藍希清+胡立坤+盧子廣

收稿日期：2013-05-27

基金項目：南寧市科技攻關資助項目（201107002A）

作者簡介：藍希清（1990—），男，江西南康人，碩士研究生，研究方向：嵌入式系統(tǒng)與應用。

通訊聯(lián)系人，E-mail：lanxiqing2008@qq.com

文章編號：1003-6199（2014）03-0022-05

摘 要：為了減少感/容性負載與電網之間的無功交換，提高電網電能質量，提出和實現(xiàn)一種基于SVG的功率因數(shù)校正系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用IGBT全橋電路為主電路，采用TMS320F28335作為控制器，將解耦控制算法移植到DSP中，DSP產生PWM對IGBT進行控制。實驗結果表明，該系統(tǒng)能夠快速地響應負載側無功功率的變化，有效地對其進行補償，減小負載和電網的無功交換。

關鍵詞：SVG；功率因數(shù)校正；無功補償

中圖分類號：TM46 文獻標識碼：A

Research on Power Factor Correction System Based on SVG

LAN Xi-qing，HU Li-kun，LU Zi-guang

（College of Electrical Engineering， Guangxi University， Nanning，Guangxi 530004，China）

Abstract：A SVG-based power factor correction system is presented and designed to reduce reactive power exchange between the grid and load. IGBT full bridge is employed as main circuit in the system， and TMS320F28335 is applied as the controller. A decoupling algorithm is applied to the DSP， thus， DSP generates the PWM to control IGBT. Experiment shows that the system can compensate the reactive power needed by load effectively and quickly， and reduce reactive power exchange between the grid and load， improve power quality of the grid.

Key words：SVG； power factor correction；reactive compensation

1 前 言

隨著國民經濟的飛速發(fā)展，電力的需求量也不斷增加，而由于電機等感性負載的接入，造成大量無功功率在電力系統(tǒng)中流動，產生大量損耗，不利于節(jié)能，同時影響電能質量[1]。SVG系統(tǒng)通過向系統(tǒng)中注入或吸收無功電流來補償系統(tǒng)的無功功率，從而改變負載的阻抗特性，改善電力系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定性和動態(tài)特性。目前對SVG控制器設計方面的研究有很多，如模糊自適應控制[2-3]，但在應用方面，還是以PI控制器居多。

2 系統(tǒng)主電路結構和控制原理

圖1為該系統(tǒng)主電路結構和控制原理，直流側的電容為整個系統(tǒng)提供了足夠的能量?？刂茣r，先檢測電網電壓uab，ubc，通過鎖相環(huán)計算出相角sin θ，cos θ，同時檢測電網與負載之間的電流ia，ib，以電網電壓進行定向，變換出兩相電流id，iq，根據(jù)旋轉變換理論，則id是負載的有功電流分量，iq是負載的無功電流分量，控制時給定i*q為零，即保持負載的電流和電壓同向，電壓外環(huán)的輸出賦給有功電流環(huán)的給定。具體控制方法如下，當負載的無功功率即反饋iq變化時，經過內環(huán)PI控制器的調節(jié)，SVG系統(tǒng)輸出一個無功電壓分量uq提供給負載，從而保證負載與電網之間iq為0。同時，當直流側電壓發(fā)生變化時，電壓環(huán)PI控制器輸出一個i*d賦給有功電流環(huán)，這意味著，SVG系統(tǒng)將吸收有功電流來保證電容兩端的電壓穩(wěn)定。

3 系統(tǒng)仿真分析

在MATLAB/Simulink中建立仿真模型如圖 2，各個部分參數(shù)設置為：濾波電感1.7mH；直流側儲能電容3360uF；感性負載中電阻為2Ω，電感為5mH；PWM開關頻率10kHz；仿真步長設置為1e-5。在0.2s時突加感性負載，觀察直流側電壓的變化，波形如圖 3所示，同時對比投入SVG補償系統(tǒng)和未投入SVG補償系統(tǒng)的各個波形如圖 4所示。從圖中可以看出，直流側電壓能夠穩(wěn)定無靜差地跟蹤給定。同時，投入SVG補償系統(tǒng)后，即使突加感性負載，也能保證公共耦合點電壓和電流同相。仿真結果驗證了算法的可行性。

