静止同步补偿器控制单元设计

1、SHANDONG毕业设计说明书静止无功功率发生器控制单元设计学 院：电气与电子工程学院 专 业：电气工程及其自动化 学生姓名： 姚晓龙 学 号： 0911111143 指导教师： 赵艳雷 2013 年 6 月2摘要摘要我国电力工业蒸蒸日上，电力需求也猛增，伴随着经济的发展，高压输电网络日趋成型，但同时对电网的无功功率要求越来越高。无功补偿能提高电网功率因数，提高电能质量，保证电网安全运行。静止无功发生器应运而生。由于其重要性，静止无功发生器收到越来越多的关注和研究。本次设计对静止无功发生器的控制单元进行了研究和实验分析。本课题主要包括以下内容：（1）简单介绍了课题的来源和意义，无功补偿设备的发

2、展和静止无功发生器的研究现状。系统分析了静止无功发生器的基本结构和工作原理。（2）经过对瞬时无功理论研究之后，分析了两种无功电流的检测方法：p、q检测方法和、检测方法。（3）介绍了无功发生器的控制方法，PWM变流器的控制方式有直接和间接两种。对电压外环电流内环双环控制进行了研究。对两种控制方法的控制原理进行了说明（4）对电路的软硬件进行了整体的设计，包括模块程序流程和参数选择。关键词：静止无功发生器，逆变器，无功补偿IIIABSTRACTAbstractWith the continuous development of China's power industry, the rapi

3、d growth of electricity demand and rapid economic development, a wide range of high-voltage transmission network gradually, while the reactive power grid requirements become more stringent. Reactive power compensation can improve the power factor of the electric network ,improve the power quality an

4、d ensure the safe operation of its essential parts. Based on the importance of reactive power and reactive power grid on the growing demand, requires a lot of reactive power compensation equipment in operation. This paper aims to STATCOM control unit depth research and experimental analysis.The main

5、 topics include the following: summary describes the origin and significance of issues, the development of reactive power compensation equipment and static reactive power generator for the status quo. Of STATCOM from the basic structure and principle on the system analysis, and conducted modeling. A

6、fter a systematic and comprehensive theory of instantaneous reactive power of the study, the analysis of reactive current detection of two methods: p, q test methods and detection methods. Introduced STATCOM control methods, PWM converter control mode is divided into direct current control and indir

7、ect current control, and analysis derived inner current loop voltage outer loop control strategy for double-loop control strategy for this study. For each control method and the control principle of a detail. The design of the hardware circuit and software design, including parameter selection and p

8、rogram flow of each module.Keywords: STATCOM; reactive power compensation; inverter目录目录摘要IAbstractII第一章 绪论11.1 课题研究的意义11.2 无功功率补偿装置的发展1 1.2.1 并联电容器1 1.2.2 静止无功补偿器（SVC）2 1.2.3 静止无功发生器（SVG）21.3 近几年来国内外研究现状31.4 论文研究内容4第二章 SVG的基本结构及工作原理52.1 SVG基本原理5 2.1.1 SVG的组成5 2.1.2 SVG的结构62.2 SVG的工作原理6第三章 瞬时无功电流的检测8

9、3.1 三相电路瞬时无功功率理论83.2 p、q运算方式10 3.2.1 p、q运算方式的原理图10 3.2.2 检测原理103.3 p、q运算方式10 3.3.1 、运算方式的原理图11 3.3.2 检测原理113.4 本章小结12第四章 SVG的控制方法- 13 -4.1 电流的直接控制- 13 -4.2 电压外环电流内环的双环控制策略- 15 - 4.2.1 电压外环- 17 - 4.2.2 电流内环- 18 -4.3 本章小结- 21 -第五章 SVG的整体设计- 22 -5.1 硬件设计- 22 - 5.1.1 电压过零检测电路- 22 - 5.1.2 电流的检测- 23 - 5.1

10、.3 控制器选择- 24 - 5.1.4 锁相环电路- 24 - 5.1.5 数字PI控制器的设计方法- 25 - 5.1.6 SPWM控制原理设计- 26 - 5.1.7 采集电路- 27 - 5.1.8 直流电压采样- 28 - 5.1.9 电压转换电路- 28 - 5.1.10 保护电路- 29 -5.2 软件设计- 30 - 5.2.1 主程序- 30 - 5.2.2 中断服务程序- 31 - 5.2.3 初始化问题- 32 - 5.2.4 PI调节器- 32 - 5.2.5 数据采集- 33 - 5.2.6 过零检测- 34 - 5.2.7 PWM输出- 35 -5.3 本章小结-

