基于矢量控制的无功动态补偿系统的设计毕业设计说明书.doc

安徽理工大学毕业设计本科毕业设计说明书基于矢量控制的无功动态补偿系统的设计DYNAMIC VAR COMPENSATION SYSTEM DESIGN BASED ON VECTOR CONTROL学院（部）：电气与信息工程学院专业班级： 电气07-6 学生姓名： 陈练练 指导教师： 孙全才讲师 2011年6月6日24基于矢量控制的无功动态补偿系统的设计摘要 无功补偿不仅可以为用户节约用电、稳定电压，而且能够降低输电损耗和减少供电设备的容量。虽然无功补偿技术发展至今，但在动态无功补偿方面仍存在一些问题有待解决。本文首先分析了当前正在使用中的各种动态无功补偿装置的现状，并在此基础上提出了采用静止无功补偿发生器(SVG)为核心的动态无功补偿装置。 数字信号处理器TMS320LF2407具有控制精度高，运行速度快和可靠性高等特点，十分适合于电能质量动态补偿装置的控制。本文主要讨论了静止无功补偿发生器(SVG)的原理，并在理论分析的基础上，提出了基于矢量控制的SVG实验装置研究方案。重点探讨了无功动态补偿装置的结构、控制方法，并以DSP芯片TMS320LF2407为主要的核心控制芯片设计了整个控制系统，并使之能够满足我们对实时动态补偿的需求。目前电力系统中负荷功率因数偏低而且谐波污染也比较严重，这些问题都影响着电网的电能质量。针对这种情况，论文中还设计了LC谐波滤波器，并给出了参数计算。关键词：无功动态补偿，静止无功补偿发生器，矢量控制，谐波滤波器，DSPDYNAMIC VAR COMPENSATION SYSTEM DESIGN BASED ON VECTOR CONTROLABSTRACTVar compensation not only for the user to save electricity,stable voltage,but also can reduce transmission losses and reducing the capacity of power supply equipment.Although the development of reactive power compensation so far, but in the Dynamic Var Compensation ,there are still some problems to be resolved. This paper analyzes the current is being used in a variety of dynamic reactive power compensation device status, and based on this proposed generator using Static Var Compensation(SVG) as the core of the Dynamic Var Compensation devices. Digital the signal handler TMS320LF2407 has high precision, high running speed and reliability in high quality electricity, are suitable for the dynamic of the quality control. this paper mainly discusses the work principle of generator Static Var Compensation(SVG), in theory the analysis on the basis of the experiment of device SVG vector control research scheme. The key to the work of the structure and dynamic control method, and with a chip TMS320F240 DSP for the main core of the control of chip design Control system, to meet the demand for compensation for real-time and dynamic. The electricity system of the load power factor is low and that of harmonics pollution is serious relatively, all these problems affect the quality of