（电力电子与电力传动专业论文）单周控制三相四线制静止无功发生器研究.pdf

单周控制三相四线制静止无功发牛器研究 a b s t r a c t w i t l l l ed e v e l o p m e n to f l ep c l w 盯e l e c 心d m c 妣h l o l o g 如t i l es t u d yo ft l l ed y 彻l i l i cr e a c t i v e p o w 盯c o m p e n s a t i o n 嘶m i c g e n e 例| o r ( s v g ) h a s 鲫l d l l a l l yb e c o m eo n eo ft 1 1 em o 陀 a c t i v e 陀s e a r c ha r e a so f m e 虹e l do f p c l w e re l e c 仃o t l i c s i nt h i sp a p e r ，a i m i n ga tt 1 1 ec o i n p l e x i 够o f t h ec o n 仃o l l e rs n 佻t u r ea 1 1 dd i m c u l tt ob ee x t e n d e d t 0i n d u s t r i a la n de n g 硫甜n ga p p l i c 撕。璐b e c a _ u s eo fl l i 曲c o s t so fe q u i p m e 盹n 1 1 e e p l l a f o u r - 、而r es t a c i cv 撕g e n e r a c o r ( s v g ) 州mo n e - c y c l ec o m r 0 1 i sp r e s e n t e d t h en e c e s s 时o f 恤r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o ni sf 奴p r e s e n t e d ，t l l e ni n 仃o d u c e d 锄d c o m p a r e d 也ee 】( i s t i n gr e a c 廿v ep o w e rc o m p e n s a t i o nd e v i c e sa i l da r l a l y s i s 也ea d v a l l t a g e so fs v g m a n 锄y 洲 1 e rd e v i c e s ；1 km a i l lc 硫血s t r u c t u r eo fs v ga n dm ec o n n d li n e t h o d so fm d i | e c t c u 盯e n tc o n l 阳i lm l dd i r e c tc u r r e n tc o n l m la r ei i l t r o d l l c e d o n l eb a s i so fc o m p a r i s o no ft 、7 旧 c o n 们lr i 】【e 也o d s ，d e 咖曲e d 也ei n d i r e c tc t e n tc o n l 响la sac o n t lm e 1 0 do f “sp l p e r 1 h e nd i s c u s s e dt l l eb a s i co p e r a n o np r i n c i p l e sa r l dc h a 嘲舭r i s t i c so fo n e - c y c l ec o n t r o li i l d e t a j l a san o l l l 协e a rc o n t r o lm e t h o d ，i te l i m i n a t e ss t e a d y - s t ；a _ t ea i l d 旬r 卸f l s i e n te r r o r sb yc o m r o n i n g t h e 嘶t c k n gm l t yc y c ki i le a c hs v v i t c h i n gc y c l ea 1 1 dc o n 仃o lo ft l l ea v e r a g ev 撕a _ b l er e f e r e i l c e s i g n a l e q u m t oo r i n t o a c 舶p r o p o n i o n g i v e i l 恤e q u i v a l e n tc i r c u i t0 fn l r e e - p h a s ef o * 澌r es 嘶c g e n e r a t o r ( s v g ) 讹 o n e - c y c l ec o n n o la 1 