(电路与系统专业论文)基于DSP的电流直接控制ASVG控制器的研究与设计[电路与系统专业优秀论文].pdf_第1页
(电路与系统专业论文)基于DSP的电流直接控制ASVG控制器的研究与设计[电路与系统专业优秀论文].pdf_第2页
(电路与系统专业论文)基于DSP的电流直接控制ASVG控制器的研究与设计[电路与系统专业优秀论文].pdf_第3页
(电路与系统专业论文)基于DSP的电流直接控制ASVG控制器的研究与设计[电路与系统专业优秀论文].pdf_第4页
(电路与系统专业论文)基于DSP的电流直接控制ASVG控制器的研究与设计[电路与系统专业优秀论文].pdf_第5页
已阅读5页,还剩61页未读 继续免费阅读

(电路与系统专业论文)基于DSP的电流直接控制ASVG控制器的研究与设计[电路与系统专业优秀论文].pdf.pdf 免费下载

版权说明:本文档由用户提供并上传,收益归属内容提供方,若内容存在侵权,请进行举报或认领

文档简介

硕士论文基于d s p 的电流直接控制a s v g 控制器的研究与设计 摘要 随着我国工业化进程加快,各种负荷迅速增加,造成了电网无功功率消耗增加, 使电能的传输和利用效率降低,电能质量中的无功功率补偿问题变得越来越重要。 先进静止无功发生器( a s v g ) 作为柔性交流输电系统的重要装置之一,是无功功率 补偿发展的重要趋势。 本文分析了a s v g 的现状及发展趋势,以低压配电系统无功功率补偿或工业负 荷无功补偿为研究对象,探讨了电流直接控制型静止无功发生器( a s v g ) 运行机理。 对电流直接控制方式下的静止无功发生器特点进行了剖析,建立了电流直接控制方 式下a s v g 的数学模型。研究设计了a s v g 主电路参数及以d s p 处理芯片为硬件核心 的控制器硬件电路。编写了数据采集程序、基于瞬时无功功率理论的f ,一屯检测无 功功率电流和渚波电流算法的d s p 程序,调试成功并取得了满意的结果。为在低压 配电系统中运用a s v g 技术的无功功率补偿提供了一种可实现的方案。 关键词:无功补偿、a s v g 、电流直接控制、d s p 摘要硕士论文 a b s t r a c t w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to fi n d u s t r i a lp r o c e s s i n g ,a l lk i n d so fl o a di n c r e a s i n g q u i c k l y w h i c h c a u s e st h ei n c r e a s i n go fr e a c t i v ep o w e ra n dd e c r e a s i n go ft h e t r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c ya n du s i n gr a t eo fp o w e r , t h er e a c t i v ec o m p e n s a t i o no fp o w e r q u a l i t yb e c o m em o l ea n dm o f ei m p o r t a n t a so n eo ft h ei m p o r t a n td e v i c eo ft h ef l e x i b l e a l t e r n a t i v ec u r r e n tt r a n s m i s s i o ns y s t e m , m 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 ) b e c o m e s t h ei m p o r t a n tt r e n do ft h ed e v e l o p m e n to fs t a t i cv a rg e n e r a t o r b a s e d0 1 1t h ec u r r e n ts i t u a t i o na n dt r e n do fa s v g sd e v e l o p m e n ta n ds t u d yf r o m t h er e a c t i v ec o m p e n s a t i o no fl o wv o l t a g ep o w e rd i s t r i b u t i o ns y s t e mo ro fi n d u s t r yl o a d , t h ep a p e ra n a l y z et h eo p e r a t i o nm e c h a n i s mo fc u r r e n td i r e c t l yc o n t r o l l e da s v g a n a l y s i s o nt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ec u r r e n td i r e c t l yc o n t r o l l e da s v g t h e r ei s m a t h e m a t i c a lm o d e lo fc u r r e n td i r e c t l yc o n t r o l l e da s v gp r e s e n t e di nt h ec