用于实验教学的单相无功功率补偿器设计

刘瑨琪 王聪 徐晓贤

摘 要： 为了使本科专业教育更贴近工业生产和反映主流的先进技术，针对目前电力电子实验课程对无功补偿教学部分的缺失，以实验平台中接阻感负载的单相桥式晶闸管整流器为补偿对象，讨论动态无功补偿实验装置的设计和实现。分析动态无功补偿的拓扑和基本原理，设计基于DSP的数字双闭环控制系统，进行了参数计算及相关的器件选型，实现了装置输出无功功率的动态调节，使实验装置单位功率因数运行。同时，该无功补偿实验平台还可以用于补偿其他实验装置给公共连接点带来的无功污染。Matlab仿真及样机实验均表明，该动态无功补偿实验平台具有良好的补偿性能，可以使电气工程专业学生直观地了解动态无功补偿的原理，实现对现有教学实验装置的有效补充。

关键词： 实验教学； 单相无功补偿器； 闭环控制； DSP数字控制； 单位功率因数； 整流器

中图分类号： TN626?34 文献标识码： A 文章编号： 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

在电力系统中，由于非线性负载的使用，使得电网中产生了大量的无功和谐波。其中无功增大了线路的损耗、设备的容量以及线路的压降；谐波会增加谐波损耗，产生串并联谐振，引起设备误操作。电网和电力系统中的谐波消除和无功补偿已成为近年来电气工程最受重视的研究领域之一，受到了越来越多国内外学者的关注。静止无功发生器（SVG）具有无功电流调节速度快、应用范围广等一系列优点[1?4]，已成为现行最为主流的补偿设备，并在工业中得到了越来越广泛的应用，其实现也成为电气工程领域中最受重视的一项技术。

近年来，在我国高校电气工程专业学生的教育中，除了知识传授，越来越多地重视和强调综合素质和实际应用能力的培养，但是电气工程专业教学实验平台仍然存在着一个问题，即对于现行工业应用中最需要的技术需求，反映主流先进技术的实验教学手段仍存在着明显不足。例如上述的动态无功补偿以及有源滤波技术已成为目前工业应用中最流行的，也是最需要掌握的先进技术。但现有高校中电力电子实验平台均无法进行此方面的实验教学。事实上，如果使学生在本科实验中就能够对此类技术进行直观理解并能进行简单的电气操作，无疑对于电气工程专业学生的发展和就业大有裨益，而且也使得本科专业教育更贴近实际工业需求。

基于上述目的，以现有电力电子实验平台为基础，以实验平台中接阻感负载的单相桥式晶闸管整流器为补偿对象，讨论了动态无功补偿实验装置的设计和实现。结合本科教育特点和学生水平，通过分析电路的基本原理，确定闭环控制系统，进行参数计算以及器件选型，最终搭建了并联型动态无功补偿实验平台。仿真及实验结果证明了该实验教学平台的可行性和无功补偿功能的有效性。另外，该无功补偿实验平台还可以用于补偿其他实验装置给公共连接点带来的无功污染。

1 要求与选型

从本科生的知识储备、动手能力、可执行性以及实验课课时的角度考虑，本科教学实验平台首先要求操作简单，其次要求在一定的时间里具有较高的完成度，最后要求具有验证性和创新性相结合的特点，对学生有一定的启发作用。

基于以上的要求，在所设计的实验装置中采用DSP进行数字控制。首先，与模拟电路相比，DSP的应用简化了学生的接线难度，不需要学生搭建运放模块，大大缩短了搭线时间；其次，DSP的优点是读写速度快、集成程度高，易于封装成一个模块化的实验箱；第三，DSP的编程语言支持C语言，而C语言简洁紧凑、使用灵活，对初学者具有一定的友好度，对非验证性实验具有较高的实现度，支持学生尝试一些具有创造性的实验。

主电路采用单相桥式晶闸管整流电路，原因如下：首先，单相桥式晶闸管整流电路是电力电子教学的重点内容，也是在讲授无功和功率因数内容时所应用的负载实例之一；其次，现行主流的电气教学实验柜都搭载有相应的单相桥式晶闸管整流电路模块，可以匹配不同数值下的阻性负载和阻感负载，使得本文所讨论的综合无功补偿装置可以很方便地利用现有实验平台实现；相对于三相晶闸管整流电路，单相电路本身结构和控制都相对简单，对学生而言更加易于理解，所以更加适合于在教学实验平台上使用。

控制策略采用双闭环数字PI算法。主要考虑使电气工程专业的本科生可以将自动控制原理与电力电子技术课程所学的知识有机结合起来，提高知识的综合应用能力和解决复杂工程技术问题的能力。

2 主电路拓扑结构及基本工作原理

綜合无功补偿实验装置的主拓扑如图1所示。单相晶闸管桥式整流实验装置的负载为阻感性负载，需要从电网中吸收无功功率，导致系统的功率因数降低。在此装置交流侧并联一个综合无功补偿装置，就可以对电网的无功与谐波进行综合补偿[5]。应用传感器可以实时测量得到电网侧的电压与电流，通过测量得到的电压与电流可以实时计算出公共连接点所需补偿的无功电流，据此可对SVG进行相应的调节，使其吸收相应的容性（感性）无功以补偿负载的感性（容性）无功功率[6]。

