矢量补偿(精选3篇)
矢量补偿 篇1
0 引 言
信号模拟是构建接近实战的复杂电磁信号环境,检验与考核信息对抗装备对于这种复杂多变环境以及各种技术体制作战对象适应能力的重要技术手段[1]。
传统基于模拟调制方式的信号模拟技术在应对信号样式、波形复杂多变和信号带宽越来越宽等需求方面,遇到了极大的挑战。特别是几百MHz,甚至高达1 GHz以上瞬时带宽的信号模拟,只有应用宽带数字矢量调制技术才能满足信号模拟瞬时带宽的拓展需要,同时简化信号模拟的上变频通道设计[2]。
虽然利用宽带数字矢量调制技术实现了信号模拟的瞬时带宽成倍拓展,但是由于器件本身非理想特性带来的固有失配,必然会在实际设计中引起数字矢量调制通道的镜频抑制[3,4]和本振抑制等指标严重恶化,如果不进行校准和补偿,调制变频输出的信号就根本无法满足信号模拟的应用要求。因此,针对宽带数字矢量调制通道的失配影响进行了深入分析,并给出了校准和补偿方法。
1 数字矢量调制失配分析及建模
模拟产生信号时,利用宽带数字矢量调制技术实现信号瞬时带宽的拓展和上变频,基本原理就是将基带信号与相位正交的两路本振信号进行混频,采用正交对消原理消除无用边带信号,达到单边带调制目的,突出的优点是不需要中频放大、滤波和变频[5],宽带数字矢量调制的基本原理如图1所示。
图中:I(t),Q(t)为信号模拟的基带信号;fI(t)与fQ(t)为相互正交的两路本振信号。理想情况下,信号的上变频输出为:
在实际的信号模拟系统中,由于器件特性的非理想特性,数字矢量调制的I,Q通道必然存在固有的直流偏置以及正交调制支路不平衡等影响因素。
假定I通道的直流偏差为DI;Q通道的直流偏差为DQ,同时将I,Q通道幅度误差归一化为β,由此产生附加的相位误差假定为φ[6],则在考虑失配影响因素后,数字矢量调制通道的实际输出信号可表示为:
式中:I1(t),Q1(t)为:
从上述数字矢量调制的模型分析可知,考虑I,Q通道的幅度、相位误差和直流配置等不平衡因素后,输入I1(t)和Q1(t)使得整个通道的调制变频不再正交,导致通道的镜频和边带抑制性能严重下降,本振泄露大[7]。因此模拟产生的信号,无法使接收系统正常识别和分选,只有通过数字校正的方法,建立数字矢量调制通道的预失真校准模型,并对整个通道的幅度相位误差和直流偏置进行补偿,才能使最终模拟产生的信号质量满足实际应用的需求。
2 数字矢量调制通道校准与补偿
模拟产生信号时,宽带数字矢量调制通道校准、补偿的基本思路是:在不同输入信号条件下,对数字矢量调制上变频通道的输出信号进行功率测量[8],求解式(3)中I,Q通道调制输出信号模型的各项参数,目标是使I1(t)和Q1(t)正交化,从而建立I1(t)和Q1(t)输入的预失真校准补偿网络,以达到校准整个数字矢量调制通道失配产生的误差,提高信号输出质量的目的。
假设实际的信号模拟系统中,整个数字矢量调制通道增益为G,经过数字矢量调制上变频后输出信号的平均功率可表示为:
把式(3)代入式(4),可得:
式中:μI=E[I(t)],μQ=E[Q(t)],σ
σ2Q=E[Q2(t)],rIQ=E[I(t)Q(t)],
x1=G2(DI+βDQsin φ),
x2=G2(β2DQ+βDIsin φ),
x3=G2/2,x4=G2β2/2,x5=G2βsin φ,
x6=G2(D
分别在以下六种数字矢量调制上变频通道输入信号的条件下,进行数字矢量调制上变频通道输出信号功率电平Pn的测量[9,10],可以逐次求解出式(5)的G,DI,DQ,β和φ五个未知参数。
(1) I(t)=Q(t)=0;
(2) I(t)=Acos(ωct),Q(t)=0;
(3) I(t)=0,Q(t)=Acos(ωct);
(4) I(t)=Q(t)=Acos(ωct);
(5) I(t)=1;Q(t)=0;
(6) I(t)=0;Q(t)=1。
如果上述六种输入条件下上变频通道输出信号的功率测量值用P1~P6表示,则可以求解得到:
其中:
根据求解的G,DI,DQ,β和φ参数,可进一步推导数字矢量调制通道的预失真校准补偿模型。首先将式(3)表示为矩阵形式:
在实际的信号模拟系统中,只要数字矢量调制通道中幅度、相位的不平衡未恶化到使通道的输出信号自激,则βcos φ≠0,矩阵
假设实际信号模拟系统中,数字矢量调制通道校准补偿后的理想基带输入为I(t)和Q(t),则对实际基带输入信号求逆正交化的结果可表示为:
因此,实际的信号模拟系统中,数字矢量调制上变频通道的预失真校准补偿模型如图2所示。
3 校准补偿模型的仿真结果
在实际的信号模拟系统中,假设数字矢量调制通道的本振频率为3 GHz;通道增益G=1,同时假设模拟信号的基带输入为单载频信号;基带频率ω分别为50 MHz和400 MHz。利用前节阐述的多次功率测量法对未校准的数字矢量调制通道输出进行预估,可以求解整个数字矢量调制通道校准补偿模型的全部未知参数,如表1所示。
根据表1计算出的模型参数,利用图2给出的数字矢量调制上变频通道的校准补偿模型进行上述给定条件的信号模拟仿真分析,得到的具体结果如下:
当信号模拟数字矢量调制上变频通道的输入信号频率为50 MHz时,通道校准补偿前后的输出信号频谱如图3所示。
当信号模拟数字矢量调制上变频通道的输入信号频率为400 MHz时,通道校准补偿前后的输出信号频谱如图4所示。
从图3和图4的输出信号频谱仿真波形分析,数字矢量调制通道校正前后输出信号的镜频信号与本振泄漏功率电平对比,如表2所示。
从表2的对比结果可知,通过对数字矢量调制通道输出信号进行多次的功率电平测量,使得单载频基带输入信号经过推导出的预失真校准模型的校准和补偿,输出信号的镜频抑制和本振抑制指标改善了50 dB以上。同时,对于宽频带的基带输入信号,只需要按照一定的频率间隔,逐点进行校准就可以达到相同的校准效果。
4 结 语
深入分析了宽带数字矢量调制通道不平衡因素对信号模拟系统中上变频输出信号的镜频和本振抑制指标的恶化影响,建立了宽带数字矢量调制通道的预失真校准补偿模型。
通过对调制通道输出信号进行多次功率测量的方法,实现了预失真校准补偿模型的参数求解。仿真结果表明,校准补偿后输出信号的镜频和本振抑制高达50 dB以上,信号瞬时带宽由于正交调制也可以成倍拓展,使得模拟产生的信号带宽和质量均达到了接收系统分选、识别的应用要求。
参考文献
[1]于红旗.雷达信号仿真及实现方法[J].电子对抗技术,2003,18(5):27-29.
[2]杨朝斌,张勋.宽带数字调制器设计实现[J].无线通信技术,2007,16(2):49-51.
[3]魏连成.具有镜频抑制功能的混频电路设计[J].国外电子测量技术,2007,26(6):23-25.
[4]杨志国,彭世蕤.用Hilbert变换法实现数字正交相检的镜频分析[J].武汉理工大学学报:交通科学与工程版,2004,28(2):208-210.
[5]曹鹏,费元春.直接正交上变频的边带与本振泄漏分析及优化设计[J].兵工学报,2004,25(6):78-81.
[6]王绍丹.一种DVB系统数字中频发射机的计算机仿真测量方法[J].中国有线电视,2008(9):944-951.
[7]高剑.数字校正在角误差测量中的应用[J].火控雷达技术,2006,35(4):34-36.
[8]Churchill F E.The Correction of I and Q Errors in aCoherent Processor[J].IEEE Trans.on Aerospace andElectronic Systems,1981,AES-17(1):131-137.
[9]王茂海,谢开,徐正山,等.一种实用的幅值和功率测量新算法[J].电力系统自动化,2007,31(16):66-69.
[10]崔孝海,曲璐.蒙特卡罗方法在微波功率测量不确定度分析中的应用[J].计量学报,2008,29(1):77-79.
