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电气电子毕业设计250基于dsp的配电静止同步补偿器控制器的设计
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电气电子毕业设计250基于dsp的配电静止同步补偿器控制器的设计,毕业设计论文
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邵阳学院毕业设计（论文）任务书 专业班级 学生姓名 学 号 课题名称 基于 DSP 的 配电静止同步补偿器 控制器 的 设计 设计 (论文 ) 起止时间 2007 年 3 月 1 日至 2007 年 6 月 1 日 课题类型 开发 研究 课题性质 真实 一、 课题研究的目的与主要内容 目的： 使学生认识配电网进行无功补偿的重要性，让学生熟悉新型的无功补偿装置，锻炼学生应用新型微处理器设计控制系统的能力，提高学生的硬件设计、软件编程能力和动手能力。 内容： 使学生认识配电网进行无功补偿的重要性，让学生熟悉新型的无功补偿装置， 锻炼学生应用新型微处理器设计控制系统的能力，提高学生的硬件设计、软件编程能力和动手能力。 二、 基本要求 1、给出硬件原理图； 2、给出软件流程图 或 程序源代码； 3、在 CCS2000 中调试并演示程序； 4、完整的定稿电子版论文。 注： 1、此表由指导教师填写，经各系、教研室主任审批生效； 2、此表 1 式 3 份，学生、指导教师、教研室各 1 份。 nts 三、课题研究已具备的条件（包括实验室、主要仪器设备、参考资料） 1、 PC 机、 CCS2000 开发平台 2、 TMS320LF240XDSP 结构、原理及应用 刘和平等编著。北京航空航天大学出版社， 2002年 4 月第一版； 3、 谐波抑制和无功功率补偿王兆安、杨君、刘进军编著。机械工业出版社， 2002 年 2 月第一版； 4、 国内外参考文献 四、设计（论文）进度表 1、资料查找、文献阅读、熟悉课题（ 3 周） 2、熟悉 CCS2000 仿真、开发环境（ 2 周） 3、设计 DSP 外围电路（ 1 周） 4、仿真、制板、编程、调试（ 2 周） 5、整理、撰写毕业设计（论文）（ 3 周） 6、准备、进行答辩（ 1 周） 五、教研室审批意见 教研室主任（签名） 年 月 日 六、院（系）审批意见 院（系）负责人（签名） 单位（公章） 年 月 日 指导教师（签名） 学生（签 名） nts 课 题 名 称 基于 DSP 的配电静止同步补偿器 控制器的设计 学 生 姓 名 学 号 院（系）、专业 信息与电气工程系、电气及其自动化专业 指 导 教 师 职 称 2007 年 3 月 5 日 nts 1 一、 课题的来源、目的意义（包括应用前景） 、国内外现状及水平 本课题来源于湖南大学电力实验室配电静止同步补偿器实验平台开发项目 中的控制器设计部分 。 随着国民经济的高速发展和人民生活水平的提高，人们对电力的需求日益增长，同时对供电的可靠性和供电质量提出了更高的要求。 无功功率补偿是保持电网高质量运行的一种主要手段，也是当今电气自动化技术及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。 由于电网负荷的不断增加，不但改变了电力系统的网络结构和电源分布，而且造成系统的无功分布不尽合理，甚至可能出现局部地区无功严重不足、电压水平普遍较低的情况。电 力系统无功分布是否合理，不仅关系到电力系统向用户提供电能质量的优劣，而且还直接影响电网自身运行的安全性和经济性。这在与用户直接相关的配电网中显得尤为重要。若无功电源容量不足，系统运行电压将难以保证。由于电网容量的增加，对电网无功要求也与日增加。此外，网络的功率因 数和电压的降低将使电气设备得不到充分利用， 引起损耗增加。因此，解决好配电网络无功补偿的问题，对电网的安全性和降损节能有着重要的意义。 在配电网中进行无功补偿主要是为了提高供电功率因数，改善供电电能质量。传统的无功补偿设备 如同步调相机、 固定电容器补偿 （ FC）、晶闸管 投切电容器（ TSC）、晶闸管控制电抗器（ TCR）因其补偿性能差不能满足配电网对无功补偿设备提出的要求。由新型电力电子器件构成的配电静止同步补偿器（ D-STATCOM）， 是 无功补偿设备的主要发展方向。 一些发达的工业国家已经有 D-STATCOM 工程装置投运，在我国由清华大学和河南省电力公司共同开发输电系统用 STATCOM装置也成功运行。D-STATCOM 主要由主电路、控制电路组成，其中控制电路在很大程度上 决定其 主要性能。 D-STATCOM 在过去的几十年里，单片机的广泛应用实现了简单的智能控制功能。随着信息化的进程和计算机科学与技术、信号处理理论与方法等的迅速发展，需要处理的数据量越来越大，对实时性和精度的要求越来越高，低档单片机已不再能满足 工业现场 要求。近年来，各种集成化的单片 DSP 的性能得到很大改善，软件和开发工具也越来越多，越来越好；价格却大幅度下滑，从而使得 DSP 器件及技术更容易使用，价格也能够为广大用户接受；越来越多的单片机用户开始选用 DSP 器件来提高产品性能， DSP 器件取代高档单片机的时机已经成熟。 