基于SVG的功率因數(shù)校正系統(tǒng)研究

藍(lán)希清+胡立坤+盧子廣

收稿日期：2013-05-27

基金項(xiàng)目：南寧市科技攻關(guān)資助項(xiàng)目（201107002A）

作者簡(jiǎn)介：藍(lán)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(yīng)用。

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

文章編號(hào)：1003-6199（2014）03-0022-05

摘 要：為了減少感/容性負(fù)載與電網(wǎng)之間的無(wú)功交換，提高電網(wǎng)電能質(zhì)量，提出和實(shí)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(chǎn)生PWM對(duì)IGBT進(jìn)行控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠快速地響應(yīng)負(fù)載側(cè)無(wú)功功率的變化，有效地對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償，減小負(fù)載和電網(wǎng)的無(wú)功交換。

關(guān)鍵詞：SVG；功率因數(shù)校正；無(wú)功補(bǔ)償

中圖分類號(hào)：TM46 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(guó)民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，電力的需求量也不斷增加，而由于電機(jī)等感性負(fù)載的接入，造成大量無(wú)功功率在電力系統(tǒng)中流動(dòng)，產(chǎn)生大量損耗，不利于節(jié)能，同時(shí)影響電能質(zhì)量[1]。SVG系統(tǒng)通過(guò)向系統(tǒng)中注入或吸收無(wú)功電流來(lái)補(bǔ)償系統(tǒng)的無(wú)功功率，從而改變負(fù)載的阻抗特性，改善電力系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)特性。目前對(duì)SVG控制器設(shè)計(jì)方面的研究有很多，如模糊自適應(yīng)控制[2-3]，但在應(yīng)用方面，還是以PI控制器居多。

2 系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)和控制原理

圖1為該系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)和控制原理，直流側(cè)的電容為整個(gè)系統(tǒng)提供了足夠的能量?？刂茣r(shí)，先檢測(cè)電網(wǎng)電壓uab，ubc，通過(guò)鎖相環(huán)計(jì)算出相角sin θ，cos θ，同時(shí)檢測(cè)電網(wǎng)與負(fù)載之間的電流ia，ib，以電網(wǎng)電壓進(jìn)行定向，變換出兩相電流id，iq，根據(jù)旋轉(zhuǎn)變換理論，則id是負(fù)載的有功電流分量，iq是負(fù)載的無(wú)功電流分量，控制時(shí)給定i*q為零，即保持負(fù)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(dāng)負(fù)載的無(wú)功功率即反饋iq變化時(shí)，經(jīng)過(guò)內(nèi)環(huán)PI控制器的調(diào)節(jié)，SVG系統(tǒng)輸出一個(gè)無(wú)功電壓分量uq提供給負(fù)載，從而保證負(fù)載與電網(wǎng)之間iq為0。同時(shí)，當(dāng)直流側(cè)電壓發(fā)生變化時(shí)，電壓環(huán)PI控制器輸出一個(gè)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(lái)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(gè)部分參數(shù)設(shè)置為：濾波電感1.7mH；直流側(cè)儲(chǔ)能電容3360uF；感性負(fù)載中電阻為2Ω，電感為5mH；PWM開(kāi)關(guān)頻率10kHz；仿真步長(zhǎng)設(shè)置為1e-5。在0.2s時(shí)突加感性負(fù)載，觀察直流側(cè)電壓的變化，波形如圖 3所示，同時(shí)對(duì)比投入SVG補(bǔ)償系統(tǒng)和未投入SVG補(bǔ)償系統(tǒng)的各個(gè)波形如圖 4所示。從圖中可以看出，直流側(cè)電壓能夠穩(wěn)定無(wú)靜差地跟蹤給定。同時(shí)，投入SVG補(bǔ)償系統(tǒng)后，即使突加感性負(fù)載，也能保證公共耦合點(diǎn)電壓和電流同相。仿真結(jié)果驗(yàn)證了算法的可行性。

4 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

整個(gè)系統(tǒng)控制電路的硬件結(jié)構(gòu)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(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。傳感器的輸出經(jīng)過(guò)抬升電路，輸入到DSP進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。