4 控制系統(tǒng)硬件結構

整個系統(tǒng)控制電路的硬件結構如圖 5所示。

1）采樣和抬升，采樣使用霍爾電壓傳感器LV25-P，霍爾電流傳感器CHB-100B，該兩種傳感器具有線性度高，響應速度快等優(yōu)點。傳感器的輸出經過抬升電路，輸入到DSP進行AD轉換。

2）IGBT驅動，IGBT使用三菱公司的PM300DVA120模塊，它里面集成了兩個開關管和保護電路，容量為1200V/300A。DSP輸出的PWM信號經過IGBT驅動電路后控制IGBT的通斷，同時將IGBT輸出的故障信號傳遞到故障保護電路和DSP。

3）故障保護和報警，IGBT一旦發(fā)生過流、短路、欠壓故障時，都會輸出一個Fo信號，將該信號輸入到DSP的TZ模塊，使DSP迅速封鎖PWM的輸出，同時斷開主電路。如果DSP檢測到過流、過壓時，也需要及時通過保護電路切斷主電路中的接觸器。

4）電源，整個系統(tǒng)工作需要多路相互隔離的電源，其中包括控制板和采樣電路電源，IGBT電源。為了提高采樣的準確性，需要隔離模擬地和數(shù)字地。給IGBT供電時，IGBT的3個上橋臂使用獨立的15V電源供電，下橋臂使用單獨地一個電源供電。DSP發(fā)出的PWM信號與IGBT之間采用TLP559進行隔離。

5 控制系統(tǒng)軟件設計

軟件設計中的各個模塊如圖6所示。

1）AD采樣時，設置DSP中AD轉換器進行連續(xù)采樣，同時將采樣的結果直接連接到DSP的DMA模塊，然后將其保存到DSP的內存中，這個過程不需要DSP中CPU的參與，最大限度的利用CPU資源，同時獲得較多的采樣數(shù)據(jù)。

2）濾波模塊，由于AD轉換速度快，獲得的數(shù)據(jù)多，直接采用中值濾波。

3）鎖相環(huán)，對電網電壓進行鎖相，計算出電網電壓相角的正弦值和余弦值。

4）PI控制算法，為了防止積分作用使控制量持續(xù)增大，采用抗積分飽和的PI控制算法[4]，當PI輸出達到上限時，停止積分的作用。

6 系統(tǒng)測試

對系統(tǒng)進行如下試驗：

1）采樣電路軟件校正

AD轉換器輸出的電壓值ADC_Value與實際的電壓值，具有線性關系：ADC_Value=Volt*k+b，在實際使用時，受傳感器轉換率精度、采樣電阻精度、放大器電阻精度的影響，實際的增益系數(shù)k以及偏置系數(shù)b和理想值均有所差別。為了獲得較準確的k和b，可以在測量的電壓、電流范圍內采集20個點，然后對它們進行線性擬合，從而計算出k和b。

2）保護電路測試

給IGBT一個人為的故障信號，觀察IGBT是否輸出Fo信號，同時觀察DSP的PWM信號是否封鎖，主電路的接觸器是否斷開。

3）開環(huán)SPWM測試

為了測試PWM驅動電路和IGBT的好壞，直接使用一個直流電源接入直流側，然后讓DSP單純的逆變出一個正弦波形，觀察正弦波形是否發(fā)生畸變，從而判斷每個PWM輸出是否產生控制作用。

4）閉環(huán)測試及實驗結果

前面的測試都成功后，進行閉環(huán)試驗。運行DSP，閉合主電路，觀察直流側的電壓是否穩(wěn)定，如果穩(wěn)定，則證明控制器沒有發(fā)散，進而優(yōu)化PI參數(shù)。測試時加入電機負載，在0到1s封鎖IGBT的PWM波，不加入控制，1s時DSP發(fā)出PWM，開始投入SVG補償系統(tǒng)，分別獲得ua，ia的波形如圖 7以及udc的波形如圖 8，從圖 7中可以看出，1s前ua，ia有明顯的相位差，而1s時SVG補償系統(tǒng)開始運行，使ua，ia之間的相位差改變?yōu)?，SVG補償系統(tǒng)的效果顯著。而直流側電壓能夠保持穩(wěn)定。

7 結 論

本文提出的基于SVG的功率因數(shù)校正系統(tǒng)，能夠有效的跟蹤感/容性負荷無功功率的變化，發(fā)出相應的無功功率，對負荷進行補償，改變負荷的阻抗特性，減小其和電網的功率交換，改善電網的電能質量，提高了電網電能的利用率。參考文獻

[1] 吳小丹，王一鳴.電能質量問題與解決方法[J].中國科技信息，2005，20：73-74.

