速度、控制精 度等方面更具有优势，所以本文根据电流直接控制方式设计了控制软 件部分，在这一部分详细介绍了电网采样数据在d s p 内部的处理过 程，同时也详细介绍了双闭环结构在控制系统的应用，其中包括数字 p i 控制器在闭环系统中的应用。 综合以上的硬件电路和控制软件的设计，研制了s v g 的控制电路 装置，为完整s v g 装置的研制铺垫下良好的技术基础，同时也为s v g 的进一步研究提供了试验平台。 关键词：静止无功发生器双闭环控制锁相环正弦脉宽调制 数字信号处理器数字p i 控制 a b s t m c t r e s e a r c hl n t os v gc o n t r o n l l e r b a s e d o nd s p a b s t r a c t 皿es t a t i c 、陆g e n e r a t o r ( s v g ) i so n eo f 血ef a c t se q u i p m e n t s ，晒c hc 孤 m o t i o nc o m p e n s a t et h ee l e c t r i cn e t w o r k sr e a c t i v ep o w e r ，a tt b 屺s a m et i m e “c a l l a b r bi i l d l l c t i v e 姐dc a p a c i t i v er e a c t i v ep o w e r s v gb e c o m e so n eo ft t l en l o s t 陀a 昧r e l o a dc o m p e l l s a t i o ne q 嘶p m e mi na c 仃a i l s m i s s i o ns y s t e m h lt l l i sp a p l 量圮d e v e l o p m e m 锄d 础i l a l 酊o ff a c t sa n ds v gi sp r c s e n t e d a r e ra n a _ i y z i n gt h eb a s i c 侧p k 觚dm a t h 嘲a t 沁a lm o d e l ，a n d 也e n 也ec o n 拄o l m e m o di sd e s i g n c d ，恤ti st h es p w m c o n 臼o l _ f u n l l e m l o r e ，ap r o 伊锄f l o w c i 嵋r ta i l d i 协i n l p l e m e m a t i o nb o a f da g 押b a s e do n1 1 s1 m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a d sp h i 血el l a r d w 眦p a r t ，m ep l ls y n c h r o n o 吣s a l n p i t e c i l l l i q l l eu s e do n 龇 q 1 1 i s i t i o n i np o w c rn 啪r kw h i c hc 锄a l l t o m a ：t i cf o l l o wp o w e rn e t w o r k s 丘e q u e n c y ；a n dt h e nd s p i st h ec o r ep r o s s o ro fm ec o m r o l l e r ，、】l ! h i c hi m p r o v er e a l - t m ”c h a r a c t e ro fr c a c t i v ec o 埘【p e 璐a t i o n ；t h es v gh a v et w oc o n t r o lw a y s ，o n ei sm e d i r e c tc u h e mc o m r o la i l dt 1 1 eo t h e ri s 衲d i r e c tc u n e n tc o n t r 0 1 c o m p a r e d 谢m 也e i n d i r e c tc o n 仃o l ，t l l ed i r e c tc o m r o lh 勰m o r es u p e i i o rp e r f o r m a n c ei 1 1c u r r e m 仃a c k i n g s p e e da n dc o n t r o lp r o p e n ) r ，s o ，i nt h i sp 印c r ，w cd c s i 印t 1 1 es o f t w a r ep a nb a s e do n s p w m t e c h n o l o g ) ra c c o r d i n gt 0d 讯斌c i l i t e n tc o 曲f o l ，i nt h i sp a r t ，t h cs 锄p l e dd a t a i i lp o w e rn 时w o r kd