基于DSP的静止无功发生器（SVG）控制器的研究.pdf

摘要基于DSP的静止无功发生器(SVG)控制器的研究摘要静止无功发生器(SVG)是柔性交流输电系统(FACTS)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(FACTS)的发展和现状，分析了静 止无功发生器(SVG)的工作原理以及其数学模型，并以此为基础设 计了以TI公司的数字信号处理器DSP(TMS320LF2407A)为基础的控 制电路板和以SPWM控制为核心内容的控制软件。在硬件部分采用了锁相环(PLL)同步采样技术来达到对电网数 据采样的同步性，可以实现对电网频率的自动跟踪,同时利用DSP 作为控制器的核心处理器，可以提高补偿的实时性；静止无功发生器(SVG)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DSP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 PI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 SVG的控制电路 装置，为完整6VG装置的研制铺垫下良好的技术基础，同时也为SVG 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 锁相环正弦脉宽调制 数字信号处理器 数字PI控制AbstractRESEARCH INTO SVG CONTRONLLER BASED ON DSPAbstractThe Static Var Generator(SVG)is one of the FACTS equipments,which can motion compensate the electric networks reactive power,at the same time it can absorb inductive and capacitive reactive power,so SVG becomes one of the most reactive-load compensation equipment in AC transmission system.In this paper,the development and actuality of FACTS and SVG is presented.After analyzing the basic principle and mathematical model,and then the control method is designed,that is the SPWM control.Furthermore,a program flow chart and its implementation board are given based on ITS TMS320LF2407A DSP.In the hardware part,the PLL Synchronous Sampling Technique used on data acquisition in Power Network,which can automatic follow Power Networks frequency;and then DSP is the core processor of the controller,which improve realtime character of reactive compensation;The SVG have two control ways,one is the direct cunent control and the other is indirect current control.Compared with the indirect control,the direct control has more superior performance in current tracking speed and control property,So,in this paper,we design the software part based on SPWM technology according to direct current control,in this part,the sampled data in Power Network disposal process in DSP is introduced in detail and the application of double closed-loop in control system is presented detailedly,including the application of digital PI control.With the circuit board and software,a tentative SVG control device is build up,which makes good bases for the research into the physical model of SVG.In addition,these researches give bases for further study on SVG.KEYWORDS:Static Var Generator(SVG);Double Closed-loop control;PLL;SPWM;DSP;Digital PI control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夕阻抗角S.视在功率Q无功功率p有功功率，Ip有功电流【Q无功电流小无功电流参考值2功率因数%功率因数参考值3电容两端直流电压MSPWM的调制度CT电流互感器PT电压互感器V第一章引言第一章引言1.1柔性交流输电系统（FACTS）综述1.11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 20 世纪70年代以前主要靠提高电压来增加线路输电能力，到目前为止，商业化运 行的交流输电工程最高额定电压为765KV（800KV等级）：全世界已经有12个国 家建成了 800KV等级的交流输电系统。