power grid. Light of this situation, the paper also designed LC harmonic filters, and gives the parameters to calculate.KEYWARDS：dynamic var compensation，generator static var compensator，vector control, harmonic filter,dsp 目录摘要IABSTRACTII1绪论11.1 课题的意义11.2 国内外无功动态的技术概况21.3 本设计所采用的方案42矢量控制相关的基本理论62.1 PWM整流器的基本原理62.2 矢量控制理论83.无功补偿的理论123.1 无功动态补偿系统结构123.2 无功动态补偿策略133.3 无功动态补偿需求量的计算143.3 补偿装置容量的计算164.SVG装置设计184.1 SVG理论分析184.2主电路194.2.1 主电路图194.2.2 整流变压器设计194.2.3 IGBT开关器件的选择204.2.4 滤波电感、电容的选择204.2.5 交流回路断路器选择234.3 IGBT驱动电路的设计234.4 控制电路设计244.4.1 基于DSP处理器的控制图244.4.2 程序模块组成274.4.3 电压、电流检测电路及信号处理电路354.4.4 控制电源395无功补偿容量期望值的计算和设计415.1 动态无功补偿控制器综述415.2 交流电压检测电路425.3 交流电流检测电路425.4 同步检测电路435.5母线总断路器的选择446滤波器的设计456.1 谐波电流的产生及其计算456.2 各次谐波滤波电路参数选择466.3 断路器的选择47总结48参考文献50致谢521绪论1.1 课题的意义自从1831年法拉第发现电磁感应定律以来，电能成为主要的二次能源，至今已有170多年的历史。近年来，随着电力系统中非线性用电设备，特别是电力电子装置的应用日益广泛，而大多数电力电子装置的功率因数偏低，工作时基波电流滞后于电网电压，要消耗大量的无功功率，给电网带来了额外的负担，严重地影响了电网的供电质量，因此提高功率因素已成为电力电子技术和电力系统研究领域所面临的一个重大课题。无功给电力系统带来的影响主要有以下几点：（1）增加设备的容量。无功功率的增加会导致电流的增大和视在功率的增加，从而使发电机、变压器等各种电气设备的容量和导线的容量增加。同时，也使得电力用户的起动及控制设备、测量仪表的规格也要相应的加大。（2）设备及线路的损耗增加。无功功率的增加，使总电流增大，因而使设备及线路的损耗增加，这是显而易见的。（3）使线路和变压器的电压降增大，若是冲击性无功功率负载还会使电压产生剧烈波动，市供电质量严重下降。（4）功率有所降低，设备容量利用少。据有关部门的统计，我国供配电系统由于无功电源不足，使整个电网功率仅达到0.9，如欲达到先进国家0.95的水平，尚需补装大量的无功电源，这一问题解决后每年可以为国家节约大量电能，因此无功功率对供电系统和负载的运行都是十分重要的。在电力系统中，大多数网络元件和负载都要消耗无功功率，显然，如果这些所需的无功功率都要有发电机提供并经过长距离输送是不合理的，通常也是不可能的。合理的方法应该是在需要消耗无功功率的地方产生无功功率，即对无功功率进行补偿。无功补偿的的作用主要有以下几点：提高供电系统及负载的功率因数，降低设备容量，减少功率损耗。稳定受电端及电网的电压，提高供电质量。在长距离输电线路中的合适地点设置动态无功补偿装置，还可以改善输电系统的稳定性，提高输电能力。在电气化铁道等不对称的场合，通过适当的无功补偿可以平衡三相负载。目前，世界各国都将无功补偿电网规划的必不可少的一部分。然而我国与世界发达国家相比，无论从电网功率因数还是补偿深度来看，都有较大差距。目前，日本、美国等发达国家补偿度达到了0.5以上，干网功率因数接近1.0，而我国的补偿度仅为0.45，因此在我国大力推广无功补偿技术尤为迫切。无功补偿就其补偿方式来说分为高压补偿和低压补偿。高压补偿通常就是在变电所高压侧进行，仅能补偿补偿点前端的无功功率，对补偿后的输电线路和负载的无功功率起不到补偿作用。低压补偿可直接补偿输电线路和负载的无功功率，补偿效果最为理想。但在低压补偿时，负载具有分散大，数量多的特点，这就要求无功补偿装置成本低，操作方便，易于维护和安装，而且必须能进行无功补偿。目前，电力网中的负荷大部分是感性负荷，因此在电网中安装并联电容器可以供给感性电抗消耗部分无功功率。并联电容器补偿简单经济，灵活方便。但是如今的电力系统的用户存在着大量无功功率频繁变化的设备，如轧钢机、电弧炉、电气化铁路等，这就要求补偿装置能够根据负荷的变化进行动态补偿。