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基于d s p 控制的静止无功发生器的研究与试验 摘要 静止无功发生器( s v g ) 是柔性交流输电系统中的一种重要 的控制器。它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、计算机技术和现代控制技术应 用于电力系统，通过对装置输出电压幅值、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陛。 本文介绍了静止无功发生器的发展和现状，分析了它的工作 原理和控制方法，并设计了以电力电子元件i g b t 为核心器件的 功率主电路；由于数字信号处理器t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 具有控制精度 高、运行速度快和可靠性高等优点，通过学习它的硬件原理，掌 握了它的使用方法，设计了以此处理器为基础的控制电路；结合 数字信号处理器的软件编程特点，编写了以s p w m 为核心内容的 控制软件。 结合以上的硬件电路和控制软件的设计，研制了s v g 的实验 装置，并且在实验室的环境下进行了多种特性试验。这些试验包 括d s p 输出的s p w m 波形及其经驱动后的波形，逆变器空载及带 惯性负载的输出电压波形，调节输出电压的幅值和相位。逆变器 经滤波后的输出电压波形谐波成分少，其波形明显比系统电压波 形好。这些试验证实了该装置的可行性，为研究s v g 装置打下了 良好的技术基础，同时也为s v g 的进一步研究提供了实验平台。 关键词：静止无功发生器逆变器绝缘栅双极晶体管数字信号 处理器正弦脉宽调制 r e s e a r c ha n de x p e r i m e n t0 fs v g 0 fc o n t r o lb a s e do nd s p a b s t r a c t t h es t a t i cv a tg e n e r a t o r ( s v g ) i sa ni m p o r t a n tf l e x i b l ea ct r a n s m i s s i o n s y s t e m ( f a c t s ) c o n t r o l l e r i t i sak i n do fd e v i c e w h i c hi sb a s e do n p o w e r c o n v e r t o r a n dc a nc o m p e n s a t er e a c t i v e p o w e ro fe l e c t r o n i cs y s t e m ，a n d i st h e i m p o r t a n t c o m p o n e n to ff l e x i b l e a ct r a n s m i s s i o ns y s t e mi ne l e c t r o n i c i n d u s t r ya n dh a s e m e r g e di nr e c e n ty e a r s i ta p p l i e se l e c t r i ca n de l e c t r o n i ct e c h n o l o g y , t e c h n o l o g yo f t h ec o m p u t e ra n dm o d e mc o n t r o lt e c h n o l o g yt ot h ep o w e rs y s t e m t h r o u g ht h e c o n t r o lo fo u t p u t t i n gv o l t a g ea m p l i t u d ea n dp h a s eo ft h ed e v i c e ，i tc a ni m p l e m e n t f l e x i b l ea n df a s tc o n t r o lt ot h en e t w o r kp a r a m e t e ra n dn e t w o r ks t r u c t u r eo ft h ep o w e r s y s t e m ，c a nr e g u l a t ec o n t i n u o u s l y t h er e a c t i v ep o w e ri nt h ew h o l er a n g ef r o m c a p a c i t i v er e a c t i v ep o w e r t oi n d u c t i v er e a c t i v ep o w e r , r e a c ht oc o m p e n s a t er a p i d l y t h ed e m a n df o rt h er e a c t i v ep o w e ro ft h es y s t e m ，t h u sc a ns u p p r e s st h ev o l t a g e f l u c t u a t i n ga n ds t r e n g t h e ns y s t e m a t i cs t a b i l i t y i nt h i sp a p e r ，t h ed e v e l o p m e n ta n dc u r r e n ts i t u a t i o no