1 di t se q u a t i o no ft h ec o n t r o lo 场e c t i v e sb a s e do nt h e 锄a l y s i so fi t sm o d e l c y c l e o n e - c y c l ec o n 仃o l l e d u e e p 1 1 a _ s ef o u r - 诵r es v g d o e sn o tn e e dd e t e c t e dt h r e e p h a s el o a d c u 玳n ta n dm r e e - p h a s ep o w e rs u p p l yv o l t a g e ，n 0d e t e c t i o no fh 撇o m ca n dr e a c t i v ec u n m 锄d n 0r e q 啦m e n t0 fa r l ym u l t i p l i 既i t sc 0 m r o l l e r sc o m p o s i t i o ni ss e v e r a li i l t e g r a t o rr e s e t ，f l i p n o p s ， c o n 叩蹦l t c 瞒锄da 小吼b e ro fa 1 1 a l o gc o m p o n e n ：t s a n di ti se 商l ye x t e n d e dt 0l h ep r a c t i c a l a p p l i c a t i o no fi l l m l s h ya l l de i 培i 1 1 e e r i n gb e c 乱l s eo ft h em a i l lc i l u “h a sc o n s t a n ts v v i t c h i l l g f 诧q u e n c y 甜l dt h ec o n t r 0 1c i l u i ti ss i l l l p l e ，r e l i a b l e ，e a s yt oi i n p l e m e n t n e ) ( ta i l a l y s i s l em 血c i r c u i td e v i c ea n dc o n 们lc h u i td e s i 印o ft l l eo n e c y c l ec o n 们l l e d l r e e - p h a s ef o u r _ 诵r e 姚t i c g e n e 删| 0 r ( s v g ) ，锄r o d u c e dm ed e 访c e ，a 1 1 a l y s i sa n dc h o i c eo f m ec h 疵够p ea n d 恤c a l c u l a t i o no f t l ei i l l 删p a | 撇r sa n dm ep r h l c i p l e so f m ec h o i c e f i l l a j l y ，d oa 、析d er 锄g eo fl o a ds j 删1 】a t i o nu s 协g 1 em a t l a bs i n l u l a t i o ns o r w 鹏 s i i i l u l a _ t i o nr e s 山t sg i l o w 廿l a tu s m gn l eo n e - c y c l ec o n 仃o l l e dt h r e e p h a s ef o u r - w i l es ) r s _ t e ms v g c a i lr e a c t i v ec 1 】r r e n t 唧i 删i o ns y s t e me 丘跏v e l y ，a n di th a sb e 豫c o m j e n s 撕0 np e 依 加：l a l 雠 k e yw o r d s ：s t a t i c v a rg e n e m t o r 仙e - 呵c kc o n t i o l ； n a c t i 、，ep o w e r c o m p e 酗a t i o n ； t h r e e p h a s ef o u r - 研1 1 es y s t e m i i 硕士学位论文 图1 1 图1 2 图1 3 图1 4 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图2 7 图2 8 图2 9 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图4 1 0 图4 1 1 图4 1 2 图4 1 3 插图索引 无功补偿装置的发展一2 一 t s c 型补偿器单相原理图一3 一 t c r 补偿器单相原理图一4 