2）IGBT驅(qū)動(dòng)，IGBT使用三菱公司的PM300DVA120模塊，它里面集成了兩個(gè)開(kāi)關(guān)管和保護(hù)電路，容量為1200V/300A。DSP輸出的PWM信號(hào)經(jīng)過(guò)IGBT驅(qū)動(dòng)電路后控制IGBT的通斷，同時(shí)將IGBT輸出的故障信號(hào)傳遞到故障保護(hù)電路和DSP。

3）故障保護(hù)和報(bào)警，IGBT一旦發(fā)生過(guò)流、短路、欠壓故障時(shí)，都會(huì)輸出一個(gè)Fo信號(hào)，將該信號(hào)輸入到DSP的TZ模塊，使DSP迅速封鎖PWM的輸出，同時(shí)斷開(kāi)主電路。如果DSP檢測(cè)到過(guò)流、過(guò)壓時(shí)，也需要及時(shí)通過(guò)保護(hù)電路切斷主電路中的接觸器。

4）電源，整個(gè)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(zhǔn)確性，需要隔離模擬地和數(shù)字地。給IGBT供電時(shí)，IGBT的3個(gè)上橋臂使用獨(dú)立的15V電源供電，下橋臂使用單獨(dú)地一個(gè)電源供電。DSP發(fā)出的PWM信號(hào)與IGBT之間采用TLP559進(jìn)行隔離。

5 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)中的各個(gè)模塊如圖6所示。

1）AD采樣時(shí)，設(shè)置DSP中AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行連續(xù)采樣，同時(shí)將采樣的結(jié)果直接連接到DSP的DMA模塊，然后將其保存到DSP的內(nèi)存中，這個(gè)過(guò)程不需要DSP中CPU的參與，最大限度的利用CPU資源，同時(shí)獲得較多的采樣數(shù)據(jù)。

2）濾波模塊，由于AD轉(zhuǎn)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(duì)電網(wǎng)電壓進(jìn)行鎖相，計(jì)算出電網(wǎng)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(dāng)PI輸出達(dá)到上限時(shí)，停止積分的作用。

6 系統(tǒng)測(cè)試

對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行如下試驗(yàn)：

1）采樣電路軟件校正

AD轉(zhuǎn)換器輸出的電壓值A(chǔ)DC_Value與實(shí)際的電壓值，具有線性關(guān)系：ADC_Value=Volt*k+b，在實(shí)際使用時(shí)，受傳感器轉(zhuǎn)換率精度、采樣電阻精度、放大器電阻精度的影響，實(shí)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(zhǔn)確的k和b，可以在測(cè)量的電壓、電流范圍內(nèi)采集20個(gè)點(diǎn)，然后對(duì)它們進(jìn)行線性擬合，從而計(jì)算出k和b。

2）保護(hù)電路測(cè)試

給IGBT一個(gè)人為的故障信號(hào)，觀察IGBT是否輸出Fo信號(hào)，同時(shí)觀察DSP的PWM信號(hào)是否封鎖，主電路的接觸器是否斷開(kāi)。

3）開(kāi)環(huán)SPWM測(cè)試

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

4）閉環(huán)測(cè)試及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

前面的測(cè)試都成功后，進(jìn)行閉環(huán)試驗(yàn)。運(yùn)行DSP，閉合主電路，觀察直流側(cè)的電壓是否穩(wěn)定，如果穩(wěn)定，則證明控制器沒(méi)有發(fā)散，進(jìn)而優(yōu)化PI參數(shù)。測(cè)試時(shí)加入電機(jī)負(fù)載，在0到1s封鎖IGBT的PWM波，不加入控制，1s時(shí)DSP發(fā)出PWM，開(kāi)始投入SVG補(bǔ)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(shí)SVG補(bǔ)償系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行，使ua，ia之間的相位差改變?yōu)?，SVG補(bǔ)償系統(tǒng)的效果顯著。而直流側(cè)電壓能夠保持穩(wěn)定。

7 結(jié) 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(fù)荷無(wú)功功率的變化，發(fā)出相應(yīng)的無(wú)功功率，對(duì)負(fù)荷進(jìn)行補(bǔ)償，改變負(fù)荷的阻抗特性，減小其和電網(wǎng)的功率交換，改善電網(wǎng)的電能質(zhì)量，提高了電網(wǎng)電能的利用率。參考文獻(xiàn)

[1] 吳小丹，王一鳴.電能質(zhì)量問(wèn)題與解決方法[J].中國(guó)科技信息，2005，20：73-74.

