（农业电气化与自动化专业论文）基于dsp的静止无功发生器控制系统的研究.pdf

摘要 摘要 在电力系统中，随着大城市和负荷中心用电密度的增加以及超高压远距离输电线的采 用，电力系统的稳定问题日益突出，无功补偿技术显得越来越重要。传统的无功补偿装置， 如t c r 、t s c 及其组合很难满足快速的动态的无功补偿要求，静止无功发生器( a s v g ) 作为 柔性交流输电系统中的一项核心技术，由于其先进的控制性能和良好的补偿效果，逐步成为 电力电子领域研究的热点。这种无功补偿设施应用在输电网中，可以提高输电网的输送容量、 增强系统的稳定性，从而改善供电质量。 本文系统地分析了a s v g 的国内外研究现状及发展趋势，从不同角度介绍了a s v g 的工 作原理，并对控制方法进行了详细分析。在分析研究a s v g 的工作原理以及s v p w m 控制策 略的基础上，本文设计了基于d s p 的a s v g 控制系统硬件结构及软件部分。完成了硬件系 统主电路和控制电路两部分的设计。主电路的功率器件选用三菱公司的智能功率模块( i p m ) p m l 5 r s h l 2 0 ，控制电路以t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 为核心，由d s p 控制板。信号采集及信号调理 电路，i g b t 驱动电路等几部分构成。系统软件部分主要设计了主程序、中断采样子程序、 f f t 子程序和p w m 发生子程序四部分。 本文以阻感性负载为例在实验室进行了模拟实验，对a s v g 的各单元进行了实验，包括 数据采集、测频部分、2 4 0 7 ad s p 输出的p w m 脉冲、补偿功能实验。各单元电路及子程序 分别通过实验室调试，实现了a s v g 控制系统的基本功能。实验结果表明：当改变阻感性负 载时，a s v g 控制系统能自动进行无功补偿，有较好的补偿效果，且采用电流直接控制方法， 提高了系统的响应速度和控制精度。 关键词：静止无功发生器( a s v g ) ；智能功率模块( i p m ) ；无功补偿；d s p v a b s t r a c t s t u d y o nc o n t r o ls y s t e mo f a s v g b a s e do nd s p a b s t r a c t i ne l e c t r i cp o w e r s y s t e m ，w i t ht h ei n c r e a s i n go fd e n s i t yo fu s i n ge l e c t r i c i t yi nb i gc i t i e sa n dl o a d c e n t e ra n dt h eu s i n go ft h ee h vt r a n s m i s s i o nl o n g - d i s t a n c el i n e ，t h es t a b i l i t yo fe l e c t r i cp o w e r s y s t e mb e c o m e s m o r eo u t s t a n d i n g , a n dr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o no fp o w e rq u a l i t yi sb e c o m i n g m o r ea n dm o r ei m p o r t a n t t r a d i t i o n a lr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o ne q u i p ，s u c ha st c r , t s ca n d c o m b i n a t i o n s ，t h e yc o u l d n tm e e tt h ed e m a n df o rr a p i dd y n a m i c r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o na sa c o r et e c h n i q u eo ff l e x i b l ea ct r a n s m i s s i o n , a d v a n c e ds t a t i cv a tg e n e r a t o r ( a s v g ) h a sg r a d u a l l y b e c o m eah o tp o i n ti nt h ee l e c t r i cp o w e re l e c t r o n i c sa r e af o ri t sf o r e r u n n e r sc o n t r o lf u n c t i o na n d g o o dc o m p e n s a t er e s u l t t h i sr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o na p p l i c a t i o n i