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新型静止无功发生嚣控制器的研究 新型静止无功发生器控制器的研究 摘要 利用静止无功补偿装置实现动态无功功率补偿的研究是目前电力电子学科中比 较活跃的研究领域之一。本文对新型静止无功发生器( a s v g ) 进行了较为深入的分析 和研究。提出基于i g b t 的a s v g 控制器的研制方案。本课题来源于青岛市重点攻关 项目新型静止无功发生器的研制。 论文首先比较了现有的无功补偿装置，分析了a s v g 的优越性能。根据a s v g 的 动态补偿原理。论文讨论了其补偿性能。其次，论文还介绍了瞬时无功功率理论及 其在无功控制和无功检测方面的应用。另外，论文总结了电流间接控制和电流直接 控制这两种控制方法，分析了各自的优缺点。研究探讨了一种以配电系统无功功率 补偿为主要目标的a s v g 的新的控制策略。 针对配电系统无功功率补偿用静止补偿器a s v g 的特点，本文设计了一种以定点 数字信号处理器( d s p ) t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 为主控制器芯片的新型静止无功发生器控制 器，克服了传统单片机计算速度慢，精度低的缺陷。同时，为实现装置应有的功能， 本文设计了较为完整的控制电路及其外围设备的硬件电路包括采样电路、信号调理 电路及通讯电路。此外，本文详细介绍了控制器软件设计方案。 最后，通过仿真讨论了a s v g 的工作过程，验证理论分析和控制策略的正确性。 关键词：无功补偿；a s v b ；i g b t ： s v p w m 新型静止无功发生器控制器的研究 s t u d yo fa d v a n c e ds t a t fcv a rg e n e r a t o rc o n t r oiie l a b s t r a c t a tp r e s e n t ，t h er e s e a r c ho nc o m p e n s a t i n gr e a c t i r ep o w e ru s i n gs t a t i c c o m p e n s a t i o nd e v i c ei s o n eo ft h em o s ta c t i v ea r e a si np o w e re l e c t r o n i c s s u b j e c t i nt h i st h e s i s ，a d v a n c e ds t a t i cv a rg e n e r a t o r ( a s v g ) i ss t u d i e da n d a n a l y z e dd e e p l y t h ep a p e rp r o p o s e sd e s i g no f a na d v a n c e ds t a t i cv a r g e n e r a t o r ( a s v g ) c o n t r o ll e t t h ep r o j e c ti sf u n d e d b yq i n g d a op o w e r i n d u s t r y c o f i r s t l y ，t h ee x i s t i n gc o m p e n s a t i o nd e v i c e sa r ec o m p a r e da n dt h es u p e r i o r p e r f o r m a n c eo fa s v gi sa n a l y z e d i nt h i st h e s i s ，t h ec o m p e n s a t i o np e r f o r m a n c e o fa s v gi ss t u d i e da c c o r d i n gt od y n a m i cc o m p e n s a t i o nt h e o r y s e c o n d l y ，t h e i n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e rt h e o r ya n di t sa p p l i c a t i o nt or e a c t i v ep o w e r c o n t r o la n dd e t e c t i o na r ei n t r o d u c e d i na d d i t i o n ，s e v e r a lt y p i c a lc o n t r o l m e t h o d sa r es u m m a r i z e da n dt h e i ra d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e sa r ea n a l y z e d i nc o n s i d e r a t i o no ft h ec h a r a c t e ro f a s v gf o r t h er e a c t i v ep o w