[2] 黃建新，洪佩孫.ASVG自適應模糊控制模型及其暫態(tài)仿真研究[J].電力自動化設備，2003，23（3）：16-18.

[3] STELLA MORRIS，DASH P K，BASU K P. A fuzzy variable structure controller for STATCOM[J]. Electric Power System Research，2003， （65）： 23-24.

[4] 楊立永，袁佩娥，楊忠利.新型抗飽和PI控 制器在PWM整流器中的應用[J] .電力電子技術.2009，43（12）：31-33.

4）電源，整個系統(tǒng)工作需要多路相互隔離的電源，其中包括控制板和采樣電路電源，IGBT電源。為了提高采樣的準確性，需要隔離模擬地和數(shù)字地。給IGBT供電時，IGBT的3個上橋臂使用獨立的15V電源供電，下橋臂使用單獨地一個電源供電。DSP發(fā)出的PWM信號與IGBT之間采用TLP559進行隔離。

5 控制系統(tǒng)軟件設計

軟件設計中的各個模塊如圖6所示。

1）AD采樣時，設置DSP中AD轉換器進行連續(xù)采樣，同時將采樣的結果直接連接到DSP的DMA模塊，然后將其保存到DSP的內存中，這個過程不需要DSP中CPU的參與，最大限度的利用CPU資源，同時獲得較多的采樣數(shù)據(jù)。

2）濾波模塊，由于AD轉換速度快，獲得的數(shù)據(jù)多，直接采用中值濾波。

3）鎖相環(huán)，對電網電壓進行鎖相，計算出電網電壓相角的正弦值和余弦值。

4）PI控制算法，為了防止積分作用使控制量持續(xù)增大，采用抗積分飽和的PI控制算法[4]，當PI輸出達到上限時，停止積分的作用。

6 系統(tǒng)測試

對系統(tǒng)進行如下試驗：

1）采樣電路軟件校正

AD轉換器輸出的電壓值ADC_Value與實際的電壓值，具有線性關系：ADC_Value=Volt*k+b，在實際使用時，受傳感器轉換率精度、采樣電阻精度、放大器電阻精度的影響，實際的增益系數(shù)k以及偏置系數(shù)b和理想值均有所差別。為了獲得較準確的k和b，可以在測量的電壓、電流范圍內采集20個點，然后對它們進行線性擬合，從而計算出k和b。

2）保護電路測試

給IGBT一個人為的故障信號，觀察IGBT是否輸出Fo信號，同時觀察DSP的PWM信號是否封鎖，主電路的接觸器是否斷開。

3）開環(huán)SPWM測試

為了測試PWM驅動電路和IGBT的好壞，直接使用一個直流電源接入直流側，然后讓DSP單純的逆變出一個正弦波形，觀察正弦波形是否發(fā)生畸變，從而判斷每個PWM輸出是否產生控制作用。

4）閉環(huán)測試及實驗結果

前面的測試都成功后，進行閉環(huán)試驗。運行DSP，閉合主電路，觀察直流側的電壓是否穩(wěn)定，如果穩(wěn)定，則證明控制器沒有發(fā)散，進而優(yōu)化PI參數(shù)。測試時加入電機負載，在0到1s封鎖IGBT的PWM波，不加入控制，1s時DSP發(fā)出PWM，開始投入SVG補償系統(tǒng)，分別獲得ua，ia的波形如圖 7以及udc的波形如圖 8，從圖 7中可以看出，1s前ua，ia有明顯的相位差，而1s時SVG補償系統(tǒng)開始運行，使ua，ia之間的相位差改變?yōu)?，SVG補償系統(tǒng)的效果顯著。而直流側電壓能夠保持穩(wěn)定。

7 結 論

本文提出的基于SVG的功率因數(shù)校正系統(tǒng)，能夠有效的跟蹤感/容性負荷無功功率的變化，發(fā)出相應的無功功率，對負荷進行補償，改變負荷的阻抗特性，減小其和電網的功率交換，改善電網的電能質量，提高了電網電能的利用率。參考文獻

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[4] 楊立永，袁佩娥，楊忠利.新型抗飽和PI控 制器在PWM整流器中的應用[J] .電力電子技術.2009，43（12）：31-33.