i s p o s a lp r o c e s si 1 1d s pi si n 扛o d u c e di nd e t a i la i l dn l e 哪i i c a t i o n o fd o u b i ec i o s e d 1 0 0 p 缸c o n 的is y s t e mi s p r e s e n t e dd e t a i l e d i y ，i l l c i u d i n g m e a p p l i c a t i o no f d i g i t a lp ic o n 仃d l w i t hm ec i r c u i t b o a r da j l ds o 脚a r e ，at e n 诅t i v es v gc o m o ld e v i c ei sb u i i du p ， w 1 1 i c hm a i ( e sg o o db a s e sf o rt h er e s e a r c hi n t ot h ep h y s i c a im o d e lo fs v g i na d d i t i o n ， t i l e s er e s e a r c h e sg i v eb a s e sf o rf u r t l l e rs t u d yo ns v g 皿y w o 肋8 ：s 觚c 哳g e 腻咖“s v g ) ；d o u b l cc l o s e d - l o o pc o r 咖l ；p l l ；s p w m ； d s p ；d i g i 噬p i n 缸o l 主要符号对照表 主要符号对照表 电抗 逆变器输出电压 交流电网电压 电抗电压 逆变器输出电流 相角差 阻抗角 视在功率 无功功率 有功功率 有功电流 无功电流 无功电流参考值 功率因数 功率因数参考值 电容两端直流电压 s p w m 的调制度 电流互感器 电压互感器 v 瓦u巩，万妒s q p 乇k am凹盯 第一章引言 第一章引言 1 1 柔性交流输电系统( f a c t s ) 综述 1 1 1 课题的背景 在可预见到的未来，三相高压交流输电仍将是输电和联网的主要方式。2 0 世纪7 0 年代以前主要靠提高电压来增加线路输电能力，到目前为止，商业化运 行的交流输电工程最高额定电压为7 6 5 k v ( 8 0 0 k v 等级) ：全世界已经有1 2 个国 家建成了8 0 0 k v 等级的交流输电系统。前苏联建成了9 0 0 k m 长的1 1 5 0 k v 特高 压输电线路并经过了试运行，后因多种原因降压为5 0 0 k v 运行；日本建成了短 距离的l o o o k v 输电线路，目前在5 0 0 k v 下运行；美国、意大利、瑞典等国曾 执行过特高压( 1 0 0 0 k v 及以上) 输电计划，后因环保限制、设备可靠性不高和有 更好的替代方案等原因而搁置和取消。由此可见，近2 0 年来输电电压的发展出 现了明显的饱和趋势。在特高压输电的工程应用前景不明朗的情况下，交流输 电发展的重点已转向采用新技术提高线路输送能力、提高线路的使用效率和线 路走廊利用率等。 随着大型复杂互联电网的出现，如何使电网更加有效、如何提高输电线路的 使用效率成为世界各国研究的重要课题。传统的交流电网的参数( 阻抗、电压、 相位等) 是不能大幅度连续调节的，而实际运行中的电力潮流分布又由电路定则 决定，因此电网内部线路及联络线在运行中实际的潮流分布与这些线路的设计 输送能力相差甚远；一部分线路已过载或接近稳定极限，而另一部分线路却被 迫在远低于线路额定输送容量下运行。这就是说，由于电网的“木桶效应”，一 部分线路有电送不出，而另一部分线路却无电可送。另外，电网作为电力市场 的物质载体，即发电厂和电力用户间电力交易的渠道，也需要满足对电力潮流 灵活调节控制的要求。这就提出了灵活调节线路潮流、突破瓶颈限制、增加线 路输送能力，以充分利用现有电网资源、提高线路使用效率的要求。发达国家 由于环保的严格限制，新建输电线路十分困难，使得这一要求显得更为迫切。 显然，依靠常规的电力技术难以解决这种问题，需要研究发展新的技术。 第一章引言 1 1 2 柔性交流输电系统( f a c t s ) 的概念 柔性交流输电系统的英文表达为：f l e ) 【i b l e a ct r a n 蛐i s s i o ns y s 咖n ，简 称f a c t s ，是综合电力电子技术，微处理和微电子技术、通信技术和控制技术 而形成的用于灵活快速控制交流输电的新技术 上世纪八十年代中期，美国电力科学研究院( e p r j ) n g h i n g o r 锄i 博士首次提 出f a c t s 概念：应用大功率，高性能的电力电子元件制成可控的有功或无功电 源以及电网的一次设备等，以实现对输电系统的电压、阻抗、相位角、功率、 潮流等的灵活控制，将原来基本不可控的电网变得可以全砸控制，从而大大提 高电力系统的高度灵活性和安全稳定性，使得现有输电线路的输送能力大大提 高。f a c t s 技术改变了传统交流输电的概念，将使未来的电力系统发生革命性 的变化。