e r c o m p e n s a ti o ni np o w e rd i s t r i b u ti o ns y s t e m ，t h ep a p e rd e s i g n san e wa d v a n c e d s t a t i cv a rg e n e r a t o r ( a s v g ) c o n t r o l l e r t h ec o n t r o l l e ra d o p t st m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a a sm a i np r o c e s s o ra si tc a nc o m p u t ea n dm e a s u r em o r eq u i c k l ya n da c c u r a t e l y t h a nt r a d i t i o n a lm c u m e a n w h i l e ，i no r d e rt or e a l i z e s y s t e m sr e q u i r e d f u n c t i o n ，t h e p a p e rd e s i g n sa n dr e a l i z e s c o m p a r a t i r e l yi n t e g r a t e m i c r o c o m p u t e rc o n t r o l l e dc i r c u i ta n d i t sp e r i p h e r a l sc i r c u i t ，i n c l u d i n g s a m p l i n gc i r c u i t ，p r o t e c t i n gc i r c u i ta n dc o m m u n i c a t i n gc i r c u i t i na d d i t i o n ， t h ep a p e rg i v e st h ec o n t r o l l i n gs o f t w a r es t r u c t u r ef l o wc h a r t a tl a s t ，t h es i m u l a t i o nt oa s v gs y s t e mi sp r o c e s s e da n d t h er e s u l to f s i m u l a t i o np r o v e dt h ec o r r e c t n e s so ft h em a t h e m a t i cm o d e l a n d c o n t r 0 1 s t r a t e g y k e yw o r d s ： v a rc o m p e n s a t i o n ； a s v g ；i g b t ： s v p w m 瓤型静止无功发生器控制嚣的研究 1 绪论 1 ，1 课题的背景和意义 1 1 。1 无功功率的产生 在电网中由于大量感性负载的存在，使线路电压与线路电流在相位上存在一 个角度差，这样就引出了无功功率的概念。无功功率是一个反映电源与负荷间的 能量交换的物理量，它的大小表明了电源与负荷问能量交换的幅度，本身并不消 耗能量。同时，无功功率在系统中的流动对电力系统本身也产生了很大的影响。 在工业和生活用电负载中，感性负载占有很大比例。异步电动机、变压器、 荧光灯等都是典型的感性负载。异步电动机和变压器所消耗的无功功率在电力系 统所提供的无功功率中占很大的比例。电力系统中的电抗器和架空线等也消耗 些无功功率。感性负载必须吸收无功功率才能正常工作，这是由其本身的性质所 决定的。 近年来，电力系统中非线性用电设各，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功率因数较低( 如：相控整流器等) ，工作时基波电流滞后 于电网电压，要消耗大量的无功功率，也给电网带来额外负担，并影响供电质量。 因此提高功率因数已成为电力电子技术和电力系统研究领域所面艋的一个重大 课题，正在受到越来越多的关注。 1 1 2 无功功率的影晌 ( 1 ) 增加设备容量。无功功率的增加会导致电流增大和视在功率增加，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。 ( 2 ) 设备及线路损耗增加。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，使供电质量严重降低。 ( 4 ) 功率因数降低，设备容量利用少。 1 1 3 无功补偿的作用 无功补偿是维持现代电力系统的稳定与经济运行所必需的，它对供电系统和 负荷的运行都是十分重要的。电力系统网络中不仅大多数负载要消耗无功功率， 瓤型静止无功发生器控制器的研究 大多数网络组件也要消耗无功功率。网络组件和负载所需要的无功功率必须从网 络中某个地方获得。显然，这些无功功率由发电机提供并经过长距离传送是不合 理的，通常也是不可能的。因此，合理的方法应当是在需要消耗无功功率的地方 产生无功功率，即进行合理的无功补偿。 