用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的單相無(wú)功功率補(bǔ)償器設(shè)計(jì)

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(jìn)技術(shù)，針對(duì)目前電力電子實(shí)驗(yàn)課程對(duì)無(wú)功補(bǔ)償教學(xué)部分的缺失，以實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中接阻感負(fù)載的單相橋式晶閘管整流器為補(bǔ)償對(duì)象，討論動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。分析動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償?shù)耐負(fù)浜突驹恚O(shè)計(jì)基于DSP的數(shù)字雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，進(jìn)行了參數(shù)計(jì)算及相關(guān)的器件選型，實(shí)現(xiàn)了裝置輸出無(wú)功功率的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，使實(shí)驗(yàn)裝置單位功率因數(shù)運(yùn)行。同時(shí)，該無(wú)功補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)平臺(tái)還可以用于補(bǔ)償其他實(shí)驗(yàn)裝置給公共連接點(diǎn)帶來(lái)的無(wú)功污染。Matlab仿真及樣機(jī)實(shí)驗(yàn)均表明，該動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)平臺(tái)具有良好的補(bǔ)償性能，可以使電氣工程專業(yè)學(xué)生直觀地了解動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償?shù)脑恚瑢?shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置的有效補(bǔ)充。

關(guān)鍵詞： 實(shí)驗(yàn)教學(xué)； 單相無(wú)功補(bǔ)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(hào)： TN626?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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(fù)載的使用，使得電網(wǎng)中產(chǎn)生了大量的無(wú)功和諧波。其中無(wú)功增大了線路的損耗、設(shè)備的容量以及線路的壓降；諧波會(huì)增加諧波損耗，產(chǎn)生串并聯(lián)諧振，引起設(shè)備誤操作。電網(wǎng)和電力系統(tǒng)中的諧波消除和無(wú)功補(bǔ)償已成為近年來(lái)電氣工程最受重視的研究領(lǐng)域之一，受到了越來(lái)越多國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。靜止無(wú)功發(fā)生器（SVG）具有無(wú)功電流調(diào)節(jié)速度快、應(yīng)用范圍廣等一系列優(yōu)點(diǎn)[1?4]，已成為現(xiàn)行最為主流的補(bǔ)償設(shè)備，并在工業(yè)中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，其實(shí)現(xiàn)也成為電氣工程領(lǐng)域中最受重視的一項(xiàng)技術(shù)。

近年來(lái)，在我國(guó)高校電氣工程專業(yè)學(xué)生的教育中，除了知識(shí)傳授，越來(lái)越多地重視和強(qiáng)調(diào)綜合素質(zhì)和實(shí)際應(yīng)用能力的培養(yǎng)，但是電氣工程專業(yè)教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)仍然存在著一個(gè)問(wèn)題，即對(duì)于現(xiàn)行工業(yè)應(yīng)用中最需要的技術(shù)需求，反映主流先進(jìn)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段仍存在著明顯不足。例如上述的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償以及有源濾波技術(shù)已成為目前工業(yè)應(yīng)用中最流行的，也是最需要掌握的先進(jìn)技術(shù)。但現(xiàn)有高校中電力電子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)均無(wú)法進(jìn)行此方面的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。事實(shí)上，如果使學(xué)生在本科實(shí)驗(yàn)中就能夠?qū)Υ祟惣夹g(shù)進(jìn)行直觀理解并能進(jìn)行簡(jiǎn)單的電氣操作，無(wú)疑對(duì)于電氣工程專業(yè)學(xué)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(shí)際工業(yè)需求。

基于上述目的，以現(xiàn)有電力電子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為基礎(chǔ)，以實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中接阻感負(fù)載的單相橋式晶閘管整流器為補(bǔ)償對(duì)象，討論了動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。結(jié)合本科教育特點(diǎn)和學(xué)生水平，通過(guò)分析電路的基本原理，確定閉環(huán)控制系統(tǒng)，進(jìn)行參數(shù)計(jì)算以及器件選型，最終搭建了并聯(lián)型動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的可行性和無(wú)功補(bǔ)償功能的有效性。另外，該無(wú)功補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)平臺(tái)還可以用于補(bǔ)償其他實(shí)驗(yàn)裝置給公共連接點(diǎn)帶來(lái)的無(wú)功污染。