电力电子技术的快速发展为f a c t s 技术的实用化创造了条件。近l o 年来，可控整流器、可关断器件的开关能力不断提高，1 0 0 m m 直径的晶闸管的 耐压已达到6 1 0 k v 的水平，通过电流已达至46 k a 以上，6 k v 、6 k a 的可关， 断晶闸管( g 1 d ) 已有商品，单个电力电子器件的开关能力已达到3 0 4 0 m w 的 水平，使电子开关用于高电压、大功率的输配电一次系统成为可能。 f a c t s 技术( 包括系统应用技术及其控制器技术) 已被国内外一些权威的 输电技术研究工作者预测确定为“未来输电系统新时代的三项支持技术( 柔性 输电技术、先进的控制中心技术和综合自动化技术) 之一”柔性交流输电系 统的主要意义有如下几点： 能在较大范围有效地控制潮流，功率潮流可按事先计划的线路流动； 线路的输送能力可增大至接近导线的热极限，例如：一条5 0 0 k v 线路的 安全送电极限为1 0 0 0 2 0 0 0 k w ，线路的热极限为3 0 0 0 k w ，采用f a c t s 技术 后，可使输送能力提高5 0 1 0 0 ； 7 备用发电机组容量可从典型的1 8 减少到1 5 ，甚至更少；、 电网和设备故障的危害可得到限制，防止线路串级跳闸，以避免事故扩 大：。 易阻尼消除电力系统振荡，提高系统的稳定性。 e a c t s 控制器按其与被控交流输电系统的连接方式大体可分为并联连接、 串联连接和串并联连接三类控制器：( 1 ) 并联补偿装置，如静止无功补偿器 ( s v c ) ，静止无功发生器( s v g ) 等，其基本功能是补偿系统的无功功率，由于 其安装十分灵活，所以适用于网络结构和较短的输电线路的补偿( 2 ) 串联补偿 2 第一章引言 装置，如可控串补( t c s c ) ，静止同步串联补偿器( s s s c ) 等，则主要用于控制系 统的潮流。( 3 ) 串并联相结合的补偿装置如统一潮流控制器( u p f c ) ，则可以在准 确控制系统电压的同时对输电线路上的有功与无功潮流进行双向控制，具有综 合控制各种电力系统基本量的能力 1 1 3 国内外应用f a c t s 技术的概况 近年柬，f a c t s 技术已经在美国、r 本、瑞典，月麦等国的熏要的超高压 输电工程中得到应用。例如：日本关西电力公司与三菱电机公司共同研制并于 1 9 8 0 年1 月投运了世界上首台s 1 a 1 c o m 样机，采用了晶闸管强制换相的电 压型逆变器，容量为2 0m v a r ；1 9 8 6 年1 0 月，由美国e p i u 和w e s l i n g h o u s 共同研制的士l m v a 的s 1 ：f 玎c o m 投入运行嘲，这是世界上首台采用大功率g 1 o 作为逆变器的静止无功补偿器；1 9 9 1 年，日本关西电力公司与三菱电机公司研 制成功士8 0 m v a 的s 1 猢陀o m 【”并在犬山变电站1 5 4 k v 系统中投运，维持了该系 统长距离送电线路中间点电压的恒定，提高了系统稳定性；1 9 9 3 年，东京电力 分别与东芝公司和日立公司开发了两台5 0 m v a 的s t a t c o m 在东京所属新信 浓变电所投入使用；美国西屋电气公司( w e s n g h o u s e ) 、电力研究院凹r _ d 及田纳西电力局( t e n n e s s e ev a l i e y a u m o r i 钒r a ) 联合研制了一套士l o o m v a r 静 止式无功发生器( s v g ) 并于1 9 9 6 年成功地用于美国田纳西峡谷电力系统 ( r e i l n e s s e ev a l l e ya u m o r i t ) ，p o w e rs y s 钯m ) 的s l l l l i v a n 5 0 0 k v 变电站，有效地改善 了所在电网连接点处的电压调整，其直接经济效益是该电力系统免去建造一条 新的输电线路同时又能满足扩充的输电需求；德国西门子公司在1 9 9 7 年将开发 研制的8 m 、r a 的s 1 肖r c o m 安装在丹麦的r 巧s b yh e d c 风场，目的是对风力发电 机组进行动态控制；英国国家电网公司( n 拍o n a lg r i dc o m 凹1 y ，n g c ) 将在其 4 0 0 k v 系统内安装了由法国a l s t o m 输配电公司研制的采用了7 5 m v a 的 s r i o m 的静止无功补偿系统。 我国静止无功补偿器制造技术是在九十年代发展起来的，但最初仅限于大 型工业企业中的应用。目前，在我国部分高等院校、电力生产和设计部门及一 些电气设备制造厂家都已开始f a c t s 技术方面的规划和研究试制工作。例如对 t c s c 、s v g 以及切p f c 有所研究，但多只限于数学模型的建立、物理模型的研 究，至多是小容量样机的研制。基本上我国的f _ a c t s 控制器的研制还处于基础 阶段，距离大规模的工业应用还有很大的差距。