11、36 -结论- 37 -致谢- 38 -参考文献- 39 -附录- 40 -第一章 绪论第一章 绪论无功电源对电力系统稳定和经济运行，提高电能质量具有重大的意义。电网无功功率不平衡将会导致系统电压波动，严重时可能导致用电设备的损坏，出现系统电压崩溃和稳定破坏的事故。动态无功补偿是一种提高电压稳定性的有效的措施，是促进电网安全稳定和经济运行的客观需求。因此动态无功补偿技术已成为电力电子技术和电力系统研究领域的一项重大课题，受到越来越多的研究人员的关注。1.1 课题研究的意义随着我国电力工业的快速发展，跨省、跨区域的大型高压输电网络逐渐形成，电网中无功功率的需求也日益增加。无功电源和有功电源一样，

12、是保证电力系统稳定和经济运行必不可少的部分。电网无功功率不平衡会导致系统电压的巨大波动，严重时将导致用电设备的损坏，出现系统电压崩溃和稳定破坏等事故。因此，无功功率对电力系统是十分重要的，研究无功功率具有很重要的现实意义。1.2 无功功率补偿装置的发展无功功率补偿装置经过数十年的发展，形成了种类繁多的无功功率补偿装置。用于电力系统中的无功补偿装置主要经历了以几个主要阶段：同步调相机、电力电容器、静止无功补偿器（SVC）和静止无功发生器（SVG）。由于同步调相机有功功率损耗大，运行维护复杂、响应速度慢，已逐渐退出电网运行，正在被高性能的静止无功功率补偿装置所取代。所以在本文中不作介绍。下面介绍各

13、种无功补偿装置的发展及应用：1.2.1 并联电容器并联电容器能吸收容性无功功率，增大局部电压。并联电容器价格低廉、安装灵活、运行稳定、维护方便，已被用在电力系统的各点上，为提高输电和配电的效率，保持电力系统无功功率平衡发挥了很大的作用。并联电容器的一个缺点是其无功功率输出与电压平方成正比：在低压时无功功率输出减少，而此时的系统却需要更多的无功功率，因此无法实现无功功率补偿的目的。另一个缺点是只能补偿固定的无功功率，因为一旦电容值选定后，就确定了其相应的无功功率，不会随系统无功功率需求的改变而改变，是一种静态的无功功率补偿装置，易造成欠补偿和过补偿。根据安装的位置不同可以分为就地补偿、集中补偿、

14、分组补偿、混合补偿以及随器补偿和跟踪补偿等多种方式。1.2.2 静止无功补偿器（SVC）静止无功补偿装置往往指使用晶闸管的静止无功补偿装置，包括晶闸管控制电抗器（Thyristor Controlled ReactorTCR）和晶闸管投切电容器（Thyristor Switched Capacitor-TSC）和这两种的混合装置（TCR+ TSC）等。静止无功补偿装置能够连续调节补偿的无功功率。晶闸管投切电容器TSC何时投切可控，响应快，能实现动态补偿，能较少电压波动，提高电能质量，减少损耗。但TSC不能连续调节，只能分组投切，与TCR配合使用，才能连续调节，不经济。1.2.3 静止无功发生器

15、（SVG）静止无功功率发生器（SVG）是指通过自换相的电力半导体桥式变流器来实现发生和吸收无功功率的无功功率动态补偿装置。SVG经过并联在电网上的电抗器的自换向桥式电路，适当的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，就能使该电路发出或吸收满足需要的无功电流，实现既能补偿感性武功功率，又能补偿容性无功功率。SVG分为采用电压型桥式电路和电流型桥式电路两种类型，目前使用的主要是电压型。与传统的以TCR为代表的SVC装置相比，SVG的调节速度快，运行范围广，而且在通过采取多重化、多电平或者PWM技术等措施后可极大的减少补偿电流中谐波的含量。更重要的是，SVG中使用的电抗器和电容器元

