静止无功补偿器的研究课程设计1

静止无功补偿器的研究11 静止无功补偿器的总体设计1.1 静止无功补偿器的主电路ASVG 分为采用电压型桥式电路和电流型桥式电路两种类型。两者的区别是直流侧分别采用的是电容和电感这两者不同储能元件，对电压型桥式电路，还需要串联上电抗器才能并上电网；对电流型桥式电路，还需要并联上电容器才能并上电网。实际上，由于运行效率的原因，实际应用的 ASVG 大多采用的是电压型桥式电路。因此 ASVG 专指采用自换相的电压型桥式电路作为动态无功补偿的装置。ASVG 的基本结构如图 1-1。它由下列几部分组成：电压支撑电容，其作用是为装置提供一个电压支撑；由大功率电力电子开关器件（IGBT 或 GTO）组成的电压源逆变器（ VSC） ，通过脉宽调制（PWM ）技术控制电力电子开关的通断，将电容器上的直流电压变换为具有一定频率和幅值的交流电压；耦合变压器或电抗器，一方面通过它将大功率变流装置与电力系统耦合在一起，另一方面还可以通过它将逆变器输出电压中的高次谐波滤除，使 ASVG 的输出电压接近正弦波。图 1-1 电压型补偿器结构图上图为电压型的补偿器，如果将直流侧的电容器用电抗器代替，交流侧的串联电感用并联电容代替，则为电流型的补偿器。交流侧所接的电感 L 和电容 C 的作用分别为阻止高次谐波进入电网和吸收换相时产生的过电压。无论是电压型，还是电流型的 SVG 其动态补偿的机理是相同的。当送到逆变器的脉宽恒定时，调节逆变器输出电压与系统电压之间的夹角 就可以调节无功功率和逆变器直流侧电容电压 Uc，同时调节夹角 和逆变器脉宽，即可以在保持 Uc 恒定的情况下，发出或吸收所需的无功功率。SVG 装置的核心部分是逆变电路，它将整流后的直流电压进行逆变以产生-个频率与系统相同的交流电压，并且这个电压的幅值和相位都可调，然后通过电抗器把这个电压并到电网上去，从而产生所需的交流无功功率。利用 IGBT 智能模块后，逆变器电路无论是在体积、性能、稳定性上还是控制方式上都得到了极大的简化。本文中所介绍到的静止无功发生器是电压型的 SVG，它具有主电路的拓扑结构简单，且逆变装置所用的电压型器件 IGBT 易于控制，灵活方便。1.2 静止无功补偿器的工作原理系统线路 整 流 器 IPM.ViXLs. Vs 系统线路VdcVT1VT3VT5VaVbVcVT2VT4VT6T电 压 源 逆 变 器 耦 合 变 压 器 系 统 电 压ABC静止无功补偿器的研究2图 1-2 SVG 工作原理图逆变器 IPM 的输出经过一个数值不大的电抗 XL(包括变压器的内抗)接入三相交流电网，调节逆变器输出电压 Vi 的相位，使得 Vi 与交流电网电压代同相(相角差 =0)，这么看来逆变器就变成为一个无功功率发生器了，从而可以得出：当输出电压 Vi 高于电网电压 Ys 时，这时无功功率发生器输出滞后的无功即感性的无功功率。当输出电压 Vi 低于电网电压 Vs 时， 这时无功功率发生器输出超前的无功即容性的无功功率。因此，控制无功功率发生器(逆变器工 PM)输出电压 Vi 的大小，即可控制其输出无功功率的数值大小及其性质(超前或滞后)。从以上的分析我们可以知道，逆变器 IPM 能独立地与电网进行无功功率的交换，并能从系统吸收有功功率，为直流侧电电容器提供能量的支持。1.3 静止无功补偿器的常用控制方法前面已经介绍，由无功电流(或者无功功率)参考值调节 SVG,控制 SVG 发出无功的性质和大小，就可以补偿负载所需的无功，具体的控制方法可以分为间接控制和直接控制两种方式。