本文将 应用 TI的 TMS320LF240X 系列 DSP 器件 进行 D-STATCOM 控制器设计 。 nts 2 二、试验研究的主要内容、或工程技术方案和准备采取的措施 本课题属实际工程开发项目，为 DSTATCOM 装置设计控制器，其主要研究内容包括： 详细论述配电系统进行无功补偿提高功率因数、改善供电电能质量的必要性，对传统的无功补偿设备进行简单介绍，并指出传统无功补偿设备在运行中的不足， 对采用新型电力电子器件的配电静止同步补偿装置的 优点进行分析 ； 对 配电静止同步补偿器的的基本工作原理 进行阐述，分直接电流控制和间接电流控制两种控制方法进行讨论，详细介绍配电静止同步补偿器的各个组成部分，包括指令信号检测部分、 控制器部分、主电路拓扑等 ； 介绍 DSP 器件的结构特点，利用 DSP 器件设计配电静止同步补偿器的控制 器。首先设计 DSP 最小系统画出原理图 。 利用 DSP 指令系统和 CCS2000 开发环境 进行软件设计。首先画出流程图， 然后采用模块化的编程方法进行软件编程，最后进行整机 调试； 利用仿真头进行在线调试，验证控制期功能的正确性和有效性。 本课题将采用理论分析 方法 和实验验证方法 对课题内容进行研究。 采用的工程方案如上述主要研究内容。 本课题准备采取的措施如下： 广泛阅读国内外的相关文献，了解配电网无功补偿技术及装备的发展现状 ； 1. 详细阅读配电静止无功补偿器的相关专著，深刻理解配电静止同步补偿器的基本构成、工作原理和控制方法，为控制器的设计奠定理论基础； 2. 阅读 DSP 相关书籍，熟练掌握 2000系列 DSP 指令系统和 CCS2000开发环境。然后进行硬件电路和软件的设计、调试； 3. 进行实验 。 nts 3 三、 现有基础和具备的条件 指导老师从事过相关研究，有较强的理论基础和丰富的实际工程装置开发经验，为课题的顺利开展提供了指导方向上保障。大学期间系统的学习了电力系统分析 、电力电子技术、现代电力系统调度自动化、数字信号处理等课程，对电子产品的开发与设计制作有初步的了解，翻阅了粟时平教授主编的静止无功功率补偿技术和刘和平等编著的 TMS320LF240XDSP 结构、原理及应用，了解了有源电力滤波的一些基本知识，为课题的实施准备了前期准备。 （ 1） 邵阳学院信息与电气系电力系统实验室有 DSP 开发仿真软件； （ 2） PC 机、 CCS2000 开发平台、电力系统模拟实验装置，可以为课题的完成提供实验场地； （ 3） 学校图书馆可以提供部分资料进行查阅； （ 4） 有专业老师进行指导。 nts 4 四、总的工作任务，进度安排以及预期结果 总的工作任务：设计出基于 D-STATCOM 电压控制器 ， 控制电路主要由主电路、控制电路和驱动电路组成。 利用 DSP 器件完成 配电 静止同步补偿器（ D-STATCOM） 的设计 ，具体安排进度如下： 1、资料查找、文献，阅读、熟悉课题（ 3 周），于 2007.1.5-2007.1.18 进行。查找并研读课题相关文献资料、杂志期刊，深入了解和分析课题设计目的、要求和内容，了解 配电 静止同步补偿器 （ D-STATCOM） 控制器 的国内外现状及其前景，认真做好设计前期工 作，编写提纲，做出总的设计计划。 2、系统需求分析（ 2 周），计划于 2007.3.5-2007.3.18 进行。 熟悉 CCS2000仿真、开发环境， 对 静止同步补偿器 的硬软件需求进行分析。 3、方案论证（ 1 周），计划于 2007.3.19-2007.4.1 进行。设计出 DSP 的外围电路。 4、方案实 施（ 2周），计划于 2007.4.2-2007.4.15进行。建立仿真模型， 并 在 CCS2000环境下编程、调试， 设计出安全、可靠、经济的总体实施方案。 5、整理、撰写毕业设计（论文）（ 3 周），计划于 2007.4.16-2007.5.6 进行。检查、整理、撰写毕业设计。 6、准备、进行答辩（ 1 周），计划于 2007.5.7-2007.5.13 进行。结合参考文献资料，仔细审视所写毕业设计，进行模拟答辩。 通过本课题的研究， 有望 完成控制器的设计和电子版的论文。 nts 5 五、指导老师意见： 指导老师（签名）： 年 月 日 六、教研室审查意见： 教研室主任（签名）： 年 月 日 七、院（系）审查意见： 系主任（签名）： 年 月 日 备 注： nts邵阳学院毕业设计（论文） 总 结 本文主要介绍了 DSP 配电静止同步补偿器控制器的设计。配电静止无功补偿技术（ D-STATCOM）的内容广泛、理论复杂。本论文力求在系统阐述静止无功补偿技术基础理论的同时，结合技术应用的需要，更多地反映配电静止无功补偿技术。 本控制器装置由主电路、控制电路、驱动电路组成。本设计采用的是 DSP 芯片是 TI 公司生产的产品， DSP 为数字信号处理提供了高效而可靠的硬件基础。由于TMS320LF2407A 芯片内部的 10 位 A/D 转换单元精度不够，无法满足现场的需要，本文采用了 2 片 MAXIM 公司生产的 MAX125A/D 采样芯片对所需电压信号和电流信号进行采集。 