1 要求與選型

從本科生的知識(shí)儲(chǔ)備、動(dòng)手能力、可執(zhí)行性以及實(shí)驗(yàn)課課時(shí)的角度考慮，本科教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)首先要求操作簡(jiǎn)單，其次要求在一定的時(shí)間里具有較高的完成度，最后要求具有驗(yàn)證性和創(chuàng)新性相結(jié)合的特點(diǎn)，對(duì)學(xué)生有一定的啟發(fā)作用。

基于以上的要求，在所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置中采用DSP進(jìn)行數(shù)字控制。首先，與模擬電路相比，DSP的應(yīng)用簡(jiǎn)化了學(xué)生的接線難度，不需要學(xué)生搭建運(yùn)放模塊，大大縮短了搭線時(shí)間；其次，DSP的優(yōu)點(diǎn)是讀寫(xiě)速度快、集成程度高，易于封裝成一個(gè)模塊化的實(shí)驗(yàn)箱；第三，DSP的編程語(yǔ)言支持C語(yǔ)言，而C語(yǔ)言簡(jiǎn)潔緊湊、使用靈活，對(duì)初學(xué)者具有一定的友好度，對(duì)非驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)具有較高的實(shí)現(xiàn)度，支持學(xué)生嘗試一些具有創(chuàng)造性的實(shí)驗(yàn)。

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(xué)的重點(diǎn)內(nèi)容，也是在講授無(wú)功和功率因數(shù)內(nèi)容時(shí)所應(yīng)用的負(fù)載實(shí)例之一；其次，現(xiàn)行主流的電氣教學(xué)實(shí)驗(yàn)柜都搭載有相應(yīng)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(fù)載和阻感負(fù)載，使得本文所討論的綜合無(wú)功補(bǔ)償裝置可以很方便地利用現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)；相對(duì)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(duì)簡(jiǎn)單，對(duì)學(xué)生而言更加易于理解，所以更加適合于在教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)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(dòng)控制原理與電力電子技術(shù)課程所學(xué)的知識(shí)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，提高知識(shí)的綜合應(yīng)用能力和解決復(fù)雜工程技術(shù)問(wèn)題的能力。

2 主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及基本工作原理

綜合無(wú)功補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)裝置的主拓?fù)淙鐖D1所示。單相晶閘管橋式整流實(shí)驗(yàn)裝置的負(fù)載為阻感性負(fù)載，需要從電網(wǎng)中吸收無(wú)功功率，導(dǎo)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(gè)綜合無(wú)功補(bǔ)償裝置，就可以對(duì)電網(wǎng)的無(wú)功與諧波進(jìn)行綜合補(bǔ)償[5]。應(yīng)用傳感器可以實(shí)時(shí)測(cè)量得到電網(wǎng)側(cè)的電壓與電流，通過(guò)測(cè)量得到的電壓與電流可以實(shí)時(shí)計(jì)算出公共連接點(diǎn)所需補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功電流，據(jù)此可對(duì)SVG進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)，使其吸收相應(yīng)的容性（感性）無(wú)功以補(bǔ)償負(fù)載的感性（容性）無(wú)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(diǎn)內(nèi)容之一，也是電力電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程必做的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。依教科書(shū)所述，當(dāng)直流側(cè)電感足夠大時(shí)，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(shí)電源功率因數(shù)等于1。從而消除了單相阻感負(fù)載整流實(shí)驗(yàn)裝置給電網(wǎng)帶來(lái)的無(wú)功和諧波污染。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了提高系統(tǒng)動(dòng)靜態(tài)性能，本文設(shè)計(jì)了SVG的控制系統(tǒng)。SVG的無(wú)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(yīng)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(yīng)用三角波比較法的PWM跟蹤技術(shù)實(shí)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(shí)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(wú)功補(bǔ)償器直流側(cè)電壓的穩(wěn)定；電流環(huán)為內(nèi)環(huán)，實(shí)現(xiàn)無(wú)功電流和諧波電流的補(bǔ)償控制[10]。