[2] 黃建新，洪佩孫.ASVG自適應(yīng)模糊控制模型及其暫態(tài)仿真研究[J].電力自動(dòng)化設(shè)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(yīng)用[J] .電力電子技術(shù).2009，43（12）：31-33.

4）電源，整個(gè)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(zhǔn)確性，需要隔離模擬地和數(shù)字地。給IGBT供電時(shí)，IGBT的3個(gè)上橋臂使用獨(dú)立的15V電源供電，下橋臂使用單獨(dú)地一個(gè)電源供電。DSP發(fā)出的PWM信號(hào)與IGBT之間采用TLP559進(jìn)行隔離。

5 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)中的各個(gè)模塊如圖6所示。

1）AD采樣時(shí)，設(shè)置DSP中AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行連續(xù)采樣，同時(shí)將采樣的結(jié)果直接連接到DSP的DMA模塊，然后將其保存到DSP的內(nèi)存中，這個(gè)過(guò)程不需要DSP中CPU的參與，最大限度的利用CPU資源，同時(shí)獲得較多的采樣數(shù)據(jù)。

2）濾波模塊，由于AD轉(zhuǎn)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(duì)電網(wǎng)電壓進(jìn)行鎖相，計(jì)算出電網(wǎng)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(dāng)PI輸出達(dá)到上限時(shí)，停止積分的作用。

6 系統(tǒng)測(cè)試

對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行如下試驗(yàn)：

1）采樣電路軟件校正

AD轉(zhuǎn)換器輸出的電壓值A(chǔ)DC_Value與實(shí)際的電壓值，具有線性關(guān)系：ADC_Value=Volt*k+b，在實(shí)際使用時(shí)，受傳感器轉(zhuǎn)換率精度、采樣電阻精度、放大器電阻精度的影響，實(shí)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(zhǔn)確的k和b，可以在測(cè)量的電壓、電流范圍內(nèi)采集20個(gè)點(diǎn)，然后對(duì)它們進(jìn)行線性擬合，從而計(jì)算出k和b。

2）保護(hù)電路測(cè)試

給IGBT一個(gè)人為的故障信號(hào)，觀察IGBT是否輸出Fo信號(hào)，同時(shí)觀察DSP的PWM信號(hào)是否封鎖，主電路的接觸器是否斷開(kāi)。

3）開(kāi)環(huán)SPWM測(cè)試

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

4）閉環(huán)測(cè)試及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

前面的測(cè)試都成功后，進(jìn)行閉環(huán)試驗(yàn)。運(yùn)行DSP，閉合主電路，觀察直流側(cè)的電壓是否穩(wěn)定，如果穩(wěn)定，則證明控制器沒(méi)有發(fā)散，進(jìn)而優(yōu)化PI參數(shù)。測(cè)試時(shí)加入電機(jī)負(fù)載，在0到1s封鎖IGBT的PWM波，不加入控制，1s時(shí)DSP發(fā)出PWM，開(kāi)始投入SVG補(bǔ)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(shí)SVG補(bǔ)償系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行，使ua，ia之間的相位差改變?yōu)?，SVG補(bǔ)償系統(tǒng)的效果顯著。而直流側(cè)電壓能夠保持穩(wěn)定。

7 結(jié) 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(fù)荷無(wú)功功率的變化，發(fā)出相應(yīng)的無(wú)功功率，對(duì)負(fù)荷進(jìn)行補(bǔ)償，改變負(fù)荷的阻抗特性，減小其和電網(wǎng)的功率交換，改善電網(wǎng)的電能質(zhì)量，提高了電網(wǎng)電能的利用率。參考文獻(xiàn)

[1] 吳小丹，王一鳴.電能質(zhì)量問(wèn)題與解決方法[J].中國(guó)科技信息，2005，20：73-74.