一 电压型静止无功发生器s v g 原理图一5 一 电压型桥式电路一9 一 电流型桥式电路一1 0 s v g 接入系统示意图一1 0 一 理想状态下s v g 单相等效电路、相量图一1 1 一 实际情况下单相s v g 的等效电路、相位图一1 2 一 厶和6 角的关系一1 3 一 电流间接控制示意图一1 4 一 带反馈的电流间接控制示意图一1 4 一 电流直接控制一1 5 一 单周控制原理图一1 8 一 单相单周控制逆变器一2 0 一 双极性调制输出波形一2 0 一 应用单周控制的s v g 一2 2 一 单周控制等效电路一2 2 一 单周控制波形图一2 4 一 s v g 总体结构框图一2 5 一 s v g 主电路逆变部分原理图一2 6 一 智能功率模块功能图一2 7 一 主电路整流部分原理图一2 8 一 i g b t 缓冲电路一3 1 一 门极驱动电路一3 1 一 控制电路原理图一3 2 一 a 相单周控制波形图一3 3 一 采样示意图一3 3 一 过零检测示意图一3 4 一 正向积分器原理图一3 4 一 时钟电路图一3 5 一 改进r s 触发器原理图一3 6 一 h l 单周控制三相四线制静止无功发牛器研究 图4 1 4r s 触发器的时序图一3 7 一 图4 15 全桥切换电路一3 7 一 图4 1 6 死区电路一3 8 一 图5 1 单周控制s v g 仿真平台一3 9 一 图5 2 单周控制s v g 带三相不平衡纯电阻负载时的仿真波形一4 l 一 图5 3 单周控制s v g 带阻感负载时的仿真波形一4 l 一 图5 4 单周控制s v g 带阻容负载时的仿真波形一4 2 一 图5 5 单周控制s v g 带非线性负载时的仿真波形一4 4 一 i v 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名：讳菲 醐：垆 学位论文版权使用授权书 ， b 月) 日 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，即：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电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本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和汇 编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中 国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名： 导师签名： 日期：厶归月日 日期：冲多月日 硕+ 学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景及问题的提出 在电网中由于大量感性负载的应用，使线路电压与线路电流在相位上存在一 个角度差，这样就引出了无功功率的概念。 在工业和生活用电负载中，感性负载占有很大比例。异步电动机、变压器、 荧光灯等都是典型的感性负载。感性负载必须吸收无功功率才能正常工作，这是 由其本身的性质所决定的n 1 。异步电动机和变压器所消耗的无功功率在电力系统 的无功功率中占很大的比例。电力系统中的电抗器和架空线等也消耗一些无功功 率。 近年来，随着电力电子装置的日益广泛应用，电力系统中的非线性负载越来 越多，而大多数非线性负载的功率因数较低( 如：相控整流器) ，工作时基波电流 滞后于电网电压，也要消耗大量的无功功率。所以在电网巾输送无功功率就造成 受电端的电压幅值不稳定，并且使输电线路的输送能力降低，影响供电质量。而 且我国电力部门规定：对高压受电的大宗电力用户，其负荷的功率因数不得低于 0 9 ，在不能满足规定功率因数要求时应缴纳罚金；同时还规定：不允许向电力 系统反送无功功率，如发生反送无功功率采取“反送正计”，即过补偿视为“欠 补偿 心1 。合理的解决办法是在需要消耗无功功率的地方产生无功功率，这就是 我们所说的无功补偿。其主要作用有：提高供电系统及负载的功率因数，减少设 备容量，降低功率损耗；在长距离输电线路中合适的地点投放动态无功补偿装置 还可以改善输电系统的稳定性，提高输电能力；在电气化铁道等三相不平衡的场 所，通过适当的无功补偿可以平衡三相的有功及无功负载；有效防止因为冲击负 荷引起的电压闪变口，。 由此可见，无功补偿对稳定电网电压、提高系统的稳定性、改善电网电压波 形有十分重要的意义h 1 ，己成为电力电子技术和电力系统研究领域所面临的一个 重大课题，正在受到越来越多的关注，已成为柔性交流输电系统( f l e x i b l ea c t r a n s m i s s i o ns y s t e m ，简称f a c t s ) 的一个重要方面。