而并联电容器只能补偿固定无功，容易造成过补或欠补，无法满足电力系统的实际需要，还有可能和系统发生谐振，导致谐波放大。因此，采用对电容器分组，利用微机进行控制，根据负荷无功功率的变化，对电容器进行自动投切，以实现对无功功率动态补偿的装置，目前在国内外得到广泛的应用。目前世界各国都在进行智能电网的研究和建设，美国、日本先后都提出了各自的智能电网计划，而且新加坡已经建立了具有自己特色的智能电网，我国国家电网公司也提出了建设坚强的智能电网的计划，并已经进行了许多实践。而解决目前电网尤其是低压城网和农网有功功率损耗大、压降大的问题作为其中重要的一环，就摆在了我们的面前。采用高性能的无功功率补偿装置无疑是最切实可行的方法，就地补偿负载的感性无功功率，减少无功功率在线路上的传输，降低输配电设备上的有功功率损耗和电压降落，提高系统的输配电能力。由此可见，本课题研究的动态无功补偿装置具有非常广阔的应用前景和巨大的市场潜力。1.2 国内外无功动态的技术概况传统的无功功率补偿装置主要为同步调相机和并联电容器。同步调相机虽然能进行动态补偿，但它属于旋转设备，运行中的损耗和噪声都比较大，由于价格问题，目前依旧在现场使用，但在技术上已显落后。并联电容器补偿简单经济，灵活方便，有取代同步调相机的趋势，但只能补偿固定无功，还可能与系统发生并联谐振，导致谐波放大。但是综合各种原因，目前，传统的无功功率补偿方式在我国仍是主要的无功补偿方式。随着现在电力电子技术在电气传动领域的广泛应用，相控技术、脉宽调制技术被引入到电力系统，与传统电力系统技术相结合，产生了近年来出现的新技术柔性交流输电系统，其本质就是将高压大功率的电力电子技术应用于电力系统中，以增强对电力系统的控制能力，提高原有电力系统的输电能力。FACTS的多个类型都具有谐波抑制和无功补偿能力。静止无功补偿器是它的一个类型，静止无功补偿技术是20世纪70年代以后发展起来的，是指用不同的静止开关投切电容器或电抗器，使其具有发出和吸收无功电流的能力，用于提高系统的功率因数和稳定系统的电压等。目前这种开关主要是交流接触器和电力电子开关。但用接触器来投切会出现巨大的冲击涌流，而且闭合时触头颤动导致电弧烧毁严重，现在静止无功补偿器一般专指使用晶闸管的无功补偿设备。晶闸管投切电容器（TSC）和晶闸管控制电抗器(TCR)是其典型代表。TSC补偿器可以很好的补偿系统所需的无功功率，如果级数分的够细，基本上可以实现无级调速，瑞典某钢厂的两台100t电弧炉安装60Mvar的TSC后，有效地使130KV的电网电压保持在15%的波动范围。TCR是用来吸收系统的无功功率的。瑞士勃朗.鲍威利公司已经此种补偿器用于高压输电系统的无功补偿。此为，SVC还包括TSC+TCR混合型的补偿器，我国平顶山到武汉凤凰山500KV变电站引用进口的无功补偿设备就是TSC+TCR型。目前国内外对SVC的研究集中在控制策略上，模糊控制、人工神经网络和专家系统等控制手段也被引入SVC控制策略，使SVC系统的性能更加提高。静止无功发生器（SVG）又称静止同步补偿器，是FACTS的新一代装置，是采用可关断晶闸管构成的自换向变流器，通过电源逆变技术提供超前和滞后的无功。SVG可以分为电压型和电流型两种类型，直流侧分别采用电容和电感作为储能元件。实际上，由于运行效率的原因，迄今投入使用的SVG大都采用电压型桥式电路，其结构简单、能量损耗小而且易于控制，因此SVG通常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。SVG的基本原理就是将自换相桥式电路通过电抗器或者是直接并联导电网上。适当的调节桥式电路交流侧输出电压的幅值和相位，或者自己控制其交流侧就可以使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流以实现动态无功补偿。典型电压型SVG的工作原理：以二极管构成的整流桥从交流系统吸收少量的有功功率。对直流电容C充电，保持电压的稳定。控制器根据电网无功变化情况，通过六个全控型开关器件构成的三相逆变器向系统输入感性或者容性无功。随着电力电子技术的进一步发展，特别是1976年L.G yugyi等人提出利用变流器进行无功补偿的理论以及80年代以来高功率大电流全控器件的发展而逐步出现的进行动态无功补偿的静止补偿器。1979年日本三菱公司和关西电力推出世界上第一台采用晶闸管强迫换流的20Mvar的强迫自换向的桥式SVG装置并网运行，随着电力电子器件的发展，尤其是高压功率门极可关断晶闸管GTO等自关断器件开始达到可用于SVG中的电压和电流，并成为SVG的自换相桥式电路中的主力，才极大的推出了SVG的开发和利用。美国电力研究院与田纳西电力局、西屋电气公司合作，在TVA电力系统的SuIIiVan500KV变电站建造7100Mvar的SVG，并于1996年10月投运至今，运行情况良好。