STATCOM的研究与设计

1、二一二届学生毕业论文（设计） 存档编号： 毕业论文(设计)论文题目 STATCOM的研究与设计 （英 文） Research and design of STATCOM 学 院 专 业 姓 名 学 号 指导教师 2012年5月31日摘要电能是经济发展的基础和工业生产的命脉，随着我国工业化进程加快，各种电力负荷迅速增加，造成了电网无功功率消耗增加，电力节能和电能质量治理成为了研究的热点问题。电能质量中的无功功率补偿问题变得越来越重要。静止无功发生器（STATCOM）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趋势。本文首先对STATCOM进行机理分析，并介绍了现有的无功装置，比较与分

2、析论述了STATCOM相对于其他无功装置的优越性。通过建立其相关的数学模型来说明STATCOM的控制方式和控制结构。其中采用三角波比较法（SPWM）跟踪给定电压从而来控制STATCOM的电流产生为讨论重点。在上述理论研究的基础上，介绍了基于DSP TMS320F28335硬件平台设计方法。对基于TMS320F28335实现SPWM进行了详细的讨论。关键词：STATCOM，SPWM，逆变器, IGBTAbstratElectrical energy plays an important role in the economic development and industrial product

3、ion. With the fast development of industrialized process, many kinds of power loads are increasing quickly,which causes the increase of the reactive power. Power saving and power quality management have been hot research. The reactive compensation of power quality becomes more and more important. As

4、 one of the important devices of the flexible power supply system, advanced static Var generator(STATCOM)becomes the important trend of the development of static Var generator.Firstly, we study the mechanism analysis of STATCOM, and introduce some reactive power compensation devices, analyze and dis

5、cuss the superiority of the STATCOM to others.We establish the mathematical model of STATCOM to explain the control mode and control structure of STATCOM . The method of Sinusoidal PWM to track a given voltage thereby to control the STATCOM become our discussing emphasis.On the basis of theoretical

6、study, the design of development platform based on DSP chips are introduced . The method of TMS320F28335 realize PWM is discussed in detail.Keyword: STATCOM , SPWM, inverter, IGBT目录摘要2Abstrat3第1章 绪论11.1 无功补偿的原理11.2 无功补偿的意义11.3 国内外研究现状21.3.1 电能质量治理技术发展现状21.3.2 STATCOM的国内外现状及研究方向31.3.3 STATCOM的应用前景广阔3

7、1.4 课题研究内容41.5 课题的研究方法51.6 课题的基本要求及应完成的成果5第2章STATCOM的基本原理62.1 STATCOM的工作原理62.2 STATCOM的等效电路72.3 STATCOM的时域数学模型82.4 控制方法研究112.4.1 间接电流控制122.4.2 直接电流控制12第3章 STATCOM主电路及相关电路的设计143.1 系统设计框图143.2 三相SPWM逆变器143.3 驱动电路设计163.4 IGBT工作原理173.5 IGBT保护电路的设计183.5.1 过流保护183.5.2 过压保护193.5.3 过热保护19第4章 DSP系统214.1 TMS3

8、20F28335的介绍214.2 ePWM简介22端口对应关系23初始化程序注释234.3基于DSP的SPWM波的实现25不对称规则采样法25软件部分27死区部分简介284.3.4 测试波形28第5章 结论与展望31致谢32参考文献33第1章 绪论1.1 无功补偿的原理在用电网中存在有功功率和无功功率两种输出功率。其中有功功率是把电能转化成热能、机械能或化学能等其他形式的能，这是直接耗费电能完成的。另外一种不耗费电能，只是把它转化成其他类型的能（如大型电机中利用电池元件建立磁场或是电容器建立电厂所占用的电能），这种能量是这些电动装置能够实现其功能-做功的必备条件，并且它能在电网中实现与电能的周

9、期性转换，这部分的功率就是无功功率。对于电感元件来说，通过它的电琉滞后电压90°，而对于电容元件来所，恰好相反，电流超前电压90°，因此，在同一电路中，两种电流方向互差180°，使得电感电流同电容电流方向相反。而无功补偿的原理就是从这着手，在电磁元件电路中有比例的安装电容器件，让电感电流与电容电流互相抵消，从而使电流矢量与电压矢量之间的夹角缩小，进而就能够提高该电网中电能的利用率，这就是无功补偿的道理。1.2 无功补偿的意义电能是一种基础能源，在工农业生产和人民日常生活中被广泛应用。工业和生活用电负载中，其中阻感负载占有的比例较大，例如异步电机、变压器、荧光灯、充

10、电器等都是典型的阻感负载，这些负载都会产生无功功率，也是无功功率产生的主要原因。1.下面几点就是电网中无功功率带来的弊端影响：(1) 增加设备容量。无功功率的增加会导致电流和视在功率的增加，从而使发电机、变压器等设备的容量和导线容量增加；(2) 设备及线路损耗增加。无功功率的增加，使总电流增大，因而使设备和线路的损耗增加；(3) 使电路和变压器的压降增大，若是冲击性无功功率负载，还会使电压产生剧烈波动，使供电质量严重下降；(4) 功率因数降低，设备容量利用少。因此，解决好电网无功补偿，提高功率因数，从而节约电能，对提高运行质量具有非常重要的意义。2.无功补偿的作用有一下四点：（1）改善功率因数