这两种控制方式都可以对无功电流进行控制，以补偿电路中所需要的无功，因此，更准确地讲，这两种方式都是针对流过 SVG 的无功电流进行控制。但从软件的可靠性和硬件的复杂程度来考虑，采用电流的间接控制要比电流的直接控制实现起来容易的多。SVG 对电力系统的影响和控制主要是通过逆变器输出三相正弦电压并联到线路中来实现的。因此，输出三相电压波形严格对称且每相的正负半周也对称的 SPWM 是十分关键的。SPWM (Sinusoidal Pulse Width Modulation)法的基本思想是使输出的脉冲宽度按正弦规律变化，因这样的调制技术能有效地抑制输出电压中的低次谐波分量。因此，SVG 的逆变器采用 SPWM 控制方式，可以输出质量较高的正弦波，大大提高电网的电压品质。生成 SPWM 波形的方法目前主要有软硬件相结合的方法和采用纯软件编程的方法。采用软硬件相结合的方法具有精确度不高，生成波形的硬件电路较复杂等缺点。而利用数字信号处理器(DSP)的事件管理器，用纯软件编程方法实现 SPWM 波形的输出可减少系统的硬件投资，并具有实时性好和运算精确等优点。（1）经分析，在 角绝对值不太大的情况下， 与 IO 接近线性正比关系。因止通过控 角就可以控制 SVG 吸收的无功电流。这样就可以得出 SVG 最简单的控制方法，原理图：图 1-3 SVG 最简原理图当改变 角时，VL 也随着变化。VS 的变化是通过直流端支撑电压 VD 变化而实现。 角变化时，变流器将吸收一定的有功电流，因而直流侧的电容将被充电或放电，因而引起 VD 的变化，从而引起 VI 的变化。当暂态过程完毕时， VI，IQ 必然满足上述关系式。(2) 如果在这种控制方法基础上加上反馈环节，那么无功电流的控制精度和响应速度都会大大提高。其原理图： IQSVG主 电 路PI调 节 器 dIQrej +-IQSVG主 电 路比 例 系 数 dIQrej静止无功补偿器的研究3图 1-4 SVG 加反馈环节的原理图在此基础上，产生了许多种控制方法，比如对 角和逆变器脉宽角 联合起来的控制策略等。电流间接控制方法多适用于较大容量的 SVG 装置，其减少谐波方法多采用多重化的方法并且结合 PWM 技术。静止无功补偿器的研究42 静止无功补偿器硬件设计数字信号处理（DSP，Digital Signal Processing）是一门涉及多种学科且又广泛应用于许多领域的科学。20 世纪 60 年代以来，随着信息技术的飞速发展，数字信号处理技术应运而生并得到迅速的发展。目前，数字信号处理技术及相应的 DSP 芯片因其强大快速的信号处理功能已经广泛应用于自动控制、图像处理、通讯技术、网络设备、仪器仪表和家电等领域；DSP 为数字信号处理提供了高效而可靠的硬件基础。由于本文采用电流直接控制的控制算法，需要对输出电流和负载电流的实时快速检测，并进行相应的控制输出，对实时性要求相当高。因此本实验装置主处理器采用美国TI（德州仪器）公司生产的 DSP 芯片，又由于本控制系统中需要外围设备较多，所以选择外设较多的 TI2000 系列 DSP，这里本文采用 TMS320LF2407A。TI 公司的 TMS2407LF240X 系列 DSP 控制器是在 24X 的基础上低功耗改进型，它是为了满足控制应用而设计的。2407A 是此系列中的一个分支，通过把一个高性能的 DSP内核和微处理器的片内外设集成为一个芯片的方案，2407A 成为传统的微控制单元（MCU）和昂贵的多片设计的一种廉价的替代品。每秒 3000 万条指令（30MIPS）的处理速度，使 2407A 型 DSP 控制器可以提供超过传统的 16 位微控制器和微处理器的能力。