无功补偿的作用主要有以下几点： ( 1 ) 提高供用电系统及负载的功率因数，降低设各容量，减少功率损耗。 ( 2 ) 稳定受电端及电网的电压，提高供电质量。在长距离输电线中合适的地 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。 ( 3 ) 在一些三相负载不平衡的情况下，通过适当的无功补偿可以平衡三相的 有功功率及无功负荷。由于无功补偿具有上述重要的作用，因此对于无功补偿技 术进行研究具有相当重要的实际意义。 1 2 无功补偿装置的发展 解决电力电子装置产生的低功率因数问题不外乎两种途径：一种是对电力电 子装置本身进行改进，使其不产生谐波也不消耗无功功率，或根据需要对其功率 因数进行调节；另一种是装设无功补偿装置，如无功功率补偿器等，设法对无功 进行补偿。前一种方法需要对现有电力电子设备进行大规模更新，代价较大，并 且只适用于作为主要谐波源的电力电子装置，因此有一定的局限性。而后一种方 法则适用于各种谐波源和低功率因数设备，并且方法简单，己得到广泛应用。 目前，采用较为广泛的无功补偿方式主要有以下几种： 1 同步调相机 同步调相机是早期无功补偿装置的典型代表。同步调相机不仅能补偿固定的 无功功率，而且对变化的无功功率也能进行动态补偿。在过励磁运行时。它向系 统供给感性无功功率，提高系统电压：在欠励磁运行时，从系统吸收感性无功功 率，降低系统电压。至今在无功补偿领域中这种装置还在使用，但其运行维护比 较复杂，且总体上说这种补偿手段已显落后。 2 ，并联电容器 设置无功补偿电容器是补偿无功功率的传统方法之一，目前在国内外得到广 泛应用。这种方法有集中补偿、分散补偿、就地补偿三种方式。设置并联电容器 补偿无功功率具有结构简单、经济方便等优点。但由于电容器供给的无功功率与 节点电压成正比，当节点电压下降时，供给无功反而减少，其无功功率调节性能 较差。但其维护比较方便，装设容量可大可小，即可集中使用、又可分散装设。 在国内，补偿无功用的最多的办法是并联电容器， 3 静止无功补偿器( s t a t i cv a rc o m p e n s a t o r ，s v c ) 新型静止无功发生器控制器的研究 静止无功补偿装置( s t a ti cc o m p e n s a t o r ) 或称s v c ，是相对于调相机而言 的一种利用电容器和各种类型的电抗器进行无功补偿( 可提供可变动的容性或感 性无功) 的装置，简称静补装置或静止补偿器。1 9 6 7 年，第一台静补装置在英国 研制成功以后，受到世界各国的广泛重视，西德、美国、日本、瑞典、比利时、 苏联等国竟先研制、大力推广，使得静止补偿装置比调相机具有更大的竞争力， 广泛用于电力、铁道、科研等部门，成为补偿无功、电压调整、提高功率因数、 限制系统过电压、改善运行条件的有效设备。 随着柔性交流输电( f a c t s ”1 ) 概念的提出，特别是电力电子技术得到长足发 展以后，静止无功补偿装置( s v c ) 有了很好的发展。在工业界，静止无功补偿装 置通常是专指使用品闸管的静止无功补偿装置，它包括晶闸管投切电容器 ( t h y r i s t o rs w i t c h e dc a p a c i t o r ) 和晶闸管控制电抗器( t h y r i s t o rc o n t r o l l e d r e a c t o r ) 以及两者的混合装置( t s c + t c r ) 等装置。下面主要介绍一下t c r 和 t s c 的基本原理。 ( 1 ) 晶闸管控制电抗器( t c r ) 静止无功补偿装置。 t c r 的电路原理图如图l - l 所示。晶闸管触发延迟角口的有效延迟范围为 9 0 。1 8 0 。连续调节，电抗器的电流从额定到0 连续可变。a ：9 0 。时，晶闸管完全 导通，导通角j = 1 8 0 。，此时电抗器吸收的无功电流最大。根据触发角与补偿器 等效导纳之间关系式n ，： bl = b w “碴- s i n 6 ) i 芤积b 。= 、f xl 可知增大触发角即可增大补偿器的等效导纳，这样就会减小补偿电流的基波 分量，所以通过改变触发延迟角的大小，就可以调节补偿装置所吸收的无功分量， 达到调整无功功率的效果。 由于单独的t c r 只能吸收无功功率，而不能产生无功功率，因此往往与并联 电容器配合使用。根据投切电容器元件的不同，又可分为t c r 与固定电容器配合 使用的静止无功补偿器( t c r + f c 型s v c ) ，t c r 与断路器投切电容器配合使用的 静止无功补偿器( t c r + m s c 型s v c ) ，t c r 与晶闸管投切电容器配合使用的静止 无功补偿器( t c r + t s c 型s v c ) 。这种具有t c r 型的补偿器反应速度快，灵活性 大，目前在输电系统和工业企业中应用最为广泛。但频繁投切是其不可忽视的缺 点。 ( 2 ) 晶闸管投切电容器( t s c ) 静止无功补偿装置 为了解决t c r 与电容器组的频繁投切问题，t s c 装置应运而生。其单相电路 原理图如图卜2 所示。 新型静止无功发生器控g 器鹊研究 图卜1t c r 的电路原理图 图卜2t s c 单相电路原理图 其中的两个反并联晶闸管只是起将电容器并入电网或从电网断开的作用，而 串联的小电感只是用来抑制电容器投入电网时可能造成冲击电流的。