级联 SVG 控制策略研究及FPGA 控制器设计（可编辑）

级联 SVG 控制策略研究及FPGA 控制器设计（可编辑） 硕 士 学 位 论 文级联 SVG 控 制 策 略 研 究 及 FPGA 控 制 器 设 计CONTROL STRATEGY OF CASCADE SVG AND THE CONTROLLER BASED ON FPGA房红娟 哈尔滨工业大学 2012 年 7 月国 内 图 书 分 类 号 :TM341 学校代码:10213 国 际 图 书 分 类 号 :621.3 密级:公开 工 学 硕 士 学 位 论 文级联 SVG 控 制 策 略 研 究 及 FPGA 控 制 器 设 计 硕士研究生 : 房红娟 导 师 : 杨荣峰 申 请 学 位 : 工学硕士 学科 : 电 力 电 子 与 电 力 传 动 所 在 单 位 : 电气工程 系 答 辩 日 期 : 2012 年 7 月 授 予 学 位 单 位 : 哈 尔 滨 工 业 大 学 Classified Index: TM921 U.D.C: 621.3 Dissertation for the Master Degree in Engineering CONTROL STRATEGY OF CASCADE SVG AND THE CONTROLLER BASED ON FPGA Candidate : Fang Hongjuan Supervisor : Yang Rongfeng Academic Degree Applied for : Master of Engineering Electrical Engineering Speciality : Dept. of Electrical EngineeringAffiliation : Date of Defence : July, 2012 Degree-Conferring-Institution : Harbin Institute of Technology 哈尔 滨工 业大 学工 学硕 士学 位论 文 摘 要 随着 人们 对电力需求越来越 大 的 同 时 , 对 电 能 质 量 的 要 求 也 越 来 越 高 ,而 现有电力系统 末端电能质量较差, 无法满足 人们的要求。因此,解决电能质量 问题迫在眉睫 。 目前 ,主要通过 在 负 载 端 、 配 电 网 侧 并联有源滤波器 来 进行无 功补偿 和谐波抑制 以提高电能质量 。 作 为 有 源 滤 波 器 常用的 拓扑结构?级联 H 桥式 SVG , 凭 借 着 其 结 构 紧 凑 、 容 量 易 于 扩 充 、 控 制 器 设 计 简 单 的 优 势 , 已 成 为工程应用前景最为广泛的无功补 偿装置。 因 此 , 研 究 并 改 进 级 联 H 桥式 SVG 的 控制方 案 有着重要的研究意义。 本文以级联 H 桥式 SVG 为 主 要 研 究 对 象 , 首 先 对 其 国 内 外 研 究 现 状 、 应 用背景及常见控制 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 进行了综述 ; 然 后 介 绍 了 本 设 计 所 用 实 验 平 台 , 详 细 介 绍了主电路结构中功率单元 及 常 用 的 调 制 方 式 CPS-PWM 。 其次,本文对 级联 H 桥式 SVG 常 用 的 电 流 控 制 方 式 进行了分析和仿真。 在分析 电流解耦 、 电流滞环 和 dead-beat 等 控 制 的 基 础 上 , 得 出 解 耦 控 制 在 抑 制 谐波时会影响 SVG 的 动 态 响 应 速 度 ; 而 电流 滞环 控制 虽 实 时 性 好 , 但 较 难 在 级 联 H 桥 SVG 中实现; dead-beat 技术结合 CPS-PWM 调 制 方 式 可 与 级 联 H 桥 SVG 的结构进行有机结合, 并且 响应速度快, 最 后 选择了 dead-beat 技术进行直接电 流控制。 同时详细分析了影响相间电压不 平衡的因素 , 通过 仿真研究 了调节参考电 压和调整 PWM 触发脉冲 两 种 常 用 的 相 内 直 流 侧 电 压 平 衡 控 制 策 略 , 得出 前 种 方法 调节复杂不稳定而后者会导致 功率单元 工作频率不一致。进而 提出了一种 新型的 电容电压平衡算法:调节有 功电流以 补偿相间直流侧电压的不平衡;调 节各功率单元瞬时有功以平衡相内 直流侧电 压 的不平衡 。 并把该平衡算法结合 到 dead-beat 直接电流控制 中,提出了 级联 H 桥式 SVG 整套控制策略 , 在实验样机平台上, 对本文所提出的控制方 案进行了验证。 试验中 SVG 每 相用 6 个 H 桥 级 联 而 成 , 分 别 进 行 了 不 同 电 压 等 级 的 测 试 。 实 验 结 果 证 明 在 所 提出的方案下 SVG 的 无 功 补 偿 和 谐 波 抑 制 的 效 果 理 想 , 直 流 侧 电 容 电 压 稳 定 , 运行可靠。 