1  緒論

1.1  課題研究背景及意義
隨著電力行業(yè)“十二五”規(guī)劃轉(zhuǎn)型升級提出的新要求，使智能電網(wǎng)的建設(shè)成為電網(wǎng)發(fā)展新任務(wù)。在加大電網(wǎng)現(xiàn)代化體系建設(shè)，擴大并適應(yīng)大規(guī)模跨區(qū)域輸電，完善區(qū)域主干網(wǎng)絡(luò)等的基礎(chǔ)上，根據(jù)控制、儲能和信息傳輸?shù)南冗M技術(shù)，推進智能電網(wǎng)發(fā)展，提高電能利用率，增強電網(wǎng)容量、供電可靠性的優(yōu)化配置。電力行業(yè)的發(fā)展使電網(wǎng)的智能化配置成為近年研究熱點。高壓開關(guān)作為電力系統(tǒng)中必不可少的機械部件，研究它的智能化也是必要的。 提高電網(wǎng)系統(tǒng)利用率、減少電路網(wǎng)絡(luò)損耗是電力系統(tǒng)中永恒不變的主題。為達(dá)到減少電力輸送損耗、改善電能輸送容量和質(zhì)量、提高系統(tǒng)功率因數(shù)的目的，，電網(wǎng)必須采用無功補償裝置進行無功功率補償。眾所周知，接入電網(wǎng)的現(xiàn)代用電負(fù)荷大都屬于感性負(fù)載，自然功率因數(shù)低，它會影響發(fā)電機輸出功率，減少有功功率輸出；影響電網(wǎng)供電能力，降低有功功率容量，增加電能損耗等。所謂無功補償是增加電網(wǎng)中的容性負(fù)載來平衡感性負(fù)載從而達(dá)到改善的目的。電網(wǎng)中大多用電設(shè)備的正常運行不僅需要消耗一定的有功功率還需要部分無功功率用于電路內(nèi)電場和磁場的轉(zhuǎn)換，建立和維持磁場。無功功率在電網(wǎng)中遠(yuǎn)距離大量傳輸會增加電網(wǎng)的電壓損耗，使用戶端的電壓過低。為了解決這個問題，電網(wǎng)中的無功補償通常遵循“全面規(guī)劃、合理布局、分級補償、就地平衡”的原則。無功補償裝置多種多樣，電容器組作為無功補償裝置的一種，具有結(jié)構(gòu)簡單，安裝維護方便，有功損耗小，投資成本低等優(yōu)點，因此普遍應(yīng)用于6 ~ 35kV 中壓系統(tǒng)和工業(yè)用電系統(tǒng)的無功補償中[1~2]。研究出一種新型高壓開關(guān)以減小電容器組投切時產(chǎn)生的暫態(tài)問題是必要的。同時，為適應(yīng)國家智能電網(wǎng)發(fā)展的需要，構(gòu)建合理的操動機構(gòu)與高壓開關(guān)系統(tǒng)，使之不僅能準(zhǔn)確、快速、可靠的完成高壓開關(guān)的分合操作而且能實現(xiàn)高壓電力設(shè)備的可控性和智能化。高壓電力設(shè)備中的高壓開關(guān)工作的可靠性直接影響電力系統(tǒng)運行時供電質(zhì)量和供電可靠性，它的智能化也直接影響著電力系統(tǒng)的智能化，智能電網(wǎng)的提出對輸配電系統(tǒng)中重要的開關(guān)電器——斷路器、高壓開關(guān)的質(zhì)量和性能也提出了更高的要求。操動機構(gòu)作為開關(guān)操作的執(zhí)行單元決定著開關(guān)電器的正常開斷，研究高性能的操動機構(gòu)不僅是順應(yīng)行業(yè)研究熱潮同時也為電網(wǎng)的智能化發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。傳統(tǒng)操動機構(gòu)如彈簧、氣動、液壓操動機構(gòu)，在機械方面存在較多的運動環(huán)節(jié)，使得故障幾率高，分散性大，控制性能低。為了克服傳統(tǒng)操動機構(gòu)的局限性,  提高開關(guān)電器的操作性能,  有必要進行高壓開關(guān)操動機構(gòu)新技術(shù)的開發(fā)。
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1.2  國內(nèi)外研究概況