fs v gi sf i r s tp r e s e n t e d a f t e r a n a l y z i n g i t s o p e r a t i o np r i n c i p l e ，t h e n t h ec o n t r o lm e t h o da r e d e s i g n e d f u r t h e r m o m ，t h em a i np o w e rc i r c u i tt a k i n ge l e c t r i c e l e c t r o n i cc o m p o n e n ti g b ta s k e yd e v i c e ，t h ec o n t r o lc i r c u i tb a s e do nd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o rd s p a n dt h ec o n t r o l s o f t w a r ew i t ht h ek e yc o n t e n ts p w mh a v eb e e nd e s i g n e d w i t ht h eh a r d w a r ec i r c u i ta n dc o n t r o ls o f t w a r ea n a l y z e da n dd e s i g n e da b o v e ，t h e e x p e r i m e n t a ls v g d e v i c eh a sb e e nd e v e l o p e d v a r i o u sk i n d so fc h a r a c t e r i s t i ct e s t s ， w h i c hv e r i f yt h ef e a s i b i l i t yo ft h i sd e v i c e ，h a v eb e e nc a r r i e do n a l lt h i sw o r kl a y st h e g o o dt e c h n o l o g i c a l f o u n d a t i o ni no r d e rt o s t u d ys v gd e v i c e i na d d i t i o n ，t h e s e r e s e a r c h e so t t e rt h ee x p e r i m e n tp l a t f o r mf o rf u r t h e rs t u d y k e y w o r d s ：s t a t i cv a rg e n e r a t o r ；c o n v e r t o r ；i n s u l a t e dg a t eb i p o l a rt r a n s i s t o r d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ；s i n u s o i d a lp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n i i 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解广西大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 广西大学拥有在著作权法规定范围内学位论文的使用权，其中包 括：( i ) 已获学位的研究生必须按学校规定提交学位论文，学校可以 采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的学位论文；( 2 ) 为 教学和科研目的，学校可以将公开的学位论文作为资料在图书馆、资 料室等场所供校内师生阅读，或在校园网上供校内师生浏览部分内 容。 本人保证遵守上述规定。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 作者签名：瞄垒芏查 日期：! ! ：! 星 导师签名：丝堡兰 同 期：盘! ! ：i ：! 墨 第一章引言 第一章引言 1 1 课题的背景 在电网中由于大量感性负载的应用，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一 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i z 。 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应用的目益 广泛，而大多数电力电子装置功率因数较低( 如：相控整流器) ，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。因此提高功率因数己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，正在受到越来越多的关注。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国内的研究现状 1 2 1 1 静止无功补偿技术逐渐成为主流 传统的无功补偿设备有并联电容器、调相机和同步发电机等，由于并联电容 器阻值固定，不能动态的跟踪负荷无功功率的变化；而调相机和同步发电机等补 偿设备又属于旋转设备，其噪声、损耗都很大，而且还不适用于太大或太小的无 功补偿。