DSP 芯片和高速的 A/D 芯片被应用到电力系统中来，和高速的 A/D芯片 MAX125 在系统中的应用，配电静止同步补偿要求补偿装置不间断的长期运行，即要求系统有较高的稳定性。 基于 TMS320LF2407A 的 D-STATCOM 控制器充分利用了 TMS320LF2407A 芯片的运算速度快、精度高、扩展性好的特点 ,应用 iiqp运算方式检测无功电流 ,采用预测电流直接控制策略进行无功补偿。试验结果表明 ,本控制器具有运算速度快、精度高等优点 ,能够实时、准确、连续快速地对无功进行补偿 ,有效地抑制系统电压波动 ,在很大程度上改善了配电网的电能质量。 nts邵阳学院毕业设计（论文） 参考文献 1 谢运祥，陈坤鹏，邓衍平，等 . 改进型谐波与基波有功和无功电流检测法 . 华南理工大学学报（自然科学版）， 2005,33（ 4） :15-19 2 马大铭，朱东起，高景德 . 三相电压不对称时谐波和无功电流的准确检测 . 清华大学学报（自然科学版）， 1997,37（ 4） :1-10 3 游小杰，李永东， Victor Valouch，等 . 并联型有源电力滤波器在非理 想电源电压下的控制 . 中国电机工程学报， 2004,24（ 2） :55-60 4 廖志凌，刘国海，贾洪平 . 应用 HPF 同时检测高次谐波和无功电流方法的讨论 . 电力系统自动化， 2002,26（ 23） :67-68 5 王群，姚为正，王兆安 . 高通和低通滤波器对谐波检测电路检测效果的影响研究 . 电工技术学报， 1999,14（ 5） :22-26 6 殷波，陈允平 . abc 坐标系下广义无功电流和功率的定义及补偿 . 电网技术， 2003,27（ 7） :43-51 7 周腊吾， 张堃，陈晓平，等 . 基于综合矢量的功率定义及其在无功电流和谐波电流检测中的应用 . 湖南大学学报（自然科学版） ,2004,31（ 4） :34-37 8 陈东华，谢少军，周波 . 用于有源电力滤波器谐波和无功电流检测的一种改进同 步参考坐标法 . 中国电机工程学报， 2005,25（ 20） :62-67 9 Vasco Soares, Pedro Verdelho, Gil D.Marques. An instantaneous active and reactive current component method for active filters. IEEE Trans. On Power Electronics, 2000,15（ 4） : 660-669 10 Vasco Soares, Pedro Verdelho, Gil Marques. Active power filter control circuit based on the instantaneous active and reactive current iiqdmethod. 11 Maaoud Karimi-Ghartemani, M.Reza Iravani. A nonlinear adaptive filter for online signal analysis in power system:applications. IEEE Trans. On Power Delivery, 2002,17（ 2） :617-622 12 M.Karimi-Ghartemani, M.R.Iravani, F.Katiraei. Extraction of signals for harmonics, reactive current and network-unbalance compensation. 13 薛蕙，杨仁刚 . 基于 FFT的高精度谐波检测算法 . 中国电机工程学报， 2002,22（ 12） :106-110 14 薛蕙，杨仁刚 . 利用 Morlet 连续小波变换实现非整次谐波的检测 . 电网技术， 2002,26nts邵阳学院毕业设计（论文） （ 12） :41-44 15 张明君，弭洪涛，张秀菊 . 基于小波变换的谐波和无功电流检测方法的研究 . 北华大学学报（自然科学版）， 2004,5（ 1） :80-83 16 R.EI Shatshat, M.Kazerani, M.M.A.Salama. On-line tracking and mitigation of power system harmonics using ADALINE-Based active power filter system. 17 李淳，李建林，张仲超 . 谐波及无功电流检测方法对比分析 . 电源技术应用， 2004,7（ 8） :464-468 18 高大威，孙孝瑞 . 基于自适应线性神经元网络的三相畸变电流检测方法及实现 . 中国电机工程学 报， 2001,21（ 3） :49-52 19 蒋平，邓俊雄，曹莹 . 一种先进的电网谐波检测方法 . 电工技术学报， 2000,15（ 6） :70-74 20 周玉光，艾芊，顾丹珍，等 . 自适应线性神经元在电能质量扰动诊断和频率跟踪中的应用 . 