針對本課題中的研究問題，在6 ~ 35kV 中壓系統(tǒng)中通常采用真空開關(guān)來投切電容器組，它在將電容器組投入電網(wǎng)和從電網(wǎng)切除時會引起浪涌電流和操作過電壓。這些電流、電壓比額定值高出幾到十幾倍，對電力系統(tǒng)一次設(shè)備帶來很大危害。為解決這些問題，晶閘管投切電容器組(thyristor switch capacitor, TSC)、串聯(lián)電抗器、晶閘管和磁保持繼電器并聯(lián)、零點投切等技術(shù)手段應(yīng)運而生。TSC  技術(shù)雖然能解決上述問題，但它具有成本高、體積大、晶閘管損耗大、可靠性較低等缺點，通常適用于具有快速沖擊性負(fù)載性質(zhì)的重要應(yīng)用領(lǐng)域，而不適宜在中壓供配電領(lǐng)域大規(guī)模應(yīng)用[3]。其他幾種技術(shù)雖然能減小投入時引起的合閘涌流，但卻惡化了切除時引起的暫態(tài)過電壓問題[4~6]。為減小過電壓，有學(xué)者提出采用改進式晶閘管串聯(lián)調(diào)壓電容無功補償裝置[7]，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、控制算法復(fù)雜。針對這些問題還有專家學(xué)者采用真空開關(guān)和采用晶閘管閥并聯(lián)構(gòu)成的中壓固態(tài)復(fù)合開關(guān)實現(xiàn)無功補償電容器組的投切，采用該原理的固態(tài)開關(guān)具有成本高、晶閘管閥門極驅(qū)動電源和控制觸發(fā)復(fù)雜的不足之處。上述技術(shù)各有各的優(yōu)缺點，在不同的應(yīng)用場合采用不同的技術(shù)。結(jié)合已有的技術(shù)提出一種新的思路，既能減小電容器組投切時的涌流和操作過電壓又具有控制簡單，成本低的優(yōu)點。 順應(yīng)國家智能電網(wǎng)規(guī)劃的新要求，國內(nèi)外對高壓電力裝備智能化的關(guān)注越來越多，由此對高壓開關(guān)的關(guān)注也越來越多。高壓開關(guān)的智能化關(guān)鍵在于操動機構(gòu)的智能化。本文除了電容器組投切開關(guān)原理的研究，還研究了控制高壓開關(guān)動作的操動機構(gòu)。結(jié)合電機操動機構(gòu)自身的優(yōu)缺點，它作為新型操動機構(gòu)被廣泛研究。目前常用操動機構(gòu)主要有：手動操動機構(gòu)、電磁操動機構(gòu)、彈簧操動機構(gòu)、氣動操動機構(gòu)、液壓操動機構(gòu)等，這些機構(gòu)都相對成熟，它們結(jié)構(gòu)不同，各有各的優(yōu)缺點，適用范圍也不同。隨著電力行業(yè)的不斷發(fā)展，為滿足高壓電力設(shè)備智能化的發(fā)展要求，需完善現(xiàn)有產(chǎn)品并不斷開發(fā)新型操動機構(gòu)，使其具有可靠性高、反應(yīng)速度快、故障率低、結(jié)構(gòu)簡單、操作方便的特點，因此具有這些特點的永磁機構(gòu)以及電機操動機成為近年來的研究熱點。電機操動機構(gòu)作為一種新型的操動機構(gòu)應(yīng)運而生，它無需任何機械能而通過電機產(chǎn)生的力或轉(zhuǎn)矩就可使高壓開關(guān)觸頭實現(xiàn)分合閘操作，配以保持裝置使其保持在關(guān)閉、斷開位置，再通過外部控制電路從而實現(xiàn)對電機的智能控制[8]。近年來，國內(nèi)沈陽工業(yè)大學(xué)對于電機操動機構(gòu)主要研究了40.5kV 真空斷路器的永磁直線直流電機的操動機構(gòu)和旋轉(zhuǎn)電機操動機構(gòu)[9]；清華大學(xué)與平高股份合作研究的用于126kV 真空斷路器的旋轉(zhuǎn)電機操動機構(gòu)；東南大學(xué)、大連理工大學(xué)、華中科技大學(xué)、華北電力大學(xué)等對新型操動機構(gòu)也有相關(guān)研究。國外主要有 ABB 公司和阿爾斯通公司，對于智能化開關(guān)設(shè)備，他們研究了電機驅(qū)動的斷路器操動機構(gòu)、功率二極管的混合式免暫態(tài)高壓開關(guān)、彈簧和電機混合驅(qū)動的操動機構(gòu)等。電機操動機構(gòu)隨著電力系統(tǒng)的智能化發(fā)展，高壓開關(guān)設(shè)備的智能化和操動機構(gòu)的智能化將是未來研究方向的重點。 
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2  功率二極管混合式高壓開關(guān) 

