（电力电子与电力传动专业论文）基于f2812+dsp的新型静止无功发生器的设计.pdf

d e s l g n0 fa s v gb a s e do n f 2 8 1 2d s p a b s t r a c t v a tc o m p e n s a t i o ni sa ni m p o r t a n ta p p r o a c hf o rt h ep o w e rs y s t e mo p e r a t i n gs t a b l y d u e t 0i t sg o o dp e r f o r m a n c e ，a d v a n c e ds t a t i cv a rg e n e r a t o rw i t hd i g i t a lc o n t r o l l e rh a sb e c o m et h e m a j o rm e a n so fv a rc o n t r o ld e v i c e si np o w e rs y s t e m , a n dt h er e s e a r c ho fa s v ga l s ob e c o m e ah o tt o p i ci np o w e rs y s t e ma n da u t o m a t i cc o n t r o la r e a i nt h i sp a p e r , t h er e c e n ta d v a n c eo fa s v gi sp r e s e n t e df n s t l y , t h eo p e r a t i o np r i n c i p l ei s a n a l y z e di nd e t a i l ，a n dt h em a t h e m a t i c a lm o d e li sa c c o m p l i s h e d b yu s i n gi n s t a n t a n e o u s r e a c t i v ep o w e rm e t h o d , v a rc u r r e n tc a l lb e m e a s u r e dq u i c k l y i no r d e rt or e d u c es t e a d y - s t a t e e r r o ra n di m p r o v eo u t p u tw a v e f o r m , i n d i r e c tc o n t r o lo fc u r r e n tw i t hc l o s e dl o o pi se m p l o y e d t h i ss t r a t e g ya c t u a l l yi sc o n t r o l l i n ga m p l i t u d ea n dp h a s eo fo u t p u tv o l t a g et oc o n t r o lv a r c u r r e n t t a k i n gt h ep r a c t i c ec a s ei n t oa c c o u n t , t h es p w m m o d u l a t i o nt e c h n i q u ei sp r o p o s e db y a d o p t i n gt h es y m m e t r i c a la n dr e g u l a rs a m p l i n gm e t h o dt op r o d u c ed r i v i n gp u l s eo fa s v g , a n dt h i sm e t h o di sd i s c u s s e da n da n a l y z e di nd e t a i l t h e n , t h es t r u c t u r eo fa s v gi sd e s i g n e d , t h ei g b tw a su s e di nt h ep o w e rs t a g e ，a n dt h e t m s 3 2 0 f 2 812d s pw a sa d o p t e da sad i g i t a lc o n t r o ls y s t e mo fa s v gt h es y s t e ms o r w a r e b a s e do nb l o c k i n gcp r o g r a m m ei n c l u d i n gs p w mi sa l s oc o m p o s e d b yt h e 哦o fp o w e r f u l r e s o u r c eo fd s p ，s u c ha sf a s td a t ap r o c e s s i n ga n di n t e g r a t e dp e r i p h e r a l s ，t h em e a s u r i n g , c o n t r o l l i n g ，r e