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1、TheResearchofControlStrategyandAchivementonStaticVarGenerator(SVG)Speciality:ControlTheoryandControlEngineeringName:MaHaiboSupervisor:ProfessorWangDongyun,WuFuzhuanAbstractWiththeadvancementoftechnologyandtherapidsocio-economicdevelopment,particularlyinthelargenumberofapplicationsofcomputer,microcon
2、troller,theuserofthepowersystemisnotonlyrequiretoincreasethetotalelectricityconsumption,butalsowanttoimprovethequalityofthepowersupply.Duetotheinductiveloadandtheimpactloadinthegridaremore,althroughtheyfacilitatetheeconomicdevelopmentandourlife,buttheyhavebroughtalotofreactivecurrentandharmoniccurre
3、ntintothegrid,seriouslyimpactonthequalityofpowersupply.Therefore,reactivecurrentcompensationandharmoniccurrentsuppressionhavebecomethethemainresearchfocustoincreasingthepowerquality.Thispaperchoosedthereactivecurrentcompensationasareaserchdirection,selectedtheStaticVarGenerator(StaticVarGenerator,SV
4、G)astheresearchprojectscarriedoutin-depthresearch.ThepaperfirstdiscussedthebasicprinciplesoftheSVGanditsmaincircuitdesign.Thereal-timedetectionofreactivecurrentisoneofthekeytechnologiestoachieveSVGThepaperdeducedp-qDetectionmethodandid-iqDetectionmethod.Thesedetectionmethodsneedtousethelow-passfilte
5、r.Thepaperstudiedtheparametersofdigitallow-passfilterdesignanditssoftwareprogramming.Forthemanytimeszerocrossingphenomenoninthethegridvoltagezero-crossingdetectioncircuit,Thepapergaveanewphase-lockedloopcontrolstrategy.TheSVGmathematicalmodelandcontrolstrategyisanotherkeytechnologytoachieveSVGThepap
6、erdeducedthemathematicalmodelandcontrolprincipleofSVGindqcoordinates,andreaserchedtheconcreterealizationofthePWMpulsewidthcontroltechnologyforcurrenttrackingcontrol.GavetherelationsofatrianglewavecomparisonandaSPWM(SinusoidalPWM),reaserchedtheHysteresiscompare,smaximumswitchingfrequencyinthree-phase