前苏联建成了 900Km长的U50KV特高 压输电线路并经过了试运行，后因多种原因降压为500KV运行：日本建成了短 距离的1000KV输电线路，目前在500KV下运行；美国、意大利，瑞典等国曾 执行过特高压（1000KV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20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L1.2柔性交流输电系统(FACTS)的概念柔性交流输电系统的英文表达为：Flexible AC Transmission System,简 称FACTS,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 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(EPRI)N,GHingorani博士首次提 出FACTS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面控制，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。FACTS技术改变了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FACTS技术的实用化创造了条件。近10 年来，可控整流器、可关断器件的开关能力不断提高，100mm直径的晶闸管的 耐压已达到610KV的水平，通过电流已达到6KA以上，6KV、6KA的可关.断晶闸管(GTO)已有商品，单个电力电子器件的开关能力已达到3040MW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。FACTS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500KV线路的 安全送电极限为10002000KW,线路的热极限为3000KW,采用FACTS技术 后,可使输送能力提高50%100%备用发电机组容量可从典型的18%减少到15%,甚至更少；、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 大；，,易阻尼消除电力系统振荡，提高系统的稳定性。FACTS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；(1)并联补偿装置，如静止无功补偿器(SVC),静止无功发生器(SVG)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(2)串联补偿 2第一章引言装置，如可控串补(TCSC),静止同步串联补偿器(SSSC)等，则主要用于控制系 统的潮流。(3)串并联相结合的补偿装置如统一潮流控制器(UPFC),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.1.13国内外应用FACTS技术的概况近年来，FACTS技术己经在美国、R本、瑞典、丹麦等国的重要的超高压 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 1980年1月投运了世界上首台STATCOM样机，采用了晶闸管强制换相的电 压型逆变器，容量为20Mvan 1986年10月，由美国EPRI和WESTINGHOUS 共同研制的1MVA的STATCOM投入运行啊 这是世界上首台采用大功率GTO 作为逆变器的静止无功补偿器；1991年，日本关西电力公司与三菱电机公司研 制成功80MVA的STATCOM1”并在犬山变电站154KV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；1993年，东京电力 分别与东芝公司和日立公司开发了两台50MVA的STATCOM在东京所属新信 浓变电所投入使用；美国西屋电气公司(WESTINGHOUSE)、电力研究院(EPRI)及田纳西电力局(Tennessee Valley Authority,TVA)联合研制了一套1 OOMvar 静 止式无功发生器(SVG)并于1996年成功地用于美国田纳西峡谷电力系统(Tennessee Valley Authority Power System)的 Sul!ivan500KV 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1997年将开发 研制的8MVA的STATCOM安装在丹麦的Rejsby Hede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(National Grid Company,NGC)将在其 400KV系统内安装了由法国Alstom输配电公司研制的采用了 75MVA的 STATCOM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FACTS技术方面的规划和研究试制工作.例如对 TCSC.SVG以及UPFC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FACTS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。1994年作为原电力部重大科技 3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 20Mvar STATCOM,为进行 机理研究，首先研制了 300kvar的中间工业试验装置，于1995年并网运行，1999 年3月+/-20MvarSTATCOM在河南洛阳的朝阳变电站并网成功，并于2000年6 月成功地通过了鉴定也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500KV超高压 输电线路可控串联补偿(TCSC)的研究已取得阶段成果。