16、件远比SVC中的要小，这将会大大缩小装置的体积和成本，SVG具有的如此优越的性能，为学者指明了动态无功补偿装置的研究方向。另外SVG还有一个特点，能够动态补偿大范围快速变化的瞬时无功功率。1.3 近几年来国内外研究现状从上世纪70年代开始，研究成果相继问世：1972年日本发明了强迫换相的晶闸管桥式电路调相装置。1976年美国学者L. Gyugyi 提出了利用半导体变流器进行无功补偿的各种方案，其中使用自换相桥式变流电路的方案最受学者青睐。1980年日本研制出来了功率为20MVA的使用晶闸管进行强制换相的电压型逆变器，并投入运营。1986年10月，由美国电力研究院和美国西屋电气公司共同研制的1

17、MvarASVG 投入运行，这是世界上第一台使用大功率的门极可关断晶闸管（GTO）作为逆变器元件的静止补偿器。1991年，日本关西电力公司和三菱电机公司共同研制成功的80 MvarASVG在犬山变电站的154KV系统中投运，维持了该系统中长距离的送电线路中间点的电压恒定，提高了系统的稳定性。1996年10月美国田纳西州电力局(Tennessee valley authority,缩写为TVA)和西屋电气公司合作，在电力系统的500KV变电站建造了100 Mvar ASVG，并于投入运营至今，运行情况良好。1997年，德国西门子公司开发研制的8Mvar ASVG(又称GTO-SVC)对风力发电机

18、组进行动态控制。美国电力(American Electric Power，缩写为AEP)和西屋公司合作，研制了目前世界上唯一一台由静止同步发生器（SVG）和静止串联补偿器（SSSC）组成的统一潮流控制器(UPFC)。该装置并联部分的静止同步发生器（SVG）己于1997年7月完成，串联部分补偿器（SSSC）于1998年6月投入运行。在国内，90年代以前还没有较全面的研究成果，只是一些以清华大学为代表的一些科研机构通过研究，做了一些实际的工程，获得了一定的实际经验，并在理论上有了一些发展。1994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20 Mvar ASVG ，并于200

19、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。但是，还存在很多问题：武功电流检测的误差的问题，算法的改进问题，控制方法的问题，参数选择问题。1.4 论文研究内容 本论文主要从无功电流检测、实时控制和硬软件设计等方面研究静止无功功率器。研究内容主要包括下面几个方面：（1）介绍SVG的基本原理，对其特性进行模型分析。（2）电流检测的两种方法：p、q运算方式和、运算方式。（3）SVG间接和直接控制方法，重点研究了电压外环电流内环的双向控制策略。（4）对装置进行了软硬件的设计。以双向控制策略、检测方法为指导，还对各个模块进行了介绍。-6-第二章 SVG的工作原理及其控制方式第

20、二章 SVG的基本结构及工作原理静止无功发生器是指通过自换相的桥式变流器来吸收和发出无功功率的动态补偿装置。SVG由交流环节和直流环节两部分组成，交流环节与电网相连接，同时直流侧电压或电流经过变流器变换成交流电压或电流输送到电网中。在变换交流送往各个元件的装置，逆变器是其核心，主要器件是 IGBT。2.1 SVG基本原理SVG简单来说就是将桥式电路通过电容器并联在电网上，通过调节电压幅值和相位或直接对交流测的电流进行控制，来达到满足系统的无功需要，实现动态实时的无功补偿。2.1.1 SVG的组成 同步信号控制器脉冲发生器曲折变压器逆变器SVG主电路保护板监测监测驱动板检测高压母线TV变压器主断

21、路器 图2.1 SVG装置构成SVG有变流器，断路器，曲折变压器，电抗器，电压、电流互感器，监测、控制、驱动、保护电路构成。电压电流互感器能得到装置的工作状况，还有隔离的作用；监测电路对信号进行实时监测；驱动电路能让指令顺利完成，保护电路能让电路安全正常工作。他们相辅相成，缺一不可。2.1.2 SVG的结构PWM整流电路分为电压型和电流型两大类，其结构的电路分别如下： （1）电压型桥式电路 （2）电流型桥式电路图2-2 SVG电路图 目前，主要是电压型整流电路。与无功功率有关的能量都是可以双向流动的，既可以流往负载侧，也可以从负载侧流往电源侧。但是电网的能量只是所有元件有功功率之和，不管负荷功

22、率因数如何，只要在三相平衡电路中，就满足这个关系。用三相桥式变流电路能将三相给统一起来。 2.2 SVG的工作原理通过电力半导体开关的通断，将直流侧电压转变成与电网同频率的交流侧电压，其实跟逆变器一样，只是其交流侧输出接的是电网而不是所谓的负载。当仅仅考虑基频的时候，SVG可等效为相位和幅值都可控的并且与电网频率相同的电压源，通过交流电抗器与电网相连接。以单相等效电路为例：由于SVG正常工作的时候就是通过电力电子开关的开断将直流侧电压转换成交流侧的与电网同频率的输出电压，其效果就如同电压型变流器，只不过其交流侧输出连接的不是无源的负载，而是系统。因此，当考虑到连接电抗器的损耗和变流器本身的损耗