7、system,analysedtheSVPWM(SpaceVectorPulseWidthModulation)algorithmanditssoftwareimplementationprocess.Finally,developedaSVGexperimentalsystem,introducedsomeofthekeyhardwareandsoftwareimplementationofSVGexperimentalsystem,basedonhysteresiscontrolstrategy,havedonetheexperimentalresearchandsimulation.Ke
8、ywords:StaticVarGenerator;InstantaneousReactivePower;CurrentTrackingControl;Filtering目录1 绪论11.1 课题研究背景及意义11.2 SVG的研究现状及趋势21.3 论文的研究工作介绍42 .SVG系统设计.52.1 SVG与传统无功补偿装置的比较52.2 SVG的基本原理及结构72.3 SVG主电路的设计92.3.1 主电路电力电子器件的选取92.3.2 直流侧电容的选取102.3.3 交流侧连接电感的选取与设计123无功电流指令的检测141.1 基于瞬时无功功率理论的无功电流指令检测141.2 数字低通滤
9、波器参数的选取191.3 锁相环214 SVG装置的控制策略234.1 SVG装置在同步旋转坐标中的模型及其控制234.2 PWM脉宽控制技术264.2.1 SPWM及三角波比较技术274.2.2 三相滞环PWM技术294.2.3 SVPWM335 .基于DSP2812的SVG实验系统405.1 硬件电路405.1.1 电压和电流采样调理电路405.1.2 电网电压的过零点检测电路435.1.3 通信串口扩展435.1.4 对SVG装置的保护445.2 基于DSP的软件编程445.2.1 主程序445.2.2 无功电流检测子程序455.2.3 比例积分(PI)调节器的软件实现465.2.4 构
10、造DSP实验系统的RTW开发环境475.3 仿真及实验结果485.总结与展望526.1 总结526.2 展望52参考文献53附录：研究生阶段发表论文56致谢571 .绪论1.1 课题研究背景及意义随着经济的发展，整流器、变频器、中频电炉、焊接直流电源、高速铁路等新技术不断投入到生产、生活之中。新技术的使用固然给人们带来了方便，但是这些新技术、新产品广泛使用之后对电网带来了很多的冲击，使电网的电压、电流波形发生了畸变，造成了严重的电能质量问题。同时，随着工业技术的发展和电脑及智能控制设备的广泛使用，用户对电能质量也提出了很高的要求。特别是在重工业的生产中，如果突然断电，会造成生产设备、原材料等巨
11、大的经济损失，也可能会给生产人员带来很大的人身危害。电能质量的高低直接关系到国民经济的健康运行。怎么样提高电能质量，己成为迫切需要研究和解决的一个重要课题。提高和改善电能质量是电网可靠高效运行的必备条件。但是，在经济高速发展的今天，电能质量问题不仅仅关系到电力系统的运行，更关系到生产设备的可靠运行和生产的安全进行，关系到整个经济的健康运行和国家的发展战略。因此，对电能质量的控制技术的研究及对电能质量调节的相关设备的研发具有重要的生产和战略意义，成为目前电气工程、控制理论、电力传动等学科的研究热点之一。1986年，N.G.Hingorani提出了柔性交流输电系统(FACTS)该技术不断采用新器件
12、，装置向高压大容量和中低压这两个方面发展。其中，中低压方向的装置用在中低压配电网中，为了提高用电户的电能质量，是一种面向用户的电能质量提高技术，N.G.Hingorani在1988年提出了用户电力技术(CUStompower)这个概念。用户电力技术能按照用户特定要求，运用现代电力电子技术、计算机技术和控制技术等的综合技术，为用户提供满足要求的电能质量控制技术。我国学者也对此做了大量的研究。用户电力技术W是运用电力电子技术、电路理论、微机技术、控制理论等于中低压配电中，来减小谐波，提高无功功率，消除电压闪变、跌落，电网短时中断时给设备供电，从而提高电能质量的综合技术。静止无功发生器(SVG)是运