11、从而降低总电流；（2）减少输电线路及变压器的损失；（3）增加变压器及输电线路的利用率及区域发电系统的带负荷能力，从而减少设备投资费用；（4）稳定受电端及电网的电压，提高供电质量；（5）在长距离输电线路中可以改善输电系统的稳定性，提高输电能力。1.3 国内外研究现状 电能质量治理技术发展现状改善电能质量措施涉及面很广，主要包括无功补偿、抑制谐波、降低电压波动和闪变以及解决三相不平衡等方面。目前用于无功补偿和谐波治理的装置如：无源电力滤波器，该设备兼有无功补偿和调压功能，一般要根据谐波源的参数和安装点的电气特性以及用户要求专门设计；静止无功补偿装置（SVC）装置是一种综合治理电压波动和闪变、谐波以

12、及电压不平衡的重要设备。有源电力滤波器（APF），APF是一种新型的动态抑制谐波和补偿无功的电力电子装置，它能对频率和幅值都发生变化的谐波和无功电流进行补偿，主要应用于低压配电系统。其中无功补偿技术的发展经历了从同步调相机开关投切固定电容静止无功补偿器（SVC）直到今天令令人瞩目的SVG（STATCOM）的几个不同阶段。根据结构原理的不同，SVC技术又分为：自饱和电抗器型（SSR）、晶闸管相控电抗器型（TCR）、晶闸管投切电容器型（TSC）、高阻抗变压器型（TCT）和励磁控制的电抗器型（AR）。随着电力电子技术，特别是大功率可关断器件技术的发展和日益完善，国内外还在研制、开发一种更为先进的静止

13、无功补偿装置静止无功功率发生装置（SVG），虽然它们尚处在开发及试运行阶段，目前尚未形成商品化，但SVG凭借着其优越的性能特点，在电力系统中的应用将越来越广泛。各种无功设备各自特点如下： 同步调相机：响应速度慢，噪音大，损耗大，技术陈旧，属淘汰技术；开关投切固定电容：慢响应补偿方式，连续可控能力差；静止无功补偿器（SVC）：目前相对先进实用技术，在输配电电力系统中得到了广泛应用；静止无功发生器SVG（STATCOM）：目前虽然有技术上局限性，属少数示范工程阶段，但SVG是一种更为先进的新型静止型无功补偿装置，是灵活柔性交流输电系统（FACTS）技术和定制电力（CP）技术的重要组成部分

14、，现代无功功率补偿装置的发展方向。 STATCOM的国内外现状及研究方向静止无功发生器(SVG)也被称为静止同步补偿器(STATCOM)，是在20世纪80年代以来出现的更为先进的静止无功补偿装置。STATCOM的研制一开始就受到日本、美国、德国政府和科研单位的重视，1980年日本研制出第一台20Mvar STATCOM。到90年代取得突破性的研究进展，1991年和1994年日木和美国分别研制成功一套80Mvar和一套100Mvar的采用GTO晶闸管的STATCOM装置，并最终成功地投入商业运行。德国西门子公司的单机容量为8Mvar的STATCOM装置也于1998年投入运行。目前，在我国普遍采用

15、的无功补偿装置主要是并联电容器和晶闸管控制电抗器(TCR)及晶闸管投切电容器(TSC)。为了改变上述情况，在1994年，研制大容量STATCOM被列为电力部重点科研攻关项目，同年在电力部的支持下，河南电力局决定和清华大学共同研制±20Mvar的STATCOM。1999年3月清华大学FACTS研究所与河南电力局共同研制的用于220kV电网的±20MvarSTATCOM在河南电网成功投入运行。2001年2月国家电力公司电力自动化研究院也将士200kvar STATCOM投入了运行。通过以上研究获得很多实践经验，并在理论上有显著的发展，STATCOM应用规划仿真研究也已相继展开。

16、清华大学FACTS研究所在河南±20Mvar STATCOM研制经验基础之上，继续研制上海西郊变±50Mvar STATCOM的关键技术。±50Mvar STATCOM装置是一种新型的动态无功补偿装置，采用了基于IGCT的链式逆变器，具有可分相控制和运行、输出动态无功响应速度快、输出电流谐波小、输出无功电流大小与系统电压无关、不需多重化变压器、占地面积小等特点。装置的研制在建模、主电路及参数设计方法、分布式链节控制与保护、系统控制策略等方面取得重大突破，核心技术达到了国际水平。2006年2月28日，±50MvarSTATCOM在上海黄渡分区西郊变电站并网

