配电网中基于DSP的静止无功发生器的研究

静止无功发生器的无功检测及控制策略的研究本课题主要研究内容对现有无功电流检测方法及控制策略对比分析，确定本课题采用的检测方法及控制策略相应的补偿控制策略及无功电流的检测方法。研究瞬时无功检测方法及其在SVG中的应用，拟采用一种适当的智能算法（如模糊神经网络、自适应神经网络等）实现电网瞬时无功电流的准确测量；研究SVG的控制策略，选择一种基于DSP的数字PWM控制方法，配合改进后的检测模块，通过SVG无功补偿系统的仿真模型验证控制策略的有效性，即提高对电网无功功率补偿的精确性和系统的实时性。确定SVG无功补偿系统的的总体框图，设计基于DSP的静止无功发生器控制系统的硬件结构，搭建各主要功能模块的仿真模型。编写能实现SVG各模块功能的软件程序流程图。本课题研究内容1.通过对几种不同的控制策略及无功电流检测方法进行对比分析，确定相应的补偿控制策略及无功电流的检测方法。2.设计静止无功补偿器的硬件电路，确定其各主要功能模块；选择能满足测量范围及测量精度的传感器及满足控制精度的DSP；通过计算电子开关器件在工作过程中的功率损耗及开关损耗，选择电路的散热方式及屏蔽措施。3.通过对配电网无功补偿装置各模块进行分析，编写能实现SVG各模块功能的程序流程图，并通过MATLAB/SIMULINK对其可行性进行仿真验证。已完成工作1.建立了SVG模型，并确定了直接电流控制策略。2.选择无功电流检测方法，并针对其不足进行了相关改进。3.设计了SVG的主电路及部分硬件电路4.下一步工作SVG模型•在对SVG进行控制之前，应该首先构建其模型，对于SVG系统而言，其具有系统变量参数多，耦合性强的特点，静态的数学模型对其内在联系进行表达具有很大的不准确性，因此，采用将三相瞬时变量进行坐标变换的方法进而推导出SVG动态过程的微分方程•设阻抗两端的压降为,逆变器交流侧输出电压为，电网电压为，与系统相连的电抗器的阻抗角用表示，根据矢量关系可得下述表达式：LEIEsE由上式可得：sinsin180sin90sLIEEEcoscossIEEcossinsLEE根据稳态电路理论知识，则无功电流及有功电流的有效值分别为：2290sinRXEILQ2290cosRXEILP（1-2）（1-1）将1-2式代入1-1式中得：2sin290sincossin22RERXEIssQ2sin22REEIQssQ综上：当电网电压及装置等效电阻R一定时，可以通过改变控制角的大小来实现控制SVG从系统中吸收或发出的无功功率的大小sE控制策略设计2sin290sincossin22RERXEIssQ2sin22REEIQssQ由公式：控制框图如下所示：控制原理SVG逆变器输出的电流瞬时值经dq-abc变化后变成有功电流与无功电流，然后与有功电流参考值及无功电流参考值进行比较,经PI调节器所得到的值经dq反变换得到三相电流信号，通过恒频三角波比较生成逆变器的IGBT的驱动指令信号，从而进行PWM电流跟踪控制。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后经PI调节器得到，由于无功电流参考值与无功电流反馈值及有功电流参考值与有功电流反馈值在稳态情况下都是直流信号，因此通过PI调节可以实现无稳态误差的电流跟踪控制，此种控制方法采用双闭环反馈控制系统，内环为电流环，外环为电压环，控制精度高，误差小，TI补偿前电网的三相电流TVPWM电压波形无功电流检测无功电流检测方法比较：1.基于频域分析的FFT检测法：该法用快速傅里叶变换获取各次谐波信号的幅值，频率和相位；该方法检测精度高，实现方式简单，功能多、使用方便，缺点：速度慢。2.基于Fryze时域分析检测方法：Fryze时域分析检测方法的基本原理是基于将非线性负载的电流分解为两个正交分量，一个是有功电流分量，二是广义的无功电流，包括各种谐波电流。该检测方法的缺点是：因为Fryze功率定义是建立在平均功率基础上的，用此种方法求得的瞬时有功电流是几个周期前的电流值，因此该方法具有很大的滞后性，延时性，实时性不好等缺点。本文采用的无功电流检测方法•dq坐标变换检测法假设三相电网电压对称平衡无畸变，则三相电压的瞬时值可表示为：sin2sin32sin3ambmcmeEteEteEtTabceeeeTabciiii令：将三相电流采用对称分量法分解可得：nnI,上式中，当n=1时，表示基波正序、负序及零序分量为电压的角频率，分别为各次电流的有效值及初相角。00100100sinsinsin22sinsinsin3322sinsinsin33annnnnnnbnnnnnnncnnnnnnniIntIntIntiIntIntIntiIntIntInt1•将三相电流进行dq0坐标变换：0daqTbciiiCiii22coscoscos33222sinsinsin333222222TtttCttt无功电流检测原理•其具体的工作原理为：三相电流通过与线性变换矩阵作用产生三相基波正序电流，然后经过低通滤波器LPF滤除低频信号，通过Park反变换，得到三相基波正序瞬时电流，用三相系统的总电流减去三相基波正序瞬时电流得到需要补偿的电流分量值。