（控制理论与控制工程专业论文）基于igbt的先进静止无功发生器（asvg）的研制.pdf

中南大学硕士学位论文 摘要 摘要 本论文主要讨论了静止无功发生器( a s v g ) 原理，并做了仿真实验进行验证。在 仿真实验基础上，本文提出基于i g b t 的a s v g 实验装置研制方案。本课题来源于湖南 省电力公司重点攻关项目一大功率静止无功发生器的研制。 全论文共分为五章： 第一章介绍了无功电源几种类型，讨论了无功不平衡对电网电压偏差的影响，阐 述了无功动态补偿原理。 第二章介绍了无功补偿常用的几种方法，简述了静止补偿器( t c r ) 的基本原理， 并对并联电容器、调相机、静止补偿器这几种常用的方法做了一下比较。 第三章介绍了a s v g 的基本原理，根据简单a s v g 电路模型得出电流间接控制策略。 在仿真方案中，a s v g 控制器的控制目标是稳定系统电压，并采用了两种控制策略作为 比较。 第四章介绍了基于i g b t 的a s v g 实验装置研制方案，讨论了主电路三电平结构的 特点，并介绍了i p m 电力电子模块和d s p t m s f 2 4 0 控制芯片。 第五章介绍了基于i g b t 的a s v g 实验装置研制方案的硬件和软件实现方案，并详 细介绍了p 啊波的生成过程。 关键词：a s v g 无功补偿 i g b tp 删 主更查兰堡主兰生垦奎 ! ! 三 a b s t r a c t n l i sp a p e rm o d u c e st h ep 血c i p l eo fa s v ga n di t s v a l i d a t i o nbv e r i f i e db y s i m l d a t i o n b a s e d0 nt 1 1 es 洒u l a t i o n ，t l l ep 印e rp r 叩o s e si t sr e a l i z a t i o nm e m o d b yu s m g i g b t i n v e r t e r s t h e p r o j e c t i s 矗m d e d b y h 咖p o w e r i n d 璐仃y c o - n l ep a p e ri st o t a l l yd i v i d e di n t of i v ec h a p t e r s t h ef i r s tc h a 口t e ri n 廿o d u c e s s e v e r a lk 抽d so fv 打s o u r c e sa 1 1 d d l s c u s s e st 1 1 e r e l a t i o n s h j p0 f - i n b a i a n c ea 1 1 dv o l t a g ev 撕a t i o n a n dp r e s e m 山ep r i n c i p l eo f d y n a m i cc o m p e n s a t i o n t h es e c o n dc ha _ p t e tm a i n l yi n 订o d u c e s 也ew a y so fv a rc o r n p e n s a t i o na 1 1 dm a k e 5 a d e t a l i e dc o 唧a r a t i o n 耵1 e 血i r dc h a p t e rm o d u c e s 血c n c i p l eo fa s v g a i l dg e t st 1 1 e _ m d i r e c tc 1 1 丌e n t c o n t r o la c c o r d i n gt on l es i m p l m e dc i r c u i tm o d e lo f a s v g i n 也e s i m u l a t i o nm e 曲o f 也ea s v g c o r l 廿0 1 1 0 ri st os t a b l i z l es y s t e mv o l t a g ea i l dt w om e t h o d sa r ea d o p t e d t o m a k eac o m p a m n o n n l ef o u r t lc h a p t e r m 廿o d u c e s 血ee x p e 血e n to fa s v gu s 堍i g b ti n v e r t e r s i t d i s c u s s e sm ec h a r a c t e r i s t i co ft h r e el e v e lo f m a i l lc i r c u i ta n di n 廿o d u c e si p m a n dd s p n 讧s 3 2 0 f 2 4 0 n l ef i 曲c h a p t e r 曲o d u c e s 妇h a r d w a r e姐ds o 肌a r e r e a l i z a t i o no f0 u r c x d e 血n e md e v i c ea n dg i v e sm o r e d c t a i l so nt l o wt og e n e r a t ep w m k e yw o r d s ： a s v gv h rc o m p e n s a t i o ni g b t p 1 m i i 中南大学硕士学位论文 第一章无功补偿基本原理 第一章无功补偿基本原理 在电力系统中，无功不平衡是造成电压偏差的主要原因。