o n t e n t m o r e o v e r ,t h ed e s i g n so fa s v gm a i nc i r c u i tp a r a m e t e r sa n dc o n t r o l l e rh a r d w a r ec i r c u i t w i t hd s p p r o c e s s i n gc h i pa st h eh a r d w a r ec o r ea r ed i s p l a y e di nt h ep a p e r w i t hs o f t w a r e w r i t i n go ft h ed a t ac o l l e c t i o np r o c e d u r e ,t e s t i n gt h ed s pp r o c e d u r eo fr e a c t i v ec u r r e n t a n dh a r m o n i cc u r r e n ta l g o r i t h m ,t h i sp r o c e d u r eh a sa l r e a d yd e b u g g e ds u c c e s s f u l l y k e y w o r d :r e a c t i v ec o m e n s a t i o n ;a s v g ;d e r e c t c u r r e n tc o n t r o l ;d s p 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果,尽我所知,在本 学位论文中,除了加以标注和致谢的部分外,不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果,也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名: 熟星弦哆年7 月彦日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档,可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容,可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文,按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名:器星沙刁年7 月矿日 硕士论文 基于d s p 的电流直接控制a s v g 控制器的研究与设计 l 绪论 1 1 课题背景与研究意义 电力系统中大多数元件都消耗无功功率,大多数负载也需要消耗无功功率。无 功电源同有功电源一样,是保证电力系统电能质量、降低电网损耗以及安全运行所 不可缺少的部分。从电能质量的角度来说,要维持系统的电压平衡必须要有能提供 足够无功功率的补偿装置来满足系统负荷需求和补偿无功损耗。如果系统无功电源 不足,则会使系统靠降低电压使负荷减少吸收无功功率来弥补无功电源的不足。同 样如果电网缺乏调节手段使在一段时问内无功过剩,则会使整个电网电压过高。电 力系统中供电不平衡,造成系统电压不稳定,严重时会导致设备损坏、系统解裂。 此外,电网的功率因数降低使电器设备得不到充分利用,导致电力系统输电能力下 降,损耗增加。无功功率增加,会导致电网电流增大,使线路和设备的损耗增加, 导致供电质量降低,甚至危及到电力系统的安全运行。与此同时,各种复杂的精密 设备对电能质量非常敏感,生产过程的自动化和智能化,对电能质量也提出了更高 的要求,因此电力部门与用户对电能质量的改善提出了迫切的需求。而作为电能质 量的重要一环,无功功率的补偿在提高供电和用电设备的安全可靠运行、提高功率 因数、降低电路损耗、减少设备容量等许多方面作用明显。因此,研究无功补偿问 题具有十分重大的意义。其主要作用是: 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。在长距离输电线中合适的地点设 置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。 3 在三相负载不平衡的场合通过适当的无功功率补偿可以平衡三相的有功功率。 电网结构的日益复杂,对电力系统中用电设备的性能和安全运行的控制手段也 就提出了更高的要求。传统的无源补偿装置的补偿性能较差,难以对变化的无功功 率进行及时有效的补偿,随着以晶闸管、m o s f e t 、i g b t 为代表的全控型器件向 大容量化、高频化方向发展,采用电力电子技术的各种有源动态补偿装置迅速发展 起来,其中又以先进静止无功功率发生器( a s v g ) 性能为优,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。新型静止无功功率发生器( a s v g ) 具有优越的性能,它显示 了动态无功补偿装置的发展方向“4 。 1 2 国内外研究动杏及存在问置 1 2 1 无功功率补偿装置的发展 大多数电力系统元件和负荷都要消耗无功功率,所需的无功功率如果都由发电 i 绪论 硕士论文 机提供并经过长距离传送是不合理的,通常也是不可能的。合理的方法是在需要消 耗无功功率的地方产生无功功率。 在初期的小规模交流电网中,发电厂靠近负荷中心,负载消耗的无功全部由发 电机发出,用户端电压波动小,并不需要专门的无功补偿装置,而通过调节发电机 的励磁电流来实现无功调节。 