DSP的静止无功发生器(SVG)控制器的研究_图文

1、广西大学硕士学位论文基于DSP的静止无功发生器（SVG）控制器的研究姓名：陈敏申请学位级别：硕士专业：控制理论与控制工程指导教师：黄洪全20060611摘要基于的静止无功发生器（）控制器的研究摘要静止无功发生器（）是柔性交流输电系统（）设备中的一种，可以对电网的无功功率进行动态补偿，能够吸收感性无功和容性无功，因而成为交流输电系统中较为理想的无功补偿设备。本文介绍了柔性交流输电系统（）的发展和现状，分析了静止无功发生器（）的工作原理以及其数学模型，并以此为基础设计了以公司的数字信号处理器（）为基础的控制电路板和以控制为核心内容的控制软件。在硬件部分采用了锁相环（）同步采样技术来达到对电网数据采

2、样的同步性，可以实现对电网频率的自动跟踪，同时利用作为控制器的核，处理器，可以提高补偿的实时性；静止无功发生器（）的控制方法包括电流间接控制方式和电流直接控制方式，与电流间接控制方式相比，电流直接控制方式在电流跟踪速度、控制精度等方面更具有优势，所以本文根据电流直接控制方式设计了控制软件部分，在这一部分详细介绍了电网采样数据在内部的处理过程，同时也详细介绍了双闭环结构在控制系统的应用，其中包括数字控制器在闭环系统中的应用。综合以上的硬件电路和控制软件的设计，研制了的控制电路装置，为完整装置的研制铺垫下良好的技术基础，同时也为的进一步研究提供了试验平台。关键词：静止无功发生器双闭环控制锁相环正弦

3、脉宽调制数字信号处理器数字控制皿、陆（）血，晒孤，屺“姐陀昧嘶仃量圮锄础酊侧觚嘲沁，也也拄，恤臼，伊锄嵋协押血眦，龇啪吣锄：丘；，、】！”埘【璐；，衲谢也仃，勰仃），印，印）讯斌曲，锄时扛哪缸的，仃脚，诅，（，皿肋：觚哳腻咖“）；咖；噬缸乇凹盯主要符号对照表主要符号对照表电抗逆变器输出电压交流电网电压电抗电压逆变器输出电流相角差阻抗角视在功率无功功率有功功率有功电流无功电流无功电流参考值功率因数功率因数参考值电容两端直流电压的调制度电流互感器电压互感器第一章引言第一章引言柔性交流输电系统（）综述课题的背景在可预见到的未来，三相高压交流输电仍将是输电和联网的主要方式。世纪年代以前主要靠提高电压来

4、增加线路输电能力，到目前为止，商业化运行的交流输电工程最高额定电压为（等级）：全世界已经有个国家建成了等级的交流输电系统。前苏联建成了长的特高压输电线路并经过了试运行，后因多种原因降压为运行；日本建成了短距离的输电线路，目前在下运行；美国、意大利、瑞典等国曾执行过特高压（及以上）输电计划，后因环保限制、设备可靠性不高和有更好的替代方案等原因而搁置和取消。由此可见，近年来输电电压的发展出现了明显的饱和趋势。在特高压输电的工程应用前景不明朗的情况下，交流输电发展的重点已转向采用新技术提高线路输送能力、提高线路的使用效率和线路走廊利用率等。随着大型复杂互联电网的出现，如何使电网更加有效、如何提高输电

5、线路的使用效率成为世界各国研究的重要课题。传统的交流电网的参数（阻抗、电压、相位等）是不能大幅度连续调节的，而实际运行中的电力潮流分布又由电路定则决定，因此电网内部线路及联络线在运行中实际的潮流分布与这些线路的设计输送能力相差甚远；一部分线路已过载或接近稳定极限，而另一部分线路却被迫在远低于线路额定输送容量下运行。这就是说，由于电网的“木桶效应”，一部分线路有电送不出，而另一部分线路却无电可送。另外，电网作为电力市场的物质载体，即发电厂和电力用户间电力交易的渠道，也需要满足对电力潮流灵活调节控制的要求。这就提出了灵活调节线路潮流、突破瓶颈限制、增加线路输送能力，以充分利用现有电网资源、提高线路