矢量补偿 篇2
无功功率平衡是保证电力系统安全、经济运行的必备条件。由于电力系统的负荷是时时变化的,就需要平衡的无功功率亦随之时时变化,因此要做到真正意义上的无功平衡,技术上必须实现动态无功功率补偿[1]。实施动态无功功率补偿不仅能做到正常运行无功平衡,而且在系统事故或遭遇大的冲击后,枢纽点电压迅速下降,无功平衡突然破坏时还能够提供能快速反应的动态无功支撑,有利于维持暂态时系统电压的稳定。
静止无功发生器(SVG)具有连续调节、调节范围大、响应速度快、控制精度高、运行可靠、谐波含量少、体积小等优点,是目前性能最好的动态无功补偿装置,近年来成为国内外研究的热点。它能动态补偿无功、稳定节点电压、阻尼系统振荡,比同步调相机、机械投切电容器、静止无功补偿器SVC等的补偿特性更好,响应速度更快,是电网动态无功补偿的理想装置,有广阔的研究开发与工程应用前景[2]。国内对SVG的研究与应用还处于起步阶段,研究领域主要集中在SVG的主电路结构、数学建模、控制方式与控制策略等方面。为实现电力系统无功功率的集中补偿与就地补偿相结合,SVG可按不同应用场合分为高电压大容量配电用SVG与中低电压中小容量配电用SVG[3]。随着集成门极换向晶闸管IGCT等新型电力电子器件的出现与实用化,出现了基于三相电压源PWM整流器(VSR)的SVG,它直接应用脉宽调制(PWM)控制技术,使用越来越广泛。面向低压电力用户,首先论述此种SVG的工作原理,然后把PWM整流器的矢量控制技术和常规的间接电流控制策略相结合,提出一种新的控制方案。最后利用MATLAB的SIMULINK工具对该系统进行建模与仿真,以验证其具有较好的动态连续补偿系统无功的能力。
1 基于PWM整流器的SVG工作原理和控制策略
图1为三相电压型桥式S V G电路结构图。由图可知,SVG实际上是将三相逆变桥电路通过电抗器并联在电网上,相当于一个三相电压源型PWM整流器,由交流电压源(即电网电压)、电抗器、三相功率模块逆变桥、直流储能电容组成。当只考虑基波频率时,SVG可以等效地被视为幅值和相位均可控制的一个与电网同频率的交流电压源。因此,SVG的工作原理可以用如图2所示的单相等效电路图来说明。
由图2可得等效电路的电势平衡方程:
式中:ea为a相交流电源电压(电网相电压);ia为a相交流电流;L为交流回路总电感,含进线滤波器;R为交流回路总电阻;upa为a相交流侧调制电压。
工作原理向量图如图3所示。在调节upa的幅值和相位时,改变ia的幅值和相位,使之超前或滞后ea90°,从而达到补偿电网无功(ia的无功分量可调)的目的。
显然,对SVG控制的实质是对其交流侧电流的控制。实现方案分为电流直接控制和间接控制两大类[4]。
直接电流控制对交流侧电流进行闭环控制,通过电流调节器的作用使交流电流实际值紧跟给定值,动态性能好。但需要两个高精度、价格昂贵的电流传感器,增加了成本。此外传统的电流滞环控制开关频率不固定,网侧滤波电感设计困难,功率模块应力及开关损耗增大,在大功率变流领域难以应用[5];而比较先进的电压电流双闭环矢量控制的算法比较复杂。
间接电流控制(幅相控制)没有引入电流闭环,而是根据电路阻抗特性,用数学方法代替电流闭环作用。尽管它动态响应较慢,还存在瞬态直流电流偏移,但稳态性能好、控制结构简单、开关特性良好,易于微机实现,另外可省去高精度电流传感器,节约了成本。如果采取适当的措施改善动态特性,仍具有良好的工程实用价值。
把矢量控制理论引用到间接电流控制中,提出一种电流开环的矢量控制方案。对补偿电流的有功和无功分量分别进行控制,动态性能比常规幅相控制有了很大提高,兼有间接电流控制和直接电流控制的优点。
2 矢量控制理论
借助于三相对称电源的空间电压矢量概念,由ea、eb、ec合成以同步速度ω旋转的空间电压矢量E。ω就是交流电源的角速度2πf。在以ω速度旋转的直角坐标系dq中,定义d轴与E重合。d轴相对于发电机a相绕组轴线的夹角为θ。E是空间电压矢量的幅值,与相电压幅值对应。显然,E在q轴上的分量Eq=0,Ed=E,如图4所示。