1993年东京电力分别于东芝公司和日立公司开发的两台50Mvar的SVG在东京所属新信浓变电所投入使用。1997年德国西门子公司将开发研制的8MvarSVG安装在丹麦的农场，对风力发电机组进行动态控制。美国电力研究院和西屋公司及美国EPRI合作研制出到目前为止容量最大的FACTS设备，由共享直流侧电压的并联和串联两个基于大功率GTO的电压型逆变器组成，容量各位160MVA，整个容量为320MVA。在我国，90年代以前还没有较全面的研究成果，只是一些以清华大学为代表的科研机构通过研究，做出了一些实际的工程，获得了一定的实际经验，并在理论上有了一定的发展。1995年，清华大学和河南省电力局共同研制出我国首台作为工业试验装置的300kvar的SVG,1999年清华大学和河南省电力局共同研制出具有工业应用水平的采用GTO的20Mvar SVG在河南洛阳的朝阳变电站并网成功，并于2000年6月通过鉴定，这是国内首台投入应用的大容量柔性交流输电装置。该装置不仅能够调节无功和电压，还可以提高输电稳定性和输送能力。东北电力集团和电力科学研究院等单位合作，在500千伏超高压输电线路可控串联补偿的研究领域也取得了阶段性的成果。表1-1 各种无功动态补偿装置简要对比表装置项目同步调相机（SC）饱和电抗器（SR）晶闸管控制电抗器(TCR)晶闸管投切电容器（TSC）混合型静止补偿器（TCR+TSC）静止无功发生器（SVG）响应速度慢较快较快较快较快快吸收功率连续连续连续分级连续连续控制简单不控较简单较简单较简单复杂谐波电流无大大无大小分相调节有限不可可以有限可以可以损耗大较大中小小小噪声大大小小小小目前国内外对于SVG的建模、控制模结构设计和不对称控制等做了很多研究，但是至今仍有很多理论和实际应用的问题有待解决。又由于其控制复杂，所用的全控型器件价格昂贵，所以目前还没有普及，尤其在我国，大功率电力电子器件目前基本依赖进口，成本太高，根据我国国情，此类装置的实用化尚需相当长的一段时间。而低压无功补偿中要求装置体积小、重量轻、结构简单、易于安装和维护，因此TSC和TCR装置非常适合于在无功就地补偿领域推广。但SVG具有调节速度更快且不需大容量的电容、电感等储能元件，谐波含量小，以及同容量占地面积小等诸多优点，鉴于此，其优越性能必将使其成为未来无功补偿设备的重要发展方向。1.3 本设计所采用的方案电力系统的负荷大多是感性的，会消耗无功电力，使得负载电流相位滞后于电压，相角差越大，无功电力需求越大，要供给固定的有功功率，势必提高电流而增加线路损耗。同时，电力网络中的用电设备消耗的无功功率也必须从网络中的某个地方获得，显然，这些无功功率如果都要由发动机提供并经过长距离输送是不合理的，通常也是不可能的。合理的方法应该是在需要无功功率的地方产生无功功率。因此在配电系统里几乎都是使用电容器来补偿负载所需的无功功率，以改善功率因数。根据资料显示，自20世纪80年代以来，国内外已发表了大量关于静止无功补偿发生器的研究报告，并从不同方面对应用静止无功发生器进行补偿的技术已日趋成熟。大功率门极可关断晶闸管（IGBT）的出现使得电子开关逆变器的可控无功电源得到发展并进入实质阶段。SVG的应用范围要比SVC大得多，这是SVG的一大优点。此外，对于那些以补偿输电为目的的SVG来讲，如果直流侧采用较大的储能电容，或者其他的直流电源，则SVG还可以在必要短的时间向电网提供一定量的无功功率。这对于电力系统是非常有益的，而又是传统的SVC装置望尘莫及的。至于电网中的谐波问题，在SVG中可以用桥式变流电路的多重化技术，以消除较低的谐波使高次谐波减小到可以接受的地步。由于SVG采用的都是大容量的全控型器件，价格比SVC的普通晶闸管要高得多，但随着电力电子技术的发展，GTO和IGBT的普遍使用，必将使SVG总共成本下降。当SVG采用无功电流反馈控制时，其响应速度也非常快，而且采用SVG作为动态无功补偿装置比SVC更加优越，而先进的控制技术以及高性能的微处理器（DSP）的出现，使得一些先进的控制策略应用于SVG装置成为可能。鉴于此，本设计将以矢量控制技术为基础，采用SVG作为动态无功补偿装置，运用高性能的微处理器DSP（TMS320LF2407）作为控制芯片，并将结合控制电源、交流电压电流检测电路、直流电压检测电路、同步检测电路以及驱动电路等电路，从而实现对矿井提升机的动态无功补偿。此外，本设计还采用了LC谐波滤波器来滤除电网的滤波。综上所述，我认为对于SVG系统技术进行研究，研制出一种响应速度快、自身产生的谐波少、控制简单的SVG无功补偿装置具有非常广阔的经济和社会价值。2矢量控制相关的基本理论2.1 PWM整流器的基本原理三相PWM整流器的主电路如图2-1所示。在电源电压为正半周时，驱动V3，使其导通，则经交流回路电感器L短路，增加。