基于ARM Cortex M4微处理器的±100 kVAR电能质量调节器的设计和实施

工程科学与技术，国际期刊27（2022）101018完整文章基于ARM Cortex M4微处理器的± 100 kVAR电能质量调节器，用于无功功率/中性点电流补偿、负载平衡和谐波抑制Ahmet ErenAhmet，Ahmet Mete VuralGaziantep大学电气与电子工程系，Gaziantep 27310，土耳其阿提奇莱因福奥文章历史记录：收到2020年2021年5月19日修订2021年5月25日接受2021年6月13日在线提供保留字：电能质量调节器无功补偿中性点电流补偿负载均衡电流谐波抑制A B S T R A C T在这项工作中，三相± 100 kVAR电能质量调节器（EQR）的设计和实施，这是能够提供无功功率/中性点电流补偿，负载平衡以及低次电流谐波抑制。所提出的EQR是基于三桥臂四线电压源型变换器的拓扑结构与分裂电容器的直流链路。首先，在PSCAD/EMTDC中对EQR的功率级和控制系统进行建模和验证，提取同步坐标系下的补偿参考电流在此基础上，研制了基于自然风冷IGBT模块的5 kHz开关EQR的硬件电路，开发的EQR控制卡基于两个Arm Cortex-M4微处理器©，可处理所有控制和保护功能。由于P、PI和PR型控制器在实际应用中的简单性和可靠性，保证了EQR的闭环运行将EQR连接到三相34.5/0.4 kV 400 kVA配电Transformer的低压侧，在50 Hz带电配电电路中进行现场测试。通过实时测量验证，EQR能够同时执行上述补偿功能©2021 Karabuk University. Elsevier B.V.的出版服务。这是CCBY-NC-ND许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。1. 介绍非线性负载的渗透和通过电力电子转换器的接口的增加已经显著地影响了配电网中的电能质量[1，2]。更具体地说，电力电子设备在可再生能源发电和电机驱动应用中的广泛使用加剧了电流和电压波形的失真，这会导致电气设备过热和损耗以及保护继电器、电子设备和通信系统故障等一系列问题[3另一方面，配电系统中的不对称负载、开路导线和未换位线路会导致不平衡电流，从而导致电气设备中的功率损耗以及电机中的转矩脉动和振动[6]。高中性点电流会导致变压器中的环流、相电压不平衡、中性线过热和故障，以及引起共模噪声问题的中性点对地电压*通讯作者。电子邮件地址：ahmeteren@gantep.edu.tr（A. Eren），mvural@gantep.edu.tr（A.M. Vural）。由Karabuk大学负责进行同行审查[7]的文件。由于滞后功率因数负载会使无功功率需求激增，从而导致损耗和电压骤降，因此功率因数管理是配电层所需的另一个非常重要的电能质量先决条件[8，9]。因此，必须有效地控制无功功率，使过大的不平衡/中性点电流最小化，并改善谐波性能，以使电力公司和客户的电力质量保持在国际标准范围内。有许多基于固态转换器的设备被研究人员用来解决上述电能质量问题。这些设备是串联的，并联或串联/并联连接在配电系统中。有源/混合谐波滤波器并联连接，在敏感负载附近使用，以衰减谐波[10，11]。静止同步补偿器（STATCOM）是另一种并联装置，广泛用于电压稳定，很少用于谐波滤波[12，13]。动态电压恢复器串联连接，能够补偿电压暂降和暂升事件[14]。统一电能质量调节器（UPQC）是一种能够同时补偿电流和电压畸变的串联/并联装置[15]。虽然UPQC是通用的，但由于实施难度和成本，其应用通常受到限制[16，17]。并联连接https://doi.org/10.1016/j.jestch.2021.05.0222215-0986/©2021 Karabuk University.出版社：Elsevier B.V.这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程科学与技术国际期刊杂志主页：www.elsevier.com/locate/jestchA. Eren和Ahmet Mete Vural工程科学与技术，国际期刊27（2022）1010182设备，通常是一个单一类型的补偿方案，而不是多功能的能力是首选[8，18并联连接设备中的多个补偿功能的同时操作也不常见，因为它会在实际应用中带来控制困难和可靠性。