【正文】 di*qi++++dE *pdu+ qE+矢量運(yùn)算S P W M調(diào) 制A U R同 步 電 路*du du*pqu*pduup a*up b*up c*+電 壓 檢 測~UdUd檢 測?L? 圖 25 電壓閉環(huán)、電流開環(huán)的 PWM 整流器系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu) 若作為整流器使用，希望直流輸出電壓 ud穩(wěn)定，因此采用 ud閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)。在以 ω 速度旋轉(zhuǎn)的直角坐標(biāo)系 dq 中，定義 d 軸與 E 軸重合。 矢量控制理論 對于 PWM 整流器的控制，主要是控制調(diào)制電壓 up。 圖 2– 3 調(diào)節(jié) upa時(shí)的 ea與 ia相量圖 a)整流狀態(tài)：相量圖的圖 23(a), paU 比 aE 滯后 δ ， aI 與 aE 同相，功率因數(shù)角 φ 為 ?0 。 三相橋工作在脈寬調(diào)制狀態(tài)，三相橋的交流側(cè)為被調(diào)制的三相交流電壓 upa 、 upb、 upc。 裝 置 項(xiàng) 目 安徽理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 鑒于此，本設(shè)計(jì)將以矢量控制技術(shù)為基礎(chǔ)，采用 SVG作為動態(tài)無功補(bǔ)償裝置，運(yùn)用 高性能的微處理器 DSP（ TMS320LF2407）作為控制芯片，并將結(jié)合控制電源、交流電壓電流檢測電路、直流電壓檢測電路、同步檢測電路以及驅(qū)動電路等電路，從而實(shí)現(xiàn)對礦井提升機(jī)的動態(tài)無功補(bǔ)償。 根據(jù)資料顯示，自 20 世紀(jì) 80 年代以來，國內(nèi)外已發(fā)表了大量關(guān)于靜止無功補(bǔ)償發(fā)生器的研究報(bào)告，并從不同方面對應(yīng)用靜止無功發(fā)生器進(jìn)行補(bǔ)償?shù)募夹g(shù)已日趨成熟。 表 11 各種無功動態(tài)補(bǔ)償裝置簡要對比表 同步調(diào) 相機(jī) （ SC） 飽和電 抗器 （ SR） 晶閘管控制電抗器 (TCR) 晶閘管投切電容器 （ TSC） 混合型靜止 補(bǔ)償器（ TCR+TSC） 靜止無功發(fā)生器（ SVG） 響應(yīng)速度 慢 較快 較快 較快 較快 快 吸收功率 連續(xù) 連續(xù) 連續(xù) 分級 連續(xù) 連續(xù) 控制 簡單 不控 較簡單 較簡單 較簡單 復(fù)雜 諧波電流 無 大 大 無 大 小 分相調(diào)節(jié) 有限 不可 可以 有限 可以 可以 損耗 大 較大 中 小 小 小 噪聲 大 大 小 小 小 小 目前國內(nèi)外對 于 SVG的建模、控制模結(jié) 構(gòu)設(shè)計(jì)和不對稱控制等做了很多研究，但是至今仍有很多理論和實(shí)際應(yīng)用 的問題有待解決。美國電力研究院和西屋公司及美國 EPRI合作研制出到目前為止容量最大的 FACTS設(shè)備，由共享直流側(cè)電壓的并聯(lián)和串聯(lián)兩個(gè)基于大功率 GTO的電壓型逆變器組成，容量各位 177。對直流電容 C充電，保持電壓安徽理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 的穩(wěn)定。此為， SVC還包括 TSC+TCR混合型的補(bǔ)償器，我國平頂山到武漢鳳凰山 500KV變電站引用進(jìn)口的無功補(bǔ)償設(shè)備就是TSC+TCR型。 安徽理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 FACTS的多個(gè)類型都具有諧波抑制和無功補(bǔ)償能力。而解決目前電網(wǎng)尤其是低壓城網(wǎng)和農(nóng)網(wǎng)有功功率損耗大、壓降大的問題作為其中重要的一環(huán)，就擺在了我們的面前。