nt h et r a n s m i s s i o n n e t w o r k ，i tc o u l di n c r e a s et h et r a n s m i s s i o nc a p a c i t yo fp o w e rt r a n s m i s s i o nn e t w o r k 、e n h a n c e s y s t e ms t a b i l i t y ，t h e r e b y ，i m p r o v e dt h eq u a l i t yo fp o w e rs u p p l y t h i sp a p e ra n a l y z dr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t a lt r e n di nd o m e s t i ca n df o r e i g no fa s v q i n t r o d u c e dt h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fa s v gf r o md i f f e r e n ta n g l e s ，a n dm a k e sad e t a i l e da n a l y s i so n t h ec o n t r o lm e t h o d s o nt h eb a s i so ft h ea n a l y s i so ft h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fa s v ga n ds v p w m c o n t r o ls t r a t e g y ，d e s i g n e dh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo fa s v gc o n t r o ls y s t e mb a s e do nd s p ，a n d c o m p l e t e dt h ed e s i g no nt h em a i ne l e c t r i cc i r c u i ta n dc o n t r o le l e c t r i cc i r c u i to ft h eh a r d w a r es y s t e m t h em a i ne l e c t r i cc i r c u i tc h o o s e dt h ei p mm o d u l ep m15 r s h12 0o ft h em i t s u b i s h ic o m p a n y , a n d t h ec o n t r o l i n ge l e c t r i cc i r c u i tc h o o s e dt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 af o rt h ec o r ec h i p ，b e i n gc o m p o s e do ft h e d s pc o n t r o lb o a r d ，s i g n a la c q u i s i t i o na n ds i g n a lp r o c e s s i n ge l e c t r i cc i r c u i t ，a n dt h ei g b td r i v i n g c i r c u i t ，e t c t h es o f t w a r em a i n l yd e s i g n e dm a i np r o g r a m ，i n t e r r u p t i o ns a m p l i n gs u b p r o g r a m ，t h e f f ts u b p r o g r a ma n dp w mg e n e r a t i o ns u b p r o g r a m i nt h i sp a p e r ，t o o ki n d u c t a n c el o a da se x a m p l eh a dd o n es i m u l a t i o ne x p e r i m e n t si nt h e l a b o r a t o r y ，h a dd o n et h ee x p e r i m e n t st oe a c ha s v gu n i t , i n c l u d i n gd a t aa c q u i s i t i o n , f r e q u e n c y m e a s u r e m e n t , o u t p u tp w mp u l s eo ft h e2 4 0 7 ad s p ，c o m p e n s a t i o nf u n c t i o ne x p e r i m e n t a l l c i r c u i t sa n dt h es u b p r o g r a mh a