1 9 9 4 年作为原电力部重大科技 3 第一章引言 攻关项目由河南省电力局和清华大学共同研制了2 0 m v 盯s 1 c o m ，为进行 机理研究，首先研制了3 0 0k v 盯的中间工业试验装置，于1 9 9 5 年并网运行，1 9 9 9 年3 月- 2 0 m r s l - a 1 c o m 在河南洛阳的朝阳变电站并网成功，并于2 0 0 0 年6 月成功地通过了鉴定。该装置不仅能调节无功和电压，还可提高输电稳定性和 输送能力。东北电力集团公司和电力科学研究院等单位合作，对5 0 0 k v 超高压 输电线路可控串联补偿( t c s c ) 的研究已取得阶段成果。结合伊敏一冯屯5 0 0 k v 输电线路的研究表明，采用2 5 串联补偿电容的可控串补装置，可显著提高暂 态稳定水平和阻尼振荡能力旧 1 2 静止无功发生器( s v g ) 简介 1 2 1s v g 的概念 由以上已经用于实际电网的f a c t s 设备可知，t c s 、s v g 、t c s c 等f a c t s 装置的控制功能是有所侧重的，其中s v g 是侧重于控制电网接入点的电压，属 于f a c t s 设备中并联补偿装置的一种。电力系统电压及无功功率控制就是无功 功率的供求平衡控制，通过控制无功功率平衡从而达到调节电网电压的目的 7 0 年代末发展起来的晶闸管控制的静止无功补偿器( s v c ) 在无功补偿方面取得 了较好的效果，但仍然存在着对电网的恒阻抗性、连续可控性差等弊病，8 0 年 代以来，采用自换相变流电路的无功补偿装置静止无功发生器( s v g ) 开始发展 起来，较之传统的无功补偿装置s v g 具有响应速度快，吸收无功连续，谐波电 流小，损耗低等优点，因此，s v g 已成为无功补偿的一个高效的技术发展方向m 1 2 2s v g 的原理结构 s v g 作为f a c t s 元件之一，能有效地补偿电网的无功功率，其主要结构是 一个电压源型逆变器v s i ( v o l 诅g e s o u r o e di n v e r t 哪) ，再并联一个直流电容器， 其原理图如图卜l ： 4 第一章引言 图卜1s v g 的原理示意图 f i g 1 一lt h es c h e m eo fs v g 母 圈 由图卜1 可以看到，它的主体是一个电压源型逆变器v s i ，由可关断晶闸管 适当的通断，将电容上的直流电压转换成为与电力系统电压同步的三相交流电 压，再通过电抗器和变压器并联接入电网。适当控制逆变器的输出电压，就可 以灵活地改变其运行工况，使其处于容性、感性或零负荷状态。 1 3 论文研究意义 电压是衡量电能质量的一个重要指标，运行电压水平同电网无功功率的平 衡有密切相关。功率因数的高低，直接关系到电网中的功率损耗和电能损耗， 影响到供电线路的电压损失和电压波动，而且关系到节约电能和整个供电区域 的供电质量，所以提高电力系统的功率因数，已成为电力工业中一个重要课题。 全国供用电规则规定：高压供电的工业用户和高压供电装有负荷调整 电压装置的电力用户，功率因数为o 9 以上，其它规定功率因数为o 9 5 ，同时规 定功率因数达不到上述规定的应装设无功功率装置，为此供电部门对用电负荷 大于1 0 0 k w 的电力用户，规定根据月平均功率因数调整电费的办法”。 由于企业生产的发展及扩大再生产的需要，用电设备不断增加，而增加的用 电设备大都是一些感性负载，如电动机、感应炉等，这些设备在运行中不仅消耗 5 第一章引言 有功功率，还消耗了大量的无功功率。这些无功功率将导致电能损耗和电压损失， 并且限制了电气设备的送电能力，因而必须进行无功功率的补偿。 无论从全国供用电规则还是从节能的角度出发，提高功率因数都是应 该的。我国目前电力还十分紧张，不能满足经济发展的需要，同时电能质量还 较差，所以对电网进行无功补偿不但可以节约能源( 提高功率因数) ，缓解电 力紧张，还能够改善电网电能的质量( 稳定电压等) ，所以无功补偿技术得到 了业内的极大关注。 1 4 本文的主要研究内容 本文在学习和研究s v g 理论的基础上，提出了采用1 1 公司的 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 型d s p 作为核心控制芯片的策略，力求能够设计出性能更好 的、速度更快的实验装置。在硬件方面，借鉴了已有的控制电路的电路图和控 一制电路的印刷电路板，在对其各部分电路原理进行研究的基础上，修改了部分 电路的连接方式，比如修改了锁相环( p u 。) 电路的部分i ，o 口的接法，并且完 成了对各个功能模块的调试；在软件方面，设计了能够实现s v g 控制功能的各 个模块的程序流程图，并且编写了d s p 内部的数据处理程序以及对无功补偿和 功率因数调节的闭环程序，和已经完成的控制主电路逆变器动作的s p w m 波产 生的程序相连，就形成了完整的系统程序。该装置与传统的控制装置相比具有 结构更简单、性能更可靠、实时性更强的优点。