23、，并将总的损耗等效为连接电抗器的电阻，则SVG的实际等效电路就如图2-2a所示，其电流超前和滞后工作的相量图如图2-2b所示。变流器电压与电流仍然相差90°，因为变流器不消耗无功功率。但是系统提供了用来补充电路中的损耗的有功功率，也就是说相对于电网的电压来讲，电流中有一部分有功分量。这个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，通过并且改变的幅值，就能改变电流的相位和大小，从而SVG从电网吸收或者发出的无功功率的大小和性质也就因此得到调节。电流超前电流滞后图2-3 SVG等效电路及工作原理（考虑损耗）a 单相等效电路 b 相量图在图2-2中，变流器自身损耗归算到了交流侧，

24、并等效成连接电抗器电阻进行统一的考虑。实际上，这部分的损耗发生在变流器的内部，应该由变流器从交流侧吸收一定量的有功功率来补充。因此，实际上变流器交流侧电压与电流的相位差并不是严格的90°，而是比90°略小。 2.3 本章小结本章首先介绍了静止无功发生器的基本结构，对静止无功发生器的整体概况有了深刻的认识，明确了本设计应该完成的具体的任务；其次对工作原理进行了深入的研究，从理论上进一步掌握了静止无功功率发生器的基本原理，为以后的分析奠定了理论基础。第三章 瞬时无功电流的检测第三章 瞬时无功电流的检测三相电路瞬时无功功率理论首先于1983年由日本赤木泰文提出，此后该理论经不断研

25、究而逐渐完善，在许多方面得到了成功的应用。SVG是一个动态的补偿装置，对电流实时检测有很高的要求。换句话说，SVG的跟踪补偿特性能否起到作用关键在于电流是不是能及时有效地被检测出来。检测方法的优劣直接影响了检测的效果，算法应满足简单易实现，实时性好、精度高，与其相配合的硬件设计简单，经济且方便快捷。本设计拟使用三相电路的瞬时无功功率理论为基础，得出无功电流检测的两种方法。3.1 三相电路瞬时无功功率理论以下的讨论中均假设三相电路的接线方式为三相三线制。设各相电压和电流的瞬时值分别为, ,和, ,。通过3/2变换，变换到两相正交的坐标系中进行研究。 ， (3.1) 式中 。 图31 坐标系下 电

26、压、电流 矢量图在图3-1所示的平面上，、 和、可以分别合成为电压矢量和 电流矢量。 (3.2) (3.3)式中： e、I 和的模 、和的幅角是三相电路瞬时有功电流， 为瞬时无功电流。则 (3.4)式中三相电路瞬时有功功率p为电压矢量的模与三相电路瞬时有功电流的乘积。则有： (3.5) 将式及代入式(4.5)并写成矩阵形式得 (3.6)把式(4.1)代入(4.6)式，可求得p、q对于三相电压电流的表达式 (3.7)3.2 p、q运算方式所谓p、q运算方式，就是以三相电路的瞬时无功功率理论作为基础，利用坐标系中各正交轴上的瞬时有功、无功功率，然后求得各正交轴上的瞬时有功、无功电流，最后得到的就是

27、p，q运算方式。3.2.1 p、q运算方式的原理图该检测方法的框图如图3-2所示。图中上标-1表示矩阵的逆。图3-2 p-q运算方式的原理图3.2.2 检测原理根据瞬时无功理论得出p、q，经低通滤波器（LPF）得p、q的直流分量、。电网电压无畸变时，由基波有功电流与电压作用产生，由基波无功电流与电压作用产生。于是对进行逆变换即可得到基波无功电流、，得到无功电流如式（3.8）。 （3.8）3.3 -运算方式首先直接求得坐标系各正交轴上的瞬时有功电流和瞬时无功电流，然后得到各相的瞬时无功电流的方法，即是-运算方式。3.3.1 、运算方式的原理图原理流程如图3-3所示图3-3 -检测方法原理图图中