关键词: 级 联 ;H 桥;SVG ; 直 接 电 流 控 制 ;dead-beat ; 电压平衡;占空比 -I- 哈尔 滨工 业大 学工 学硕 士学 位论 文 Abstract The power quality at the end of the existing electric power system is so poor that cannot satisfy the requirement of people. However, the demands for electricity and power quality have becoming more and more high. To solve the problem of electric power quality is imminent. Achieving the reactive compensation and suppressing the harmonic with active filter at the load-side is mainly used to solve these problems. Cascaded H-bridge SVG is the main topology of the active filter with compact topology and less switching devices, compared to the other kinds of converters. Its capacity is also easy to enlarge and the controller is simple to designThese advantages make the type of reactive power compensation device can be the most widely used engineering application. Researching and improving control strategy for the cascaded H-bridge SVG has an important significanceIn this paper, the cascaded H-bridge SVG was the object of study. First of all, its domestic and international status and background were reviewed; then this paper introduced the design of the experiment platform, presenting the main circuit structure of the power unit module and the commonly used modulation of the cascade H-bridge SVG ?CPS-PWM in more detailThen this paper recommended three commonly used current controlling methods, including their principles and simulation results. And summarized that the decouple control technology would low the dynamic response of the SVG speed when surpressing the harmonic current; current hysteresis control technique was of good real-time performance. However, it’s more difficult to realize in the cascade SVG; Dead-beat technique used with CPS-PWM mode can be in combined with cascade SVG, and response fast. Finally, the paper selected the dead-beat technology to control the current directly Meanwhile, on the basis of the analysis for phase-in-phase voltage imbalance factors, this paper compared two commonly used DC voltage balancing control strategies in phase: controlling the reference voltage for the unit; changing the PWM. Based on the analyses, this paper concluded that the first method was not stable and the latter regulation was complex which will lead the power units work at different frequency. The paper proposed one new strategy