所以这些设备已经越来越不适应电力系统发展的需要。 2 0 世纪7 0 年代以来，随着研究的进一步加深，出现了一种静止无功补偿技 术。这种技术经过3 0 多年的发展，经历了一个不断创新、发展完善的过程。所 谢静j e 无功补偿是指用不同的静止丌关投切电容器或电抗器，使其具有吸收和发 出无功电流的能力，用于提高电力系统的功率因数，稳定系统电压，抑制系统振 荡等功能。目前这种静止开关主要分为两种，即断路器和电力电子丌关。由于用 断路器作为投切开关，其开关速度较慢，不可能快速跟踪负载无功功率的变化， 而且投切电容器时，常常会引起较为严重的冲击涌流和操作过电压，这样不但容 易造成接触点烧焊，而且使补偿电容器内部击穿，维修量大。随着电力电子技术 的发展及其在电力系统中的应用，交流无触点开关s c r 、g t r 、g t o 和i g b t 等的出现，将其作为投切开关，速度可以提高5 0 0 倍( 约为1 0 ts ) 。对任何 系统参数，无功补偿都可以在一个周波内完成，而且可以进行单相调节。现今所 指的静止无功补偿装置一般专指使用如晶闸管这类电力电子器件控制的无功补 偿设备，主要有以下三大类型。第一类是具有饱和电抗器的静止无功补偿装置 ( s r ：s a t u r a t e dr e a c t o r ) ；第二类是晶闸管控制电抗器( t c r ：t r a n s i s t o rc o n t r o l r e a c t o r ) 、晶闸管投切电容器( t s c ：t r a n s i s t o rs w i t c hc a p a c i t o r ) ，这两种装置 统称为s v c ( s t a t i cv a tc o m p e n s a t o r ) ；第三类是采用自换相变流技术的静止无 功补偿装置一高级静止无功发生器( a s v g ：a d v a n c e ds t a t i cv a rg e n e r a t o r ) ， 以下对此三类静止无功补偿技术逐一介绍，并指出今后静止无功补偿技术的发展 趋势1 4 2 4 。 1 2 1 2 具有饱和电抗器的无功补偿装置( s r ) 饱和电抗器分为自饱和电抗器和可控饱和电抗器两种，相应的无功补偿装置 也就分为两种。具有自饱和电抗器的无功补偿装置是依靠电抗器自身固有的能力 来稳定电压，它利用铁心的饱和特性来控制发出或吸收无功功率的大小。可控饱 和电抗器通过改变控制绕组中的工作电流来控制铁心的饱和程度，从而改变工作 绕组的感抗，进一步控制无功电流的大小。这类装置组成的静止无功补偿装置属 于第一批静止补偿器。早在1 9 6 7 年，这种装置就在英国制成，后来美国通用电 气公司( g e ) 也制成了这样的静止无功补偿装置，但是由于这种装置中的饱和 电抗器造价高，约为一般电抗器的4 倍，并且电抗器的硅钢片长期处于饱和状态， 铁心损耗大，比并联电抗器大2 3 倍。另外这种装置还有振动和噪声，而且调 整时间长，动态补偿速度慢。由于具有这些缺点，所以饱和电抗器的静止无功补 偿器目前应用的比较少，一般只在超高压输电线路才有使用。 第一章引言 1 21 3 晶闸管控制电抗器( t o r ) 两个反并联的晶闸管与一个电抗器相串联，其单相原理图如图1 1 所示。其 三相多接成三角形，这样的电路并入到电网中相当于交流调压器电路接电感性负 载，此电路的有效移相范围为9 0 。1 8 0 。当触发角6 = 9 0 。时，晶闸管全导通， 此时导通角0 = 1 8 0 。，电抗器吸收的无功电流最大。根据触发角与补偿器等效导 纳之间的关系式： b l = b 。( j s i n d ) 石雨i 坑。= 1 x 由此可知，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中的 基波分量，所以通过调整触发角的大小就可以改变补偿器所吸收的无功分量，达到调 整无功功率的效果阅。 图1 - 1t c r 补偿器单相原理图 f i g 1 一ls i n g l e - p h a s e p r i n c i p l e s c h e m e o f t c r 图1 - 2t s c 型补偿器单相原理图 f i g 1 - 2s i n g l e - p h a s e p r i n c i p l e s c h e m e o f t s c 在工程实际中，可以将降压变压器设计成具有很大漏抗的电抗变压器，用可控硅 控制电抗变压器，这样就不需要单独接入一个变压器，也可以不装设断路器。电抗变 压器的一次绕组直接与高压线路连接，二次绕绍经过较小的电抗器与可控硅连接。如 果在电抗变压器的二次绕组增加适当的装置回路，例如加滤波器，可以进一步降低无 功补偿产生的谐波。 1 2 1 4 晶闸管投切电容器( t s c ) 为了解决电容器组频繁投切的问题，t s c 装置应运而生。其单相原理图如图1 - 2 所示。两个反并联的晶闸管只是将电容器并入电网或从电网中断开，串联的小电抗器 用于抑制电容器投入电网运行时可能产生的冲击电流。t s c 用于三相电网中可以是三 第一章引吉 角形连接，也可以是星形连接。一般对称网络采用星形连接，负荷不对称网络采用i 角形连接。无论是星形还是三角形连接都采用电容器分组投切。为了对无功电流能尽 量做到无级调节，总是希望电容器级数越多越好，但考虑到系统的复杂性及经济性， 这样的电容器组又不能太多，电容器组太多的话，还会带来使设备体积增大的缺点。 t s c 的关键技术问题是投切电容器时刻的选取口”。经过多年的分析与实验研究，其 最佳投切时间是晶闸管两端的电压为零的时刻，即电容器两端电压等于电源电压的时 刻。