a l - t i m ec a l c u l a t i n g ，p a r a m e t e rd i s p l a y i n ga n dd y n a m i cv a rc o m p e n s a t i o n c a l lb e p u ti n t oe f f e c t f i n a l l y ，t h ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c hi sc a r r i e do n ，t h er e s u l t sa r ea l s op r e s e n t e d ，a n dt h e a d j u s t a b l eo u t p u tv o l t a g ea n dc u r r e n tc a nb eo b t a i n e d t h ew h o l ed e s i g n sa v a i l a b i l i t ya n d f e a s i b i l i t yc a nb es h o w e db ya l lt h e s ew o r k s ，a n dt h eg o o dt e c h n o l o g i c a lf o u n d a t i o nf o r s t u d y i n go fa s v g i sa l s op r o v i d e d k e yw o r d s ：v a rc o m p e n s a t i o n ；a s v g ；t m s 3 2 0 f 2 812d s p ；i n d i r e c tc o n t r o lo fc u r r e n t ； s p w m i i 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：关堑 学位论文使用授权说明 朋8 年多月 7 日 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。 请选择发布时问： 学口时发布 口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 撇斑一躲i ) 脚啡易月广 广。叠r j 胡参硕士掌位论文| 0 于f 2 8 1 2d s p 的新型静止舅力发生器的设计 致谢 首先，衷心感谢导师陈延明教授对我的精心指导，本论文才能得以顺利完成感 谢导师三年来在各方面给予我的关怀和培养，他教授给我的无论是专业技能还是 为人处事，都将使我终身受用。在此，向导师致以最诚挚的感谢和最崇高的敬意! 还要特别感谢黄洪全副教授在课题进程中给予的帮助和指导! 同时，本课题的完成也离不开各位同窗、师兄弟以及同学们的热情帮助和支持，感 谢你们! 最后，我要感谢我的父母，多年来他们为我倾注了无数的心血，做出了无私的奉献， 没有他们就没有我的今天! 对于他们的感激之情，我将以实际的努力作为回报! = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 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。尽我所学，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。 一蹙一日期：畔 广西大掣嘱页士掌位论文蕞于f 2 8 1 2d s p 的新型静止天助戋生器的设计 第一章绪论 1 1 本课题的研究背景 在科技、经济飞速发展的今天，社会各方对供电质量提出了越来越高的要求，除了 要求供电可靠连续外，还希望供电电压、频率稳定，波形良好。特别是伴随电信产业的 迅猛发展，人类更加依赖于数字化复杂精密设备所提供的信息与服务，如电子计算机、 通信设备、自动生产线等，而这些设备对供电质量的要求就更为严格，对电源波动和各 种干扰比以往的机电设备也更加敏感，任何供电质量的恶化都可能造成产品的质量下降 甚至损毁，严重影响人们正常的生产、生活。 然而，在现代电网中，电动机、工频炉、荧光灯等感性负载占据相当大比重，它们 在消耗有功功率的同时，还需要吸收大量的无功功率。此外，近年来电力系统中非线性 用电设备，特别是电力电子装置( 如：相控整流器、变频调速装置) 的迅速增多和应用日 益广泛，这一方面使得电能得到更加充分的利用，另一方面又使大量的无功电流注入电 网。公用电网中出现的这些无功功率，将导致设备及线路损耗增加，引起电压闪变、频 率变化和三相不平衡，致使电网的电能质量严重恶化，影响输电效率和设备寿命，同时 也会影响供电企业的经济效益，严重时甚至危及到电力系统的安全运行。 因此，为了有效改善电能质量，保证电网的安全、稳定以及经济运行，必须对无功 功率进行控制与补偿。这样一来，研究和发展无功补偿技术，如何更好、更有效、更优 化的对无功功率进行动态补偿，就成为当今电力系统、电力电子技术和控制研究领域中 急需解决的重要课题，正受到国内外多方的关注。而且我国与发达国家相比，无论从电 网功率因数还是补偿深度来看，都有较大差距，因此在我国大力推广无功补偿技术尤为 迫切i l j ，意义也十分重大。 