对于补偿方法来说，有许多种。在实 际应用中，无非是解决两类问题：一是负荷补偿：二是输电线路电压保持。对于实现动态无功补偿 来说，静朴装置是很好的实现手段。 第一节电力系统中的无功功率的平衡 一无功负荷 电力系统中的用电设备很多，除像白炽灯和电阻性加热设备外其他用电设备一般都要消耗无 功功率在用电设备中，异步电动机占的比例最大，它所消耗的无功所占比例也最大。 电路线路具有电抗由电源向用电设备输送功率时在线路上要引起无功功率消耗，其数值与传 输的视在功率的平方成正比。 此外，由电源至用电设各要经过变压器多次升压降压每级变压器都要消耗无功功率。 以上三部份构成电力系统中的感性无功负荷“。 二无功电源 1 发电机 同步发电机既是有功功率电源，又是最基本的无功功率电源，它发出的功率是可以调节的。 2 调相机、电容器和静止补偿器 调相机实质上是只能发出无功功率的同步电动机。它在过激运行时向系统供应感性无功功率， 欠激运行时从系统吸取感性无功功率。欠激运行时的容量约为过激运行时的容量的5 0 这些 也就是作为无功功率电源的调相机运行极限“。 并联电容器只能向系统提供感性无功功率。 七十年代开始逐步在生产中采用的静止补偿器曾先后出现过不少形式。工业界把采用晶闸管的 静补装置称为s v c ，而采用新型电力电子器件的如g t 0 ，i g b t 的静补装置称为s v g 。s v c 有许多 类型，如晶闸管控制的电抗器型( t c r ) 如图卜1 所示： t c r 的并联电容器支路既是同步频率下的感性无功功率的电源，又因电容c 与串联的电感 中南大学硕士学位论文第一章无功补偿基本原理 l f 构成谐振回路，兼作高次谐波的滤波器，滤去补偿器产生的5 、7 、1 1 、1 3 等多次谐波电 流。这类支路是不可控的。可控硅控制电抗器从系统吸收感性无功。显然t c r 向系统供应感性 无功容量取决于它的电容器支路从系统吸收感性无功容量取决于它的电抗器支路。 近年来，s v g 静补装置在发达国家开始走向商业化应用阶段。s v g 主要部件是由g t 0 或i g b t 组成三相逆变器装置其输入来自一组储能电容器上的直流电压其输出的三相交流电压与电 力系统电压同步。改变逆变器的输出电压便可以改变静止无功发生器输出无功电压大小与极 性。s v g 原理图如图l 一2 所示1 ”1 ： s t c r 原理图 输电线路 k 粤源变压器逆变器几迎盟器 2 s v g 原理图 c 中南大学硕士学位论文 第一章无功补偿基本原理 这三种无功功率电源中，调相机和静止补偿器可平滑地改变它们所供应或吸取的无功功 率，而电容器则只能成组地投入、切除。调相机的电压调节效应一般有正值，即它所提供的感 性无功随电压端的下降而增加：电容器与调相机相反，容性无功随电压端的下降而下降；静止 补偿器则可根据其端电压的变化迅速改变它的无功功奉。调相机的设置将增大系统中短路时的 短路电流。电容器和静止补偿器则没有这一缺点。调相机的单位容量投资最大，静止补偿器次 之电容器更次之。调相机的有功损耗最大满载时达到额定容量的1 5 3 0 ；静止补偿 器次之，不超过1 ：电容器最小，仅0 3 o 5 。电容器可任意安装，调相机和静止补偿器 则没有这一优点。 三无功功率的平衡 系统中无功功率的平衡关系与有功功率相似，如下式所示“1 q t 一q 一q = 0 ( 1 1 ) 式中，电源供应的无功功率啦由两部分组成：发电机供应的无功功率q 6 和补偿设备供应的无功 功率q ，而补偿设备供应的无功功率又分为调相机供应的4 ，、并联电容器供应的她和静止补偿器 供应的。口三部分。因此可分解为 q - = + q c ：q + q c t + q c 2 + q 。( 卜2 ) 式( 卜1 ) 中。负荷消耗的无功功率q 可按照负荷的功率因数来算。未经改善的负荷的功率因数 虽一般不高，仅达0 6 0 9 ，即负荷消耗无功功率约为其有功功率的o 5 1 3 倍。但因规程对电 力用户的功率因数有一定限制，例如，不得低于o 9 0 等等。系统运行部门可按规定确定负荷消耗 的无功功率q 。 式( i 1 ) 中，无功功率损耗q 包括三部分：变压器中的无功功率损耗。r ，线路电抗中的 无功功率损耗躯。线路电纳中的无功功率损耗霍。而如前所叙，后者属于容性，如将其作感性 无功功率论处。则应具有负值。因此q c 可以分解为 0 e = q r + q 一q ( 1 3 ) 根据以上平衡关系式，可以进行无功平衡计算但要注意的是，进行无功平衡计算前提是系统电 压水平正常如不能在正常电压水平下保i 正无功功率的平衡，系统电压质量不能保证。 