尤其是，在该控制装置中，采 用了锁相环( p l l ) 来实现了对电网频率的跟踪，取代了传统的通过计算来确定 电网频率的方法，不仅减轻了d s p 的运算负荷，同时也提高了控制的精度。 到目前为止，硬件电路和软件的编程工作已基本完成，并对电路进行了调 试( 包括电压、电流采集电路，锁相环电路、d s p 软件产生s p 删波以及在低压 条件下整个系统的调试) ，进一步的工作是提高系统的功率以及优化系统参数。 6 第二章静止无功发生器( s v g ) 的基本原理与功能 第二章静止无功发生器的基本原理与功能 对供电质量及可靠性的要求日益提高是和用户的工艺过程水平的发展相联 系的，近代科技进步又促进生产过程的自动化和智能化，对电能质量提出了更 高更新的要求。在我国，虽然总体经济和技术水平还比较落后，但在部分经济发 达地区电能质量问题的影响已比较突出。而且，由于各种原因，在供电可靠性 和电网电压幅度的稳定水平等指标上，我国的情况尤其落后。如何提高和保证 电能质量，已成为国内外电工领域迫切需要解决的重要课题之一 电压是衡量电能质量的重要指标，保证用户处的电压接近额定值是电力系 统运行调整的基本任务之一。电力系统的运行电压水平取决于无功功率的平衡。 系统中各种无功电源的无功功率输出( 简称无功出力) 应能满足系统负荷和网络 损耗在额定电压下对无功功率的要求，否则电压就会偏离额定值( 或大或小) 。 因此无功补偿就显得尤为重要。目前解决这一问题的措施主要是增容，即扩大 变压器和配电线路容量，从而提高供电能力，但是，增容一方面投资大，施工 工程量大，周期长；另一方面由于末端仍需要由低压侧集中补偿系统提供，输 电线路利用率仍然较低。因此，有效减小线路无功电流，不仅可以增大有功输 送能力，而且有利于降低变压器低压侧到末端负荷之间的线路损耗，改善末端 电压质量。所以，研究开发线路终端用无功功率补偿装置是十分必要的，同时 具有相当大的经济意义和社会效益。 2 1s v g 工作原理 我们现在取单相等效电路来说明s v g 的工作原理，如图2 一l 所示，表示 的是在不考虑连接电抗和逆变器损耗的情况： 妊础 7 第二章静止无功发生器( s v g ) 的基本原理与功能 ，卜 ， 叼 电流超前( 吸收容性无功) 鱼，堡五三掣 电流滞后( 吸收感性无功) ( b ) 图2 一ls v g 等效电路及工作原理( 不考虑损耗) ( a ) 单相等效电路( b ) 向量图 f i g 2 - 1s v ge q u i v a l e n tc i f c u i t 蛐d 戤w ) d c i n g 硼i p l 嘲o t 妣l u d i n gl o 哟 ( a ) s i n g i ep h 枷q u i v a l e n tc i r c u i t ( b ) p h a s o rd i a g r 锄 如图2 - l ，珥表示逆变器的输出电压，表示电网侧的电压。当以 时，s v g 处于超前运行状态，发出无功功率，起电容器的作用；当u ( 时，s v g 处于滞后状态，吸收无功功率，起电抗器的作用；当q = 时，s v g 与系统之间 不存在无功交换。s v g 正常工作时就是通过电力半导体开关的通断将直流侧电 压转换成交流侧与电网同频同相的输出电压，就象一个交流电压逆变器，只不过 其交流侧输出接的不是无源负载，而是电网1 。 逆变器输出电流”为： j = 等叫半， c 2 训 | xl 1 x l 由于以与同相，因此逆变器向电网输出的电流j 与电网电压乩相差 9 0 0 ，逆变器成为一个无功功率发生器。如果令逆变器或无功功率发生器向电网 输出感性无功滞后电流为乇，向电网输出感性无功滞后无功功率为q ，则； 乇：学 ( 2 - 2 ) q ；虬，口。里乒 ( 2 _ 3 ) u = + 争q ( 2 4 如图2 - 1 ( b ) 中的电流超前向量图所示，当输出电压珥高于电网电压时， 如 o ，超前9 0 。，这时无功功率发生器输出超前的即感性的无功功率，这 8 第二章静止无功发生器( s v g ) 的基本原理与功能 时式( 2 3 ) 中的q o 。 同理，如图2 2 ( b ) 中的电流滞后向量图所示，当输出电压( ，低于电网电压以 时，厶 o ，滞后虮9 0 。，这时无功功率发生器输出滞后的即容性的无功功率， 这时式( 2 3 ) 中的q 一 一、 ( a ) a b c 轴电流控制 ( a ) a b cd i 吐c o l 内f 0 ia f c u f t e n t ( b ) d q 轴电流控制 ( b ) d qd i 他c tc o n 廿o lo f c u n 它n t 图2 8 电流直接控制 f i g2 8d 沁c tc o n 廿o lo f c u r r c m t f 口 屯 i c ，4 6 f 第一种控制结构如图2 8 ( a ) 所示，采用了曲c 轴下的瞬时电流控制系统。 控制系统完成两个功能：直流侧的电压恒定控制。无功电流的实时跟随。 直流电压指令u 蚵与直流反馈电压经电压p i 调节器后生成有功电流指令j 硝， 1 7 第二章静止无功发生器( s v g ) 的基本原理与功能 对流入s v g 的有功电流控制可以控制直流侧电压。