随着电网规模的扩大,这种调节方式已不能适应无功补偿的要求。于是产生了 同步调相机( s c ) 。它是专门用来产生无功功率的同步电机,在过激磁或者欠激磁的 不同情况下,可以分别发出不同大小的容性和感性无功功率。自上个世纪二、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。然而,由于它是旋转电机,因此损耗和噪声都较大,运行维护复杂,而且响应 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。所以七十年代以来, 同步调相机已逐步被静止无功补偿装置( s v c ) 所取代。 早期的静止无功补偿装置是饱和电抗器( s r ) 型的。1 9 6 7 年,英国g e c 公司制 成了世界上第一批饱和电抗器型静止无功补偿装置。饱和电抗器与同步调相机相 比,具有静止型的优点,并且响应速度快;但是由于其损耗和噪声都很大,而且电 路存在非线性等一些特殊问题,又不能分相调节负荷的不平衡,所以未能占据静止 无功补偿的主流。 随着电力电子技术的发展及其在电力系统中的应用,使得使用晶闸管器件的 静止无功补偿装置得以发展。1 9 7 7 年美国g e 公司首次在实际电力系统中演示运行 了其使用晶闸管的静止无功补偿装置。1 9 7 8 年,在美国电力研究院的支持下,西屋 电气公司制造的使用晶闸管的静止无功补偿装置投入实际运行。随后,世界各大电 气公司都竞相推出了各具特点的系列产品。我国也先后引进了数套这类装置并具备 自行制造能力o ,。 由于使用晶闸管器件的静止无功补偿装置具有优良的性能,所以,近十多年来, 在世界范围内其市场一直在迅速而稳定地增长,已占据了静止无功补偿装置地主导 地位。静止无功补偿装置( s v c ) 这个词往往是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 c r ) 和晶闸管投切电容器( t s c ) ,以及这两者地混合 装置( t c r + t s c ) ,或者晶闸管控制电抗器与固定电容器( f c ) 或者机械投切电容器 ( m s c ) 混合使用的装置( t c r + f c 、t c r + m s c 等) 。 随着电力电子技术的进一步发展,上世纪八十年代以来,一种更为先进的静 止型无功补偿装置出现了,这就是采用自换相变流电路的静止无功补偿装置,即静 止无功发生器( s v g ) ,也有人称之为先进静止无功补偿器( a s v g ) ,与s v c 相比, s v g 大大减小了体积,节省了材料,并具有响应速度快、调节性能好、能综合补偿 无功、三相不平衡和谐波的特点。逐步成为无功补偿的一个重要发展方向。 2 硕士论文基于d s p 的电流直接控制a s v g 控制器的研究与设计 1 , 2 2a s v g 研究现状及发展趋势 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。在理论研究上取得丰硕成果的同时,a s v g 在工程应用方面也有了突飞猛进的发 展。国际上,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a s v g 的样机,它采用了晶闸管强制换相的电压型逆变器,容量为- k 2 0 m v a r ; 1 9 8 6 年1 0 月,由美国国家电力研究院( e p r l ) 和西屋公司研制的_ l m v a r 的a s v g 装置投 入运行,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;之后,日本 关西电力公司与三菱电机公司又采用g t o 研制了_ 8 0 m v a r 的a s v g 装置,于1 9 9 1 年投 运;美国e p r i 与田纳西电力局、西屋电气公司合作,在纳西电力局电力系统的 s u l l i v a n 5 0 0 k v a r 变电站建造了1 0 0 m v a r 的a s v g 装置;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2 台5 0 m v a r 的a s v g 装置在东京变电所投入使用。在我国, 这一领域的研究刚刚起步就取得了不错的成效,华北电力学院曾研制出强迫换相的可 控硅元件无功发生器实验装置,东北电力学院研制了g t o 器件的a s v g 实验装置,作 为原电力部重大科技攻关项目,1 9 9 9 年3 月,由河南省电力局和清华大学共同研制的 + _ 2 0 m v a r a s v g 在河南洛阳的朝阳变电站并网成功,这也是国内首台投入应用的大容 量柔性交流输电装置“2 “。 , 从技术角度来看,目前国内外已投入运行的a s v g 的主电路大多都是采用多重 化、多电平结构。多重化的主电路形式达到增大装置容量的目的,但由于需要特殊 设计复杂的变压器,既提高了造价,又使系统变得复杂。目前已发展为以多电平 p w m 变流器相结合的形式。另外,从上世纪九十年代末以来,电力电子技术的发 展使得世界范围内有关静止无功发生器的研究和应用有了长足的进步和发展, a s v g 在未来的工程应用研究出现了两个明显趋势: 1 不断采用新器件。与普遍使用的g t o 相比,新型功率器件( 如i g b t 、珞g t 等) 具有很多的优点:饱和压降低、安全工作区宽、驱动功率低和工作频率高等。