根据坐标变换原理,三相交流电源ea、eb、ec与电压空间矢量E的两个分量Ed、Eq之间的关系为:
式中:θ为E与a轴之间的夹角,θ=∫ωdt。
同理,PWM整流器被调制的三相交流电压upa、upb、upc与经坐标变换得到的调制电压空间矢量up的两个分量之间的关系为:
三相交流电流ia、ib、ic与经坐标变换得到的电流空间矢量i的两个分量id、iq之间的关系为:
由式(2)~式(4)求出ea、upa、ia,然后代入式(1),可得到
式(5)、式(6)表示在旋转坐标系中调制电压与交流电源的电压空间矢量幅值、电流有功分量与无功分量之间的关系。
3 电流开环的矢量控制系统
3.1 系统结构
根据式(5)、式(6)可建立直流电压闭环、电流开环的SVG的系统控制结构,如图5所示。为保证直流输出电压ud稳定,需采用ud闭环控制结构。电压调节器AUR采用PI调节器,调节器的输出量表示期望的PWM整流器的输入电流,亦即交流电源侧的电流有功分量。无功分量期望值iq'取决于电网的实际功率因数。控制器根据检测到的母线电压ea,b,c和电流iA,B,C,可计算出母线上的功率因数λ,将其与期望值λ'(一般为1)作比较,经过比例积分PI调节器,即可得到补偿电流的无功分量期望值iq'。具体来说,当实际功率因数低于给定功率因数时,应增加iq';当实际功率因数高于给定功率因数时,应减少iq'。
由式(5)、式(6)的运算可得到在旋转坐标系中的调制电压upd'、upq',经矢量运算得到三相调制电压期望值upa'、upb'、upc',再经正弦波脉宽调制电路,得到六相调制脉冲,去驱动六个桥臂的开关器件。
3.2 θ的物理概念及检测
在矢量运算中,需要用到电压空间矢量E相对于a相绕组轴线的空间位置角θ。根据电压空间矢量的概念,θ就是交流电源的相位角。由图4可知,θ与a相电源的相位角相同,若ea=Emcosωt,则θ=ωt。由式(3)可得:
显然,upa比ea滞后δ,这与幅相控制理论是吻合的。θ检测的起始点为a相电源的峰值处,据此,设计θ检测电路,uG的正跳为θ的起始点,见图6。由于ωt=θ,则E=23 Em=1.22Em=1.22×2πEav=1.91Eav,即Ed=1.91Eav式中:Em为电源相电压的幅值;Eav为电源相电压的平均值。只要根据测得的电源相电压瞬时值就可算出Eav,进而算出Ed。
3.3 Ed的物理概念及检测
在矢量运算中需用到电压空间矢量的幅值Ed。由于d轴与矢量E重合,Ed=E,Eq=0。由式(2)可得:
由于ωt=θ,则,即Ed=1.91Eav式中:Em为电源相电压的幅值;Eav为电源相电压的平均值。只要根据测得的电源相电压瞬时值就可算出Eav,进而算出Ed。32π2
4 仿真分析
利用SIMULINK提供的基本模块建立如图5所示结构的S V G仿真模型见图7。仿真参数为:三相交流电源相电压(电网电压)有效值为120 V,三相感性负载为1 m H、1Ω。0.04 s后合并三相断路器1,接通SVG。SVG交流侧L=2 m H,R=0.1Ω,直流侧滤波电容为1 000μF,给定直流输出电压为400 V,空载。0.2 s后SVG运行稳定了再通过三相断路器2突加另一路三相感性负载,模拟电网负载的波动。观察整个过程中a相交流电源电压(电网电压)和相电流(电网电流)之间的相位关系,分析电网功率因数的变化,从稳态和动态性能两个方面来评价SVG的补偿效果。仿真结果如图8所示。
从图中可见:开始由于电网负载为感性,电网电压相位超前电网电流。0.04 s时接入SVG,电网电流发生变化,大约0.11 s(经过0.07 s)时与电网电压保持同相。
在0.2 s时由于电网负载突变,电网电流再次产生波动,但很快(仅0.03 s后)恢复与电网电压同相。
这说明前面分析的电流开环的矢量控制策略是可行的,SVG工作性能良好,不仅在稳态下成功地补偿了无功电流,实现单位功率因数,在启动时和电网负载扰动时均能快速、连续地调节功率因数,真正实现了动态无功补偿。