6、使用效率的要求。发达国家由于环保的严格限制，新建输电线路十分困难，使得这一要求显得更为迫切。显然，依靠常规的电力技术难以解决这种问题，需要研究发展新的技术。第一章引言柔性交流输电系统（）的概念柔性交流输电系统的英文表达为：）【而形成的用于灵活快速控制交流输电的新技术上世纪八十年代中期，美国电力科学研究院（）锄博士首次提出概念：应用大功率，高性能的电力电子元件制成可控的有功或无功电源以及电网的一次设备等，以实现对输电系统的电压、阻抗、相位角、功率、潮流等的灵活控制，将原来基本不可控的电网变得可以全砸控制，从而大大提高电力系统的高度灵活性和安全稳定性，使得现有输电线路的输送能力大大提高。技术改变了

7、传统交流输电的概念，将使未来的电力系统发生革命性的变化。电力电子技术的快速发展为技术的实用化创造了条件。近年来，可控整流器、可关断器件的开关能力不断提高，直径的晶闸管的耐压已达到的水平，通过电流已达至以上，、的可关，断晶闸管（）已有商品，单个电力电子器件的开关能力已达到的水平，使电子开关用于高电压、大功率的输配电一次系统成为可能。技术（包括系统应用技术及其控制器技术）已被国内外一些权威的输电技术研究工作者预测确定为“未来输电系统新时代的三项支持技术（柔性输电技术、先进的控制中心技术和综合自动化技术）之一”柔性交流输电系统的主要意义有如下几点：能在较大范围有效地控制潮流，功率潮流可按事先计划的线

8、路流动；线路的输送能力可增大至接近导线的热极限，例如：一条线路的安全送电极限为，线路的热极限为，采用技术后，可使输送能力提高；蛐咖，简称，是综合电力电子技术，微处理和微电子技术、通信技术和控制技术备用发电机组容量可从典型的减少到，甚至更少；大：、电网和设备故障的危害可得到限制，防止线路串级跳闸，以避免事故扩。易阻尼消除电力系统振荡，提高系统的稳定性。控制器按其与被控交流输电系统的连接方式大体可分为并联连接、串联连接和串并联连接三类控制器：（）并联补偿装置，如静止无功补偿器（），静止无功发生器（）等，其基本功能是补偿系统的无功功率，由于其安装十分灵活，所以适用于网络结构和较短的输电线路的补偿（）

9、串联补偿第一章引言装置，如可控串补（），静止同步串联补偿器（）等，则主要用于控制系统的潮流。（）串并联相结合的补偿装置如统一潮流控制器（），则可以在准确控制系统电压的同时对输电线路上的有功与无功潮流进行双向控制，具有综合控制各种电力系统基本量的能力国内外应用技术的概况近年柬，技术已经在美国、本、瑞典，月麦等国的熏要的超高压输电工程中得到应用。例如：日本关西电力公司与三菱电机公司共同研制并于年月投运了世界上首台样机，采用了晶闸管强制换相的电压型逆变器，容量为；年月，由美国和共同研制的士的：玎投入运行嘲，这是世界上首台采用大功率作为逆变器的静止无功补偿器；年，日本关西电力公司与三菱电机公司研制成功

10、士的猢陀【”并在犬山变电站系统中投运，维持了该系统长距离送电线路中间点电压的恒定，提高了系统稳定性；年，东京电力分别与东芝公司和日立公司开发了两台的在东京所属新信浓变电所投入使用；美国西屋电气公司（）、电力研究院凹及田纳西电力局（钒）联合研制了一套士静止式无功发生器（）并于年成功地用于美国田纳西峡谷电力系统（），钯）的变电站，有效地改善了所在电网连接点处的电压调整，其直接经济效益是该电力系统免去建造一条新的输电线路同时又能满足扩充的输电需求；德国西门子公司在年将开发研制的、的肖安装在丹麦的巧风场，目的是对风力发电机组进行动态控制；英国国家电网公司（拍凹，）将在其系统内安装了由法国输配电公司研制

11、的采用了±的的静止无功补偿系统。我国静止无功补偿器制造技术是在九十年代发展起来的，但最初仅限于大型工业企业中的应用。目前，在我国部分高等院校、电力生产和设计部门及一些电气设备制造厂家都已开始技术方面的规划和研究试制工作。例如对、以及切有所研究，但多只限于数学模型的建立、物理模型的研究，至多是小容量样机的研制。基本上我国的控制器的研制还处于基础阶段，距离大规模的工业应用还有很大的差距。年作为原电力部重大科技第一章引言攻关项目由河南省电力局和清华大学共同研制了±盯，为进行机理研究，首先研制了盯的中间工业试验装置，于年并网运行，年月在河南洛阳的朝阳变电站并网成功，并于年月成功地通