在 装置容量几十兆伏安以下的场合,采用i g b t 的趋势更为明显。 2 除了继续向高压大容量方向发展,另一方面向中低压配电系统的应用,甚 至负荷补偿的各个层次发展,旨在提高用户侧的电能质量。国内这方面尚处于起步 阶段,国外己出现了一些小容量静止无功发生器在低压配电网中应用的例子。 a s v g 系统立足于小容量无功补偿场合,负载需要的无功直接由就近的a s v g 系统提供,避免了无功通过远距离电网传输给配电系统造成的一系列问题,同时也 可避免了开关频率受限制的缺陷。选用新型功率器件( 如i g b t 、i i o t 等) ,使得新 型静止无功发生器装置的响应速度更快、控制精度更高。虽然受限于开发成本高的 3 1 绪论硕士论文 原因,这种小容量a s v g 暂时还没有大范围普遍应用,但随着电力电子技术的发展, 尤其是开关器件的发展和成本的降低以及未来电子设备对电能质量越来越高的要 求,这种面对配电系统的小容量a s v g 将会有更广泛的应用范围。再加上采用i g b t 这种性能更好器件的p w m 整流器,这是世界上几家主要的电气制造公司在a s v g 领域大力开发研究和推广的热点”1 。 1 3 本文研究的主要内容和主要工作 按照控制方式分类a s v g 可以分为电流直接控制型和电流间接控制型。间接控 制通过对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 的交流测电流。此控制方法多用于较大容量的a s v g ( 如输电系统补偿用 a s v g ) 的场合。本文定位于低压配电系统,研究的是目前较少采用的电流直接控 制法,该控制法是采用跟踪型p w m 控制技术对电流波形的瞬时值进行反馈控制, 其容量不能做到很大,比间接控制方式复杂但能达到更好的实时补偿效果,对于配 电系统需求得的小容量无功补偿来说,电流直接控制型的无功发生器是个更好的选 择。 分析研究当前电力系统的无功补偿问题后,明确本文研究方向和研究内容。本 文主要研究的问题: 1 探讨以三相变流器为主电路结构,通过交流侧电抗与电网并联的a s v g 系统 的工作原理与控制方法,确定检测方法及控制方式。 2 建立电流直接控制数学模型并设计补偿谐波和基波无功的电路,运用m a t l a b 软件对建立的模型进行动态仿真实验。 3 在d s p 芯片上编程实现控制器的各功能,包括指令信号的采集、检测及跟踪, 最终完成生成主电路开关器件的驱动脉冲信号,并在c c s 环境中进行编译、调试, 结合仿真器进行仿真。 4 在实验室环境下设计小功率电路,对外围电路的工作性能进行检测并验证的 d s p 程序的正确性。 4 硕士论文基于d s p 的电流直接控制a s v g 控制器的研究与设计 2a s v g 的工作原理与控制方法 2 1a s v g 的理论基础 2 1 1 无功功率和功率因数 在正弦电路中,无功功率的概念是清楚的,而在含有谐波时,至今尚无获得公认 的无功功率定义。但对无功功率这一概念的重要性,对无功补偿重要性的认识,却 是致的。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 际上是也可以说是谐波补偿。 1 在正弦电路中,负载是线性时,电路中的电压和电流都是正弦波。电感性负 载时,电压和电流可分别表示为: “= 而s i n a 譬( 2 1 ) i = 4 2 1 s i n ( e a t 一功= 4 2 i c o s 矿s i n 甜一4 2 1 s i n c o s o x = i ,+ i q ( 2 2 ) 式中妒一电流滞后电压的相角。 电流f 被分解为和电压同相位的分量i ,和比电压滞后9 0 0 的分量。f ,和又分 别成为正弦电路的有功电流分量和无功电流分量。 电路的有功功率p 为其平均值,即: p = 去r u i d ( o x ) = v 2 石r 4 ( “f ,+ “) d ( 甜) = 去r ( u c o s 妒一町c o s o c o s 2 t o t ) d ( a x ) + 去r ”( 训s i n t o s i n 2 a 】t ) d ( a z ) = u l c o s o ( 2 3 ) 电路的无功定义为:q = u l s i n q ,。 引入视在功率的概念:s = u ,定义有功功率和视在功率的比之为功率因数五: 五:= p ( 2 4 ) s 2 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和正弦 电路相同。考虑到在公用电网中,通常电压的波形畸变都很小,而电流波形的畸变则 可能很大。因此,在不考虑电压畸变的情况下,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实际意义。 设正弦电压有效值为u ,畸变电流有效值为,其基波电流有效值及与电压相 角差分别为,。和研,n 次谐波有效值为,。考虑到不同频率的电压电流之间不产生 5 2 a s v g 的工作原理和控制方法研究硕士论文 有功功率,则有: p = u ic o s 吼 ( 2 5 ) q i = u 。c 姻仍 ( 2 6 ) s 2 = ( ,2 ,2 = 【,2 ,1 2 + u2 ,。2 ( 2 7 ) 船s 2 一p 2 q ,2 = u2 ,。2 ( 2 8 ) q ,是由同频率电压电流正弦分量之间产生,这里指基波电流所产生的无功功 率;d 是由不同频率的电压电流正弦波分量之间产生,这里指谐波成分所产生的无 功功率。