17、试运行。在国外，由于STATCOM理论研究起步较早，目前已步入工业化应用阶段。另一方面，STATCOM的工业化应用对理论研究起了非常大的推动作用，新的理论研究成果不断出现。我国在STATCOM研究方面起步较晚，直到进入九十年代以后，一些高等院校和科研机构开始进行STATCOM的研究，目前理论和应用都取得了很大进展，特别是2006年2月在上海黄渡分区西郊变电站并网试运行的±50Mvar STATCOM，核心技术达到了国际领先水平。1.3.3 STATCOM的应用前景广阔近年来，动态无功及谐波补偿装置越来越广泛地应用于电网及电力用户端，用于提高电网电压稳定性、改善用户电能质量并达到节省电

18、能的目的。STATCOM是灵活柔性交流输电系统（FACTS）技术和定制电力（CP）技术的重要组成部分，用于配电系统中的STATCOM一般称为D-STATCOM。STATCOM可直接接入400V35kV电压等级母线，克服传统无功补偿和谐波治理装置存在的不足，为电网或用电负荷提供快速、连续有源动态无功补偿和谐波滤波，可有效提高电网电压暂态稳定性、抑制母线电压闪变、补偿不平衡负荷、滤除负荷谐波及提高负荷功率因数。STATCOM可广泛应用于：电网枢纽变电站：提高系统暂态电压稳定性，确保系统运行安全；风力发电场：提高母线电压稳定性，抑制振荡；冶金行业、石化行业、矿山及电气化铁路：抑制电压闪变、补偿不平衡

19、负荷、滤除负荷谐波及提高负荷功率因数；其他行业：抑制电压波动、滤除负荷谐波及提高功率因数。1.4 课题研究内容传统做法是采用并联电容器对电网提供无功补偿，当电容器的补偿容量确定后，其阻抗是固定的，因此在补偿过程中不能跟踪负荷需求的变化，也就是说不能实现对无功功率的动态补偿，而本课题所研究的STATCOM的控制技术除了电容器的优点外，恰好克服了动态补偿这一缺点。我们在这研究的内容主要有：（1）完成STATCOM原理的分析与建模（2）STATCOM主电路及其他控制电路的设计（3）逆变桥的设计及保护（4）DSP输出SPWM的程序设计，以及整个系统的可靠性和稳定性。系统设计框图初步选择如图1-1所示：

20、逆变电路电阻负载三相整流、滤波驱动、保护电路信号检测单元号检测单元稳压电源DSP图1-1 系统设计框图1.5 课题的研究方法本文主要以三相电压型逆变器作为研究对象，逆变器由多个可关断器件，如GTO或IGBT等，串联或并联组成，其功能是通过逆变将直流电压转换为STATCOM装置供电网的补偿交流电压。STATCOM装置的可控性是通过对逆变器的可关断器件进行脉冲调制控制，实时的开关从而实现逆变后交流电压的频率，大小以及相位的控制。对于逆变器的驱动脉冲控制，我们是用高数字信号处理器DSP的相关模块来输出PWM波，进而驱动IGBT开关器件，达到所要的输出电压。最后通过连接变压器使得整个STATCOM装置

21、可以并联到电网系统中，图1-2即为该系统结构简单示意图。 图1-2 STATCOM装置示意图1.6 课题的基本要求及应完成的成果完成STATCOM补偿电压的产生：通过三相逆变电路得到补偿电压。实现逆变电压的相位大小可控性：通过逆变桥开关器件的开关顺序与时间来实现，其开关器件的控制由DSP的输入输出参数决定。第2章STATCOM的基本原理2.1 STATCOM的工作原理简而言之，STATCOM的基本原理就是将自换相桥式电路通过变压器或电抗器并联在电网上，根据输入系统的控制指令来适当的调节桥式电路交流侧输出电压的幅值和相位，或者直接控制其交流侧电流，使该电路吸收或者发出所要求的无功电流从而实现动态

22、无功补偿的目的。如图2-1为STATCOM装置调节无功的原理示意图，其中直流侧为电源元件，为STATCOM装置提供直流电压，该直流电压通过逆变器转换成交流电压，逆变器通常由多个逆变桥并联或串联而成，对于产生的交流电压的相位、大小和和频率的选择，能够由控制逆变桥电路中的可关断器件（如GTO,IGBT等)的驱动脉冲实现。连接变压器将逆变器并联到电网中，从而实现无功补偿，另外连接变压器自身的漏抗能够为整个系统提限制电流的作用，防止产生过电流.图2-1 STATCOM装置调节无功的原理示意图整个STATCOM设备等同于一个能够控制电压大小的电压源。设基于STATCOM的设备产生归咎于系统侧的空载相电压

23、为，系统相电压为，连接变压器漏抗为X，那么STATCOM设备输出端电流为：所以，STATCOM的设备输出单相视在功率为一般情况时，STATCOM设备只会吸收特小一部分有功功率，甚至根本不吸收有功功率，所以能够使其产生的电压和系统电压有相同的相位，从而求得单相无功功率为有上式可知，当控制的STATCOM装置所产生的电压是小于系统电压时（<），STATCOM装置向系统输出的无功功率Q<0，STATCOM的设备相当于电感；反之（>），STATCOM装置向系统输出的无功功率Q>0，STATCOM的设备相当于电容。正是由于该装置产生的电压是可以连续快速的控制变化的，所以STATC