12、过了鉴定。该装置不仅能调节无功和电压，还可提高输电稳定性和输送能力。东北电力集团公司和电力科学研究院等单位合作，对超高压输电线路可控串联补偿（）的研究已取得阶段成果。结合伊敏一冯屯输电线路的研究表明，采用串联补偿电容的可控串补装置，可显著提高暂态稳定水平和阻尼振荡能力旧静止无功发生器（）简介的概念由以上已经用于实际电网的设备可知，、等装置的控制功能是有所侧重的，其中是侧重于控制电网接入点的电压，属于设备中并联补偿装置的一种。电力系统电压及无功功率控制就是无功功率的供求平衡控制，通过控制无功功率平衡从而达到调节电网电压的目的年代末发展起来的晶闸管控制的静止无功补偿器（）在无功补偿方面取得了较好的

13、效果，但仍然存在着对电网的恒阻抗性、连续可控性差等弊病，年代以来，采用自换相变流电路的无功补偿装置静止无功发生器（）开始发展起来，较之传统的无功补偿装置具有响应速度快，吸收无功连续，谐波电流小，损耗低等优点，因此，已成为无功补偿的一个高效的技术发展方向的原理结构作为元件之一，能有效地补偿电网的无功功率，其主要结构是一个电压源型逆变器（诅哪），再并联一个直流电容器，其原理图如图卜：第一章引言母圈图卜的原理示意图一由图卜可以看到，它的主体是一个电压源型逆变器，由可关断晶闸管适当的通断，将电容上的直流电压转换成为与电力系统电压同步的三相交流电压，再通过电抗器和变压器并联接入电网。适当控制逆变器的输出

14、电压，就可以灵活地改变其运行工况，使其处于容性、感性或零负荷状态。论文研究意义电压是衡量电能质量的一个重要指标，运行电压水平同电网无功功率的平衡有密切相关。功率因数的高低，直接关系到电网中的功率损耗和电能损耗，影响到供电线路的电压损失和电压波动，而且关系到节约电能和整个供电区域的供电质量，所以提高电力系统的功率因数，已成为电力工业中一个重要课题。全国供用电规则规定：高压供电的工业用户和高压供电装有负荷调整电压装置的电力用户，功率因数为以上，其它规定功率因数为，同时规定功率因数达不到上述规定的应装设无功功率装置，为此供电部门对用电负荷大于的电力用户，规定根据月平均功率因数调整电费的办法”。由于企

15、业生产的发展及扩大再生产的需要，用电设备不断增加，而增加的用电设备大都是一些感性负载，如电动机、感应炉等，这些设备在运行中不仅消耗第一章引言有功功率，还消耗了大量的无功功率。这些无功功率将导致电能损耗和电压损失，并且限制了电气设备的送电能力，因而必须进行无功功率的补偿。无论从全国供用电规则还是从节能的角度出发，提高功率因数都是应该的。我国目前电力还十分紧张，不能满足经济发展的需要，同时电能质量还较差，所以对电网进行无功补偿不但可以节约能源（提高功率因数），缓解电力紧张，还能够改善电网电能的质量（稳定电压等），所以无功补偿技术得到了业内的极大关注。本文的主要研究内容本文在学习和研究理论的基础上，

16、提出了采用公司的型作为核心控制芯片的策略，力求能够设计出性能更好的、速度更快的实验装置。在硬件方面，借鉴了已有的控制电路的电路图和控一制电路的印刷电路板，在对其各部分电路原理进行研究的基础上，修改了部分电路的连接方式，比如修改了锁相环（。）电路的部分，口的接法，并且完成了对各个功能模块的调试；在软件方面，设计了能够实现控制功能的各个模块的程序流程图，并且编写了内部的数据处理程序以及对无功补偿和功率因数调节的闭环程序，和已经完成的控制主电路逆变器动作的波产生的程序相连，就形成了完整的系统程序。该装置与传统的控制装置相比具有结构更简单、性能更可靠、实时性更强的优点。尤其是，在该控制装置中，采用了锁