这时功率因数为: 五一p 竺! ! 竺! 丝:i _ l c o s 识 ( 2 9 ) su ll 。 可以看出,功率因数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 电流可以看成由三个分量即基波有功电流、基波无功电流和谐波电流组成。 2 1 2 瞬时无功功率理论 a s v g 中无功电流的检测采用的是基于瞬时无功功用到的理论的检测法。瞬时 无功功率理论1 9 8 3 年由日本学者赤木泰文提出”1 ,赤木泰文最初提出的理论也称作 p g 理论,是以瞬时实功率p 和瞬时虚功率q 的定义为基础,未对电流量进行定义。 该理论经过不断的研究已经逐渐完善,在许多方面得到成功的应用。本文中研究的 瞬时无功功率理论是以瞬时有功电流f 。和瞬时无功电流f 。为基础的理论体系。该理 论的主要思想是将三相电路各相电压和电流,看作是在空间上相差1 2 0 0 ,幅值随时 间变化的矢量,用口一变换转换成二相正交坐标系上的旋转矢量”3 。 设三相电路为三相三线制,其各相电压和电流的瞬时值分别为p 。、e 。、e 。和 、,分别把它们变换到两相正交口一坐标系上,变换后得到两相瞬时电压 为e 。、e p ,两相瞬时电流为屯、i p ,即 6 1 2 压 2 l 2 压 2 ( 2 1 0 ) ( 2 n ) 巳岛巳 驼 c = 巳巳 koooiooo止 :笪2 l 0 。,。l 周怄 = 1j 口 芦 f p ,l kb0 g = kb 2 笪: 1 o ,l 巨怕 = 1j 口 芦 。,l 硕士论文 基于d s p 的电流直接控制a s v g 控制器的研究与设计 g :是三相到两相的坐标变换矩阵,g := 爿: 1 2 压 2 图2 1 所示的口一坐标系上,矢量、勺和、知分别合成旋转电压矢量 e - m - e 。+ ,旋转电流矢量f - + i a a 图2 1 口一坐标中的电压、电流矢量 而三相电路瞬时有功电流f ,和瞬时无功电流f 。分别为矢量f 在矢量p 及其法线 上的投影: f 。= i c o s t p ( 2 1 2 ) i 。= i s i n 缈 ( 2 1 3 ) 式中妒为电压矢量e 和电流矢量f 的夹角。在口一卢坐标系下,瞬时有功功率定义为: p = e a + e p i 口 ( 2 1 4 ) 瞬时无功功率定义为: q = e 。ib e 以 t 2 1 5 ) 2 2a s v g 的基本结构 2 2 1a s v g 定义及分类 简单地说,静止无功发生器就是以自换相桥式电路为主电路,通过电抗器或者 直接并联在电网上,适当调节桥式电路交流侧输出电压的大小、频率和相位,或者 直接控制a s v g 的交流侧电流,就可以控制无功发生器吸收或发出性质和大小都符 合补偿要求的无功功率,从而实现动态无功补偿的目的装置。 按控制方式来分,a s v g 可以分为电流直接控制型和电流间接控制型。所谓间 接控制,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 7 2a s v g 的工作原理和控制方法研究硕士论文 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。此控制方法多用 于大容量的a s v g ( 如输电系统补偿用a s v g ) 的场合。另一种是电流直接控制法, 它是采用跟踪型p w m 控制技术对电流波形的瞬时值进行反馈控制,比电流间接控 制方式复杂但能达到更好的实时补偿效果。其指令信号运算引用瞬时无功功率理 论,指令电流的检测的实时性更好,从而使a s v g 响应速度和控制精度比间接控制 法有很大提高。但受到开关器件的限制,采用电流直接控制的静止无功功率发生器 容量不能很大,此种控制方法适用于低压配电系统中使用。 2 2 2a s v g 的结构 a s v g 的基本原理就是将自换相桥式电路通过电抗器并联在电网上,调节交 流侧输出电压的相位和幅值或者直接控制其交流侧电流,使该电路吸收或者发出满 足要求的无功电流,实现补偿目的。 一般情况下,如果负荷中线电流没有超出规定的许可值,应该尽量选择三相 三线制的主电路结构,因为三相三线制结构成本较低,控制也相对简单。图2 - 2 为 三相三线制结构a s v g 基本结构图。 图2 2a s v g 基本结构图 a s v g 的主电路由自换相三相桥式逆变电路构成,产生可以控制的三相电流。 图2 3 中所示主电路由一个i g b t ( 或m o s f e t 等开关器件) 电压型变流器构成,经 由连接电抗与电网相连。所谓电压型主电路主电路结构是根据其直流侧储能元件决 定的,电压型p w m 变流器的直流侧接大电容,正常工作时其电压基本保持不变。 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接的不 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电压源。 图2 3 中a 、b 、c 接至三相电源,v i 、v 3 、v 5 和v 2 、v 4 、v 6 为各组开关器件。所 示电力电子开关器件为i g b t ,实际应用中可以选用g 1 旧、i g b t 、m o s f e t 等。 8 硕士论文基于d s p 的电流直接控制a s v g 控制器的研究与设计 v 2v 4 v 6 图2 3 主电路 6 个桥臂中每个桥臂都由一个开关器件和一个二极管反相并联而成,其中i g b t 是 可由p w m 脉冲信号控制的,所以补偿电流控制电路发出的p w m 信号是由来控制开关 器件的。 