上海交通大学学报， 2005,39（ 12） :2072-2087 21 兰金茹，华晓萍，孟庆波 . 一种自适应谐波电流检测方法的研究 . 电力科学与工程， 2005,（ 3） :8-11 22 王立乔，林平，张仲超，等 . 基于统一模型的谐波及无功电流检测 . 浙江大学学报（工学版）， 2005,39（ 5） :692-695 23 Luo Shiguo, Hou Zhencheng. An adaptive detecting method for harmonic and reactive currents. IEEE Trans.On Industrial Electronics, 1995,42（ 1） :85-89 24 Dash P.K, Panda S.K, Mishra B, et al. Fast estimation of voltage and current phasors in power networks using an adaptive neural network. IEEE Trans. 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Distribution Static Synchronous Compensator D-STATCOM (Distribution Static Compensator) is one of user electric power technology important installments, the controller took its essential part, has decided its compensation performance quality. But actuates the pulse the production also is precisely key technologies, uses digital signal processor DSP chip TMS320LF2407 and high accuracy A/D chip MAX125, compares with the traditional monolithic integrated circuit measurement system, in aspects and so on timeliness, precision had the big enhancement, also the hardware and the software realization is simple. Has designed the precision high, the phase jitter _d small, the stable good D-STATCOM controller. This controller installment by the main circuit, the control circuit, actuates the electric circuit to be composed. This article elaborated according to the signal flow, DSP smallest system, signal gathering, signal processing. The DSP smallest system including the DSP chip, the keyboard demonstrated, expands ROM/RAM and so on. Signal gathering including PT (voltage transformer) /CT (current transformer), signal recuperation, A/D transformation. Key Words ： Digital signal processing (DSP) ； Distribution Static Compensator D-STATCOM； DSP smallest system； Signal gathering； Signal processing nts 目 录 摘要 第 1 章 绪论 1 第 1.1 节 课题的来源及意义 1 第 1.2 节 D-STATCOM 控制器设计的研究现状 3 第 1.3 节 D-STATCOM 补偿电流检测技术的研究现状 5 第 1.4 节 D-STATCOM 的优越性 8 第 1.5 节 论文的主要内容及章节安排 9 第 2 章 DSP 器件的简介及 D-STATCOM 的工作原理 11 第 2.1 节 DSP 器件的特点 11 第 2.2 节 TMS320LF2407 的特点 13 第 2.3 节 TMS320LF2407 的结构 14 第 2.4 节 选择 DSP 芯片注意事项 16 第 2.5 节 D-STATCOM 的 基本 原理 17 第 3章 基于 DSP 的 D-STATCOM 控制器设计 25 第 3.1 节 基于 DSP 的 D-STATCOM 的控制系统硬件结构 25 第 3.2 节 控制系统软件部分 36 总 结 41 参考文献 42 致 谢 44 nts邵阳学院毕业设计（论文） 1 第 1 章 绪 论 第 1.1 节 课题的背景及意义 电能作为人们广泛使用的能源，其应用程度是一个国家发展水平和综合国力的主要标志之一。