另一方面，与电能质量问题作斗争的研究工作通常不会将该技术从大学实验室推向现场配电网的实际实施。这可能是由于成本高、控制困难以及现场测试需要更长的时间和精力。本文介绍了一种三相电能质量装置，即所谓的“电能质量调节器（ EQR ） " ， 它 并 联 在 土 耳 其 安 塔 利 亚 市 Göksun 区 的 一 台 配 电Transformer上。 提出的 EQR由一 个三桥臂 四线制电 压源变流 器（VSC）拓扑结构组成，在直流环节中加入分裂电容器，将无功/中性点电流补偿、负载平衡和抑制3、5、7等低次电流谐波的功能统一起来。与拓扑结构相似的并联型电能质量装置相比，EQR具有多个补偿功能、多个同时运行、高额定功率和已在配电网现场应用的特点。表1给出了与电能质量补偿装置相关的最新文献综述。与其他工作不同的是，所提出的技术适用于具有高功率容量的带电配电电路中的电能质量改善，并且具有高计算能力，无需在控制卡上使用任何物理DSP而其余论文组织如下。第2节总结了EQR的系统描述。第3节概述了EQR的一般控制方案。第四简要阐述了EQR控制卡的设计。EQR的性能评价与现场测试，并在第5中讨论。最后，第6给出了结论。2. 系统描述在EQR系统的设计和开发中，需要满足以下目标。1 通过EQR注入到电源中的无功功率分量的大小来补偿无功功率。2 补偿器向电源注入负序分量以平衡电源电流。3 EQR消除了负载电流的低次谐波含量。4 EQR注入零序补偿电流，抑制电源中性点电流.5 基于独立微控制器的操作（不使用物理DSP）。6 LCL型滤波器放置在电源和负载之间。与L型和LC型滤波器相比，LCL型滤波器具有电感小、电压降低、谐波衰减性能好、电容冲击电流小、谐波抑制能力强等优点，表1文献中的最新电能质量器件补偿变量逆变器拓扑操作电流控制方法额定功率验证方法测试平台Ref无功和电流谐波或电压不平衡无功功率，电流2-3级相位4线VSI2-3级4选择性（两种模式）同时比例谐振调节器改进的重复控制8千伏安–MATLABMATLABdSPACE1103DSpace[23日][24日]谐波，电流腿部VSI1104不平衡和中性电流无功功率和电流2-3级4同时双降阶广义积分器<2MATLAB实验室规模[25日]不平衡腿部VSIkVA原型无功功率、电流谐波、电流不平衡2级3相3线VSI同时卡尔曼滤波、Fryze-Buchholz-Dpenbrock方法和对称分量方法––LabScale[26日]电流谐波2电平3相4线VSI单模式预测电流控制器7.8kVA–原型[21日]电流谐波、电压暂降或电压暂升2- Level 3 Phase 3Wire VSI + TunedPassive Filter同时模糊逻辑控制器和鲁棒扩展复卡尔曼滤波器（RECKF）技术-[27日]电流谐波或电压暂降2级3相4线VSI选择性（两种模式）基于LCL滤波器的DSTATCOM简单控制算法–MicroLabBox[22日]无功功率、电流谐波矩阵变换器同时有限控制集模型预测控制kVAMATLAB dSPACEScalexio[28日]电流谐波2级3相3线VSI单模快速重复控制[29日]无功功率、电流谐波2级3相3线VSI同时粒子群优化算法-灰太狼最优化（PSO-GWO）和分数阶比例积分微分控制器（FOPIDC）<10kVAMATLAB实验室规模原型[30个]无功功率，电流不平衡，电流谐波电压变化、电流谐波、频率变化、无功功率7 级联H桥多电平逆变器5-模块化级联型多电平逆变器基于选择性分解的选择性控制策略5kVA[31]第三十一话[32]第三十二话：一个人的世界无功功率、电流谐波、电流不平衡和中性点电流2级3相4线VSI选择性或同时比例（P）+比例积分（PI）+比例谐振（PR）100kVARPSCAD/EMTDC带电配电线路EQRA. Eren和Ahmet Mete Vural工程科学与技术，国际期刊27（2022）1010183ð Þ¼ð Þ¼CfsFig. 1. 拼箱工厂模型框图。图二.具有时滞和直流环节PI调节器的LCL对象模型的控制框图。2.1. 带LCL滤波器的EQR数学模型图1给出了没有任何阻尼和控制器的LCL设备模型的框图。在该图中，Li、Cf、Lg分别表示逆变器侧电感、滤波电容和电网侧电感。这些元件的内阻分别命名为RLi、RCf和RLg。其中，Vsa、Vsb、Vsc是PCC处的瞬时相电压，isa、isb、isc是源电流。