13、用该技术的电力装置之一。在电力系统中，由于电网负载普遍含有线圈等感性负载，所以电网中含着大量的感性无功功率。虽然这些感性负载对经济发展起着巨大作用，但其引起大量的无功电流，不利于电网和用电设备的运行，造成如下影响：增加无功电流，会引起负载电流的增加，进而引起用电设备视在功率的增加，从而使发电厂的发电机、供电系统的变压器的容量增加和输电线路导线线径加粗；这些无功功率在于发电机等电源交换功率时，会在输电线路上形成一定的损耗；增大供电系统输电线路的电压降，造成用户端使用电压降低；如果大量无功负荷突然加到电网中，则会对电网形成冲击，使电网电压大幅波动，严重影响供电质量。正是因为电网中存在大量的无功功率
14、，且其对电网和用户用电设备的影响，使得无功补偿装置在电网中十分普遍，传统的无功补偿设备一般都用晶闸管投切电容器组或者是固定电容器+晶闸管控制电抗(SVC)的形式，但这两种无功补偿方式的体积偏大，动态响应速度慢，使用不太灵活。这使得SVG在提高中低压配电网电能质量中颇受关注。与以往的无功补偿装置相比，SVG有响应时间快，不会谐振短路，可以发出连续可调的感性或容性无功等优势。目前，用于中低压配电网的SVG装置多使用IGBT器件。这类新型电力电子器件可以有较高的开关频率、较低的功率损耗、运行效率高，使PWM调制技术可以在中低压中小容量的SVG中使用。目前，基于电压源型逆变器(VSD结构的SVG得到了
15、深入的研究。1.2 SVG的研究现状及趋势目前，美国、日本等工业发达国家的研究起步早，已经有SVG的工业产品投入到配电网中运行。而我国目前对SVG的研究还处于起步阶段，处于理论和实验研究的阶段，离大量的工业化应用还有一定的距离，相关理论和关键技术还需要进一步深入研究。SVG是通过公共连接点(POimOfCommonCoupling,PCC)连接到电网和负载的。SVG一般由检测装置、控制器、电力电子开关器件、输出装置等构成。检测装置检测变流器的输出电流和负载的电压、电流，并送给控制器；控制器从这些基本信息里面运算出需要补偿的无功电流和有功电流作为指令产生功率器件的驱动信号。根据电流指令调节SVG
16、产生需要的电流的控制方法分为直接控制和间接控制两类叫其中，间接控制方法是将SVG作为一个等效交流电压源，通过控制该电压源的相位和幅值来产生需要的电流，一般用于容量较大的场合。而直接控制方法就是采用PWM控制方法对电流进行实时反馈，跟踪。直接控制方法的响应速度、控制精度远远超过了间接控制方法。这种控制方法将SVG看作是一个受控电流源，使实际电流实时跟踪直流电流，要求功率器件有较高的开关频率。SVG系统是一个典型的两输入、两输出系统，有电网电压、直流侧电容电压这两个输入和无功指令、有功指令这两个输出，并且有功和无功这两个通道存在着耦合。SVG系统采用直接电流控制时，传统的方法有电压外环、电流内环的
17、双环Pl控制策略。但这种控制器中包含多个Pl控制器，Pl参数难以整定。而新的采用现代控制理论以及智能控制理论的控制策略虽然在算法上有很大的突破和提高，但从这些控制策略的实现以及工业化应用来说，仿真容易实现，实际应用中还有很大问题需要解决和提高。采用成熟且性能优良的控制策略仍然是工业应用的方向，同时也是需要进一步研究的问题。在SVG的跟踪控制方法中，比较常用的有滞环比较、三角波比较方式。滞环比较属于实时控制，响应快，在滞环环宽固定时的电力电子器件的开关频率不固定。三角波比较方式的响应速度比滞环比较方式响应慢，误差较大，但是电力电子器件的开关频率等于三角波的频率，开关频域可以固定不变。滞环比较和三
18、角波比较各有不同的特点和优缺点。目前，由这两种基本跟踪控制方法衍伸出来的跟踪控制方法也很多，但没有哪一种方法被公认为可以替代这两种基本跟踪控制方法。因此，还需要对跟踪控制方法做进一步研究，才能制造出性能更加优良的控制器。负载补偿电流的检测速度和精度影响整个SVG系统的性能。因此，需要对负载补偿电流检测算法进行深入广泛的研究。很多学者在这方面做了大量的研究工作，提出了许多新的思路、思想以及方法。补偿电流的检测精度和检测速度是这个领域的研究方向。目前主要的检测算法有基于瞬时无功功率理论的检测算法、基于小波变换的算法、基于快速傅里叶变换的检测算法等。其中，基于赤木泰文提出的瞬时无功功率理论的检测算法