dp a s s e dl a b o r a t o r yt e s t sr e s p e c t i v e l y , a n dt h eb a s i cf u n c t i o n so f a s v gc o n t r o ls y s t e mh a dc o m et r u e t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a t ：w h e ni n d u c t a n c el o a d v i 东北农业大学工学硕 ：学位论文 b ec h a n g e d ，a s v gc o n t r o ls y s t e mc a nc o m p e n s a t er e a c t i v ep o w e ra u t o m a t i c a l l ya n dt h ee f f e c to f c o m p e n s a t i o nw a sp r e f e r a b l y ，a n dt h eu s eo fc u r r e n td i r e c tc o n t r o lm e t h o di m p r o v e d t h es y s t e m s r e s p o n s es p e e da n dc o n t r o lp r e c i s i o n k e yw o r d s ：a d v a n c e ds t a t i cv a rg e n e r a t o r ( a s v g ) ；i n t e l l i g e n tp o w e rm o d u l e ( i p m ) ；r e a c t i v ep o w e r c o m p e n s a t i o n ；d s p c a n d i d a t e ：h a nr u k u n s p e c i a l i t y ：e l e c t r i f i c a t i o na n da u t o m a t i o no fa g r i c u l t u r e s u p e r v i s o r ：p r o z h a oy u l i n v i i 研究生学位论文独创声明和使用授权书 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得 1 注! 翅遗直墓丝盂要挂别童明的：奎拦亘窒2 或其他教育机构的学位或证 书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：章争如讳 日期：枷降月皤日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。 本人授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解 密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 枷砷 导师 签名：拳三林 日期：w 辟月铂 日期：助5 年多月磊 引言 1 引言 1 1 课题研究的背景 在电力系统中，随着大城市和负荷中心用电密度的增加以及超高压远距离输电线的采 用，电力系统的稳定问题日益突出；此外，随着电力电子技术的发展及工业应用领域的扩大， 工业电弧炉、轧钢机、大型半导体变流装置等冲击性负荷设备日益增加，这类用电设备往往 启动过程快，启动频率高，频繁的吸收大量动态无功功率，引起母线电压的快速波动，给电 网的稳定带来极为不利的影响。因此，提高系统稳定性和抑制电压波动已成为电力系统的主 要问题。具有快速响应功能的无功补偿器可以起到提高系统稳定性、抑制系统振荡和动态过 电压等作用，容量大、响应速度快、调节连续灵活、经济性好、维护方便的无功补偿设备的 研制与开发对电力系统的发展具有重要意义。 无功补偿是维持现代电力系统的稳定与经济运行所必需的，它对供电系统和负荷的运行 都是十分重要的。电力系统网络中不仅大多数负荷要消耗无功功率，而且大多数网络组件也 要消耗无功功率。电力系统中网络组件和负荷所需要的无功功率必须从网络中某个地方获 得。如果这些所需要的无功功率由发电机提供并经过长距离传送，显然是不合理的，通常也 是不可能的；如果这些所需要的无功功率不能及时得到补偿，电力系统的安全运行以及用电 设备的安全就会受到影响( 粟时平等，2 0 0 6 ) 。因此，无功功率补偿对电力系统有着重要意 义，概括起来有： ( 1 ) 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。 ( 2 ) 稳定受电端及电网的电压，提高供电质量。 ( 3 ) 改善系统的稳定性，提高输电能力，并提供一定的系统阻尼。 ( 4 ) 减少线路损失，提高电网的有功传输能力。 ( 5 ) 降低电网的功率损耗，提高变压器的输出功率及运行经济效益。 ( 6 ) 降低设备发热，延长设备寿命，改善设备的利用率。 ( 7 ) 提高发电机有功输出能力。 ( 8 ) 平衡三相不对称负荷。 ( 9 ) 防止电压崩溃和稳定破坏事故，提高运行安全性。 