单相桥式晶闸管整流电路是整流电路课程的重点内容之一，也是电力电子技术实验课程必做的实验项目。依教科书所述，当直流侧电感足够大时，整流器输入侧电压和电流波形如图2所示。

即电源输出电流中只含有与供电电压同频率、同相位的正弦波电流，因此此时电源功率因数等于1。从而消除了单相阻感负载整流实验装置给电网带来的无功和谐波污染。

3 控制系统设计

为了提高系统动静态性能，本文设计了SVG的控制系统。SVG的无功电流控制可分为间接控制和直接控制两类。由于直接控制电流响应速度和控制精度均优于间接控制[7?8]，所以本系统采用直接电流控制模式，应用三角波比较法的PWM跟踪技术实现电流的反馈控制[9]。如图3所示为SVG系统控制框图。

图中：[UDC?ref]为直流侧电压参考值；[UDC]为直流侧电压反馈值；[Us]为电网侧交流电压瞬时值；[is]为网侧电流反馈值。

系统采用双闭环控制：电压环为外环，控制无功补偿器直流侧电压的稳定；电流环为内环，实现无功电流和谐波电流的补偿控制[10]。

直流侧电压参考值[UDC?ref]与实际电压反馈值[UDC]作差，经PI调节后得到参考电流幅值。此电流幅值与交流侧电压[Us]的相位相乘，生成内环参考电流；参考电流与电网反馈电流[is]比较并经过PI调节器，得到电流调制信号；调制信号与三角波比较产生变换器功率器件开关信号，进而可以达到稳定直流输出电压并使电源输入电流跟随电网电压实现无功补偿和谐波消除的目的[11]。

4 仿真与实验验证

4.1 利用Matlab软件仿真

在电力电子课程的理论教学中，对于负载为阻感，通常假定负载电感无穷大，此时电流连续且不随电压波动，可视作恒流。但在实际工程中，电感负载不可能无穷大，那么电流将不是恒流且会随电压波动。

基于以上分析，利用Matlab软件进行仿真，是一种在本科阶段行之有效的学习方法。学生们可以通过设置负载电感参数从而进行观察：当负载电感值很大时，输入电流波形接近理想波形；当负载电感值较小时，电流波形会有较大波动。利用Matlab仿真的安全与高效性，学生可自行搭建电路并运行仿真，在实物实验之前就可以对实验波形进行观察。实验前的仿真既可以提高学生对波形的分析能力，又增加了实验的可操作性。

综上，采取实验与仿真相结合的实验教学方法，可以帮助学生更顺利地完成无功补偿教学实验。

在Matlab/Simulink平台上搭建了SVG模型并进行了仿真，所采用的主要参数见表1。

对于本实验而言，整流侧负载电感设为无穷大，那么理想状态下直流侧的电流在稳态下基本保持不变，则交流侧电流只按照触发时刻翻转极性而幅值保持不变。

图4为直流侧电容电压波形，观察可得在0.05 s后直流侧电压达到稳态。图5、图6为补偿前后电网侧电流、电压波形，可以观察到补偿前电网侧电流波形为矩形波，且滞后于电网电压一个角度，补偿后电网侧电流波形已经修正成正弦，且与电网电压同相位。但是在电流换向点处仍有微小的畸变，此处可以增加微分环节或者加大载波频率来抑制畸变。

经THD分析，装置在0.32 s附近输入谐波电流含量为7.4%。综合比较可得，在0.08 s后电网侧电流和电压保持同相位，实现单位功率因数，补偿效果较好，且动态响应速度较快。

样机采用TMS320F28335作为核心控制器，负责实现双闭环控制，实验参数如表2所示。

图8为直流侧电压波形，经过电压环控制，电压稳定在参考值40 V附近，并且直流侧电压纹波很小，实现了直流侧电压稳定的控制目标。

图9为单相桥式晶闸管整流电路补偿前移相角60°时电网侧相电压、电流波形，此时由于晶闸管整流电路负载电感为有限值，因此电流波形并非矩形波。图10为补偿后电网侧相电压、电流波形。可以看出补偿后电压和电流几乎同相位，电流波形为近似正弦波，实现了单位功率因数。实验结果验证了本文所讨论的实验平台用于实验教学的可用性和有效性。

5 结 论

本文讨论如何在现有电力电子实验教学平台上增加无功补偿实验装置的方法，分析无功补偿的基本原理，以接阻感负载的单相桥式晶闸管整流器为补偿对象，设计动态综合无功补偿实验平台，搭建实验样机，设计基于DSP的数字控制系统。最后通过Matlab仿真和样机实验验证了综合无功补偿装置对单相桥式全控整流器在阻感负载下的补偿效果，综合无功补偿装置运行的有效性，以及用于实验教学的可行性和优越性。该实验教学平台的研制成功是对现有电气工程实验教学的有效补充。

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