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1、有源无功功率发生器摘要：构建了基于电压源逆变器(VSI)的无功功率发生器。该无功发生器发出与市电电压正交的电流以补偿负载的无功电流。系统控制以Atmega128为核心，并辅以模拟的VSI电流控制环。由Atmega128检测市电电压电流的相位差，经过数字PI调节器和乘法器，得到电流控制的VSI的无功电流指令，最终由VSI发出期望的无功电流。系统中还采用了数字鉴相技术、数字/模拟SPWM技术、人机接口技术等。实际测试表明该系统可以把阻感性负载的网测功率因数从0.67补偿到1。关键词：有源无功发生器(ASVG)，VSI，数字PI，电流反馈，Atmega128 Abstract: The ASVG b
2、ased on VSI is constructed. Reactive current which perpendicular with power voltage is generated. Atmega128 MCU is acted as the core of control, and assisted analogue current control loop in VSI. The voltage-current phase separation of the power detected by Atmega128, through digital PI adjustment a
3、nd multiplier unit, work out the instruction of the reactive current, reactive current will be generated by VSI. In addition, technology of the digital phase demodulation, digital & analogue SPWM generation, man machine interaction is adopted in this system. The experiment indicates that the ASVG ca
4、n improve power factor from 0.67 to 1.Keyword：ASVG, VSI, digital PI, current feedback, Atmge1281.系统方案比较与设计1.1 系统要求对一个小型的模拟电网进行电流、频率、功率因数等参数进行测量。并根据测量参数对模拟电网的功率因数进行校正，使功率因数调整到预期值。该模拟电网为接在220V60V隔离变压器上的阻感性负载。1.2 系统方案比较和论证方案一：采用静止无功补偿器（SVCStatic Var Compensator）方案二：采用静止无功发生器（SVGStatic Var Generator）方案比
5、较：SVC不可避免的存在原理上的滞后，适合长期稳定运行的负载，对快速变换的无功功率无法得到较为理想的补偿效果。并且SVC改变了系统的阻抗特性，可能使系统发生谐振。SVG中采用全控型器件，虽然交流侧电流的幅值在一定程度上受到直流侧电源电压的影响，但在一定范围内其向电网输送的无功功率大小是稳定可调的。SVG理论上只与电网存在无功交换，因此基本上是不存在损耗。为了更好更灵活的实现无功功率补偿，决定采用方案二SVG。1.3 系统设计系统的核心为相位控制环。相位检测电路把检测到的电网电压和电流的相位差送入单片机的数字PI调节器。调节器通过计算得出相应的无功电流补偿指令。执行机构（电压型逆变器）根据该指令
6、向电网发出相应无功电流对网侧无功进行补偿。另外，电压型逆变器采用了电流反馈来辅助数字PI调节，以达到最优的补偿效果。2. 理论分析与计算2.1 有源无功补偿理论分析如图2.1所示为ASVG并联于系统总线的电流示意图,图2.2为ASVG的拓扑结构，假设式中，为电网电压，为负载电流，负载电流可分为于电网电压同相的有功电流分量及与系统电压垂直的无功电流分量。为了使该有源无功发生器能补偿负载所需的无功功率，无功发生器的补偿电流必须与电网的无功电流分量大小相等，方向相反，即（）。 2.2 相位控制环分析 单片机通过对网侧电压的相位进行跟踪监测，使给定正弦的相位总是超前网侧电压90，数字PI调节器把网侧电
7、压电流的相位差和给定量比较之后得出的误差信号进行相应的计算，得到对应的给定正弦的幅值。逆变器作为执行机构把给定正弦转化为相应的无功电流注入电网负载节点，以补偿负载的无功电流，从而提高了网侧的功率因素。其相位环控制框图如图2.4中相关环节所示。图2.4 相位环控制框图这里采用增量型算法实现数字PI控制。其具体算式为：其中，为第k个采样周期时刻控制量的增量，为k时误差，为k1时刻的误差，为比例增益，为积分时间，为采样周期。通过工程整定法确定各个参数。如下，0.0003,=60ms,=20ms。2.3 输出滤波器截至频率的确定逆变桥输出含有20KHz的载波，采用LC二阶滤波器，其传递函数为：式中，为