to realize the balance for DC voltage in each phase by controlling the duty cycle for each unit in every half cycle. At last, the paper proposed a set of control strategy for the cascade SVG by combining the balance algorithm with the dead-beat techniqueFinally, the proposed strategy was verified by experimental results. There were 6 units in each phase. The experimental results show that SVG responds fast under -II- 哈尔 滨工 业大 学工 学硕 士学 位论 文 the control of the proposed strategy when it suppressed the harmonic current and the DC side capacitor voltage was stability Keywords: Cascade; H Bridge ;SVG; Current Direct Control; dead-beat ;Voltage Balance; Duty -III- 哈尔 滨工 业大 学工 学硕 士学 位论 文 目 录 摘 要 I AbstractII 第 1 章 绪 论. 1 1.1 课题研究背景1 1.2 课题研究目的和意义2 1.3 国内外研究现状分析3 1.3.1 SVG 发展历史及研究现状 3 1.3.2 SVG 控制方法研究现状. 5 1.3.3 SVG 应用及发展趋势6 1.4 论文的主要研究内容7 第 2 章 级联 H 桥式 SVG 工 作 原 理 及 实 验 平 台. 8 2.1 引言. 8 2.2 级联 H 桥式 SVG 工作原理及主要拓扑 结 构8 2.1.1 SVG 的无功补偿原理8 2.1.2 级联 H 桥式 SVG 主要拓扑结构..10 2.2.3 级联 H 桥式 SVG 常用调制方法..12 2.3 实验平台介绍.13 2.3.1 系统总体 构成.13 2.3.2 功率单元模块.15 2.3.3 实验平台实物图17 2.4 本章小结..19 第 3 章 电流跟踪控制技术对比分 析..20 3.1 引言20 3.2 电流解耦跟踪控制..21 3.2.1 电流解耦控制原理分析.21 3.2.2 电流解耦控制仿真分析.22 3.3 电流滞环控制.27 3.3.1 电流滞环控制原理分析27 3.3.2 电流滞环控制仿真分析28 -1- 哈尔 滨工 业大 学工 学硕 士学 位论 文 3.4 Dead-beat 控制及仿真分析..31 3.5 本章小结..33 第 4 章 直流侧电容电压平衡控制 策略研究34 4.1 引言34 4.1.1 相间电压不平衡因素分析及常用平衡策 略.34 4.1.2 相内电压不平衡因素分析35 4.2 常用相内电压平衡控制策略..36 4.2.1 调节参考电压的相内电压平衡控制策略..36 4.2.2 调整 PWM 触 发 脉 冲 的 相 内 电 压 平 衡 策 略..39 4.3 电压平衡控制策略的改进方法..43 4.3.1 基于有功电流调整的相间电压平衡控制..43 4.3.2 基于瞬时功率调整的相内电压平衡控制..44 4.3.2 本文所提出的平衡策略仿真分析.45 4.4 本章小结..46 第 5 章 FPGA 控制器设计及实验结果分 析.47 5.1 引言47 5.2 FPGA 控制器设计.48 5.3 系统总体控制方案..50 5.4 实验结果分析.51 5.4.1 功率单元 驱动 测试实验.51 5.4.2 解耦控制实验.52 5.4.3 电容电压不平衡及传统补偿实验.52 5.4.4 本文所提控制方案的验证实验..54 5.4.5 大功率实验..57 5.5 本章小结..58 结 论.59 参考文献60 攻读硕士学位期间发表的论文64 哈尔滨 工业 大学学 位论 文原 创性 声明及 使用 授 权说 明.65 致 谢.66 -2- 哈尔 滨工 业大 学工 学硕 士学 位论 文 第 1 章 绪 论 1.1 课 题 研 究 背 景 改革开放以来,随着国民经济的 迅速崛起, 我国电力事业也得到了极大的 发展,但还存在着电网末端电能质 量较差、 系统运行不够稳定的问题,尤其是 近几年各种大型非线性负载的接入 加剧了这 一矛盾, 现存电力系统已不能满足 人们对电能质量的需求。 人们日常生活所用的家电设备、 医 疗所用设施 及工业生产所需的仪器设备, 大多属于非线性负载,会在负载端 产生无功 功率和电流 谐波,这些都会干扰同 一网络其他负载的正常运行。尤其 是这些设 备的启停过程,都会给网侧带来冲 击,造成电压闪变等电网系统故障 。此外, 近几年网侧类似这些设备的负载被 不断地投入实用,这也挑战了原有 电力系统 的正常运行能力。况且我国电力消 费主力和电力资源分布本就不合理 ,也无疑 激化了电力供需的矛盾。