17、相环（）来实现了对电网频率的跟踪，取代了传统的通过计算来确定电网频率的方法，不仅减轻了的运算负荷，同时也提高了控制的精度。到目前为止，硬件电路和软件的编程工作已基本完成，并对电路进行了调试（包括电压、电流采集电路，锁相环电路、软件产生删波以及在低压条件下整个系统的调试），进一步的工作是提高系统的功率以及优化系统参数。第二章静止无功发生器（）的基本原理与功能第二章静止无功发生器的基本原理与功能对供电质量及可靠性的要求日益提高是和用户的工艺过程水平的发展相联系的，近代科技进步又促进生产过程的自动化和智能化，对电能质量提出了更高更新的要求。在我国，虽然总体经济和技术水平还比较落后，但在部分经济发达地

18、区电能质量问题的影响已比较突出。而且，由于各种原因，在供电可靠性和电网电压幅度的稳定水平等指标上，我国的情况尤其落后。如何提高和保证电能质量，已成为国内外电工领域迫切需要解决的重要课题之一电压是衡量电能质量的重要指标，保证用户处的电压接近额定值是电力系统运行调整的基本任务之一。电力系统的运行电压水平取决于无功功率的平衡。系统中各种无功电源的无功功率输出（简称无功出力）应能满足系统负荷和网络损耗在额定电压下对无功功率的要求，否则电压就会偏离额定值（或大或小）。因此无功补偿就显得尤为重要。目前解决这一问题的措施主要是增容，即扩大变压器和配电线路容量，从而提高供电能力，但是，增容一方面投资大，施工工

19、程量大，周期长；另一方面由于末端仍需要由低压侧集中补偿系统提供，输电线路利用率仍然较低。因此，有效减小线路无功电流，不仅可以增大有功输送能力，而且有利于降低变压器低压侧到末端负荷之间的线路损耗，改善末端电压质量。所以，研究开发线路终端用无功功率补偿装置是十分必要的，同时具有相当大的经济意义和社会效益。工作原理我们现在取单相等效电路来说明的工作原理，如图一所示，表示的是在不考虑连接电抗和逆变器损耗的情况：妊础第二章静止无功发生器（）的基本原理与功能鱼，卜，堡五三掣叼电流滞后（吸收感性无功）（）电流超前（吸收容性无功）图一等效电路及工作原理（不考虑损耗）（）单相等效电路（）向量图蛐戤）硼嘲妣哟（）

20、枷（）锄如图，珥表示逆变器的输出电压，表示电网侧的电压。当以时，处于超前运行状态，发出无功功率，起电容器的作用；当（时，处于滞后状态，吸收无功功率，起电抗器的作用；当时，与系统之间不存在无功交换。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同相的输出电压，就象一个交流电压逆变器，只不过其交流侧输出接的不是无源负载，而是电网。逆变器输出电流”为：等叫半训，由于以与同相，因此逆变器向电网输出的电流与电网电压乩相差，逆变器成为一个无功功率发生器。如果令逆变器或无功功率发生器向电网输出感性无功滞后电流为乇，向电网输出感性无功滞后无功功率为，则；乇：学（）；虬，口。里乒争（）

21、（如图（）中的电流超前向量图所示，当输出电压珥高于电网电压时，如，超前。，这时无功功率发生器输出超前的即感性的无功功率，这第二章静止无功发生器（）的基本原理与功能时式（）中的。同理，如图（）中的电流滞后向量图所示，当输出电压（，低于电网电压以时，厶，滞后虮。，这时无功功率发生器输出滞后的即容性的无功功率，这时式（）中的。图所示的电路中，将连接电抗器视为纯电感，没有考虑其损耗及逆变器的损耗，因此不必考虑从电网吸收有功能量。在这种情况下，只需使玩与吼同相，仅改变口，的幅值大小即可控制从电网吸收的电流，是超前还是滞后，并且能控制该电流的大小。若考虑到连接电抗器的损耗和逆变器本身的损耗（如管压降、线性