3 中南大学硕士学位论文 第一章无功补偿基本原理 第二节无功平衡与电压水平的关系 一电压损耗 电压与无功关系非常密切，在许多情况下无功功率是造成电压损耗的主要因素，下面将分析 这个问题”。 当线路传输功率时，电流将在线路组抗上产生电压损耗。下图( 1 3 ) 的等值电路代表输电 线路，忽略线路分布电容的影响。 卜专七夏 n j x “ 砺 刃 ， | 、：。 、lx r ， ， ( a )( b ) 图1 3 线路等值电路和相量图 ( a ) 等值电路( b ) 相量图 附注：i 为线路相电流：b 、q ：为线路末端功率。 从等值电路量图中可知，输电线路的首端线电压u ，和末端线电压u ；之间存在下列关系 u ，一u ：= d u = i ，( r + j x )( 卜4 ) 式中u 。、u ：相量差d u 称为线路电压降落，实质上它是电流在线路组抗上电压降。取d u 在【，：方向上的投影u 及d ：垂直方向上的投影6 u ，分别为电压降落的纵分量及横分量。从相量 图中可知 u = i i ( r c o s 巾+ x s i n 由)( 1 5 ) 6u = i i ( r c o s m 一) 【s i n 巾) ( 卜6 ) 若电流i 用线路末端的功率s t 和电压u ：表示，即 i ：l( 1 - 7 ) 3 u ， 中南大学硕士学位论文第一章无功补偿基本原理 将公式( 1 7 ) 代入公式( 1 5 ) ，则可得 u ：墨墨鱼茎 6 u ：墨墨= 鱼墨 ，2 ( 1 8 ) ( 1 9 ) 以uz 作为坐标参考轴时 u t = u ：+ u + j6u( 卜1 0 ) u ，= ( u 2 + u ) 2 + ( 占u ) 2 ( 1 1 1 ) 上面介绍的是电压降落的计算，实际上线路的电压损耗更为重要。当u 、u ：间的相角差 比较小时，可以忽略电压降落分量对电压损耗的影响，把电压降落纵分量近似看作电压损耗，即 ”班+ 半 沮埘 从上式( 1 一1 2 ) 可见电压损耗由两部分构成，即 u ：型挈垡 ( 1 - 1 3 ) u ， 一般来说，在超高压网中，囡输电线路的导线截面较大，x r ，所以无功功率如对电压损耗 影响很大，有功功率p ：对电压损耗影响小得多。在变压器等值电路中，一般串联电抗的数值也要 比电阻大得多，无功功率q 也是造成电压损耗的主要因素。 从以上分析可见，在电网线路、变压器上产生的电压损耗与以下因素有关。一方面是与电 网元件的参数有关，因为在电两中各点由于电压损耗不同，所以他们实际的运行电压或电压偏差 是不同的：另一方面电压损耗大小还取决与线路或变压器传输的功率。由于传输功率随着时间是 不断变化的，所以在同一点，不同时间电压损耗也是不同的。 二无功平衡与电压水平 从上一节可知，无功平衡是指在电网运行的每一时刻，所有无功电压源发出的无功功率要等 于所有负荷消耗的无功功率和系统中各环节上无功功率损耗之和。系统中无功功率损耗主要是指 在线路和变压器中的无功损耗。与系统中的有功损耗相比，无功损耗要大得多。这是因为高压线 路、变压器的等值阻抗要比电阻大得多，变压器的励磁无功损耗要比励磁有功损耗多地多。无功 电源发出的无功功率大致一半供给负荷的，而另一半是补偿线路、变压器的无功损耗的。因此电 5 中南大学硕士学位论文第一章无功补偿基本原理 网所需要的无功功率是远远不够的，需要大量的无功补偿装置“1 。 从电能质量角度来说，要想维持系统的电压水平必须有足够的无功电源来满足系统负荷需求 和补偿无功损耗。如果系统无功电源不足，会使系统处于低水平电压的无功功率平衡，印靠电 压降低来负荷吸收无功功率的减少来弥补无功电源的不足。同样。如果电网缺乏调节手段使在一 段时间内无功功率过剩，也会使整个电网电压过高。 我国电网曾在7 0 年代由于缺乏无功功率补偿设备处于低电压运行状态。有些地方想用调节有 载变压器分结头的办法，解决本地电压水平偏低的问题。开始这种办法是有效果，但是是以降低 别处电压为代价的。因此造成整个系统无功更加不平街，使系统低电压现象更严重。后来投入了 大量的并联电容器之后，才解决这个问题。 6 中南大学硕士学位论文第一章无功补偿基本原理 第三节无功补偿实际应用中的问题 要补偿的无功功率可由可控的无功电源提供。这类无功发生器常用于控制输电系统或配电 网中某一点的电压及校正功率因素。实际应用中常会遇到两种类型的问题。第一类问题是负荷补 偿，即在电弧炉，轧机等大型的波动型负荷处要求补偿无功以及平衡电网中的有功。由于这类负 荷一般都集中在厂矿内并且是由同一网络端供电的，因此，可就地补偿处理。另一类型补偿是 在负荷或电源受到扰动时维持输电线路上某一点的电压。这时，负荷不再局限于某一处了，几个 负荷区与发电单位可能由一个输电网络联系在一起，补偿目的一般是用来提高交流电力系统的稳 定性，降低端电压的波动，有时亦用来限制大扰动之后出现的过电压。 一负荷补偿 通常要对大型的干扰性负荷进行补偿，有两个原因： ( 1 ) 交流系统过于弱小，以致不能把端电压保持在允许范围之内 ( 2 ) 由交流系统提供补偿这种方法不太实际和经济负荷补偿目的在于减少单个负荷( 或一组负荷) 对交流系统的干扰，而不想改变端电压的外部调节。