19、获得了广泛地应用。基于瞬时无功功率理论的检测方法一般有pq法和id/法这两种运算方式。在电压平衡且无畸变的情况下，这两种检测方法都能精确地检测出谐波、无功量。而在电压不平衡或发生畸变条件下，两种检测方式都会有检测误差。所以，快速、高精度、适应性强的检测算法是无功电流指令检测未来的研究方向。在提高SVG系统性能的同时，也需要对SVG系统的安全可靠性作进一步的研究。SVG系统的可靠性与所用电力电子器件的驱动以及保护息息相关。目前，应用到SVG系统的电力电子器件主要有IGBT和IPMo其中IPM的驱动以及保护与电力电子器件集成在一起，可靠性有了很多提高。但是，从工业应用及研发的实际成本出发，研究IG
20、BT的驱动及保护更有现实意义。IGBT是在GTo和MoSFET的基础上发展起来的器件。GTO容量大，耐压高，但是开关频率低；MOSFET开关频率高，但是功耗大，耐压低。IGBT集中了这两种器件的优点。由于IGBT开关频率高,使SVG系统采用滞环比较、三角波比较、电压空间矢量、直接功率控制等方法成为可能。随着SVG系统的容量越来越大，大容量IGBT驱动电路、过压保护缓冲电路的设计，选择缓冲电路参数等成为新的研究课题。IGBT驱动电路大致分基于元件和基于驱动模块的两种结构。目前，大多采用基于模块的驱动电路结构。对IGBT进行保护的缓冲电路分为无源缓冲电路和有源缓冲电路两种方式。其中，无源缓冲电路因
21、为结构简单、性能可靠而被广泛应用。而关于缓冲电路的参数设计及优化的研究目前尚处于起步阶段。综上，无论从SVG的控制方法、检测方法，还是从其保护来说，基于VSl结构的SVG系统离大范围的工业应用还有很大的距离，许多理论和技术的实现还需要进一步探索。1.3 论文的研究工作介绍论文第一章SVG的选题背景进行了介绍。第二章对SVG的基本原理和装置的主电路设计进行了研究分析。第三章然后对SVG的关键技术之无功电流指令的检测进行了介绍及具体实现的深入研究。无功电流指令的实时检测是建立在瞬时无功功率理论的基础上，其中涉及到低通滤波器和锁相环，给出了用Matlab设计低通滤波器参数的方法和具体的编程注意事项。
22、第四章分析了SVG装置在同步旋转坐标下的模型和控制策略，并给出了实现SVG功能的电流跟踪控制的几种PWM脉宽调制技术，分别对三角波比较、滞环比较和空间电压矢量技术(SVPWM)进行了深入阐释，并着重分析了滞环比较的最高开关频率、控制算法等。第五章给出了基于TMS320F2812型DSP的SVG系统的实现方法，分硬件电路和软件编程两部分进行了阐述。第六章对论文所做工作进行了总结，并且对于还需要进一步深入研究的内容进行展望。论文的主要工作及创新如下：(a)完善了SVG装置在旋转坐标下的系统模型和控制策略；(b)研究了三相滞环比较算法的最高开关频率；(c)给出了更易于现场应用的二阶巴特沃斯滤波电路元
23、件参数设计方法。2 .SVG系统设计本章先对传统无功补偿装置和SVG装置进行了比较，指出了SVG装置的优越性。然后介绍了SVG的基本工作原理及系统构成，同时就SVG系统主电路的设计进行了分析。2.1 SVG与传统无功补偿装置的比较SVG相对于传统的SVC等其他无功补偿装置，其有更快的调节速度，更宽的运行范围，可以使用先进的PWM调制技术、多重化技术或多电平技术等来使无功补偿电流中的谐波电流含量大大减少。更值得研究和推广的是，相对于SVC等无功补偿装置，SVG系统中使用的电感、电容组件的容量更小，这样就可以是无功补偿装置的成本及体积大大缩小。此外，相对于传统无功补偿装置，SVG装置有优良的动态补
24、偿性能，能够实时动态可调地补偿负载中变化的无功电流，体现了无功补偿的新技术和无功补偿装置新的发展方向。其中，SVG与SVC的无功补偿原理是基本一致的，但是由于主电路拓扑结构和使用元件的不同，SVG相对于SVC具有突出的优点，具体表现在：（1）连接电抗器电压源型SVG是通过连接电抗器接入电网。SVG的输出连接电抗器主要用来滤除桥式逆变器输出的高次谐波和缓冲SVG与电网之间的电流冲击，需要的电感感值远小于同容量的SVC装置所要求的电感感值。SVG装置如果使用耦合变压器接入电网，可以进一步利用耦合变压器的漏抗，减小需要的连接电抗器的感值网。（2）谐波谐波问题一直都是困扰传统无功补偿装置的大问题。在传