目前使用的无功补偿设备有同步调相机、固定容量电容器、开关控制的并联电抗器和静 止无功补偿装置如s v c 、a s v g 等。由于同步调相机是旋转电机，因而损耗和噪声都很大， 运行维护复杂，而且由于控制复杂造成响应速度慢，在很多情况下己无法适应快速无功功率 控制的要求，目前很少使用( 高晶晶等，2 0 0 4 ) ：固定容量电容器和开关控制的并联电抗器 自身投切时对系统的冲击较大，响应速度慢，不能连续调节；静止无功补偿装置s v c 在电力 系统中应用很广泛，但它只能补偿感性无功，且不能连续调节，更重要的是它的负电压效应， 当电网电压下降时，电容器上的补偿电流相应下降，使得补偿的无功量急剧下降，系统电压 东北农业大学工学硕 = 学位论文 下降更大。在系统有谐波时，还可能发生并联谐振，使谐波电流放大，甚至造成电容器的烧 毁；而静止式动态无功补偿装置a s v g 具有体积小、容量大、调节连续、响应速度快、经济 性能好等优点，对提高电力系统稳定性，抑制低频振荡和动态过电压发挥着重要作用，且随 着电力电子器件技术的发展，a s v g 的造价亦呈下降趋势。基于上述分析可以看, 小, a s v g 取代 s v c 作为新世纪输配电系统动态无功补偿的主要形式，是f a c t s 技术和电力电子技术发展的 必然趋势。 在多种方法中，静止无功发生器( a s v g ) 的研究成为重中之重，a s v g 将白换相桥式 电路通过电抗器并联在电网上，适当的调节桥式电路交流侧输出电压的相位和幅值，或者直 接控制其交流侧电流，就可以使该电路吸收或发出满足要求的无功功率，实现集动态补偿感 性无功功率和容性无功功率于一身。同时，a s v g 不需要大容量的电容、电感等储能元件来 达到与系统交换无功的目的，实际上它使用直流电容来维持稳定的直流电源电压，这样和 s v c 使用的交流电容相比直流电容量相对较小，成本较低( 孙晓娟，2 0 0 4 ) 。另外，在系统 电压很低的情况下，仍能输出额定无功电流，而s v c 补偿的无功电流随系统电压的降低而降 低。正是由于这些优点，a s v g 在改善系统电压质量，提高稳定性方面具有s v c 无法比拟的 优点，因而a s v g 作为一种新型的无功功率补偿调节装置，已经成为现代无功功率补偿装置 的发展方向，成为国内外电力系统行业的重点研究方向之一。 1 2 国内外静止无功发生器的研究现状 先进静止无功发生器是在上世纪七十年代末期随着电力电子技术的发展而逐渐发展起 来的，自从美国学者l g y u g y i 在1 9 7 6 年提出利用半导体变流器进行无功补偿的理论以来，世 界各国对大功率新型静止同步补偿器( a s v g ) 的理论与工程应用研究方兴未艾，在八十年 代中期，灵活交流输电技术出现之后，对a s v g 的研究进一步深入并由理论进入工程应用。 a s v g 在电力系统中具有多种功能：它在高压和超高压系统中能大幅度提高有功输送能 力，提高系统的静态、动态和暂态稳定性，加强功率振荡阻尼，稳定电压。从根本上讲，a s v g 的基本功能就是从电网中吸收或者向电网中输送连续可调的无功功率，以维持接入点的电压 恒定，并有利于电网的无功功率平衡，随着大功率电力电子器件的日趋发展，a s v g 在电力 系统中的应用也将越来越广泛。但是，电力系统的非线性及负荷参数多变等特点，围绕a s v g 的工程化还有很多问题没有得到很好的解决，为此国内外很多学者做了大量理论和工程应用 研究。 目前，国内电网采用的电容补偿技术主要是集中补偿与就地补偿技术( 高晶晶，2 0 0 4 ) 。 就地补偿技术主要适用于负荷稳定，不可逆且容量较大的异步电动机补偿( 如风机、水泵等) ， 其它各种场合仍主要采用集中补偿技术。 2 引言 1 2 1 国外研究现状 1 9 8 0 年1 月，日本关西电力公司与三菱电机公司共同研制并投运了世界上首台a s v g 的样 机，它采用了品闸管强制换相的电压型逆变器，容量为2 0 m v a r ( s u m iy o s h i h i k e 等，1 9 8 1 ) 。 1 9 8 6 年1 0 月，由美国国家电力研究院( e p r i ) 和西屋公司研制的4 - 1 m v a r 的a s v g 装置投入运 行( e d w a r d scw 等，】9 8 8 ) ，这是世界上首台采用大功率g t o 作为逆变器元件的静止补偿器。 1 9 9 1 年，日本关西电力公司与三菱电机公司又采用g t o 研制 士8 0 m v a r 的a s v g 装置( 松野 克彦等，1 9 9 2 ) ，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3 月，东京电力分别与东芝公司和日立公司开发的两台 5 0 m v a r 的a s v g 装置( y u k i ot o k i w a 等，1 9 9 3 ) 在东京所属新信浓变电所投入使用。1 9 9 6 年 1 0 月，美国e p r i 与田纳西电力局( t e n n e s s e ev a l l e y a u t h o d t y ，缩写为t v a ) 、西屋电气公司合 作，在t v a 电力系统的s u l l i 、，肌5 0 0 k v 变电站建造了士1 0 0 m v a r 的a s v g 装置，投运至今，运行 情况良好。