柔性交流输电系统的主要 内容是应用电力电子技术的最新发展成就以及现代控制技术实现对参数以至网 络结构的灵活快速控制，以期实现输送功率的合理分配，降低功率损耗和发电成 本，大幅度提高系统稳定性、可靠性1 。 电网中的无功补偿从补偿目的来看，可以分为系统补偿和负荷( 包括配电网) 补偿。系统补偿的主要目的是为了提高输电网络的传输容量、改善网络的稳定性 等；负荷补偿的主要目的是为了提高系统的功率因数和供电质量、减少线路损耗 节周控制三相四线制静i 【= 无功发牛器研究 等。本文的工作是针对负荷补偿展开的。 1 2 无功补偿装置的发展 电力系统中的无功补偿装置从最早的电容器开始，经历了电容器、同步调相 机、静止无功补偿装置( s v c ) ，直到今天引人瞩目的静止无功发生器( s v g ) 几个 不同阶段，如图1 1 所示。 无功补 偿装置 鹾 l 电容器 现代 无功补 偿装置 饱和电 抗器 补偿器 ( s v c ) 发生器 ( s v g ) 晶闸管投切电抗器 ( t c r ) 晶闸管投切电容器 ( t s c ) 晶闸管摔制电抗器 + 固定电容( f c ) 机械投切电抗器 ( m s c ) 各种装置的混合 ( t c i h f c t c i h m s c 等) 图1 1无功补1 尝装置的发展 1 2 1 无功补偿电容器 无功补偿电容器主要指无功补偿并联电容器，优点是原理简单，安装、运行 和维护都很方便，多装设于降压变电所。但是，它只能补偿感性无功，并且由于 电容器阻抗是固定的，不能动态跟踪负荷无功需求的变化，因而不能实现无功的 动态补偿，更重要的是它有负电压效应，当电网电压下降时，电容器上的补偿电 流相应下降，使补偿的无功量急剧下降，系统电压下降更大。在系统中有谐波时， 还有可能发生并联谐振，使谐波电流放大，甚至造成电容器的烧毁。 1 2 2 同步调相机 同步调相机( s y n c h r o n o u sc a n d c n s ，s c ) 是早期的无功功率动态补偿装置。 它是专门用来产生无功功率的同步电机，在过励磁或欠励磁的不同情况下，可以 分别发出不同大小的容性或感性无功功率。同步调相机不仅能补偿固定的无功功 率，对变化的无功功率也能进行动态补偿。但这种技术已显陈旧，由于它是旋转 硕士学位论文 电机，因而损耗和噪声很大，运行维护复杂，而且由于控制复杂造成响应速度慢， 在很多情况下已不能满足快速无功功率控制的要求。所以自7 0 年代以来，同步 调相机开始逐渐被静止无功补偿装置( s t a t i cv a rc o m p e n s a t o r ，s v c ) 所取代。 1 2 3 饱和电抗器( s r ) 饱和电抗器分为自饱和电抗器和可控饱和电抗器两种，相应的无功补偿装置 也就分为两种。具有自饱和电抗器的无功补偿装置是依靠电抗器自身固有的能力 来稳定电压，它利用铁心的饱和特性来控制发出或吸收无功功率的大小。可控饱 和电抗器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，进一步控制无功电流的大小。早在1 9 6 7 年，这种装置就在英国制 成，后来美国通用电气公司( g e ) 也制成了这样的无功补偿装置，但是由于这种装 置中的饱和电抗器造价高，约为一般电抗器的4 倍，并且电抗器的硅钢片长期处 于饱和状态，铁心损耗大，比并联电抗器大2 3 倍。另外这种装置还有振动和噪 声，而且调整时间长，动态补偿速度慢。由于具有这些缺点，所以s r 目前应用 的比较少，一般只在超高压输电线路才有使用。 1 2 4 静止无功补偿装置( s v c ) 1 2 4 1 晶闸管投切电容器( t s c ) 单相晶闸管投切电容器( t s c ) 基本原理如图1 2 所示。其中两个并联晶闸管只 起着将电容器并入电网或从电网断开的开关作用，而串联的小电感用来抑制电容 投入电网时可能造成的冲击电流。在工程实际中一般将电容器分成组，每组视电 网对无功功率的需求情况由晶闸管投切。所以，这种补偿器也可看成是断续可调 的吸收无功功率的动态无功补偿器。其特点是虽然不能连续调节无功但运行时不 产生谐波而且损耗较小。 图1 2t s c 型补偿器单相原理图 t s c 的关键技术问题是投切电容器时刻的选取口1 。经过多年的分析与实验研 究，其最佳投切时间是晶闸管两端的电压为零的时刻，即电容器两端电压等于电 单周控制三相四线制静止无功发乍器研究 源电压的时刻。此时投切电容器，电路的冲击电流为零。这种补偿装置为了保证 更好的投切电容器，必须对电容器预先充电，充电结束之后再投入电容器。 1 2 4 2 晶闸管控制电抗器( t c r ) 单相晶闸管控制电抗器( t c r ) 基本原理如图1 3 所示。触发延迟角的有效移 相范围为9 0 。1 8 0 。触发延迟角62 9 0 ”时，晶闸管为全导通，触发延迟角在 9 0 。1 8 0 。