下图为负荷补偿系统的一种方式“”： 图i 一4 负荷补偿示意图 二输电线电压保持 输电线路补偿目的是：保持端电压，某些场合也为了平衡端电压。以便增加输电容量及 满足用户对电能质量的要求。因此无功补偿的要求与端电压有关。端电压有零序、正序和负 序分量。由于零序电压在实际系统中一般不存在。因此幸卜偿要求：& 消除负序电压；b 稳定 端点上的正序电压。如果输电网络的阻抗以知，那么满足上述条件的补偿电流分量可由分析 方法确定。实际上，不可能精确知道网络的阻抗，为此补偿要求间接地由闭环控制系统确定“”。 7 中南大学硕士学位论文第一章无功补偿基本原理 第四节无功功率动态补偿原理 对电力系统中的无功功率进行快速的动态补偿。可以实现如下功能“” 1 对动态无功负荷的功率因数进行校正。 2 改善电压调整。 3 提高电力系统的静态和动态稳定性，阻尼功率振荡。 4 降低过电压。 5 减小电压闪烁。 6 阻尼次同步振荡。 7 ，减小电压和电流的不平衡。 下面作一简单介绍： n i z = r + j x u 统电压u g 吼土 羡由 l 负载 u l ( a )( b ) 图1 5 无功动态补偿原理图 ( a ) 单相电路( b ) 动态补偿原理 图1 5 所示系统、负载和补偿器的单相等效电路图。其中。u 为系统电压；r 和x 为系统电 阻和电抗。设负载变化很小，故有u u ，则假定r x 时，反映系统电压与无功功率关系的特性 曲线如图1 5 b 中的实线所示，由于系统电压变化不大，其横坐标也可换为无功电流。可以看出， 该特性曲线是向下倾斜的，即随系统供给的无功功率q 的增加，供电电压下降。实际上，由电力 系统中的分析可知，系统的特性曲线可用下式表示： 8 中南大学硕士学位论文 第一章无功补偿基本原理 u = 乩( 1 一 ( 1 一1 4 ) 式中 砜一无功功率为零时的系统电压： s 一一系统的短路容量 可见，无功功率的变化将引起系统电压成比例地变化。 投入补偿器后，系统供给的无功功率为负载和补偿器无功功率之和即： q = 骁+ q ， ( 卜1 5 ) 因此当负载无功功率q l 发生变化时，如果补偿器的无功功率9 ，总能弥补9 。的变化，从而使q 维持不变，即q = 0 则【，也将为零，供电电压保持恒定。这就是对无功功率实行动态补偿原 理。图l 一5 b 示出了进行动态补偿的无功补偿，并使系统工作点保持在q = 幺= 常数 在工程实际中，为了分析方便，常常把负载也包括在系统之内考虑，总体等效为一个串 联一定内阻的电压源，即将图1 5 ( a ) 中点划框内的部分等效为图l 一6 ( a ) 中点划框内的部分。 如图1 6 ( a ) 所示： i 厂_ 麓 i 系统 l 囱 ! 儆= + 补偿器 吒， k u 七 0 ll ，n 、，n 、 q ( a ) 等效电路 ( b ) 电压一电流特性 图l 一6理想补偿器等效电路及特性 等效后系统电压为等效前未接补偿器的的电压，因为补偿器具有维持电压恒定的作用故可以视 为恒压源，电压值取等效前未接补偿器的的系统电压u 。其电压一电流特性曲线如图l 一6 ( b ) 所示，为一水平直线，由于电流为无功电流，电压又维持一定，因此可以看作电压一无功功率曲 线。图中t 为容性电流：，l 为感性电流；q 为容性无功：q 为感性无功。当图1 5 ( a ) 中未 接补偿器而由于某种原因使连接点处电压变化也就是在图l 一6 ( a ) 中系统电压源电压变化 9 中南大学硕士学位论文第一章无功补偿基本原理 u s 时，接入补偿器后，连接点电压即可以回到正常值。由图l 一6 ( a ) 可得，此时补偿器所吸收 无功功率应为： 已= 等 m 换句话，一台可以吸收无功功率q 的补偿器，可以补偿的系统电压变化为： ：磐 ( 1 - 1 7 ) 。h 陀， 补偿器具有水平的电压一电流性曲线。能维持连接点电压恒定不变，被称为完全补偿器，但 实际中的静补装置通常设计成如图l 一7 所示的倾斜曲线。倾斜方向是电压随吸收的感性电流的增 加而升高。这种倾斜曲线可以兼顾补偿器容量和电压稳定的要求还可以改善并联的补偿器之间 韵电流分配，并有利于稳定要求的无功功率备用。 u ，一一 i ，c o fl r n 、r n 、 图 1 7 实际补偿器特性曲线 电压一电流特性斜率表明，补偿器电压随无功电流的变化而有一定的变化，因此其等效电路 可以看作在恒定电压源基础上还串联了一个等效电抗z ，如图1 一b 所示： ip 墨i u w ， l 丰燃 i 系统； 1 q0 1 2 【，可+ u sl 图1 8 实际补偿器等效电路圈 1 0 中南大学硕士学位论文 第一章无功补偿基本原理 由该等效电路图可得，当未接补偿器时，由于负载无功的变化所引起的连接点的电压变化为 【，s ，也即等效电路中若系统电源电压变化为u s 时则投入补偿器后补偿器所吸收的无功功 率为： g = 糌 m 可见与理想补偿器相比，所吸收的无功功率减小了。而连接点的电压并不像理想补偿器一样 保持不变，而是变化了 叫乱志= - m 另外补偿器特性曲线斜率取决与其控制器的参数，在工程实际中，一般调整为0 5 之间。 