对于A相，滤波器之前和之后注入的EQR电流表示为ibf; a; iaf;a，滤波器电容器电流表示为icf; aA相的逆变器电压表示为Vinv; a。EQR简化结构与LCL滤波器如图所示。 二、根据图1所示的EQR模型， 二、A相的电压和电流方程可以写成如下所示的abc参考系。Lidibf;a¼ -R Lii bf aV inv a-V cf a在变化的电网电抗下的租金和转换器鲁棒性[33]。因此，LCL滤波器被插入在公共耦合点DTLdiaf;a;;;（PCC）和EQR。对于选定的5 kHz开关频率，LCL滤波器参数设计为G DT 1/4-RLgiaf;a-VsaVcf;aLi<$300uH;Lg< $100uH和Cf< $100uF，以防止过放大和衰减开关谐波。反应器尺寸（LCL）选择滤波器，使得不需要外部电阻ibf;a -iaf;aicf;a;Vcf;a ¼Rcficf;aZicf;adt：1000仅考虑阻尼电容器内部串联电阻。EQR的DC链路由两个电容器组成，使得电容器的中点可以连接到Transformer中性点，以创建中性点电流流动的路径，用于中性点电流补偿。EQR采用Arm Cortex-M4微处理器©LCL滤波器的工厂模型如图所示。1.一、可以使用（1）的拉普拉斯变换在s域中找到。对于开关频率下的稳定性分析在此假设下，LCL滤波器设备传递函数G（s）如下获得。的数字控制系统，处理所有的控制和保护功能，以及开关信号的半导体。控制系统具有串行接口，用于与人机界面（HMI）面板通信，以启动和停止EQR以及指示电源侧和负载侧的电压、电流、有功/无功功率信息。保护系统我男朋友Iaf;asVinv;as-Vcf;asRLiLiLisVcf;as-VsasRLg包括过流、过/欠压和过直流链路电压保护。此外，IGBT驱动器保护半导体Ibf;as-Iaf;a s;Icf;as防止集电极-发射极短路和过热。Vcf;a 第一章cf;a 你好。Rcfþ1Σð2ÞA. Eren和Ahmet Mete Vural工程科学与技术，国际期刊27（2022）1010184图三.同时运行的LCL工厂模型的总控制框图。A. Eren和Ahmet Mete Vural工程科学与技术，国际期刊27（2022）1010185见图4。(a)无滤波电容器ESR（G p）的LCL装置的Bode图;（b）有滤波电容器ESR值、PI调节器和时间延迟的LCL装置的开环（GOPI）和闭环（GCPI）的Bode图;（c）有滤波电容器ESR值、PI调节器、PR控制器和时间延迟的LCL装置的Bode图;Gslaf;aslsCf Rcfð3ÞB1¼RLiLgCfRLgLiCfRcfLgCfv中的vB0¼Li Lg CfB0s3B1s2B2sB0B2¼RLiRLgCfRcfRLiCfRcfLiCfLiLgA. Eren和Ahmet Mete Vural工程科学与技术，国际期刊27（2022）1010186.Li LgCfΣ图五. EQR连接到配电系统的简化单线图。B3¼RLiLiLg为了简化（3），LCL滤波器的内阻RLi，RLg，Rcf参数都很小，对总计算量的影响较小，可以忽略不计，这样就可以改写被控对象的传递函数Gp∈sφ虽然Rcf的值很小，但由于LCL滤波电容中没有添加外部阻尼电阻，因此分析该值对整个系统性能的影响非常重要。考虑到电容器串联电阻（ESR）Rcf的小值，如（5）所示，可以将传递函数Gps修改为Gpds。GP S111/4;xrsCRþ1FcfðÞL i L g C f s 3 þ.LiLgsLi Lg Cfss2x2G PD是一个很好的例子。Σð5Þ¼sLffiffiffiiffiffiþffiffiffiffiffiLffiffigffiffiRð4ÞLi Lg Cf s3CfRcf LiLg s2LiLg sA. Eren和Ahmet Mete Vural工程科学与技术，国际期刊27（2022）10101871公司简介ð Þ ð Þð Þ消费者物价指数借助于（4）和（5），利用LCL滤波器谐振频率xr导出了设备传递函数。主要目标GsK2 K rxPRcss22xPRcsx2ð7ÞEQR系统消除了三次、五次、和第七。EQR将消除的最高谐波出现在350 Hz处，这远离共振频率1.8kHz的一半[34]。此外，谐振频率在电网频率的十倍和5 kHz开关频率的一半之间，以防止电网出现严重的谐振问题[33]。