在工程实际 中，一般将电容器分为几组，每组都可由晶闸管投切。这样可根据电网的需求投 切，t s c 实际上是断续可调的吸收容性无功功率的动态无功补偿器。 t s c 的关键问题是投切电容器时刻的选取，经过多年分析和实验研究，其 最佳投切时刻是电源电压与电容器预充电电压相等的时刻“1 。此时投切电容器， 电路冲击电流为零。这种补偿装置为保证更好投切电容器，必须对电容器预先充 宅。充电结束后，再投入电容器。 与t c r 相比，t s c 虽不能连续调节无功功率，但具有运行时不产生谐波而且 损耗小的优点。因此，t s c 在电力系统中获得了较广泛的应用，面且有许多是与 t c r 配合使用构成t c r + t s c 混合型补偿器。瑞典某钢厂两台l o o t 电弧炉，装有 6 0 m v a r 的t s c 后。有效的使1 3 0 k v 的电网电压保持在15 的波动范围内”1 4 新型静止无功发生器( a d v a n c e ds t a t i cv a rg e n e r a t o r ，a s v g ) 使用晶闸管对电抗器进行实时控制和投切，构成晶闸管控制电抗器( t c r ) 和 晶闸管投切电容器( t s c ) ，可以根据电网中无功功率的状况进行补偿。但在实际 应用中，s v c 离不开具有时滞特性的大容量器件，不能做到瞬时无功控制。 随着大功率全控性晶闸管g t o 和i g b t 的出现，特别是相控技术、脉宽调制 技术( p w m ) ，四象限变流技术的提出使得电力电子逆变技术得到快速发展，一种 以此为基础的更为先进的无功补偿装置一新型静止无功发生器a s v g 出现了。其 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，适当地调 节桥式电路交流侧输出电压的相位和幅值，就可以使该电路吸收或者发出满足要 求的无功电流，实现动态补偿的目的。 1 3a s v g 的国内外发展现状 国际上，日本关西电力公司与三菱电机公司共同研制并于1 9 8 0 年1 月投运 了世界上首台a s v g 的样机，它采用了晶闸管强制换相的电压型逆变器，容量为 2 0 m v a r 4 1 。 1 9 8 6 年1 0 月，由美国国家电力研究院( e p r i ) 和西屋公司研制的 4 新型静止无功发生器控弗# 器曲研究 图卜1t c i t 的电路原理图国1 - 2t s c 单相电路原理图 其中的两个反并联晶闸管只是起将电容器并入电网或从电网断开的作用，而 串联的小电感只是用来抑制电容器投入电网时可能造成冲击电流的。在工程实际 中，一般将电容器分为几组，每组都可由晶闸管投切。这样可报据电网的需求投 切，t s c 实际上是断续可调的吸收容性无功功率的动态无功补偿祜。 t s c 的关键问题是投切电容器时刻的选取，经过多年分析和实验研究，其 最佳投切时刻是电源电压与电容器预充电电压相等的时刻”1 。此时投切电容器， 电路冲击电流为零。这种补偿装置为保证更好投切电容器，必须对电容器预先充 电，充电结束后，再投入电容器。 与t c r 相比，t s c 虽不能连续调节无功功率，但具有运行时不产生谐波而且 损耗小的优点。因此，t s c 在电力系统中获得了较广泛的应用，而且有许多是与 t c r 配合使用构成t c r + t s c 混合型补偿器。瑞典某钢厂两台l o o f 电弧炉，装有 6 0 m v a r 的t s c 后。有效的使1 3 0 k y 的电网电压保持在i5 9 的波动范围内”1 4 新型静止无功发生器( a d v a n c e ds t a t i av a rg e n e r a t o r ，a s v g ) 使用晶闸管对电抗器进行实时控制和投切，构成晶闸管控制电抗器( t c i | i ) 和 晶闸管投切电容器( t s c ) ，可以根据电阿中无功功率的状况进行补偿。但在实际 应用中，s v c 离不开具有时滞特性的大容量器件，不能做到瞬时无功控制。 随着大功率垒控性晶闸管g t o 和i g b 的出现，特别是相控技术、脉宽调制 技术( p w m ) ，四象限变流技术的提出使得电力电子逆变技术得到快速发展，一种 以此为基础的更为先进的无功补偿装置新型静止无功发生器a s v g 现了。其 基本原理就是将自换相桥式电路通过电抗器或者宦接并联在电网上，适当地调 节桥式电路交流侧输出电压的相位和幅值，就可以使该电路吸收或者发出满足要 求的无功电流，实现动态补偿的目的。 13a s v o 的国内外发展现状 国际上，日本关西电力公司与三菱电机公司共同研制并于1 9 8 0 年1 月投运 了世界上首台a s v g 的样机，它采用了晶闸管强制换相的电压型逆变器，容量为 2 0 t 4 v a r 。1 。 1 9 8 6 年1 0 月，出美国国家电力研究院( e e r i ) 和西屋公司研制的 2 0 m v a r 。1 。 1 9 8 6 年1 0 月，由美国国家电力研究院( e p r i ) 和两屋公刮研制的 新型静止无功发生器控制器的研究 1 m v a r 的a s v g 装置投入运行，这是世界上首台采用大功率g t o 作为逆变器元件 的静止补偿器。