28、3.3.2 检测原理由图可知，该检测方法中，使用了与a相电网电压同相位的正弦信号sin和对应的余弦信号-cos，它们由一个锁相环（PLL）和一个正、余弦信号发生电路得到。计算方法大致同p，q检测法,在计算无功电流时,只需要对其进行反变换，即可得到无功电流计算公式： (3.9)基波、的计算公式 (3.10)3.4 本章小结本章介绍和分析了基于瞬时无功功率理论的无功电流检测方法，pq法和-无功电流检测方法，并给出了各种方法的原理图，在此基础上对每种方法的检测原理进行了深入的分析和研究.本设计最终采用-的电流检测方法。- 39 -第四章 SVG的控制方法第四章 SVG的控制方法SVG控制系统相当复杂

29、，包括检测、控制和驱动等多个环节。一个经典的SVG控制系统的运行流程是：检测环节是1通过电压互感器、电流互感器将电网和SVG流出的电压、电流被运到检测运算电路，检测运算电路根据给定的算法得出所需信号传送到控制器中。由瞬时无功理论知道控制环节处理信号，检测环节发送命令信息，这样就有了能然门电路导通的信息，这些被送达驱动电路。驱动电路将从控制器运算到的发送信息进行一定的功率放大，然后将其添到变流器的触发，来判断变流器的导通与截止，完成对SVG的控制。在SVG的控制系统中，两个关键点是采用合适的检测算法以便精确、快速检测到所需要的命令信息和采用合适的控制方法以便精确、快速产生实现控制目标的驱动信号。

30、检测算法与控制策略直接影响了控制系统的控制条件和SVG的输出能力。SVG的控制系统是为获取所需的控制信号和动态特性对检测信号和给定参数入量进行处理，这是控制的基本要求。SVG的输出电流主要是无功电流，这是SVG工作性质决定的，控制SVG输出的无功电流或者无功功率，就可改变SVG吸收无功功率的性质和大小。同时，从SVG的工作原理分析得出，控制SVG的输出电压和电流都可以达到控制调节SVG输出的无功电流的大小和性质的目的。SVG的集中控制策略都是围绕如何由无功电流或无功功率参考值调节SVG真正产生所需的无功电流或无功功率这个环节上进行的。根据是否直接选取电感电流的瞬时值作为反馈和被控制量，PWM变

31、流器的控制方式分为直接电流控制和间接电流控制两种。电压外环电流内环双环控制策略的算法的优越性决定了被选为设计的最终策略。4.1 电流的直接控制电流直接控制就是采用跟踪型PWM控制技术对SVG的交流侧产生的无功电流进行控制。对SVG的交流侧产生的电流进行控制可以用很多种PWM技术进行控制，并且可以直接控制SVG输出的无功电流，因此直接控制输出的无功电流更加精确。其基本的思路是使用适当的PWM控制策略对系统的瞬时无功电流进行处理，从而得到PWM脉冲信号，然后使用这个PWM脉冲信号去驱动逆变器中可控器件的开断，从而将控制逆变器输出的电流瞬时值与电网的瞬时无功电流之间的误差控制在允许的范围内。常用的直

32、接电流控制：滞环比较方式、三角波比较方式和空间矢量法。三角波比较法的PWM电流直接控制策略优越性被采用，其原理如图4-1所示： 图4-1 电流直接控制的三角波比较法 （-电网（或给定）的无功电流；-SVG的输出电流）瞬时无功功率参考电流减去反馈电流后，通过PI调节器运算，再与恒频三角波比较，用来决定功率开关的输出状态。逻辑锁存器作为比较器的输出，得保证在一个三角波周期内，同一桥臂上的开关器件的状态保持恒定。这样开关器件的开关频率恒定不变，同三角波的周期一样。输出开关频率恒定，于三角波频率相等，这就是三角波比较法的突出优点。电流的控制既可以是在静止坐标系，也可以是在旋转坐标中计算。在静止坐标系下

33、可以做到电流的无静差调节，电流响应相对迅速。先前用模拟电路来对电流进行控制，左边的实际变换是非常复杂的，因此控制器更容易在静止坐标系中使用。一般来说，系统反电动势信息当做前馈运用于静止坐标的电流控制效果相当于旋转坐标下的电流控制器从而来弥补这种不足。处理器现在有长足的发展，模拟电路正被数字电路取代，数字电路进行变换坐标非常方便，现在大都使用的控制器是在旋转坐标下运行的。一种控制结构是采用dq坐标变换的瞬时电流控制法，其结构如图4-2所示：图4-2 dq轴电流控制系统结构原理框图SVG发出的三相电流瞬时值、经dq坐标变换化为有功电流、无功电流，与有功电流、无功电流给定值校对和以后，经PI调节器运