和无功电流指令k 通 过d q - a b c 变换成三相瞬时电流指令，叫，k ，钿三相电流指令与瞬时电流 通过恒频三角波电流比较生成逆变器的开关信号。通过上述控制实现直流侧电 压的稳定和无功电流的跟随。 9 第二种控制方法如图2 8 ( b ) 所示，s v g 发出的电流瞬时值经d - q 坐标 变换变为l ，l ，它们与有功电流、无功电流参考值作比较后，经p i 调节器所得 值，再经d - q 变换，得到三相电流信号，进行三角波比较电流跟踪型p w m 控制。 其中，有功电流参考值由直流侧电压参考值与直流侧电容电压反馈值比较后经 p i 调节器得到。由于参考值l 盯和钿，反馈值l 、在稳态时均为直流信号， 因此通过p i 调节器可以实现无稳态误差的电流跟踪控制。也就是说，本方法中 采用了双闭环反馈控制，内环是电流环控制，外环是电压环控制。 与第一种控制系统相比，两者实现的功能一样，差别在于电流p i 调节器的 数目、位置和调节信号的性质。第一种控制系统有三个p i 调节器，在( d q a b c ) 变换后的a b c 轴下；第二种控制系统只有两个p i 调节器，在( d q ， l l c ) 变换前的 d q 轴下第二种控制系统中p i 调节器信号是直流，而第一种控制系统中电流p i 调节器的给定和反馈是交流正弦信号。交流信号的变化率较大，p i 调节时有静 态误差，调节参数设计也较为困难。从上述比较可以看出：从调节器的数目和 控制参数的选择上，第二种控制系统优于第一种控制系统。本文采用的控制方 法为第二种电流控制方法。 s v g 采用电流直接控制后，其响应速度和控制精度比间接控制法有很大提 高在这种控制方法下，s v g 实际上相当于一个受控电流源。由于受电力半导 体器件开关频率限制，这种控制方法对较小容量s v g 比较适用 以上介绍了s v g 的两类控制方法：电流的间接控制和电流的直接控制。 通过对比我们可以得到如下结论： ( 1 ) 电流的间接控制方法相对简单，技术相对成熟，但间接控制与直接控制 相比，控制精度较低，电流响应速度较慢。 ( 2 ) 电流直接控制法对电力半导体器件开关频率要求高，因此适用于较小容 量s v g 控制；间接控制法适用于较大容量s v g 控制。 ( 3 ) 采用电流间接控制的大容量s v g 可采用多个交流器多重化联结、多电 平技术或p w m 控制技术来减小谐波。而采用电流p w m 跟踪控制的直接控制方 法，电流谐波少 1 8 第二章静止无功发生器( s v g ) 的基本原理与功能 由于本文是基于图2 _ l 的原理来完成的，即逆变器的输出电压与电网侧电 压同相位，装置不消耗有功功率，也即电流间接控制方法中的万= o ，故不用控 制艿的值。所以本文所采用的控制方法是电流的直接控制方法，并且是基于平均 僮功率理论的，用平均值功率理论计算电量的有效值、功率因数和需要补偿的 无功电流的大小。和瞬时功率法相比，平均功率法具有抗干扰能力强，可靠性 高的特点。如果利用d s p 来计算控制系统所需要的参数，则可以在很大程度上 提高系统的控制精度和提高电流的响应速度。在d s p 运用于系统的基础上，再 利用锁相环技术来跟踪电网的频率，就可以减轻d s p 的负担，提高系统响应速 度。 1 9 第三章s v g 控制器的硬件电路设计 第三章s v g 控制器的硬件电路设计 由前面对s v g 工作原理的分析可知，要实现其对系统的无功功率进行适时 地补偿，则需要调节逆变器的输出电压u ，从而可以控制向系统输出的无功电 流厶。要快速准确地调节输出电压u ，来补偿电网的无功功率，则需要一个反应 快速而且准确的控制系统。为了达到这个目的，我们采用全控型电力电子开关 器件i g b t 组成逆变器的主电路，并采用s p w m 控制技术来控制i g b t 的开关。 而s p w m 控制技术可很方便控制六个i g b t 的开关，从而可以较好地调节系统 的参数。 ? 3 1s v g 控制电路的总体框图 控制系统的主要功能是产生六路合适的s p w m 波，以控制主电路中逆变器 的六个开关器件的导通与关断，以产生合适的无功电流补偿到电网上，完成所 需要的控制功能孙偿无功功率。为此，该控制电路需要从电网采样九路信号 电括三相电压和补偿前的三相电流以及s v g 逆变器的输出电流( 即补偿的 三相电流) ，采样逆变器的输出三相电流是用来作为计算反馈量的，以达到补偿 的适时性。从电网采样的九路信号来控制产生合适的六路s p w m 波，由于d s p 产生的信号驱动能力有限，为此还必须设计驱动电路同时为防止强电对弱电 的干扰，还必须有隔离电路，此外由于d s p 内部资源的限制，为了便于调试以 及数据存储，需要拓展外部的程序存储器和数据存储器。电网系统的信号的频 率是随时变化的，为了适时地跟踪信号频率的变化，需要采用锁相环，为此我 们设计了锁相环电路。 r 该控制电路以t i 公司的数字信号处理器n i s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 型d s p 为控制核 心，该控制电路主要包括了信号采集及预处理模块，锁相环模块，信号隔离与 驱动电路模块，外存拓展模块以及电源模块等。