根据构造的器件的要求设计硬件的规格，SVG 的总体构造为：图 2-1 SVG 总体结构图2.1 电力电子主回路如下图所示，电力电子主回路主要包括逆变电路和整流电路两部分。逆变电路的硬件选择可以有单个 IGBT 管、单个二极管和专门设计的驱动电路等组成的逆变器。但其效果和性能不佳，在此介绍三菱公司的智能功率模块 IPM，它是由 7 个IGBT 管、 6 个二极管、栅极驱动电路、过流保护电路、过热保护电路、短路保护电路、驱动保护电路、驱动电压欠压保护等组成。该模块的主电路部分有 5 个端子，即直流电系统电压 整 流 器 逆 变 器CVD+- XL 系统电压显 示 电 路参 数 给 定 故 障 信 号检 测 到 的 系 统 参 数 SPWM信 号 隔 离TMS320LF407DP 控 制 核 心静止无功补偿器的研究5压的输入端正负极，三相交流电输出端 U, V, W，控制部分共有 19 个端子，用于 PWM信号的输入、故障信号输出及驱动电源等。与过去的 IGBT 模块和驱动电路的组合电路相比，IPM 模块内含驱动电路且保护功能齐全，因而可极大地提高应用系统整机的可靠性。本设计选用三菱公司的 IPM 模块，它具有体积小、可靠性高、价格低廉的优点。图 2-2 电力电子主回路图2.2 主回路直流电容整流电路输出的直流电压含有波动成分，并且逆变器也可产生部分的脉动电流，因此需加入大电容滤波环节。根据三相瞬时无功功率理论，理想情况下，三相电路总的瞬时功率为各相瞬时有功功率之和，而总的瞬时无功功率总和为零，这表明各相瞬时无功功率只是在三相之间交换，因此，对于 SVG 而言，瞬时无功功率不会导致其交流侧和直流侧之间的能量交换，从而使伪保持恒定。因此，从原理上讲，SVG 直流侧不需储能元件。此时电容只需很小的电容量用于保证功率器件的正常工作即可，一般直流侧电容选用 4 个 2200F/ 450V 的电解电容，两串两并。2.3 逆变器 IPM 的缓冲电路缓冲电路实质上是一种开关辅助电路，利用它可以减小器件在开关过程中产生的过压、过流、过热、 和 ，确保器件安全可靠运行，所以缓冲吸收电路设计对dtuti电力电子器件是十分重要的。由于缓冲电路所需的电阻、电容的功率和体积都较大，所以在 IGBT 模块内部并没有专门集成该部分电路。因此，在实际的系统之中一定要有缓冲电路，通过电容可把过电压的电磁能量变成静电能量储存起来，电阻可防止电容与电感产谐振。其 IGBT 的缓冲电路： IGBT模 块 直流输入交流输出ABCIGBT +- VD13VD5VD46VD2静止无功补偿器的研究6图 2-3 逆变器 IPM 的缓冲电路图2.4 IGBT 门极驱动控制电路与主电源电路不同，驱动控制电路主要针对的是 DSP 控制系统的弱电控制部分。由于模块要直接和配电系统相连，因此必须利用隔离器件将模块和控制部分的弱电电路隔离开来，以保护 DSP 控制系统。同时由于工 GBT 模块的工作状况很大程度上取决于正确、有效、及时的控制信号。所以设计一个优良的光祸控制电路也是模块正常工作的关键之一。门极驱动控制电路的任务是:将 DSP 输出的 0-3.3V 的 PWM 信号转换成 0-15V的 IGBT 驱动信号，驱动信号低有效。门极驱动控制电路：图 2-4 IGBT 门极驱动控制电路图上图中 PWM1 是 DSP 输出的开关信号，经光耦隔离器件 TLP250 隔离和电平转换后送入 IPM 的 Up 端，电路中连接的 10F 和 0. 1F 的电容是用于从控制信号 PWM1 到IPM 之间布线阻抗的退藕，而不是作为滤波电容来使用。