可以清楚地看到，没有LCL滤波器的LCL滤波器的传递函数阻尼电阻器Gps在jxr处具有一对共轭极点，原点的单极 因此，在Fig. 四、系统稳定性用电容器ESR值和对象通用模型进行了分析EQR的目的是在现场配电水平补偿电能质量问题为了解决这些问题，将传统的比例积分（PI）调节器和比例谐振（PR）控制器相结合，提出了一种新型的电流控制器。由于EQR的性质，这两个控制器可以单独或同时操作利用得到的LCL滤波器（5）的对象模型对这两种控制器进行稳态稳定性分析利用PI调节器得到了系统的一般传递函数GPI控制器传递函数G PI控制器传递函数G PR控制器传递函数G PR控制器传递函数GPR控制器传递函数G LCL滤波器传递函数GPD控制器传递函数G PD控制器传递函数和Arm Cortex M4微处理器在同步参考系中，具有LCL对象模型G ps、PI调节器G PIs和具有单位反馈电流环的延迟G ds的相关通用控制框图如图所示。 二、在这里只考虑直流环节的调节，其他所有的控制器都被忽略。得到了一般开环传递函数GOPIs和闭环传递函数GCPIs，分析了直流环节控制性能的稳态稳定性。GOPIsGPIsGdsGps8G sGOPI20191200万美元OPI预算然而，在这项研究中，八个PI控制器用于调节直流母线电压，补偿无功功率，并消除五次谐波，七次谐波和不平衡电流。其中四个用于d轴;四个用于q轴。此外，为了消除三次谐波电流，还在一般控制框图中增加了PR控制器。根据图3，如（10）中所示，导出具有PI和PR控制器的开环电流控制器传递函数GOPGs。和相关的波特图绘制如图。 四、cessors计算时间延迟G ds。 G PI的理想形式，在（6）中给出了GPR_s_n和Gd_s_n，其中Tr=Kp=Ki是时间常数，GOPG2015年12月28日斯库台 皮乌SodiumChloridePI5h斯库台 PI7h 伊希斯G PI的稳定性Kp和Ki分别是比例增益和积分增益。Kpr是比例增益，Kr，xh是谐振增益，频率分别为PR控制器。然而，在Arm Cortex M4微处理器上实现这种形式的PR控制器是不可能的，因为它是PR控制器的无损理想模型[35]，在（7）中给出了PR控制器的一种实用的改进形式。在这里，xPRc是带宽在-3dB截止频率的控制器和x1是相移频率的非理想模型。采样和计算导致Arm Cor的时间消耗-tex M4微处理器，所以Gds。为了减少该时间，使用CMSIS DSP软件库，以这种方式将Td减少到小于一个采样周期（40m s = 25 kHz采样频率）。[GPRs]GdsGps 10在同步参考系中，电流控制器在任意轴上的参考电流可以表示为Iωf;dqoεsε，注入电流可以表示为s域中的I ω f; dq oε s ε。在d轴上分析了一般控制结果如图1A所示。 四、2.2. EQR系统模型图5所示为连接到34.5/0.4 kVD-Y连接400 kVA配电Transformer低压侧的± 100 kVAR EQR的示意图，该变压器具有牢固接地的次级。GSK. 1sTGSK2Kr sG s16H图图6示出了图1中的Transformer和相关配电盘。Pli公司简介pr=2x2;d分配站（#181150），主要为国内载荷测量作为电压和电流测量完成见图6。 配电站（#181150）内（a）配电Transformer（b）配电屏。A. Eren和Ahmet Mete Vural工程科学与技术，国际期刊27（2022）1010188ffiffiffi¼ffiffiffiDCDCFdcn图7.第一次会议。EQR组件，1）控制面板，2）HMI，3）按钮，4）IGBT和驱动器，5）层压母线和放电电阻器，6）电源接触器，7）DC链路电容器，8）控制卡，9）预充电电阻器，10）LCL滤波器。确保EQR正确和安全运行。电网电压直接通过400 V母线测量。使用200/5A、0.5级、10 VA电流互感器测量电网和EQR滤波器电流。根据IEC 61859-2，作为最差情况，该变压器在额定电流的% 5时具有±1.5%的电流误差。当电流增加到额定电流的%100时，该误差减小到0.5%。 图7显示了EQR的一般组件的照片。如图所示，控制面板包括控制卡、HMI面板、IGBT模块、DC链路电容器、缓冲器组件、LCL滤波器、层压母线、预充电级、散热器/风扇、继电器、熔断器、断路器、接触器和布线。EQR的电源电路如图8所示。它由一个三相两电平四线制VSC与分裂电容器。