1 2 无功补偿概述 无功补偿是维持现代电力系统稳定与经济运行所必需的。然而前面提到的无功功率 如果都靠发电机提供并经长距离传送显然是不合理的，通常也是不可能的。因此，合理 的方法应当是在需要消耗无功功率的地方产生无功功率来补偿无功的损耗，使电网只需 输送电压相位与电流相位同相的电能，这也就是本文所讨论的无功补偿。 1 2 1 无功补偿的作用 l 、提高电力系统及负载的功率因数，降低设备容量，减少功率损耗； 2 、提高电力系统的静态和动态稳定性； 广西大学硕士掌位嵌巴基于f 2 8 1 2d s p 的新型静止j 0 叻发生器的设计 3 、稳定受电端及电网的电压，提高供电质量。在长距离输电线的合适地点设置动 态无功补偿装置可改善输电系统的稳定性，提高输电能力； 4 、在一些三相负载不平衡的情况下，通过适当的无功补偿可以平衡三相有功功率 及无功负荷。 1 - 2 2 无功补偿装置的发展历程 正因为无功补偿具有上述改善电网性能的作用，人们对无功补偿技术的研究方兴未 艾，并由此推动其装置不断发展。电力系统中的无功补偿装置从早期的调相机开始发展 至今，前后历经了近一个世纪的发展历程，大体可分为传统型和静止型两个大的发展阶 段，且每个阶段都有各自的具体装置，下面分别作简要介绍： 1 2 2 1 传统型 1 、调相机 调相机( s y n c h r o n o u sc o n d e n s e r - s c ) 是早期典型的一种无功补偿设备，它实质上是一 种空载运行的同步电动机，通过调节其励磁，实现在过励磁或欠励磁的不同情况下，分 别发出不同大小的容性或感性无功，具有良好的电压调节特性，可提高电力系统运行稳 定性。过励磁运行时，向系统提供感性无功，提高系统电压：欠励磁运行时，从系统吸 收感性无功，降低系统电压。自上世纪二三十年代以来的几十年中，同步调相机在电力 系统无功功率控制中一度发挥着主要作用【2 1 。不过，由于它是旋转设备，因而损耗和噪 声都较大，运行维护复杂，价格高，而且响应速度慢，在很多情况下已无法适应快速无 功控制的要求，其技术已明显陈旧。 2 、并联电容器 并联电容器是电网中使用最多的一种专用的无功功率补偿设备，具有结构简单、经 济、易于安装维护等优点。因此，并联电容器的迅速发展几乎取代了电力系统中的同步 调相机，在国内，补偿无功用的最多的办法也就是并联电容器。但是，由于并联电容器 的阻抗固定，因此只能补偿固定无功，无法动态跟踪负荷无功的变化，更重要的是它的 负电压效应，当系统电压下降时，供给无功反而减少。而且在系统有谐波时，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。 1 2 2 2 静止型 2 0 世纪7 0 年代以来，随着研究的进一步深入，以及电力电子技术的不断发展，结 合了电力电子技术的静止无功补偿技术逐渐取代传统的无功补偿手段。 l 、静止无功补偿器( ( s t a t i cv a rc o m p e n s a t o r - s v c ) 静止无功补偿器( s v c ) ，是相对于调相机而言的一种利用电容器和各种类型的电抗 器进行无功补偿( 可提供可变动的容性或感性无功) 的装置。 2 , r - 西j 醴坝士掌位裁譬| 0 于f 2 8 1 2d s p 的新型静止j 叠力基生器的设计 饱和电抗器( s r ) 是早期的静止无功补偿装置，分为自饱和电抗器和可控饱和电抗器 两种。前者是和用铁心的饱和特性来控制发出或吸收无功功率的大小。而后者则是通过 改变控制绕组中的工作电流来控制铁心的饱和程度，从而改变工作绕组的感抗，进而控 制无功电流的大小。1 9 6 7 年，世界上第一批饱和电抗器型静止无功补偿装置由英国g e c 公司研制成功。此后，各国竟相研衬、大力推广。它与同步调相机相比，具有静止型的 优点，但由于其铁心需磁化到饱和状态，因而损耗和噪声都很大，而且调整时间长，动 态补偿速度慢，此外这种装置中的饱和电抗器造价高，所以饱和电抗器未能占据静止无 功补偿装置的主流。 伴随柔性交流输电系统( f l e x i b l ea ct r a n s m i s s i o ns y s t e m f a c t s ) 1 4 1 5 】概念的提出和 发展，使用晶闸管的静止无功补偿装置以其优良的性能开始占据静止无功补偿装置的主 导地位，自它出现后的十多年间，其世界市场一直在迅速而稳定地增长f a c t s 技术 是利用现代大功率电力电子技术改造传统交流输电技术，并应用微处理器和微电子技 术、通信技术和控制技术，实现对交流系统的无功( 电压) 、电抗和相角的灵活快速控制， 以达到提高输电能力并且抑制振荡，保证电力系统安全、可靠和经济运行的目的。 因此，静止无功补偿装置( s v c ) 往往专指使用晶闸管器件的静止无功补偿装置，包 括晶闸管控制电抗器( t h y r i s t o rc o n t r o l l e dr e a c t o r - t c r ) ，晶闸管投切电容器( t h ) r r i s t o f s w i t c h e dc a p a c i t o r - t s c ) 以及这两者的混合装置( t c r + t s c ) 。