在满足工业生产、社会和人民生活对电能需求量的同时，提高对电能质量的要求是一个国家工业生产发达、科技水平提高、社会文明程度进步的表现，是增强用电效率、节能降损、改善环境、提高国民经济的总体效益以及工业生产可持续发展的技术保证。 随着现代科学技术的发展，近年来，配电网中整流器、变频调速装置、电弧炉、电气化铁路等负荷不断增加。这些负荷的非线性、冲击性和不平衡性的用电特性， 使网络中的电压、电流波形发生畸变，或引起电压波动、闪变和三相不平衡。此外，系统侧发生的雷击线路、投切电容器组、短路。断路等，都给供电质量造成严重干扰。另一方面，随着现代工业技术的不断发展和计算机技术的广泛应用，用电设备对电能质量更加敏感。低劣的供电质量将导致低劣的产品质量，特别是在重要工业生产过程中，供电的突然中断将会带来巨大的经济损失。 据美国官方统计，近 20 年来全球范围内因电能质量引起的重大电力事故已达 20 多起，每年因电能质量扰和电气环境污染引起的国民经济损失高达 300 亿美元，电能质量直接关系到国民经济的 总体效益。如何提高和保证电能质量，已成为迫切需要解决的重要课题之一。电能质量的优劣已经成为电力系统运行与管理水平高低的重要标志，控制和改善电能质量也是保证电力系统自身可持续发展的必要条件。电能质量问题已不仅仅是电力系统中电压和频率等的基本技术问题，它已被提升为关系到整个电力系统及设备的安全、稳定、经济、可靠运行，关系电气环境工程保护，关系整个国民经济的总体效益和发展战略。因此，开展电能质量控制技术的研究 及相关电能质量调节装置的开发 具有重要的现实意义和战略意义，成为了近年来电气工程领域研究的热点 之一 。 N.H.Hingorani 于 1986 年提出了灵活交流输电系统（ FACTS）的概念。 FACTS技术发展的两个重要特点，一是不断采用新器件，另一个特点是装置多样化 ,应用范围更广。一方面继续向高压大容量方向发展，另一方面，向中低压配电网的应用发展，宗旨是提高用户侧的电能质量，称之为用户电力技术。用户电力技术（ Custom power）的概念最早于 1988 年由 N.H.Hingoran 博士提出，这是一种应用现代电力电子技术、nts邵阳学院毕业设计（论文） 2 计算机技术和控制技术，按用户特定要求提供电力供应并实现对电能质量控制的技术。我国一些学者称用户电力技 术为 DFACTS，认为是 FACTS 技术在配电系统应用的延伸，并做了大量的研究。 1996 年，日本北海道大学和茨城大学的学者正式提出了与上述概念相似的 FRIENDS（ Flexible Reliable and Intelligent Electric Energy Delivery System），并组织“ FRIENDS 研究会”。两者目的都是为了建立灵活、可靠的电力供应系统，更好地满足用户需求。用户电力技术是一种 将电力电子技术、微处理机技术、控制技术等高新技术运用于中、低压配电和用电系统中，以减小谐波畸 变，消除电压波动和闪变、各相电压的不对称和供电的短时中断，从而提高供电可靠性和电能质量的新型综合技术。用户电力技术的提出为电力公司在系统侧和用户侧以最经济的方法综合解决电能质量问题提供了一种新途径。常用的用户电力技术装置有不间断电源 （ UPS） 、配电静止同步补偿器 （ D-STATCOM）、动态电压恢复器（ DVR）、有源电力滤波器（ APF）等。 配电静止同步补偿器（ D-STATCOM）是一种重要的用户电力技术装置 ， 跟其它类型的用户电力技术装置相比较，具有 功能强大、 性能优良、 性 价比高的特点，能综合的解决配电网中电压 波动与闪变、电流畸变、三相电压不对称等电能质量问题，因此在配电网中 颇受关注 ，成为了现阶段配电网无功补偿和电能质量控制的发展方向。D-STATCOM 与以往的无功补偿装置如自动投切电容器组装置和 SVC 相比具有如下特点 ： （ 1） 响应时间快 。 自动投切电容器组装置的响应时间需要几秒钟，这是受电容器放电时间所限制。国标规定电力电容器放电时间为 3 秒钟，如果放电时间太少，则电容器的剩余电荷不能放电干净，如再次投入可能会导致电容器发生过压击穿现象 。 （ 2） 不会引起谐振短路 。 虽然该装置仍然采用并联型结构，但是它与电网之间有连接 电抗器，因此不会出现并联谐振现象 。 （ 3）可以发出连续可调的感性无功和容性无功。 该装置不仅可以应用在感性负荷场合，还可以应用在容性负荷的场合，可以提高补偿效果，降低线路损耗 。 （ 4） 精准电压控制 。 该装置除了可以按照功率因数或者无功功率控制之外，还可以按照电压幅值来控制，确保用户获得的电压的平稳性，降低电压纹波 。 （ 5） 具有自适应功能，实现了动态补偿，可对频率和大小都变化的谐波以及变化的无功功率进行补偿，对补偿对象的变化有极快的响应 。 （ 6） 可同时对谐波和无功功率进行补偿，补偿无功功率时不需要储能元件，补偿谐 波时所需储能元件的容量不大，且补偿无功功率的大小可以做到连续调节 。 nts邵阳学院毕业设计（论文） 3 （ 7） 受电网阻抗的影响不大，不容易和电网阻抗发生谐振；且可以跟踪电网频率的变化，故补偿性能不受电网频率变化的影响。 目前已经研制成功以及正在运行的 STATCOM 所使用的功率器件大多为 GTO，电压及容量较小的配电系统用 STATCOM（ D-STATCOM）使用 IGBT。德国西门子公司已生产出用于高电压的 IGBT，电压可达到 5000V 以上，日本东芝公司于 1993 年开发研制出的 IEGT（电子注入增强门极晶体管）已经形成商用产品，其额定参数可达到 4.5kV3000A， ABB 公司于 1996 年开发研制出了 IGCT（集成门极换向晶闸管），开通、关断时间与开关损耗进一步减小（关断时间小于 5Ls），目前 IGCT 的额定参数可达到 10kV4500A20kHz，而且可在无关断吸收电路条件下工作。目前人们正在对碳化硅和金刚石等禁带很宽、击穿电场很高、同时又具有高热导率的新型半导体材料进行不断探索与研究，并已获得了初步成果。将此类新型电力电子功率器件用于D-SATCOM 中，开关频率提高、装置损耗降低、体积减小、运行效率提高、使 PWM技术在中压中小容量 D-SATCOM 中的直接应用成为可能。在中小容量 D-SATCOM的场合，应用多重化技术的 D-SATCOM 装置结构与控制复杂，占地面积大，功率密度小，成本较高，而直接采用 PWM 控制技术的 D-SATCOM 装置可以克服上述缺点，同时省去了多重化变压器，避免了由于多重化变压器的非线性磁饱和引起的过电流，而且可以将研究成熟多种三相 PWM 变流器控制方法（如相幅控制、滞环电流控制、三角波比较电流控制、空间矢量控制、直接功率控制等）直接运用于 D-SATCOM 装置的控制系统设计当中。可见开展应用于中低压系统的基于 VSI-SPWM 结构D-SATCOM 的研究符合新型电力电子器件的发展趋势，可以为将来实现 D-SATCOM在配电网中的工业应用奠定基础。 第 1.2 节 D-SATCOM 控制器设计的研究现状 在中低压配电网中装设 D-SATCOM 装置 能 有效的 解决配电网中常见 的电能质量问题。 随着电力电子技术、自动控制技术、信息处理技术和计算机技术的迅猛发展，基于电力电子技术的 D-SATCOM 装置 得到了广泛和深入的研究。 从目前国内外研究现状来看，国外发达工业国家，如美国、日本等在这方面的研究起步较早，已有工业装置在电网和工业企业中投运。而我国由于受多种因 数的制约，对 D-SATCOM 的研究还处于理论研究和实验阶段，真正应用于电网和工业企业中的工业装置不多见，其主要原因是一些关键技术和难点问题以及设备的成本问题尚未得到解决。 nts邵阳学院毕业设计（论文） 4 日本关西电力与三菱电机共同研制的于 1980年 1月投运的世界上首台 SATCOM样机 。该装置容量为 20Mvar，母线电压 77kV，采用了晶闸管强制换相的电压型逆变器。直流侧电压 917V，该直流电压是通过起动变压器、整流器、平滑电抗和 6.6kV线路相连获得的。主电路结构采用了三相桥六重化方案，逆变器由六个单元逆变器组成，每个单元逆变器的输出电压 波形相同，依次相差 10，六个单元逆变器的输出经由输出变压器串联合成为 36 阶的阶梯波。 美国电科院和西屋公司研制的于 1986 年 10 月投入运行的 1 Mvar SATCOM。这是世界上首台采用大功率 GTO 作为逆变器元件的静止无功补偿器。因为研制的目的是验证 SATCOM 的基本原理，装置的容量也比较小，所以主电路也选择了两个三相桥移相 30并加上滤波器的简单多重化方案。 日本关西电力公司与三菱电机公司研制的于 1991 年在犬山变电站投运的采用GTO 的 80 Mvar 的 STATCOM。该装置首次实现了自励式起动 ，主电路采用了三单相桥八重化的方案，各个桥之间移相角度依次差 7.5，其中，单相桥中的每一个开关由三只 4500V、 3000A 的 GTO 串联组成（其中有一只作为冗余），直流侧电压 4150 V，八个三单相桥共采用了 576 只 GTO。 GTO 串联电路中，为了保证各只 GTO 上的动态均压，不仅每只 GTO 并联了 RCD 动态均压电路，而且在每只 GTO 的驱动电路中串联了可调电感，用来补偿各只 GTO 关断时间的差异。 东京电力分别与东芝公司和日立公司开发的两台于 1993 年投运的 50 Mvar SATCOM。该装置采用了三相桥四 重化的方案，直流侧电压 16kV，三相桥中的每个开关由 12 只 GTO 串联而成（ 3 个模块串连，每个模块由 4 只 GTO 串联组成）。同时，为提高响应速度并降低谐波含量，两台 SATCOM 的三相逆变器分别采用了双脉冲和三脉冲 PWM 调制 。 美国 EPRI 与田纳西电力局（ Tennessee Valley Authority, TVA）、西屋电气公司合作于 1996 年 10 月在 TVA 电力系统的 Sullivan 500kV 变电站投运的 100 Mvar 的SATCOM。主变压器电压为 161/5.1kV。