当V3关断时，L向直流回路释放能量，同时也向直流回路输出能量。输出能量的大小取决于V3导通的时间。此为斩波升压电路。三相桥工作在脉宽调制状态，三相桥的交流侧为被调制的三相交流电压upa 、upb、 upc。其基波分量与电网侧的电压同频率。在调节upa 、upb、 upc的基波分量的幅值和相位时，可调节交流侧电流的幅值和相位。图21 三相PWM整流器主电路交流侧a相等效电路如图2-2所示。回路电势平衡方程 （2-1）式中： a相交流电源电压；ia a相交流电流；L a相回路总电感，含进线滤波器电感、电源漏感；R 交流回路总电阻；upa a相调制电压。图22 交流侧a相等效电路相量表达式为： （2-2）在调节 的幅值和相位时，改变的幅值和相位，可得到以下四种典型的相量图，每种相量图对应于一种典型的应用。(a) ia与ea同相 (b) ia与ea反向(c) ia超前ea 90 (d) ia滞后ea 90图23 调节upa时的ea与ia相量图a)整流状态：相量图的图2-3(a),比滞后，与同相，功率因数角为。此时，是理想的整流状态，将三相交流电源变成直流电源。b)逆变状态：相量图的图2-3(b), 比超前，与反相，功率因数角为。此时，是理想的逆变状态，将直流电源变成交流电，回馈电网。c)容性负载：相量图的图2-3(c), 比滞后，比超前，整流器为纯容性负载。可用作无功动态补偿。d)感性负载：相量图如图2-3(d)所示, 比超前，比滞后，整流器为纯感性负载。可用作无功动态补偿。2.2 矢量控制理论对于PWM整流器的控制，主要是控制调制电压up。对于up的控制方法有两种，一是交流幅相控制，另一种是矢量控制。前者是通过对交流回路计算得到up的大小和相位，后者是通过旋转坐标系中计算up的两个分量upd 、upq。这两个分量是直流量，经坐标变换后变成三相交流量。前者的技术性能不如后者。下面仅介绍基于矢量控制技术的PWM整流器理论。借助于三相对称交流电源的空间电压矢量概念，由三相交流电压ea、eb、ec合成以同步速旋转的空间电压矢量E。就是交流电源的角速度2f。在以速度旋转的直角坐标系dq中，定义d轴与E轴重合。d轴相对于发电机a相绕组轴线的夹角为。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。矢量图如图2-4所示。图2-4 E、up、I矢量图根据坐标变换原理，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： (2-3)式中：与轴之间的夹角，。同理，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upd、upq之间的关系为： (2-4)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：(2-5)由式(2-3)式(2-5)求出ea、upa、ia，然后代入式(2-1)，可得到：(2-6) (2-7)式(2-6)、式(2-7)表示在旋转坐标系中调制电压upd 、upq与交流电源的电压空间矢量的幅值Ed 、电流有功分量与无功分量之间的关系。电流开环、电压闭环控制系统根据式(2-6)、式(2-7)可建立直流电压ud闭环、电流开环的PWM整流器的系统控制结构如图2-5所示。图2-5 电压闭环、电流开环的PWM整流器系统控制结构若作为整流器使用，希望直流输出电压ud稳定，因此采用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交流电流有功分量id*。无功分量期望值iq*取决于期望的功率因数角*。若*=0，iq*=0，由式(2-6)、式(2-7)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。电压闭环、电流闭环控制系统电压闭环、电流闭环控制的整流器结构如图2-6所示。id、iq检测环节的原理是通过检测三相交流电流ia、ib、ic，经3/2变换，旋转变换得到id、iq。3/2变换矩阵见式(2-8)(2-8)旋转变换矩阵见(2-9)(2-9)ACDR调节器是调节id的，采用PI调节器，调节器的输出量upd1*。ACQR调节器是调节iq的，亦采用PI调节器，调节器的输出量是upq1*。为提高系统的跟随性能和抗扰性能，增加前馈控制环节。Ed、Liq、Lid为前馈控制量。图2-6 电压闭环、电流闭环控制系统结构电压闭环、电流开环控制系统的优点是不要检测交流电流、系统结构简单、存在的缺点是电流有功分量id、无功分量iq的响应比较慢，影响整流器的动态抗扰性能。采用电流闭环系统可克服上述缺点。的物理概念及检测在矢量运算中，需要用到交流电压空间矢量E相对于a相绕组轴线的空间位置角。