它们采用晶闸管串联控制 技术，通过控制晶闸管的触发角，改变接入电网中的等效电纳，从而达到调节输出无功 的目的。 t c r 型补偿器由两个反并联的晶闸管与一个电抗器串联而成，其单相原理图如图 1 1 所示。由于单独的t c r 只能吸收无功，而不能发出无功，为了解决此问题，常常将 固定电容器( f i x e dc a p a c i t o r - f c ) - qt c r 配合使用，即构成f c + t c r 型无功补偿器。 f c + t c r 由t c r 和若干组不可控电容器并联而成，通过控制与电抗器串联的双向晶闸 管的导通角，既可以向系统输送感性无功电流，又可以向系统输送容性无功电流。 图1 - 1t c r 单相电路图 f i g1 - 1s i n g l e p h a s es c h e m eo f t c r 3 图1 2 t s c 单相电路图 f i gi - 2s i n g l e - p h a s es c h e m eo ft s c 广西大掌硕士掣啦论文 为了解决电容器组频繁投切的问题，出现了t s c 装置。t s c 型补偿器由一组并联 的电容器组成，每一台电容器都与双向晶闸管及小电感串联，其单相t s c 原理如图1 2 所示。这里的晶闸管仅起开关的作用，以替代常规电容器所配置的机械式开关；而串联 的小电感用于抑制电容器投入电网时可能产生的冲击电流。在运行时，根据所需补偿电 流的大小，决定投入电容的组数。 s v c 装置克服了之前传统补偿装置响应速度慢、运行噪音大等缺点，其快速的响应， 灵活的控制，适中的价格，简单的维护，使其在电力系统中得以迅速的推广。但s v c 也存在不少缺点1 7 l l 列：首先是所有形式的s v c 设备之所以能产生感性无功功率，依靠的 仍是其中的电容器，即s v c 保留了阻抗型装置的一些特性，这就导致s v c 与静电电容 器有着同样不可逾越的障碍，即当电压水平过于低下，急需无功补偿时，补偿器的输出 反而会减少，致使补偿效果产生较大的影响。其次为工作于斩波状态的晶闸管会产生较 大的谐波，对电力系统造成污染。另外，由于晶闸管的关断不可控，开关器件工作频率 低，电容分组不能连续投切，因此其调节质量相对减弱，动态性能也难以提高。所以， s v c 装置依旧留给人们较大的改进余地。 2 、新型静止无功发生器( a s v g ) 上世纪8 0 年代，随着大功率全控性晶闸管g t o 和i g b t 的出现，特别是相控技术、 脉宽调制( p w m ) 技术的提出使得电力电子逆变技术得到快速发展，更重要的是l g y u g y i 提出利用变流器进行无功补偿的理论以来，一种采用自换相变流电路进行动态无功补偿 的更为先进的静止型无功补偿装置一新型静止无功发生器a s v g ( a d v a n c e ds t a t i cv a t g e n e r a t o r - a s v g ) 应运而生，也有人称它为静止无功调相机( s t a t i cs t a t i cs y n c h r o n o u s c o m p e n s a t o r - s t a t c o m ) 。 a s v g 在柔性交流输电系统中占有相当重要的地位，是电力系统主要的可控设备之 一。它不仅可以调节无功，还可用来改善电力系统稳定性。它可以在电网连接点提供快 速的电压和无功控制，保护电网不受谐波、电压闪烁、电压不对称之类的电网污染，以 改善电网供电质量；也可提高线路的功率因数，减少线损【l 。 a s v g 通过注入与实际无功电流大小相等、方向相反的补偿电流来工作，其原理和 控制方法与s v c 完全不同。它不采用常规的电容器和电抗器，而是将自换相桥式电路 通过电抗器或者直接并联到电网上，即将a s v g 视为连接在三相传输线路上的一个三相 电压源逆变器，通过适当控制三相电压源逆变器输出电压，使其与系统交换满足要求的 无功( 感性或容性) ，以最终实现无功补偿。a s v g 基本结构、原理及控制方法将在下一 章详细分析。 4 广西大增明奠士掌位论文墓于f 2 8 1 2d s p 的新型静止曩助发生器的设计 1 3 新型静止无功发生器( a s v g ) 成为无功补偿装置的发展方向 随着人们对节约能源，减少电源污染重要性的认识，作为f a c t s 的重要设备成员 之一，a s v g 以其在补偿无功，提高电网质量方面相对于其它无功补偿装置的优越性能 而成为真正意义上的实时无功补偿装置，代表了电力系统动态无功补偿的发展方向【1 2 1 ， 并且在工业和生活中的应用目益广泛。正因为如此a s v g 一直以来也就是国内外研究的 热点。 1 3 1a s v g 的优越性能 l 、直流侧电容器主要是用来稳定直流电压，因此对它的容量要求不高，而且这些 电容由直流电容器构成，这样可以省去常规补偿装置中的大电感和大容量及庞大的切换 机构，使a s v g 装置的体积减少、损耗降低。且较小的电容量在系统中普遍使用也不易 产生谐振，而使用s v c 或固定电容器补偿，则在系统安装台数较多的情况下，有可能 导致系统谐振的产生。 