静止无功功率发生器控制单元设计

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AbstractWiththecontinuousdevelopmentofChina'spowerindustry,therapidgrowthofelectricitydemandandrapideconomicdevelopment,awiderangeofhigh-voltagetransmissionnetworkgradually,whilethereactivepowergridrequirementsbecomemorestringent.Reactivepowercompensationcanimprovethepowerfactoroftheelectricnetwork,improvethepowerqualityandensurethesafeoperationofitsessentialparts.Basedontheimportanceofreactivepowerandreactivepowergridonthegrowingdemand,requiresalotofreactivepowercompensationequipmentinoperation.ThispaperaimstoSTATCOMcontrolunitdepthresearchandexperimentalanalysis.Themaintopicsincludethefollowing:⑴summarydescribestheoriginandsignificanceofissues,thedevelopmentofreactivepowercompensationequipmentandstaticreactivepowergeneratorforthestatusquo.OfSTATCOMfromthebasicstructureandprincipleonthesystemanalysis,andconductedmodeling.⑵Afterasystematicandcomprehensivetheoryofinstantaneousreactivepowerofthestudy,theanalysisofreactivecurrentdetectionoftwomethods:p,qtestmethodsanddetectionmethods.⑶IntroducedSTATCOMcontrolmethods,PWMconvertercontrolmodeisdividedintodirectcurrentcontrolandindirectcurrentcontrol,andanalysisderivedinnercurrentloopvoltageouterloopcontrolstrategyfordouble-loopcontrolstrategyforthisstudy.Foreachcontrolmethodandthecontrolprincipleofadetail.⑷Thedesignofthehardwarecircuitandsoftwaredesign,includingparameterselectionandprogramflowofeachmodule.Keywords:STATCOM;reactivepowercompensation;inverter目录摘要 IAbstract II目录 III第一章绪论 -1-1.1课题意义 -1-1.2.1并联电容器 -1-1.2.1SVC简介 -2-1.3国内外研究现状 -2-1.4设计主要内容 -3-第二章SVG的系统分析 -4-2.1SVG基本原理 -4-2.1.1SVG的组成 -4-2.1.2SVG的结构 -5-2.1.3SVG的工作原理 -5-2.2SVG的工作特性 -7-2.3本章小结 -8-第三章瞬时无功电流的检测 -9-3.1三相电路瞬时无功功率理论 -9-3.2p、q运算方式 -11-3.2.1原理图 -11-3.2.2检测原理 -11-3.3-运算方式 -11-3.3.1-运算方式的原理图 -12-3.3.2检测原理 -12-3.4本章小结 -13-第四章SVG的控制方法 -14-4.1电流的直接控制 -14-4.2电压外环电流内环的双环控制策略 -16-4.2.1电压外环 -18-4.2.2电流内环 -19-4.3本章小结 -22-第五章SVG的整体设计 -23-5.1硬件设计 -23-5.1.1电压过零检测电路 -24-5.1.2电流的检测 -25-5.1.3控制器选择 -25-5.1.4锁相环电路 -26-5.1.5数字PI控制器的设计方法 -27-5.1.6SPWM控制原理设计 -28-5.1.7采集电路 -28-5.1.8直流电压采样 -30-5.1.9电压转换电路 -30-5.1.10保护电路 -31-5.2软件设计 -32-5.2.1主程序 -32-5.2.2中断服务程序 -33-5.2.3初始化问题 -35-5.2.4PI调节器 -35-5.2.5数据采集 -36-5.2.6过零检测 -37-5.2.7PWM输出 -38-5.3本章小结 -40-结论 -41-致谢 -42-参考文献 -43-附录 -44-第一章绪论电网中有感性或容性负载，不可避免的出现无功功率问题。