为了对比,对常规间接电流控制方案也做了仿真,仿真模型与图7相同,但只仿真0.04 s后SVG启动时的情况,仿真波形如图9所示。
从图中可见:虽然SVG达到稳态时电网电压与电流基本保持同相,实现了无功补偿。但是动态性能不够理想,电网电流幅值波动过大,经过0.21 s才使电网实现单位功率因数,比起图8中的0.07 s差了很多。这说明SVG运用电流开环矢量控制比用常规间接电流控制方案效果好,动态性能有了极大的改善。
5 结语
文章论述了静止无功补偿系统(SVG)的作用、工作原理,对其控制策略做了深入研究,具体做了如下工作:
(1)给出SVG交流电流开环的矢量控制系统的结构、原理、数学模型以及各矢量的物理概念和检测方法。
(2)通过仿真验证以上理论,仿真结果表明:使用该控制方案,SVG在稳态下完全补偿了电网无功功率,实现单位功率因数,动态补偿性能也比常规间接电流控制方案有了极大的改善。
参考文献
[1]彭军,尹忠东,冉文胜.静止无功补偿器研究现状及发展[J].四川电力技术,2006,29(3):26-29.
[2]杨兆华,孙卫华.基于PWM控制的三相静止无功发生器电路分析[J].佛山科学技术学院学报:自然科学版,2006,24(2):43-46.
[3]段大鹏,孙玉坤,潘春伟.基于三相VSI的SVG动态建模与仿真研究[J].高电压技术,2006,32(6):84-88.
[4]王兆安.电力电子技术[M].第4版.北京:机械工业出版社,2000.
矢量补偿 篇3
在配电网中,电压、电流不平衡可能给系统中的用户带来多种危害[1]。为了减轻不平衡负荷对系统造成的危害,近年来,D-STATCOM以其良好的动静态性能,在不平衡负荷补偿中的应用越来越广[2]。
在D-STATCOM的控制方法中直接电流控制比间接电流控制具有更高的响应速度和控制精度,因而得到了越来越深入的研究和广泛的应用[3],本文在电压空间矢量分析的基础上,采用了一种适合于D-STATCOM补偿不平衡电流的电压矢量滞环控制方法,该方法以相电流误差为控制对象,使用三组滞环比较器,根据相应的比较状态值和对参考电压矢量的区域判别,最终由电压空间矢量选择逻辑,输出一个最佳的电压矢量,从而使补偿器输出电流跟踪指令电流。该方法降低了开关频率,既有较好的电流响应速度,又能有效限制电流误差,改善电流跟踪性能,并且计算量小,易于实现。
2 基于电压空间矢量的滞环控制方法
2.1 电流控制原理
基于电压矢量滞环电流控制的原理图如图1所示。这种控制策略是将指令电流i*ca、i*cb、i*cc与反馈电流ica、icb、icc通过定环宽的滞环比较单元,输出相应的比较状态值Ba、Bb、Bc,并通过对指令电压矢量u*的区域判别,最终由空间电压矢量选择逻辑,输出一个合适的Uk,从而使三相补偿器输出电流跟踪指令电流。三个滞环比较器的作用是使电流矢量能跟踪指令电流矢量并把电流误差限制在一定的范围内,并通过Ba、Bb、Bc可以确定误差矢量△i所在的区域。u*所在区域通过判别参考线电压u*ab、u*bc、u*ca符号确定。
2.2 控制规则与电压矢量Uk的选择
经过分析发现,一旦参考电压矢量u*和电流误差矢量△i确定之后,两矢量的空间区域位置也随之确定,u*和△i的区域划分如图2所示。为实现电流跟踪控制,必须选择一个合适的电压空间矢量Uk,使电流误差矢量变化率d△i/dt与电流误差矢量△i的方向始终相反,电流误差矢量的模△i被限制在一定的滞环宽度内,从而实现补偿器的电流跟踪控制。该电流控制方法的控制规则总结如下。
规则1:当△i>Iw时,选择电压矢量Uk,使其对应的d△i/dt具有与电流误差矢量△i方向相反的最小分量,以确保电流矢量ic在跟踪指令电流ic*的同时,限制电流变化率,以抑制电流谐波。
规则2:当△i≤Iw时,原有Uk不进行切换,从而在限制平均开关频率的同时,增加了控制的稳定性。