l l 中南大学硕士学位论文第二章无功补偿的方法 第二章无功补偿的方法 通过第一章可以知道，单靠发电机发出的无功功率是远远不能满足电网对无功功率的需求的， 必须配备各种无功功率补偿装置。无功补偿装置的分布，首先考虑到调压的要求满足电网电压 质量指标。也要避免无功功率在电网内的长距离传输，减少电网的功率损耗。无功功率补偿原则 是做到无功功率分层分区平衡，并留有足够的事故无功功率储备。下面介绍各种无功功率补偿方 法。 第一节并联电容器与调相机 一并联电容器 并联电容器是电力网中用的最多的一种专用的无功功率补偿设备。它的特点是价格便宜， 易于安装维护。主要用作控制负荷功率因数之用，也可以做为无功功率补偿调节的手段“。 并联电容器补偿无功功率方式有三种： 1 集中补偿电容器组集中装设在企业或地方总降压变电所的6 1 0 k v 母线上，用来提高 整个变电所的功率因数，它可以使该变电所在其功电范围内无功功率基本平衡，可以减少高压线 路上的无功损耗，而且提高本变电所的供电电压的质量。 2 分组补偿将电容器组分别装设在功率因数较低的车间或农村变电所内，也称为分散补 偿。这种方式具有与集中补偿相同的优点仅无功补偿容量和范围相对小些。但是分组补偿效果 比较明显，采用得较为普遍。 3 就地补偿将电容器组装设在异步电动机旁或感性用电设备附近，就地进行无功补偿。这 种方式既能提高负荷的功率因数，又能改善用电质量，对中、小型设备十分适用。 虽然并联电容器有许多优点，但它容量有限而且它的输出无功功率与安装处电压平方成正 比： 馥= 笔 c z 一- ， 式中： 也= 去电容器电抗 中南大学硕士学位论文 第= 章无功补偿的方法 当电压降低时，特别是由于故障而电压降低时，系统需要电压支持。而并联电容器输出无功 功率却急剧下降。 二调相机 调相机实质上是一种不带机械负载的同步电动机调节其励磁，既可以发出无功功率，又 可吸收无功功率它是最早采用的一种无功补偿设备，在并联电容器得到大量采用后，它退到次 居地位。其主要缺点是投资大。运行维护复杂。因此许多国家不再新增同步调相机作为无功补 偿设备。同步调相机的优点是：在系统发生故障引起电压降低时，同步调相机可提供电压支持， 还可在短时间进行强行励磁，对提高电力系统的稳定性有很大好处。在以下场合，同步调相机能 起到良好的作用： ( 1 ) 在接受远方大容量系统电源送电的弱系统中，可以在系统故障时提供电压支持。 ( 2 ) 对于较弱的受端系统，在传送大容量电力的超高压长距离输电线的中途，装设同步 调相机作为并联补偿，提供动态无功支持，提高送电容量和系统的稳定性。 ( 3 )高压直流输电出现后，为了对较弱的受电侧提供足够的短路电流和电压支撑，也需 要在交流受电侧装设足够容量的调相机。 以上说明，同步调相机作为一般无功补偿设备已经过时但在有些情况下，仍然有其特 殊作用。 中南大学硕士学位论文第= 章无功补偿的方法 第二节静止无功补偿器 一静补装置原理( t c r ) 在工业界，静止无功补偿器( s v c ) 专指使用品闸管的静补装置。它包括晶闸管控制电抗器( t c r ) 和晶闸管投切电容器( t s c ) 以及两者混合装置( t c r + t s c ) 等。本文主要介绍t c r 型s v c 。 t c r 的基本原理如图2 1 所示“”： u 图2 1t c r 基本原理图 其单相基本结构就是两个反并联的晶闸管与一个电抗器相连，而三相多采用三角型连接。这样的 电路并联到电网上，就相当于电感负载的交流调压电路结构。触发角a 的有效移相范围为9 0 。 1 8 0 0 ，其位移因数始终为零，也就是说基波电流都是无功电流。n = 9 0 。时，晶闸管完全导通，导 通角6 = 1 8 0 。，与晶闸管串联的电抗相当于直接接到电网上。这时其吸收的基波无功电流和无功 功率最大。当触发延迟角在9 0 。1 8 0 0 之间时，晶闸管为部分区间导通，导通角6 1 8 0 0 。增大触 发延迟角的效果就是减少电流中的基波分量，相当于增大补偿器的等效感抗，或者说减小其等效 电纳。因而减少其吸收的无功功率。 在控制系统的作用下，得到图2 2 所示的t c r 的电压一电流曲线： 可以看出t c r 的电压一电流特性实际上是一种稳态特性特性上的每一点都是t c r 在导通角6 为 某一角度时的等效感抗的伏安特性上的一点。亿r 之所以能从其电压一电流特性上的某一稳态工作 点到另一稳态工作点，都是控制系统不断调节触发角的缘故。显然其特性的斜率和电压轴上的截 距( 也就是无功补偿正常时的工作电压) ，都是由控制系统参数决定。 1 4 中南大学硕士学位论文第= 章无功补偿的方法 补偿器特性 图2 2t c r 电压一电流曲线图 性 单独的t c r 由于只能吸收感性的无功功率因此往往与并联电容器配合使用。如图2 3 所示 t c r 固定电容器可投切电容器 ( f c ) 可兼作 滤波器 l j a ) l _ jb ) l 一c ) l 。，。