这些无功功率如果不能得到及时的补偿，有可能造成电力系统的崩溃或瘫痪，对电力系统的安全运行和设备的安全运行造成威胁，电力系统的稳定性也很受到很大的干扰。无功功率对电网如此的重要使得无功功率的研究具有很高的研究价值。电网是一个动态的、时刻快速变化的系统，基于这种要求，动态无功补偿应运而生，同时收到越来越多的关注和研究。1.1课题意义电力系统和现代工业的迅猛发展，出现很多的电压波动及闪变，电压波形出现畸形，功率因数低还有不平衡负荷导致的电网电压不平衡。各行各业都对电能质量问题很关注，要求电能不仅能持续，更要求稳定良好。要解决这些问题，就得对电网进行无功补偿。在经济和技术的支持下，对无功补偿装置进行了深入的研究。目前，SVG装置能很好的补偿负荷的无功功率问题，改善电能质量，值得深入探讨。无功补偿装置主要经历了同步调相机、电容器、SVC和SVG几个阶段。同步调相机作为早期的无功补偿装置，已渐渐不能适应现代的需要，目前很少使用了。1.2.1并联电容器并联电容器能增大局部电压，吸收无功功率。并联电容器价格便宜，安装方便，操作容易，稳定运行，方便维护，很受欢迎。但是即无功功率输出与电压的平方成正比，低压时系统需要很多的无功功率，而无功输出很少，造成无法补偿的局面。另外，如果电压稳定，电容器不能提供变态的功率补偿，还可能造成过补偿或欠补偿。并联电容器无功功率补偿方式有分组补偿，就地补偿，集中补偿三种。1.2.1SVC简介70年代以后，静止无功补偿装置受到亲睐。静止无功补偿装置往往专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（ThyristorControlledReactorTCR）和晶闸管投切电容器（ThyristorSwitchedCapacitorTSC），以及这两者的混合装置（TCR+TSC）等。静止无功补偿装置能连续调节补偿装置的无功功率。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。SVG是指由自换相的电力半导体桥式变流器来进行发生和吸收无功功率的无功功率动态补偿装置。其基本原理就是直接控制其交流侧电流或者将自换相的桥式电路通过电抗器或者直接并联在电网上，适当的调节桥式电路交流侧输出电压的幅值和相位，就可以使电路吸收或者发出满足要求的无功电流，实现无功动态补偿的目的。SVG分为电流型桥式电路和电压型桥式电路两种类型。PWM技术能大大较少补偿电流中谐波的含量，是SVG发展的基础，能够动态平滑的调节瞬时无功功率，还缩小了成本和体积，前途一片光明。1.3国内外研究现状从上世纪70年代开始，成果相继问世：1972年日本就研究了晶闸管的桥式电路被强迫换相当做调相的装置。1976年各种利用半导体变流器对装置无功补偿的方案被美国学者L.Gyugyi利用，最受欢迎的当然是自换相的桥式变流装置。1980年日本研制出来功率为20MVA采用晶闸管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1Mvar的ASVG投入运行，这是世界上第一次运用大功率门极可关断晶闸管（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研制成功80Mvar的ASVG在犬山变电站154KV电网中运行，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。1993年3月，2台50MvarASVG被东京电力分别与东芝公司和日立公司开发的在东京所属新信浓变电所使用运营。1996年10月美国田纳西电力局(Tennesseevalleyauthority,缩写为TVA)、西屋电气公司合作，在电力系统的500KV变电站建造了100MvarASVG，并于投入运营至今，运行情况良好。美国电力(AmericanElectricPower，缩写为AEP)和西屋公司合作，研制目前世界上唯一的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年代之前还较大进展，只有一些清华大学的知识分子做过相应的探讨，搞了一些比较具体的工作，得到了一些实际成果，相应的理论也得到了发展。1994年河南省电力局和清华大学共同研制了20MvarASVG这是电力部门的重大研究项目，并于2000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设计主要内容（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，还对各个木块画的东西进行了介绍。第二章SVG的系统分析静止无功发生器是指由自换相的电力半导体桥式变流器来进行发生和吸收无功功率的无功功率动态补偿装置。SVG是直流变交流，交流在变直流的装置，在变交流送往各个元件的装置，逆变器是其核心，主要是IGBT。