34、算，再经dq反变换，取出三相电流信息，PWM由三角波比较判断跟踪，当然，PI调节器作用于有功电流给定值由直流侧电压参考值与其同侧电容电压反馈量比较。但是给定值、和反馈值、一般是直流信息，所以要想点对点的跟踪监测做到无误差稳态运行交由PI调节器。换句话来说，这种策略使用了双闭环反馈控制策略，内环是电流环控制，外环是电压环控制。此控制结构在dq-abc变换前的dq轴下有2个PI调节器，且控制结构中电流PI调节器是直流信号，直流信号的变化率较大，PI调节时无静态误差，调节参数设计也较为容易。4.2 电压外环电流内环的双环控制策略采用带前馈解耦的PI电流控制策略，逆变器的d、q轴变量相互耦合，由三相逆

35、变器的小信号方程可知，这样能解除耦合。图 43无功电流计算图解图4-4 控制策略原理框图图（1）三相电流用的是负载侧电流，为图（2）中所要计算的量在图4-2中，d轴的参考电流为 (4.1) 为稳定直流电压加入的d轴参考值；q轴参考电流为检测的无功电流经abc/dq变换得到。4.2.1 电压外环在已有电流控制环的基础上增加电压控制环的目的是为了稳定逆变器直流侧电压。由图4-3得电压外环传递函数原理框图如图4-5所示图4-5电压外环传递函数原理框图其中Gv(s)为电压校正器，Gci(s)为电流内环等效传递函数，为直流输出受控电流源控制系数且有，Kv为电压反馈系数。1、电流内环闭环传递函数逆变器的电

36、流内环常按典型I型系统进行设计以满足系统随动性能指标。在这种情况下，电流内环闭环传递函数通常可以近似等效成一阶惯性环节，其传递函数为： （4.14）其中为惯性环节时间常数，大小与电流环的设计有关。2、时变系数由文献可知对于时变系数可以用其最大值作为参数参与电压控制环路的设计。因此可得： （4.15）3、电压校正环节 （4.16）其中为比例参数，为积分参数由此得电压外环开环传递函数为 （4.17）电压外环可按典型II型系统标准设计控制器参数，即PI控制器参数满足如下关系： （4.18）其中为斜率为-20dB/dec的中频段，称作“中频宽”令=5， =2ms， =0.01并代入式（4-23）得电压

37、外环控制参数= 71，=0.71，电压外环开环传递函数为： （4.19）电压外环闭环传递函数为： （4.20）本设计最终采用电压电流双环控制策略。4.2.2 电流内环由图4-3得系统电流传递函数原理框图如图4-4所示：图4-6传递函数原理框图其中为电流指令，为反馈电流，为输出电流，为控制量，Gc(s)为电流校正环节，Gpwm(s)为调制器传递函数，Gf(s)为输出电流滤波电路传递函数，H(s)为电流反馈采用传递函数。1、输出电流滤波环节传递函数由图4-8可以得出从占空比到输出电流的传递函数Gf(s)为： （4.2）其中为输出滤波时间常数2、PWM调制器传递函数逆变器控制系统的一个重要环节PWM

38、是调制器，该环节说明了输出与输入之间的关系，采用三角波比较法的PWM调制器可以当成就是个滞后环节，其传递函数为 （4.3）其中为三角载波幅值，为开关周期由于本设计样机的开关频率为4kHz，开关周期非常小，所以调制器可看成一个比例环节，其传递函数为： （4.4）3、电流反馈环节传递函数因为电流检测信息中一般都有干扰信号，滤波电路广泛运用于电流反馈电路中。这环节一般使用一阶低通滤波器运行。设滤波器时间常数为，电流反馈环节传递函数一般用如下表达为： （4.5）其中为滤波器增益4、电流内环PI校正器的传递函数为： （4.6）其中为比例参数，为积分参数从控制原理分析，PI控制器为系统传递函数增加了一个位