25、统无功补偿装置中，一般要加大电抗等来滤除谐波，或通过多相整流来达到减小谐波的目的，但这些方法增加了无功补偿装置的体积和成本。同时因为电网电压的扰动和负载的无功功率变化，使各种谐波抑制方法和装置的抑制效果难以达到满意的程度。而SVG装置通过使用可以使用先进的PWM调制技术、多重化技术或多电平技术等来使无功补偿电流中的谐波电流含量大大减少，是谐波抑制效果达到令人满意的程度。（3）储能电容从理论上讲，电压源型SVG的直流侧可以不用储能电容。但是由于SVG中所使用的桥式变流器输出的电流不只含有正弦基波，还有一定量的谐波，该谐波使得少量无功能量在直流侧电容和电网之间往返。同时，由于SVG所使用桥式变流器
26、中电力电子器件的损耗，需要在SVG直流侧增设储能电容，以保证桥式变流器能够正常逆变输出，同时由于直流侧电容上也会有一定的损耗。而传统的SVC等无功补偿装置，其所需的储能电容的容量至少要保证能够提供足够的无功功率。因此，SVG系统中需要的储能电容远比同容量的SVC等装置要小得多。（4）运行范围图2.1SVC的电压-电流特性图2.2SVG的电压-电流特性如图2.1所示是SVC装置的典型的伏安特性。其特性图左边的斜线，是在电力电子开关器件不导通时，仅有补偿电容与电网并联连接时的伏安特性；特性图右边的斜线，是在电力电子开关器件完全导通时，电抗器串接到电网上，与并联电容一起作用时的伏安特性，其提供的无功
27、功率是电容器与电抗器上的无功功率相互抵消之后的净无功功率。从特性图上可以看出，SVC装置运行在一个向下缩小的三角形区域，电压减低，SVC装置的容量也会很快下降。同时，可以看出SVC装置能提供的最大容量受电容和电抗器的限制，当要求补偿的无功功率为感性无功功率时，必须保证电容器的容量小于电抗器的容量。图2.2是SVG装置的典型伏安特性。该伏安特性图的左边虚线是SVG装置能够产生的最大容性无功电流，右边虚线是SVG装置能够产生的最大感性无功电流。从图中可以看出，电网电压下降时，沿着SVG装置的伏安特性曲线移动就可以调整期输出的无功电流，保证最大感性无功电流/,皿和最大容性无功电流/加Or不变，SVG
28、装置运行于一个近似矩形的上下等宽区域。电网电压下降时，SVG装置可以保证输出的无功电流不变，这是SVG装置相比于SVC装置的一个很大的有点。2.2 SVG的基本原理及结构(a)电压型桥式电路(b)(b)电流型桥式电路图2.3SVG的主电路结构如图2.3所示，SVG的主电路结构主要有两大类：电压型桥式电路和电流型桥式电路。电压型桥式电路的直流侧是一个电容，能够给逆变提供稳定的电压，其直流侧等效为一个恒压源，因此，称此类电路为电压型桥式电路。而电流型桥式电路的直流侧是一个电感，能够为逆变提供稳定的电流，其直流侧等效为一个恒流源，因此，称为电流型桥式电路。但目前大多数SVG装置的主电路结构采用电压型
29、桥式电路，电力电子器件采用IGBT、IPM等。其主要原因是：电流型桥式电路的续流能力强，因此需要具有强有力的反向阻断能力的电力电子开关器件，而常用的电力电子开关器件的反向阻断能力不怎么好。因此使用电压型桥式电路可以避免这种限制，使用常用的电力电子开关器件。一般情况下，电感比电容更容易损耗，所以直流侧采用电感的电流型桥式电路要比直流侧采用电容的电压型桥式电路的损耗大。为了做高效节能的SVG装置，实际使用中常采用电压型桥式电路。一般电容上的电压都不能突变，因此直流侧为电容的电压型桥式电路的直流侧母线电压稳定，可以很好的保证逆变输出，同时也可以防止加在电力电子开关器件上的电压突变而形成过压烧坏功率器
30、件，而电流型桥式电路的直流侧电压却不恒定，造成其桥式电路中用的电力电子开关器件要设计必要的电压保护电路，或者考虑其他稳压措施。本文主要研究的是采用电压型桥式电路结构的SVG装置，如图2.3(a)所示,其主电路主要由直流侧电容、三相桥、输出滤波器组成。直流侧电容的主要作用是为SVG装置提供一个稳定的直流工作电压。(a)SVG的单相等效电路(b)SVG基本工作原理图2.4SVG的单相等效电路及工作原理电压型SVG单相等效电路及工作原理如图2.4所示。SVG可以等效地被视为一个可控的交流电压源，其频率、相位与电网相同，幅值大小可调。SVG装置通过电感与电网相连。如图2.4(b)所示，当SVG输出电压