2 、a s v g 既能响应网络中的稳态也能响应暂态变化，因此在提高系统的暂态稳定 性、阻尼系统振荡等方面大大优于传统的同步调相机。 3 、采用数字控制技术，系统可靠性高，且可节省大量维护费用。 4 、控制灵活、响应速度快，比同步调相机快一个数量级；调节范围广，在感性和 容性运行工况下均可连续快速调节，从而提高供电电压质量。 5 、静止运行，安全稳定。a s v g 没有调相机那样的大型转动设备，无磨损，无机 械噪声，这将大大提高装置寿命，改善对环境的影响。 6 、连接电抗小，减小占地面积。a s v g 接人电网的连接电抗用于滤除电流中的较 高次谐波，另外起到将变流器和电网这两个交流电压源连接起来的作用，因此所需的电 感量并不大，该值也远小于同容量s v c 所需的电感量。 7 、采用高频率可关断器件，再与桥式交流电路的多重化技术、多电平技术或 p w m ( 本文为s p w m ) 技术相结合，可得到较理想的正弦电压、电流波形，使输出波形谐 波含量得以减少。 当然，a s v g 的控制方法和控制系统显然要比s v c 复杂，其使用的全控型开关器 件的价格目前仍比s v c 所使用的普通晶闸管高。但随着各项技术的发展和成本的降低， a s v g 具有的这些优越性能将更进一步突出，并将更进一步显示它代表动态无功补偿装 置发展方向的地位。 1 3 - 2a s v g 国内外研究现状分析 正因为a s v g 在无功补偿，提高系统电压质量方面的突出表现，世界各国争相研究， 并推动a s v g 的发展进入实用阶段，其现场运行效益良好。 5 | ；于f 2 8 1 2d s p 的新裂翻h 匕曩另扫裳生器的设计 l 、国外研究现状【1 3 1 9 1 由于国外投入了大量的人力物力进行该课题的研究，a s v g 在工程应用方面发展迅 猛。自日本关西电力公司与三菱公司于1 9 8 0 年研制成功2 0 m v a 采用晶闸管强制换相 桥式电路的世界首台a s v g 样机起，a s v g 作为f a c t s 的重要成员弓 起各国电力工业 界的重视。目前世界几大著名公司( 如瑞士a b b 公司、德国西门子公司、美国西屋公司、 以及日本东芝公司、三菱公司等) 都竞相研究并力图抢占这一未来电力系统发展的重要 领域，并且都研制出基于变流器的a s v g 并联补偿装置，主要用于稳定系统节点电压、 补偿无功功率。 1 9 8 6 年l o 月，世界首台采用大功率g t o 作逆变器元件的静止补偿器，由美国国 家电力研究院( e p r i ) 和西屋公司( w e s t i n g h o u s ) 共同研制并成功投入运行，容量为 1 m v a 。之后，日本三菱电机公司与关西电力公司又采用g t o 研制成功8 0 m v a 的 a s v g 装置，并于1 9 9 1 年在犬山变电站1 5 4 k v 系统投运，该系统长距离送电线路中间 点电压得以维持，系统稳定性得以提高。1 9 9 3 年3 月，东京电力分别与东芝公司和日立 公司开发了两台用于东京所属新信浓变电所的5 0 m v aa s v g 装置。美国西屋电气公司 与电力研究院及田纳西电力局( t e n n e s s e ev a l l e ya u t h o r i t y ，t v a ) 在美国田纳西峡谷电力 系统( t e n n e s s e ev a l l e ya u t h o r i t yp o w e rs y s t e m ) 的s u l l i v a n5 0 0 k v 变电站共同建造了一套 + i o o m v a 的a s v g ，于1 9 9 6 年成功运行至今，其良好的经济效益免去了在该系统重新 建造一条输电线路同时又能满足容量扩充的需求。1 9 9 7 年，德国西门子公司开发研制出 了8 m v a 的a s v g 装置，该装置用于丹麦r e j s b yh e d e 风场的风力发电机组的动态控制。 2 0 0 1 年初，英国a l s t o m 公司研制了首台基于链式结构7 5 m v a 的a s v g 静止无功 补偿系统，并投入到英国国家电网公司( n a t i o n a lg r i dc o m p a n y ，n g c ) 4 0 0 k v 系统内，英 国北部通往南部的电力传输进而得到提高。另外，2 0 0 3 年9 月，6 0 m v a 的a s v g 装置 在日本中央铁路公司投入使用。美国a u s t i n 能源公司( j 于2 0 0 5 年1 月在h o l l y l 3 8 k v 变电站投入运行了由a b b 公司研制的1 0 0 m v a 的a s v g 装置。 2 、国内研究现状 2 1 1 2 0 “捌 在我国，这一领域的研究1 固* i s * j 起步，尚处在发展阶段。但随着最近十年来对f a c t s 技术研究的深入，国内对a s v g 方面的研究工作不论是理论还是具体装置，都有了长足 的进步和突破性的进展。 