24、OM吸收的无功功率也可以连续的由正到负的进行快速调节。2.2 STATCOM的等效电路根据直流侧电气元件的不同，STATCOM可分为基于电压型逆变器和基于电流型逆变器两种类型。其电路基本结构如图2.2和2.3所示。图2.2采用电压型桥式电路图2.3采用电流型桥式电路由上图两种电路比较可以知道，在电压型桥式电路中我们可以看见其逆变器直流侧是电源元件是用的电容，电流型桥式电路则是用电感代替。电压型桥式电路的输出端串联了电感，作用是为了防止过电流和滤除纹波。相反，电流型桥式电路输出端并联电容，能够吸收电路产生的过电压。在现实运用中，人们往往是采用的电压型桥式电路的STATCOM装置，主要原因是相对于

25、电流型桥式电路的过低利用率，且容易产生断路故障而言，电压型桥式电路运行效率明显优于上者。所以到目前实际使用中的的STATCOM装置大多是用的电压桥式电路，本文也是针对采用电压型桥式逆变器的STATCOM装置为对象进行研究。2.3 STATCOM的时域数学模型在整个STATCOM系统中，设计用到了很多元器件，这些构成整个系统的各个单元的动态特性与系统的整体运行结构和状况以及其控制关系有着密不可分的联系，为了对STATCOM进行正确有效的深入研究没有精确的数学模型是很困难的事，也为后续控制器的设计带来不便，因此建立STATCOM的数学模型成了整个研究初始步骤之一。建模方法分为拓扑结构建模法和输入-

26、输出建模法两种，而本文研究采用输入-输出建模法，一是由于对该STATCOM装置来说，开关器件较多，拓扑结构复杂，导致分析困难；二是由于我们这里对整个STATCOM装置的输入-输出特性更为在意，而对于开关器件只要控制不产生过电流即可。因此用输入-输出的建模方法为STATCOM装置建模足以完成本论文的简单研究。图2-4 STATCOM装置接线图图2-4为一简单STATCOM接线电路图，在该图上我们进行数学建模，先做如下设定：（1） 如图中电阻R，设其为整个装置中的内阻和各个元器件的导通电阻的等效电阻，电感L表示各线路漏电感的等效电感；（2） 由于输出电压是由多个单相桥电路组合成。可以忽略该桥式逆变

27、电路中的谐波分量只考虑基波分量，从而简化研究。根据假设，由单项桥输出电压的表达式可以得到STATCOM装置交流器总输出电压为： （2-1）方程中K为比例系数，课控制物理量为输出电压与系统电压的夹角。而系统三相电压为 （2-2）STATCOM装置的abc三相动态方程为 (2-3) 将（2-1）和（2-2）代入得： (2-4) 根据能量关系求得直流侧电容电压的动态方程： （2-5）代入（2-3）化简得(2-6)因此STATCOM的数学模型为 （2-7）可以看出来，数学模型包含四个未知数和四个方程，所以只要知道了装置的电流和电压初始值，利用上面方程就能求出其他两个物理量的变化规律。然而该方程式是时变

28、系数微分方程，我们可以用到经典派克变换亦成为dq0变换法，得到更便于理论分析的常系数微分方程，其变换矩阵如下 （2-8）逆变矩阵换为 （2-9）将式中三相电流进行派克变换，既是令 （2-10）对前述数学模型进行dq0变换得到的数学模型为 （2-11）由于STATCOM装置为三相三线制系统，三相电流之和为0，所以上述方程中的始终为0，化简得到STATCOM的数学模型为 （2-12）该数学模型既是被广泛使用便于理论研究的常系数微分方程。2.4 控制方法研究根据以上STATCOM的原理分析可知，用STATCOM实现无功功率补偿有两个途径：(1)通过控制逆变器输出电压的幅值和角度来实现，称为：间接电流

29、控制法。(2)通过PWM方式直接控制逆变器的输出电流来实现，称为：直接电流控制法，在本文设计中采用了直接电流控制法。 间接电流控制所谓间接控制，就是将STATCOM当作交流电压源看待，通过对逆变器输出电压基波的相位和幅值进行控制，来间接控制STATCOM的交流侧电流，具体实施时有两种方案可供选择。1单控制仅控制角，即控制STATCOM交流侧输出电压相对于系统电压的相角差，这种方法的主要优点是控制电路比较简单，但是由于装置交流侧输出电压的幅值的调节依赖于直流电容电压的变化，所以动态响应速度较慢。2配合控制角和角配合控制角和角，即控制角的同时，配合控制开关器件的导通角，从而调节STATCOM交流侧