之后，日本关西电力公司与三菱电机公司又采用g t o 研制了 8 0 m v a r 的a s v g 装置，于1 9 9 1 年在犬山变电站投运。美国e p r i 与田纳西电力 局( t e n n e s s e ev a l l e ya u t h o r i t y ，缩写为t v a ) 、西屋电气公司合作，在t v a 电力系统的s u l l i v a r l5 0 0 k v 变电站建造了l o o m v a r 的a s v g 装置，于1 9 9 6 年 l o 月投运”3 。1 9 9 3 年3 月东京电力分别与东芝公司和日立公司开发的2 台 5 0 m v a r 的a s v g 装置在东京所属新信浓变电所投入使用。1 9 9 7 年，德国西门子公 司将开发研制的8 m v a r 的a s v g 装置安装在丹麦的r e j s b yh e d e 风场。 在我国，这一领域的研究刚刚起步，华北电力学院曾研制出强迫换相的可 控硅元件无功发生器实验装置，东北电力学院研制了g t o 器件的a s v g 实验装置。 在1 9 9 5 年，清华大学和河南电力局共同研制出了我国第一台h s v g ，容量为 3 0 0 k v a r ，开辟了我国研制a s v g 补偿设备的先河。1 。在2 0 0 0 年，清华大学和河 南电力局又成功研制出一台2 0 m v a r 的a s v g ，并投入电网运行”3 。 1 3 1 变流器模块 由于a s v 6 的工作原理是建立在电压型交流器基础之上的，其基本构成单元 一变流器模块通常采用单相桥二电平变流器，三相桥二电平变流器和三相桥三 电平变流器三种形式。从整体上来看，三种基本模块的器件利用率相同，所以单 纯从器件利用率的角度，或者说从同容量装置所需的器件最小数量的角度而言， 三弛结构是大体楣目的。 采用单相桥变流器模块的明显优点是便于进行分相控制，这对于a s v g 在系 统电压不对称运行时，特别是不对称故障时的控制是个重要的优点。但若a s v c 的设置是为解决三相对称条件下的电压稳定问题，则采用三相系统较之单相系统 更为经济。此时由于变压器三铁心柱间存在强的磁联系，故本身即具有较强的耐 受不对称的能力，所以采用三铁心柱变压器的三相变流器( 包括三电平与二电平) 成为目前国际上的流行趋势。 二电平电压型三相桥变流器输出线电压的脉宽为固定的1 2 0 ”，即不能如单相 桥或三电平桥那样通过调节脉宽的方法来改变调制比，而只能采用斩波来调节， 在开关频率低的情况下，这将导致输出电压谐波含量急剧增大并明显降低变流器 的直流电压利用率。上述事实成为在大功率a s v g 中采用二电平三相桥变流器的 致命弱点，因此采用三相桥三电平成为国际流行的趋势。 三电平逆变器作为种特殊的串联形式，由于其输出端口电压可在 ( 一u c ，o ，u c ) 三个电平中间变化，从而在方波工况下其脓宽可以如单相桥一样调 节，并且作为中点箝位式的逆变器，其串联的每个开关器件始终工作在1 2 的直 流中间电压，从而既利用串联方式提高了装置容量又避免了常规器件串联对所迢 新型静止无功发生嚣控制器的研究 到的器件选配和动静态均压问题。较之两电平三相桥它还具有更低的谐波含量。 三电平逆变器这些优点使得它在柔性交流输电系统( f a c t s ) 的各个领域得到越来 越广泛的应用，在5 0 0 k v a r 的a s v g 中亦有应用“。从理论上看，可以通过不断 增加电平次数来使输出电压阶梯增多，从而达到增加装置容量和抑制谐波的双重 目的。但在实际应用中每增加一个电平即意味着每个臂要增加一对箝位二极管从 而使电路变的复杂，且多电平逆变器的正常工作需维持各部分直流电容上电压相 等，这导致控制上的困难，因此虽然近年来对其讨论的文章很多“，但真正达到 实用水平的多电平逆变器仅是三电平逆变器。 1 3 。2 新的电力电子器件和控制技术在a s v g 中的应用 目前，国内外研制的a s v g 装置大都是基于g t o 器件二电平装置，虽然g t o 耐 压高、容量大，但需专门的缓冲电路，且损耗大。随着大功率i g b t 向g t o 方面的 发展技术的进步，创造了新的集成门极换向型晶闸管( i g c t ) 。i g c t 采用硬驱动 技术，它将门极驱动电路、g t o 芯片和反并联二极管集成为一体，结合了晶闸管 的低通态损耗和晶体管均匀关断能力2 种优点，具有开关频率高、损耗小、无需 关断吸收电路、可用于串联等优点。同时，i g c t 还有成本低、复杂程度低以及 高效率的优势。基于该器件的第一台l o o m v a ra s v g 装置已成功投入商业运行多 年“”。如今，在中高压大容量电力电子应用中，i g c t 正逐步取代g t o “。尽管如 此，i g b t 由于采用简单的电压驱动门极，且开关速度快，截止电压已达到3 k v ， 因而在中等功率变流器中仍得到广泛应用。但i g b t 也有一些问题，例如工作电 压低、容量小、导通压降和损耗高，这也限制了它的应用。目前在i g b t 基础上 发展而成的新一代大功率器件一电子注入增强门极晶体管( i e g t ) 已进入实用阶 段。 