为了限制电容器上的浪涌电流，使用预充电电路来将DC链路电压增加到线间电压水平。EQR停止时，放电回路将DC链路电压降低到安全水平。预充电电路元件与驱动电路（450 A SKYPER 12压装），由于市场上现成的价格低廉。IGBT的最小反向峰值电压计算为876 V，安全系数为50%[36]。IGBT和直流链路的额定电流计算为432 A。这是额定相电流的三倍最坏故障条件下的EQR。EQR的补偿率直接取决于直流链路的电压（Vdc）和电容（Cdc）。从而计算出了EQR启动时的最小直流侧电压所有补偿功能同时，以来此 时 EQR 所 需 的 补 偿 电 流 最 大 直 流 链 路 电 压 的 峰 值 基 波（Vdcfp2VEQRf）和峰值n次谐波分量（Vdcn¼p2VEQRn在计算整个直流链路时，由（11）给出的电压。由电阻、全桥整流模块和继电器组成这是充电电路由电阻器构成。选择半桥IGBT模块（1200 V 450 ASEMIX453GB12E4p）作为开关V2sn¼2ð11ÞA. Eren和Ahmet Mete Vural工程科学与技术，国际期刊27（2022）10101891/4直流¼¼见图8。EQR的电源电路表2EQR输出电压谐波分量的均方根值谐波阶数nL总Zn我可以VEQRf+VEQRn¼3; 5; 710.4 mH0.125X144 A230 V + 18 V30.4 mH0.377X50 A18.85伏50.4 mH0.628X30 A18.84伏70.4 mH0.874X15 A13.11伏其中，VEQRf和VEQRn在（12）中定义，分别为EQR输出电压的基波和n次谐波分量的均方根值，CId2xV纹波ð13ÞVEQRf<$VpnZn<$1Icn <$1VEQRn<$3;5; 7<$Zn<$3; 5; 7Icn<$3; 5; 7 Icn <$12其 中 ， Zn<$2pnfLtotal 表 示 第 n 次 谐 波 时 的 LCL 滤 波 器 阻 抗 ，Ltotal<$Li<$Lg是LCL滤波器的电感之和，Vpn是PCC的相间电压，Icn是第n次谐波EQR的谐波电流分量。VEQRf和VEQRn的计算方法见表2，n= 1; 3; 5; 7，均为平衡状态。根据表2，最小直流链路电压为Vdc¼706： 45V，使用（11）。因此，实际的整体直流链路电压基准被指定为V dc710伏。Cdc设计为28 mF使用（13），其中，Id¼144A为额定EQR电流，x为额定角频率，Vripple为最大允许纹波电压，3%的峰间值。通过仿真发现可接受的最大纹波电压为V纹波¼8V。EQR的直流链路由两个串联的电容器组（Cdc1和Cdc2）组成，如图所示在图8中。通过这种方式，DC链路额定电流增加，并且电容器的中点可以用作用于零序补偿的电流路径。每个电容器组由六个相同的450 V 10 mF铝电解直流电容器组成。最后，直流链路的实际等效电容和额定电压DC链路中的并联电容器还确保低杂散电感（L杂散），以限制关断期间由（14）给出的过冲电压A. Eren和Ahmet Mete Vural工程科学与技术，国际期刊27（2022）10101810Dt参数可变值比例增益KP0.655541883648349谐振增益KR1.0b0系数b0的0.314159265358979b1系数b2系数a0系数B1b2a0-0.31400426295795001.0a1系数a2系数a1a1.9986991658113600.999685890077496见图9。 IGBT在散热器上的位置。表3三次谐波补偿的数字PR控制器参数。半导体。通过这种方式，保护IGBT模块免受电压过冲，电压过冲累积地添加到DC链路，导致集电极-发射极电压的增加，这可能损坏半导体。V过冲¼L杂散电流ð14Þ见图10。（a）DC链路电压控制器（b）无功功率控制器的仿真动态响应。在计算由直流电容器和半导体之间的距离引起的L杂散时，母线电感是一个主要因素。如图8所示设计具有0.05cm间隔的层压铜母线板（长度= 69cm，宽度= 16cm，厚度= 0.2cm）。它的目的是保持L杂散最小考虑导体的尺寸和位置，介电材料，母线方向，电容器端子的位置。由于高电感可能导致非理想转换器操作、电压过冲/下降以及可能与缓冲电容器谐振[37]。