据统计, 我国沿海领域以及华北、四川两省 是消费的 主要集中地, 其中山东、广东、江 苏 、 辽 宁 、 河 北 等 省 用 电 量 就 占 全 国 用 电 量 的 45% ,而 电力相对富裕的省份 多 [1] 集 中 在 内 陆 , 如 内 蒙 、 山 西 、 湖 北 、 云 南 等 地 , 电 力 资 源 分 布 的 不 合 理 激 化 了电力供需 不平衡的矛盾 。 为 解 决 上 述 矛 盾 , 实 现 西 电 东 送 和 南 北 互 供 , 于 2005 [2] 年启动了特高压输电电网工程,截 止到 2010 年已基本实现了全国联网 。 上述所提的 特高压输电电网 工 程 虽 提 高 了 发 电 效 率 , 优 化 了 分 布 不 合 理 的 电力 资源, 但 随着电网规模的日益 增大,逐 渐显现出 一些弊端 来。电网末端的 电能质量较差,供电电网很不稳定 ,易受干 扰。 尤其 当负载端产生的无功功率 注入电网时,会引起电网电压的波 动,例如 电动机在启动期间产生的无功对电 网冲击性很强, 可能导致电网电压 产生剧烈 波动, 甚至会引起局部谐振, 同一 线上的用户 也可能会因此而 无 法 正 常 工 作 , 引起严重事故 。除此之外,负载端 产生的谐波也 会使公共电网中的 用户 产生 附加 损耗,发电、输电及用电设备的 [3] 效率 也 会 降低 。 近 几 年 , 国 内 外 出 现 了 多 次 大 中 型 城 市 大 停 电 事 故 ,停电期 间 ,社会活动、工厂、医院以及公 共居民用 电等生活秩序陷入了混乱状态,也 造成了巨大的经济损失。这种现象 使人们意 识到单纯的扩大电网规模和建设远 距离高电 压 传输已经不能满足社会 的要求。 另 外 , 进 入 21 世纪后传统意义上 的 能源 日 益 匮 乏 , 且 全球温室效应所引起 的气候变化越来越明显 ,人类能源 危 机 意 识 越 来 越 强 烈 ,开始不断研究新型能 源 。 为 了 缓 解 气 候 变 化 对 各 国 生 产 、 生 活 的 影 响 , 各 国 陆 续 出 台 了 发 展 新 能 源 、 -1- 哈尔 滨工 业大 学工 学硕 士学 位论 文 降低二氧化碳释放量的政策。 目 前 德 国 已 经 实 现 了 10% 的可再生能源利用率 , 预计 到 2020 年实现全部能源供给的 18% 来自可再生能源 ; 在国内,国家政府 也大力推行新能源, 尤 其是风力发电产业 近 几 年 得 到 了 迅速 发展 ,2008 年新增 装机容量 已达 6298MW , 总 装 机 容 量 12210MW , 居 世 界 第 四 , 此 外 还 推行了 [4-7] 光伏发电 。 由 于 受 地 理 环 境 等 因 素 的 限 制 , 这 些 新 能 源 多 属 于 分 布 式 能 源 , 分布式的接在用户端 可 减 轻 用 户 对 电 网 的 依 赖 性 。 但这些新能源,特别是风电 会产生大量的无功,并且有着随机 性、间 歇 性 和 波 动 性 的 特 点 , 这 都 会 引 起 网 侧电压波动。 [8] 为了更好的开发利用新能源 , 目前国际上,CERTS 率先提出的微网概念, 用以协调分布式发电与大电网的关 系,最大 限度的利用分布式发电的优势。微 网系统的建立会使系统在发生故障 时,关键 负荷不断电,工厂、医院也可以正 常运行。研究证明,在风电场中配 置无功补 偿装置可实现对系统中无功的动态 补偿并稳定系统电压,向风机提供 励磁所需 的无功,风电机组仅向电网提供有 功。随着电力电子技术的迅速发展 ,半导体 开关器件价格不断下降,使无功补 偿装置的价格也在下 降,在风电场 中增加无 功补偿装置是一 种 新 的 趋 势 。2011 年 7 月 在 南 京 举 行 的 “ 智 能 电 网 与 能 效 ” 国 际 学 术 会 议 上 , 专 家 预 测 在 我 国 “ 十 二五”末,风力等新能源发电将大 规模接入 电网,但必须保证电网安全稳定运 [9] 行,因此必须解决无功补偿,尤其 是进行动 态补偿时的关键技术问题 。 鉴于提高电网安全稳定性的目标 ,同时响应 国家节能减排的号召,提高电 能质量迫在眉睫。 1.2 课题 研究 目 的 和 意 义 最常见的用来 衡量电力系统电能 质量指标 为 供电电压和频率。 要实现 电力 系统的稳定运行 必须将 电 压 和 频 率 稳 定 在 一 定 的 范 围 内 , 常 通过有功功率调节 来实现频率的控制,而电压控制目 前的主要 方法 之一是通过 对系统的无功功率 [10] 进行控制 。 研 究 显 示 ,无功补偿可有效稳 定网侧电压,并减少传 输过程中的 电能损耗, 显著提高电能质量, 但 实 际 工 程 应 用 表 明 , 传 统 无 功 补 偿 器 不 能 进 行动态补偿,甚至会在电 压波动时加剧电 压 的衰减,近年出现的 SVG 静止无 功发生装置,Static Var Generator-SVG 可弥补以这一缺陷, 能够进行动态 补偿, 且在已投入使用的成品中对无功功 率的补偿 效果很好,引起了人们越来越多的 关注。 随着我国智能电网和微网的建设,作为核心 装置的 SVG ,尤其是大容量 SVG 得到了越来越多的关注。 