e g t 是一种集g t o 和i g b t 的优点于一身的新型器件，它具有导通压降低、 工作频率高、电压型门极驱动、安全工作区宽、易于串联使用等优点。这些良好 的性能使之很适用与a s v g 等太容量、工作频率高的电力电子装置。有理由相信， 在未来的柔性交流输电系统中，它会得到广泛的应用“。 另外，随着微机控制技术的发展，用微机进行实时检测和控制，跟踪负荷无功 功率的变化实现准确、快速的动态无功补偿技术的优越性日益突出。然而，基于 可编程控制器p l c 设计或基于单片机设计的a s 装置的控制器运算速度较慢， 很难满足复杂控制算法的要求及具有快速的响应速度，而采用先进的、功能强大 的数字信号处理器设计的数字化控制器可解决这一难题“”，目前，以采用先进 的、功能强大的数字信号处理器d s p 为控制器核心的a s v g 已成为世界各先进工业 国家和国内科研机构普遍重视的科研课题“”。 6 新型静止无功发生器控制器的研究 1 4 本文研究的主要内容 无功补偿是维持电网电压稳定，维护电力系统安全运行的重要手段。无功补 偿技术是当前研究的热点之一。无功补偿技术主要包括无功电流检测方法、无功 的补偿控制技术等主要内容。本文主要研究三相瞬时无功功率理论在电力系统无 功补偿中的应用，主要包括以下内容： 1 介绍了本论文的选题背景，通过对几种无功孙偿装置的比较说明了本论文 研究的必要性。 2 在分析a s v g 的工作原理的基础上，对a s v g 进行数学建模。 3 。提出了l o o k v a ra s v g 设计方案，对方案中系统主电路参数进行了设计。 4 采用t i 公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 设计了a s v g 的数字化控制硬件平台。详绍介 绍了系统的设计思路。 5 将空间电压矢量调制方式( s v p i i m , i ) 应用到无功功率补偿系统中，对电网电 压平衡时的工作情况，用直接电流控制的方法中的d q 轴下瞬时电流控制 方法进行了仿真，通过仿真对系统参数进行优化。 新型静止无功发生器控制器的研究 2a s v g 的基础理论 2 1 无功功率理论 2 1 1 无功功率和功率因数的定义 1 - 正弦电路无功功率和功率因数 在正弦电路中，负载是线性的，电路中的电压和电流都是正弦波。设电压和 电流可分别表示为： “：-usin甜(2-1) j = 西s i n 一力= 西c o s 妒s i n 耐一扫s j l l 妒c o s 耐= i p + i q ( 2 2 ) 式中舻一电流滞后电压的相角。 电流i 分解为和电压同相位的分量i ，和比电压滞后9 0 0 的分量i 。电路的有功功 率p 就是其平均功率，即： p 。去p 4 “耐白) 5 去譬。+ “i q ) d ( a g ) = 寺f 5 似c o s 妒一u 1 c o s 妒c o s 2 耐矽妇) 一去譬似s i n 妒s i n “p 缸) = 们c o s 伊( 2 3 ) 二t二f 电路的无功功率定义为： q = u ls i n o ( 2 - 4 ) 工程上，把电压电流有效值的乘积作为电气设备功率设计极限，这个值也就 是电气设备最大可利用容量，称为视在功率： s = u ( 2 - 5 ) 有功功率和视在功率的比值为功率因数： z ：一p ( 2 6 ) j 2 非正弦电路无功功率和功率因数 在含有谐波的非正弦电路中，有功功率、视在功率和功率因数的定义和正弦 电路相同。我们可以对其进行非正弦周期函数经傅立叶分解，有功功率p 为： | p = 去譬u i d ( o t ) = 。c 。s 钆( 2 - 7 ) 视在功率s 为： 测i = 厨鼯 ( 2 - 8 ) 其中，u 。，为第1 1 次谐波电压、电流有效值，q 为第n 次谐波电压与电流相角 差，( n = l ，2 ，3 ) 。 含有谐波的非正弦电路中的无功功率的情况非常复杂，至今没有被广泛接 新型静止无功发生器控制器的研究 受。可以定义无功功率： g = 4 s 2 一p 2 ( 2 - 9 ) 这里，无功功率。只是反映了能量的流动和交换，并不反映能量在负载中的消耗。 在这一点上，它和正弦电路中无功功率最基本的物理意义是完全一致的。因此这 一定义被广泛接受。但是，这一定义对无功功率的描述是很粗糙的。它没有区别 基波电压电流之间产生的无功功率、同频率谐波电压电流产生的无功功率，以及 不同频率谐波电压和电流之间产生的无功功率。也就是说，这一定义，对于谐波 源和无功功率的辨识，对于理解谐波和无功功率的流动，都缺乏明确的指导意义。 仿照式( 2 4 ) 也可这样定义无功功率： q ，= u 。，。s i n 纯 ( 2 一t o ) 这里q ，是由同频率电压电流正弦波分量之间产生的。q ，已没有度量电源和负载 之间能量交换幅度的物理意义了。 2 ，1 2 瞬时无功功率理论和无功电流的检测 在a s v g 系统中，负载的无功电流检测和a s v g 出口处反馈电流的计算都是以 瞬时无功功率理论为基础的，在此对此理论进行简要介绍。 三相电路瞬时无功功率理论自8 0 年代提出以来，在许多方面得到了成功应 用。该理论突破了传统的以平均值为基础的功率定义，系统地定义了瞬时无功功 率、瞬时有功功率等瞬时功率量。