22、电阻等），并将总的损耗集中作为连接电抗器的电阻考虑，则的单相等效电路如（）所示，吸收容性无功与吸收感性无功时的向量图如图（）所示：（）、吣电流超瓤吸收容性无功）电流滞后（吸收感性无功）（）图等效电路及工作原理（考虑损耗）（）单相等效电路（）向量图“讹“锄缸矾【山“）（）撇“沁（）啦即如图所示，在考虑损耗的情况下，变流器输出电压与仍相差。，第二章静止无功发生器（）的基本原理与功能因为逆变器无需有功能量，而电网电压玑与电流的相差不再是。，而是比小了万角，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。这个万角也就是交流器电压，与电网电压以的相位差。

23、改变这个相位差，并且改变【，的幅值，则产生的电流的相位和大小也随之改变，从电网吸收的无功功率也就因此得到调节。由以上分析知道，通过控制交流侧电压，的幅值和相角艿来控制吸收的无功电流。实际上，【，随着艿的变化而自动地变化是通过交流器直流侧电压【的变化实现的在改变万角后的暂态调节过程中，变流器将吸收一定的有功电流，因而直流侧电容被充电或放电，引起直流电压仉的变化，从而使得交流侧输出电压巩的幅值变化，也就改变了其基波的有效值“”上面分析了电路单相工作的情况，所以我们可以得到三相电路的结构图，如图是接在线路，之间的主电路的基本结构原理”：图主电路的原理示意图图所示的主电路的原理示意图为电压型补偿器，如

24、果将直流侧的电容器用电感代替，同时交流侧串联的电感用并联电容器代替，就成为的另一种结构形式电流型，无论是电流型的还是电压型的，其动态补偿的机理是相同的。本文以电压型的作为研究对象如图所示装置由电压型逆变器，连接变压器及其直流电压源作用的直流电容组成。为六组，为六组续流二极管。反向并联二极管和可关断可控硅的作用相当于一个开关控制信号使得在任一时刻或者上面开关导通，或者下面开关导通，例如当导通时，节点接于直流电源正端，当导通时，节点接于直流电源负端。同理，节点和节点也是根据上下管导通第二章静止无功发生器（）的基本原理与功能与否决定其电位。按该图中的编号次序导通和关断，即可得到三相电压输出。输出交流

25、电压的幅值由直流测电压的大小来决定，调节直流电压即可控制交流侧输出电压的幅值。图中，为的逆变器输出电压，以为电网电压，为直流侧电容电压。补偿无功的原理：在理想状态下，将，与虮同步，然后通过控制，的幅值从而控制，与玑的电压差，以达到调节装置无功输出的目的。主电路采用自关断开关器件的脉宽调制方式的电压型逆变器，通过对各半导体开关器件的适当控制，其电源电流的相位可以比电压超前。，也可以比电压滞后。，使发出无功功率或吸收无功功率。在进行控制时，如果开关频率足够高，就可以使电流非常接近正弦波，的直流侧电容的电压几乎没有波动，也就是说，电容只是为提供一个直流工作电压，它和交流侧几乎没有能量交换，只要开关频

26、率足够高，电容的容量就可以足够小，因此，电容可以不被看成是储能元件；同样，只要开关频率足够高，交流侧电感也可以足够小，电感也不是交换无功能量意义上的电感，因此，此电路可以看成是无储能元件的电路，这时，无功能量的交换就不能看成是在电源和负载储能元件之间进行的。由于各相无功分量的瞬时值之和在任一时刻都为零，因此，仍可以认为无功能量、是在三相之间流动的。事实上，三相三线电路无论是对称还是不对称，无论是含谐波还是不含谐波，各相无功分量的瞬时值之和在任一时刻都为零，这一结论是普遍成立的，因此，都可以认为无功能量是在三相之间流动的“。本论文是基于图所示的无损耗的理想情况下来完成的，即逆变器输出的电压与电网

27、侧电压同相位。主电路的数学模型对的控制就是对六个可控开关（本文中用的是，为了表示方便，在本小节用表示）施以某种调制，使得逆变器输出电压基波，与吐衅咖，）成万角度的同频率的正弦波。根据上述的装置原理，可以建立起系统的数学模型。为了简化分析，先对系统作如下的假设“”；（）电网电动势为三相对称，为纯正弦波电动势：第二章静止无功发生器（）的基本原理与功能（）系统中的电感、电容等都是线性的，并且不考虑电感饱和；（）其中的变压器为：的变压器，并且忽略其励磁支路，将变压器等效成一个阻抗支路；（）同时将系统中的其它有功和无功损耗（例如功率器件的发热等）全都折合、叠加到阻抗支路上基于以上假设，可以建立起系统的三