低壓補(bǔ)償可直接補(bǔ)償輸電線路和負(fù)載的無功功率，補(bǔ)償效果最為理想。 穩(wěn)定受電端及電網(wǎng)的電壓，提高供電質(zhì)量。 （ 2）設(shè)備及線路的損耗增加。重點(diǎn)探討了無功動 態(tài)補(bǔ)償裝置的結(jié)構(gòu)、控制方法，并以 DSP 芯片 TMS320LF2407 為主要的核心控制芯片設(shè)計(jì)了整個(gè)控制系統(tǒng)， 并使之 能夠滿足我們對實(shí)時(shí) 動態(tài) 補(bǔ)償?shù)男枨?。本文首先分析了?dāng)前正在使用中的各種動態(tài)無功補(bǔ)償裝置的現(xiàn)狀，并在此基礎(chǔ)上提出了采用靜止無功補(bǔ)償發(fā)生器 (SVG)為核心的動態(tài)無功補(bǔ)償裝置。 無功給電力系統(tǒng)帶來的影響主要有以 下幾點(diǎn)： （ 1）增加設(shè)備的容量。在電力系統(tǒng)中，大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)元件和負(fù)載都要消耗無功功率，顯然，如果這些所需的無功功率都要有發(fā)電機(jī)提供并經(jīng)過長距離輸送是不合理的，通常也是不可能的。目前，日本、美國等發(fā)達(dá)國家補(bǔ)償度達(dá)到了 ，干網(wǎng)功率因數(shù)接近 ，而我國的補(bǔ)償度僅為 ，因此在我國大力推廣無功補(bǔ)償技術(shù)尤為迫切。而并聯(lián)電容器只能補(bǔ)償固定無功，容易造成過補(bǔ)或欠補(bǔ)，無法滿足電力系統(tǒng)的實(shí)際需要，還有可能和系統(tǒng)發(fā)生諧振，導(dǎo)致諧波放大。并聯(lián)電容器補(bǔ)償簡單經(jīng)濟(jì)，靈活方便，有取代同步調(diào)相機(jī)的趨勢，但只能補(bǔ)償固定無功，還可能與系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振，導(dǎo)致諧波放大。 TSC補(bǔ)償器可以很好的補(bǔ)償系統(tǒng)所需的無功功率，如果級數(shù)分的夠細(xì)，基本上可以實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速，瑞典某鋼廠的兩臺 100t電弧爐安裝 60Mvar的 TSC后，有效地使130KV的電網(wǎng)電壓保持在 15%的波動范圍。 SVG的基本原理就是將自換相橋式電路通過電抗器或者是直接并聯(lián)導(dǎo)電網(wǎng)上。 100Mvar的 SVG，并于 1996年 10月投運(yùn)至今，運(yùn)行情況良好。 20Mvar SVG在河南洛陽的朝陽變電站并網(wǎng)成功，并于 2021年 6月通過鑒定，這是國內(nèi)首臺投入應(yīng)用的大容量柔性交流輸電裝置。同時(shí)，電力網(wǎng)絡(luò)中的用電設(shè)備消耗的無功功率也必須從網(wǎng)絡(luò)中的某個(gè)地方獲得，顯然，這些無功功率如果都要由發(fā)動機(jī)提供并經(jīng)過長距離輸送是不合理的，通常也是不可能的。 至于電網(wǎng)中的諧波問題，在 SVG中可以用橋式變流電路的多重化技術(shù)，以消除較低的諧波使高次諧波減小到可以接受的地步。當(dāng) V3關(guān)斷時(shí)， L 向直流回路釋放能量，同時(shí) abU 也向直流回路輸出能量。 圖 2– 2 交流側(cè) a 相等效電路 相量表達(dá)式為： paaaa UILjIRE .... ??? ? （ 22） 在調(diào)節(jié) paU 的幅值和相位時(shí)，改變 aI 的幅值和相位，可得到以下四種典型的相量圖，每 種相量圖對應(yīng)于一種典型的應(yīng)用?？捎米鳠o功動態(tài)補(bǔ)償。下面僅介紹基于矢量控制技術(shù)的 PWM 整流器理論。 