以该理论为基础，可以得出用于有源电力滤波 器的谐波和无功电流实时检测方法。 设三相电路各相电压和电流的瞬时值分别为巳、巳和、“、，分别 经过。一口变换，可得到： 式中c ：= 痧i ： 一1 21 21 西 2 一如f 2 ( 2 1 1 ) ( 2 - 1 2 ) 1，j0、l，lj 屯氐巳 0 “ rj_iji【r、j，【 n c c | 一一 1、fj o 吩 ；。0 新型静止无功发生器控制器的研究 晷 乃， 图2 - 1a 一口坐标系中的电压、电流矢量 在图2 - 1 所示的a 一卢平面上，矢量，e 口和，i p 可以分别合成旋转电压矢量e 和i p = e 。+ e 口= e l 妒。 ( 2 - 1 3 ) i = + f j = e z 吼 ( 2 - 1 4 ) 式中“i 为矢量e 、i 的模；仍，许分别为矢量e 、i 的幅角。 瞬时电流定义： 三相电路瞬时有功电流f ，为：i ，= c o s ( 2 - 1 5 ) 三相电路瞬时无功电流为：i q = i s i n p ( 2 1 6 ) 其中妒= 仗一仍 瞬时功率定义： 三相电路瞬时无功功率q 和瞬时有功功率p 为： 豳= 幢 = e ( ：习= e 伫老：豸妇= e ：妻之 忙麓 = j 羔r = 引 ( 2 - 1 7 所以，q = e p i 。一e 。b ( 2 1 8 ) 利用瞬时无功功率理论，我们在检测瞬时无功电流时有两种检测方式，即p 、 q 运算方式和f 。、运算方式，由于p 、g 运算方式要采集电网的电压和电流，且 受电网电压畸变和三相不平衡的影响，而、l 运算方式以标准的正弦信号代替 电压信号，通过线性查表插值法，可以快速准确地得到不同角度所对应的理想的 正弦和余弦值。 根据以上分析，我们在进行负载无功电流检测和a s v g 出口处无功电流反馈 的计算都是采用o 运算方式此中方法减小了采集电网电压的硬件资源，只有 角度检测准确，可比较准确的检测出系统的无功电流，并且受电网电压畸变的影 响相对较小。 堑型壁垒蒌堡垄兰壁笙! ! 壁塑堕壅一 2 2 新型静止无功发生器( a s v g ) 原理分析 2 2 1 电压型a s v g 主电路及工作原理 简单的说，a s v o 的基本原理就是将自换相桥式电路通过电阻和电抗器( 包括 变压器的漏抗与电路中其它电抗) 或直接并联在电网上，根据输入系统的控制指 令，适当地调节桥式o g n - 交流侧输出电压的幅值和相位，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系统所要求的无功电流，实现动态无功 补偿的目的。 在平衡的三相电路中，不论负荷的功率因数如何，三相瞬时功率的和是一定 的，在任何时刻都是等于三相总的有功功率。因此总的来看，在三相电路的电源 和负载之间没有无功能量的来回往返，各相的无功能量是在三辐之问来回往返 的。所以，如果能用某种方法将三相各部分无功能量统一起来处理，使三相电路 电源和负载问没有无功能量的传递，在总的负载侧就无需设置无功储能元件，三 相桥式交流电路实际上就具有这种将三相总的无功能量统一处理的特点。实际 上，考虑到变流电路吸收的电流并不只含基波，其谐波的存在也多少会造成总体 来看有少许无功能量在电源与a s v g 之闻往返，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a s v g 所能提供的无功容量要小。 a s v g 的主电路分为电压型桥式电路和电流型桥式电路两种类型，直流侧分 别采用的是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，电感的作用是滤除装置投入时产生的谐波给电网带来 的过电压；电流型桥式电路，还需在交流侧并联上吸收换相产生的过电压的电容 器。两种电路结构图分别如图2 - 2 和图2 3 所示。 i i l 、【萃 ；! u ! 太 j 一 - j i i uu ! 太 图2 - 2 电压型桥式电路 新型静止无功发生器控制器的研究 a b f i l o s 船b 1r 1r1r 7 。7 。j - 1 j 一上上 ttt 。7 1 r、r、r 。 j。j 一 图2 - 3 电流型桥式电路 图2 2 中，为所串联的连接电抗器，c 为直流电容。电路中的器件可以采 用g t o 、i g b t 或i g c t 等。图2 - 3 中的c 即为吸收过电压的电容器。实际上，迄 今投入实用的a s v g 主电路大都采用电压型桥式电路，因此a s v g 往往专指采用自 换相的电压型桥式电路作为主电路的动态无功补偿装置。对于电压型逆变电路来 说，输出电压是矩形波，含有较多的谐波，对电网和负载都会产生不利的影响。 为了减少谐波，目前所研究设计的a s v g 常常采用多重逆变电路，即把几个矩形 波组合起来，使之输出成为接近正弦波的波形。也可以改变电路结构，构成多电 平逆变电路，它能够输出较多的电平，从而使输出电压向正弦波靠近。 a s v g 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与电 网同频率的交流侧输出电压。a s v g 的工作原理图可以用图2 4 所示。 