根据电压空间矢量的概念，就是交流电源的相位角。由式(2-3)可得：因为， ,(2-10)式中， 三相交流电源合成的电压空间矢量幅值； a相电源、电压幅值。由式(2-4)可得：(2-11)式中， 三相调制电压合成的电压空间矢量的幅值。显然，upa比滞后，这与幅相控制理论是吻合的。当采用式(2-4)计算三相调制电压的期望值时，的起算点应是a相电源电压的峰值处，据此，设计的检测电路如图2-7所示。UG的正跳为的起始点。经软件锁相后，定时给出角的值。图2-7 检测电路及波形分析Ed的物理概念及计算在矢量运算中，需用到电压空间矢量的幅E及E在d轴上的分量Ed。由于d轴与矢量E重合，Ed=E，Eq=0。由式(2-12)可得：(2-12)3.无功补偿的理论3.1 无功动态补偿系统结构图 3-1 无功动态补偿系统结构图整个无功动态补偿系统的结构图如图3-1所示，主要可以分为3个部分：SVG静止无功发生器主电路控制部分、无功补偿控制器部分以及LC滤波部分。1）LC滤波部分：由于电力系统的负荷大部分是感性负荷,且电力系统的用户存在着大量无功功率频繁变化的设备，如轧钢机、电弧炉、电气化铁路等，导致电网产生大量的无功功率，并出现严重的电网谐波污染。因为本课题是三相负载，所以主要对5、7、11、13次的谐波进行抑制，由于这5、7、11、13次的谐波所占的能量对整个谐波来说，已经占据了绝大多数，因此应该采取措施对这几种高次谐波进行抑制。通过LC谐波滤波器不仅可以滤除大部分的谐波，而且还可以对电网的无功功率进行补偿，能够达到总补偿无功功率的40%。2）无功补偿控制器部分：补偿控制器的作用是根据电压检测、电流检测电路以及同步电路，由一系列运算得出电力系统的瞬时有功功率P和瞬时无功功率Q，再由期望的功率因数，求出应有的无功功率。现有的瞬时无功功率Q为负载无功与滤波器已补偿的容性无功合成。以为给定，而实际无功为反馈信号，构成闭环调节系统,调节器采用PI调节器，输出量为无功发生器SVG的无功电流期，可实现无静差调节。3）SVG静止无功发生器主电路控制部分：SVG静止无功发生器承担着总无功补偿容量的60%。通过对变压器低压侧的电压、电流的检测和对SVG直流侧电容C两端电压的检测，并通过同步检测电路，将测得的数据送到DSP的AD接口,在DSP内经过一系列的计算，送入到PWM脉冲发生器，由此产生合适的6脉冲，由IGBT驱动电路进入到静止无功发生器（SVG）,而SVG则根据进入的脉冲产生合适的无功功率，从而对系统进行动态的无功补偿。总之，当负载电路中感性无功过大的时候，则谐波滤波器中会产生容性无功对其补偿。如果谐波滤波器的容性无功小于感性负载产生的感性无功时，则SVG通过检测电路回馈的信号，会产生容性无功进行补偿；如果谐波滤波器的容性无功大于感性负载产生的感性无功时，则SVG通过检测电路回馈的信号，产生感性无功进行补偿，以保证感性无功和容性无功二者的平衡。3.2 无功动态补偿策略在三相对称电路中，各项电压、电流均为对称，功率因数也相同。三相电路总的功率因数就等于各相的功率因数。在三相电路中，影响功率因数的因素除电流和电压的相位差、波形畸变外，还有一个因就是三项不对称。三项不对称电路的功率因数至今没有统一的定义，有一种定义方式： (3-1)式（3-1）中，各相的S为其电流与各相到人为中点电压的乘积。可以看出即使三相都是电阻负载，只要三相不对称，功率因数仍小于1。传统的无功功率概念是定义在平均基础上的。在单相正弦电路或三相对称正弦电路中，功率理论比较完善，各种概念很清晰。作为无功动态补偿的方式之一，平均补偿方式正是基于这种理论而进行的，根据平均的P、Q期望的平均功率因数，确定，保证在一个提升周期中的平均功率因数达到期望值。而另一种补偿方式为瞬时动态补偿，根据瞬时无功功率Q，有功功率P，期望功率因数0.96，确定瞬时的无功的瞬时期望，以保证瞬时的cos=0.96，本文采用的是第一种平均补偿方式。3.3 无功动态补偿需求量的计算本设计的主要任务是对矿井提升机进行动态无功补偿，其中整个系统的=1250KW,负载的整流变压器=1600KVA，另外速度与转矩的关系如图3-2，根据有功功率的计算公式： （3-2）式（2-2）中的V为提升机的速度，为提升机的转矩，而P为有功功率。已知=1250KW，整流变压器=1600KVA，则根据已经给出的图3-2可有如下计算：1）有功功率：在提升机的加速阶段： =10KW =1.3=1.3=1625KW 其中为加速阶段刚开始时的有功功率，则是加速阶段结束时的有功功率，而是等速段时的提升机的速度。在等速段中： =0.9=0.9=1125KW是等速段中的有功功率。在减速段中： =0.2=225KW =0.20.04=0.08=9KW其中为减速段刚开始时的有功功率，则是减速段结束时的有功功率，而是减速段时的转矩，为减速段刚开始时的速度，是爬行段的速度。