28、相拓扑结构如图所示：一，。旷吲飙黜万亨亏一卜坞。，图开关函苏濮型图值逻鼾关函数椭喀徽其中晰“）洲唱、，主电路开关元件视为理想开关，其控制由开关函数来描述。定义单极性二根据图，利用基尔霍夫电压定理建立用开关函数描述的相回路方程为（取电感电流和电容电压作为状态变量）：厶导置。屯叱一（）（）当导通，关断时，开关函数屯；，由电路可知，而当关断，导通时，开关函数屯，由电路可知【，故可以得到如下的关系：以，则式（）可以变为：五。二一乙以【，们）（）同理，可得相相方程如下：厶焉一（以以）（）兄玑一（玑吃）（）第二章静止无功发生器（）的基本原理与功能对于一个三相三线平衡系统，有：一“盯“曲”嚣（一）（一）联立

29、式（）（），得：一半噍（）所以，的数学模型为：警。娶以（一）厶鲁也巩心（矾一；。娶）（一）（一以相桥臂为例，当导通，关断时，开关函数屯；当关断，导通时，开关函数屯卸，所以桥式电路的输出电压：以玑（噍一噍）（一）从（一）（）式可看出，三相之间是相互耦合的，无论采用哪一种调制方法，矾是由调制度和调制相移引行决定的。如果开关函数比调制波频率高得多，则开关函数可看作是角度率为国、相角为万，幅值等于调制度的正弦波，开关函数以基波成分为：鼠：，甜一万一（）孥式中，：，（）如令（）式中，一以仇（一）则式中为，±（；，±防。的基波成分以为：鲰一；。互；。鸩耐一占一（一）芋式中，（）口，相输

30、出电压基波分量为：、【，（甜一回（）相输出电压含高次谐波为：玑耐埘（行研一瓦）（）第二章静止无功发生器（）的基本原理与功能式中瓦第次谐波的初始相位角。调制产生的第次谐波分量的幅值卜调制方式所决定的最低次谐波次数输入电感上的电压在忽略电阻时的压降为：补偿的无功电流为：型半喜半”吒吒一乩乩耐一研一咖耐一氏）（）卿，主电路的控制方法在控制上，与的区别在于：在中，由外闭环调节器输出的控制信号用作等效电纳的参考值日。，以此信号来控制调节到所需的等效电纳；而在中，外闭环调节器输出的控制信号则被视为补偿器应产生的无功电流（或无功功率）的参考值。正是在如何由无功电流（或无功功率）参考值调节真正产生所需的无功电

31、流（或无功功率）这个环节上，形成了多种多样的具体控制方法，而这与传统所采用的触发角移相控制原理是完全不同的。目前的控制主要从控制策略和外闭环反馈控制量和调节器的选取两方面考虑，但无论是哪一方面都要根据补偿器要实现的功能和应用的场合来决定。由无功电流（或无功功率）参考值调节产生所需无功电流（或无功功率）的具体控制方法，可以分为间接控制和直接控制“，所谓间接控制，就是将当作交流电压源来看待，通过对变流器所产生交流电压基波的相位和幅值的控制，来间接控制的交流侧电流；而电流的直接控制，就是对电流波形瞬时值进行反馈控制，综上所述形成了多种控制方法。下面分别介绍电流的间接控制和直接控制这两种控制方法：电流

32、的间接控制所谓电流间接控制，就是按照的工作原理，将当作交流电源来看待，通过对变流器所产生交流电压基波的相位和幅值的控制，来间接控制的交流侧电流分析图所示的工作相量图，以吸收滞后电流为例，由图中电网电压以、变流器交流侧电压，和连接电抗压降。构成的三角形关系，可得如第二章静止无功发生器（）的基本原理与功能下等式：旦：坠：坠（力（一妒一）式中与相位差，以超前为正妒连接电抗器的阻抗角由此得：叽：型（）口据此可得出稳态时从电网吸收的无功电流和有功电流有效值分别为：，岛格螂。毋苇等等当处于稳态时，电感相当于导线，即此时上式中的），矽，由此可得：乇等等半警嗡，。石五胄胄同理，可以得到有功电流有效值：，厶焘哪

