基于SVG的功率因数校正系统研究

蓝希清+胡立坤+卢子广

收稿日期：2013-05-27

基金项目：南宁市科技攻关资助项目（201107002A）

作者简介：蓝希清（1990—），男，江西南康人，硕士研究生，研究方向：嵌入式系统与应用。

通讯联系人，E-mail：lanxiqing2008@qq.com

文章编号：1003-6199（2014）03-0022-05

摘 要：为了减少感/容性负载与电网之间的无功交换，提高电网电能质量，提出和实现一种基于SVG的功率因数校正系统。该系统使用IGBT全桥电路为主电路，采用TMS320F28335作为控制器，将解耦控制算法移植到DSP中，DSP产生PWM对IGBT进行控制。实验结果表明，该系统能够快速地响应负载侧无功功率的变化，有效地对其进行补偿，减小负载和电网的无功交换。

关键词：SVG；功率因数校正；无功补偿

中图分类号：TM46 文献标识码：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

随着国民经济的飞速发展，电力的需求量也不断增加，而由于电机等感性负载的接入，造成大量无功功率在电力系统中流动，产生大量损耗，不利于节能，同时影响电能质量[1]。SVG系统通过向系统中注入或吸收无功电流来补偿系统的无功功率，从而改变负载的阻抗特性，改善电力系统的静态稳定性和动态特性。目前对SVG控制器设计方面的研究有很多，如模糊自适应控制[2-3]，但在应用方面，还是以PI控制器居多。

2 系统主电路结构和控制原理

图1为该系统主电路结构和控制原理，直流侧的电容为整个系统提供了足够的能量。控制时，先检测电网电压uab，ubc，通过锁相环计算出相角sin θ，cos θ，同时检测电网与负载之间的电流ia，ib，以电网电压进行定向，变换出两相电流id，iq，根据旋转变换理论，则id是负载的有功电流分量，iq是负载的无功电流分量，控制时给定i*q为零，即保持负载的电流和电压同向，电压外环的输出赋给有功电流环的给定。具体控制方法如下，当负载的无功功率即反馈iq变化时，经过内环PI控制器的调节，SVG系统输出一个无功电压分量uq提供给负载，从而保证负载与电网之间iq为0。同时，当直流侧电压发生变化时，电压环PI控制器输出一个i*d赋给有功电流环，这意味着，SVG系统将吸收有功电流来保证电容两端的电压稳定。

3 系统仿真分析

在MATLAB/Simulink中建立仿真模型如图 2，各个部分参数设置为：滤波电感1.7mH；直流侧储能电容3360uF；感性负载中电阻为2Ω，电感为5mH；PWM开关频率10kHz；仿真步长设置为1e-5。在0.2s时突加感性负载，观察直流侧电压的变化，波形如图 3所示，同时对比投入SVG补偿系统和未投入SVG补偿系统的各个波形如图 4所示。从图中可以看出，直流侧电压能够稳定无静差地跟踪给定。同时，投入SVG补偿系统后，即使突加感性负载，也能保证公共耦合点电压和电流同相。仿真结果验证了算法的可行性。

4 控制系统硬件结构

整个系统控制电路的硬件结构如图 5所示。

1）采样和抬升，采样使用霍尔电压传感器LV25-P，霍尔电流传感器CHB-100B，该两种传感器具有线性度高，响应速度快等优点。传感器的输出经过抬升电路，输入到DSP进行AD转换。

2）IGBT驱动，IGBT使用三菱公司的PM300DVA120模块，它里面集成了两个开关管和保护电路，容量为1200V/300A。DSP输出的PWM信号经过IGBT驱动电路后控制IGBT的通断，同时将IGBT输出的故障信号传递到故障保护电路和DSP。

3）故障保护和报警，IGBT一旦发生过流、短路、欠压故障时，都会输出一个Fo信号，将该信号输入到DSP的TZ模块，使DSP迅速封锁PWM的输出，同时断开主电路。如果DSP检测到过流、过压时，也需要及时通过保护电路切断主电路中的接触器。

4）电源，整个系统工作需要多路相互隔离的电源，其中包括控制板和采样电路电源，IGBT电源。为了提高采样的准确性，需要隔离模拟地和数字地。给IGBT供电时，IGBT的3个上桥臂使用独立的15V电源供电，下桥臂使用单独地一个电源供电。DSP发出的PWM信号与IGBT之间采用TLP559进行隔离。

5 控制系统软件设计

软件设计中的各个模块如图6所示。

1）AD采样时，设置DSP中AD转换器进行连续采样，同时将采样的结果直接连接到DSP的DMA模块，然后将其保存到DSP的内存中，这个过程不需要DSP中CPU的参与，最大限度的利用CPU资源，同时获得较多的采样数据。