1 9 9 7 年，德国西门子公司将开发研制的8 m v a 的a s v g 装置安装在丹麦的r e j s b y h e d e 风力发电场，对风力发电机组进行动态控制。美国电力( a m e r i c a ne l e c t r i cp o w e r , 缩写为 a e p ) 和西屋公司以及美国e p r i 合作，研制目前世界上唯一的u p f c ，并在k e n t u c k y ( 肯塔基 州) 东部的i n e z ( 伊内兹) 变电站装设，这也是到目前为止容量最大的f a c t s 设备。此外， 英国国家电网公司( n a t i o n a lg r i dc o m p a n y ，缩写为n g c ) 将在其4 0 0 k v 系统内安装由法国 a l s t o m 输配电公司研制的基于士7 5 m v a r 的a s v g 静止无功补偿系统( 陈敏，2 0 0 6 ) ，整个静止 无功补偿系统的容量将是0 至2 5 5 m v a r ，从而提高英国北部往南部的电力传输功率。 1 2 2 国内研究现状 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己开 始f a c t s 技术方面的规划和研究试制工作( 任艳杰，2 0 0 6 ) 。例如对t c s c ，s v g 以及u 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攻关项目由河南省电力局和清华大学共同研制了 士2 0 m v a r 的a s v g ( 李淼，2 0 0 2 ) ，为进行机理研究，首先研制了士3 0 0 k v a r 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，j - 2 0 m v a r 的a s v g 在河南洛阳的朝阳变电站并网成功( 吉 平原，2 0 0 4 ) ，并于2 0 0 0 年6 月成功地通过了鉴定，这是国内首台投入应用的大容量柔性交流 输电装置( 王仲鸿等，2 0 0 0 ) 。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 ) 的研究己取得阶段成果。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。2 0 0 2 年6 月，清 华大学和国电华中电力集团公司等单位合作研制的电力系统新型静止无功发生器( a s v g ) 3 东北农业人学工学硕上学位论文 通过鉴定。该成果是我国自主研发的、最大容量的、具有工业实用水平的变流装置，它的研 制成功填补了我国f a c t s i 业装置的空白，成为世界上第七台投入工业运行的万千乏级的同 类装置，并使我国成为继美、日、德之后第四个能够自主生产万千乏级新型静止无功发生器 的国家，对我国未来输电网建设具有重要的战略意义。该成果于2 0 0 2 年1 2 月获国家科技进步 奖二等奖。 国家电力公司电力自动化研究院、中国电力科学研究院、华北电力大学、东北电力学院、 哈尔滨工业大学等单位都曾在这个领域进行过装置级的研制，分别作出了自己的贡献。华中 科技大学、重庆大学、上海交通大学等高校也在a s v g 的建模、稳态调控、抑止谐波等方面 有一定的研究( 唐飞，2 0 0 5 ) 。 1 3 本文研究主要内容 本文研究的内容主要包括以下五个部分： ( 1 ) 系统阐述了静止无功发生器的基本原理，介绍了a s v g 的控制方法，即间接电流 控制和直接电流控制，并分析这两种方法的优缺点； ( 2 ) 本系统采用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 作为核心运算和控制单元； ( 3 ) 设计了a s v g 装置的整个硬件部分，给出了各个部分的详细原理图； ( 4 ) 设计了a s v g 装置的整个软件部分，给出了主要部分的详细流程图； ( 5 ) 搭建了l k v a r 的实验室模拟系统，并进行无功补偿的实验研究。 4 a s v g 的基本原理及控制策略 2a s v g 的基本原理及控制策略研究 2 1a s v g 的系统构成 a s v g 是一个非常复杂的电气系统，由逆交器、变压器构成的主系统和电压互感器、电 流互感器、检测电路、控制器、驱动电路、保护电路等构成的二次系统，如图2 1 所示，本 图为补偿母线的a s v g ，对补偿线路的a s v g 只是将采样用的t a 接在要补偿的线路上。逆 变器是静止无功发生器系统中的最核心器件，其电路结构一般根据设计容量和电压等级确 定，优先选择单个变流器。因为这种情况下，不仅主电路结构简单，而且控制、保护配合也 简单，在单个变流器不能满足的情况下，根据目前的实际经验来看，选择多重化结构比较好。 