圖 24 E、 up、 I 矢量圖 根據(jù)坐標(biāo)變換原理，三相交流電源 ea、 eb、 ec與電壓空間矢量 E 的兩個(gè)分量 Ed、 Eq之間的關(guān)系為： ? ? ? ?? ? ? ? ??????????????????????????????????qdcbaEEeee????120s i n120c o s120s i n120c o ss i nc o s32?????? (23) 式中： E—? 與 a 軸之間的夾角， ?? dt?? 。 電壓閉環(huán)、電流閉環(huán)控制系統(tǒng) 電壓閉環(huán)、電流閉環(huán)控制的整流器結(jié)構(gòu)如圖 26 所示。 ? 的物理概念及檢測 在矢量運(yùn)算中，需要用到交流電壓空間矢量 E相對于 a相繞組軸線 的空間位置角 ? 。 ua c1 u F+ 1 5 V 1 5 V5 VFGA D C I N 0 02 K2 K 圖 27 θ 檢測電路及波形分析 Ed的物理概念及計(jì)算 在矢量運(yùn)算中，需用到電壓空間矢量的幅 E及 E 在 d軸上的分量 Ed。以為 ?Q 給定，而實(shí)際無功為反饋信號，構(gòu)成閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng) ,調(diào)節(jié)器采用 PI 調(diào)節(jié)器，輸出量為無功發(fā)生器 SVG 的無功電流期 ?qi ，可實(shí)現(xiàn)無靜差調(diào)節(jié)。三項(xiàng)不對稱電路的功率因數(shù)至今沒有統(tǒng)一的定義，有一種定義方式： (31) 式（ 31）中，各相的 S 為其電流與各相 到人為中點(diǎn)電壓的乘積。 在等速段中： 2P = eNT ? NP = NP =1125KW 2P 是等速段中的有功功率。 由已知： 由此可得到 ?? ，即平均功率因數(shù)為 。因此理論上講， SVG 的橋式變流電路的直流側(cè)可以不設(shè)儲能元件。 SVG 接入電網(wǎng)的連接電抗器作用是濾除電流中可能出現(xiàn)的較高次諧波，另外起到將 SVG和電網(wǎng)這兩個(gè)交流電壓源連接起來的作用，因此所需的電感值并不大，也遠(yuǎn)小于補(bǔ)償容量相同的 TCR和 SVC裝置所需的電感量。 本論文設(shè)計(jì)的是對礦井提升機(jī)房進(jìn)行無功動態(tài)補(bǔ)償?shù)?，而在礦上的大多數(shù)低壓設(shè)備都是660V 的，考慮變壓器的容量問題 ，因?yàn)?SVG 所補(bǔ)償?shù)娜萘繛?360KVAR,再根據(jù)以往的慣例和經(jīng)驗(yàn)，因此本論文中的變壓器選擇的是 ABB 集團(tuán)生產(chǎn)的 M400/10(D, )，其高壓側(cè)與低壓側(cè)的電壓比為 10KV/660V。如果不能滿 足上述要求，則輸入端電壓波形出現(xiàn)畸變，因此電源電流也開始畸變，并且產(chǎn)生相移，從電網(wǎng)吸收無功功率。在額定容量下，流入直流側(cè)電流峰值與 SVG 輸出的電流峰值相等。 斷路器的種類很多，按滅弧介質(zhì)可分油斷路器（少油和多油 ） 、壓縮空氣斷路器、六氟化硫斷路器、真空斷路器等；按安裝成所分戶內(nèi)和戶外。 驅(qū)動板 SKHI10/17 中，端口 5接到 IGBT的集電極，端口 3和 2接到 IGBT 的柵極，口 1接到 IGBT 的發(fā)射集。 EVA 和 EVB，每個(gè)包括：兩個(gè) 16 位通用定時(shí)器； 8個(gè) 16 位的脈寬調(diào)制 (PWM)通道。 位的串行外設(shè)接口模塊。它將多條指令進(jìn)行壓縮，如指令功能壓縮和指令周期壓縮（ 200ns 降到 20ns 以下），可以在一個(gè)指令周期內(nèi)執(zhí)行多條指令，提高了處理器的速度。其中，全局?jǐn)?shù)據(jù)空間用于和其他處理器共享數(shù)據(jù)或用作附加的數(shù)據(jù)空間。 3）時(shí)鐘模塊 DSP 的時(shí)鐘模塊為整個(gè)器件提供各種時(shí)鐘頻率，該模塊有 3個(gè)引腳： OSCBYP 用來選擇內(nèi)部振蕩器是否被旁路，以及 XTAL1/CLKIN 和 XTAL2。