控制电路部分的原理图见附录， 控制电路的总体框图如图3 1 所示： 第三章s v g 控制器的硬件电路设计 图3 1 控制电路总体结构框图 f i g 3 - 1 蛐md i a 鲫曲“c o n 仰lc i f c u i t 其中c t 、p t 分别为电流互感器和电压互感器，用来采样三相电流信号和三 相电压信号，然后经过电压、电流处理电路之后，输入到d s p 内部的d 转换 器，通过在d s p 内部进行处理从而产生控制信号，最终产生调制度m ，进而可 以控制d s p 内部的事件管理器模块( e v ) 中的p w m 产生模块输出六路p w m 波，从而可以控制三相逆变器的动作，就可以改变逆变器的输出，就达到所需 要的控制效果。锁相环除了作为a d c 的转换触发信号( a d c s o c ) 之外，还作 为d s p 的事件管理器模块( e v ) 的时钟，同时还可以跟踪电网频率的变化。 e p r o m 和r a m 是拓展的外部存储器，弥补了d s p 内部存储空间不足的缺陷。 由于该控制电路涉及到的模块较多，所以下面就其中的几个主要模块作详 细介绍，包括d s p 、采样信号预处理模块和锁相环模块： 3 2d s p 模块 静止无功发生器( s v g ) 同其他电力电子设备相比有两个显著的特点： ( 1 ) 要求检测处理的变量多 如图3 一l 所示，s v g 的逆变器担负输送无功电流的作用，需要检测的变量 不仅有系统电压电流、逆变器的输出电压电流( 补偿无功电流) ，还有直流电容 的电压。要处理上述电压和电流时，不仅有它们的幅值，还有频率以及相位， 2 l 第三章s v g 控制器的硬件电路设计 如果再加上控制目标规定的无功等参量，则需要处理的变量就非常多。同时还 要进行控制规律的计算，以便能够实时控制。 ( 2 ) 计算工作非常繁重 在检测控制过程中要进行大量的微分、积分、乘方、开方、三角函数、除 法等运算，因而对微处理器的运算处理速度提出了较高的要求 我们选择1 1 公司的数字信号处理器( d s p ) 1 m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 作为控制单元 的核心。除了基于以上系统对计算速度有较高的要求的原因外，还由于1 1 公司 的1 m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 型d 8 p 内部集成了本系统所需要的a 巾转换器和p w m 波 产生的模块一事件管理器( e v ) ，使得较为容易控制六个逆交器的开关器件。 下面简要介绍1 m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 型d s p 的结构和特点“”“，本系统需要用 到的模块将在后面用到的时候做详细的分析： 1 1 公司的1 m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a d s p ( 简称2 4 0 7 a ) ，作为一种高速度、高精度、 高集成度、低成本的微控制器，功能非常强大，集成了众多满足数字控制系统 所需的先进外围设备。一块2 4 0 7 a 的芯片就具备了s v g 控制电路所需的数据采 集及a d 转换、计算、s p w m 输出等外设功能。因此，采用2 4 0 7 a 作为控制核 心，可大大简化控制系统硬件电路、节省成本以及提高控制精度。 ，i m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 是n 公司主推的定点d s p 之一，通过将存储器和外设集 成到控制器内部，兼实时处理能力和控制器外设功能于一身，为s v g 控制系统 的设计提供了一个理想的平台在1 m s 3 2 0 系列d s p 的基础上，2 4 0 7 a 具有如 下特点； 4 0 m 口s 的执行速度使得指令周期已缩短到2 5 璐( m m s 每秒处理百 万条指令) 高集成度带来的低成本 较低的供电电压( 3 3 v ) 减小了控制器的损耗 内核c p u 主要包括： 。 ( 1 ) 3 2 位中央算术逻辑单元( c 舢) ，在单个机器周期内执行3 2 位操作； ( 2 ) 3 2 位累加器，用来保存c a l u 计算结果并为下一次c a l u 操作提供输入， 它具有移位和循环操作功能； ( 3 ) 1 6 位1 6 位的硬件乘法器，可在单个机器周期内产生3 2 位结果，乘法可 以在一个周期内完成，提高了运算处理能力。 ( 4 ) 三个定标移位器，包括输入数据定标移位器、输出定标移位器和乘积定标 第三章s v g 控制器的硬件电路设计 移位器； ( 5 ) 八个1 6 位辅助寄存器和一个辅助寄存器算术单元，间接寻址用； 片内存储器包括： ( 1 ) 5 4 4 字的数据，程序双口r a m ( d r a m 即在一个机器周期内，可以访 问两次存储空间) 。