2407 发出的 SPWM 脉冲经过电阻 Rl (100 )接入型号为 TLP250 的光耦输入端，光耦的一个输出端经电阻 R4 ( 51 )引到 IGBT 门极，另两个输出端分别接十 15V 电源和地，电容 C1 (0.1F)起到稳定直流电源的作用，电容 C2 (10F)起到增大驱动能力的作用。当 2407 的 PWM 引脚输出高电平时，发光二极管导通并发出对应的光脉冲，光电二极管随之导通，三极管 T1 导通，T2 截止，输出端 OUT 输出高电平(约为+15V )则与之相连的 IGBT 随之导通。当 2407 的 PWM 引脚输出低电平时，光电二极管随之截止， ，三极管 T2 导通，T1 截止，输出端 OUT 输出约 OV 的低电平，则与之相连的 IGBT 随之截止。TLP250 内部实际上是一个光电耦合电路，其输入输出即无电的联系，也无磁的联系，起到了极好的抗干扰及隔离作用。由于发光二极管与光电二极管均具有快速响应特性，故能适应高频脉冲的要求，所以光耦的输出与输入波形完全相同，几乎没有相位移动。2.5 工作电源IPM 要正常工作，至少需要 4U, V, W 三相的上桥臂各 1 个，独立的驱动电源，要求供电电压个相互独立的驱动电源给 IPM 的驱动电路供电。U, V, W 的下桥臂共用 1 个，所以要 4 个相互 15V。下面介绍最典型的一种低功率电源设计：OUT3.VPWM T1T2C12+15VR34TLP250R1781520V15V + +C3C1 C215V-静止无功补偿器的研究7图 2-5 工作电源工作原理图上图中变压器的主线圈接 220V 50Hz 交流电源，次线圈将输出 15V 的交流电，经整流全桥整流再经公翻皮电容 C1 滤波后，大约可以得到 19V 有脉动的直流电源。三端稳压块 7815 是将滤波电容 C1 得到的 19V 有脉动的直流电源稳压变成 15V 稳定的、波纹系数非常小的直流电源，此 15V 电源再经过滤波电容 C2 后，基本上可以得到非常稳定的15V 直流电压源。由于三端稳压块 7815 自身会产生白噪声 -一种频率很高的热噪声，而电解电容 C2 只对低频比较敏感，可以滤去大部分的低频脉动波，对高频的杂波却无能为力，故加上一个高频瓷片滤波电容 C3 滤去高频杂波。这两个滤波电容并联联接，可同时滤去高低频率的各种交流波，最后得到的直流电压源的电压质量是非常高的。2.6 采样信号预处理装置采样信号预处理装置包括 电压和电流信号转换电路和电网频率跟踪模块。图 2-6 基于 DSP2407 的电压电流信号预处理的原理图DSP2407 的工作电压为+3.3V，故接入其引脚的信号电压也不能超过 3.3V，且其内部模数转换模块的基准电压范围为 0-3.3V，是单极性的。而在实验室条件下，来自电压互感器和电流互感器二次侧的电压和电流分别为 0-100V 和 0-5A，且为交流电，故信号需先接入一个信号预处理装置，经处理达到 2407 要求的数值范围后再接入其 ADCIN 引脚。电网频率跟踪模块 系统电压虽然一般为 50Hz 工频，但也会上下波动。为了使SVG 产生的附加电压频率和系统电压频率保持一致，必须进行电网频率跟踪。测量电网频率的方法是把系统电压(正弦波)通过一个方波转换电路变成与之同周期的同步信号方波，然后测量其两个相邻上升沿之间的时间间隔就可得到此方波信号也就是系统电压的周期。方波转换电路图如下，其中的电压传感器也是采用输入输出标称值为交流 100V/1 V的跟踪型电压隔离传感器 WBV411D0。其输出信号经过型号为 OP07 的运算放大器进行比例放大，然后在型号为 LM311 的高速比较器中进行信号过零点检测，即可得到方波信号。