华北电力学院于1 9 8 6 年研制出1 0 k v a 采用晶闸管强迫换相电路组成的a s v g 实 验装置，为国内a s v g 的研制进行了有益的探索。1 9 8 8 年，东北电力学院研制成采用 g t o 器件的2 k v a 原理模型装置。1 9 9 4 年5 月，在原电力部的支持下，河南电力和清 华大学开始共同研制2 0 m v aa s v g 装置，并作为原电力部重点科技攻关项目，研究 重点为a s v g 控制器的设计以及其控制性能。为了进行基础理论研究，清华大学先行研 制了一台3 0 0 k v a 的中间工业试验装置和1 0 k v a 的动态模拟装置，前者于1 9 9 5 年 8 月在清华大学校实验电厂挂网运行，通过了7 2 小时的满负荷持续运行测试，为成功研 6 | ；于f 2 8 1 2d s p 的新型静止曩助基生器的设计 制2 0 m v aa s v g 打下了良好基础。1 9 9 9 年3 月，该科技攻关项目一4 - 2 0 m v aa s v g 在河南洛阳的朝阳变电站并网成功，并于2 0 0 0 年6 月依次成功地通过了河南电力试验 研究所和中国电力科学研究院的性能试验，这是国内首台投入应用的大容量柔性交流输 电装置，也使我国成为世界上继日本、美国、德国之后第四个拥有该项技术的国家。2 0 0 0 年上海电力公司和清华大学合作研制5 0 m v a 成套链式多电平a s v g ，2 0 0 6 年3 月成 功投运用于上海黄渡西郊2 2 0k v 变电站，起到对重负荷并远离电源地区的电压支撑作 用，为我国a s v g 今后的发展与应用打下了基础。此外，东南大学、哈尔滨工业大学、 西安交通大学等院校与国家电力公司电力自动化研究院、中国电力科学研究院等科研机 构也对a s v g 的相关研究分别作出了自己的贡献。 1 4 本课题的研究意义 经过前面的一番论述，能非常清楚的认识到，源于提高电网质量促使电网对无功补 偿的迫切要求，源于a s v g 在补偿无功、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，源于a s v g 所产生的巨大的社会经济效益及广阔的发展前景，开展对 a s v g 的研究并进行装置级试制具有深远重大的意义。而且作为f a c t s 家族最重要的 一种控制器，掌握a s v g 的主电路、保护、控制系统的设计以及运行特性，将为其他 屺t s 设备的研制做一定的技术储备。 在静止无功发生器中，控制系统是其核心部件，其性能将直接影响补偿效果。采用 先进的、功能强大的数字信号处理器设计的数字化控制系统可解决控制算法运算和响应 速度的难题【2 4 j ，使a s v g 快速动态无功补偿的优越性更加突出。以d s p 为控制系统核 心的a s v g 已成为世界各先进工业国家和国内科研机构普遍重视的科研课题，但目前主 要使用的是，n 公司的1 6 位定点d s p 处理器州s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ，其采样精度不够，处理 速度满足不了实时性要求。本文设计的a s v g 控制系统采用1 r i 公司当今最先进的工业 控制3 2 位定点d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 作为主控芯片，它的处理和控制能力相对于之 前的1 6 位d s p 有大幅度提高，利用其强大的数据处理能力和丰富的外设资源，可实现 系统软件和硬件的再配置，使系统小型化、集成化，提高系统运行性能，同时也能为其 他电能质量调节器及智能检测装置控制系统的开发提供一定的借鉴。 1 5 本课题的研究目标、主要工作及内容安排 本课题的研究目标是：设计一台士2 k v a 基于d s p 为核心控制芯片的新型静止无功 发生器( a s v g ) 实验装置，利用d s p 的高速处理能力实现全数字控制，通过建立补偿电 流和无功指令之间的一种数学关系，采用三相双极性s p w m 控制技术产生最终驱动逆 变器的触发脉冲，输出幅值、相位可调，频率与电网频率保持一致的正弦电压，从而最 终实现对负载无功电流的动态补偿。本文采用理论研究和实验相结合，软、硬件协同设 7 广西大学司i 士掌位论文爿l 于f 2 8 1 2d s p 的新型静止无功文生器的设计 计的研究方法，按照“硬件设计、验证、制作一算法研究一软件编程、仿真一软、硬件 联调 的技术路线开展工作。 在明确本文研究目标和研究方法后，本文在进行大量有关a s v g 控制与设计的文献 研究和资料分析的基础上，结合课题实际，将主要完成以下四个方面的工作： ( 1 ) 理论研究。分析a s v g 的工作原理，研究无功电流的控制策略，并在此基础上 建立控制无功电流方法的数学模型。对检测无功电流( 无功功率) 所采用的瞬时无功功率 理论和控制主电路开关器件的s p w m 脉冲调制技术，进行原理分析和计算公式推导。 ( 2 ) 硬件设计。设计以i g b t 为功率开关器件的a s v g 主电路；以1 r i 公司的d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 为核心，设计a s v g 全数字化控制系统硬件平台，给出各模块电路 的设计方案；设计保护电路。 ( 3 ) 软件编程。采用本论文所提算法并根据控制系统功能，基于c 语言编写模块化 控制程序，实现模拟数据采集、数据处理( 无功电流检测) 、频率测量、液晶显示以及主 电路开关器件驱动脉冲信号s p w m 脉冲生成等功能。 ( 4 ) 实验验证。完成实验平台搭建，进行软硬件实验验证，取得有关实验波形，并 做相应分析，验证本文a s v g 装置软硬件设计方案的可行性。 本论文内容共分为6 章： 第一章阐述了新型静止无功发生器( a s v g ) 的研究现状及研究意义，并介绍了本课 题的研究目标及主要工作；第二章论述了无功电流检测的方法；第三章分析了a s v g 的 基本工作原理和控制方法；第四章是a s v g 装置硬件设计部分，对各功能电路作了说明； 第五章是软件部分，也是本文的重点，给出了各模块程序的流程图，并重点论述了s p w m 产生模块的软件设计思想；第六章为实验结果与分析；第七章为总结与展望部分。 8 广西大曹n 炙士掌位论文| l 于f 2 8 1 2d s p 的新型静止曩力发生器的设计 第二章无功功率理论与无功电流检测 要实现无功功率的动态补偿，必须首先确切地了解无功功率的基本概念和定义，以 便为无功电流的具体检测( 计算) ，及下章a s v g 工作原理、控制方式的分析打下理论和 数学基础。 无功补偿应包含对基波无功功率的补偿和对谐波无功功率的补偿。后者实际上也可 以说是谐波补偿。本论文所说的无功补偿专指对基波的无功补偿，而且针对的是电网电 压、负载电流三相对称的情况。 2 1 传统无功功率理论【2 1 f 2 司 l 、正弦电路无功功率和功率因数 在正弦电路中，负载为线性，电路中的电压和电流都是正弦波。现以感性负载为例， 则电压和电流可分别表示为： v - - 劢血磷 ， ( 2 1 ) f = 豇s 赋研一咖= 豇c o s 9 s i n 研一豇s i i l 缈c o s 耐= + ( 2 2 ) 式中矽为电流滞后电压的相角，为正。可见，电流i 被分解成两部分：与电压同相位的 分量( 有功电流分量) ，滞后电压9 0 。的分量( 无功电流分量) 。 电路的有功功率p 为瞬时功率在一个周期内的平均值，即： 户= 去r 暑谢( 研) = 去r 膏( 哆+ 嵋) d ( 研) = v c o s 9 ( 2 - 3 ) 电路的无功功率则定义为： q = f s i n 矿 ( 2 4 ) 由式( 2 3 ) 、( 2 - 4 ) 可知，q 为无功分量嵋的变化幅度，而噱的平均值为零，表示了 其有能量交换但并不消耗功率，q 也就表示了这种能量交换的幅度，且这种能量交换通 常是在电源和具有储能元件的负载之间进行的。真正的功率消耗是由有功分量诃p 产生 的。 工程上，把电压电流有效值的乘积作为电气设备功率设计极限，即电气设备最大可 利用容量，称为视在功率： s = v ( 2 5 ) 且由式( 2 3 ) 、( 2 - 4 ) 、( 2 5 ) 可得： s 2 = p 2 + q 2 ( 2 6 ) 9 广西大学蝎炙士掌位琵文 基于f 2 8 1 2d s p 的新型静止曩窍彦裳生器的设计 由式( 2 - 4 ) 、( 2 - 5 ) 可见，s 为p 的最大值，p 越接近s ，电气设备利用率越高。为反 映p 接近s 的程度，定义有功功率和视在功率的比值为功率因数旯： a ：i p ：v c 孑o f s 一 ：c 。s 伊( 2 - 7 ) = 一= 一= c o s 伊 s玎 在正弦电路中，电压和电流之间的相角差决定了功率因数，常用c o s 矽表示。 2 、非正弦电路无功功率和功率因数 在含有谐波的非正弦电路中，有功功率、视在功率和功率因数的定义同于正弦电路。 考虑到在公用电网中，电压的畸变通常很小，而电流的畸变则可能很大。因此，研究电 压波形为正弦波、电流波形为非正弦波的情况具有很大的现实意义。本文研究的就是基 于这样的电网情况。由数学知识可知，非正弦周期函数可表示成三角形式的傅立叶级数， 仍以感性负载为例，则畸变电流表示为： 舻皿s i n ( n a l t 一吼) = 扭s i n ( c o t 一仇) + 皿s i n ( n 国t 一纯) ( 2 8 ) 电压形式同式( 2 - 1 ) ，其中y 为正弦电压有效值，五、仍为基波电流有效值及与电压 相角差，厶、纯为力次谐波电流有效值及与电压相角差。 根据正弦函数的正交性，即不同频率的电压电流之间不产生有功功率，可计算出有 功功率p ： 户= 二【r i d ( c o t ) = c o s ( p l (2-9)2x 丙 、7 利用傅立叶变换法计算视在功率s 为： 厅一厂一 s = 玎。儿善e = 儿矸+ 荟e ( 2 - 1 0 ) 时钟：，为畸变电流有效值。 而在含有谐波的非正弦电路中，无功功率的情况比较复杂，至今没有被广泛接受的 科学而权威性的定义。目前主要仿照式( 2 - 4 ) ，定义无功功率： q r = v t , s i n ( 2 1 1 ) 由此可见，无功g ，只是由同频率电压电流正弦分量之间产生，它已无度量电源和 负载之间能量交换幅度的物理意义，而本文的q ，专指基波电流所产生的无功功率。 