31、幅值超过电网电压幅值时，电感上的电压将会与电网电压反相，根据电感的电流滞环电压90的性质，可以得到超前于电网电压的电流，这时，SVG发出容性电流；同理，当SVG输出电压幅值小于电网电压幅值时，电感上的电压将会与电网电压同相，根据电感的电流滞环电压90的性质，可以得到之后于电网电压的电流，这时，SVG发出感性性电流。可以看出，改变SVG输出电压的大小，就可以使SVG发出感性或容性电流，从而补偿感性或容性无功负载。图2.5SVG系统结构示意图SVG系统结构示意图如图2.5所示。这里，需要对负载电流、SVG输出电流、电网电压、直流侧电容电压进行检测，检测到的信号经过调理电路之后，送到控制器里进行控制
32、策略的处理，然后再经过PWM脉宽调制给IGBT驱动信号，来控制IGBT的导通。从控制方法上看，SVG系统的控制可以分为直接电流控制和间接电流控制两种方法。直接电流控制就是将SVG系统等效成一个可控的交流电流源。而间接电流控制就是将SVG系统等效成一个可控的交流电压源。间接电流控制是通过控制三相逆变器输出基本电压的幅值和相位来实现的，多用于容量较大的应用场合。直接电流控制是对实际电流进行实时反馈，通过和指令电流的比较，采用滞环比较、三角波比较等PWM控制技术来控制输出电流。同时也可以在直接电流控制中引入瞬时无功功率理论，采用dq坐标变换将三相电流反馈值转换成有功和无功两个分量，并与给的的有功、无
33、功指令进行比较，然后通过Pl调节输出之后采用三角波比较或电压空间矢量技术进行调制，从而产生驱动信号，使实际电流无稳态误差地跟踪指令电流，因为指令电流/、和反馈值i、i在稳态时都是直流信号。另dqdq外，直流侧电压由于实时补偿电流的变动和系统损耗的产生，不能保持在一个稳定值。为了使直流侧电压保持稳定，需要直流侧从电网吸收有功电流。这个有功电流指令可以通过直流侧电压给定值和实际反馈值进行比较后经Pl调节输出。该方法如图2.6所示，图中U,为直流侧电容电压的指令。*PWM案网金现图2.6SVG的直接电流控制SVG装置的控制目标是可以有效的补偿系统无功，同时使直流侧电容电压稳定，有较快的电流跟踪速度，
34、从而具备快速的系统响应速度。2.3 SVG主电路的设计如果忽略SVG装置的内部损耗，则SVG装置的容量如下式表示Q3Es(Ul-Es)X(2.1)式中，。为SVG装置的输出容量，线为电网相电压有效值，U,为SVG装置桥式变流器逆变输出相电压的有效值，X为SVG装置输出连接电抗器的电抗。2.3.1 主电路电力电子器件的选取为了在实际应用中使SVG系统既能满足性能要求，又能降低成本，需要对主电路的电力电子器件进行合理选择。对电力电子器件的选择，主要依据SVG系统的容量。目前，电压源型SVG装置的大多采用IGBT作为主电路的电力电子开关器件，主要涉及到器件的允许耐压等级和额定电流这两个参数的选择。I
35、GBT的耐压等级的选择取决于SVG装置的电路拓扑结构和直流侧母线电压UdCo对于二电平的桥式电路而言，IGBT承受的最大电压为直流侧母线电压Udco考虑要留有一定的电压裕量，取电压裕量为2,则可以使IGBT耐压等级为直流侧母线电压Ua的2倍，这样一般可以满足SVG装置的安全运行要求。IGBT器件的额定电流决定于SVG装置的补偿电流值峰值M考虑留有一定的电流裕量，通常补偿电流值峰值乙*的1.5倍为IGBT的额定电流。2.3.2 直流侧电容的选取在SVG系统中，补偿电流是由直流母线电压经三相桥变流器逆变输出的电压与交流侧电网电压的形成的差值在输出滤波电感上作用而产生的。很大程度上，直流母线电压决定
36、了SVG的电流补偿能力。同时，直流侧电容的容值大小对直流侧电压的波动有很大的影响。为了使三相桥变流器有较好的性能，就需要规定直流侧母线电压的纹波大小。因此，需要从电容的耐压值和电容容值这两个方面来选择直流侧电容。(1)直流侧电容的耐压正常工作时，SVG输出的补偿电流变换率要指令电流的变换率，这样才能实时地对指令电流进行跟踪。在忽略线路电阻的条件下，。相输出电流为下式：dlca=1(g-ku)dtLadc(2.2)式(2.2)中，k是桥式变流器输出电压相对于直流侧母线电压的开关系数，对于三相平衡负载，该系数一般取2/3或者1/3；戊3力是电压源型SVG装置的交流侧输出补偿电流的变化率，该电流变化