30、输出电压的幅值。这种控制方法的优点是直流侧电容电压稳定，对装置的运行有利，而且动态性能更好；但它存在控制复杂的缺点，因为角和角需要密切配合，而且这种配合关系还随着主电路的参数而改变。2.4.2 直接电流控制直接电流控制，就是采用跟踪型的PWM控制技术对电流波形的瞬时值进行闭环控制。直接电流控制方式具体实施时有三种控制结构：(1)滞环比较方式；(2)正弦波PWM调制方式；(3)电压空间矢量PWM调制方式。与间接控制方法相比较，直接控制方法具有更高的响应速度和控制精度。但它要求开关频率高，而大功率器件很难以高开关频率运行，因此，大功率场合一般不采用直接电流控制。直接电流控制适合于小功率场合。直接电

31、流控制较间接控制有许多优点，具体讲主要表现在如下三个方面：（1）系统具有快速的瞬态响应：由于瞬时反馈的引入，控制系统对直流侧电压和交流侧电网电压波动迅速做出反应，保持输出电流跟随参考值；（2）系统稳定性较高：电感的电流控制环是一阶系统，易达到稳定条件；（3）可抑制负序引起的不良影响：电网负序电压存在时，因为无功电流指令是先用abcdqO变换到瞬时，再通过dqOabc逆变换为三相瞬时电流，此时无功电流指令实际上是三相无功电流的平均值，因此，输出三相电流无功电流对称，流入直流侧电流脉动小，电压也比较平稳。第3章 STATCOM主电路及相关电路的设计3.1 系统设计框图图3.1 系统总体结构框图由上

32、图分析知道，整个系统的硬件电路由主电路、控制电路、驱动电路、保护电路等构成。主电路为AC/DC/AC逆变电路，由三相整流桥、滤波器、三相逆变器组成。三相交流电经桥式整流后，得到脉动的直流电压经电容滤波后供给逆变器。3.2 三相SPWM逆变器三相PWM逆变器是要把直流输入变换为三相正弦交流输出，如图3-2所示为经典的三相逆变器结构。由于其控制方式简单，一般是采用的双极性控制方法，让三相公用一个三角载波，调制信号互差120°，并且每个开关器件相同则控制规律一致，所以成为很多实际装置中的应用的首选。 图3-2经典的三相逆变器主电路三相逆变器的三相负载的平衡是系统要注意的问题，如图3-2所示

33、采用三个单相桥式逆变器并联组合而成，虽然结构复杂，会用到很多开关器件，但能适应系统对三相不平衡的要求，且各个单项逆变器是独立运行的，各相输出互不影响，相位互差120°。这样设计能够允许三相负载100不平衡，并且由于各相的独立工作特性，使得三相严重不平衡对逆变器输入也无大的影响。本论文设计选用图3-3所示电路，每相都有各自独立的电路输出SPWM波形，对同一供电线路而言，每一相的时钟基准型号是相同的，只是他们所产生的波形在相位上互差120°，这些数据被存放在各相电路的EPROM中，有利于得到三相同步正弦波控制信号。 图3-3适应三相不平衡负载的三相逆变器图3-3中各相逆变器结构

34、相同，为全桥逆变电路。采用高频SPWM技术，功率开关管选用IGBT。通过正弦波控制信号与三角波比较的方法，得到基波为50Hz的SPWM波，再经滤波器滤除高频，可输出低失真的50Hz正弦波。SPWM发生原理：针对静止补偿器的电路结构，要求SPWM发生器可以发出三相六路SPWM脉冲信号，脉冲宽度应根据微处理器输出的调制深度来调节。总线接口逻辑单元首先接收来自微处理器的调制深度信号并锁存，正弦调制波产生电路在同步信号作用下从正弦函数表读取标准正弦信号幅值，与调制深度相乘，得出正弦调制信号幅值。三角载波发生电路在同步信号作用下，通过可逆计数器，发出三角载波幅值。正弦调制波幅值与三角载波幅值进行比较，就

35、可以产生出SPWM脉冲信号。3.3 驱动电路设计驱动电路的作用是将DSP发出的O3V的SPWM脉冲信号放大至-5V15V，从而达到能够驱动逆变开关IGBT的开关状态。驱动器EXB841芯片是能够驱动高达400A,600V的IGBT功率模块，适合本文设计电路使用。作为目前主流的IGBT驱动器，其内部结构设置了很好的过流保护电路，让其被广泛应用。图3-6则是应用这款芯片构成的驱动电路。图3-6 EXB841驱动电路IGBT的驱动设计时应注意的几点：（1） IGBT栅极都有一个耐压值，大概在±20V，驱动电压过高会导致IGBT烧损，电压太小又达不到驱动目的，既是IGBT不能饱和导通，长时间

36、工作下亦是会使IGBT损坏，因此驱动电路输出端的保护电路设计尤为重要。（2） 输入电流大小要合适，电流过大会给驱动信号造成延时，电流过小则整个电路工作不稳定。（3）IGBT存在输入电容，开关过程中要对电容充放电，设计时要保证驱动电路的输出电流足够IGBT的运行。3.4 IGBT工作原理IGBT(绝缘栅双极晶体管)是一种N沟道增强型场控(电压)复合器件，如图3-4所示。它属于少子器件类，兼有功率MOSFET和双极性器件的优点：输入阻抗高、开关速度快、安全工作区宽、饱和压降低、耐压高、电流大。图3-4 N沟道示意图IGBT是三端器件，具有栅极G、集电极C和发射极E。图3-5a给出了一种由N沟道VD