39、于原点的开环极点及一个位于平面上左半平面的开环零点。位于原点的极点用来提高系统的型别以消除或减小系统的稳态误差，改善系统的稳态性能，而左平面的负实零点则用来增加系统的阻尼，缓和控制器极点对整个系统稳定性产生的不利影响。系统的电流内环开环传递函数为： （4.7）其中 当考虑电流内环需要具有较快的电流跟踪性能时，可按典型I型系统标准设计控制器参数，即PI控制器参数满足如下关系： （4.8）将式（4.8）代入式（4.7）得到开环传递函数为： （4.9）由典型I型系统的参数整定法则，取系统阻尼系数=0.707时有如下关系成立=0.5 （4.10）由已知得PI控制器参数为=178 = 0.45 ，所以P

40、I控制器传递函数为： （4.11）将式（4.11）和其它参数代入式（4.9）得开环传递函数为： （4.12）电流内环闭环传递函数为： （4.13）4.3 本章小结本章主要是研究了SVG的控制方法，特别是对电压外环电流内环双环控制策略的研究，其为电流的直接控制策略，还理论推导出了电压电流控制环节的开闭环传递函数。第五章 SVG的整体设计第五章 SVG的整体设计前面几章对静止无功功率发生器的检测环节和控制策略进行了深入的研究，本章结合上述的知识要点主要介绍静止无功发生器的硬件电路设计和软件设计。5.1 硬件设计此次设计涉及到了PWM变流器主电路，用控制电路来实现逆变器的导通与截止，从而产生一定量的

41、补偿电流，为减少相应的高次谐波含量，SVG的交流侧输出端子应用平波的电抗器。检测电路主要由电流电压信号的检测、采集和转换 。 图5-1系统硬件结构图硬件设计主要有检测电路、控制电路组成，现给出参数选择和方案。5.1.1 电压过零检测电路过零检测电路用于检测交流电压的过零点。其原理图如下5-2 过零检测电路该电路包括输入滤波和过零比较两个部分，它产生一个与电网同周期的信号，上升沿触发，作为控制系统的同步中断源用方波正向过零点的电网信号。中断发生时，在中断服务程序中采样，根据检测的电压电流相位关系，能算出功率因数角。但是从电网输出的往往不是标准的正弦波，加入滤波信号，就能很好的跟踪电网信号。5.1

42、.2 电流的检测本系统采用LTS25-NP型传感器来检测电流。本文设计了带有电压跟随的二阶低通滤波器检测电路，具体原理图如图52所示。图53 电流检测及模拟二阶低通滤波器设计电路在实际电路中，不可避免的出现高次谐波信号及噪声信号，设计滤波器过滤掉这些干扰信号至关重要。上图中电阻R=10KW,C3=0.1u，C4=0.05u，过滤后的信号经过放大电路放大时期电压幅值在3V以内，然后让DSP进行后续处理。5.1.3 控制器选择本设计采用TMS320LF2407数字信号处理器(DSP)作为控制器，它内部集成了高速DSP内核和外围电路，最高工作频率可达到40MHz,速度高于传统的MCU。TMS320L

43、F2407是由TI公司推出的数字信号处理器芯片，其控制系统的控制精度和芯片的处理能力较高，可以很好的满足静止无功发生器的实时控制要求。采用高性能静态COMS技术，可以将供电电压降为3.3V，降低了控制器的功耗；30MIPS的执行速度可以把指令周期缩短到33ns，从而提高了控制器的实时控制能力。片内高达32K的FLASH程序存储器，高达1.5K字的数据/程序RAM，544字双口RAM和2K字的单口RAM。在静止无功发生器控制系统中，TMS320LF2407主要完成控制算法的计算和生产PWM脉冲。由于TMS320LF2407数字信号处理器本身包括可编程死区的12路PWM引脚输出，所以可以方便的实现

44、电力电子器件的控制。DSP中包含两个事件管理模块，每个事件管理模块均可同时产生6路PWM波形输出，并带有可编程死区控制的比较单元。TMS320LF2407专门针对SPWM调制配备了相应的外设管理器，能够方便的进行三相SPWM控制信号。5.1.4 锁相环电路锁相环PLL是一种控制晶振使其相对于参考信号保持恒定相位的电路，在数字通信系统中使用比较广。PLL是一个闭环反馈控制系统，它能使输出相位和参考相位之间的相差减小到最小。由鉴相器（ phase detector ）、环路滤波器（ loop filter ）和压控振荡器（ voltage control oscillator,VCO ）组成的一种