信 号 预 处 理 装 置 ADC模 块 模 拟 量 输 入通 道(INOADCIN15)三 相 电 压三 相 电 流 AD转 换电 压 传 感 器接 电 压 互 感 器二 次 侧 uR7R614863-+7OP0+15VR8C2R9R10C323+-4-5V1LM31865+5VR1C47静止无功补偿器的研究8图 2-7 方波转换电路图2.7 滤波器为了把逆变器输出的 SPWM 波形变成正弦波，可采用如下的低通滤波器，其中电感的参数为 1.5 mH,电容的参数为 5.6uF。图 2-8 滤波器工作原理图输 入 输 出静止无功补偿器的研究93 静态无功补偿的发展趋势随着电力电子技术的日新月异以及各门学科的交叉影响，静止无功补偿的发展趋势主要有以下几点：（1）在城网改造中，运行单位往往需要在配电变压器的低压侧同时加装无功补偿控制器和配电综合测试仪，因此提出了无功补偿控制器和配电综合测试仪的一体化的问题。（2）快速准确地检测系统的的无功参数，提高动态响应时间，快速投切电容器，以满足工作条件较恶劣的情况（如大的冲击负荷或负荷波动较频繁的场合） 。随着计算机数字控制技术和智能控制理论的发展，可以在无功补偿中引入一些先进的控制方法，如模糊控制等（3）目前无功补偿技术还主要用于低压系统。高压系统由于受到晶闸管耐压水平的限制，是通过变压器降压接入的，如用于电气化铁道牵引变电所等。研制高压动态无功补偿的装置则具有重要意义，关键问题是要解决补偿装置晶闸管和二极管的耐压，即多个晶闸管元件串联及均压、触发控制和同步性等。（4）由单一的无功功率补偿到具有滤波以及谐波的功能。随着电力电子技术的发展和电力电子产品的推广应用，供电系统或负荷中含有大量谐波。研制开发兼有无功补偿与电力滤波器双重优点的晶闸管开关滤波器，将成为改善系统功率因数、抑制谐波、稳定系统电压、改善电能质量的有效手段。静止无功补偿器的研究10结论静止无功发生器(SVG)是柔性交流输电系统中的一种重要的控制器。它是近年来新出现的一种基于大功率逆变器的静止无功补偿装置，是电力行业世界前沿科技柔性交流输电系统中的重要组成部分。它将电力电子技术、计算机技木坏口现代控制技术应用于电力系统，通过对装置输出电压相位的控制，对电力系统的网络参数和网络结构实施灵活、快速的控制，从感性到容性的整个范围进行连续的无功调节，达到快速补偿系统对无功功率的需求，从而抑制电压波动并增强系统稳定性。电力系统的快速发展对电网电压的稳定性和系统动态稳定性提出了更高的要求。本文设计的静止无功补偿器采用了先进的数字信号处理器 DSP 作为控制核心。充分利用 DSP 强大的数字信号处理功能，育瓣及时完成采样、控制、实时计算等任务。DSP 在 SVG 的控制过程中表现出巨大的潜能，为以后越来越复杂的控制策略和方法提供了一种解决平台。其主电路及其辅助电路，并且应用能够有效抑制谐波的 SPWM 法进行控制，进一步改善了输出电压波形质量。我个人认为，静止无功发生器这项新技术在我国具有广阔的应用前景。我国大多数电网的结构比较薄弱，结构不甚合理，耐受事故冲击的能力比较差，高压输电线路的输送能力远未发挥出来。从系统运行方面讲，系统稳定性指标也不高。由于 SVG 技术具有与现行系统完全兼容的优点，可以对现有设备不做重大改动的条件下，充分发挥现有电网的潜力，以渐进的方式改变电力系统的面貌，这点适合我国发展资金比较紧张的状况。因此有必要尽快研究和掌握这一崭新的技术。目前国内其他 FACTS 装置的发展也为掌握SVG 的技术奠定了一定的基础，随着国内电力电子制造技术的快