此时投切电容器，电路的冲击电流为零。这种补偿装置为了保证更好的投切电容 器，必须对电容器预先充电，充电结束之后再投入电容器。 1 ，2 1 5 新型静止无功发生器( s v g ) 随着电力电子技术的进一步发展，特别是l g y u g y i 提出利用变流器进行无功补偿 的理论以来，逐步出现了应用变流技术进行动态无功补偿的静止补偿器。它是通过将 自换相桥式电路直接并联到电网上或者通过电抗器并联到电网上。s v g 根据直流侧采 用电容和电感两种不同的储能无件，可以分为电压型和电流型两种。图1 - 3 所示的原 理图为电压型补偿器，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s v g 。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s v g 其动 态补偿的机理是相同的。当送到逆变器的脉宽叵定时，调节逆变器输出电压与系统电 压之间的夹角万就可以调节无功功率和逆变器直流侧电容电压沈，同时调节夹角万和 逆变器脉宽，即可以在保持娩恒定的情况下，发出或吸收所需的无功功率 1 1 。 图卜3 静止无功发生器s v g 原理图1 f i g 1 3 t h e p r i n c i p l es c h e m eo f s v g c 第章弓i 高 目前静止无功发生器( s v g ) 得到了快速的发展并进入实用阶段。s v g 己成为静 止无功补偿技术的发展方向，是今后柔性交流输电系统的一个重要元件。日本已于1 9 9 1 年开发出8 0 m v a r 的s v g 装置并投入运行，美国电力研究院( e p 刚) 1 9 9 5 年与西屋公 司共同开发了士1 0 0 m v a r 的s v g 装置。在s v g 的系统分析与设计方面，在9 0 年代 之前国内还没有较全面的研究成果，只是一起以清华大学为代表的一些科研机构通过 研究，做了一些实际工程，获得了一定的实际经验，并在理论上有一些发展。 9 0 年代初，国内己开始了f a c t s 系统的理论研究及具体f a c t s 装置和控制器的 研究工作。在我国，1 9 9 4 年作为原电力部重大科技攻关项目由河南省电力局和清华大 学共同研制了士2 0m v a rs t a t c o m 【3 7 】。为了进行机理研究，首先研制了3 0 0k v a r 的 中l 训工业试验装置，于1 9 9 5 年并网运行。1 9 9 9 年3 月+ 他o m v 碰玎k r c o m 在河南洛 阳的朝阳变电站并网成功，并于2 0 0 0 年6 月成功地通过了鉴定。该装置不仅自巳调节无 功和电压，还可提高输电稳定性和输送能力。东北电力集团公司和电力科学研究院等 单位合作，对5 0 0 千伏超赢压输电线路可控串联补偿( t s c ) 的研究已取得阶段性成 果。结合伊敏冯屯5 0 0 千伏输电线路的研究表明，采用2 5 串联补偿电容的可控 串补装置【4 2 j ，可显著提高暂态稳定水平和阻尼振荡能力。电力科学研究院、东南大学、 清华大学者蓐在进行u p f c 的研究。电科院建立了u p f c 控制器的模型，结果证明了 u p f c 良好的效果和功能1 1 3 j 。 由于i g b t 也是电压型的器件，且i g b t 的技术逐渐走向成熟，大容量的i g b t 也 可望在市场上获得。为了与这样的电压型器件配合使用，本课题的研究对象的逆变桥 采用由i g b t 管组成的i p m 模块。其原理图如图1 _ 3 所示，它是电压型的s v g 。 1 2 2 国外的研究现状 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 s t a t c o m 样秽一，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 。1 9 8 6 年 1 0 月，由美国电力研究院和美国西屋电气公司共同研制的+ - 1 m v a 的s t a t c o m p 投 入运行，这是世界上首台采用大功率g q 3 0 作为逆变器元件的静止补偿器。1 9 9 1 年， f ；二| 本关西电力公司与三菱电机公司研制成功+ - 8 0 m v a 的s i a t c o m l 4 1 并在犬山变电站 1 5 4 k v 系统中投运，维持了该系统长距离送电线路中间点电压的恒定，提高了系统稳 定性。美国e p 砒与田纳西电力局( 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 n5 0 0k v 变电站建造了+ - 1 0 0m v a r s t a t c o m n ，并于1 9 9 6 年1 0 月投运至今，运行情况良好。1 9 9 3 年3 月，东京电力 第一章引言 分别与东芝公司和日立公司开发的2 台5 0m v as t a t c o m 在东京所属新信浓变电所 投入使用1 6 1 1 7 1 。1 9 9 7 年，德国西门子公司将开发研制的8m v as t a t c o m ( 又称 g t o s v c ) 安装在丹麦的r e j s b yh e d e 风场，对风力发电机组进行动态控制【”。