直流側(cè)電壓參考值[UDC?ref]與實(shí)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(guò)PI調(diào)節(jié)器，得到電流調(diào)制信號(hào)；調(diào)制信號(hào)與三角波比較產(chǎn)生變換器功率器件開(kāi)關(guān)信號(hào)，進(jìn)而可以達(dá)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(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償和諧波消除的目的[11]。

4 仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 利用Matlab軟件仿真

在電力電子課程的理論教學(xué)中，對(duì)于負(fù)載為阻感，通常假定負(fù)載電感無(wú)窮大，此時(shí)電流連續(xù)且不隨電壓波動(dòng)，可視作恒流。但在實(shí)際工程中，電感負(fù)載不可能無(wú)窮大，那么電流將不是恒流且會(huì)隨電壓波動(dòng)。

基于以上分析，利用Matlab軟件進(jìn)行仿真，是一種在本科階段行之有效的學(xué)習(xí)方法。學(xué)生們可以通過(guò)設(shè)置負(fù)載電感參數(shù)從而進(jìn)行觀察：當(dāng)負(fù)載電感值很大時(shí)，輸入電流波形接近理想波形；當(dāng)負(fù)載電感值較小時(shí)，電流波形會(huì)有較大波動(dòng)。利用Matlab仿真的安全與高效性，學(xué)生可自行搭建電路并運(yùn)行仿真，在實(shí)物實(shí)驗(yàn)之前就可以對(duì)實(shí)驗(yàn)波形進(jìn)行觀察。實(shí)驗(yàn)前的仿真既可以提高學(xué)生對(duì)波形的分析能力，又增加了實(shí)驗(yàn)的可操作性。

綜上，采取實(shí)驗(yàn)與仿真相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，可以幫助學(xué)生更順利地完成無(wú)功補(bǔ)償教學(xué)實(shí)驗(yàn)。

在Matlab/Simulink平臺(tái)上搭建了SVG模型并進(jìn)行了仿真，所采用的主要參數(shù)見(jiàn)表1。

對(duì)于本實(shí)驗(yàn)而言，整流側(cè)負(fù)載電感設(shè)為無(wú)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(shí)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(dá)到穩(wěn)態(tài)。圖5、圖6為補(bǔ)償前后電網(wǎng)側(cè)電流、電壓波形，可以觀察到補(bǔ)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(gè)角度，補(bǔ)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(diǎn)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(lái)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(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)，補(bǔ)償效果較好，且動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度較快。

樣機(jī)采用TMS320F28335作為核心控制器，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)雙閉環(huán)控制，實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表2所示。

圖8為直流側(cè)電壓波形，經(jīng)過(guò)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(shí)現(xiàn)了直流側(cè)電壓穩(wěn)定的控制目標(biāo)。

圖9為單相橋式晶閘管整流電路補(bǔ)償前移相角60°時(shí)電網(wǎng)側(cè)相電壓、電流波形，此時(shí)由于晶閘管整流電路負(fù)載電感為有限值，因此電流波形并非矩形波。圖10為補(bǔ)償后電網(wǎng)側(cè)相電壓、電流波形。可以看出補(bǔ)償后電壓和電流幾乎同相位，電流波形為近似正弦波，實(shí)現(xiàn)了單位功率因數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了本文所討論的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)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(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)上增加無(wú)功補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)裝置的方法，分析無(wú)功補(bǔ)償?shù)幕驹恚越幼韪胸?fù)載的單相橋式晶閘管整流器為補(bǔ)償對(duì)象，設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)綜合無(wú)功補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，搭建實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，設(shè)計(jì)基于DSP的數(shù)字控制系統(tǒng)。最后通過(guò)Matlab仿真和樣機(jī)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了綜合無(wú)功補(bǔ)償裝置對(duì)單相橋式全控整流器在阻感負(fù)載下的補(bǔ)償效果，綜合無(wú)功補(bǔ)償裝置運(yùn)行的有效性，以及用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的可行性和優(yōu)越性。該實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的研制成功是對(duì)現(xiàn)有電氣工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有效補(bǔ)充。

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