但為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性， SCI 對接收的數(shù)據(jù)要進(jìn)行測試。 1) 主程序和初始化主程序 主程序和初始化主程序流程圖如圖 46和 圖 47 所示。電網(wǎng)電壓過零點(diǎn)時(shí)產(chǎn)生外中斷信號，在得到確認(rèn)后判斷采樣序數(shù)是否為 0，如果是，說明整流器剛開始工作，運(yùn)行一次電壓環(huán)調(diào)解程序和 SPWM 程序；如果不是 0，說明是前一個(gè)周期的采樣次數(shù)，執(zhí)行軟件鎖相環(huán)程序，調(diào)節(jié)調(diào)制程序。 調(diào)制周期應(yīng)增加（或減少）多少呢？如何準(zhǔn)確的調(diào)節(jié)調(diào)制周期？通過理論分析編程 反復(fù)調(diào)試，給出調(diào)試周期的調(diào)節(jié)算法如下： 可根據(jù)下式計(jì)算本次同步中斷子程序中已設(shè)置的采樣周期時(shí)間常數(shù) (46) ? ?? ? NTTNnTT ySSB ????安徽理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 26 公式中 : ST 上一次同步中斷子程序中設(shè)置的采樣周期時(shí)間常數(shù)； ynT 本次同步中斷子程序中首先讀取的定時(shí)器剩余的時(shí)間常數(shù)； n本次同步中斷讀取的上一個(gè)工頻周期的采樣次數(shù)； N設(shè)定的采樣次數(shù)，即載波比 = rt ffN? ； 軟件流程圖如圖 410所示，可見軟件鎖相環(huán)程序并不復(fù)雜，但卻非常實(shí)用，解決了電壓同步這個(gè)重要問題。首先必須算出 pau ， pbu ， pcu 在一個(gè)調(diào)制周期中的占空比 ad ， bd ， cd 。 5）電壓環(huán)調(diào)節(jié)器程序 此程序?qū)崿F(xiàn)電壓環(huán)控制。 4）軟件鎖相環(huán)程序 在對 PWM整流器的 控制過程中，最重要的問題是必須是需要調(diào)制的交流側(cè)電壓與電網(wǎng)電壓保持同步。初始化程序是主程序的一個(gè)子程序，對外中斷控制寄存器，定時(shí)器中斷控制寄存器， PWM 控制寄存器， ,I/O 端口等進(jìn)行設(shè)置。 DSPP 控制器提供 SPI接口為工程應(yīng)用系統(tǒng)帶來了便利。 4）中斷模塊 DSP 中斷分為軟件軟件中斷和硬件中斷。在內(nèi)部包含有有助于提高性能的集中度的大量片內(nèi)存儲器以及可用于外部存儲器和 I/O器件的寬范圍地址。 。方便擴(kuò)展外設(shè)，滿足多數(shù)擴(kuò)展對象的輸入輸出要求。 192K字； 64K 字程序存儲器； 64K 字?jǐn)?shù)據(jù)存儲器； 4K 字 I/O尋址空間。端口 8 和端口 9接 15V，端口 10 接地，端口 11和 6N137 相連接。 IGBT 驅(qū)動電路的設(shè)計(jì) 新型功率開關(guān)器件 IGBT 由于兼有功率三極管和場效應(yīng)管的優(yōu)點(diǎn)，即通流能力強(qiáng)且開關(guān)頻率高，通斷速度快，輸入阻抗大，飽和壓降低等，因而在電力電子技術(shù)中 獲得越來越廣泛的應(yīng)用。但現(xiàn)實(shí)中沒有無限大的電容。所以， 3）滿足瞬態(tài)電流跟蹤： (44) 式中： mI 相電流的峰值。 濾波電感、電容的選擇 yn11AI 10360 331 ??? ??AI 10360 32 ????s7安徽理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 20 1）電感的壓降不能太大，以減小損耗。 由此，在 基于矢量控制原理的 SVG 裝置和 LC 諧波濾波器的共同作用 下 ， 還便可以 確保感性無功 和容性無功二者的平衡 。而對 SVG 裝置，其所需儲能元件的