美国 电力( a m e r i c a n e l e c t r i c p o w e r ，缩写为a e p ) 和西屋公司以及美国e p r i 合作，研制 目前世界上唯一的u p f c 【12 j 【l ”，并在k e n t u c k y 东部的l n e z 变电站装设，这也是到目前 为止容量最大的f a c t s 设备，由共享直流侧电压的并联和串联两个基于大功率g t o 的电压型逆变器组成，容量各为+ - 1 6 0 m v a ，整个u p f c 的容量为+ - 3 2 0m v a 。该装 置中的串联部分，称为同步静止串联补偿器( s y n c h r o n o u s s t a t c i ss e r i e sc o m p e n s a t o r ， 缩写为s s s c ) ，也是目前世界上在电力输电线路上安装的第一台同类型装置1 9 1 。该装 置并联部分s t a t c o m 己于1 9 9 7 年7 月完成，串联部分s s s c 于1 9 9 8 年6 月投入运 行。s t a t c o m 和s s s c 一般作为个整体，也就是u p f c 。u p f c 既可维持端电压， 又能调节线路潮流，解耦后可分别作为s t a t c o m 和s s s c 各自独立运行。此外，英 国国家电网公司( n a t i o n a l g r i d c o m p a n y ，缩写为n g c ) 将在其4 0 0 k v 系统内安装由 法国a l s t o m 输配电公司研皋的基于+ 船5m v a rs t a t c o m 的静止无功补偿系统川，整 个静止无功补偿系统的容量将是0 至2 5 5 m v a r ，从而提高英国北部往南部的电力传输 功率。 1 3 课题研究的意义嘲2 5 3 矧 1 3 1 无功给电力系统带来的影响 ( 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。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。设线路中电流，由有功分量咖和无功分量自组成，线路 电阻为r ，则线路损耗为： a p ：，：r a p r ：( ，：+ 哟r ：竺婴五= ，2 = ( ，：+ ，；) r = 三孚五 u ( 1 - 1 ) 其中( 。：uz ) r 这一部分损耗就是无功功率引起的。 ( 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。 第一章引吉 在图1 - 4 中 z x = re 斗洋g y = g 一培 图卜4 等效电路 f i g 1 4e q u i v a l e n tc i r c u i t z s 引起的电压降u 为： a u = e u = z s i 另外，负载电流可由下式求得： i = u ( g j 玲 ：竺：堡二! 竺：曼：! 二上壁 uu 把( 卜3 ) 代入( 卜2 ) 可得： 肌( ”删铲 ：r s p + x s q + ，x s p - r s q u u 分析图中各参数可看出，应和【7 之间的夹角很小，因此 u 。垦! 墨堡 u f 1 - 2 ) ( 1 3 ) ( 1 q ( 1 5 ) 在一般的电网中，飓比墨小得多，因此可以得出这样的结论：电网电压的波动主 要是由无功功率的波动引起的，而有功功率的波动对电网电压一般影响较小。例如： 电动机起动时功率因数很低，这种冲击性无功功率会使电网电压剧烈波动，甚至使接 在同一电网上的用户无法正常工作。电弧炉、轧钢机等大型设备会产生频繁的无功功 率冲击，严重影响电网供电质量。 ( 4 ) 功率因数降低，设备容量利用少。 第一章引占 1 3 2 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，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t + 】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 ： ( 1 ) 提高供用电系统及负载的功率因数，降低设备容量，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 4 研究目标与研究内容 1 4 1 研究目标 1 完成静止无功补偿器s v g 实验样机的制作。 2 在实验平台上进行s v g 运行试验。 3 使静止无功发生器s v g 能够进行动态瞬时无功补偿。 4 对静止无功发生器s v g 的控制方法进行研究。 5 在实验平台上进行具体实现的实验研究。 1 4 2 研究内容 1 4 21 硬件部分 由逆变桥、电抗器、智能功率模块i p m 、检测电路、控制电路、驱动电路、保护 电路及以d s p 为杨0 的控制电路构成静止无功发生器( s v g ) 。d s p 具有高速运算的性 能，而i g b t 的快速可控性保证动态瞬时补偿的及时眭。输出环节是用s p w m 控制i g b t 第一章弓 吉 用于逆变的，减少了输出谐波。其中，检测电路以t m s 3 2 0 f 2 4 0 7 型d s p 为核心，构成 电源电压、电流信号的检测和处理电路，完成各种信号的隔离保护与电平转换。 1 4 2 ，2 软件部分 用d s p 汇编语言编制程序来估算出实测的电源电压和电流构成的功率因数角，通 过编程输出电压和频率协调变化的s p l v m 波形、完成故障中断处理等功能，从而使研究 的s v 6 装置实现对负载快速、连续的无功补偿。 1 5 论文的主要工作和亮点 论文的主要工作包括以下几个方面： 1 对新型数字信号处理器t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的特性和性能进行了研究，并以此为基 础设计和制作了s v g 的硬件控制电路和控制软件。 