，一d ) 图2 4与并联电容器配合使用的t c r ( s 可以是机械断路器，也可以是晶闸管开关) a ) t c r 十一组电容器b ) t c r + 两组电容器 c ) t c 黔三组电容器b ) t c r + 四组电容器 1 5 中南大学硕士学位论文第= 章 无功补偿的方法 并联上电容器后，使得总的无功功率为t c r 与并联电容器无功功率抵消后的净无功功率。因而可 以将补偿器的总体无功电流偏置到可吸收容性无功的范围内。另外并联电容器串联上小的调谐 电抗器还可兼作滤波器，以吸收t c r 产生的谐渡电流。 其电压一电流特性如图( 2 3 ) 。从图牛可以看出它既可吸收感性也可吸收容性无功。改变 控制系统的参考电压可以改变特性的截距，因而特性可以在水平段上下移动。作为特性左边界的 斜线。就是晶闸管导通角为零，而仅有固定电容器并联在母线上的电容器的伏安特性：作为特性 右边界的斜线，就是晶闸管完全导通，其串联电抗器直接接在母线上并与并联电容器并联产生 的总等效阻抗的伏安特性而它对应的无功功率是电容器与电抗器无功功率对消后的净无功功率。 u 二 l 多 r i c q il 图 2 3 与并联电容器配合使用的t c r 电压一电流特性曲线 因此当希望补偿器能延伸到容性无功时，需电抗器的容量必须太于电容器的容量。此外当此类型 的补偿器在吸收很小的容性或是感性无功状态时，电抗器和电容器都有很大电流流过，这是此类 补偿器的缺陷。对此类补偿器的改进是把固定电容改为分组投切，那么可以减少电容造成的效应， 但带来的问题是电容器组会频繁的投切减少系统的寿命。 二静补的优点 静补装置有三大优点： 1 根据系统需要实时地进行补偿，能根据需要调节无功大小。 2 它响应快，能频繁投切，投资比调相机少的多。 3 它对稳定中枢点电压消除干扰性负荷的冲击，有极大的作用。 理论和实践证明静补可以提高稳定极限值，而设在系统中部节点上的s v c 有很好的效果，在技术 经济比较中，往往成为首选方案。例如泰国9 0 年代初采用提高增进全国主系统稳定极限方案是p t i 公司选定的s v c 补偿方案。 1 6 中南大学硕士学位论文第二章无功补偿的方法 第三节静止无功发生器 静补装置虽然优点很多，但不能提供更多的短路容量，因此静补装置还有很大的改进余地。 工程界把采用g t o 或i g b t 等电力电子器件的静补装置叫做静止无功发生器，简称s v g ，在欧洲， 多称为a s v g ，又有一种说法是s t a t c 咖，本文简称为a s v g 。 a s v g 是由电力电子元件组成的一个阀阵列，但它的阀阵列不是储能元件，而是以逆变电 压，从一直流励磁电压产生交流无功功率。这个励磁电压就是直流侧电压，产生无功是容性还是 感性就要看输出电压大小和极性而定。a s v g 的结构图如下所示： a b c 图2 5 a s v g 的结构图 现在的s v g 大多构成多重化，即由多组逆变器组成输出近似于正弦波的电压。多重化可 以减少s v g 本身发出的谐波，减轻逆变器的负担，也有采用p 删技术的，可以达到减少谐波的目 的，但由于大容量化的要求，要做到完善的p 删，a s v g 还有些困难。8 0 年代末有的大容量采用 p 唧技术与多重化相结合的方式效果是好的其p 硼的载波频率很低，为1 5 0 h z 另外一种倾向 是无功发生器与有源滤波器相结合，这种有前途的方法，在9 0 年代达到大容量化，达到2 0 m v a 的 水平。 日本和美国在此领域的工程应用走在世界前列。目前日本已做到1 0 0 m 、，a 容量的a s v g ，美国做 到了2 0 0 州a 的a s v g 。在我国，刚开始此类项目的研究。国内某大学已经投用了2 0 m v a 的a s v g 。 其效果有一定，但还需要一定的改进。 中南大学硕士学位论文 第三章 a s v g 原理和仿真结果 第三章a s v g 原理和仿真结果 本章详细介绍了a s v g 工作原理，并从a s v g 的简单电路模型中得出了电流间接控制策略。a s v g 与静止无功补偿器相比具有抗负载干扰能力更强响应速度更快等优点。在仿真实验方案中，a s v 6 补偿器设计的目的是稳定系统电压。仿真实验中作了两套控制方案，进行比较分析。 第一节a s v g 基本原理 简单地说a s v g 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， 适当地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，就可以便该电 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，但是 在三相平衡电路中，不论负载的功率因数如何，三相瞬时的功率和是定的，在任何时刻都等于 三相总的有功功率。因此总的看来，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相之间来回往返。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的电源和负载之间没有无功能量的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总的统一处理的特点。