之间时，晶闸管为部分导通。导通角9 0 。 6 o 。当 单周控制i 相四线制静j l ：无功发牛器研究 输出电压u ，低于电网电压u ，时，q 超前u ，9 0 。，如图2 4 ( c ) 所示，这时无功 功率发生器输出超前的无功即容性的无功功率，这时式( 2 3 ) 中的q o 。 考虑到连接电抗器的损耗和变流器本身的损耗阳钉( 如管压降、线性电阻等) ， 并将总的损耗集中作为连接电抗器的电阻考虑，则s v g 的等效电路如2 5 ( a ) 所示， 吸收感性无功与吸收容性无功时的向量图如图2 5 ( b ，c ) 口们所示： 以图2 5 ( b ) s v g 发出滞后( 感性) 无功功率时的稳态向量图为例。图中装置 输出电压u ，、电网电压u ，和连接电抗器阻抗电压u 工构成电压三角形，由此三角 形可得如下关系： xt j = l ( a ) 单相等效电路( 考虑损耗) j xl l 。 巡 氛 ，r 湖易。 。n u ， l 一 ( b ) 滞后电流相量图( c ) 超前电流相量图 图2 5实际情况下单相s v g 的等效电路、相位图 ( 2 5 ) s i n 6 s i n ( 9 0 。+ 9 )s i n ( 9 0 。一妒一6 ) 式中够为连接电抗器阻抗角。 由上式可得 u ，：型 ( 2 6 ) “ c o s 9 由此可得稳态时s v g 从电网吸收的无功电流和有功电流有效值分别为 硕士学位论文 乇2 毒= s i 邮o o - 驴2 6 ( 2 - 7 ) 扣寿咿o o 一耻争c o s 2 6 ， ( 2 _ 8 ) 于是，可得稳态时s v g 从电网吸收的无功功率和有功功率分别为： q 2 乇玑2 靠s m 2 6 ( 2 州 尸2 玑2 兹( 1 - c o s 2 6 ) ( 2 。1 0 由以上分析不难得出，通过控制u 。与u ，之间的相位差即可控制s v g 从电网 吸收或发出的无功功率的大小，以及s v g 从电网吸收的有功功率的大小。在理想 情况下，不计s v g 消耗的有功功率，可将其看作是一个可控的无功电流源。将其 安装在长距离输电线路上或大容量无功负荷所在地，通过其快速的无功功率的可 控性，从而实现与系统无功功率的交换，以维持接入点电压的恒定和提高电力系 统的暂态稳定性。 2 3 静止无功发生器的控制方式 从上一节无功发生器的原理分析得出，由无功电流( 或者无功功率) 参考值调 节s v g ，控制s v g 发出无功的性质和大小，就可以补偿负载所需的无功，具体的 控制方法可以分为间接控制和直接控制两种方式删。这两种控制方式都可以对 有功电流进行控制，以补偿电路中的有功损耗，因此，更准确地讲，这两种方式 都是针对s v g 的总电流而言。 2 3 1 电流间接控制 l q l l 一 图2 6 j q 和6 角的关系 在上一节中，从图2 5 所示的s v g 工作相量图出发，以吸收滞后电流为例， 得出式( 2 9 ) 、( 2 1 0 ) ，可以证明，当s v g 吸收超前无功电流的时候，其稳态仍 满足式( 2 9 ) 、( 2 10 ) ，只不过此时其中的6 和厶均为负。当系统进入稳态时， 实验证明6 角绝对值的变化范围很小，在这种情况下，s i n2 6 近似于2 6 ，所以6 和 厶正比，当s v g 吸收超前无功电流时也可以得出上述关系式，因此在稳态下，厶 单用摔制三相阴线制静止无功发牛器研究 和6 角的关系曲线绘制如图2 6 所示。 在6 角绝对值不太大的情况下，6 和厶接近线性正比关系，因此通过控制6 角 就可以控制s v g 吸收的无功电流。这样就可以得出s v g 最简单的控制方法如图2 7 所示： 图2 7电流间接控制示意图 当改变6 角时，u l 也随着变化。u ，的变化是通过直流端支撑电压u d 变化而 实现。6 角变化时，变流器将吸收一定的有功电流，因而直流侧的电容将被充电 或放电，因而引起u d 的变化，从而引起u 。的变化。当暂态过程完毕时，u ，和，q 必然满足上述关系式。 图2 8带反馈的电流间接控制示意图 如果在这种控制方法基础上加上反馈环节，那么无功电流的控制精度和响应 速度都会大大提高。如图2 8 所示，在此基础上，产生了许多种控制方法，比如 对6 角和逆器脉宽角日联合起来控制等。电流间接控制方法多适用于较人容量的 s v g 装置，采用多重化的方法可有效的减少谐波。 2 3 2 电流直接控制 所谓电流的直接控制，就是采用跟踪型p w m 控制技术对电流波形的瞬时值进 行反馈控制，直接控制的s v g 控制系统有两种基本结构。第一种控制结构如图 2 9 ( a ) 所示，采用了a b c 轴下的瞬时电流控制系统。 八八八八 ( a ) a b c 轴电流控制 硕士学位论文 ( b ) d q 轴电流控制 图2 9电流直接控制 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 与直流反馈电压经电压p i 调节器后生成有功电流指令 k ，对流入s v g 的有功电流控制可以控制直流侧电压。