在爬行段中： =0.9=0.90.04=40KW是爬行段中的有功功率。根据以上各段的有功功率，可得出整个过程的有功功率：图 3-2 提升机的速度、转矩示意图2）无功功率：加速段： =1.3=1.3=2080KVAR =1.3=1.30.5=1040KVAR为加速阶段刚开始时的无功功率, 则是加速阶段结束时的无功功率。等速段：=0.9=0.90.5=720KVAR是等速段中的无功功率。减速段： =0.2=160KVAR=0.2=320KVAR 为减速段刚开始时的无功功率，则是减速段结束时的无功功率 。 爬行段： =0.9=1440KVAR是爬行段中的无功功率。所以整个过程中的无功功率：3.3 补偿装置容量的计算在进行无功补偿前，需要对系统所需要补偿的无功容量进行计算，以找出最佳的补偿容量，这样才能使得设备的成本较低并且利用率较高，做到经济性与技术性的统一。由已知：由此可得到，即平均功率因数为0.69。又已知补偿后的功率因数应该为，所以因为系统的视在功率,且,则有：补偿后的补偿装置的总容量应该为：=485.6KVA 为了保证无功补偿的安全和彻底，选择一定的溢量，取总共需要补偿的总容量为600KVAR。这其中，SVG所补偿的容量占60%，即为360KVAR，而谐波滤波器也会补偿一定的无功，占40%，即为240KVAR。4.SVG装置设计4.1 SVG理论分析简单地说，SVG的基本原理就是将自换相桥式电路通过电抗器或者直接并联在电网上，适当的调节桥式电路交流侧输出电压的相位和幅值，或者直接控制其交流侧电流，就可以使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流，实现动态无功补偿的目的。众所周知，在单相电路中，与基波无功功率有关的能量是在电源和负载之间来回往返的，但是在三相平衡电路中，不论负载的功率因数如何，三相瞬时的功率是一定的，在如何时刻都等于三相总的有功功率。因此总的看来，在三相电源和负载之间没有无功来回往返。所以，能用某种方法将三相各部分总的统一起来处理，则因为总的看来三相电路电源和负载之间没有无功来回往返，在总的负载侧就无需设置无功储能元件。三相桥式逆变电路就具有这种将三相各部分总的统一起来处理的特点。因此理论上讲，SVG的桥式变流电路的直流侧可以不设储能元件。实际上，考虑到交流电路吸收的电流不止含有基波，其谐波的存在也会造成总体看来有少许无功能量在电源与SVG之间往返；所以，为了维持桥式变流电路的正常工作，其直流侧仍需要一定大小的电感或电容作为储能元件，但所需储能元件的容量远比SVG所能提供的无功能量要小。而对SVG装置，其所需储能元件的容量至少要等于其所能提供的无功功率的容量，因此，SVG中储能元件的体积和成本比同容量的SVC大大减小。严格来讲，SVG分为采用电压型桥式电路和电压型桥式电路两种类型，直流侧分别采用的是用电容和电感这两种不同的储能元件。电压型桥式电路，还需再串联上连接电抗器才能并入电网；电压型桥式电路，还需在交流侧并联上吸收相产生的过电压的电抗器；实际上，由于运行效率的原因，迄今投入使用的SVG大都采用电压型桥式电路，因此SVG往往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。SVG正常工作时就是通过电力半导体开关的通断将直流侧电压转换成交流侧与电网同频率的输出电压，就像一个电压型逆变器，只不过其交流侧输出接的不是无源负载，而是电网。因此，当经考虑基波频率时，SVG可以等效的视为幅值和相位均可以控制的一个与电网同频率的交流电压源。它通过交流电抗器连接到电网上。SVG接入电网的连接电抗器作用是滤除电流中可能出现的较高次谐波，另外起到将SVG和电网这两个交流电压源连接起来的作用，因此所需的电感值并不大，也远小于补偿容量相同的TCR和SVC装置所需的电感量。如使用降压变压器将SVC连入电网，则还可以利用降压变压器的漏抗，所需的连接电抗器将进一步减小。由此，在基于矢量控制原理的SVG装置和LC谐波滤波器的共同作用下，还便可以确保感性无功和容性无功二者的平衡。此外，如果将电流跟踪型PWM技术应用于SVG，则可以实现对SVG电流的瞬时控制，其动态性能将更加优越。4.2主电路4.2.1 主电路图SVG的主电路图如图3-1所示，SVG正常工作时就是通过电力半导体开关的通断将直流侧电压转换成交流侧与电网同频率的输出电压，就像一个电压型逆变器，只不过其交流侧输出接的不是无源负载，而是电网。因此，当经考虑基波频率时，SVG可以等效的视为幅值和相位均可以控制的一个与电网同频率的交流电压源。在预充电时，由于直流侧电容C的容量很大，阻抗较小，直流侧在充电瞬间相当于短路，产生很大的短路电流，为了限制瞬间短路电流，本设计采用了在交流电源侧串联限流电阻的方案。