本课 题是 与 哈 尔 滨 同 为 电 气 有 限 公 司 合 作 开 发 的 中压链式 SVG 项目,目的是研制出应用于 10KV 电 网 中 容 量 为 2MVA 的 无 功 -2- 哈尔 滨工 业大 学工 学硕 士学 位论 文 补偿装 置。该装置主要用于补偿系 统中负载 端的无功,提高电网系统功率因数 稳定电压,提高电网运行的可靠性 ,保证系 统和用户的用电安全,实现电网的 有效互联性。 1.3 国 内 外 研 究 现 状 分析 传统上用来进行 无功功率 控制 的 方 法 主 要 有 以 下 几 种 : 发电厂使用 同步发 电机、 用电大户 处 采用 同 步 电 动 机 、 枢 纽 变 电 所 采 用 同步调相机、并联电容器 实现就地补偿 和静止无功补偿器。 其 中 , 虽 静 止 无 功 补 偿 器 使 用 广 泛 但 成 本 较 高,且体积大、不能灵活补偿无 功 。 为 实 现 动 态 补 偿 无 功 , 近十几年逐渐发展 [11] 了 静止无功发生器 ( 有源电力滤波器 ,现已 成为 了 无功补偿的主流 。现在, 无功补偿装置常被笼统的分为 TSC 、TCR 为 代 表 的 静止型无功补偿装置Static Var Compensator-SVC 和 SVG 。 与 前 者 相 比 ,SVG 的 响应 速度更快,可结合 多 重化、多电平或 PWM 等 技术 进 一 步 降 低 补 偿 电 流 中 的 谐 波 含 量 。 此 外 ,SVG 装置大大缩小了无功补偿装置的体 积和成本 。 因此,SVG 是动 态无功补偿的发 展方向。 1.3.1 SVG 发 展 历 史 及 研究 现状 鉴于 SVG 消除谐波和无功功率的工作 特性,也被用作有源电力滤波器 APF 。上世纪 60 年 代 末 , 就 有 人 提 出 了 使 用 半 导 体 变 流 器 进 行 无 功 补 偿 的 思 想,这可以作为 APF 理论 发 展 的 萌 芽 ; 在 1971 年,H. Sasaki 和 T. Machida 采 用线性放大的方法 来 产 生 补 偿 电 流 , 并 应 用 于 实 验 室 研 究 领 域 , 这 种 思 想 已 基 本接近有源电力滤波器的基本原理 ,但由于 受技术和成本的限制,未能投入工 [12] 业领域 ;L. Gyugyi 等人在 1976 年 发 展 了 这 种 理 论 , 提 出 了 采 用 PWM 控制 [13] 变流器作为有源电力滤波器拓扑 结 构 的 可 行 性 方 案 和 基 本 控 制 方 法 , 但 仍 受 制于电力电子技术;20 世纪 80 年 代 , 电 力 电 子 技 术 及 其 PWM 控制技术的发 展使 SVG 成为电力系统研究领域 的 研究 热点 , 推动了 有 源电力滤波器的 应用 。 赤木泰文等人 于 1983 年 提 出 了 “ 三 相 电 路 瞬 时 无 功 功 率 理 论 ” , 被称为 该时期 的 重大突破, 被广泛应用于 谐 波 和 无 功 电 流 检 测 , 进一步 加快了 APF 在 工程 中 [14-18] 的 应用 。到 目 前 为 止 ,三 相 电 路 瞬 时 功 率 理 论 被 认 为 是 无功补偿 的主要理 论基础 。 APF 分为电压型VSI 和电流型CSI , 如 图 1 所示。VSI 有 三 相 桥 臂 , 开 关 器件由反并联二极管的全控器件组 成,交流 侧由电感直接接入电网,直流侧储 能器件为电容,一 般 电 容 量 相 对 于 装 置 补 偿 容 量 较小。电感在该结构中主要起 两个作用: (1 ) 实现电网和有源滤 波器的连 接; (2 ) 抑制电流谐波。CSI 交流 -3- 哈尔 滨工 业大 学工 学硕 士学 位论 文 侧经滤波电容接入电网, 储能元件 为电感,通常所需电感值比较大。SVG 的输 出电流与交流系统的电压无 直 接 关 系 ,SVG 大多采用电压源 VSI 型 变 流 器 。 通 过改变输出电压来发出或者吸收特 定的无功 , 以此来调节电压, 控制功率因数, 稳定功率潮流等。 与 VSI 相比,CSI 虽不存 在因 开关器件 直通 而引起的 短路故 障 , 但 CSI 工作时 直流侧 始终有电流 通 过, 会在 电感 的 等价内阻上产生损耗 。 此外,拓扑结构中用到的 电 感 值 较 大 , 造 价 不 菲 , 所 以 很 少 应 用 于工业领域 。 D D D 1 3 5 T T T 1 3 5 T T T 3 5 1 A~ L 1 A~ L 2 B~ B~ L C~ L C 3 C~ C C C T T T T 1 2 3 2 4 6 T T 6 2 4 D D D 6 2 4 a 电压型VSI b 电 流 型CSI 图 1 电压型和电流型有源滤波器的拓扑结构 为了更好的抑制输出电压所含的谐 波,VSI 通常采用 3 种技术:多重化技 术;多电平技术;级联 H 桥 式 结 构 。 这 些 技 术 分 别 对 应 于 SVG 电路 的几种 拓 扑结构:变压器多相多重化结构、 二极管 或 飞 跨 电 容 钳位三电平结构以及链式 结构。 