2.1SVG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。2.1.1SVG的组成同步信号控制器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变压器主断路器图2.1SVG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。2.1.2SVG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，考虑到变流装置不仅仅吸收基波分量，还有谐波分量。在直流侧安装一个大小合适的电感作为储能元件，能维持桥式电路的正常运行。2.1.3SVG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，通过交流电抗器连到电网上。以单相等效电路为例：=1\*GB4㈠不计电抗器和变流器损耗时的工作原理如图2-3所示，设电网电压用相量表示，SVG输出的交流电压用表示，连接电抗的电流是可以由其电压来控制的，则连接电抗X上的电压即为和的相量差，这个电流就是SVG从电网吸收的电流。通过改变SVG交流侧输出电压的幅值及其相对于的相位，就可以改变连接电抗上的电压，从而控制SVG从电网吸收电流的相位和幅值，也就控制了SVG吸收无功功率的性质和大小。电流超前电流滞后电流超前电流滞后图2-3SVG等效电路及工作原理（不考虑损耗）a单相等效电路b相量图在图2-3a的等效电路中，可将连接电抗器当做纯电感来看待，不计及损耗以及变流器的损耗，因此不必从电网吸收有功功率。在这种情况下，只需使与同相，仅改变的幅值大小即可以控制SVG从电网吸收的电流是超前还是滞后90°，并且可控制该电流的大小。如图2-3b所示，当大于时，电流超前电压90°，SVG吸收容性的无功功率；当小于时，电流滞后电压90°，SVG吸收感性的无功功率。=2\*GB4㈡计及电抗器和变流器损耗时的工作原理当计及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），并且将电抗器的电阻作为总损耗，则SVG的实际等效电路如图2-4a所示，它电流超前和滞后工作的相量图如图2-4b所示。运行在这情形下，变流器电压与电流还是差了90°，当然变流器无需有功功率。而系统作为能源向电路中提供一定的有功能量，相对于电网电压来说，电流中有一定的有功基波分量。角是指变流器电压与电网电压之间的差值。变化，同时改变的幅值，产生的电流的相位和大小也就会随之改变，静止无功补偿器有效调节了系统的无功功率。电流滞后电流超前电流滞后电流超前图2-4SVG等效电路及工作原理（考虑损耗）a单相等效电路b相量图图2-4中，如果把变流器自己的损耗也计算到二次侧，也把其一期想到电抗器电阻中。但是呢，其损耗是变流器内部的损耗，电网提供一定量的有功功率给变流器作为补偿。所以，实际上变流器二次边电压与电流的相位差不正好是90°，即是应当比90°稍微小点。2.2SVG的工作特性SVG的工作特性包括：SVG的U-I特性根据SVG的工作原理可知，SVG的U-I性质如图2-5b。SVC和SVG一样，通过变化控制系统的参数（电网电压的参考值）让U-I曲线或上火下移动。图2-5可以看出，当电网电压上升，补偿器的U-I性质向上移动时，SVG可以改变其变流器二次变电压的幅值和相位，以使其所能供给的最大无功电流和维持不变，他们只受到电力半导体器件的电流容量限制。静止无功补偿的运行范围和矩形很相似。图2-5U-I特性对于对输电网络进行补偿的装置，对直流侧电源可以短时间内提供一定销量的有功功率，这对电网至关重要。响应速度快。在PWM应用时，SVG可以抑制高次谐波，让其分布很少，另外可实现分相调节，损耗少而且噪声也很小。与其他无功补偿装置相比,SVG具有以下优越性：=1\*GB2⑴控制灵活、调节速度更快、调节范围广。在感性和容性运行工况下均可连续快速调节，相应速度可达毫秒级。=2\*GB2⑵谐波量小。=3\*GB2⑶连接电抗小。=4\*GB2⑷运行范围大。=5\*GB2⑸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用。=6\*GB2⑹SVG的直流侧采用较大的储能电容，或者其它直流电源后，理论上它不仅可以调节系统的无功功率，还可以调节系统的有功功率。=7\*GB2⑺在提高系统的暂态稳定性、阻尼振荡等方面的性能大大优于传统的同步调相机。=8\*GB2⑻对系统电压进行瞬时补偿，即使系统电压降低，它仍然可以维持最大无功电流，即SVG产生无功电流基波不受系统电压的影响。2.3本章小结本章介绍了SVG的组成、结构、工作原理以及工作特性，特别是电压电流特性，并指出了SVG相对于其它无功补偿装置的优越性。通过本章的介绍，可以大体知道SVG的粗略概况，为以后的深刻认识奠定了基础，也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无功补偿首先得知道要补偿的量或者说要跟踪监测的无功电流是多少。静止无功发生器能否快速实时准确的检测出无功电流信号，决定了其对电玩那个是否能起到很好的补偿效果。