,dqii改进方法•当三相系统出现不对称运行时，A相电压的初相角与A相正序电压的初相角出现一定的偏差，锁相环PLL提取的A相电压信号就不是所谓的A相正序电压，产生的相位偏差导致了对无功电流的检测产生了一定的误差，在此基础上，本文对传统的检测方法进行了改进，采用LPF及结合对称分量矩阵对不对称电压进行提取，提出A相电压正序分量，然后再提取正余弦信号，其原理框图如下所示：系统相关电路设计1.SVG主电路的设计2.IGBT器件的选择3.信号调理电路设计4.PLL锁相原理框图设计主电路设计CV1VD1V3VD3V5VD5V2VD2V4VD4V6VD6LC1ABC电网R本电路选用三相电压型逆变电路，逆变部分采用IGBT与二极管反并联的三相电压型桥臂，整个装置的逆变电源由直流侧电容提供，为防止电网经整流向直流侧电容充电产生很大的冲击性电流，损害电流半导体器件，在直流侧电容与三相桥臂之间串联一个限流电阻。IGBT器件的选择•IGBT电力半导体器件在主电路中起着电压变换的作用，其耐压程度、最大电流、及电流容量决定着整个主电路的设计成本，因此适当选择开关器件型号，可以有效的、合理的减少电路搭建的复杂程度及设计成本。•直流侧电容电压为：•IGBT确定方法dEVEEsd51338035.135.1SVG输出的电压最大值：VEEdax444513866.023ImSVG输出电压实际的有效值：VEEaxI28395.095.024442Im95.095.0式中，为最大调制度，取，为死区产生影响系数，取在5kvar的额定容量下的输出线电流NIAEQIIN2.10328350003•通态峰值电流mIAIINm4.142.1022在选择器件时要留有一定的容量，考虑到1.5~2.0倍安全系数，因此取额定电流值为25A。SVG直流侧电容电压dEdmEE58.1根据以上IGBT计算，可以选择型号为PM25RSB120的IPM（25A，1200V）。不同容量SVG的IGBT型号SVG容量IGBT型号单链节功率损耗6MFF650R17IE416647MFF650R17IE420528MFF800R17KE322169MFF800R17KE3261210MFF1000R17IE4279211MFF1000R17IE4318012MFF1000R17IE43588信号调理电路•信号预处理模块是检测电路的核心部分，对于TMS320LF2407A型DSP芯片，其工作电压为3.3V，而其内部A/D转化模块的基准电压值为0~+3.3V，通过电流互感器或电压互感器从电网测采集的信号为交流电，故在接入芯片前要经过一定的处理电路，达到芯片电压基准安全范围时再接入ADCIN引脚。•本文在充分考虑成本及检测精度的基础上，采用型号为HPT303-2mA/2mA跟踪型电压传感器，其额定一次电流为2mA，二次绕组会产生一个2mA的电流，比差允许±0.1%，角差允许±10’，零负载。2mA/2mA是指互感器额定电流比，可以工作于10mA/10mA以下的任何工作点,其典型的电压预处理电路如图所示：INOUT互感器00000OP07HPT303D1D2R1R2C0R3R4C1U0输入电压R5R6参数设置：设运算放大器的输入电压为，输出电压为iU0U则限流电阻1R的大小为max102.5URrmAinU0r0220r220inUVmax2311inUUV其中为电网输入电压，即互感器一次电压，为互感器一次直流电阻，对于HPT303型互感器，取取输入电压,则电压峰值1RK=124.18根据运算放大器虚短虚断性质532RRK460.6RRKPLL锁相模块tVo在本设计系统中，锁相环主要完成的功能就是实现对输入信号的频率跟踪，其输出信号即作为ADC模块转化触发信号，又作为事件管理器（EVA）的时钟输入信号，使之产生随电网频率变化的SPWM波，达到精确控制的目的。施加到相位比较器有两路信号，一路为输入信号，另一路为经分频器输出的，两者比较输出电压信号经低通滤波器（LPF）产生一个平均电压来控制压控振荡器的频率变化，产生一个高频信号，经分频后反馈进PC，分频器的分频功能主要由计数器组成，通过不断减小计数值对频率进行锁定，当锁定以后，VCO能使输出信号的频率跟随输入信号频率的变化。tVctVi其工作原理为：TI/AA相电流波形PLL采集A相电流波形下一步工作1.设计主电路的控制驱动电路及保护电路。2.对SVG主要模块搭建仿真模型，利用SIMULINK/SystemPower进行仿真,并编写程序控制流程图。主要参考文献[1]尚晨旭，基于DSP的新型静止无功发生器的研究[D],2006.[2]刘华东，基于DSP的SVC控制系统设计[D],2008.[3]庄文柳，张秀娟，刘文华等，静止无功发生器SVG原理及工程应用的若干问题[J],华东电力，2009,37(8).[4]金江，张胜达，掘进机SVG动态无功补偿器的原理及仿真[J],电机系统节能，2009,(9).[5]刘文华，宋强，滕乐天等，暂态电压稳定与新型动态无功补偿装置[J],电工技术学报，2007,22(7).[6]赵国鹏,刘进军等.静止无功发生器直流侧电压对无功补偿特性的影响研究[J].西安交通大学学报[J].2010,4,44(04).[7]张志文,申建强等.基于新型全数字锁相环的SVG系统[J].电气传动.2010,40(10).[8]王兆安,杨君,刘进军,王跃.谐波抑制和无功功率补偿[M].机械工业出版社，2006.感谢各位老师提出宝贵的意见！