这 几 种 拓 扑 结 构 中 多重化 结构型的 SVG 虽控制 较 简 单 , 但 需使用耦合变 压器,而 耦合变压器比较昂贵, 其 造 价 约 占 总 装 置 成 本 的 34% ,且体积庞大, [19] 约占总装置占地面积的 40% , 也会产生 占 装 置 总 损 耗 50% 的有功 损耗 ; 二 极 管箝位式 的 SVG 在 电 平 数 增 多 时 , 控 制 会 变 得 比 较 复 杂 , 而 直 流 侧 电 容 均 压 控 制比较难; 后来兴起的 链 式 结 构 较 前 两 者 在 获 得 相 同 容 量 、 相 同 效 果 下 时 所 用 的器件要少得多,且其结构 有 着 易 于 扩 大 容 量 , 模 块 化 , 且 容 易 分 相 控 制 , 体 积小,占地面积小 的显著特点且 结 构 更 为 紧 凑 。 由于级联型 H 桥式结构的 SVG 在 结 构 和 控 制 方 面 突 出 的 优 势 , 近 年 来 得 到了国内外学者的广 泛 关 注 且 在 工 业 领 域 也 得 到 了 应 用 。 研 究 表 明 , 直 流 侧 母 线电容电压 的 平衡 控制 是 其 控 制 重 点 和 难 点 。 目前已有很多 单相电压平衡的 研 究成果, 其拓扑结构已成熟,控制 技术 也 趋 于 成 熟 ,本课题所采用的是 级联型 H 桥式的拓扑 结构。 级联型 H 桥式的 SVG 主要有星形接法和三角形接法,星 形接法控制算法虽简单,但需相间 直流侧电 容电压的平衡受多种因素影响,不 易控制。虽三角形接法不存在相间 电压不平 衡的问题,但在相同条件下,三角 形接法每相所承受的电压为网侧线 电压, 故 所需 功率单元 数 目 较 多 , 造 价 变 高 , -4- 哈尔 滨工 业大 学工 学硕 士学 位论 文 且控制算法较复杂。本课题中链 式 SVG 所 采 用 的 是 星 形 接 法。 1.3.2 SVG 控 制 方 法 研 究 现 状 在实际工程应用中, 为保证其控 制的响应速 度的 精 度,SVG 多采用双闭环 控制:电压外闭环和电流内闭环。 控制模块 主要分为电流跟踪控制和电压平衡 控制两部分,而电压平 衡 部 分 又 分 为 相 间 电 压 平 衡 和相内电压平衡。 其中,电流跟踪控制根据控制对 象可笼统分 为直接电流控制和间接电流控 制。工程中的间接电流控制多采用 d-q 电流解耦控制,即分别控制 SVG 在 d-q 坐标系下的有功电流 i 和无功电流 i 。 该 方 法 是 目 前 SVG 成品中最常用的电流 d q 控 制 方 式 , 无 功 补 偿 效 果 虽 好 , 但 由于 PI 控 制 器 的 存 在 , 造 成 了 延迟 , 而且 级 联变换器控制信号 也存在 滞后, 这 些 因 素 都 使 SVG 的 输出电流不能及时跟踪 补 偿电流参考量 的动态变化 。 这 种 滞 后 导 致 SVG 的响应速度较慢, 从而很难及时 抑制谐波电流。 为 了 提 高 SVG 谐波抑制时 的 动 态 响 应 速度 , 很 多 文 献 提 出 了 相 关的 方 法 。 文 献[20][21] 对解耦控制的过程进行了分析, 提出了其他的非线性控 制 思 想 。 文 献[22][23] 提出了模糊控制的方法 。 文献[24] 提出了神经网络的方法, [25-27] 自动调整控制器参数。 更多文献采用了重复 控制和滑模控制 。这 些 控 制 器 在一定程度上克服了双闭环控制方 案中 PI 控制器难以设计的 问 题 。 随 之 而 来 的 问题是很多方法本身存在调节困难 的问题, 通用性 与稳定性 较差。 电流滞环 跟踪控制和 dead-beat 是常用的直接电流控制方式, 电流滞环 控制 具有较好的实时性,极大地提高了 系统的响 应速度,可及时抑制谐波电流。但 目前 电流滞环 控制多用于低压无功 补偿中, 因其很难与 级联 H 桥式 SVG 结构 [28] 相结合,且误差带较难设置,没有 应用于高 压 SVG 中 。Dead-beat 控制方式 可 以 很 好 的 弥 补 解 耦 控 制 和 滞 环 控 制 的 缺 点 , 实 时 响 应 速 度 好 , 而 且 配 合 CPS-PWM 调制技术可实现与高压 级联 H 桥式 SVG 结构的有机结合, 能够在各 功率 单元 较低开关频率的情况下获 得较高的 开关频率,从而降低总装置的开关 损耗,并且通过提高电平数来减少 输出电压 所含谐波。凭借着这些优势,该种 电流控制方案正被逐渐应用于高压 无功补偿 和谐波抑制中。 由于其结构特性 , 每 个 功 率 单 元 直 流 侧 都 存 在 独 立 电 容 , 而 且 受 器 件 参 数 影 响 , 每 个 H 桥 的 损 耗 会 不 同 , 开 关 器 件 的 触 发 脉 冲 延 时 也 会 存在延时的 不同, 故 单相内各功率单元 直 流 侧 电 容 电 压 存 在 不 平 衡 现 象 。 星形接法的 级联 H 桥式 SVG 不仅在各相内功率单元的电容 电压上存 在不平衡现象, 而且由于三相间 非 理想对称,三相间电容电压也存在 不平衡问 题。 由于星形接法 三相间电流存在 耦 合 , 功 率 单 元 众 多 , 难 以 按 一 种 方 法 使 三 相 每 个 功率单元 电压都能 达到 平衡, 所以存在直流侧母线电容电压的平 衡控制问 题。 -5- 哈尔 滨工 业大 学工 学硕 士学 位论 文 目前, 三相间的平衡多通过总的 有功控制来 实现,而 常用的 相内直流侧 电 容电压平衡控制方法主要有两种: 改变 SVG 的输出 电压 参考值 和 根据各 功率单 元 功率情况 改变 PWM 控 制 信 号 , 改 变 参 考 电 压 即 进 行 有 功 功 率 控 制 。