结合伊敏一冯屯500KV 输电线路的研究表明，采用25%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.1.2 静止无功发生器(SVG)简介1.2.1 SVG的概念由以上已经用于实际电网的FACTS设备可知，TCS.SVG.TCSC等FACTS 装置的控制功能是有所侧重的，其中SVG是侧重于控制电网接入点的电压，属 于FACTS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.70年代末发展起来的晶闸管控制的静止无功补偿器(SVC)在无功补偿方面取得 了较好的效果，但仍然存在着对电网的恒阻抗性，连续可控性差等弊病，80年 代以来，采用自换相变流电路的无功补偿装置一静止无功发生器(SVG)开始发展 起来，较之传统的无功补偿装置SVG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，SVG已成为无功补偿的一个高效的技术发展方向巴1.2.2 SVG的原理结构SVG作为FACTS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VSI(V)ltageSourced Inverters),再并联一个直流电容器，其原理图如图1-h 4第一章引言控瑞电网卜据屐u控制以卜-图1-1 SVG的原理示意图Fig.1-1 The Scheme of SVG由图1-1可以看到，它的主体是一个电压源型逆变器VSL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。1.3 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0.9以上，其它规定功率因数为0.95,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100KW的电力用户，规定根据月平均功率因数调整电费的办法Z由于企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 5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.1.4 本文的主要研究内容本文在学习和研究SVG理论的基础上，提出了采用TI公司的 TMS320LF2407A型DSP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 _敷电路的印则、蟠旦在对其各部分电路原理进行研究的基础上，修改了部分 c路的连接旃修改了锁相环（PLL）电路的部分I/O 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SVG控制功能的各 个模块的程序流程图，并且编写了 DSP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SPWM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 用了锁相环（PLL）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 DSP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、DSP软件产生SPWM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.6第二章静止无功发生器（SVG）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。2.1 SVG工作原理我们现在取单相等效电路来说明SVG的工作原理，如图21所示，表示 的是在不考虑连接电抗和逆变器损耗的情况：7第二章静止无功发生器（SVG）的基本原理与功能5 7寸 L=jXQ-氏,，氏=jXi-A 5电流超前（吸收容性无功）C）电流滞后（吸收感性无功）图2-1 SVG等效电路及工作原理（不考虑损耗）3)单相等效电路(b)向量留Fig.2-1 SVG equivalent circuit and its working principle(not including loss)(a)Single phase equivalent circuit(b)Phasor diagram如图2-1,心表示逆变器的输出电压，必表示电网侧的电压.当日。时,SVG处于超前运行状态,发出无功功率,起电容器的作用；当人位时,SVG 处于滞后状态，吸收无功功率，起电抗器的作用；当力=4$时，SVG与系统之间 不存在无功交换。SVG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,而是电网皿逆变器输出电流为，1=-j-JXL XL(2-1)由于由与。同相，因此逆变器向电网输出的电流:与电网电压也相差 90。，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,向电网输出感性无功滞后无功功率为Q,贝的%-Xl.、L5=5*Q(2-2)(2-3)(24)如图2T（b）中的电流超前向量图所示，当输出电压U/高于电网电压小时，%0,1超前人90。，这时无功功率发生器输出超前的即感性的无功功率，这 8第二章静止无功发生器(SVG)的基本原理与功能时式Q3)中的。X)。同理，对图2-2?)中的电流滞后向量图所示，当输出电压为低于电网电压4 时，1Q 44图2 3 SVG主电路的原理示意图Fig.2-3 The Scheme of main circuit of SVG图23所示的SVG主电路的原理示意图为电压型补偿器，如果将直流侧的 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SVG的 另一种结构形式一电流型SVG,无论是电流型的SVG还是电压型的SVG,其 动态补偿的机理是相同的.本文以电压型的SVG作为研究对象.如图23所示装置由IGBT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。TiT6为六组IGBT,D】D6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T1导通时，节点a接于直流电源正端，当 T4导通时，节点a接于直流电源负端。同理，节点b和节点c也是根据上下管导通 10第二章静止无功发生器(SVG)的基本原理与功能与否决定其电位。