因此理论上讲，a s v g 的 桥式变流电路的直流侧可以不设储能元件。实际上，考虑到变流电路吸收的电流不只含有基波， 其谐波的存在也会造成总体看来有少许无功能量在电源和a s v g 之间往返。所以，为了维持桥式交 流电路的正常工作其直流侧仍需要一定大小的电感或是电容作为储能元件，但所需的元件容量 比a s v g 所提供的无功容量要小。而对传统的s v c 装置，其所需的储能元件容量至少要等于其所提 供的无功功率的容量。因此，a s v g 的储能元件的体积和成本比同容量的s v c 大大减小。 严格来讲a s v g 分为采用电压型桥式电路和电流型桥式电路两种类型。其电路基本结构分别如 图3 1 和图3 2 所示： 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a s v g 大多采用的是电压型桥式电路。因此_ s v g 专指采用 中南大学硕士学位论文 第三章 a s v g 原理和仿真结果 自换相的电压型桥式电路作为动态无功补偿的装置。 a b c a b c 图3 一i 电压型桥式电路 x 图3 2 电流型桥式电路 由于a s v g 正常工作是通过桥式逆变电路输出与电网同频率的交流电压，因此可以将a s v g 看 作是一个受控源u ，t 将交流电网简化为一个电压源【厂s ，它和a s v g 的连接阻抗等效为一个电抗 器电抗器上的电压u 为和u 相量之差，电抗器上的电流可由其电压则其乩控制。其 中南大学硕士学位论文第三章a s v 0 原理和仿真结果 等效电路如图3 3 所示1 。 u 5 图3 3a s v g 等效电路 u j 改变a s v g 的输出电压u ，的幅值及相位就可以改变u ，从而改变，也就是改变了a s v g 吸收无 功的性质和大小。下面具体分析： 当电抗器为纯电感时，即r = 0 ，a s v g 发出无功如图3 4 所示。 容懒 弧 矾 ( b ) 零无功 丝 些二竖! 圈 3 4 无功示意图( 纯电感时) 当考虑到电抗器的损耗和变流器的损耗时，r o a s v g 发出无功如图3 5 所示。 u j - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 4 ， ( a ) 容性功况 ( b ) 零无功 ( c ) 感性功况 图3 5无功示意图( 有损耗时) 由图3 5 可知，u s 和u ，不同相，存在一个角度差j 。由于万的存在使得a s v g 能从系统吸收 中南大学硕士学位论文 第三章a s v g 原理和仿真结果 有功，补偿内部的各种损耗，来维持电容器两端的支撑电压u 一。在动态过程中，占的变化使电容 器两端充放电，电容器两端电压发生变化，逆变器输出电压也要发生变化，从而a s v g 发出无 功大小、性质也要发生变化。因而可以调节j ，从而调节所发出无功的大小及性质。 根据以上对工作原理的分析可以得到a s v g 的电压一电流特性图“，如下图所示： 一 l u - 一一 r 。 ；一1 ；一 1 i 一 ：一 r m o ，m 图3 6 a s v g 电压一电流特性图 同t c r 等传统s v c 装置一样改变控制系统参数，可以使得电压一电流特性上下移动。但可以 看出与图2 3 所示的传统s v c 电压一电流特性不同的是，当电网电压下降，补偿器的电压一电 流特性向下调整时，a s v g 可以调整其变流器交流侧电压的幅值和相位，以使其所能提供的最大无 功电流m 和，c 维持不变。而传统的s v c 装置，由于其能提供的最大电流分别受其并联电抗 器和并联电容器的限制，因而随着电压的降低而减小。因此a s v g 的运行范围比s v c 要大，这是 s v g 另一优点。 此外对于那些以补偿输电为目的的s v c 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( 蓄电池组) 。则a s v g 还可以在必要短的时间向电网提供一定量的有功功率。这对于电 力系统是非常有益的，而又是传统的s v c 装置望尘莫及的。 至于在传统的s v c 装置中令人头痛的谐波问题，在a s v g 中则可以采用桥式变流电路的多重化 技术，已消除较低的谐波，使高次谐波电流可以减小到可以接受的地步。 由于a s v g 所采用的都是大容量的全控型器件价格比s v c 的普通晶闸管要高得多。但随着电 力电子技术得发展g t o 和i g b t 的普遍应用，使a s v g 总的成本在下降。且当a s v g 采用无功电流 反馈控制时，其响应速度也超过s v c 。因此采用a s v g 作为动态无功补偿装置比s v c 更加优越。 中南大学硕士学位论文第三章a s v g 原理和仿真结果 第二节a s v g 控制策略 从上一节分析得出控制无功电流i ，也就是改变了 s v g 吸收无功的性质和大小。那么控制 方式可以分为间接控制和直接控制两种方式。