2 3a s v g 补偿原理 2 3 1 电流间接控制 电压控制型a s v g 的工作原理可以用如图2 4 ( a ) 所示的单相等效电路说明。设 电网电压和a s v g 输出的交流电压分别用向量u s 和u ,表示,连接电抗x 上的电压u l 即为u ,和u ,之差。连接电抗上的电流就是a s v g 从电网吸收的的补偿电流,而这个 电流是可以由其电压来控制。因此,改变a s v g 交流侧输出电压u ,的幅值及其与系 统电压,的相位,就可以改变连接电抗上的电压,从而控锘f j a s v g 从电网吸收电流 的相位和幅值,也就控制了a s v g 吸收无功功率的性质和大小。 u s u i 电流超前电流滞后 们单相等效电路b ) 相量图 图2 4 a s v g 等效电路及工作原理 图2 4 ( a ) 所示的等效电路中,将连接电抗器视为纯电感,不考虑其损耗及变流 器的损耗,因此不必考虑从电网吸收有功能量。在这种情况下,只需使u ,与u s 同相, 仅改变6 ,的幅值大小即可以控制a s v g 从电网吸收的电流j 是超前还是滞后9 0 。,并 且能控制该电流的大小。如图2 4 ( b ) 所示,当( ,大于虬时,电流超前系统电压9 0 。, a s v g 从系统吸收容性的无功功率;当u ,小于以时,电流滞后系统电压9 0 ,a s v g 9 鹇 k 2a s v g 的工作原理和控制方法研究 硕士论文 从系统吸收感性的无功功率。 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,则a s v g 的实际等效电路如图2 5 ( a ) 所示,其电流超前和滞后工作的相量图如图2 5 ( b ) 所示。在这种情况下,变流器 电压u ,与电流j 仍相差9 0 ,因为变流器无需有功能量。而电网电压【,与电流j 的 相差则不再是9 0 ,而是比9 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6 角也 就是变流器电压u ,与电网电压us 的相位差。改变这个相位差,并且改变u ,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“。 a ) 单相等效电路 r l b ) 相量图 图2 5a s v g 等效电路及工作原理( 计及损耗) 2 3 2 电流直接控制 另种方法是电流直接控制法,该方式采用跟踪型p w m 控制技术对电流波形 的瞬时值进行反馈控制。采用赢接电流控制时,a s v g 可以等效成一个电流源,。; 单相的等效电路图如图2 6 表示,电网侧的有功、无功电流分别为乞,。;负载侧 的有功、无功电流分别为乞,屯;电网侧及负载侧等效阻抗为乙,z ,。 l o 硕士论文基于d s p 的电流直接控制a s v g 控制器的研究与设计 z p 图2 6 电流直接控制a s v g 补偿无功单相等效电路 电网提供的无功电流,。为: ,斗q 一;旬毫 旺 只要,埘一,。= 0 ,则,。= o ,即是由,。来提供负载所需无功电流,即可达到补 偿负载产生的无功功率的目的。如果系统同时补偿无功电流和浩波浩波,只要控制 ,。等于基波无功电流与潜波电流之和即可。具体实现通过逆变器输出电压与电流 的关系将对补偿电流的控制转化成对逆变器输出电压的控制,具体在2 4 节数学建 模中介绍。 2 4 数学模型 许多文献对电流间接控制型a s v g 数学模型进行了讨论“6 ”,本文选择的是电 流直接控制法,下面建立其数学模型。 首先假设系统电压满足三相平衡条件,若忽略主电路中电力电子器件的通态压降 和主电路中直流侧电压的波动,主电路可以等效为一理想电源,同时假设连接电感为 理想电感并且忽略电源内阻,可以得到其数学模型: 图2 7 a s v g 数学模型 u 出 2a s v g 的工作原理和控制方法研究硕士论文 图中f 。、i 女、i 。为a s v g 输出电流,l 为连接电感,r 为支路的等效电阻,( ,。为 直流侧电容电压。假设电容量足够大,可以看作恒压源。三对器件看作理想开关,并 工作于互补状态,即上桥臂通则下桥臂断,反之亦然。为方面讨论引入开关函数s , 定义如下: 【l ,代表对应桥臂上管导通,下管关断 s 。= d ,f = a ,扫,c o ,代表对应桥臂下管导通,上管关断 假定a s v g 装置总的输出电压为: “。= k u 女s i n ( 6 a ) u = k u 女 u 譬2 砌女 2 、 6 0 t 一一石l 3 1 2 、 t o t - i - 一石l 3 1 其中k 为比例系数,系统的三相电压为: “。- - 4 乏v ,s i n ( a 】t 一口) 铲励,咖( 甜一引 炉而,咖p 引 其中口为a s v g 输出电压与电源电压之间的相位差。 根据a s v g 装置的数学模型图,可以列出下面数学方程 l 掣巩叱_ 尉“) 掣= u , b - u b - r i , v l 掣= u x - u , - r i , 。 对于三相对称系统,有 “。+ u + 蹦。= 0 ;+ + i c = 0 推出逆变器的输出电压为“”: 铲( p 譬;卜i = a , b , c ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) 。吨 l 掣靠渺i 。