该5 4 4 字被分为三块：b 0 、b 1 和b 2 ，其中b l 和b 2 块用于保存数据，而b o 可以被配置成数据存储空间或者程序存储空间， 根据使用者的情况而定； ( 2 ) 2 k 字的单口r a m ( s r a m ) ； ( 3 ) 3 2 k 字的f l a s h 的程序存储器； 1 0 位a d c 转换器，其特性为：最小转换时间为3 7 5 邶、3 个或1 6 个多 路复用的输入通道、可选择由两个事件管理器来触发两个8 通道输入 a d 转换器或一个1 6 通道输入的蜘) 转换器 两个事件管理器模块e 、後和e v b 。每个均包含如下资源：两个1 6 位通 用定时器；8 个1 6 位的脉宽调制( p w m ) 通道；防止击穿故障的可编 程的p w m 死区控制；对外部事件进行定时捕获的3 个捕获单元等。件 管理器模块适用于控制交流异步电动机和逆变器等设备。 3 3 采样信号预处理模块 2 4 0 7 a 型d s p 的工作电压为+ 3 3 v ，故接入其引脚的信号电压也不能超过 3 3 v ，且其内部模数转换模块的基准电压范围为o + 3 v ，是单极性的。而来自 电压互感器和电流互感器二次侧的电压和电流均为交流值，有正有负，故信号 需先接入一个信号预处理装置，使其变为单极性信号( 为正) ，达到2 4 0 7 a 要求 的数值范围后再接入其a d c i n 引脚。其原理框图如图3 2 所示： 信号预处 - - - - j 、 a d c 模块模拟量输入 理装置 通道 ( a d c i n o a d c i n l 5 ) 图3 2 信号预处理原理图 f i g _ 3 2s i 鄹a lp r e p r o 嘲s i n gs c h e 咖l i cd i a g r a m a d 转换 第三章s v g 控制器的硬件电路设计 3 3 1 交流电压预处理电路 交流电压预处理装置硬件电路设计如图3 3 所示： 图3 3 交流电压预处理电路 f i g 3 3a cv o l t a 辨p f i 币r o c e s s 咄c h u n 图3 3 中的电压传感器采用西安横山微型互感器研究所生产的跟踪型电压 隔离传感器瑚玎3 0 2 ，是一种电流型电压互感器，输入输出电流比为1 ：l ，输入 电流最大为1 0 m a ，一次侧输入电压小予l 0 0 0 v ( 接限流电阻) 。本论文采用的 型号为h p 乃0 2 - 2 m 舭i r 认，其额定一次电流为2 m a ，二次绕组就会产生一个2 m a 的电流。2 m 能m a 是指额定电流比，可以工作于l o m a ，l o m a 以下的任何工作 点。本论文把砌t 3 0 2 - 2 m 耽m a 的工作点定在2 5m a 。 如图3 3 所示，二次负载基本为零，精密互感器应选用零负载互感器。被 测的输入电压通过限流电阻r l 限流，产生的2 5 + 2 5 m a 电流通过微型电压互 感器。互感器感应出相同的- 2 5 + 2 5 m a 电流，通过运算放大器，可以调节反 馈电阻值从而在输出端得到所要求的电压输出。而电容c 1 及电阻民是用来补偿 相位差的。如用户使用软件补偿或不需要补偿相位差的场合，电容c l 及电阻民可 以不接。凡是反馈电阻，通过串联可变电阻r 5 可以获得比较精确的输出电压。 由于互感器的输入为交流信号，因此其输出值也是交流信号，有正有负。但是 d s p 的a 仍转换器要求输入为正信号，因此在信号输入a 仍之前必须要经过处 理，抬高为正信号，才能输入d s p 为此，在此电压预处理电路中采用了提升 电路，这是由r 2 、r 3 所构成的加法电路来完成的。图中运算放大器为l m 3 2 4 。 第三章s v g 控制器的硬件电路设计 d 1 、d 2 二极管为m 1 4 8 起保护用。下面介绍各元器件的参数选择： 限流电阻r 1 的选取： 限流电阻r 1 可以根据下式来计算r 产( 以5 m a ) ，0 ( 式中r 0 为一次直流 内阻，h p t 3 0 2 2 i i 姨2 m a 的一次直流内阻为2 1 0 q ) 本系统从电网上取市电，有效值为2 2 0 v ，则峰值为土3 1 l y ，根据这些数据 就可以得到限流电阻r 1 的阻值： 蜀：黑一o 2 1 ：1 2 4 1 9 ( 廊) 1 2 5 1 0 q 、 r l 可以选取一个比较容易得到的电阻，再加电位器调整以得到较为精确的 值。 电阻r 2 、r 4 的选取： 由运算放大器的虚断与虚短特性以及基尔霍夫电流定理可以得到下列方 程：( 图3 3 中的电流i 只是一个示意，可以为正值或为负值) ! 堡+ 兰二生扣o( 3 一1 ) r + r 5如+ 马 式中k 是运放的输入信号，由虚短特性知，巧= o ；圪是运放的输出信号， 为o 3 v ，f 为电压互感器的输出电流。 当圪2 0 时，式( 3 1 ) 变为焘+ = o 由于i j 蠹的值为正，所以此 处f 取为- 2 5 m a ，从而可以得到r ：+ 岛= 毫= 2 盥，其中r 2 为固定电阻， r 3 为可变电阻。 当圪- 3 v 时，扪- 1 ) 变