37、MOSFET与双极型晶体管组合而成的IGBT的基本结构。由于IGBT比VDMOSFET多一层P注入区，因而形成了一个大面积的P+ N结J1。这使得IGBT导通时由P+注入区向N-漂移区发射少子，从而实现对漂移区电导率进行调制，使得IGBT具有很强的通流能力，解决了在MOSFET中无法解决的N-漂移区追求高耐压与追求低通态电阻之间的矛盾。其简化等效电路图如3-5b所示，由图可以看出，这是用双极型晶体管与MOSFET组成的达林顿结构，相当于一个由MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管。图中Rn为晶体管基区内的调制电阻。因此，IGBT的驱动原理与电力MOSFET基本相同，是一种场控器件。其开通和关断是

38、由栅极和发射极间的电压决定的，当为正且大于开启电压时，MOSFET内形成沟道，并为晶体管提供基极电流进而使IGBT导通。由于电导的调制效应，使得电阻RN减小，这样高耐压的IGBT也具有很小的通态压降。当栅极与发射极间施加反向电压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，使得IGBT关断。 图3-5 IGBT的结构，简化等效电路和电气图形符号以上所述PNP晶体管与N沟道MOSFET组合而成的IGBT称为N沟道IGBT，记为N-IGBT，其电气图形符号如图3-5c所示。相应的还有P沟道IGBT，其电气图形与N沟道的箭头相反。实际当中N沟道IGBT应用较多，本文也是采用N沟道设

39、计。3.5 IGBT保护电路的设计IGBT（绝缘栅双极性晶体管）由于具有电压高、电流大、频率高、导通电阻小等特点被广泛应用在各种逆变电路中。但IGBT的耐过流能力与耐过压能力较差，必须对其进行相关保护以防止损坏，其保护电路的设计包括过压保护、过流保护和过热保护。 过流保护短路电流与过载电流都属于IGBT的过电流，防止过电流的发生可以避免IGBT器件造成损坏，延长其使用寿命，保证TGBT和STATCOM装置的安全运行。我们在这采用集中过流保护法，原理是当逆变桥输出电流超过设定值时，中断所有桥臂的IGBT驱动脉冲，达到过流保护目的，电路设计图如图3-6所示。图3-6 集中过电流保护图 过压保护 &

40、#160;     IGBT的过压主要发生在栅极上，其常见原因有：（1） 静电聚集在栅极电容上引起过压；（2） 电容密勒效应 引起的栅极过压。为防止IGBT的栅极-发射集过压情况的发生，我们采用最简单实用的方法，在栅极和发射极之间并接一个几十千欧姆的电阻，如图3-7所示，此电阻应该尽量靠近栅极与发射极。图3-7过压保护电路图   过热保护IGBT 的过热是由于开关损耗和导通损耗造成的发热，IGBT的结温不能超过125，过多的热量如果不能及时散去，会损坏IGBT，因此散热措施也是一重要环节，一般做法是在电路中装散热器

41、（包括普通散热器与热管散热器），并可进行强迫风冷。第4章 DSP系统数字信号处理器DSP以其高速，数字化和廉价的特点，在各种电气设备中得到广泛应用。本文采用TI公司专门为电力电子领域设计的TMS320F28335型DSP作为控制器，通过DSP输出三相SPWM经过分配、隔离、功率放大输入到逆变器中去。4.1 TMS320F28335的介绍TMS320F28335型DSP用6个独立的PWM模块取代了以前TMS320C2000系列DSP的EVA和EVB两个用来产生PWM的事件管理器，对于改进后的独立每个PWM模块都能产生两路PWM信号，由于每个PWM模块的独立性，让整个PWM模块的使用更加灵便，能够

42、输出任意组合模式的空间矢量PWM信号。TMS320F28335型PWM模块结构包括计数模块，比较模块，事件评价模块，死区模块和事件中断模块：（1） 计数器模块（Time-Base），时基子模块由一个周期寄存器和相位寄存器与一个计数器组成。其中周期寄存器是用来设置PWM的输出周期的；相位寄存器是决定多个同步输出PWM信号之间的相位关系的；计数器则是辅助周期和相位寄存器的设置，确定他们的计数频率与方向。（2） 比较模块（Counter-Compare）拥有两个比较寄存器CMPA和CMPB，CMPA/CMPB寄存器中的值与时基计数器（TBCTR）不断相比较，当两者值相等时比较模块生成一个“时基计数器