s 卜玑 旺2 , l 掣也= 卜j 1 ,奢卜 掣= 一詈 侧甜) + i , bs i n l a t 一纠+ i 。s i n ( 雠+ 刎 如果升天幽毅比调利汲频率局很多,则升天幽裂口j 以看佧= 睦用狈率力o j ,相用 为巧,幅值等于调制比肘的正弦波,开关函数最的基波成分为西。”: 如叫一如1 ) 爿 眨z s , 式中i = a ,b ,c ,对应地女= 1 , 2 ,3 如果令:a = 墨一三主; ( 2 2 7 ) 式中p 。值为o ,;,士弓,其基波用如表示则由式( 2 2 6 ) 得到: 驴叫一啦1 ) 期 泣2 s , 2a s v g 的工作原理和控制方法研究 硕士论文 “s 。= m u 女c o s ( o 讲- a ) a 相输出电压( 含高次浩波) 为: u s a 一- - u c o s a , l t + e h 。c o s ( n a t 一点) 胆i 式中:暖一“。调制产生的第n 次浩波的初始相位角 “。一第甩次潜波分量的幅值; f p w m 调制方式所决定的最低次潜波次数; 如果忽略电阻上的压降,输入电感两端电压屹为: ( 2 2 9 ) ( 2 3 0 ) “血- - - - u 。一h 加= “。s i n ( a t 一“g 。c o s ( x 一“研c o s ( n o x 一玩) ( 2 3 1 ) n = l 补偿的无功电流i 。为: f :u 。s i nc a - u , oc o s + ! 塑! ! ! 生竺二鱼! k 一+ 毛面_ 从式( 2 3 2 ) 可以看出,逆变器输出电流受调制电压的控制,对逆变器输出电 流的控制是通过控制其输出电压来实现的。通过数学模型的推导可以得出,电流直 接控制型a s v g 的控制方式就是根据给定的控制目标,按照预定的控制算法,由实 际测出的系统状态参量通过调节电压调制比m ,以此来控制逆变器中的开关元件的 通断,使逆变器输出符合要求的电压,从而来实现系统的无功电流补偿及有功平衡 作用的。 2 5 指令电流的运算 a s v g 控制器任务可分为两大部分,指令电流的运算和p w m 脉冲信号的生成。 本文采用的是基于瞬时无功功率理论的无功电流检测法。其基本思想是:将输入三相 电流信号进行坐标变换得到瞬时的有功电流和无功电流,然后将其中的无功电流部分 进行坐标反变换,可以得出三相电流中的瞬时无功电流分量。以三相电路瞬时无功理 论为基础,得到p ,q 法检测无功电流,这种方法严格按照了瞬时无功理论的坐标变换 步骤,将瞬时三相电压和三相电流变换到口一口坐标下计算出无功电流分量和有功电 流分量,再将其中的无功电流分量反变换得到瞬时的三相无功电流量。该方法用到了 三相电压,在实际电网中,存在一定的畸变电压成份将影响到检测精度。考虑到这点, 本设计采用的是另一种检测方法一f 。,f 。检测法,具体流程如图2 8 所示。 1 4 硕士论文基于d s p 的电流直接控制a s v g 控制器的研究与设计 l a l h 图2 8f 。,f 。法无功电流和谐波电流检测流程 该方法中用一个锁相环和一个正弦、余弦发生电路得到与a 相电网电压e 。同相 位的正弦信号s i n 艘和对应的余弦信号一c o s 甜,由于只取s i n 甜和一c o s ( a t 参与运 算,畸变的电压谐波成分在运算过程中不出现,只需同步采样电流信号就可以计算 出三相的无功电流量,因而检测结果不受电压波形畸变的影响,检测结果将更加准 确。图中所示将输入的三相电流信号与计算得出得基波有功分量相减,将得到得是 无功电流和谐波电流的叠加,将它作为补偿的指令信号,可以实现同时补偿谐波电 流的目的。 此外,在理想情况下,a s v g 装置与系统之间是没有有功功率的交换,a s v g 装置输出的电流中将不包含有功分量,也即是直流侧电容电压应不会发生变化。但 由于实际情况下存在开关和导通损耗,因此会导致直流侧电容电压的变化。直流侧 电压变化过大会危及a s v g 装置的安全,为此还需加入对直流侧u 。的控制。图2 8 中,u 。,是,。的给定值,u 出,是u 。的反馈值,两者之差经过p i 调节器后得到信 号出,它叠加到瞬时有功电流的直流分量上。这样将补偿逆变器的开关导通损耗, 保持直流侧电压恒定。具体将再2 6 节中介绍。 2 6 a s v g 的控制 2 6 1 两种控制方法的比较 1 在电流间接控制法中,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。如图2 9 为最简单的控制法,利用 j ( 逆变器交流测电压与电网电压的相位差) 与逆变器交流测基波电压的大小具有一 一对应的关系,将无功电流的参考值,。乘以一个比例系数后即作为6 角的指令通 过控制变流器交流侧电压大小来控制a s v g 产生无功电流的大小和方向。 2 a s v g 的工作原理和控制方法研究硕士论文 图2 9 对无功电流进行开环控制的间接控制法 此方法为开环控制,如果在这种控制方法的基础上加上对a s v g 吸收的无功电流 ( 或无功功率) 进行反馈,即经过p i 控制后,对无功电流的控制精度和响应速度 都将得到显著提高。如图2 1 0 对无功电流进行闭环控制的间接控制法所示。 图2 1 0 对无功电流进行闭环控制的f 司接控制法 对无功电流大小的检测也有很多方法,其中以d q o 坐标变换法( 也称p a r k 变换) 和基 于瞬时无功功率理论的检测方法速度快,越来越普遍地被采用。 