这样，s 2 户2 + 谚，所以引入畸变功率d ，使得s 2 = 尸2 + q ；+ d 2 ，则： 一r 一 d = p 2 一p 2 一g = y 鬈 ( 2 - 1 2 ) 1 0 广西大学哂曩士学位簧定羞于f 2 81 2d s p 的新型静止无功发生薯i 的设计 和q ，不同，d 是由不同频率的电压电流正弦分量所产生的无功分量，而本文的d 专指 谐波电流所产生的无功功率。 这样，功率因数为； 名：罢：华= 粤c o s 凭( 2 - 1 3 ) 五= 一= o 土= l c 0 s 戗 sy ll ” 它是由基波电流相移和电流波形畸变两个因数共同决定的。总电流则可看成由基波 有功电流、基波无功电流和谐波电流三个分量构成。 3 、三相对称电路无功功率和功率因数 在三相对称电路中，各相电压、电流均为对称，功率因数也相同。三相电路总的有 功功率等于各相有功功率之和，三相电路总的无功功率等于各相无功功率之和，三相电 路总的功率因数就等于各相的功率因数。 传统的无功功率概念是定义在平均值基础上的，在单相正弦电路或三相对称正弦电 路中，功率理论比较完善，概念清楚。但当电压和电流中含有谐波，或三相电路不平衡 时，功率现象比较复杂，传统的功率理论无法对其进行合理的解释和描述。 2 2 瞬时无功功率理论 瞬时无功功率理论网嗍是上世纪8 0 年代由赤木泰文提出，是在瞬时值的基础上系 统定义有功、无功功率的。该理论突破了前节传统功率理论在“平均值 基础上的功率 定义，不仅适用于正弦波，也适用于非正弦波等其它情况，可以看成是对传统理论的推 广和延伸。 设三相电路各相电压和电流瞬时值分别为匕、吃、匕和艺、毛、，并将幻c 三相 电压、电流转换成口一静止坐标系上的两相瞬时电压吃、和两相瞬时电流乞、， 口一夕静止坐标系如图2 - l 所示。图中矢量吃、哆和乏、可合成电压、电流矢量t 和；。 翮ot二。二 x 叫一一 图2 - 1 口一声静止坐标系 f i g2 - 1 口- pc o o r d i n a t e 广西大掌司n b 掌位论文基于f 2 8 1 2d s p 的新型静止无功发生器的设计 多钱+ 玛= 廊依= 汇仍 j - i a + j i a = 压本仍= i q o 。 其中： 毫 = g ： 三 ， 乏 = g ： 芝 ( 2 - 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 一1 6 ) 热= 顾l 兹兹 p - 乃 将电压、电流矢量的点积定义为瞬时有功功率，将电压、电流矢量的叉积定义为瞬 时无功功率，即： p = v i c o s ( 钐, 一仍) = v i c o s 伊= 睥= 屹乞+ v 多( 2 _ 1 8 ) g = v i s i n ( 仍, 一仍) = v i s i n 伊= 嵋= 乞一屹 ( 2 1 9 ) 乏名馨料l s i nc a 埘t - o o , o , v 灿 、定义为瞬时有功电流和瞬时无功电流。 将式( 2 1 6 ) 、( 2 1 7 ) 代入式( 2 1 8 ) 、( 2 1 9 ) ，可得p 、q 对于三相电压、电流的表达式： p = 屹+ ，；+ 1 0 ( 2 - 2 1 ) g = ( - v o ) i o + ( v , - v o ) i , + ( 屹- v , ) i o 】 ( 2 。2 2 ) 由式( 2 2 1 ) 可见，三相电路瞬时有功功率就是三相电路的瞬时功率。 下面讨论分析三相电压、电流均为正弦波且三相对称的情况。以电流滞后电压为例， 设三相电网电压、三相负载电流分别为： 仨 ( 2 2 3 ) , f 2 is i n ( c o t f o ) , 4 互is i n ( c o t 一缈一2 a - 3 )( 2 2 4 ) 4 互is i n ( c o t c p + 2 万3 ) 利用式( 2 1 6 ) 对以上电压、电流进行从动c 到口一坐标系的变换后，可得： 阱以 = c 2 御 1 2 筇劲 ， 一 + 耐舭呱呱 乳 皲 龇 厩以皿 = = = 屹 匕 广西大学蜴炙士学位说览 囊l 于f 2 8 1 2d s p 的新型期u 匕| i 事叻发生嚣的设计 盼扛 = 豺压r l - 蛔e o s 耐二：北 。 其中：= i c o s 缈，= l s i n 缈，分别为每相负载基波有功电流和基波无功电流有效值。 将式( 2 2 6 ) 通过矩阵变换得： z = 万1l - 一s i n s c o 甜t - 一c s o m s 耐 j l b 哆j 1 = 了1 i c 乏 c 2 2 7 ， 矩阵c 中含有正弦函数s i n c o t ，该函数是与a 相电压同相位的正弦函数。 把式( 2 - 2 5 ) 、( 2 2 6 ) 代入式( 2 1 8 ) 、( 2 一1 9 ) 可得： p = 3 v s l e o s q 伊 ( 2 2 8 ) g=3lsin伊(2-29) 以上两式表明，在三相电压、电流均为正弦波且三相对称时，p 、g 均为常数，且与按 传统理论计算的三相有功功率和三相无功功率完全相同。 由以上分析和推到