图2 - 4a s v g 工作原理图 图2 4 中咋为a s v g 的逆变器输出电压有效值，略为系统电压有效值。a s v g 进行无功补偿的原理非常简单，即在理想状态下，首先将与k 同步，然后， 通过控制的幅值，从而控制与咯的电压差，以达到调节装置无功输出的目 的。当 时，a s v g 处与超前运行状态，发出无功功率，起电容器的作用：当 单相等效电路图 电容方式 零无功方式电感方式 ( b ) 相位图 图2 - 5 理想状态下a s v g 的等效电路、相位图 图中以同样为a s v g 的逆变器输出电压有效值，也同样为系统电压有效值。 r 为连接电抗器，为a s v g 从电弼吸收的电流有效值，y s ，y ，分剐表示系统电 压和a s v g 输出电压的相量值，表示吸收电流的相量值。则连接电抗上的电压 即为g ，和v ，的相量差，而连接电抗的电流是可以由其电压来控制的。因此，改 变a s v g 交流侧输出电压y ，的幅值及其相位，就可以改变连接电抗上的电压，从 而控制a s v g 从电网吸收电流的相位和隔值，也就控制了a s v g 吸收无功功率的性 质和大小。 在图2 5 ( a ) 的等效电路中，将连接电抗器视为纯电感，没有考虑其损耗以 及交流器的损耗，因此不必从电网吸收有功能量。在这种情况下只需使vs 和y ， 同相，仅改变矿，的幅值大小即可以控制a s v g 从电网吸收的电流，是超前还是滞 后系统电压9 0 。，并且能控制该电流的大小。 在实际系统中，由于连接电抗器的损耗和变流器本身的损耗( 如管压降、线 性电阻的损耗等) ，现将总的损耗集中作为连接电抗器的电阻考虑，并置于装置 的外部，则装置在实际系统中的单相等效电路图和相量图如图2 6 所示。 ( a ) 单相等效电路图 新型静止无功发生器控制嚣的研究 电容方式 零无功方式电感方式 ( b ) 相位图 图2 - 6 实际情况下a s v g 的等效电路、相位图 在图2 - 6 中，占为系统电压与a s v g 出口电压之间的相位差，尺为连接电抗 器和变流器的总的损耗，比是r 与x 上总的电压降之和，妒为与之间的夹 角。在这种情况下，变流器电压与电流仍相差9 0 0 。而电网电压与电流，的 相差不再是9 0 0 ，而是比9 0 0 小了占角，因此电网提供了有功功率来补充电路中的 损耗，也就是相对于电网电压来讲，电流，有一定的有功分量。改变这个相位差， 并且改变n 的幅值，则产生的电流，的相位和大小也随之改变，a s v g 从电网吸 收的无功功率也就因此得到调节。 若逆变器输出电压滞后于系统电压的角度为正，则当引0 时，a s v g 发出无 功功率，起着电容器的作用：当d o 时，a s v g 吸收无功功率，起着电抗器的作 用；当8 = 0 时，a s v 6 与系统之间没有无功交换。 2 2 2a s v g 数学模型分析 我们根据电压型a s v o 主电路( 图2 2 ) 进行数学建模，并作一下前提条件说明： a ，b ，c 三相电路参数对称； 将a s v g 中的变庄器看作理想变压器，电力半导体开关元件看作理想的开关 元件，将各种损耗( 主要为开关元件开关损耗及变压器损耗) 以及变压器漏抗 用等值参数表示，并置于a s v g 的外部： a s v g 所有损耗用等值串联电阻，表示，变压器的漏抗及连线电感用等值串联 感抗x 表示； 只考虑基波分量及非周期分量，其他谐波分量不予考虑； 逆变器输出电压与直流侧电容电压成正比，为三相正序系统，有效值为n ； 系统为三相基波正序系统，电压有效值为“； 记连接电抗器阻抗角： p ：a r c t a n r ( 2 1 9 ) ， 假设电网电压有效值k 、逆变器输出电压有效值和感抗电压有效值构 1 4 一一型登圭垂堡墨生翌笙! ! 堡塑堡窒 成三角关系，可得如下等式： 急= s i n ( 9 0 勺；南 s i n 占 + 妒)s i n ( 9 0 0 一伊一占j v x ：型 c o s 口 ( 2 2 0 ) ( 2 - 2 1 ) 式中：j 一与相差角度，以以超前咋为正： 系统的输出电流，与电网电压的夹角为9 0 。一占，其有功分量，与系统电压 同相，其无功分量与正交，由此可得： 7 ，2 ，c 。s ( 9 0 0 - g ) 5 了夏；j ? 蓑亍c 。s ( 9 。一j ) ( 2 - 2 2 ) ，。2 ，s l n9 0 0 - g ) 5 了夏；雾s ；n ( 9 。一j ) ( 2 - 2 3 ) 将式( 2 2 1 ) 代入( 2 - 2 2 ) 和( 2 2 3 ) 可得： ，p = 等s i n 2 d ( 2 2 4 ) 月 、。 ，口2 蠢i 2 5 ( 2 - 2 5 ) 交流侧输出电压为： 咋=掣(2-26)cos口 从而可以得出系统在稳态下的有功功率和无功功率可表示m ，为： 肚3 l 岛2 带3 舻d ( 2 2 7 ) q = 3 y s q2 蠢咖2 d ( 2 2 8 ) 可以证明，如果无功功率的符号以吸收超前无功为正，吸收滞后无功为负， 则当v s 滞后于_ ， a s v g 扶电网吸收滞后无功对，其稳态仍满足以上五式，只 是此时石、，。和2 均为负值。并且由( 2 2 6 ) 可以看出，万与逆变器交流侧基波电 压值_ 的大小一一对应，装茕为了弥补