[2] 黃建新，洪佩孫.ASVG自適應(yīng)模糊控制模型及其暫態(tài)仿真研究[J].電力自動(dòng)化設(shè)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(yīng)用[J] .電力電子技術(shù).2009，43（12）：31-33.

4）電源，整個(gè)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(zhǔn)確性，需要隔離模擬地和數(shù)字地。給IGBT供電時(shí)，IGBT的3個(gè)上橋臂使用獨(dú)立的15V電源供電，下橋臂使用單獨(dú)地一個(gè)電源供電。DSP發(fā)出的PWM信號(hào)與IGBT之間采用TLP559進(jìn)行隔離。

5 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)中的各個(gè)模塊如圖6所示。

1）AD采樣時(shí)，設(shè)置DSP中AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行連續(xù)采樣，同時(shí)將采樣的結(jié)果直接連接到DSP的DMA模塊，然后將其保存到DSP的內(nèi)存中，這個(gè)過(guò)程不需要DSP中CPU的參與，最大限度的利用CPU資源，同時(shí)獲得較多的采樣數(shù)據(jù)。

2）濾波模塊，由于AD轉(zhuǎn)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(duì)電網(wǎng)電壓進(jìn)行鎖相，計(jì)算出電網(wǎng)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(dāng)PI輸出達(dá)到上限時(shí)，停止積分的作用。

6 系統(tǒng)測(cè)試

對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行如下試驗(yàn)：

1）采樣電路軟件校正

AD轉(zhuǎn)換器輸出的電壓值A(chǔ)DC_Value與實(shí)際的電壓值，具有線性關(guān)系：ADC_Value=Volt*k+b，在實(shí)際使用時(shí)，受傳感器轉(zhuǎn)換率精度、采樣電阻精度、放大器電阻精度的影響，實(shí)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(zhǔn)確的k和b，可以在測(cè)量的電壓、電流范圍內(nèi)采集20個(gè)點(diǎn)，然后對(duì)它們進(jìn)行線性擬合，從而計(jì)算出k和b。

2）保護(hù)電路測(cè)試

給IGBT一個(gè)人為的故障信號(hào)，觀察IGBT是否輸出Fo信號(hào)，同時(shí)觀察DSP的PWM信號(hào)是否封鎖，主電路的接觸器是否斷開(kāi)。

3）開(kāi)環(huán)SPWM測(cè)試

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

4）閉環(huán)測(cè)試及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

前面的測(cè)試都成功后，進(jìn)行閉環(huán)試驗(yàn)。運(yùn)行DSP，閉合主電路，觀察直流側(cè)的電壓是否穩(wěn)定，如果穩(wěn)定，則證明控制器沒(méi)有發(fā)散，進(jìn)而優(yōu)化PI參數(shù)。測(cè)試時(shí)加入電機(jī)負(fù)載，在0到1s封鎖IGBT的PWM波，不加入控制，1s時(shí)DSP發(fā)出PWM，開(kāi)始投入SVG補(bǔ)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(shí)SVG補(bǔ)償系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行，使ua，ia之間的相位差改變?yōu)?，SVG補(bǔ)償系統(tǒng)的效果顯著。而直流側(cè)電壓能夠保持穩(wěn)定。

7 結(jié) 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(fù)荷無(wú)功功率的變化，發(fā)出相應(yīng)的無(wú)功功率，對(duì)負(fù)荷進(jìn)行補(bǔ)償，改變負(fù)荷的阻抗特性，減小其和電網(wǎng)的功率交換，改善電網(wǎng)的電能質(zhì)量，提高了電網(wǎng)電能的利用率。參考文獻(xiàn)

[1] 吳小丹，王一鳴.電能質(zhì)量問(wèn)題與解決方法[J].中國(guó)科技信息，2005，20：73-74.

[2] 黃建新，洪佩孫.ASVG自適應(yīng)模糊控制模型及其暫態(tài)仿真研究[J].電力自動(dòng)化設(shè)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(yīng)用[J] .電力電子技術(shù).2009，43（12）：31-33.