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。瞬时无功理论指出，在无功电流的检测中可实现完全跟踪的检测效果，这样的方法主要有以下两种。3.1三相电路瞬时无功功率理论三相电路的三相三线，各相电压和电流的瞬时值分别为,,和,,。通过3/2变换把它们变换到两相正交的α－β坐标系中，(3.1)式中。图3－1α—β坐标系下电压、电流矢量图在图3-1所示的α－β平面上，、和、可以分别合成为(旋转)电压向量和电流向量。(3.2)(3.3)式中：e、i——矢量和的模、——矢量和的幅角3相电路瞬时有功电流和瞬时无功电流为矢量在矢量及其法线上的投影。即(3.4)其中3相电路瞬时有功功率p(瞬时无功功率q)为电压矢量的模与3相电路瞬时有功电流(瞬时无功电流)的乘积。即(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)3.2p、q运算方式在三相电路瞬时无功功率的理论基础上，利用坐标系中正交轴上的瞬时有功功率和瞬时无功功率，然后求得各正交轴上的瞬时有功电流和瞬时无功电流，最后得到各相的瞬时无功电流的方法，就是p、q运算方式。3.2.1原理图该检测方法的框图如图3-2所示。图中上标-1为矩阵的逆矩阵。图3-2p-q运算方式的原理图3.2.2检测原理由瞬时无功理论得出的p、q，经过低通滤波器得其直流分量、。当电压电流没有畸变时，是无功电压和电流作用结果的基波，为基波无功电流与电压作用所产生。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试下所示：图3-3-检测方法原理图图中，3.3.2检测原理由图3-3可以得出、算法的计算公式(3.9)基波、、的计算公式(3.10)本检测用了与a相电网电压同相位的正弦信号sin和对应的余弦信号-cos，它们是由锁相环（PLL）和正、余弦信号发生电路共同得到的。有瞬时无功功率理论可以计算得出瞬时有功电流和瞬时无功电流，经低通滤波器滤波可得出、直流分量、，这里，、是由、、3个共同产生的，只需要对进行逆变换即可得到基波无功电流、、。只要检测无功电流，所以只需要进行反变换即可。由于只选取sin和-cos参与运算，畸变电压的谐波成分在运算过程中不出现，、是由、、产生的，所以该算法的检测结果不受电压波形畸变的影响，只是这种检测的优势所在。3.4本章小结以瞬时无功理论为基础，得到p-q法和-两种无功电流检测方法，绘制了他们各自的原理图，对原理图进行了分析和计算，通过比较分析，采用-的电流检测方法有和大的优越性。方法的选择给后续的工作指明了前进的道路，意义重大。第四章SVG的控制方法SVG控制系统相当复杂，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。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，并且可以电流直接控制对SVG输出的无功电流有直接控制作用，因此比电流间接控制更能精确快速的控制SVG输出的无功电流。电流直接控制策略在SVG中举足轻重，大占鳌头。其基本思路是使用适当的PWM控制策略对系统的瞬时无功电流进行处理来得到PWM脉冲信号，然后使用得来的PWM脉冲信号去驱动逆变器中可控电力电子器件的门极开通或关闭，从而使在允许的偏差范围内控制逆变器的输出电流瞬时值与系统的瞬时无功电流运行。常用的直接电流控制：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4-2dq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，所以要想点丢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，由三相逆变器的小信号方程可知，这样能解除耦合。无功电流计算图解图4-3（2）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4-4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PI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的整体设计前几章主要介绍了SVG的原理与工作特性，瞬时无功电流的检测，以及其控制方法，有了这些理论基础，本章将着重介绍其软硬件设计的参数选择问题和程序流程图。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。硬件参数表如下（5-1）所示：表5-1SVG硬件设计参数表项目符合参数逆变器开关频率4kHz滤波电感1mH等效电阻0.4逆变器放大系数200电流反馈系数0.04输出滤波器系数2.5ms反馈滤波器时间常数0.14ms直流母线电容5000uF电网电压有效值350V系统硬件结构图硬件设计主要有检测电路、控制电路组成，现编给处于参数选择和方案。