杂散电感Lstray被发现为：L杂散 <$LIGBTIGBT ESL ESL ESLss IGBT IE< $76：02 nH 15V其中，LIGBT 1/4 20 nH是等效IGBT串联电感，LESL 1/4 7： 6 nH是电容器的等效串联电感，Lss 1/4 10 nH是螺钉和垫片电感，Li1/4 34： 5nH是母线的内部电感，Le 1/4 3： 92 nH是母线的外部电感。通过实验验证的L杂散值为1/475使用罗果夫斯基线圈和示波器进行设置，其低于推荐值100 nH。在设计中，并联薄膜缓冲电容器（1600 V，0.47米 F）是用来保护IGBT模块在关断过程中的电压过冲。理论缓冲器电容为，我迷路了我d2见图11。PR控制器的主要结构（a）PR控制器框图（b）三次谐波控制框图。C缓冲器D对2分16秒A. Eren和Ahmet Mete Vural工程科学与技术，国际期刊27（2022）10101811¼Þ图12. PR控制器三次谐波电流跟踪能力。DVs 60V是第二电压过冲电平，由示波器测量。采用强制风冷系统，使IGBT和二极管结温稳定在95 °C和90 °C。为了选择散热器，必须在最大电流和最大调制指数条件下计算EQR的功耗。EQR的总损耗估计为1278 W，这是所有IGBT（6x157 W）和二极管（6x56 W）的开关和导通损耗之和[24]。根据该值，选择了具有630 m3/h吹风量的风扇的铝型散热器，其综合热阻为0.03 K/W，如图9所示。使用这种强制空气冷却系统，IGBT和二极管结温在稳态条件下分别为95°C和90°C3. EQR控制方法在一个实施例中，DC链路电压控制器可以包括电源电压的分量（Vsd），其是前馈项，以改善DC链路电压控制器的动态性能。由于零序电流流经分裂电容器，额外的控制信号被添加到EQR参考电压的零序，以平衡上，下电容器电压，年龄。在PSCAD中模拟了直流环节电压控制器在710 V参考电压下的动态响应，如图所示。上午103.2. 无功功率控制调节EQR电压Vq-ref的q分量以控制 EQR到PCC的无功功率注入Qref。首先，源电流Isq-ref的q分量的参考被计算为：EQR的总体控制图如图所示。13，其在同步参考中产生参考电流在Park变换之后，以不同频率旋转帧。Isq-ref-2\f2=3Qref-2\f2Vsq Isd-2\f6Vsdð17Þ参考电流与负载电流异相，以使用附加控制回路来减轻谐波、不平衡和中性电流。由于作为控制器输出的参考电压是可叠加的，EQR可以同时完成补偿任务。图13中的模式选择开关能够选择所需的补偿模式。每种模式产生的误差信号被发送到适当的控制器，以产生EQR的参考电压。P、PI和PR控制器因其简单、可靠和实用性，在EQR控制设计中被优先选用.在逆Park变换之后，三相参考电压被发送到调制器块以产生IGBT的栅极信号。由于易于应用和可靠性，正弦脉宽调制（SPWM）被用作调制类型。为了最小化开关损耗，选择5 kHz作为IGBT的开关频率。3.1. DC链路电压控制EQR需要从电源汲取一定量的有功功率以补偿损耗并维持期望的DC链路电压，这由PI闭环控制来处理的斜坡块用于将Vdc-ref从预充电状态缓慢增加到所需的最终基准，以防止瞬时过水流反馈信号是截止频率为100 Hz的低通滤波后的上下电容器电压之和，因为DC链路电压在基频的两倍处具有纹波然后将反馈控制与d-其中，Vsd、Vsq、Isd、Isq分别是源电压和源电流的d分量和q分量。然后，将Isq-ref与EQR电流Ifq的q分量进行比较，以生成误差信号，由PI控制器处理，以生成EQR电压Vq-ref的q分量的参考。在PSCAD中模拟了无功功率控制器对感性和容性参考的动态响应，如图所示。 10 b.该分析是根据± 100 kVAR负载无功功率变化进行的，因为这些限值是EQR功率限值。 在图10 b中，蓝线表示负载无功功率，绿线表示EQR的响应。3.3. 三次谐波电流补偿控制器三次谐波电流分量及其整数倍分量同相且无方向，在同步坐标系中无法提取。另一方面，由于复杂性和其他缺点，基于傅立叶变换的算法通常不用于提取三次谐波分量[38，39]。相反，根据内模原理[40]，在所选的150 Hz谐振频率处增强无限增益且具有零相移的PR可有效用于跟踪正弦参考信号和消除三次谐波。PR控制器框图如图所示。 11 a，其中K p和K r是比例和谐振控制增益分别，xh是基本角频率的来源。¼A. Eren和Ahmet Mete Vural工程科学与技术，国际期刊27（2022）10101812图十三. EQR总控制图如图 11b，将各相三次谐波电流的基准调整为零。