如图3所示,图中虚线所表示的矢量为Uk所对应的矢量d△i/dt(自电压空间矢量Uk的终点指向参考电压矢量u*的终点)。
若设△i>Iw,则按规则1选择合适的Uk。首先,优先考虑d△i/dt模值较小矢量对应的Uk,显然矢量u*区域对应的三角形边界矢量U0、U1、U6、U7满足此条件;然后,选定的Uk所对应的矢量d△i/dt必须始终与矢量△i方向相反。当△i处于(6)区时,则只有矢量U6满足上面2个条件。
当u*、△i处于其它不同区域时,可以采用上述相同的分析方法得出满足条件的电压空间矢量Uk,如表1所示。
3 仿真验证
在磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC的基础上,对图1的D-STATCOM系统建立仿真模型进行仿真验证,并且与同条件下普通滞环电流控制方法的仿真结果进行了对比分析。仿真参数为:电源线电压为380V,系统阻抗忽略不计,负载为三相不对称,其中Ra=15Ω,Rb=30Ω,Rc=5Ω,直流侧电压Udc给定为600V,电容为400μf,连接电感L为5mH,损耗电阻R为0.05Ω,滞环宽度为1A。图4为不平衡负载的电流波形,很明显负载电流波形三相不对称。
图5(a)和(b)分别为采用普通滞环控制方法和矢量滞环控制方法补偿后的电源电流波形,可以看出,两种控制方法均能在一个半周期进入稳态,在稳态时得到很好的补偿效果,使补偿后三相电源电流大小相等,相位依次滞后120°;图6(a)和(b)分别为采用普通滞环控制方法和矢量滞环控制方法的开关信号,可以看出矢量滞环电流控制方法的平均开关频率有所减小,降低了开关损耗。图7(a)和(b)分别为采用普通滞环控制方法和矢量滞环控制方法的误差电流波形,可以看出两种方法均能将电流误差限制在一定的范围内。
可见,在达到相同补偿效果的同时,本文所采用的基于电压空间矢量的控制方法与普通滞环控制方法相比,可以减小开关频率,降低开关损耗。
4 结论
本文采用的基于电压空间矢量的滞环控制方法,该方法以相电流误差为控制对象,使用三组滞环比较器,根据相应的比较状态值和对参考电压矢量的区域判别,最终由电压空间矢量选择逻辑,输出一个最佳的电压矢量,从而使补偿器输出电流跟踪指令电流。该方法降低了开关频率,既有较好的电流响应速度,又能有效限制电流误差,并且计算量小,易于实现。
参考文献
[1]林海雪.电力系统的三相不平衡[M].北京:中国电力出版社,1998.
[2]朱永强,刘文华,宋强.D-STATCOM不平衡负荷补偿电流的优化设计[J].电力系统自动化.2005,4(8).
[3]王兆安,杨君,刘进军,王跃.谐波抑制和无功功率补偿[M].北京:机械工业出版社.2006,7.
[4]李可,卓放,李红雨.王兆安.直接电流控制的静止无功发生器研究[J].电力电子技术2003,37(3):8-11.
[5]舒泽亮,汤坚,郭育华,练级三.基于空间矢量双滞环策略的STATCOM直接电流控制方法[M].2007,27(25):103-107.
[6]Bong-Hwan Kwon,Tae-Woo Kim.and Jang-Hyoun Youm.A Novel SVM-Based Hysteresis Current Controller[J].IEEE Transactions on Power Elestroncs.1998,13(2).
[7]Bong-Hwan Kwon,member,IEEE.Byung-Duk Min.An Improved Space-Vector-Based Hysteresis Current Controller.IEEE Transactions on Insustrial Strial Electroncs.1998,45(5).
[8]郭自勇,周有庆,刘宏超,胡楷.一种基于电压空间矢量的有源滤波器滞环电流控制新方法[J].中国电机工程学报.2007,27(1):112-116.