装置采用了三相桥八重化的方案，每台逆 变器的容量为 12.5Mvar，三相桥中的每个开关由五只 4.5kV/4kA GTO 串联组成（其中一只为冗余）其运行额定电流为 2kA，共采用了 240 只 GTO。直流侧电压 6.6kV。在 Sullivan 变电站，和 100 Mvar SATCOM 一起安装的还有一套由 SATCOM 控制系统进行投切的 84Mvar 的开关投切式并联电容器组，这样使 SATCOM 的有效控制范围增大了，从 184Mvar 的容性无功到 100Mvar 的感性无功。 德国西门子公司在 1997 年研制的 8Mvar Mvar。由两个 Mvar 组成，它们可以分nts邵阳学院毕业设计（论文） 5 别在 4Mvar 的范围内进行连续调节。因为单个 SATCOM 的容量比较小，采用了普通的三电平结构。 由 Alstom 公司为英国国家电力公司研制的 75 Mvar 的 SATCOM，于 1999 年在英国的 East Claydon 变电站投入运行 。和目前世界上其他的 SATCOM 相比，这台装置有两个特别之处。首先，装置是由 75Mvar 的 SATCOM 和传统的 SVC（ TSC 容量127Mvar，滤波器容量 23Mvar）共同组成的总容量为 225Mvar 的可移动的静止补偿器。其次，该装置采用单相桥串联的链式结构的主电路方案。 自 1994 年起，我 国由清华大学和原河南省电力局合作研制的 20 Mvar 的SATCOM 工业样机 ，采用了三单相桥四重化的方案，于 1999 年在河南洛阳投入运行。该 SATCOM 的研制成功填补了我国 FACTS 工业装置的空白 ，成为世界上第七台投入工业运行的万千瓦级同类装置，使我国成为继美日德之后第四个能够自主生产万千乏级先进静止无功发生器的国家，并 使我国自主生产万千瓦级大功率逆变器的技术取得突破 。 20Mvar SATCOM 的研制项目 2001 年获国家电力公司科技进步一等奖， 2002年获国家科技进步二等奖 。在 SATCOM 的研制过程中，共有约 11 项技术创新，部分技术创新如脉冲封锁与保护技术等，属国际领先水平，申报了 4 项国家发明专利（ 2项已批准），发表论文 73 篇，论文专集二期。目前，该装置亦是内最大容量的变流器（仅铁道部门有 2000kvar 的变流装置），随后，清华大学柔性输配电系统研究所又开始研究采用新型开关器件 IGCT 研制大容量 SATCOM，从国际范围内看，该研究比西门子， Alstom 等国际大公司要早两年。该所以 SATCOM 为代表的大容量动态无功补偿装置研究在国内的领先程度很大，属国际一流水平 。 目前，正与国家电网公司、上海电力局等合作， 进行 50Mvar SATCOM 装置的研制 。 第 1.3 节 D-SATCOM 补偿电流检测技术的研究现状 当 D-SATCOM 用来补偿负荷中的谐波、无功和负序电流时，补偿电流检测是决定 D-SATCOM 补偿性能好坏的重要环节。补偿电流的检测引起了广泛的研究，众多学者在补偿电流检测方面做了不懈的努力，提出了很多新的思想和方法。但他们几乎都朝着这么一个方向努力，那就是检测的精度和速度。从目前国内外文献所报道的情况来看，补偿电流的检测方法主要有基于瞬时无功功率理论的检测方法及其改进、基于 dq 变换的检测方法、基于 FFT 的检测方法、基于自适应原理的检测方法、小波变换检测法等。日本学者赤木泰文提出的瞬时无功功率理论在补偿电流检测中得到广泛nts邵阳学院毕业设计（论文） 6 应用。基于瞬时无功功率理论的补偿电流检测方法有两种运算方式，即 qp 运算方式和 iiqp运算方式。这两种检测方法在电网电压对称且无畸变的情况下具有形同的检测结果，都能精确的检测出负载电流中的谐波、无功和负序电流。而当电网电压不对称和畸变条件下， qp 运算方式会有检测误差，而 iiqp方式在检测谐波时无检测误差，但检测出的无功电流有误差。 qp 运算在电网电压不对称且畸变（或畸变）条件下检测的误差来源来源于这种检测方法本身的缺陷。当三相电压中不含有负序和高次谐波分量时 ,根据瞬时无功功率理论计算出的瞬时实功率对应于基波有功功率 ,瞬时虚功率对应于基波无功功率 ,瞬时实功率和瞬时虚功率中的交流成分对应于负序和谐波部分。分别对基波有功功率、基波无功功率和瞬时实功率和瞬时虚功率中的交流成分进行反变换 ,则可得三相系统的基波有功、基波无功和负序正谐波电流。但当电压中含有负序和谐波成分时 ,瞬时实功率将由正序有功功率、负序有功功率和谐波功率构成 ,由其反变换得到的有功电流将是与电压具有相同的频率、相位和波形的畸变波 ,使补偿系统不能正常工作。日本有数台采用 qp 法的谐波补偿装置 ,售出后因其使用场合的网压存在谐波和不对称情况 ,已不能继续运行 ,说明这一问题相当突出。ii qp 运算方式检测补偿电流的误差来源于由锁相环电路所得到的 与 a 相电网电压同相位的正弦和余弦信号。当三相电网电压不对称时，电压中将包含负序分量和零序分量。由 PLL 及正余弦信号发生电路得到的正余弦信号的相位由 a 相电压确定，其中，正弦信号与 a 相电压同相，即与 a 相电压的正序分量、负序分量及零序分量之和同相。