k 和无功电流指令，。阿 通过由一口沈变换成三相瞬时电流指令o 、厶阿、o ，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。 第二种控制方法如图2 9 ( b ) 所示，s v g 发出的电流瞬时值经d q 坐标变换变 为j d 、，。，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。由于参考值钿、，耐和反馈值，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 a b 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。 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： 单用控制三相四线制静止无功发牛器研究 ( 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 ，可采用多个变流器多重化联结、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。 2 4 本章小结 本章主要分析了静比无功发生器s v g 的主电路结构和基本工作原理，并在此 基础上讨论了控制方式。 通过对工作原理和控制方式的分析可见，要实现s v g 应有的功能，我们需做 的工作有： 能产生一个频率与电网频率一致、幅值和相位可调的三相交流电源。 由于要对现场运行参数进行实时调节，需设计一个集快速数据采集、分析 和控制输出于一体的控制系统。 综合以上两点要求，拟对s v g 装置作如下设计： 以电力电子器件为主要元件进行功率主电路的设计。 s v g 控制系统设计。 为了保护好逆变模块，当有故障发生时，对s v g 装置进行保护。 准确地跟踪系统电压的频率。 硕士学位论文 第3 章单周控制的静止无功发生器( s v g ) 3 1 单周控制简介 在开关逆变器中，传统的反馈控制通过线性调制占空比d 以消灭误差。当电 源电压或电路中某部分有大的扰动时，如一个大的阶跃，占空比d 不能瞬时变化， 因为误差信号必须先发生。因此输出信号将出现瞬时超调，瞬时响应时间由闭环 带宽增益决定，这样就需要多个开关周期才能达到稳定。经典控制理论认为，由 于元件具有惯性，瞬态跟踪必须要求系统具有开环的无限增益，而这在线性控制 领域是无法物理实现的。将非线性控制的本质与开关电路有机地结合的单周控制 能做到这一点。 单周控制法3 。钔，作为一种非线性控制法d 弘3 6 1 最早由美国学者 k e y u e m s m e d l e y 和s l o b o d a nc u k 提出。单周控制法作为一种新型非线性控制 技术它可应用于p w m 控制、软开关等。这种方法的基本思想是：控制开关占空比， 在每个周期内使逆变器开关变量的平均值与控制参考相等或成一定比例，从而消 除稳态和瞬态误差。单周控制在控制电路中不需要分析综合误差，它能在一个周 期内自动消除稳态瞬态误差，前一周期的误差不会带到下一周期，因此克服了传 统的p w m 控制方法的不足，适用于各种脉宽调制、软开关等开关逆变器。具有反 应快、开关频率恒定、鲁棒性强、易于实现、控制电路简单等优点。此外单周控 制还能优化系统响应、减小畸变和抑制电源干扰，是一种很有前途的控制方法。 不仅具有重要的理论意义而且也具有很好的工程应用价值。该技术同时具有调制 和控制的双重性，可通过复位开关、积分器、触发电路、比较器达到跟踪指令信 号的目的。 在近年来的研究中，单周控制理论已经在d c d c 变换、功率因数校正和开关 变换器中得到了成功应用，文献口8 1 首先提出可以把o c c 应用到a p f 中。目前，o c c 已被应用到单相和三相a p f 中，并获得了一系列的改进h 0 。4 1 1 。 和其他提出的控制策略相比较，基于单周控制理论的s v g 控制策略，不需要 为变换器建立一个电流基准，不需要检测交流侧的电压和s v g 的电流，同时也不 需要检测非线性负载的电流。只需要一个电流传感器检测交流侧的电流，一个电 压传感器检测直流侧的电压值。该控制方法逆变器开关频率恒定、开关频率低， 可有效地减小逆变器的开关损耗，本文逆变器开关频率为2 0k h z ，同时只需简单 的模拟电路就可以完成，对s v g 的研制来说提供了一种低成本、高效率的方法。 本文提出一种单周控制的三相四线制s v g ，经理论分析和仿真结果证实，该方 单周控制三相四线制静f f ：无功发牛器研究 案能有效地补偿三相四线制系统中的零线电流、无功功率，解决三相不平衡问题， 从而提高输电线功率因数和传输效率。 