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5-1过零检测电路该电路包括输入滤波和过零比较两个部分，它产生一个与电玩那个同周期，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比哦啊准的正弦波，加入滤波信号，就能很好的跟踪电网信号。5.1.2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5－2所示。 图5－2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=10K,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控制器选择采用TMS320LF2407数字信号处理器(DSP)作为控制器，TMS320LF2407是由TI公司推出的数字信号处理器芯片，它控制精度高、芯片处理能力强，能满足SVG对实时控制的要求。高性能静态COMS技术，能较少功率损耗，让供电压降为3.3V；提高控制器的实时控制能力，使30MIPS的执行速度使得指令周期缩短到33ns。片内高达32K的FLASH程序存储器，高达1.5K字的数据/程序RAM，544字爽口RAM和2K字的单口RAM，满足内存需要。在SVG中TMS320LF2407主要是产生PWM脉冲和计算控制算法。TMS32.LF2407之所以能实现电力电子器件的控制，是因为它本身包括可编程死区的12路PWM引脚输出，用于数字信号处理非常方便。在这次设计中，三角波周期被固定为特定值，定时计数器计数满后自动重新装载，修正比较寄存器的显存之，实现数字输出控制。12路引脚用于可编程的死区，避免了与外部使用模拟器的冲突，方便了死区时间的编程，方便控制板的调试及其大小。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（phasedetector）、环路滤波器（loopfilter）和压控振荡器（voltagecontroloscillator,VCO）组成的一种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。PDLPFPDLPFVCO输出输入图5－4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清0并且重新开始，有了周期中中断中的计数器，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KP、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，超调量会乡音小点，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。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5－5数字PI控制器的结构框图5.1.6SPWM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5-7MAX125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（CH1－CH4）,对于每一个指定通道模数转换器最快在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，内部序列发生器将产生最少1个通道、最多5个通道的转换顺序（在缺省模式下，CH1通道上的数据被转换），连续转换指定通道上的数据。在一个转换顺序里的最后一个通道转换结束后，/INT（中断输出，转换结束信号）引脚出现一个低电平，在/RD引脚家低电平脉冲可以一次读取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（A0－A3）与数据输出（D0－D13）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ᐨ5~+5V的交流电压信号送入A/D转换芯片，MAX125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5－8所示，在直流采样电路中采用光耦隔离运放HCPL7800，通过直流电压采样电路、MAX125A/D转换电路将直流侧的电压采到DSP中，与给定的基准值进行比较，构成电压外环，为有功电流提供给定值，使系统稳定运行。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。其中的TPS7333是固定输出为3.3V电压的电源转换芯片，适合TMS320LF2407的电源需要。从而为不同电源电压的逻辑器件设计了一个安全可靠的接口，保证所设计的电路数据传输的可靠性。图5-9为TPS7333构成的电压转换电路。两路输入信号分别为5V的数字量和模拟量，分别经电容和电感的滤波接入到TPS7333两个输入引脚。经内部芯片的处理，得到所要输出的两路3.3V的数字量和模拟量信号。同样再经过电容和电感的滤波分别给DSP和一些芯片供电。