而期望的正弦信号应与 a 相电压的正序分量同相。这样，实际的正弦信号与期望的正弦信号之间就有相位差，从而引起了无功电流检测误差，但不会影响到谐波电流的精确检测。在以上两种检测方法的基础上，有很多文献报道了对以上两种检测方法的改进 。对以上两种检测方法的改进主要体现在两个方面，一方面是克服电网电压不对称或畸变（或电网电压不对称且畸变）给检测精度带来的不利影响；另一方面是通过对检测电路中低通滤波器的研究，力求一种延时小且滤波性能好的低通滤波器。 文献 1针对电网电压三相不对称时 iiqp法检测瞬时有功电流和无功电流时存在的误差，提出了一种基于低通滤波器的基波正序电压提取单元代替传统的电压检测电路，提取单元能检测出电压正序分量的相位，从而在三相不对称时仍能检测基波有功、无功电流。 文献 2提出了在三相电 压不对称并含有高次谐波的情况下采用双闭环方式检测谐波和无功电流的方法。文献 3报 道了一种并联型有源电力滤波器在非理想电源电压下的控制方法。提出了并联型有源电力滤波器在不对称、非正弦电源电压情况下补偿电流指令的计算方法。该方法基于同时对三相电压、电流进行旋转坐标变换和nts邵阳学院毕业设计（论文） 7 投影变换，所求得的补偿电流指令为非线性负载电流中除了基波正序有功分量之外的全部电流分量。关于检测电路中滤波器的研究， 文献 4应用高通滤波器同时检测高次谐波和无功电流的检测方法进行了研究，认为应略去无功电流通道的一个高通滤波器后直接连接，就能同 时检测出被检测电流中的谐波和无功电流。 文献 5从基于瞬时无功功率理论的一种谐波电流检测方法，推出了采用高通和低通滤波器两种谐波电流检测电路。 对两种电路的性能进行了对比，结果表明，滤波器的截止频率、阶数和类型对检测电路的动态响应过程、检测精度都有很大影响。谐波电流检测电路采用低通滤波器，无论从设计上还是从检测效果都有优势。在对基于瞬时功率理论的补偿电流检测方法研究的同时，电力科技工作者也从不同的角度提出了一些新的功率理论和功率定义，试图从另外的视眼来对负载电流中的谐波、无功和负序电流进行检测。文献 6提出 一种在电网电压畸变情况下依然适用的 abc 坐标系下的广义无功电流和无功功率的新定义，给出了广义无功电流的检测和补偿方法。文献 7 在三相电路综合矢量的基础上定义了三相电路的有功功率和无功功率，并定义基波电压综合矢量与基波电流综合矢量的点积的直流分量为有功功率，电压综合矢量与基波电流综合矢量的叉积和它们点积的脉动分量构成了无功功率。基于无畸变的电压参考矢量，直接对三相电压、电流的瞬时值运算，可以获得三相瞬时无功及谐波电流。 文献 8-10研究了基于 dq 旋转变换原理的补偿电流检测方法。 近年来，一些基于新的原理和方法的补偿电流检测方法也层出不穷。数字信号处理和分析中的一些理论、自适应信号处理理论也在补偿电流检测技术中得到应用，体现出了补偿电流检测技术的前沿性和综合性。文献 11-12提出了一种利用基于改进锁相环 （ EPLL） 的非线性自适应滤波器进行补偿电流检测的方法。 文献 13报道了基于 FFT 的高精度谐波检测算法。文献针对传统的谐波检测方法快速傅立叶变换（ FFT）由于存在栅栏和频谱泄漏现象，只适用于整数次谐波的分析，而不适用于非整 数次谐波的检测，因此不能够实现精确的谐波分析。提出了改进算法。该算法通过对 FFT 算法做简单变换，减小了频谱泄漏误差，降低了谐波之间的相互干扰。文献14-15对基于小波变换的谐波和无功电流检测方法进行了较深入的研究。文 献 14针对常规快速傅立叶变换无法检测非整次谐波的问题，提出了利用小波变换实现检测非整次谐波的方法。小波函数是具有时域和频域良好局部化特性的函数，理论上可以用于非整次谐波的检测。但是小波变换存在着由于频谱泄露而带来的混频问题，给谐波的检测带来误差。为解决此问题，可选择分频严格的小波函数， 或者选择合适的分析方法。有关基于自适应信号处理的补偿电流检测方法也有大量文献报道文献nts邵阳学院毕业设计（论文） 8 16-24。 文献 25、 26和 27分别报道了基于 FBD 法的三相电力系统电流检测方法、基于鉴相原理的瞬时谐波电流检测方法和基于补偿电流最小原理的谐波与无功电流检测方法。 从上面的综述可以看出，补偿电流检测根据所基于的检测原理有多种方法，但从D-STATCOM 装置开发和工程应用的角度出发，快速、准确、适应性强、易实现的补偿电流检测方法是研究的主要方向。 第 1.4 节 D-STATCOM 的优越性 配电静止同步补偿 器 （ D-SATCOM） 与传统的 SVC 装置相比，具有以下的优点： （ 1）在提高系统的暂态稳定性等方面的性能大大优于传统的 SVC 装置。 （ 2）采用数字控制技术，系统可靠性高，基本不需要维护，可以节省大量的维护费用；同时，可通过调度中心 EMS 实现无功功率潮流和电压最优控制，是建设中的数字电力系统的组成部分。 （ 3）控制灵活、调节速度快，在感性和容性运行状况下均可连续快速调节，响应速度很快。 （ 4）静止运行，安全稳定，没有 SVC 装置那样的大型转动设备，将大大提高装置寿命。 （ 5）对电容器的容量要
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