8、无阻尼自然振荡角频率，；为阻尼比，s为拉普拉斯算子。LC截止频率选择原则为:10 为基波频率；为最低次谐波频率。选用1.1uF的电容，5mH的电感，其截至频率为2147.1Hz，满足上述条件。3. 单元电路分析与设计（具体电路见附录2）3.1模拟电流调节器电路设计模拟电流调节器采用运放TL082组成的差分放大电路，反馈量为逆变器的输出电流。其电流调节器的放大系数。3.2 载波产生电路设计由于单片机发出的是20KHz单极性的方波，因此采用电平移动电路和积分器后得到20KHz的三角载波。3.3 调制器电路设计用LM319及外围电路组成有滞回特性的调制器，给定正弦和20KHz的三角载波进行比较后得到
9、SPWM。3.4 逆变桥电路设计可供选择的功率开关器件有IGBT和MOS管，由于系统直流母线电压不高，要求输出的无功电流不大，因此采用开关速度更快的MOS管。为了防止开关管在关闭过程中出现尖峰电压而击穿开关管，在直流母线上尽可能靠近开关管的地方并联电容。3.5 脉冲分配及死区产生电路设计SPWM波经由CD4011及其外围电路组成的脉冲分配及死区产生电路，将调制器产生的SPWM分裂为互补的两路，根据所采用的主功率器件特性，死区时间定为1.2uS。3.6 驱动保护电路设计采用MOS管专用驱动芯片IR2110。保护电路采用电流霍尔检测直流母线电流信号，送入由LM319组成的双门限比较器，一旦电流超出
10、了阈值，触发由CD4011组成的RS触发器，输出高电平送入IR2110的封锁端（SD），封锁其输出的驱动信号，同时发光二极管指示系统处于被保护状态。3.7 相位检测电路设计 其具体电路如图所示，市电电流电压信号经光耦隔离后，通过过零比较器，把正弦信号转换成方波信号。方波的上升沿就是正弦的过零点。单片机把电压电流过零点的时间差检测出来转换为电压电流的相位差。3.8 真有效值检测电路设计采用AD637构成真有效值转化电路。对网侧电压电流进行取样之后，AD637把电压电流的有效值转换为对应的直流电平，单片机通过AD读取相应的量值。3.9 人机界面设计采用RA8803控制的240128液晶显示器。显示
11、出系统相关参数。4 系统软件设计由于本系统对单片机没特殊要求，采用Atmega128（128K片内FLASH，4K的SARM，2个8位定时器，2个16位定时器，8路可编程PWM，8路10位AD，最大可接16M晶振，64脚TQFP封装）作为系统的处理器。编译器采用CodeVision（），语言采用C和汇编混合编程方式。其流程图参见附录3。4.1 数字SPWM算法相关定时计数器工作在快速PWM模式。采用查表计算法产生SPWM波，使给定正弦的幅值可稳定可调。4.2 相位跟踪在每次网侧电压过零点的时候，引起单片机产生外部中断，并对计数器的值进行重装，使补偿电流总是超前网侧电压90度。4.3相位检测由相
12、应的硬件电路可知：网侧电压电流方波信号分别引起单片机的外部中断，分配相应定时器对其中断时间差进行计时，可得相位差。4.4过热保护由四个数字DS18B20（温度传感器）组成的测温网络分别监测四个功率开关管的表面温度。DS18B20与单片机通信采用单总线协议。一旦任意一个开关管温度超过阈值，单片机封锁给定正弦，同时在液晶显示器上显示出具体的过热的开关管。5系统调试5.1 调试方法和过程先分别调试辅助电源模块，逆变器主电路模块，逆变器控制模块（包括模拟电流反馈、SPWM调制、死区产生、驱动保护等），输出滤波器模块，网侧电压电流取样模块，相位检测模块，软件调试，人机交互模块等。再整机调试，确定模拟电流
13、反馈系数、数字PI调节器等参数。5.2 测试仪器表41 测试仪器PC机（联想商务机）TEKTRONIX 1002B 数字存储示波器自制三路隔离稳压电源MS8215 4位数字万用表高压探头UT88B 真有效值万用表EE164C函数信号发生器PF9800智能电表测试仪5.3 测试数据测试电路：如图4.1所示，用一个可调的电阻串联一个电感来模拟一个阻感负载。 表42 功率因数测量次数感性负载 L=R测试功率因数实际功率因数误差12345注：测量功率因数为本系统的显示值，实际功率因数为智能电表测试仪显示值。表43电压、频率测量次数电压的测量频率的测量测量电压实际电压误差测量频率实际频率误差注：测量电压
14、为本系统的显示值，实际电压为用真有效值万用表测出的电压值。测量频率为本系统的显示值，实际值为从示波器上读出的值。 5.4 补偿前后波形对比 图5.1 补偿之前电流电压波形 图5.2 补偿之后的电流电压波形6. 结果分析图5.1 为补偿之前电流电压波形，图5.2为补偿之后的电流电压波形。综合分析测试数据和波形可知：系统电压测量误差小于0.5%，频率测量误差小于0.05%，功率补偿的误差小于99.9，实现了模拟电网的无功补偿。测试表明此无功发生器提供的无功功率可以随负载变动而快速调节，使输入功率因数维持在单位功率因数，并且本系统采用的LCD液晶显示器，人机界面友好，可有效显示电网电压、电流、有功及
15、功率因数等参数。7. 误差分析和改善措施单片机产生SPWM的定时器工作在11位快速PWM模式，理论上调整一个点的分辨率为4uS，最小调整角为0.072,系统误差为99.97。完全达到了系统要求。另外，由于时间、水平的限制，本系统的性能还可继续提高、功能还可继续完善：如增加逆变器的功率，使其可以补偿更大的无功功率；增加对阻容性负载的补偿功能；增加对电网谐波的补偿功能；以及与大容量蓄电池组成不间断电源（UPS）。参考文献1王兆安.电力电子技术M.北京:械工业出版社.2邹伯敏.自动控制理论M.北京:机械工业出版社.3全国大学生电子设计竞赛组委会. 全国大学生电子设计竞赛获奖作品汇编M.北京:北京理工大学出版社.4.金英.潘再平.脉宽调制控制方法的研究J.科技通报,200