电压型逆变器 图2 1 静止无功发生器的系统框图 f i g 2 - 1s y s t e mb l o c kd i a g r a mo f a s v g 二次系统中的电压互感器、电流互感器是获取系统与静止无功发生器的运行与工作情况 的必要器件，也是主系统与二次系统电气隔离的重要措施，是同步信号和指令信号检测的基 础。检测电路( 包括系统同步信号检测电路、系统电压电流信号检测电路) 和控制器是保障 a s v g 工作性能的关键。驱动电路是完成控制指令的重要环节。保护电路是保障静止无功发 生器正常工作的必要器件。构成静止无功发生器系统的每一个单元都是不可或缺的，都需要 精心设计。 5 东北农业大学工学硕士学位论文 2 2a s v g 的基本工作原理 习惯上人们将a s v g 与同步调相机相比，其工作建立在一个静止的同步电压源的基础上。 简单的说，a s v g 的基本原理就是将自换相桥式电路通过电阻和电抗器( 包括变压器的漏抗与 电路中其它电抗) 或直接并联在电网上，根据输入系统的控制指令，适当地调节桥式电路交流 侧输出电压的幅值和相位，或者直接控制其交流侧电流就可以使该电路吸收或者发出满足系 统所要求的无功电流，实现动态无功补偿的目的( 梁酷，2 0 0 6 ) 。 a s v g 的主电路分为电压型桥式电路和电流型桥式电路两种类型( 王兆安等，1 9 9 8 ) ，直 流侧分别采用的是电容和电感这两种不同的储能元件。电压型桥式电路，还需再串联上连接 电抗器才能并入电网，电感的作用是滤除装置投入时产生的谐波给电网带来的过电压；电流 型桥式电路，还需在交流侧并联上吸收换相产生的过电压的电容器。两种电路结构图分别如 图2 2 和图2 3 所示。图中的a s v g 是采用1 g b t 的逆变桥。逆变桥有三个桥臂，每个桥臂由两 只i g b t 管串联而成，每只i g b t 管有一个快速恢复二极管与之反并联，起续流作用。 图2 - 2 电压型桥式电路 f i g 2 - 2v o l t a g eb r i d g ec i r c u i t 图2 3 电流型桥式电路 f i g 2 3c u r r e n tb r i d g ec i r c u i t 6 a s v g 的基本原理及控制策略 无论是电压型的还是电流型的a s v g ，其动态补偿的原理是相同的。当变流器脉宽恒定 时，调节变流器输出电压及系统电压之间的夹角，就可以调节无功功率及变流器直流侧电容 电压，同时可以调节变流器输出电压及系统电压之间的夹角和变流器脉宽，可以保持变流器 直流侧电容电压恒定的情况下，发出或吸收所需的无功功率。实际上，由于运行效率的原因， 迄今投入实用的a s v g 大都采用电压型桥式电路。因此a s v g 专指采用自换相的电压型桥式电 路作为动态无功功率补偿的装置。下面以这种自换相的电压型桥式电路a s v g 为例，详细介 绍其工作原理。 2 2 1 不考虑损耗时的工作原理 由于a 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 网同频率的输出电压，就像一个电压型逆变器，只不过其交流侧输出的不是无源负载，而是 电网。因此，当仅考虑基波频率时，a s v g 可以等效地被视为幅值和相位均可以控制的一个 与电网同频率的交流电压源，它通过电抗器连接到电网上。因此，在不考虑连接电抗器的损 耗和变流器本身的损耗时，a s v g 的工作原理就可以用如图2 - 4a ) 所示的单相等效电路图来 表示( 周俊，2 0 0 6 ) 。 吸收容性无功( 电流超前) 吸收感性无功( 电流、滞后) a ) 单相等效电路图 b ) 相量图 图2 - 4 不考虑损耗的a s v g 等效电路及工作原理 f i g 2 4e q u i v a l e n tc i r c u i to f a s v ga n di t sw o r k i n gp r i n c i p l e sw i t hl o s s e sn e g l e c t e d 图2 - 4a ) 中，设电网电压和a s v g 输出的交流电压分别用相量玑和吣表示，则连接 电抗x 上的电压叽即为玩和虬嘴的相量差，而连接电抗的电流是可以由其电压来控制的。 这个电流就是a s v g 从电网吸收的电流，。因此，改变a s v g 交流侧输出电压眈。的幅值及 其相对于u 。的相位，就可以改变连接电抗上的电压，从而控伟) a s v g 从电网吸收电流的相位 和幅值，也就控制t a s v g 吸收无功功率的性质和大小。将连接电抗器视为纯电感，没有考 虑其损耗以及变流器的损耗，因此不必从电网吸收有功能量。在这种情况下，只需使u 一与 玩同相，仅改变v 螂的幅值大小就可以控制a s v g 从电网吸收的电流i 是超前还是滞后 9 0 0 ，并且能控制该电流的大小。如图2 - 4b ) 所示，当v 螂大于以时，电流超前电压9 0 。， a s v g 吸收容性的无功功率，当虬。小于玑时，电流滞后电压9 0 0 ，a s v g 吸收感性的无功 功率。 7 东北农业大学工学硕士学位论文 2 2 2 考虑损耗时的工作原理 考虑到连接电抗器的损耗和变流器本身的损耗( 如管压降、线路电阻等) ，并将总的损 耗集中作为连接电抗器的电阻考虑，贝j j a s v g 的实际等效电路如图2 5a ) 所示，其电流超前 和滞后工作的相量图如图2 5b ) 所示( 田茂，2 0 0 5 ) 。 