37、率应该大于或等于负载无功电流的变化率，这样电压源型SVG装置输出的无功补偿电流才能够对变动的无功负载电进行实时快速跟踪。对于电压源型SVG装置来说，或力是一个很重要的性能指标。设,是a相的无功补偿电流指令值，令*=晨sin(3f),心为补偿无功电流峰值。负载电流的无功电流一般也是一个正弦量，其电流最大变化率出现在过零时刻，所以，最大无功电流指令的变化率M为/On在三相三线制SVG装置中(忽略信号传输中的延迟和死区时间)，当逆变器的a相上桥臂开关关断，下桥臂开关导通，逆变器输出电压为-心/3或-2U&/3,使实际电流下降；逆变器的a相上桥臂开关开通，下桥臂开关关断，逆变器输出电压为+U3或+24
38、/3,使实际电流上升。当上桥臂开关导通，下桥臂开关关断时，考虑最小逆变输出电压+UJ3,这时电流变化率为正，有diUdCBdtL(2.3)式中，U为直流侧电容上的电压；设e=Ecos为电网a相电压瞬时值，E为电网a相电压峰值；L为逆变器输出与电网的连接电感感值。当上桥臂开关关断,下桥臂开关导通时，考虑最大逆变输出电压-Ua/3,此时电流变化率为负，有dia=-UdcBia4-一l(2.4)SVG装置直流侧电压稳定后，有功消耗很小，忽略SVG装置中的损耗，假设负载为感性负载，有功指令为零，无功指令为，即为负载的无功电流峰值，这时a相电流指令为k=/疝次，滞后电网电压的角度为90。，要想获得完全可
39、控的滞环跟踪效果，必须保证dlJ叫力miT力I(2.5)由式(2.3)(2.4)(2.5)得(2.6)(2.7)一03cosrL化简得UdC3(+E)cosz公式(2.7)对b、C相均成立。由于a、b、C三相相互耦合，所以只要任意两项完全可控，则另外一相滞环电流跟踪就会可控。当，二时，a相电流变化率最大。此时，只要b、C相的电流完全可控，则a相的电流也是可控的。b、C相此时的相位分别为-120、-240,b、C相要完全可控，应满足公式(5),有3(jc-(+E)(r=0)2(2.8)(2)直流侧电容的容值电容在控制系统里面相当于一个大惯性环节，从提高控制性能的角度来看，电容容量越小越好，这样可
40、以保证电压外环的快速跟随性，但从抗干扰性能的角度来说，电容容量越大就越能抗干扰，越大越容易有效抑制电网或负载扰动时对直流侧母线电压的影响。无功补偿电流在最大值时完全由电容提供，忽略有功损耗，则电容C的VCR关系满足：U&=-2I/(2.9)C当要求电压波动小于3%时，贝hUdc2%Udc(2.10)-y2It3%U(2.11)CdcCL(2.12)0.0212UdCfi其中：I为SVG输出补偿电流峰值，U为直流母线电压Edc2.3.3交流侧连接电感的选取与设计在SVG装置中，连接电抗器不但要缓冲电网电压与SVG桥式变流器交流侧输出电压的差引起的冲击电流，同时还要对桥式变流器交流侧输出电压进行滤
41、波以得到基波电压波形，并且连接电抗器L的大小还关系到SVG装置的补偿性能。所以要在选择连接电抗器L大小时要综合考虑。在选择交流侧连接电抗器时，要按照下面的两条原则进行选取：(1)应该限制无功补偿电流的电流波动大小在要求范围之内：连接电抗器的电感值越大，补偿电流的波动就会越小，但同时电流跟踪补偿能力也会下降。(2)在指令电流最大变化率处，应使SVG装置的补偿输出电流能实时跟踪指令电流：连接电抗器的电感值越小，交流侧输出的补偿电流的变化率就会越大，SVG装置的响应速度越快，实时补偿能力就好，但此时输出补偿电流的波动也会越大；反之亦然。连接电抗器的电感要根据跟踪补偿性能和补偿电流波动大小这两方面的要
42、求来进行适当取值。SVG装置跟踪无功补偿指令电流的能力对其补偿性能有很大的影响，如果输出的无功补偿电流不能对指令电流进行实时跟踪，则SVG装置就不能对负载的无功电流进行很好地动态补偿。选取连接电抗器的电感值时，需要使SVG装置输出的无功补偿电流变化率大于指令电流的最大变化率，以保证电流跟踪能力。同时，连接电抗器的电感参数对直流侧母线电压有影响。目前，对连接电抗器的参数选择没有统一的理论和公式，若以SVG装置的容量为标准，则选取连接电抗器为其容量得出的电抗器参数的10%-20%o在实验当中，设计出来电抗器参数之后，为了节约实验成本和实验的灵活性，可以考虑自己绕制电感，设计步骤如下：1 .先选取磁