实际上a s v g 的电流控制任务中还应该包括对有功电 流的控制，以补偿电路中的有功损耗，因此，更准确地讲这两种方式都是针对a s v g 的总电流而 言。 一间接控制1 分析图3 5 的容性工况图可得： 所以 u i i u s c o s 5 + 塾竽 吣u 。伽占= 鼍竽 ( 3 一1 ) ( 3 2 ) ( 3 3 ) 当系统进入稳态时，占角很小，s i n 2 占近似于2 j ，所以无功q 与占成正比，同理可以得出 i ：坠型丝 2 r ( 3 4 ) 当在感性工况下也可以得出上叙关系式，因此在稳态下，i 与占角的关系曲线绘制如图3 7 所示 旦 l o j 图3 7 i 与占角关系图 在5 角绝对值不太大的情况下，占与i 接近线性正比关系。因此通过控制j 角就可以控制a s v g 吸 中南大学硕士学位论文 第三章a s v g 原理和仿真结果 收的无功电流。这样就可以得出a s v g 最简单的控制方法如下图所示 1，j1，j 图3 8 电流同接控制示意图 当改变占角时，u ，也随着变化au 的变化是通过直流端支撑电压u d 变化而实现。占角变化时， 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u 。的变化，从而引 起v ，的变化。当暂态过程完毕时，u ，0 ，i 必然满足上列关系式。 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。如图3 8 所示： 在此基础上，产生了许多种控制方法。有对万角和逆变器脉宽角口联合起来控制策略等。电 流问接控制方法多适用于较大容量的a s v g 装置。其减少谐波方法多采用多重化的方法并且结合 p 蹦技术。 图3 9 带反馈的电流间接控制 二直接控制 所谓电流直接控制就是采用跟踪型p 硼技术对电流波形的瞬时值进行反馈控制。采用 电流直接控制将比间接控制在响应速度和控制精度上都会有很大的提高。但是它要求主电路电力 电子器件有较高的开关频率对于较大的容量的_ s v g 装置滩以做到，因此直接控制大多不采用。 在此不再予以介绍。 中南大学硕士学位论文 第三章 a s v g 原理和仿真结果 第三节a s v g 无功控制器的构成 无功发生器的控制器和保护装置掌握无功发生器送入系统的无功量。一切控制都是围绕无功 量这一要求进行的。送入系统的无功量的大小可以由系统调度或自动装置确定，但更实际的方式 是由无功发生器根据自己的任务自行判断无功发生量。在现代电力系统中。它是根据多种任务职 能自动判定任务的兼顾程度和主要任务。并使运行限制在无功发生器容量和其他参数允许的范围 之内， 无功茇生器的功能可以概括为以下三类1 。 1 ) 在稳定状态下，维持系统电压不变，或按要求调压； 2 ) 在稳定状态下，维持系统某处的无功功率最小，或按经济的要求调节无功量： 3 ) 在动态或暂态按照系统稳定要求调节无功量以提高稳定极限或抑制某个方式的振荡。 由于实验室条件有限，下面对a s v g 无功控制方案的研究都是以稳定系统电压为目的。 a s v g 的输出电压u ，的大小由多个因素决定，因此决定电压的过程较为复杂，它必须保持 系统电压恒定或在一个选定的范围。某些情况下系统电压不能由无功发生器完全确定。a s v g 一个 重要特点是在正常电压范围内，如果输出变压器有恰当的阻抗，电压恒定控制可以产生一定的无 功补偿。由上一节可以知道控制了e ，就是控制了无功电流，。而j 与占成正比，根据式( 3 3 ) 占与无功成正比，所以调节电压间接调节无功输出。 调节电压的方法分为两类，一类是保持直流电压不变，而用脉宽调制p 1 r m 的方法调节输出电 压，另一类是调节直流侧电压以调节无功输出。目前大型无功发生器多采用第一类。园为稳定直 流侧电压可以减少器件的损耗，且用电池或较大的直流电容器在功率波动时可咀提供暂短的有功 功率。 直流电压 的控制与万角有关因为j 角的变化决定a s v g 从系统吸收有功还是输出有 功。占角与损耗功率兄关系式为： 占：a r c 。i n ! 苎 uh s 根据美国西屋公司研制结果，在占角变化较小的情况下， 为i 与万成正比。如下图所示： 2 4 ( 3 5 ) u d 变化比较小，而l 变化比较大是因 中南大学硕士学位论文第三章a s v g 原理和仿真结果 根据下图可知：占微小的变化，无功发生器的电流会引起较大的变化。因此在实际中就 要考虑到几个具体问题，首先是电压相位的精确测定、驱动或触发角的的精确确定。 图 3 9 u d 、占、，。关系图 中南大学硕士学位论文 第三章a s v g 原理和仿真结果 第四节a s v g 仿真分析 下面作了个a s v g 仿真方案，如下图所示 图3 1 0 a s v g 仿真方案主电路图 主电路采用一个三相桥式逆变器，通过一个星三角型变压器与交流电网相接，其中r ，c 是线 路电抗。交流电网的电压等级是1 1 5 k v ，在系统中加入了一个三相短路故障。系统投运后l ，5 s 内发 生，l s 后解除。交流电网所带负载功奉为8 8 m 弧，短路容量为1 6 7 骶a 。_ s v g 在此投用的目的是稳 定系统电压。 仿真软件