电流超前电流滞后 a ) 单相等效电路图 b ) 相量图 图2 5 考虑损耗的a s v g 等效电路及工作原理 f i g 2 5e q u i v a l e n tc i r c u i to f a s v ga n di t sw o r k i n gp r i n c i p l e sw i t hl o s s e s 在这种情况下，变流器电压玑。，与电流，仍相差9 0 0 ，因为变流器无需有功能量，而电 网电压u 。与电流，的相差则不再是9 0 。，而是比9 0 0 小了j 角，因此电网提供了有功功率来 补充电路中的损耗，也就是说相对于电网电压来讲，电流，中有一定量的有功分量。这个万 角也就是变流器电压与电网电压的相位差。改变这个相位差，并且改变眈。的幅值，则产 生的电流，的相位和大小也就随之改变，a s v g 从电网吸收的无功功率也就因此得到调节。 在图2 5 中，将变流器本身的损耗也归算到了交流侧，并归入连接电抗器电阻中统一考虑。 实际上，这部分损耗发生在变流器内部，应该由交流器从交流侧吸收一定有功能量来补充。 因此，在实际上变流器交流侧电压u 。与电流，的相位差并不是严格的9 0 0 ，而是比9 0 0 略 小。 2 3a s v g 控制方法研究 在控制上，a s v g 与s v c 的区别在于：在s v c 中，由外闭环调节器输出的控制信号用作 s v c 等效电纳的参考值b 。，以此信号来控制s v c 调节到所需的等效电纳：而在a s v g 中， 外闭环调节器输出的控制信号则被视为补偿器应产生的无功电流( 或无功功率) 的参考值。 正是在如何由无功电流( 或无功功率) 参考值调节a s v g 真正产生所需的无功电流( 或无功功 率) 这个环节上，形成t a s v g 多种多样的具体控制方法，而这与传统s v c 所采用的触发角 移相控制原理是完全不同的。目前a s v g 的控制主要从控制策略和外闭环反馈控制量和调节 器的选取两方面考虑，但无论是哪一方面都要根据补偿器要实现的功能和应用的场合来决 定。由无功电流( 或无功功率) 参考值调节a s v g 产生所需无功电流( 或无功功率) 的具体 控制方法，可以分为间接控制和直接控制( 谢小荣，2 0 0 1 ；h e w a n g ，2 0 0 2 ) ，所谓间接控制， 8 a s v g 的基本原理及控制策略 就是将a s v g 当作交流电压源来看待，通过对a s v g 变流器所产生交流电压基波的相位和幅值 的控制，来间接控制a s v g 的交流侧电流；而电流的直接控制，就是对电流波形瞬时值进行 反馈控制，综上所述形成了多种控制方法。下面分别介绍电流的间接控制和直接控制这两种 控制方法。 2 3 1 电流间接控制 所谓间接控制，就是按照a s v g 的工作原理，将a s v g 当作交流电源来看待，通过对a s v g 变流器所产生交流电压基波的相位和幅值的控制，来间接控i 制a s v g 交流侧电流，具体实施 时有两种方案可供选择。- 种方法是仅控制万角，即控制a s v g 交流侧输出电压相对于系统 电压的相角差，这种方法的主要优点是控制电路比较简单，但是由于装置交流侧输出电压的 幅值的调节依赖于直流电容电压的变化，所以动态响应速度较慢。也可以配合控制万角和臼 角，即控制万角的同时，配合控制开关器件的导通角，从而调节a s v g 交流侧输出电压的幅 值。这种控制方法的优点是直流侧电容电压稳定，对装置的运行有利，而且动态性能更好； 但它存在控制复杂的缺点。因为万角和目角需要密切配合，而且这种配合关系还随着主电路 的参数而改变在间接控制方法中为了提高控制精度和响应速度，通常还要引入电流反馈控 制：为维持直流电压恒定，往往还需要引入直流电压的反馈控制。目前世界上现有大容量的 a s v g 多采用间接控制方法，如日本富山8 0 m v a r 、美国田纳西峡谷1 0 0 m v a r 和清华大学2 0 m v a r 的a s v g 都采用了间接控制方式。 电流间接控制有开关频率低，控制器结构简单的优点，所以多用于输电补偿的大容量 a s v g 控制。但是也有其缺点：( 1 ) 响应较慢，响应时间1 4 至l j l 2 周波；( 2 ) 无功变化时，逆 变器输出电压的相位范围小( 一1 5 0 到+ 1 5 0 ) ，因此要求有很高的相位检测精度和控制精度； ( 3 ) 电网电压负序分量较大时，引起直流电压的脉动，会导致控制系统不稳定；( 4 ) 有些 间接控制法，依赖连接电感的参数，这些参数测量困难而且变化，因此技术实现困难。 2 3 2 电流直接控制 简单地说，电流直接控制就是采用跟踪型的p w m 控制技术对a s v g 的交流侧产生的无功 电流进行控制。理论上，各种p w m 技术都可以对a s v g 的交流侧产生的电流进行控制，并且 由于电流直接控制对a s v g 输出的无功电流进行直接控制，因此比电流间接控制更能精确地 控帝t j a s v g 输出的无功电流。正因为如此，电流直接控制策略在a s v g 中占有重要位置。