2）滤波模块，由于AD转换速度快，获得的数据多，直接采用中值滤波。

3）锁相环，对电网电压进行锁相，计算出电网电压相角的正弦值和余弦值。

4）PI控制算法，为了防止积分作用使控制量持续增大，采用抗积分饱和的PI控制算法[4]，当PI输出达到上限时，停止积分的作用。

6 系统测试

对系统进行如下试验：

1）采样电路软件校正

AD转换器输出的电压值ADC_Value与实际的电压值，具有线性关系：ADC_Value=Volt*k+b，在实际使用时，受传感器转换率精度、采样电阻精度、放大器电阻精度的影响，实际的增益系数k以及偏置系数b和理想值均有所差别。为了获得较准确的k和b，可以在测量的电压、电流范围内采集20个点，然后对它们进行线性拟合，从而计算出k和b。

2）保护电路测试

给IGBT一个人为的故障信号，观察IGBT是否输出Fo信号，同时观察DSP的PWM信号是否封锁，主电路的接触器是否断开。

3）开环SPWM测试

为了测试PWM驱动电路和IGBT的好坏，直接使用一个直流电源接入直流侧，然后让DSP单纯的逆变出一个正弦波形，观察正弦波形是否发生畸变，从而判断每个PWM输出是否产生控制作用。

4）闭环测试及实验结果

前面的测试都成功后，进行闭环试验。运行DSP，闭合主电路，观察直流侧的电压是否稳定，如果稳定，则证明控制器没有发散，进而优化PI参数。测试时加入电机负载，在0到1s封锁IGBT的PWM波，不加入控制，1s时DSP发出PWM，开始投入SVG补偿系统，分别获得ua，ia的波形如图 7以及udc的波形如图 8，从图 7中可以看出，1s前ua，ia有明显的相位差，而1s时SVG补偿系统开始运行，使ua，ia之间的相位差改变为0，SVG补偿系统的效果显著。而直流侧电压能够保持稳定。

7 结 论

本文提出的基于SVG的功率因数校正系统，能够有效的跟踪感/容性负荷无功功率的变化，发出相应的无功功率，对负荷进行补偿，改变负荷的阻抗特性，减小其和电网的功率交换，改善电网的电能质量，提高了电网电能的利用率。参考文献

[1] 吴小丹，王一鸣.电能质量问题与解决方法[J].中国科技信息，2005，20：73-74.

[2] 黄建新，洪佩孙.ASVG自适应模糊控制模型及其暂态仿真研究[J].电力自动化设备，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] 杨立永，袁佩娥，杨忠利.新型抗饱和PI控 制器在PWM整流器中的应用[J] .电力电子技术.2009，43（12）：31-33.

4）电源，整个系统工作需要多路相互隔离的电源，其中包括控制板和采样电路电源，IGBT电源。为了提高采样的准确性，需要隔离模拟地和数字地。给IGBT供电时，IGBT的3个上桥臂使用独立的15V电源供电，下桥臂使用单独地一个电源供电。DSP发出的PWM信号与IGBT之间采用TLP559进行隔离。

5 控制系统软件设计

软件设计中的各个模块如图6所示。

1）AD采样时，设置DSP中AD转换器进行连续采样，同时将采样的结果直接连接到DSP的DMA模块，然后将其保存到DSP的内存中，这个过程不需要DSP中CPU的参与，最大限度的利用CPU资源，同时获得较多的采样数据。

2）滤波模块，由于AD转换速度快，获得的数据多，直接采用中值滤波。

3）锁相环，对电网电压进行锁相，计算出电网电压相角的正弦值和余弦值。

4）PI控制算法，为了防止积分作用使控制量持续增大，采用抗积分饱和的PI控制算法[4]，当PI输出达到上限时，停止积分的作用。

6 系统测试

对系统进行如下试验：

1）采样电路软件校正

AD转换器输出的电压值ADC_Value与实际的电压值，具有线性关系：ADC_Value=Volt*k+b，在实际使用时，受传感器转换率精度、采样电阻精度、放大器电阻精度的影响，实际的增益系数k以及偏置系数b和理想值均有所差别。为了获得较准确的k和b，可以在测量的电压、电流范围内采集20个点，然后对它们进行线性拟合，从而计算出k和b。

2）保护电路测试

给IGBT一个人为的故障信号，观察IGBT是否输出Fo信号，同时观察DSP的PWM信号是否封锁，主电路的接触器是否断开。

3）开环SPWM测试

为了测试PWM驱动电路和IGBT的好坏，直接使用一个直流电源接入直流侧，然后让DSP单纯的逆变出一个正弦波形，观察正弦波形是否发生畸变，从而判断每个PWM输出是否产生控制作用。

