用于實驗教學的單相無功功率補償器設計

劉瑨琪 王聰 徐曉賢

摘 要： 為了使本科專業(yè)教育更貼近工業(yè)生產(chǎn)和反映主流的先進技術(shù)，針對目前電力電子實驗課程對無功補償教學部分的缺失，以實驗平臺中接阻感負載的單相橋式晶閘管整流器為補償對象，討論動態(tài)無功補償實驗裝置的設計和實現(xiàn)。分析動態(tài)無功補償?shù)耐負浜突驹?，設計基于DSP的數(shù)字雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，進行了參數(shù)計算及相關的器件選型，實現(xiàn)了裝置輸出無功功率的動態(tài)調(diào)節(jié)，使實驗裝置單位功率因數(shù)運行。同時，該無功補償實驗平臺還可以用于補償其他實驗裝置給公共連接點帶來的無功污染。Matlab仿真及樣機實驗均表明，該動態(tài)無功補償實驗平臺具有良好的補償性能，可以使電氣工程專業(yè)學生直觀地了解動態(tài)無功補償?shù)脑?，實現(xiàn)對現(xiàn)有教學實驗裝置的有效補充。

關鍵詞： 實驗教學； 單相無功補償器； 閉環(huán)控制； DSP數(shù)字控制； 單位功率因數(shù)； 整流器

中圖分類號： TN626?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）16?0017?05

Abstract： Due to the lack of the teaching part of reactive compensation among current power electronic experimental courses， the design and implementation of a dynamic reactive compensation experimental device are discussed， taking the single?phase bridge thyristor rectifier connected to the inductance obstruction load on the experimental platform as the compensation object， so as to make the undergraduate professional education closer to the industrial production and reflect the mainstream advanced technology. The topology and basic principle of dynamic reactive compensation are analyzed， the digital double closed?loop control system based on DSP is designed， and parameter calculation and related device model selections are conducted， so as to realize the dynamic adjustment of the output reactive power of the device， and make the unity power factor of the experimental device operating. Meanwhile， the reactive compensation experimental platform can be used to compensate for the reactive pollution on common joint points brought by other experimental devices. The results of the Matlab simulation and prototype experiment show that the dynamic reactive compensation experimental platform has good compensation performance， can make students in electric engineering major intuitively understand the principle of dynamic inactive compensation， and is an effective supplement to the existing teaching experimental devices.

Keywords： experimental teaching； single?phase reactive compensator； closed?loop control； DSP digital control； unity power factor； rectifier

0 引 言

在電力系統(tǒng)中，由于非線性負載的使用，使得電網(wǎng)中產(chǎn)生了大量的無功和諧波。其中無功增大了線路的損耗、設備的容量以及線路的壓降；諧波會增加諧波損耗，產(chǎn)生串并聯(lián)諧振，引起設備誤操作。電網(wǎng)和電力系統(tǒng)中的諧波消除和無功補償已成為近年來電氣工程最受重視的研究領域之一，受到了越來越多國內(nèi)外學者的關注。靜止無功發(fā)生器（SVG）具有無功電流調(diào)節(jié)速度快、應用范圍廣等一系列優(yōu)點[1?4]，已成為現(xiàn)行最為主流的補償設備，并在工業(yè)中得到了越來越廣泛的應用，其實現(xiàn)也成為電氣工程領域中最受重視的一項技術(shù)。

近年來，在我國高校電氣工程專業(yè)學生的教育中，除了知識傳授，越來越多地重視和強調(diào)綜合素質(zhì)和實際應用能力的培養(yǎng)，但是電氣工程專業(yè)教學實驗平臺仍然存在著一個問題，即對于現(xiàn)行工業(yè)應用中最需要的技術(shù)需求，反映主流先進技術(shù)的實驗教學手段仍存在著明顯不足。例如上述的動態(tài)無功補償以及有源濾波技術(shù)已成為目前工業(yè)應用中最流行的，也是最需要掌握的先進技術(shù)。但現(xiàn)有高校中電力電子實驗平臺均無法進行此方面的實驗教學。事實上，如果使學生在本科實驗中就能夠?qū)Υ祟惣夹g(shù)進行直觀理解并能進行簡單的電氣操作，無疑對于電氣工程專業(yè)學生的發(fā)展和就業(yè)大有裨益，而且也使得本科專業(yè)教育更貼近實際工業(yè)需求。