33、。一回蠢（一（）可以证明，如果无功电流的符号以吸收滞后无功为正，吸收超前无功为负，则当滞后于，从电网吸收超前无功电流时，其稳态仍然满足式（）和式（），只不过此时其中的占和，均为负。当系统进入稳态时，实验证明万角绝对值的变化范围很小，在这种情况下，近似于占，所以艿口一图乇与万角关系啪乇万夸艿角绝值不太大的情况下，艿与乇接近线性正比关系因此可以通过控制珥相对醵的超前角来控制吸收的无功电流。这样就可以得出第二章静止无功发生器（）的基本原理与功能最简单的控制方法如图所示：图电流间接控制示意图瞄竹峨另外，由式（）可得：，：坠竺！堡±盟（）口也就是说，稳态下艿角与变流器交流侧基波电压的大小也是一

34、一对应的由于稳态时占和变流器交流侧电压基波有效值（厂，满足式（）所示的一一对应关系，所以改变角时，仉就会自动跟着变化。实际上，随着占的变化而自动地变化是通过交流器直流侧电压的变化实现的。在改变艿角后的暂态调节过程中，变流器将吸收一定的有功电流，因而直流侧电容被充电或放电，引起直流电压【的变化，从而使得交流侧输出方波的幅值变化，也就改变了其基波的有效值。暂态调节过程结束后，系统进入新的稳态，直流电压稳定在某一新值，这个值对应交流侧输出方波的基波分量有效值玑必然满足式（）。？如果在图这种控制方法基础上加上反馈环节，那么无功电流厶的控制精度和响应速度都会大大提高。如图所示，在此基础上，产生了许多种控

35、制方法，比如对角和逆变器脉宽角口联合起来控制策略等。电流间接控制方法多适用于较大容量的装置，其减少谐波方法多采用多重化的方法并且结合、技术。图带反馈的电流间接控制砌删琳咄酞当然也可以利用图和的控制来对功率因数或者无功功率等的控制，只需要将图和中的州和乇换成相应的参考值和测量值就可以了（如对功率因数进行调节，则换成五何和就可以了，只是在对调节器设第二章静止无功发生器（）的基本原理与功能计的时候，具体的参数和算法稍微有所不同）。电流的直接控制所谓电流的直接控制，就是采用跟踪型控制技术对电流波形的瞬时值进行反馈控制，直接控制的控制系统有两种基本结构。母骂黔咂写糖扮口屯一一、（）轴电流控制（）吐内，（

36、）轴电流控制（）他廿它图电流直接控制沁廿第一种控制结构如图（）所示，采用了曲轴下的瞬时电流控制系统。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。直流电压指令蚵与直流反馈电压经电压调节器后生成有功电流指令硝，第二章静止无功发生器（）的基本原理与功能对流入的有功电流控制可以控制直流侧电压。和无功电流指令通过变换成三相瞬时电流指令，叫，钿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（）所示，发出的电流瞬时值经坐标变换变为，它们与有功电流、无功电流参考值作比较后，经调节器所得值，再经变换，得到

37、三相电流信号，进行三角波比较电流跟踪型控制。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调节器得到。由于参考值盯和钿，反馈值、在稳态时均为直流信号，因此通过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调节器，在（）变换后的轴下；第二种控制系统只有两个调节器，在（，）变换前的轴下第二种控制系统中调节器信号是直流，而第一种控制系统中电流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，调节

38、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。本文采用的控制方法为第二种电流控制方法。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，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比较适用以上介绍了的两类控制方法：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：（）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。（）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控

39、制；间接控制法适用于较大容量控制。（）采用电流间接控制的大容量可采用多个交流器多重化联结、多电平技术或控制技术来减小谐波。而采用电流跟踪控制的直接控制方法，电流谐波少第二章静止无功发生器（）的基本原理与功能由于本文是基于图的原理来完成的，即逆变器的输出电压与电网侧电压同相位，装置不消耗有功功率，也即电流间接控制方法中的万，故不用控制艿的值。所以本文所采用的控制方法是电流的直接控制方法，并且是基于平均僮功率理论的，用平均值功率理论计算电量的有效值、功率因数和需要补偿的无功电流的大小。和瞬时功率法相比，平均功率法具有抗干扰能力强，可靠性高的特点。如果利用来计算控制系统所需要的参数，则可以在很大程度