按该图中IGBT的编号次序导通和关断，即可得到三相电压输 出。输出交流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。图中力为SVG的逆变器输出电压,Us为电网电压,以为直流侧电容电压。SVG补偿无功的原理：在理想状态下,将力与心同步,然后通过控制日的幅值 从而控制人与l)s的电压差,以达到调节装置无功输出的目的。SVG主电路采用自关断开关器件的PWM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90。，也 可以比电压滞后90。，使SVG发出无功功率或吸收无功功率。在进行PWM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，SVG的直流侧电容C 的电压几乎没有波动，也就是说，电容C只是为SVG提供一个直流工作电压，它 和SVG交流侧几乎没有能量交换，只要开关频率足够高，电容C的容量就可以足 够小，因此，电容C可以不被看成是储能元件；同样，只要开关频率足够高，SVG 交流侧电感L也可以足够小，电感L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口叫本论文是基于图2-1所示的无损耗的理想情况下来完成的，即逆变器输出的 电压与电网侧电压同相位.2.2 SVG主电路的数学模型对SVG的控制就是对六个可控开关(本文中用的是IGBT,为了表示方便,在本小节用S表示)S施以某种PWM调制，使得逆变器输出电压基波勿与 Ud(k=2b,c)成6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 系统作如下的假设皿：电网电动势为三相对称，为纯正弦波电动势；11第二章静止无功发生器（SVG）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1：1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相拓扑结构如图24所示：图2-4 SVG开关函数模型图Fig.2-4 The switching function model chart of SVG主电路开关元件视为理想开关，其控制由开关函数来描述。定义单极性二值逻辑开关函数为为：4 ni（上桥臂导通，下桥管关断）.0（下桥臂导通，上桥臂关断）其中 fb,c(2-5)根据图2-4,利用基尔霍夫电压定理建立用开关函数描述的a相回路方程 为（取电感电流和电容电压作为状态变量）：口寥（2-6）at当Si导通，S4关断时，开关函数4=1,由电路可知心=4，而当Si关 断，S4导通时，开关函数4=0,由电路可知Uw=0,故可以得到如下的关系：U硒=巩乙，则式（2-6）可以变为，“人今+也_（1/+%）（2-7）同理，可得b相c相方程如下：4 骞+&仆力-（44+%）（28）al4 生+虫=4-（以 4+%）（2-9）第二章静止无功发生器(SVG)的基本原理与功能对于一个三相三线平衡系统，有：，皿+1+*=(270)%+1=0(2-11)联立式(27)(211),得：%=-孕 E4(2-12)所以，SVG的数学模型为：C”=以 4(2-13)出巡5粤+。&=424)2-14)4=。(2-2-0力/以a相桥臂为例，当Si导通，S4关断时，开关函数4=1;当Si关断，S4 导通时，开关函数儿=0,所以桥式电路的输出电压：2-16)，I,从(213)(215)式可看出，SVG三相之间是相互耦合的，无论采用哪 一种PWM调制方法，力是由PWM调制度M和调制相移5所决定的。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。、相 角为6,幅值等于调制度M的正弦波，开关函数4基波成分为g:g*=M,8S d-b-(w-l)与 式中 k=a,b,c w=l,2,3如令(2-16)式中，d-WX=pk3 s以则式中p.为o,(3 土住 n的基波成分p几为：Pjk-gk Zg4=M,cos 式中 w=l,2,3a相输出电压基波分量为：U8a=MrUd 8乂-8)a相输出电压含高次谐波为：00Ua=C7r cos dt+cos(ndt-5)(2-17)(2-18)(2-19)、(2-20)(2-21)13第二章静止无功发生器（SVG）的基本原理与功能式中2第n次谐波的初始相位角U.U.调制产生的第n次谐波分量的幅值/-PWM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：Uj=UM-UA=sinaM-17r,costaf-cos（na）t-6n）（2-22）补偿的无功电流为，zL/Wsin10 x10/4.c(3-3)19433(兀/兀1)+0.5 J NlOxlO。J/九 c式(3-3)中，J与分别为欲使锁相环输出的最高、最低频率，Hz,C=3.2702,为取整号。将频段由低频向高频排列，频段序号/相应地由1至N.第i频段的起、止 频率人与人分两种情况计算.若 J 410 x103或九/4c,则将全频率范围取为1个频段，令，f/J否则，儿与人按式下式计算：=zkt)+1 2 父 4N_ fl0 xl03xCM 九 10 x103 九 xC ZlOxlO3电阻Ri的计算电阻K的值应与锁相环工作频段相对应.取CD74HC4046A的6、7引脚间的电 容Ci为39pF,(实验表明，锁相环在宽频率范围工作时Ci取39pF取此值为最佳,数据手册上也推荐此取值)，按以下过程计算Ri值：，计算R.的最小值及最大值与皿：,加此/10 x1。Qi)13 X GdLdg/Tx1Q3/N 10 X W式中G=l.633,f为频率，或f=/由，当时，求得与=与由，反(3-4)(3-5)30第三章SVG控制器的硬件电路设计之&=Ri皿。计算与第i频段对应的电阻值感：(E】mh+N _1凡m(紧)恕NW1(3-7)在调试中发现，宽频率范围内直接应用器件手册中所给的典型曲线，难以取得理想效果。所以可以按上诉给定的方法先计算出理想的电阻值Rp然后在 调试中可以串联一个变阻器来微调阻值，在调试中取得了比较好的效果。