首先，PR控制器提取源电流（Isa，Isb，Isc）的三次谐波分量，然后它为每相产生三次谐波参考电压以消除三次谐波分量。当Kp和Kr取为常数时，系统的其余部分可以在z域中线性化以用于如下的数字实现。建议的PR控制器参考电流牵引能力的三次谐波消除给出了图。 12个。图 12个。结果表明，PR控制器响应的三次谐波电流峰值为10A，峰值接近10 ms，该电流的反相电流用于抑制电网中的三次谐波电流。3.4. 五、七次谐波电流补偿控制器H zb0b 1z-1b 2z-2图18第五和第七谐波分量在直流电中表现为直流电ð Þ¼a0þa1z-1þa2z-2ð Þ表3给出了所设计的数字PR控制器的参数，以消除第三次谐波分量。A. Eren和Ahmet Mete Vural工程科学与技术，国际期刊27（2022）10101813同步参考系以相应的谐波频率旋转。因此，电源电流的第五和第七谐波分量被用作PI控制器的反馈信号A. Eren和Ahmet Mete Vural工程科学与技术，国际期刊27（2022）10101814图14. (a)EQR控制卡的总体结构和照片。(b)EQR控制系统流程图。零参考。在控制动作中，使用三阶20 Hz低通滤波器来获得平滑的反馈信号。3.5. 电流不平衡补偿控制器在不平衡的情况下，出现正、负和零序矢量分量。使用双同步参考系理论（DSRF）[41]提取负序电流分量。在该参考系中，负序分量以100 Hz出现，因此三阶10 Hz滤波器可用于提取负序分量，如图13所示。为了抑制PCC处的负序电流，采用PI控制器，通过Id_un、Iq_un与零参考比较，强制负序电流为零。PI控制器的输出作为EQR输出电压的参考3.6. 中性点电流补偿控制器在三相四线制配电系统中，由于中性线的不平衡，会产生载荷因此，为了补偿中性点电流，必须分离和抑制零序电流分量。由于零序电流由三次谐波和零序电流的倍数组成，因此零序电流分量可直接用Park变换的零分量表示[42]。PCC的零序电流分量是反馈信号，其与零参考比较以产生误差信号。误差然后被发送到P控制器，以产生适当的参考电压年龄的EQR输出电压，如图所示。 13岁EQR的一般控制方案如图所示。 13模式选择块使能补偿模式选择，并且它作为参考信号的开关操作，并且只允许选择的补偿。该方法使得能够为转换器节省功率。选定的参考电压发送到调制器块，以产生FIR- ING IGBT的信号。由于易于应用和可靠性，调制器模块中使用了SPWM方法。A. Eren和Ahmet Mete Vural工程科学与技术，国际期刊27（2022）10101815图十五岁EQR的稳态总直流链路电压图16.直流链路中每个电容器的稳态电压。4. EQR控制卡设计第3节中讨论的EQR的总体控制方案以及保护例程实际上在图14a所示的控制卡中实现。该卡包括两个32位Arm Cortex-M4微处理器©，并读取模拟数据以及外围数字输入，以产生IGBT的开关信号。主微控制器（STM32F407VGT6）处理模拟数据，如相电流，逆变器电流相电压和直流链路电压。相电流和逆变器电流是使用电流互感器Transformer测量的，但是该互感器的输出为5A。由于微控制器的限制，这种电流水平所以使用具有2000：1匝数比和DC至100 kHz带宽的绝缘有源电流传感器来减小这些电流。然后这些电流被转换成电压使用简单的电阻器。最后，使用经典的基于运算放大器的放大器电路将该电压电平设置为0-3.3 V间隔，以在微控制器中进行解释。 另一方面，直流环节电压和相电压直接使用基于运放的放大器电路与适当的转换率测量。主微控制器（STM32 F407 VGT 6）还负责主控制、驱动IGBT开关信号、确定保护水平、实时有效值计算、报警/故障状态检测、有功/无功功率计算、PLL算法管理、变换/逆变换模块以及串行外设接口（SPI）与辅助设备通信A. Eren和Ahmet Mete Vural工程科学与技术，国际期刊27（2022）10101816图17. 当EQR（a）禁用（b）启用时，现场的感应无功功率补偿。重案组另一方面，辅助微控制器（STM32F401RBT 6）利用数字输入和输出管理、与HMI的串行通信以及与主微控制器的SPI通信。EQR控制系统的流程图如图所示。 