图5-93.3V电压转换电路5.1.10保护电路保护电路设计包括功率驱动保护电路和PWM信号封锁保护电路两部分。图5-10和图5-11分别为功率驱动保护电路和PWM信号封锁保护电路。图5-10功率驱动保护电路图5-11PWM信号封锁保护电路5.2软件设计编程是实现系统正常工作和快速运算必不可少的重要环节。本设计采用C语言作为编程语言编写控制系统软件。系统软件整体包括主程序和中断处理子程序。逆变控制程序设计的基本思想是基于中断服务程序来实现整个逆变输出控制。所以在整个软件实现过程中中断处理程序总是占据了最主要的执行时间。5.2.1主程序主程序环节主要包括系统、变量等各个部分的初始化，定时器的启动，外部中断使能、A/D采样间隔的设置、串口通讯、中断、事件管理器、开关量信号检测、等待中断、系统时钟以及I/O引脚的设置等。程序的主要部分是靠相应不同的中断事件驱动。主程序初始化结束后就进入循环，在这里等待各种中断的发生，并且主程序通过共享存储区内的各个功能模块的标志变量来判断各个功能模块的进程和完成情况，并根据判断结果，发出相应的指令以协调各个功能模块之间的运行。同步信号捕获子程序用于检测电网电压的过零点，保证并网逆变器的输出电流与电网电压保持同相，使功率因数等于1。主程序的流程图如图5-12所示：图5-12主程序流程5.2.2中断服务程序DSP利用通用定时器T1产生周期中断，在周期中断服务子程序中实现A/D转换的启动、判定是否结束及转换后数据的采样、处理，正弦表格的载入，过流保护，直流母线电压过压、欠压保护，电网电压过零点判定，对电流信号进行各种变换等相关内容。周期中断流程如下图5-13所示：采样计算ip和iq采样计算ip和iq图5-13周期中断服务程序在定时器1下溢中断服务子程序中实现电流相位跟踪电网电压的过零点校正，电流控制环的所有内容，电压等信号的检测和保护以及使能或封锁PWM输出的判定及执行等等。下溢中断处理的软件流程图5-14所示。图5-14下溢中断5.2.3初始化问题初始化模块主要是对整个DSP的系统资源进行配置，使之更适合作为SVG控制系统的核心。包括：1、设置系统控制和状态寄存器1；2、设置系统控制和状态寄存器2；3、看门狗控制器的设置；4、捕获单元初始化；5、事件管理器模块初始化；6、串行通信SCI模块初始化。5.2.4PI调节器PID控制是数字控制系统中应用最为广泛的控制方法，它是把连续域的模拟控制规律直接转换成计算机能够实现的离散控制算式。在本设计过程中，首先根据计算确定PID控制器各参数范围，然后在现场实验中，结合现场试验法逐步试验，最后得到较为满意的响应，确定控制器参数。离散化后的PI控制方程为：其中：：比例系数，：积分系数。PI控制的流程图如图5-15所示：图5-15PI控制流程图5.2.5数据采集数据采集主要负责完成每一个工频基波内的数据采集、存储，数据采集由MAX125通过外部中断XINT1来实现。当A/D转换芯片MAX125的EOC信号连接到DSP的中断引脚的INT1上，实现完全转化后，引脚EOC有高电平变为低电平，从而触发INT1中断，向系统TMS320LF2407通过引脚XINT1发出中断请求，当进入中断服务程序后，由DSP控制MAX125的RD和CS管脚，TMS320LF2407将A/D转换结果取出、存储并处理。MAX125可以同时进行6个通道的模数转换，转换的结果由寄存器通过CPLD反映到TMS320LF2407上的I/O空间。如果是接入一个三相对称的系统，可以只采集其中的一路，就知道其他记录工作情况。数据采集模块的程序流程如图5-16所示：图5-16数据采集模块程序流程图5.2.6过零检测过零检测模块主要功能只是：外部过零脉冲触发TMS320LF2407中CAP单元中断，中断子程序设置了过零标志。在本模块中计算周期值，由周期值计算出电网电压频率值，电网电压一般在49.5≤fs≤50.5，则为正常，否则，我么有理由相信系统出故障了，发出封锁脉冲封锁IGBT，发出结束程序命令。一般来说CAP中断应设为高优先级中断，屏蔽其他干扰，影响过零和周期的测量；当中断置过零标志位后，CAP时计数器T3CNT应清零。本模块实际可在CAP中断程序中直接应用。本模块流程如图5-17所示：图5-17过零模块子程序5.2.7PWM输出首先确定定时器中断周期，定时器是工作在增减这种状态下的，定时器周期是三角载波周期的一半，为了得到较好的电压输出波形和保持三相对称，用载波比就能确定定时器的具体值。然后考虑如何在线计算和改写比较寄存器CMPR值的问题:程序在中断子程序中读取的电网频率是由测频模块测得的，然后根据载波比和公式Ts=1/2Nf来确定定时器周期，并将其存入寄存器T1PR，作为中断的定时器周期，这也保证了SVG装置可以根据系统频率的变化而变化。为了速度起见，三角函数的具体计算值用查表法查得。为了得到我们所希望的波形，不但要求要有精确的算法，还要正确地设置控制寄存器。SPWM中断子程序流程图如图5-18所示：图5-18PWM中断子程序流程图当程序读取到进入中断服务子程序然后，先通过读取一外围设备中断向量寄存器PIVR的值来判别出两人中断源。PIVR中的函值想对应的是触发当前中断的中断向量值，DSP中每一个来自外围设备的中断源都有一个与它映射的中断向量值。因此，