基于上述目的，以現(xiàn)有電力電子實驗平臺為基礎，以實驗平臺中接阻感負載的單相橋式晶閘管整流器為補償對象，討論了動態(tài)無功補償實驗裝置的設計和實現(xiàn)。結(jié)合本科教育特點和學生水平，通過分析電路的基本原理，確定閉環(huán)控制系統(tǒng)，進行參數(shù)計算以及器件選型，最終搭建了并聯(lián)型動態(tài)無功補償實驗平臺。仿真及實驗結(jié)果證明了該實驗教學平臺的可行性和無功補償功能的有效性。另外，該無功補償實驗平臺還可以用于補償其他實驗裝置給公共連接點帶來的無功污染。

1 要求與選型

從本科生的知識儲備、動手能力、可執(zhí)行性以及實驗課課時的角度考慮，本科教學實驗平臺首先要求操作簡單，其次要求在一定的時間里具有較高的完成度，最后要求具有驗證性和創(chuàng)新性相結(jié)合的特點，對學生有一定的啟發(fā)作用。

基于以上的要求，在所設計的實驗裝置中采用DSP進行數(shù)字控制。首先，與模擬電路相比，DSP的應用簡化了學生的接線難度，不需要學生搭建運放模塊，大大縮短了搭線時間；其次，DSP的優(yōu)點是讀寫速度快、集成程度高，易于封裝成一個模塊化的實驗箱；第三，DSP的編程語言支持C語言，而C語言簡潔緊湊、使用靈活，對初學者具有一定的友好度，對非驗證性實驗具有較高的實現(xiàn)度，支持學生嘗試一些具有創(chuàng)造性的實驗。

主電路采用單相橋式晶閘管整流電路，原因如下：首先，單相橋式晶閘管整流電路是電力電子教學的重點內(nèi)容，也是在講授無功和功率因數(shù)內(nèi)容時所應用的負載實例之一；其次，現(xiàn)行主流的電氣教學實驗柜都搭載有相應的單相橋式晶閘管整流電路模塊，可以匹配不同數(shù)值下的阻性負載和阻感負載，使得本文所討論的綜合無功補償裝置可以很方便地利用現(xiàn)有實驗平臺實現(xiàn)；相對于三相晶閘管整流電路，單相電路本身結(jié)構(gòu)和控制都相對簡單，對學生而言更加易于理解，所以更加適合于在教學實驗平臺上使用。

控制策略采用雙閉環(huán)數(shù)字PI算法。主要考慮使電氣工程專業(yè)的本科生可以將自動控制原理與電力電子技術(shù)課程所學的知識有機結(jié)合起來，提高知識的綜合應用能力和解決復雜工程技術(shù)問題的能力。

2 主電路拓撲結(jié)構(gòu)及基本工作原理

綜合無功補償實驗裝置的主拓撲如圖1所示。單相晶閘管橋式整流實驗裝置的負載為阻感性負載，需要從電網(wǎng)中吸收無功功率，導致系統(tǒng)的功率因數(shù)降低。在此裝置交流側(cè)并聯(lián)一個綜合無功補償裝置，就可以對電網(wǎng)的無功與諧波進行綜合補償[5]。應用傳感器可以實時測量得到電網(wǎng)側(cè)的電壓與電流，通過測量得到的電壓與電流可以實時計算出公共連接點所需補償?shù)臒o功電流，據(jù)此可對SVG進行相應的調(diào)節(jié)，使其吸收相應的容性（感性）無功以補償負載的感性（容性）無功功率[6]。

單相橋式晶閘管整流電路是整流電路課程的重點內(nèi)容之一，也是電力電子技術(shù)實驗課程必做的實驗項目。依教科書所述，當直流側(cè)電感足夠大時，整流器輸入側(cè)電壓和電流波形如圖2所示。

即電源輸出電流中只含有與供電電壓同頻率、同相位的正弦波電流，因此此時電源功率因數(shù)等于1。從而消除了單相阻感負載整流實驗裝置給電網(wǎng)帶來的無功和諧波污染。

3 控制系統(tǒng)設計

為了提高系統(tǒng)動靜態(tài)性能，本文設計了SVG的控制系統(tǒng)。SVG的無功電流控制可分為間接控制和直接控制兩類。由于直接控制電流響應速度和控制精度均優(yōu)于間接控制[7?8]，所以本系統(tǒng)采用直接電流控制模式，應用三角波比較法的PWM跟蹤技術(shù)實現(xiàn)電流的反饋控制[9]。如圖3所示為SVG系統(tǒng)控制框圖。