2.1  開關(guān)結(jié)構(gòu)及工作原理 
本文中提出的基于功率二極管的混合式高壓開關(guān)主要應(yīng)用于電容器組的投切操作。眾所周知，在電力系統(tǒng)的運行中，為了改善用戶電能質(zhì)量、提高系統(tǒng)功率因數(shù)和減少輸配電線路損耗，電力系統(tǒng)中常采用分布式無功補償。其中，電容器組作為常用的無功補償裝置被廣泛應(yīng)用于6-35kV中壓系統(tǒng)和工業(yè)用電系統(tǒng)中。但在投切電容器組的過程中可能會產(chǎn)生涌流和過電壓等問題，對電力系統(tǒng)一次設(shè)備帶來很大危害。針對這些問題并在考慮經(jīng)濟性、可靠性的基礎(chǔ)上，本文提出基于功率二極管和電機操動的機械開關(guān)并聯(lián)組成的混合式高壓開關(guān)，既可以減少電容器組投切時產(chǎn)生的暫態(tài)過電壓和涌流又能實現(xiàn)開關(guān)的智能化控制。因為功率二極管具有單向?qū)щ娦�，兩端電壓正向偏置時，二極管導(dǎo)通其通態(tài)壓降很低一般為1V左右；兩端電壓反向偏置且低于擊穿電壓前，二極管處于截止?fàn)顟B(tài)相當(dāng)于一個大電阻，而高壓機械開關(guān)具有導(dǎo)通電阻小、絕緣性能高的優(yōu)點。為了使混合式高壓開關(guān)系統(tǒng)實現(xiàn)免暫態(tài)投切電容器組，其工作過程需要包含兩個電流轉(zhuǎn)移，即電容器組切除時，高壓開關(guān)中的電流轉(zhuǎn)移至功率二極管，而電容器組投入時，電流從功率二極管轉(zhuǎn)移至高壓機械開關(guān)[10~11]。
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2.2  開關(guān)分合閘操作電流轉(zhuǎn)移機理 
在6 ~ 35kV 電力系統(tǒng)中，當(dāng)開關(guān)切除電容器組時產(chǎn)生的電弧電壓如圖2.4所示。從圖中可以看出，在電流過零點處將產(chǎn)生幾十伏的電弧電壓，這個電弧電壓足夠功率二極管導(dǎo)通。從圖2.6可以看出，功率二極管伏安特性的正向開始部分，由于二極管的正向偏置電壓很小，此時外電場比 PN 結(jié)的內(nèi)電場小，使得功率二極管的正向電流幾乎為零，二極管對外呈現(xiàn)大電阻狀態(tài)。隨著二極管正向電壓逐漸增加，上升到一定值時，它的正向電流才開始明顯增大，此時二極管開始導(dǎo)通。伏安特性中正向電流明顯增加時所對應(yīng)的正向電壓thV 稱為功率二極管的門檻電壓。二極管導(dǎo)通后，它的正向電流FI 與正向電壓V按指數(shù)規(guī)律上升[16]。由上述分析可知，功率二極管要導(dǎo)通，就應(yīng)滿足兩端所加的正向偏置電壓大于其門檻電壓，即thV ? V。在功率二極管混合式高壓開關(guān)中，為實現(xiàn)電容器組投切時電弧電流的轉(zhuǎn)移，則要求機械開關(guān)斷口間產(chǎn)生的電弧電壓必須大于功率二極管的門檻電壓。從圖2.4和圖2.6可以看出，在6 ~ 35kV 的電力系統(tǒng)中，高壓開關(guān)投切時產(chǎn)生的電弧電壓可以達(dá)到幾十伏，這個電壓足夠讓開關(guān)斷口間的功率二極管導(dǎo)通，從而實現(xiàn)電流在斷口與二極管間的轉(zhuǎn)移。 
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3  混合式高壓開關(guān)的電機操動機構(gòu) ...... 21 
3.1   永磁同步電機結(jié)構(gòu)與數(shù)學(xué)模型 ...... 22 
3.1.1   永磁同步電動機的基本結(jié)構(gòu) ...... 22 
3.1.2  永磁同步電機數(shù)學(xué)模型 ......... 22 
3.2   永磁同步電機伺服控制策略研究 ......... 27 
3.2.1   矢量控制技術(shù) ......... 27 
3.2.2   直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù) ........ 32 
3.3   控制方案的確定及建模仿真 .......... 35 
3.3.1   伺服控制方案的確定 .... 35 
3.3.2  模糊 PID 控制 .......... 37 
3.3.3 MATLAB 建模仿真及結(jié)果分析 .......... 39
4  交流伺服控制系統(tǒng)軟件設(shè)計 ....... 43 
4.1   系統(tǒng)軟件總體結(jié)構(gòu) ..... 43 
4.2   軟件程序設(shè)計 ...... 44 
4.2.1   電壓空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)（SVPWM） .... 44 
4.2.2   QEP 接口模塊 ........ 50 
4.2.3  三環(huán)控制模塊 .... 52 
5  實驗平臺構(gòu)建及分析 ..... 56  