45、相位负反馈系统基本锁相环，鉴相器的导出信息是输入信号和振荡器输出信号的相位差，该误差电压信号通过环路滤波器滤除高频分量和噪声后，输出低频信号作为VCO 的控制信号。在控制电压作用下，VCO 输出信号的频率发生变化并反馈到鉴相器。PDLPFVCO输出输入 图54 锁相环路的基本方框图本文中采用数字信号处理器(DSP)TMS320LF2407，其运算功能强大，ns级的运算速度，实现了并网锁相。在软件程序中，为周期中断信号分配一个计数变量，同时设定该计数参量用单增这种方式。TLL信息是上升沿触发方式，使得全部系统电压频率一般由00相位位置对LF2407一个过零的信息。软件规定了只要有过零信息计数变量

46、清0并且重新开始，有了周期中断中的计数器，当然能看出系统电压频率和相位。5.1.5 数字PI控制器的设计方法设计数字PI 控制器, 就是要确定其系数K P 、K , , 由于采样频率是固定的, 常见的数字设计方法有z 域设计法和模拟设计法。在PID控制模块的设计中，控制参数的选择特别重要，一般选择两种方法：解析法和实验法选择参数。在选择PID调节器的参数时应遵循以下原则：1、适当加大比例系数，系统响应也会很快，静差缩减。比例系数大小要合适，否则会引起系统震荡。2、增大微分时间能促使整体响应灵敏，超调量会相应小点，稳定性得到提高。不过易受扰动。当微分系数过大或过小时，能够让超调量和调节时间过长。

47、3、减小积分时间将加快系统静差的消除。但会是超调量增大，振荡频率更大，稳定性变坏。图55数字PI控制器的结构框图5.1.6 SPWM控制原理设计图 5-6 连续增减模式下的通用定时器的PWM输出如图5-6所示的原理，可得到PWM波的输出，最终实现SPWM的控制。SPWM的基本思想是使输出的脉冲宽度按正弦规律变化，从而有效的抑制了输出电压中的低次谐波分量，用三角波与正弦参考波的交点控制开关管的开通与截止，也就是说能有一组脉冲宽度随正弦方式变化的矩形脉冲波，其基波周期与T一致，且基波幅值正比于给定调制电压信息幅值。本设计的SPWM控制主要是结合电流环的控制和借助于DSP中寄存器来实现的。通过电流环

48、的控制得到有功部分电压Ud和无功部分电压Uq，再经过CLARK反变换，得到三相电压的瞬时值Ua，Ub，Uc。再根据T3中断的计数设定值，给比较寄存器载入比较值。5.1.7 采集电路采集电路主芯片引脚图如图5-7所示：图5-7 MAX125引脚图MAX125是MAXIM公司生产的一种高速、8通道、14位的数据采集A/D转换芯片，每次转换4通道（CH1CH4）,对于每一指定通道的模数转换器，都能最快在3微秒内完成转换（在诗中信号接16MHz的情况下），存于内部14×4RAM中。且在每个CONVST(转换启动输入引脚)脉冲下，内部序列发生器将会产生至少1个通道、最多5个通道的转换顺序（在缺

49、省模式下，CH1通道上的数据被转换），从而连续的转换指定通道上的数据。在一个转换顺序中，当最后一个通道的转换结束后，/INT（中断输出，转换结束信号）的引脚出现了一个低电平，在/RD引脚家低电平脉冲可以一次性的读取CH1到CH4的数据。读完后，其内部数据指针返回CH1，且/INT引脚才面位高。MAX125的输入指令（A0A3）与数据输出（D0D13）在低四位通过三态门实现复用。MAX125可独立采集四路电压、电流信号，本设计在采集之前，需要通过HCPL7800光电耦合器件对电压和电流进行衰减，得到A/D转换和DSP可以处理的小信号，一般将其变换为5+5V的交流电压信号送入A/D转换芯片，MAX

50、125需采用双极性供电，本设计采用LM7905来供电，与DSP的接口经过芯片电路74F245进行电平转换后连接。5.1.8 直流电压采样如图58所示，在直流采样的电路中采用光耦隔离的运放HCPL7800，通过直流电压的采样电路、MAX125 A/D转换电路将直流侧的电压采样至DSP中，与给定的基准值比较，形成电压外环，为有功电流提供 给定值，使系统稳定的运行。图 5-8直流电压采样电路5.1.9 电压转换电路本设计中控制板的供电电源是5V，但是TMS320LF2407的工作电压为3.3V，所以必须进行电压的转换，将大电压转换为适合DSP芯片工作的电压。一种电源转换系列芯片TPS73xx是TI公司为配合DSP而设计的。其中