圖中：[UDC?ref]為直流側(cè)電壓參考值；[UDC]為直流側(cè)電壓反饋值；[Us]為電網(wǎng)側(cè)交流電壓瞬時值；[is]為網(wǎng)側(cè)電流反饋值。

系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制：電壓環(huán)為外環(huán)，控制無功補償器直流側(cè)電壓的穩(wěn)定；電流環(huán)為內(nèi)環(huán)，實現(xiàn)無功電流和諧波電流的補償控制[10]。

直流側(cè)電壓參考值[UDC?ref]與實際電壓反饋值[UDC]作差，經(jīng)PI調(diào)節(jié)后得到參考電流幅值。此電流幅值與交流側(cè)電壓[Us]的相位相乘，生成內(nèi)環(huán)參考電流；參考電流與電網(wǎng)反饋電流[is]比較并經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器，得到電流調(diào)制信號；調(diào)制信號與三角波比較產(chǎn)生變換器功率器件開關信號，進而可以達到穩(wěn)定直流輸出電壓并使電源輸入電流跟隨電網(wǎng)電壓實現(xiàn)無功補償和諧波消除的目的[11]。

4 仿真與實驗驗證

4.1 利用Matlab軟件仿真

在電力電子課程的理論教學中，對于負載為阻感，通常假定負載電感無窮大，此時電流連續(xù)且不隨電壓波動，可視作恒流。但在實際工程中，電感負載不可能無窮大，那么電流將不是恒流且會隨電壓波動。

基于以上分析，利用Matlab軟件進行仿真，是一種在本科階段行之有效的學習方法。學生們可以通過設置負載電感參數(shù)從而進行觀察：當負載電感值很大時，輸入電流波形接近理想波形；當負載電感值較小時，電流波形會有較大波動。利用Matlab仿真的安全與高效性，學生可自行搭建電路并運行仿真，在實物實驗之前就可以對實驗波形進行觀察。實驗前的仿真既可以提高學生對波形的分析能力，又增加了實驗的可操作性。

綜上，采取實驗與仿真相結(jié)合的實驗教學方法，可以幫助學生更順利地完成無功補償教學實驗。

在Matlab/Simulink平臺上搭建了SVG模型并進行了仿真，所采用的主要參數(shù)見表1。

對于本實驗而言，整流側(cè)負載電感設為無窮大，那么理想狀態(tài)下直流側(cè)的電流在穩(wěn)態(tài)下基本保持不變，則交流側(cè)電流只按照觸發(fā)時刻翻轉(zhuǎn)極性而幅值保持不變。

圖4為直流側(cè)電容電壓波形，觀察可得在0.05 s后直流側(cè)電壓達到穩(wěn)態(tài)。圖5、圖6為補償前后電網(wǎng)側(cè)電流、電壓波形，可以觀察到補償前電網(wǎng)側(cè)電流波形為矩形波，且滯后于電網(wǎng)電壓一個角度，補償后電網(wǎng)側(cè)電流波形已經(jīng)修正成正弦，且與電網(wǎng)電壓同相位。但是在電流換向點處仍有微小的畸變，此處可以增加微分環(huán)節(jié)或者加大載波頻率來抑制畸變。

經(jīng)THD分析，裝置在0.32 s附近輸入諧波電流含量為7.4%。綜合比較可得，在0.08 s后電網(wǎng)側(cè)電流和電壓保持同相位，實現(xiàn)單位功率因數(shù)，補償效果較好，且動態(tài)響應速度較快。

樣機采用TMS320F28335作為核心控制器，負責實現(xiàn)雙閉環(huán)控制，實驗參數(shù)如表2所示。

圖8為直流側(cè)電壓波形，經(jīng)過電壓環(huán)控制，電壓穩(wěn)定在參考值40 V附近，并且直流側(cè)電壓紋波很小，實現(xiàn)了直流側(cè)電壓穩(wěn)定的控制目標。

圖9為單相橋式晶閘管整流電路補償前移相角60°時電網(wǎng)側(cè)相電壓、電流波形，此時由于晶閘管整流電路負載電感為有限值，因此電流波形并非矩形波。圖10為補償后電網(wǎng)側(cè)相電壓、電流波形。可以看出補償后電壓和電流幾乎同相位，電流波形為近似正弦波，實現(xiàn)了單位功率因數(shù)。實驗結(jié)果驗證了本文所討論的實驗平臺用于實驗教學的可用性和有效性。