4）電源，整個系統(tǒng)工作需要多路相互隔離的電源，其中包括控制板和采樣電路電源，IGBT電源。為了提高采樣的準確性，需要隔離模擬地和數(shù)字地。給IGBT供電時，IGBT的3個上橋臂使用獨立的15V電源供電，下橋臂使用單獨地一個電源供電。DSP發(fā)出的PWM信號與IGBT之間采用TLP559進行隔離。

5 控制系統(tǒng)軟件設計

軟件設計中的各個模塊如圖6所示。

1）AD采樣時，設置DSP中AD轉換器進行連續(xù)采樣，同時將采樣的結果直接連接到DSP的DMA模塊，然后將其保存到DSP的內存中，這個過程不需要DSP中CPU的參與，最大限度的利用CPU資源，同時獲得較多的采樣數(shù)據(jù)。

2）濾波模塊，由于AD轉換速度快，獲得的數(shù)據(jù)多，直接采用中值濾波。

3）鎖相環(huán)，對電網電壓進行鎖相，計算出電網電壓相角的正弦值和余弦值。

4）PI控制算法，為了防止積分作用使控制量持續(xù)增大，采用抗積分飽和的PI控制算法[4]，當PI輸出達到上限時，停止積分的作用。

6 系統(tǒng)測試

對系統(tǒng)進行如下試驗：

1）采樣電路軟件校正

AD轉換器輸出的電壓值ADC_Value與實際的電壓值，具有線性關系：ADC_Value=Volt*k+b，在實際使用時，受傳感器轉換率精度、采樣電阻精度、放大器電阻精度的影響，實際的增益系數(shù)k以及偏置系數(shù)b和理想值均有所差別。為了獲得較準確的k和b，可以在測量的電壓、電流范圍內采集20個點，然后對它們進行線性擬合，從而計算出k和b。

2）保護電路測試

給IGBT一個人為的故障信號，觀察IGBT是否輸出Fo信號，同時觀察DSP的PWM信號是否封鎖，主電路的接觸器是否斷開。

3）開環(huán)SPWM測試

為了測試PWM驅動電路和IGBT的好壞，直接使用一個直流電源接入直流側，然后讓DSP單純的逆變出一個正弦波形，觀察正弦波形是否發(fā)生畸變，從而判斷每個PWM輸出是否產生控制作用。

4）閉環(huán)測試及實驗結果

前面的測試都成功后，進行閉環(huán)試驗。運行DSP，閉合主電路，觀察直流側的電壓是否穩(wěn)定，如果穩(wěn)定，則證明控制器沒有發(fā)散，進而優(yōu)化PI參數(shù)。測試時加入電機負載，在0到1s封鎖IGBT的PWM波，不加入控制，1s時DSP發(fā)出PWM，開始投入SVG補償系統(tǒng)，分別獲得ua，ia的波形如圖 7以及udc的波形如圖 8，從圖 7中可以看出，1s前ua，ia有明顯的相位差，而1s時SVG補償系統(tǒng)開始運行，使ua，ia之間的相位差改變?yōu)?，SVG補償系統(tǒng)的效果顯著。而直流側電壓能夠保持穩(wěn)定。

7 結 論

本文提出的基于SVG的功率因數(shù)校正系統(tǒng)，能夠有效的跟蹤感/容性負荷無功功率的變化，發(fā)出相應的無功功率，對負荷進行補償，改變負荷的阻抗特性，減小其和電網的功率交換，改善電網的電能質量，提高了電網電能的利用率。參考文獻

[1] 吳小丹，王一鳴.電能質量問題與解決方法[J].中國科技信息，2005，20：73-74.

[2] 黃建新，洪佩孫.ASVG自適應模糊控制模型及其暫態(tài)仿真研究[J].電力自動化設備，2003，23（3）：16-18.

[3] STELLA MORRIS，DASH P K，BASU K P. A fuzzy variable structure controller for STATCOM[J]. Electric Power System Research，2003， （65）： 23-24.

[4] 楊立永，袁佩娥，楊忠利.新型抗飽和PI控 制器在PWM整流器中的應用[J] .電力電子技術.2009，43（12）：31-33.