4）闭环测试及实验结果

前面的测试都成功后，进行闭环试验。运行DSP，闭合主电路，观察直流侧的电压是否稳定，如果稳定，则证明控制器没有发散，进而优化PI参数。测试时加入电机负载，在0到1s封锁IGBT的PWM波，不加入控制，1s时DSP发出PWM，开始投入SVG补偿系统，分别获得ua，ia的波形如图 7以及udc的波形如图 8，从图 7中可以看出，1s前ua，ia有明显的相位差，而1s时SVG补偿系统开始运行，使ua，ia之间的相位差改变为0，SVG补偿系统的效果显著。而直流侧电压能够保持稳定。

7 结 论

本文提出的基于SVG的功率因数校正系统，能够有效的跟踪感/容性负荷无功功率的变化，发出相应的无功功率，对负荷进行补偿，改变负荷的阻抗特性，减小其和电网的功率交换，改善电网的电能质量，提高了电网电能的利用率。参考文献

[1] 吴小丹，王一鸣.电能质量问题与解决方法[J].中国科技信息，2005，20：73-74.

[2] 黄建新，洪佩孙.ASVG自适应模糊控制模型及其暂态仿真研究[J].电力自动化设备，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] 杨立永，袁佩娥，杨忠利.新型抗饱和PI控 制器在PWM整流器中的应用[J] .电力电子技术.2009，43（12）：31-33.

4）电源，整个系统工作需要多路相互隔离的电源，其中包括控制板和采样电路电源，IGBT电源。为了提高采样的准确性，需要隔离模拟地和数字地。给IGBT供电时，IGBT的3个上桥臂使用独立的15V电源供电，下桥臂使用单独地一个电源供电。DSP发出的PWM信号与IGBT之间采用TLP559进行隔离。

5 控制系统软件设计

软件设计中的各个模块如图6所示。

1）AD采样时，设置DSP中AD转换器进行连续采样，同时将采样的结果直接连接到DSP的DMA模块，然后将其保存到DSP的内存中，这个过程不需要DSP中CPU的参与，最大限度的利用CPU资源，同时获得较多的采样数据。

2）滤波模块，由于AD转换速度快，获得的数据多，直接采用中值滤波。

3）锁相环，对电网电压进行锁相，计算出电网电压相角的正弦值和余弦值。

4）PI控制算法，为了防止积分作用使控制量持续增大，采用抗积分饱和的PI控制算法[4]，当PI输出达到上限时，停止积分的作用。

6 系统测试

对系统进行如下试验：

1）采样电路软件校正

AD转换器输出的电压值ADC_Value与实际的电压值，具有线性关系：ADC_Value=Volt*k+b，在实际使用时，受传感器转换率精度、采样电阻精度、放大器电阻精度的影响，实际的增益系数k以及偏置系数b和理想值均有所差别。为了获得较准确的k和b，可以在测量的电压、电流范围内采集20个点，然后对它们进行线性拟合，从而计算出k和b。

2）保护电路测试

给IGBT一个人为的故障信号，观察IGBT是否输出Fo信号，同时观察DSP的PWM信号是否封锁，主电路的接触器是否断开。

3）开环SPWM测试

为了测试PWM驱动电路和IGBT的好坏，直接使用一个直流电源接入直流侧，然后让DSP单纯的逆变出一个正弦波形，观察正弦波形是否发生畸变，从而判断每个PWM输出是否产生控制作用。

4）闭环测试及实验结果

前面的测试都成功后，进行闭环试验。运行DSP，闭合主电路，观察直流侧的电压是否稳定，如果稳定，则证明控制器没有发散，进而优化PI参数。测试时加入电机负载，在0到1s封锁IGBT的PWM波，不加入控制，1s时DSP发出PWM，开始投入SVG补偿系统，分别获得ua，ia的波形如图 7以及udc的波形如图 8，从图 7中可以看出，1s前ua，ia有明显的相位差，而1s时SVG补偿系统开始运行，使ua，ia之间的相位差改变为0，SVG补偿系统的效果显著。而直流侧电压能够保持稳定。

7 结 论

本文提出的基于SVG的功率因数校正系统，能够有效的跟踪感/容性负荷无功功率的变化，发出相应的无功功率，对负荷进行补偿，改变负荷的阻抗特性，减小其和电网的功率交换，改善电网的电能质量，提高了电网电能的利用率。参考文献

[1] 吴小丹，王一鸣.电能质量问题与解决方法[J].中国科技信息，2005，20：73-74.

[2] 黄建新，洪佩孙.ASVG自适应模糊控制模型及其暂态仿真研究[J].电力自动化设备，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] 杨立永，袁佩娥，杨忠利.新型抗饱和PI控 制器在PWM整流器中的应用[J] .电力电子技术.2009，43（12）：31-33.