3 1 1 单周控制的特点 采用传统p w m 控制的逆变器，电路结构简单、输出波形良好，但在高频状态 下运行会受到热力学、二次击穿、电磁干扰和缓冲电路等的影响。单周控制法克 服了传统的p w m 控制方法的不足，适用于各种脉宽调制软开关等开关逆变器，此 外它还可用于控制任何物理开关变量或可转化为开关变量形式的抽象信号。其基 本思想是在每个周期内迫使可控开关变量的平均值与控制参考相等或成一定比 例。单周控制法主要有以下特点h 2 1 ： 它不像传统反馈控制那样，当误差出现后再用几个周期去消除误差，而是 在一个周期内消除稳态、瞬态误差，反应快。 抗电源干扰能力强。 开关变量输出的平均值在一个周期内动态跟随控制参考变化。 控制电路简单等优点，不需要加法乘法器等复杂元器件。 不需产生参考信号，也不需要过多的电压传感器。 单周控制应用于p w m 时，可将g t o 、i g b t 等可关断器件的门极作为开关变量， 再使用上升沿控制、下降沿控制或双边控制进行调节，可获得较高的效率。单周 控制法保证在一个周期使参考信号和开关变量误差为零，因此它的抗扰动能力 强，反应迅速。 由于输入滤波器会产生的右半平面零点，传统的闭环系统很难达到很高的增 益，特别是输入滤波器的转折频率高于输出滤波器的转折频率。单周控制法使逆 变器对输入滤波器不再敏感。控制到输出的传递函数等效于输出滤波器二阶系 统，所以输出反馈环能容易实现对目标的控制。 3 1 2 单周控制基本原理 肘 图3 1单周控制原理图 硕士学位论文 单周控制法作为一种新型非线性控制技术其控制原理如图3 1 所示。 由图可见，单周控制器基本由控制器、一个比较器、一个积分器及时钟组成， 其中控制器可是r s 触发器或d 触发器等。开关在六= l t 的频率下按开关函数七( r ) 工作。 七( f ) ：j 1 o 7 乙 ( 3 1 ) 【o 乙 ， 互 每个周期开关开通时间为乙，关断时间为，其中乙+ = 瓦。占空比为 d = 乙，根据模拟控制参考甜可( f ) 调制。 这里的单周控制法工作在频率恒定的情况下，通过模拟控制参考量”耐( f ) 调 节占空比。若开关的占空比通过调制使开关变量的积分在每个周期内与控制参考 相等或成比例即： 尼f “x ( f 渺= “阿( f ) ( 3 2 ) 其中k 是常数。因为开关频率恒定，开关变量的平均值将与控制参考相等或 成比例。 y ( ，) 2 毒r 川矽= 砌( ，) ( 3 3 ) 其中k = 击为常数。根据这种方式控制开关的技术称为单周控制技术。当 咒j 固定频率时钟脉冲到来时，积分器开始工作。积分值为： 甜i n i = 七e “x ( ，渺 ( 3 4 ) 它紧跟控制参考“耐( ，) 变化。当z | 妇( ，) 达到玎，p ，( f ) 时，控制器切断开关，置积分器为 零，等下一个触发脉冲到来时，又开始下一周期的工作。经单周控制，开关的输 出信号为： y ( ，) = 砌耐( ，) ( 3 5 ) 这样单周控制技术就将非线性开关变为线性路径了。单周控制将非线性控制 的本质与开关电路有机地结合的，实现了瞬时响应。当控制参考甜耐( ，) 变化时， 占空比d 也跟随变化，如式( 3 6 ) 。占空比d 独立于前一开关周期的状态，所以 开关变量的平均值能跟随参考信号的变化。 y ( ，) = 手r m 妙= 砌巧( f ) ( 3 咱) 现以半桥电路的控制说明单周控制的实现，电路图如图3 2 所示。单周控制 有双极性调制和单极性调制两种调制方式h ，现以本文采用的双极性调制为例分 析其控制过程。 为了简单分析，首先提出三个假设： 逆变器直流侧电容足够大，以至于电容电压在一个开断周期内恒定不 变； 謦周拧制三相四线制静i i ：无功发牛器研究 逆变器的开断频率要比电网电压的频率和非线性负荷电流的频率高。 为了实现一个好的补偿性能储能，电容压高于交流线电压的峰值。 图3 2单相单周控制逆变器 对于双极调制，是将逆变器分为两组：s ，和s ，为一组；s ：和为一组。在 任何一个逆变周期内，两组开关轮流导通，即当o f 矿d 7 时，j 。和s ，断开，屯 和& 导通。由图3 2 知，逆变器输出电压 朋= 一ud ，为电容电压。当 f d 7 f c 时， s 。和s ，导通，s 2 和s 。断开甜朋= ud 其波形如图3 3 所示。 “ u 。 图3 3双极性调制输出波形 这样由图3 2 容易知道，电感两端的电压甜。和电流屯如下： a 当o f f d r 时， “= 甜。+ ，屯= 坠竽f + 厶 ( 3 - 7 ) b 当f d r f 疋时， 甜三= 掰。一u d ，屯= 坠笋f + ，p ( 3 _ 8 ) 式中，。为为电感电流在一个周期内的初值；j 口为电感电流在一个周期内的峰 值。 