43、等于比较计数器”的事件。此事件发送到Action-Qualifier子模块，并把它转换成一个或多个行动应用到EPWMxA或EPWMxB的输出。（3） 事件评价模块（ Action-Qualifier）模块既是接受比较模块的比较事件，通过对该模块的输出结果配置，从而达到输出EPWMxA和EPWMxB信号的目的。（4） 死区模块（Dead Band）作用是设置输出PWM信号上升沿或下降沿延迟时间，这样做能够保证输出PWM信号的稳定性性。TMS320F28335具有高速信号处理和数字化控制功能所必需的结构特点。将其优化的外设单元和高性能的 DS内核相结合，可以为各种类型电机和控制开关提供高速和全变速

44、的先进控制技术。其结构特点为:TMS320F28335 DSP具有150MHz的高速处理能力，具备32位浮点处理单元，6个DMA通道支持ADC、McBSP和EMIF，有多达18路的PWM输出，其中有6路为TI特有的更高精度的PWM输出(HRPWM)，12位16通道ADC。与前代DSC相比，平均性能提升50%，并与定点C28x控制器软件兼容，从而简化软件开发，缩短开发周期，降低开发成本。 4.2 ePWM简介ePWM模块作为DAC（数模转换）使用，通常应用于工控产业设备的电力和能量转换系统中，如电机控制和开关电源的控制。DSP28335共12路16位的ePWM，能进行频率和占空比控制。ePWM的

45、时钟TBCLK=SYSCLKOUT/(HSPCLKDIV×CLKDIV):位名称值描述12:10CLKDIV000001010011100101110111时基时钟预分频位这些位决定时基时钟分频值的一部分。TBCLK=SYSCLKOUT/（HSPCLKDIV×CLKDIV）/1（默认复位）/2/4/8/16/32/64/1289:7HSPCLKDIV000001010011100101110111高速时基时钟预分频位这些位决定一部分时基时钟分频值。TBCLK = SYSCLKOUT / (HSPCLKDIV × CLKDIV)这个分频在TMS320x281x系统上

46、模拟HSPCLK，当做事件管理器（EV）外设。/1/2(默认复位)/4/6/8/10/12/14表1 时基控制寄存器（TBCTL）部分字段说明PWM信号频率由时基周期寄存器TBPDR和时基计数器的计数模式决定。初始化程序采用的计数模式为递增计数模式。在递增计数模式下，时基计数器从零开始增加，直到达到周期寄存器值（TBPDR）。然后时基计数器复位到零，再次开始增加。图4-1 时基频率和周期图PWM信号周期与频率的计算如下：4.2.1端口对应关系JP0B的端口号按“Z”字形顺序数。通道相应PWM的A/B对应JP0B端口号1ePWMA92ePWM103ePWMA114ePWM125ePWMA136e

47、PWM147ePWMA158ePWM169ePWMA1710ePWM1811ePWMA1912ePWM20表2 端口对应关系4.2.2初始化程序注释void InitPwm1AB(float32 f)Uint16 T= 2343750/f-1.0;/系统时钟SYSCLKOUT=150MHz，TBCLK=6.6666667ns，在连续增计数模式下，f=150000000/(TBPDR+1)EALLOW;/先初始化通用输入输出口/GpioCtrlRegs.GPAPUD.bit.GPIO0 = 0;GpioCtrlRegs.GPAMUX1.bit.GPIO0 = 1;GpioCtrlRegs.GPA

48、PUD.bit.GPIO1 = 0; GpioCtrlRegs.GPAMUX1.bit.GPIO1 = 1; EPwm1Regs.TBPHS.half.TBPHS = 0; / 在相位寄存器中设置计数器的起始计数位置/下面两条语句组合对PWM的时钟进行分频EPwm1Regs.TBCTL.bit.CLKDIV = 6;EPwm1Regs.TBCTL.bit.HSPCLKDIV = 0;EPwm1Regs.TBPRD = T; /在周期寄存器中设置计数器的计数周期/TBCTL为定时器控制寄存器EPwm1Regs.TBCTL.bit.CTRMODE = TB_COUNT_UP; /设置计数模式位为连

49、续增计数模式，产生对称方波EPwm1Regs.TBCTL.bit.PHSEN = TB_DISABLE; / 将定时器相位使能位关闭EPwm1Regs.TBCTL.bit.PRDLD = TB_SHADOW;/映射寄存器SHADOW使能并配置映射寄存器为自动读写EPwm1Regs.TBCTL.bit.SYNCOSEL = TB_CTR_ZERO; / 定时器时钟源选择，一共有四种时钟源EPwm1Regs.CMPA.half.CMPA= 0.0001*T;/ 设置EPWM1A比较值寄存器的比较值，即体现EPWM1A的占空比EPwm1Regs.CMPB= 0.0001*T;EPwm1Regs.CM

50、PCTL.bit.SHDWAMODE = CC_SHADOW;/A模块比较模式EPwm1Regs.CMPCTL.bit.SHDWBMODE = CC_SHADOW;/B模块比较模式EPwm1Regs.CMPCTL.bit.LOADAMODE = CC_CTR_ZERO; / A模块比较使能,通过写0来清除SHDWAMODE位来使能load on CTR=ZeroEPwm1Regs.CMPCTL.bit.LOADBMODE = CC_CTR_ZERO; / B模块比较使能，通过写0来清除SHDWBMODE位来使能load on CTR=Zero/AQCTLA为输出A比较方式控制寄存器EPwm1R