43、芯，并查找磁芯的磁导率，如77440A7的磁导率为A=59NhN2,即绕一圈59nHo2 .然后计算电感储能如下：12W=LI2亦(2.13)其中，/例为最大通过电流(峰值)。3 .计算窗口面积与铁芯截面积乘积APAP与电感储能之间的关系为：2W*102p(2.14)KmBmJ其中，K,为窗口面积填充系数，一般在0.3-0.6之间，可取0.45；J为电流密度，一般铜线为400650Acm2,可取450Ac;B为磁通密度，大小和材料有关，铁硅铝最高位10500GS,可取练=9000G54 .计算电感绕线匝数N=产电磁线选取，如取导线的通电,力为4A,则导线截面积为4/J。3无功电流指令的检测用户
44、对电网电能质量的要求随着经济的发展越来越高，为了满足这些要求，就要求SVG装置具有更快的响应速度。而无功电流指令的实时检测在很大程度上决定了SVG装置的动态性能。因此，提高无功电流指令的实时检测速度，是提高SVG装置动态性能的一个关键方法。早期的无功电流的检测是用模拟电路来实现的，存在许多缺点，设计难度大、检测误差大、对电网扰动和模拟电路中使用的元件参数敏感，现在已经很少使用。后来，随着计算机和数字电子技术的发展，开始使用傅里叶分析来检测无功电流。傅里叶分析需要一个周期的信号来进行分析计算，所以需要采集一个电源周期以上的电流信号，加上傅里叶分析计算需要一定的时间，使得这种无功电流检测方法需要较
45、长的时间，检测结果有很大的延迟，只能检测到一个周期前的无功电流，实时性不是很好。80年代初期，日本学者HirOfUmiAkagi提出了瞬时无功功率理论I，基于该理论的无功电流检测方法速度快，实时性高。本章就该检测算法及涉及到的软件滤波、锁相环等进行研究论述。3.1基于瞬时无功功率理论的无功电流指令检测1983年，赤木泰文提出了在三相电路中广泛应用的瞬时无功功率理论。该理论提出之后，得到了广泛的应用。首先，设三相电路的相电压、相电流分别为、/和北、小采用Clarke变换“4】，将三相电压和电流变化到a-。坐标下，该坐标系统两相正交。以相电压为例，取三相系统abc坐标系的a相与a-坐标系的a相同相
46、位，则其关系如图2.2所示。abc坐标系和a-坐标系都是静止的。在abc坐标系中，a轴在时间上超前b轴120o,b轴在时间上超前C轴120oo在-p坐标系中，轴和B轴相互正交。轴的方向跟abc坐标系中的旋转方向一致。图3.1abc坐标系与-坐标系的映射由图3.1可以得到式2.3：Ial(I=kiua+klubcos(120)+krcos(-l20)p=0+kluhsin(l20)+lwe,sin(-l20)(31)如O=HklUa+成1即+成1C式(3.1)中，k、k1.n为待定系数。式(3.1)按照矩阵方程的形式写为：Ua1k1COS(120)cos(-I200)ImI(3.2)1Ml=2S
47、in(120)Sin(-120)U)nnU从式(3.2)中可得到abc坐标系到-坐标系的变换矩阵C32为:(3.3)相对应，从a-坐标系到三相abc坐标系的逆变换矩阵C23为:10U2nC=CT=竺cos(120)sin(120)幺i(3.4)3k、2332cos(-120)sin(-120)_LI2n爆的转置矩阵(C23)T为:1cos(120)cos(-120)I(C23)T=乂0Sin(120)sin(-1200)(3.5)西II1.2n2n2n_以功率不变为原则进行变换，应有：c=(C)根据式3.3、式3.5得到：3223(3.6)所以从abc坐标系到-坐标系的Clarke变换矩阵C32为:(3.7)从a-(3坐标系到三相abc坐标系的逆变换矩阵C23为:1J1(3.8)CT丁一63|22211-1UL22五通过Clarke变换可以从abc坐标系中把零序分量分离出来。在-p坐标系中，零序分量对a轴和轴没有作用，所以，当系统在实际应用中没有零序分量时，在应用Clarke变换或其逆变换时，可以省略掉零序分量。图3.2a-坐标系与dq坐标系的映射在图3.2所示的a-坐标系中，a