5  實驗平臺構(gòu)建及分析

在完成了前幾章的理論分析、建模仿真和軟件設(shè)計后，將各個模塊組合起來，完成整個系統(tǒng)的連接，建立實驗平臺。在該系統(tǒng)中主要模塊和工具： （1）實現(xiàn)信號放大、整流及逆變功能的智能功率模塊（IPM） （2）DSP(TMS320F2812)的控制板 （3）內(nèi)置光電編碼器的永磁同步電機 （4）功率二極管混合式高壓開關(guān) （5）示波器、直流電源、仿真器等 智能功率模塊選用的是上海嘉尚電子科技有限公司的 DR 系列。其功率模塊實物圖如圖 5.1 所示。智能功率模塊作為中間環(huán)節(jié)，主要作用是將 DSP 控制板輸出的 PWM 脈沖信號用來控制逆變器橋中 IGBT 的開斷，從而調(diào)整輸出電流大小，控制電動機轉(zhuǎn)速，使其跟蹤位置參考曲線運動。本實驗所采用的功率模塊技術(shù)參數(shù)如表 5.1 所示。 永磁同步電機作為伺服控制系統(tǒng)中的執(zhí)行單元和高壓開關(guān)動作的操作機構(gòu)，要求響應(yīng)速度快且能迅速完成開關(guān)的分合閘操作，即應(yīng)考慮選用轉(zhuǎn)動慣量較小而轉(zhuǎn)矩相對較大的電動機。綜合各方面考慮，在本實驗中選用安川電機有限公司生產(chǎn)的旋轉(zhuǎn)型 GV 系列電機，其型號為 SGMGV-30ADC61，實物圖如圖 5.2 所示。 

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結(jié)論

本文從新型電容器投切開關(guān)的研究出發(fā)，對功率二極管混合式高壓開關(guān)和電機操動機構(gòu)伺服控制系統(tǒng)進行了深入研究，在新型電容投切開關(guān)的工作原理、結(jié)構(gòu)、運行以及永磁同步電機矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制、伺服控制系統(tǒng)軟件設(shè)計等方面均做了大量研究工作。 
（1）本文提供和驗證了一種新型的電容器投切開關(guān)（功率二極管混合式高壓開關(guān)），它是應(yīng)用功率二極管和多斷口高壓開關(guān)相并聯(lián)組成的，利用功率二極管的單向?qū)ㄐ院挽o態(tài)特性，它能有效減小電容器組投入電網(wǎng)時產(chǎn)生的浪涌電流和切除時產(chǎn)生的操作過電壓。 
（2）采用一個旋轉(zhuǎn)電機作為三相開關(guān)的操動機構(gòu)，它利用不同的機械距離來補償三相對稱系統(tǒng)之間的相位差，思想新穎。將電機操動機構(gòu)應(yīng)用到電容投切開關(guān)中，不僅簡化了操動機構(gòu)的結(jié)構(gòu)，提高了高壓開關(guān)的可靠性，還減小了機械故障率，降低了經(jīng)濟成本。 
（3）采用交流伺服系統(tǒng)控制高壓開關(guān)動作，建立永磁同步電機 0di矢量控制模型，采用三環(huán)控制跟蹤電動機參考軌跡，使電機控制混合式高壓開關(guān)的投切，達(dá)到實時免暫態(tài)的進行電網(wǎng)的無功補償。 
（4）采用數(shù)字化高速處理器（DSP—TMS320F2812）作為軟件系統(tǒng)，將位置采集模塊得到的電機轉(zhuǎn)子位置信息輸入到處理器，經(jīng)過一系列的數(shù)據(jù)處理后輸出 6 路脈沖信號控制逆變器模塊，從而控制電動機的轉(zhuǎn)速，以達(dá)到功率二極管混合式開關(guān)分合閘操作時動觸頭的實際位置曲線能跟蹤參考軌跡的目的。高速處理器的應(yīng)用使計算速度更快，控制性能更高。
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參考文獻(xiàn)(略) 

本文編號：54533