51、egs.AQCTLA.bit.ZRO = AQ_SET; / TBCTR（计数器）计到零时使输出为反向EPwm1Regs.AQCTLA.bit.CAU = AQ_CLEAR;/TBCTR（计数器）与CMPA在up计数时相等使输出为high，这关系的输出的占空比EPwm1Regs.AQCTLB.bit.ZRO = AQ_SET; EPwm1Regs.AQCTLB.bit.CBU = AQ_CLEAR;EDIS;4.3基于DSP的SPWM波的实现PWM脉冲的生成有两种方法：三角波比较法(SPWM)和空间矢量法(SVPWM)调制，本文选用三角波比较法。4.3.1不对称规则采样法不对称规则采样法采用在

52、每个载波周期采样两次，分别是在三角波的顶点与底点分别采样，比起对称规则采样法的单次采样，输出的阶梯波更接近正弦波形，精确度大大提升。图4-2不对称规则采样法生成SPWM 的原理图根据图4-2所示和三角形定理，得到如下关系式：化简得：式中：tA为在三角波的正峰值对正弦信号波的采样时刻，tB为在三角波的负峰值对正弦信号波的采样时刻；'+是A相开通时刻脉冲宽度；Tc为三角波载波周期；a为载波和调制波的调制比。因此可得A相开通时刻的脉冲宽度：由于PWM的1/4周期对称，tA和tB时刻直接用下式表示：式中：k=0，1，2，.N-1，N为调制波采样的数目。由以上关系式，以DSP28335中的ePW

53、M1模块为例，计算出比较寄存器EPwm1Regs.CMPx的值为：进一步整理：通过以上推导，在已知载波和调制波频率及调制比的情况下，就可以计算出SPWM正弦表，根据查表法生成相应的SPWM波形。同时根据上式，分别超前和滞后120°可以得出B相和C相的关系式。4.3.2软件部分图4-3 程序流程图程序流程图如图4-3所示，在中断服务程序中采用查表的方法更新比较寄存器的值，可以节省中断的时间开销。生成SPWM表在一单独函数中进行，函数的参数有调制波频率，载波频率和调制比，通过这三个参数确定周期寄存器和比较寄存器的值。4.3.3死区部分简介ePWM中死区模块的结构框图如图4-4所示：在死区

54、控制寄存器(DBCTL)中进行输入模式，极性选择和输出模式设置，具体情况如下：输入模式对应开关S5、S4闭合，决定不同信号源的上升沿延迟或者下降沿延迟。S5S4选择信号源与其闭合的关系如下：00：EPWMxA上升沿和下降沿延迟；01：EPWMxB上升沿延迟，EPWMxA下降沿延迟；10：EPWMxA上升沿延迟，EPWMxB下降沿延迟；11：EPWMxB上升沿和下降沿延迟。图4-4 死区模块结构图极性选择是由开关S3S2决定，当S3或S2选择1时，则对应的信号源极性反转，选择0时，信号源不发生变化。输出模式S1S0决定信号源是否延迟，当S1或S0选择为1时，输入信号源需要延迟，延迟时间由10位计

55、数器和系统时钟决定，当S1或S0选择为0时，信号源不延迟，直接通过死区模块，然后输出。4.3.4 测试波形（1）死区波形死区时间为0.2uS，按逆变器按时关断，延时打开的原则，防止上下桥壁直通。EPWM1A和EPWM1B两个IO口输出的波形如下图4-5所示：图4-5（2）三路SPWM波形测试三路SPWM波形采用不对称规则采样，相位互差120°，滤波后其波形如下图4-6和4-7所示：图4-6上图中浅蓝色正弦波代表A相，黄色正弦波代表B相，从图形中看B相滞后A相120°。图4-7上图中浅蓝色正弦波代表A相，黄色正弦波代表C相，从图形中看C相滞后A相240°。第5章 结

56、论与展望随着现代电力系统的发展，人们对电能质量的要求日益提高，而无功补偿和谐波治理作为提高电能质量的两个核心因素也得到了社会的愈加重视。静止无功发生器(STATCOM)作为柔性交流输电系统(FACTS)家族中的一个重要成员，除具有补偿系统感性和容性无功、提高系统功率因素、改善电能质量，还具有提高系统稳定性等多重功能。STATCOM正受到各国电力科研工作者的日益重视，并且将成为未来无功补偿、改善电能质量的重要发展方向。结合全文，本课题具体研究的内容及所做的工作如下：（1） 分析STATCOM的工作原理和等效电路图，从而建立其时域数学模型；（2） 对STATCOM各硬件电路进行了详细设计，给出了相关电路原理图；（3） 基于TMS320F28335型DSP，对STATCOM系统中的逆变桥的驱动作了设计；（4） 简单介绍TMS320F28335