电流 直接控制的基本思想是使用适当的p w m 策略对系统的瞬时无功电流进行处理来得到p w m 脉 冲信号，然后使用该p w m 脉冲信号去驱动变流器中可控电力电子器件的门极，从而控制变流 器的输出电流瞬时值与系统的瞬时无功电流在允许的偏差范围内。电流直接控制的p w m 策略 很多，最常用的方法有三角波比较法、滞环比较法和空间电压矢量法。本设计采用的是空间 电压矢量法。 9 东北农业大学丁学硕士学位论文 2 3 2 1 三角波比较法 三角波比较法有两种基本结构。第一种控制结构如图2 6a ) 所示，采用了a b c 轴下的瞬 时电流控制方法。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 d 。，与直流电压反馈经电压p i 调节器后生成有功电流指令，加，对流入 a s v g 的有功电流控制可以控制直流侧电压。有功电流指令j 枷，和无功电流指令l 。，通过 幽0 一a b e 变换成三相瞬时电流指令，。一、厶。，和l 一，三相电流指令与瞬时电流通过恒频 三角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。 另一种控制结构如图2 6b ) 所示，采用- j d q 轴下的瞬时控制系统。a s v g 发出的三相电 流瞬时值、乇、经由0 变换解耦为独立的有功电流，。分量和无功电流，。分量，然后和 给定的有功和无功进行p i ( 无静差) 调节，经p i 调节器所得值，再经过砌0 一a b c 坐标变换 成三相电流信号，和三角波比较得到逆变器的开关信号。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。 a ) a b e 轴下电流控制 a )a b e a x i sd i r e c tc o n t r o lo f c u r r e n t b ) d q 轴下电流控制 b ) d qd i r e c tc o n t r o lo fc u r r e n t 图2 6 三角波比较法的控制系统结构原理框图 f i g 2 6c o n t r o ls y s t e mp r i n c i p l ed i a g r a mf o rt r i a n g u l a rw a v ec o m p a r e i n g l o l a l b l c a s v g 的基本原理及控制策略 由于参考值，。，和，门。，反馈值，d 、，。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= 宵器，在由0 一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，在由0 一a b c 变换前的由轴下。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。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。 2 3 2 2 滞环比较法 滞环比较法的控制原理如图2 - 7 所示。电网无功电流岛与a s v g 输出反馈电流0 s 陷经比 较器处理后产生差值电平，去修正开关信号的占空比来控制电力电子器件的驱动电路。 滞环比较 2 坷+ 、l 爪血、 上 kul 雄w 、 a 舛g 主电路厂 厂之 p v 叮v i 7 一 图2 7 电流直接控制的滞环比较法 f i g 2 7h y s t e r e s i sc o m p a r i n gf o rc u r r e n tc o n t r o ld i r e c t l y 当差值电平小于滞环的最大值时，控制功率开关器件在电流增大状态；反之，当差值电平小 于滞环最小值时，控制功率开关器件在电流减小状态。这样输出电流就会按照参考电流的轨 迹，在滞环宽度带内跟踪参考电流。滞环带宽度越窄，跟踪效果越好，但开关频率越高，开 关损耗越大。滞环比较有较好的跟踪效果，控制参数也简单，但功率器件的开关频率变化给 输出滤波器的设计带来困难。此外，如果采用固定宽度的滞环带，在输出电流小时谐波电流 含量增大，因此有人提出随输出电流变化而改变滞环宽度的改进滞环法，这种方法以减小电 流的跟随性能。滞环比较的上述特点使其更适合于容量小、开关频率高、电流变化不大的场 合。 在稳态工作条件下，误差信号被限定在固定的宽度范围内。滞环比较器具有很好的动态 性能和限流性能，但滞环比较法的开关频率不固定，变流器开关动作呈现非周期性，开关损 耗大。为了改进固定环宽滞环控制的缺点，有人提出了正弦环宽滞环控制，当生成正弦电流 时，正弦环宽滞环控制方法能够获得较好的开关特性，输出信号的过零点比较平滑。也有人 提出 p l l 预测环宽滞环控制方法。为了限定开关频率，可以将滞环控制方法和三角波比较 法混合使用。 东北农业人学工学硕十学位论文 2 3 2 3 空间电压矢量法 所谓空间电压矢量法，就是利用正交变换，将三相电压用筇坐标系或砌坐标系中的空间电 压矢量表示( 若有零序分量，则对零序分量单独处理) ，然后将筇或由平面上的电压和电 流矢量分成六个区域，电流和电压矢量区域相差3 0 0 ，根据电流误差矢量所处的区域，选择 变流器输