APF 控 制算法研究初期主要通过改变电压 调制比或 移相角,单独改变调制比时稳定性 较强,控制器参数设计简单,但在 调制比大 时,调控范围小,只改变移相角时 虽调控范围较大但稳定性差,易受 干扰,同 时改变 调制比和移相角虽然稳定性 [29-31] 好 , 调 控 范 围 较 大 , 但 很 难 实 现 调 制 比 和 移 相 角 的 匹 配 控 制 。 后 期 的 有 功 功率控制主要通过解耦有功电流 i 和 无 功 电 流 i 来控制参考电压 ,在文献 d q [32][33] 中赤木泰文 将电压平 衡 控 制 分 成 相 间 平 衡 和 相 内 平 衡 两 部 分 , 利 用 电 压 波动部分引起的 电流变化 在 生 成 的 参 考 电 压 基 础 上 进 行 三 相 平 衡 补 偿 和 单 相 平 衡 补 偿 , 由 于 此 方 法 基 于 间 接 控 制 电 流 ,SVG 的 响 应 速 度 慢 , 虽 对 无 功 功 率 补 偿效果好,但谐波抑制能力较差。 J. A. Barrena 在 2007 年 提出了一种新型的 改 变 PWM 信号来调节相内 功率 [34] 单元直流侧 电 压 平衡的控制策略 , 该 方 法 在已得到的触发信号基础上通过 相 内 各 功率单元 直流侧电容电压的大 小来重新 判断开关的先后顺序,该方法稳定 性较强 , 能结合多种调制算法,但 单相内各 功率单元 的开关频率不一致 。还有 一种改变 PWM 控制信号的方法就 是进行电 压矢量控制,调节触发脉冲顺序和 导通时间来平衡电压,但该算法较 复杂,电 平数增多的情况下不容易实现。 1.3.3 SVG 应 用 及 发 展 趋 势 级联式多电平电路概念提出于上世 纪 70 年 代 , 但 由 于 受 电 力 电 子 器 件 和 控 制理论研究状况的限制, 真正应用 于无功补偿 装置是在上世纪 90 年 代 。 近 几 年 , 随着电 力电子行业的发展,半导体 器件造价 逐渐降低,关键技术的不断解决, 无功补偿的迫切性,近年来级联 H 型的 SVG 得到越来越广泛的关注和应用 。在日本,1996-1998 年 , 彭 方 正 教 授 研 制 了 11 电平容量为 10Kvar 级联 H 型的 SVG , 用 于 实 验 室 研 究 ; 在 英 国 ,1999 年 ,Alstom 、Ngc 以 GTO 为 开 关 元 件 ,研制的容量为 75Mvar 的 链 式 SVG 应 用 于 工 业 领 域 ;2003 年 , 在 美 国 Alstom以 GTO 为开关元件研发的容 量为 150Mvar 的 级 联 H 式的 SVG,并投入工业 应 用 ; 在 国 内 ,2006 年 , 清 华 大 学 与 上 海 电 力 以 IGCT 为开关元件联合研发了容量为 50Mvar 链式 SVG 在 上 海 西 郊 变 电站 投入 使 用;2009-2010 年 , 华 中 科? 技大学与许继集团以 IGBT 为 开 关 元 件 , 联 合 研 发 的 容 量 为 1.8Mvar 和 8Mvar [35] 的链式 SVG 投入工业应用 。 目前级联 H 桥式 SVG 的 发 展 趋 势 : (1 )级联 H 桥式 SVG 在 配 电 网 中 的 应 用 , 主 要 用 来 抑 制 如 风 能 、 太 阳 能 -6- 哈尔 滨工 业大 学工 学硕 士学 位论 文 等新型能源并入电网时给网侧带来 的冲击, 因为风力发电并网会产生大量的无 功 、 光伏发电也会因天气 的 阴 晴 变 化 而 产 生 间 歇 性 、 流 动 性 的 功 率 , 这 些 都 会 引起网侧电压的波动。 (2 ) 级联 H 桥式 SVG 和 传 统 无 功 补 偿 装 置 SVC 配 合 使 用 , 来 快 速 补 偿 大 容 量 无 功 , 即 SVG 的混合型接入法。 由于 受造价、 控制技术、 装置工作可靠 性等因素的影响,SVG 的 补 偿 容 量 不 能 太 大 , 而 SVC 不能够进行动态无功 补 偿 , 混 合 量 接 入 法 结 合 了 这 两 种 无 功 补 偿 装 置 的 优 势 , 用 SVC 来 固 定 补 偿 无 功 中基本稳定不变的部分,而用级 联 H 桥式 SVG 来快速补偿波动的无功部 分, 这种混合补偿方式在大容量无功补 偿中有着 广泛的前景。 1.4 论文 的 主 要 研 究 内 容 论文以应用于 10KV 电网系统网侧进行无功 补偿和谐波抑制的级联 H 式 SVG 为 研 究 对 象 , 研 究 其 控 制 策 略 , 主 要 对 直 接 电 流 跟 踪 控 制 技 术 和 直 流 侧 电 容电压平衡控制的常用策略进行了 比较分析 ,并在查阅文献 资料 新概念英语资料下载李居明饿命改运学pdf成本会计期末资料社会工作导论资料工程结算所需资料清单 的基础上,提 出 可 行 的 方 案 。 在 理 论 分 析 的 基 础 上 , 在 matlab/simulink 仿真和试验平台进行 了验证。论文的主要研究内容和章 节 安 排 如 下 : 第 1 章,介绍课题研究背景、目 的和意义, 分析课题的国内外研究现状和 目前存在的问题,引出课题的研究 内容。