在实际中l 和，p 的值在每个开断周期内可能是不同的，但是，通过假设b 可 知，在负载电流在一个开断周期内几乎是不变的，这样，可以认为在相邻开断周 期内初值是相等的，即屯l ，= o = 屯i ，：纷， 所以将f 为。和，d r 代入式( 3 7 ) 和( 3 8 ) ， 硕士学位论文 当f = 0 时，f ，= 厶 ( 3 9 ) 当f = f d r 时，屯= 【( 甜。+ u d ) 三f 胛+ 厶= 【似，一) 三】，d r + ，p ( 3 1 0 ) 当，= t 时，屯= 【( 甜，一u 0 ) 三】c + ，p = 厶 ( 3 一1 1 ) 将上述三式联合求解可得： 1 u 。= 二一甜。 ( 3 1 2 ) 。 l 一2 d ” 式( 3 12 ) 说明，电容电压和电网电压甜，之间的关系可以通过控制占空比d 实现。 由于单周控制静止无功发生器的控制目标是补偿无功功率、调节功率因数接 近于1 ，因此当静止无功发生器有效工作时，控制s v g 功率开关的占空比，使电网 侧电流波形跟踪电压波形，这样从电源侧看s v g 与非线性负载并联以后的等效电 路，在稳态时可视为一个等效的线性电阻负载，即 “，= r 。f ， ( 3 13 ) 式中，”，为电网电压，f ，为电网侧的电流，r 。为系统的等效电阻。将( 3 1 3 ) 代入 式( 3 一1 2 ) 得： ( 1 2 d ) = r 。t ( 3 1 4 ) 由于r 。是随负载而变化的未知量，不能作为控制的依据。通过分析可知r 。的 变化可通过检测储能电容上的电压变化确定。因为系统稳态运行时，在不考虑损 耗的情况下，静止无功发生器仅提供无功和谐波电流，没有有功电流流入。由功 率平衡可知，在稳态运行时，即等效输入电阻r 。为常数时，电容电压保持不变。 若负载电流中的有功电流变化，即等效电阻r 。发生变化，导致电源提供的基波有 功电流与负载电流中的基波有功电流分量不等，这样将有部分电源提供的有功电 流流入s v g ，这部分有功电流产生的有功功率导致s v g 中储能电容上的电压变化。 这样只需要检测电容电压变化的情况就可以获得r 。变化的信息，令 u 。= ( 尺，尺。) u d ，其中r 。为连接电抗器的等效电阻值，将u 。带入式( 3 1 4 ) 得： u 。( 1 2 d ) u d = r ， ( 3 一1 5 ) 式( 3 1 5 ) 即为双极调制的控制目标方程。 3 2 单周控制静止无功发生器( s v g ) 数学模型 单周控制三相四线制静止无功发生器s v g 的系统电路如图3 4 ，它采用电压型 桥式变流电路，功率单元采用i g b t 全控器件，经电抗器并入电网。作为主电路的 变流器，在补偿无功电流的过程中处于逆变状态，同时在给直流电容充电时处于 整流状态。因为系统在不对称运行时，负序、零序电流成为有害电流的主要部分， 为了补偿负序、零序电流，s v g 采用三相四线制两电平逆变桥，对三相四线制系 统进行补偿。图中对直流侧电压的控制也成为控制电路的主要组成部分，因为系 学周摔制三相阴线制静止无功发牛器研究 统产生的负序和零序电流将使直流侧电容电压产生波动，影响其正常工作，所以 平衡电容电压也是控制的重点。 图3 4应用单周控制的s v g 在图3 4 所示采用单周控制的s v g 中，q a l ，q a 2 q c 2 分别为丌关s a l ，s a 2 s c 2 的触发信号。因为能量在交流电源和电容间双向流动，逆变器工作在四象限状态， s a l ，s a 2 的占空比分别为d 。和卜d 。( 其余两相同) 。文献 4 4 4 5 在分析开关 周期平均模型的基础上，给出了其等效电路。文献 4 6 运用开关函数分析了其数 学模型。本文仅讨论逆变器的连续导电模式( c c m ) ，等效电路如图图3 5 。 图3 5单周控制等效电路 单周控制静止无功发生器的控制目标是补偿无功功率、调节功率因数接近于 1 ，因此当静止无功发生器有效工作时，控制s v g 功率开关的占空比，使电网侧电 硕士学位论文 流波形跟踪电压波形，这样从电源侧看s v g 与非线性负载并联以后的等效电路， 在稳态时可视为一个等效的线性电阻负载，即 降2 警 ( 3 - 1 6 ) ”6 = r 。 7 【。= 尺。t 式中，”。，z | 。为电网电压，f 期，f 曲，f 。为电网侧的电流，r 。为系统的 等效电阻。设系统电压对称，器件的开关频率远大于系统频率，在一个开关周期 内，a ，b ，c 点对逆变桥“o ”点的电压可以写为： j ：一。二；：二三们：z d ：! 引；二z 。z ： ( 3 1 7 ) “口d = ( 1 一d 6 1 ) u 。l + d 6 l ( 一u 。2 ) 、o1 7 【材= ( 1 一d 。) u 。+ d ，。( 一u 。2 ) 式中： 脞o ( 3 - 1 8 ) “b d “6 、u v7 【甜c d “。 不考虑电压波动，设玑= u 。：= e ，则以上两式可以合并为： 熙一狰：二：a ( 3 _ 1