40、上提高系统的控制精度和提高电流的响应速度。在运用于系统的基础上，再利用锁相环技术来跟踪电网的频率，就可以减轻的负担，提高系统响应速度。第三章控制器的硬件电路设计第三章控制器的硬件电路设计由前面对工作原理的分析可知，要实现其对系统的无功功率进行适时地补偿，则需要调节逆变器的输出电压，从而可以控制向系统输出的无功电流厶。要快速准确地调节输出电压，来补偿电网的无功功率，则需要一个反应快速而且准确的控制系统。为了达到这个目的，我们采用全控型电力电子开关器件组成逆变器的主电路，并采用控制技术来控制的开关。而控制技术可很方便控制六个的开关，从而可以较好地调节系统的参数。？控制电路的总体框图控制系统的主要功

41、能是产生六路合适的波，以控制主电路中逆变器的六个开关器件的导通与关断，以产生合适的无功电流补偿到电网上，完成所需要的控制功能孙偿无功功率。为此，该控制电路需要从电网采样九路信号电括三相电压和补偿前的三相电流以及逆变器的输出电流（即补偿的三相电流），采样逆变器的输出三相电流是用来作为计算反馈量的，以达到补偿的适时性。从电网采样的九路信号来控制产生合适的六路波，由于产生的信号驱动能力有限，为此还必须设计驱动电路同时为防止强电对弱电的干扰，还必须有隔离电路，此外由于内部资源的限制，为了便于调试以及数据存储，需要拓展外部的程序存储器和数据存储器。电网系统的信号的频率是随时变化的，为了适时地跟踪信号频率

42、的变化，需要采用锁相环，为此我们设计了锁相环电路。该控制电路以公司的数字信号处理器型为控制核心，该控制电路主要包括了信号采集及预处理模块，锁相环模块，信号隔离与驱动电路模块，外存拓展模块以及电源模块等。控制电路部分的原理图见附录，控制电路的总体框图如图所示：第三章控制器的硬件电路设计蛐图控制电路总体结构框图鲫曲“仰其中、分别为电流互感器和电压互感器，用来采样三相电流信号和三相电压信号，然后经过电压、电流处理电路之后，输入到内部的转换器，通过在内部进行处理从而产生控制信号，最终产生调制度，进而可以控制内部的事件管理器模块（）中的产生模块输出六路波，从而可以控制三相逆变器的动作，就可以改变逆变器的

43、输出，就达到所需要的控制效果。锁相环除了作为的转换触发信号（）之外，还作为的事件管理器模块（）的时钟，同时还可以跟踪电网频率的变化。和是拓展的外部存储器，弥补了内部存储空间不足的缺陷。由于该控制电路涉及到的模块较多，所以下面就其中的几个主要模块作详细介绍，包括、采样信号预处理模块和锁相环模块：模块静止无功发生器（）同其他电力电子设备相比有两个显著的特点：（）要求检测处理的变量多如图一所示，的逆变器担负输送无功电流的作用，需要检测的变量不仅有系统电压电流、逆变器的输出电压电流（补偿无功电流），还有直流电容的电压。要处理上述电压和电流时，不仅有它们的幅值，还有频率以及相位，第三章控制器的硬件电路设

44、计如果再加上控制目标规定的无功等参量，则需要处理的变量就非常多。同时还要进行控制规律的计算，以便能够实时控制。（）计算工作非常繁重在检测控制过程中要进行大量的微分、积分、乘方、开方、三角函数、除法等运算，因而对微处理器的运算处理速度提出了较高的要求我们选择公司的数字信号处理器（）作为控制单元的核心。除了基于以上系统对计算速度有较高的要求的原因外，还由于公司的型内部集成了本系统所需要的巾转换器和波产生的模块一事件管理器（），使得较为容易控制六个逆交器的开关器件。下面简要介绍型的结构和特点“”“，本系统需要用到的模块将在后面用到的时候做详细的分析：公司的（简称），作为一种高速度、高精度、高集成度、低成本的微控制器，功能非常强大，集成了众多满足数字控制系统所需的先进外围设备。一块的芯片就具备了控制电路所需的数据采集及转换、计算、输出等外设功能。因此，采用作为控制核心，可大大简化控制系统硬件电路、节省成本以及提高控制精度。，是公司主推的