本系统允许电网频率在49550.5范围内波动，由于倍频作用，WOg输出 的频率变化将在49.5x2l7-50.5x217即6.4880646.619136MHz之间变化，即 几=6.488064MHz,J=6.619136MHz,由于 J=L02 0,012在本环节O取0.014控制外环的闭环传递函数为:(22KjKx(0.014S+l：互竺咆包ls+1 22x0.014 34 x 0.006 x(0.171)2$3+2 x 22Kp(0.006+0.014)S、(22KJ x 0.014 x S+22KpK4吗工(。.。145+1)(麒 S+；-0.000701784s3+0.88KpS：+6.776K；S+通过劳斯稳定判据可以得到如下关系：0.88x6.7761：?-B10.000701784 x22Kp0由式(434)可得5.96288K/386.2K/-J=-10.015439%人n k-19.6只要满足式(4-35)的取值，就可以使系统稳定。(4-33)(434)(4-35)取（=10,则K.=10 x0.684*7,同时取（。=100,则长川=1.4。再在具体的调试过程中进行参数修正。第四章SVG控制器的软件设计4.5 SPWM脉冲输出模块阂、44.5.1 SPWM波形的生成方法PWM脉冲生成可采用三角波比较法(SPWM)和空间矢量(SVPWM)调制法.本文选用三角波比较法。采用不对称规则采样法生成SPWM,一个PWM周期 采样两次，即在h和t2时刻各采样一次，如图47所示：A图4-7不对称规则采样法生成SPVMFig 4-7 Asymmetiy rule method to SPWMTC-4 Z4=单相的SPWM计算如下：1+M 皿/)(*=024,2N-2),l+A/sin(*)(437)L N】(K=135 2N-1)J=%十%式中，k为偶数时代表顶点采样，k为奇数时代表底点采样，Z为三角载波周期.以上是单相SPWM波生成的数学模型.要生成三相SPWM波，必须要使用 三条正弦波和同一条三角波求交点.三条正弦波相位差120,即54第四章SVG控制器的软件设计213%一 3)+旦N旦N旦N in(in(in(s s S=(438)如果采用不对称规则法，则顶点采样时有:6 4l+A/sin(y)1+Msin(+巧 色=0,2,4,刊-2)N 3(439)勺=与底点采样时有i&=生2 41+Msin(9 争1+Msin()l+A/sin(+)(%=135,2N-1)N 3(440)/4.I,.,k冗 44、1+A/sm(-+因此，三相SPWM波的每一相脉宽都可计算如下:.B.8.8(441)本程序中载波频率为6.4kHz(50X128=6400),外部时钟频率为6.5MHz(50 X2也6553600),调制波频率为50Hz,调制度M的范围：0-0.9,死区时间为4%,本程序中用到的SPWM波利用2407A的事件管理器A(EVA)来产生。4.5.2 SPWM脉冲输出2407A的事件管理器A(EVA)共有3个全比较里元，每个比较单元都有两 个极性相反的PWM输出引脚，正好可以满足SVG控制电路需要6路PWM波的 55第四章SVG控制器的软件设计要求.也就是说，利用2407ADSP的事件管理器A就可实现对三相桥式逆变电 路的SPWM控制.用TMS320LF2407A DSP生成SPWM波形的总体设计思想是利用事件管理 器A(EVA)中的3个全比较单元、通用定时器、死区发生单元以及输出逻辑来 生成三相6路(3对)SPWM波形，经6个复用的I/O(PWM)引脚输出。2407A的PWM引脚输出脉冲过程如下：当定时器的一个计数周期开始时，在计数器跳变的过程中,计数器的值都与比较寄存器CMPRx(x-X3456)的值 作比较，当计数器的值与比较寄存器的值相等，则发生比较匹配，对应的那对 PWM输出引脚将自动发生电平翻转，若选用连续增减的计数模式，则在一个周 期内将发生两次电平翻转(如图48所示)，也即PWM引脚输出一个脉冲。若要 实时地改变脉冲的占空比，只需在每个脉冲周期里在线计算并改写比较寄存器图4-8比校单元和PWM电路产生对称的PWM波形Fig.4-8 Compare Unit and PWM Circuit Producing symmetrical Waves为了使SPWM脉冲输出模块与其它各功能模块更好地协调工作，且充分发 挥2407A DSP执行速度快的特点，脉宽值的实时计算及比较寄存器CMPRx的 值的实时变更均在定时器周期中断服务子程序中进行.定时器周期中断的发生意味着DSP的PWM引脚刚刚送出了一个新脉冲，故要想实现脉宽的实时变化，只需在定时器周期中断服务子程序中更新比较寄 存器CMPRx的值即可.定时器周期中断服务子程序的流程图如图4-9所示，56第四章SVG控制器的软件设计图4-9定时器周期中断服务子程序流程图Fig.4-9 Timer period Interrupt Service Routine Flowchart57第五章实验结果分析第五章实验结果分析 I按照前面章节的分析和算法编程及系统结构进行了实验，实验设备和对象 如下：开发工具：北京合众达电子技术有限公司的SEEDXDSPP仿真盒，支持 TI全系列DSP器件的CC/CCS集成开发环境。本系统所用的程序编程即调试均 是在CCS4.10集成开发环境中完成，测试工具：数字示波器5.1 控制回路实验结果5.1.1 PLL电路的实验波形在本系统中用PLL电路的目的主要是为了控制采样信号的频率和A/D转换 器的起始转换时间，提供DSP系统A/D转换的启动信号ADCSOC,转换结束后，向DSP发出中断，请求DSP读取数据进行计算.为了锁相环能够正常的工作，需要把电网的正弦电压波型转换为方波，以 此来获得测频信号.图5-1表示电网的交流电压信号经过变压器后，再通过比 较器比较后得到的方波，其中通道1(CH1)为将电网正弦电压转换为方波的信 号，通道2(CH2)为正弦电压信号：58第五章实验结果分析 图5-1系统电压经转换后得到的方波信号Fig,5-1 Square Ware root in system voltage图5-2表示电网的交流电压信号经过变压器（输出为9V）后，在通过比较 器后，得到的输入CD74HC4046（锁相环芯片）的信号PLLin,频率为50Hz：图5-2锁相环的檎入信号PLLinFig.5-2 Input Signal of Phase Lock Loop59第五章实验结果分析图5-3表示锁相环的输出信号VCOout,输入信号经锁相环倍频(2倍)后 得到的约为6.5MHz频率的输出信号：图5-3镇相环的榆出信号VCOout Fig.5-3 Output Signal of Phase Lock Loop图