5 結(jié) 論

本文討論如何在現(xiàn)有電力電子實驗教學平臺上增加無功補償實驗裝置的方法，分析無功補償?shù)幕驹?，以接阻感負載的單相橋式晶閘管整流器為補償對象，設計動態(tài)綜合無功補償實驗平臺，搭建實驗樣機，設計基于DSP的數(shù)字控制系統(tǒng)。最后通過Matlab仿真和樣機實驗驗證了綜合無功補償裝置對單相橋式全控整流器在阻感負載下的補償效果，綜合無功補償裝置運行的有效性，以及用于實驗教學的可行性和優(yōu)越性。該實驗教學平臺的研制成功是對現(xiàn)有電氣工程實驗教學的有效補充。

參考文獻

[1] MARCHESONI M. High?performance current control techniques for applications to multilevel high power voltage source inverter [C]// Proceedings of 20th IEEE Power Electronics Specialists Conference. Milwaukee： IEEE， 2002： 189?204.

[2] 榮飛，羅安，范卿.應用于不平衡系統(tǒng)的STATCOM電壓控制新方法[J].電工技術(shù)學報，2010，25（3）：138?143.

RONG Fei， LUO An， Fan Qing. A novel voltage control method applied in STATCOM under unbalanced system[J]. Transactions of China Electrotechnical Society， 2010， 25（3）： 138?143.

[3] SENSARMA P S， PADIYAR K R， RAMANARAYANAN V. Analysis and performance evaluation of a distribution STATCOM for compensating voltage fluctuations [J]. IEEE transactions on power delivery， 2001， 16（2）： 259?264.

[4] 唐杰，羅安，周柯.靜止同步補償器電壓控制器的設計與實現(xiàn)[J].電工技術(shù)學報，2006，21（8）：103?106.

TANG Jie， LUO An， ZHOU Ke. Design and realization of voltage control for static synchronous compensator [J]. Transactions of China Electrotechnical Society， 2006， 21（8）： 103?106.

[5] 楊昆，陳磊，陳國柱.單相SVG高性能補償電流控制技術(shù)[J].浙江大學學報（工學版），2013，47（2）：339?344.

YANG Kun， CHEN Lei， CHEN Guozhu. High performance compensation current control strategy of single?phase SVG [J]. Journal of Zhejiang University （Engineering science）， 2013， 47（2）： 339?344.

[6] 莊園，馮強，陳洋洋，等.三電平SVG中點電壓平衡控制策略[J].中國科技信息，2013（20）：124?126.

ZHUANG Yuan， FENG Qiang， CHEN Yangyang， et al. Three?level SVG midpoint voltage balance control strategy [J]. China science and technology information， 2013（20）： 124?126.

[7] 謝楨，魏建勛，付立軍，等.三電平H橋直流換流器電流連續(xù)模式下的建模與控制器設計[J].電網(wǎng)技術(shù)，2013，37（5）：1230?1236.

XIE Zhen， WEI Jianxun， FU Lijun， et al. Modeling and controller design of three?level H?Bridge DC/DC converter under continuous conduction mode [J]. Power system technology， 2013， 37（5）： 1230?1236.

[8] 王兆安，楊君，劉進軍.諧波抑制與無功補償[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006.

WANG Zhaoan， YANG Jun， LIU Jinjun. Harmonic suppression and reactive compensation [M]. Beijing： China Machine Press， 2006.

[9] 楊兆華，孫衛(wèi)華，秦憶.用于低壓領域的單相SVG控制系統(tǒng)與電路設計[J].電力電子技術(shù)，2006，40（4）：73?75.

YANG Zhaohua， SUN Weihua， QIN Yi. Design of circuit and control system of single phase SVG for application in low voltage system [J]. Power electronics， 2006， 40（4）： 73?75.

[10] 侯林，曹建文.SVG控制算法關鍵技術(shù)探討[J].電氣傳動自動化，2010，32（4）：10?12.

HOU Lin， CAO Jianwen. Discussion about key technologies of SVG control algorithm [J]. Electrical drive automation， 2010， 32（4）： 10?12.

[11] 許敏.基于PWM整流器的靜止無功發(fā)生器的研究與實現(xiàn)[D].太原：太原理工大學，2013.

XU Min. Study and implementation of static var generator based on PWM rectifier [D]. Taiyuan University of Technology， 2013.