第 2 章 , 介 绍 SVG 无 功 补 偿 原 理 , 分 析 级联 H 桥式 SVG 的 工 作 原 理 及 主 要 拓 扑 结 构 , 介 绍 已 有 的 实 验 平 台 和 功 率 单元 结 构 , 并 引 入 最 常 用 的 CPS-PWM 载 波 相 移 调制方式,同时引出这 种结构 SVG 的控制难点。第 3 章,研究电流跟踪控制技 术。分析 比较电流解耦控制、 电流滞环 控制 和 dead-beat 技 术 , 并 利 用 matlab/simulink 进 行 仿 真 分 析 , 给 出 实 验 波 形 , 并 分 析实验结果选择最终的电流 控 制 技 术 。 第 4 章,研究直流侧电压平衡控 制策略。分 析传统所用的相内直流侧电压 平衡策略,进行仿真,并在该方法 基础上提 出基于占空比调节的相内电压平衡 算法,进行仿真验证,并给出仿真 结果。 第 5 章,FPGA 控 制 器 的 设 计 和 实 验 结 果 分 析 。 分 析 FPGA 软 件 部 分 的 具 体 实 现 , 介 绍 PLC 与 FPGA 的通 讯 模块、DSP 与 FPGA 的 通 讯 模 块 、PWM 生 成模块等组成部分。实验结果分析 ,在原有 的硬件平台上进行 实 验,并对实验 结果进行分析。-7- 哈尔 滨工 业大 学工 学硕 士学 位论 文 第 2 章 级联 H 桥式 SVG 工 作 原 理 及 实 验 平 台 2.1 引言 传统的静止无功补偿装置已不能满 足日益增 长 的电力需求。SVG 是 20 世 纪 90 年代后兴起的第二代无功补偿 装置,与 以 TCR 为代表的第一代无功补 偿 装置相比较,可更大 地 减 少 补 偿 电 流 中 的 谐 波 含 量 、 降 低 成 本 、 减 小 体 积 。 目 前, 级联 H 桥式 SVG 拓 扑 结 构 的 有 源 滤 波 器 凭 借 其 在 结 构 和 控 制 方 面 的 优 势 , 是无功补偿领域研究的主要热点。 2.2 级联 H 桥式 SVG 工 作 原 理 及 主 要 拓 扑 结 构 SVG 主要功能是根据 谐 波 电 流 环 节 检 测 的 负 载 端 非 线 性 负载 产生 的谐波 电流 及无功电流 ,产生相 对 应 的 补 偿 电 流 予 以 补 偿 。 从 而 防 止 负 载 端 部 分 负 载 产生的谐波电流和无功电流流入网 侧,污染 网侧电流影响其他用户,即在整 个 电 网 系 统 中 , 网 侧 仅 产 生 所 有 负 载 工 作 所 需 要 的 基 波 电 流 , 而 由 SVG 产生负 载 端非线性负载所需的 谐 波 电 流 和 无 功 电 流 。 2.1.1 SVG 的 无 功 补 偿 原 理 目前文献中所提的有源滤波器主 电路都是基 于脉冲宽度调制的变流器,按 组成元件主要分为 电压型 VSI 和电流型 CSI 两种主电路拓扑结构, 这一点 也在第 1 章中作了介绍。另外,根 据有源滤 波器接入电网的方式,可以分三种 类型:并联型,电力系统中接入并 联型有源 滤波器主要用来抑制负载端感性、 容性等非线性负载产生的谐波电流 和无功功 率;串联型,电力 系统接入串联型 有源滤波器可抑制 来 自 网 侧 电 源 的 谐 波 , 防 止 流 入 负 载 端 ; 混 合 型 , 采 用 有 源 滤波器和无源滤波器的混合型接入 可解决受 系统电压等级及容量限制的难点。 通常网侧电源多被看作理想的电压 源,谐波 多来自负载端,所以目前常见的多 是并联在负载端用来对负载端谐波 电流进行 补偿的并联型有源滤波器,VSI 相 对于 CSI 更适于做并联型有源滤波器 。虽然 CSI 能够更好的跟踪谐波电流,但 相对于 VSI 其主电路损耗大、效率低 、交流 侧所需的滤波电容大、且不利 于使 用 多 重 化 技 术 ,容 易 受 容 量 的 限 制 ,很 少 投 入 实 际 工 程 应 用 。而 且 VSI 结构较 简单,损耗小,成本相对来说要低 ,且容易 进行 容量扩展,故而较多的应用于 工业领域。 第 1 章中也指出 级联 H 桥式 SVG 结 构 的 VSI 凭借着其显著优势是近几年 -8- 哈尔 滨工 业大 学工 学硕 士学 位论 文 国内外电力系统领域的研究热点, 国外由于 其可靠性的原因, 成品中最大容量 一般在 100Mvar 左 右 , 国 内 也 有 电 力 公 司 与 多 家 大 学 联 合 研 制 并 生 产 了 有 源 滤 波器,已有很多成品投入了工程应 用,弥补 了国内无功补偿 领域 的空白,这方 面的控制理论已基本成熟,SVG 也 被 越 来 越 普 遍 的 用 于 实 现 负 载 端 就 地 补 偿 。 本 设计 所 应用的 实 验平台主电路 就 是 基 于 VSI 结构研制的 级联型 SVG 。 整 个系统可分为 3 部分:现场信号采 集环节( 功能类似于传统的谐波 电流检测环 节 ) 、 控 制 系 统 以 及 主 电 路 。 在 整个系统 中,VSI 以与负载 并 联 的 形 式 , 在 其 交 流侧 通过电抗器 接入 电网 。 连 接 电 抗 器主要 起 电压支撑与滤除高频谐波作用, 其上面的压降为电源电压与 SVG 输 出 电 压 的 电 压 差 , 也 是 控 制 系 统 的 主 要 控 制 对象。控制系统根