此外,在闭环p i 控制的基础上发展起来的还有逆系统p i 控制法( 采用逆系统非 线性p i 方法) 、模糊控制器结合p i d 的控制法等。它们结合各种控制方法的优点, 较单独的p i 闭环控制法具有更好的稳定性和较强的鲁棒性。但在工程实践应用上 普及还有一段距离。 上述的都是单j 角控制,图2 1 l 给出了一种占与口( 与电网电压有效值成正比 的脉冲宽度角) 配合控制的框图。 图2 1 1j 与口配合控制框图 其中c o l 为a s v g 连接电抗参数,该控制方法引入了a s v g 吸收的无功和有功 电流的反馈控制,并采用了却。坐标变化法检测a s v g 吸收的无功和有功电流。图 中d q 至j 和目的变换,是将a s v g 变流器的交流侧电压参考值u i r o 由用与电网电 压u s 同相和超前9 0 度相位的分量u 埘和u 耐表示,变换为用u ,超前u 5 的相角差 1 6 硕士论文基于d s p 的电流直接控制a s v g 控制器的研究与设计 6 和与u ,有效值成正比的脉冲宽度角口表示。 2 在电流直接的控制方法中,采用的是a b e 轴下的瞬时电流控制系统。基本思 想是:将a s v g 当作交流电流源来看待,通过对负载电流的检测,应用瞬时无功功 率理论,计算出无功电流作为指令信号,然后应用跟踪型p w m 控制方式对交流器 输出的电流波形的瞬时值进行反馈控制。基本控制结构如图2 1 2 所示: 图2 1 2 直接电流控制 控制系统完成两个功能: ( a ) 直流侧的电压恒定控制;具体控制中是将开关器件的损耗折算成有功电 流的形式叠加到直流电流的算法中去,是得逆变器发出的补偿电流包含了开关损耗 的有功电流部分。 ( b ) 无功电流的实时跟随。三相瞬时补偿电流指令。、。和f 。r e 通过恒频 三角电流比较生成逆变器的开关信号并将逆变器发出的电流值反馈实现无功电流 的实时跟随。 综合所述,我们可以得到如下结论: ( a ) 电流的间接控制方法相对简单,技术相对成熟,适用于较大容量a s v g 控制,但间接控制与直接控制相比,控制精度较低,响应速度较慢。 ( b ) 电流直接控制法虽然可以做到对无功电流的实时的快速跟踪控制但对开 关器件的工作频率要求高,因此容量无法做到很大,一般适合小容量的无功补偿( 如 配电系统) 。 ( c ) 无论电流的间接控制还是电流的直接控制最终都是转换成对逆变器输出 的电压进行控制,不同的是电流的间接控制是通过调节j 和目的基频移相控制,电 流直接控制是通过调节电压调制比来进行控制。 2 6 2 电流的跟踪控制 控制器的另一任务是电流的跟踪控制,其作用就是根据补偿电流的指令信号和实 际产生的补偿电流之间的相互关系,最终生成控制主电路各个器件通断的p w m 信号。 p w m 信号是一个周期固定而脉冲宽度可变的脉冲序列。在每个固定长度的周期中, 1 7 2a s v g 的工作原理和控制方法研究 硕士论文 有一个脉冲出现,该定长度的周期称为p w m 周期,其倒数成为p w m 频率。p w m 脉 冲的宽度取决于调制信号的调制。 p w m 脉冲信号是控制a s v g 的最终有效信号,因此p w m 脉冲信号的生成方式, 也是影响有静止无功发生器无功补偿性能的因素之一。目前常用的p w m 生成方式主 要有三角波比较法、滞环控制法、无差拍控制法、空间矢量法等。 三角波比较法是最为简单的一种控制方法,它通过将检测环节得到的电流实际值 和参考值之间的偏差,经放大之后与高频三角载波相比较,所得到的矩形脉冲作为逆 变器各开关元件的控制信号从而在逆变器输出端获得所需的波形。三角波比较控制法 突出优点是动态响应好,输出开关频率恒定( 等于三角载波频率) 。输出包含谐波较 少( 但是包含与三角载波频率相同的谐波) ,缺点是当调制信号的变化率大于三角 波的频率时,会产生多次开关现象,输出具有幅值和相位误差,并且开关损耗较大: 无差拍控制是一种在电流滞环比较控制技术基础上发展起来的一种全新数字化 控制方法。该方法利用前一时刻的补偿电流的参考值和实际值,计算出下一时刻的电 流参考值及各开关状态下逆变器电流输出值,选择某种开关模式作为下一时刻的开关 状态,从而达到电流误差等于零的目标。该方法的优点是能够快速响应电流的突然变 化,缺点是计算量大,而且对系统参数依赖性较大: 滞环控制法是将补偿电流的参考值与实际的补偿电流信号的偏差输入到具有滞 环特性的比较器,滞环比较器输出即为控制主电路开关通断

温馨提示

  • 1. 本站所有资源如无特殊说明,都需要本地电脑安装OFFICE2007和PDF阅读器。图纸软件为CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
  • 2. 本站的文档不包含任何第三方提供的附件图纸等,如果需要附件,请联系上传者。文件的所有权益归上传用户所有。
  • 3. 本站RAR压缩包中若带图纸,网页内容里面会有图纸预览,若没有图纸预览就没有图纸。
  • 4. 未经权益所有人同意不得将文件中的内容挪作商业或盈利用途。
  • 5. 人人文库网仅提供信息存储空间,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对用户上传分享的文档内容本身不做任何修改或编辑,并不能对任何下载内容负责。
  • 6. 下载文件中如有侵权或不适当内容,请与我们联系,我们立即纠正。
  • 7. 本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。

评论

0/150

提交评论