图 4-1 SVG主电路图4.2.2 整流变压器设计因为市场上所能买到的IGBT的耐压一般不会超过2000V,而系统火线上的电压值为10KV，如果直接与其连接，会烧坏IGBT器件，因此必须经过变压器变压之后，再与SVG连接，所以，必须进行变压器的设计。本论文设计的是对矿井提升机房进行无功动态补偿的，而在矿上的大多数低压设备都是660V的，考虑变压器的容量问题，因为SVG所补偿的容量为360KVAR,再根据以往的惯例和经验，因此本论文中的变压器选择的是ABB集团生产的 -M-400/10(D, )，其高压侧与低压侧的电压比为10KV/660V。已知变压器容量为360KVAR，一次侧电压为10KV，二次侧电压为660V，可得出一次侧的电流:二次侧的电流：4.2.3 IGBT开关器件的选择（1）电压的确定：电压峰值： 开关器件的额定电压应达到器件实际承受电压的1.6-2倍，取安全溢量为1.8，则开关器件所承受的电压为： （2）电流的确定：已知二次侧的电流为314.9A，则开关器件的额定电流I应为峰值电流的两倍，则： 因此，应选择电压为1700V,电流为890A的IGBT功率器件经过查找，本文选择的是富士公司生产的1MBI1200UC-170。4.2.4 滤波电感、电容的选择1.电感的选择1）电感的压降不能太大，以减小损耗。由，又因则有： (4-1)式中： -整流器输出功率；-交流电源相电压有效值；。2）交流侧电流畸变率THD要小根据电流畸变率 可得： （4-2）式中：-谐波电流的最大值；-调制系数，；-交流侧额定电流有效值；-系数，取1.23；-整流器输出电压；-开关器件的开关频率。 其中，直流输出电压不仅要满足负载对电压的要求，而且要能控制流过电感L中的电流为需要波形，这就必须对采取一定的限制。从电源控制方面考虑，过低，不能完成控制L中电流的任务；过高，会提高器件的耐压定额，增加系统成本，同时降低系统的可靠性。根据SPWM规律：要保证整流器输入端线电压不含有与PWM开关频率无关的低次谐波，直流电压必须不小于交流侧线电压基波的最大峰值：由 （4-3）当m=0.9时，即直流侧电压必须大于1.93倍的交流侧电压，这样才能保证整个电路的安全。如果不能满足上述要求，则输入端电压波形出现畸变，因此电源电流也开始畸变，并且产生相移，从电网吸收无功功率。 本设计中，取直流电压为1000V，满足直流侧电压必须大于1.93倍的交流侧电压的要求。所以， 3）满足瞬态电流跟踪：(4-4)式中：-相电流的峰值。因此，选择电感值为1mH,额定电流为450A的电感。 2直流侧电容的设计 根据三相瞬时无功功率的理论，理想情况下三相电路总的瞬时功率为各瞬时有功功率之和，而总的瞬时无功功率之和为零，这表明各相瞬时无功功率总是在三相之间交换，在三相电源和负载之间无无功能量的来回往返，因此，对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Ud保持恒定。因策从原理上讲，SVG直流侧不需储能元件。测试直流侧只需很小的电容量用于保持功率器件的正常工作即可。 但实际电流中含有谐波成分， 谐波有功考电容提供，流入电容有脉冲电流，引起电压脉动。在额定容量下，流入直流侧电流峰值与SVG输出的电流峰值相等。作为逆变器的直流电容容量越大越好，输出电压越稳定，谐波含量越小。但现实中没有无限大的电容。而且电容器的容量与输出电压大小有关。通过查找资料，直流侧的电容容值主要取决于直流电压的脉动大小，根据工程设计的经验有如下计算公式： (4-5)式中： -为逆变器的额定输出电流方均根值； -为直流电压的平均值； - 为逆变器的最低输出功率；-为允许直流电压频率低峰值纹波因数；-为负载位移因数角有关系数；本文根据工程上直接选取电容的经验，直接选取的容量为1000uF的电容。4.2.5 交流回路断路器选择高压断路器是系统中最重要的开关设备，它既可以在正常情况下接通或断开电路，又可在系统故障情况下自动断开电路。在断开电路时会在断口处产生电弧，因此断路器都设有专门的灭弧装置。鉴于此，因此它的选择对系统来说是相当重要的。断路器的种类很多，按灭弧介质可分油断路器（少油和多油）、压缩空气断路器、六氟化硫断路器、真空断路器等；按安装成所分户内和户外。本文中考虑到系统电压为10KV，以及电流为20.8A，经过查询，选择的断路器型号为：DW-10II/30型户外高压多油断路器。4.3 IGBT驱动电路的设计新型功率开关器件IGBT由于兼有功率三极管和场效应管的优点，即通流能力强且开关频率高，通断速度快，输入阻抗大，饱和压降低等，因而在电力电子技术中获得越来越广泛的应用。驱动电路是主电路与控制器之间的纽带，采用一个性能良好的驱动电路，可使IGBT工作