14 b.5. EQR性能评价经过仿真和实验室测试，所设计的EQR连接到土耳其安塔利亚市Göksun区的一个实际配电Transformer的PCC，以评估其性能A. Eren和Ahmet Mete Vural工程科学与技术，国际期刊27（2022）10101817×¼≤¼图十八岁实验室中的容性无功功率补偿性能（a）总无功功率需求为80 kVAR，每相需求接近27 kVAR（在第1中禁用EQR）（b）EQR无功功率补偿功能被释放（在第2中启用EQR）。感性无功补偿、低次谐波电流补偿、负载平衡以及中性点电流补偿。5.1. 直流环节电压调节性能在EQR中激活所有补偿模式时，通过200 MHz示波器在现场测量EQR的直流链路电压控制器。图15示出了在DC链路的正端子和中性端子之间测量的稳态DC链路电压。如图所示，实际电压接近参考值710V。为了检查DC链路中电容器之间的电压平衡，在每个电容器的正极和中性端子之间进行另一次测量，如图16所示。每个电容器的电压分别测量为353 V和355 V，这意味着控制方案中的电压平衡功能实际上工作良好。5.2. 无功补偿能力EQR的无功功率控制器的性能进行了测试，在现场和实验室条件下的电感/电容模式下，图17示出了当EQR被禁用时，现场中PCC处的所有相的平均功率因数在EQR被激活用于无功功率补偿并且所有其他补偿功能被启用之后，PCC处的功率因数平均滞后增加到0.9876。由于实际配电线路中的负载多为感性负载EQR的测试仅在实验室条件下进行，三相容性负载额定值为27kVAR/相。图18显示，当EQR被禁用时，PCC处的每相和总容性无功功率在区域1中分别测量为27 kVAR和81 kVAR（3 27 kVAR）。在以81 kVAR的参考无功功率激活EQR之后，PCC处的每相和总无功功率急剧降低，并且在时间11：40：58在区域2中变为零。很明显，EQR能够在电感和电容模式下对无功功率参考做出实际响应。5.3. 三次谐波电流补偿能力在现场测试了EQR的三次谐波电流补偿能力。使用电能质量分析仪进行测量，裂解器的特性如图19所示。可以看出，补偿前配电盘上测得的各相最大三次谐波电流为4A。该谐波电流相对较低，因为在测量期间，由于会期原因，配电盘中的总负载相对较低。EQR激活所有补偿功能后，三次谐波电流降至1 A。结果表明，EQR不能完全消除三次谐波电流分量。这是由于三次谐波电流在DC链路中的分裂电容器上循环，从而难以完全去除配电系统中的三次谐波电流。然而，EQR性能对于实际配电系统是可接受的，因为三次谐波电流分量的减少为0.39%（1 A/252 A），符合IEEE标准519-2014（I SC = I L 44：7时为请注意，所有测量均针对所有相位的最大谐波分量进行5.4. 五次和七次谐波补偿能力当EQR被激活以补偿所有模式时，使用电能质量分析仪在现场测试EQR的五次和七次谐波补偿能力。从图20可以看出。 五次谐波电流从4A完全消除到零，而七次谐波电流从3A到1A，如图所示。 21岁值得注意的是，EQR可以补偿七次谐波电流，减少0.39%（1 A/252A），符合IEEE标准519ISC= IL44： 7）。请注意，所有的测量都是针对最大所有相位的谐波分量。5.5. 不平衡电流补偿能力EQR的不平衡电流补偿能力进行了测试，在现场使用电能质量分析仪。补偿前后的三相电源不平衡电流如图所示。 22岁在EQR被激活之前，源相电流是不平衡的，即，峰值相电流为90 A（相A），168 A（B相）和135 A（C相）。 当EQR被激活以补偿所有模式时，源相电流得到平衡，具有133 A的相等峰值，如图所示。如图22（b）所示，当EQR在12：26：29启用时，采集第一次记录的测量数据。之后，EQR负载平衡功能突然禁用，并在13：37：00截取屏幕截图， 如图 所 示。 22（a）. 从测量结果来看，它可以A. Eren和Ahmet Mete Vural工程科学与技术，国际期刊27（2022）10101818图19. EQR的三次谐波电流补偿能力（a）补偿前（b）补偿后。可以推断，EQR性能是完全令人满意的，在这种补偿模式。5.6. 中性点电流补偿能力在实验室中使用200 MHz示波器测试EQR的中性电流补偿能力EQR连接到三相不平衡负载的PCC，三相自耦变压器负载由三个独立的单相5 kVAR，7.5 kVAR和12.5kVAR电容性负载。补偿前后的中性电流波形如图23所示。如所观察到的，在EQR被激活之前，中性电流被测量为29.16 A rms。当EQR被激活时，中性电流降低到5.142 A rms。可以看出，减少率为82%，这几乎是令人满意的。A. Eren和Ahmet M