2 采用以新型电力电子元件i g b t 组成的智能功率模块i p m ，并以此为基础设计 s v g 的功率主电路。 3 编写了基于d s p 的汇编语言程序。 4 通过实验来验证装置和控制方法的效果，并研究s v g 的运行特性。 论文的亮点在于： 1 采用高速、高精度和高集成度的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7d s p 作为控制器核心，节省了 大量的硬件电路。 2 采用多通道的a d 转换，利用d s p 快速的特点，实时地检测到系统的参数。 3 采用d s p 的捕获单元，快速跟踪系统的电压频率。 4 采用s p w m 调制波控制的s v g 装置能有效地减少了装置向电网注入的谐波。 5 引入了f v r 算法，这样的控制系统可以将实时采样到的瞬时电压、电流离散值 变换成电压和电流连续的正弦函数，并算出功率因数角。 6 p i 控制策略，通过问接电流控制的方法对电力系统的无功进行控制。 第一章s v g 的r 作原理及e 控制方式 第二章s v g 的工作原理及其控制方式 静止无功发生器( 简称s v o _ s 住岖c g e n e r a t o r ) 己成为静止无功补偿技术的 发展方向，是今后柔性交流输电系_ 统( f a c t s - - f l e x i b l e a c t r a n s m i s s i o n s y s t e m ) 的一 个重要元件。它的主要功能是在电力系统中起到动态无功发生、无功补偿、电压支撑 和改善系统电压稳定的作用。总的晚来，静止无功发生器( s v g ) 由于具有响应速度快、 可以在从感性到容性的整个范围内进行连续的无功调节，特别是在欠压条件下仍可有 效地发出无功功率和在系统对称运行条件下所需储能电容容量较小，从而具有可以减 小装置体积等优点而得到了电力工业界越来越大的关注【4 5 】。 s v g 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一个频 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i g b t 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s v g ，它具有主电路的拓扑结构简单，目逆变 装置所用的电压型器件i g b t 易于控制，灵活方便【4 9 】。 本装置的原理图如图2 一l 所示，按功能大致可分为控制电路，逆变电路，驱动电 路，检测电路，显示电路和参数给定( 小键盘) 。其中控制电路以t i 公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 型d s p 为核心；逆变电路选用三菱公司型号为p m 2 5 r s b l 2 0 的i p m 模块；驱动电路 的搀0 器件选用光电耦合器t l p 2 5 0 ，转换时间为0 5p s ；检测电路用于检测系统的三 相电压和三相电流以及系统的电压频率。按照这样的框图构建的系统共分为3 个主要 的部分：第一部分是由i g b t 模块构成的逆变电路：第二部分是由电力二极管整流模 块构成的全波整流电路，选用了三相全波整流模块( 详见第三章) ，该模块的主要作用 是将- - h 线路上的交流电压变为直流电压输出，从而维持直流电容两端的电压稳定， 同时也为逆变电路提供稳定的直流电压；第三部分是由d s p 构成的检测控制系统。 2 1s v e 自9 t 作原理 s v g 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，从系统电压和逆变电压来分析s v g 的工作原理。 l o 第一章s v g 的工作原理及其控制方式 图2 - is v g 的原理框图 f i g 2 - 1 t h es c h e m eo f s v g s v g 的工作原理如图2 2 所示，逆变器i p m 的输出经过一个数值不大的电抗也( 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圪的相位，使得t 与交流 电网电压吃同相( 相角差8 = 0 ) ，则逆变器输出电流，为： j ：生兰：一，生三：，! 丛 j xl x l、x i 。 ( 2 一1 ) 图2 - 2s v g 的工作原理图 f i g 2 - 2 t h eo d e r a n o n p r i n c i p l e c h a r to f s v g s v g 的工作原理可以用如图2 3 ( a ) 所示的单相等效电路说明。出于矽与吃同相， 因此，逆变器向电网输出的电流与电网电压矿相差9 0 。，逆变器只输出无功电流、无 功功率，这样的逆变器就变成为一个无功功率发生器了。如果令该无功功率发生器向 电网输出感性无功滞后电流为，q ，向电网输出的感性滞后无功功率为q ，则 擀一章s v g 的j 作臆理及控制方式 矿一k 铲# 呲如= k 等 ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) = k + 軎q ( 2 - 4 ) 当输出电压一高于电网电压圪时，j 口 0 ，乇滞后吃9 0 。，如图 3 ( b ) 所示， 这时无功功率发生器输出滞后的无功即感性的无功功率，这时式( 2 3 ) 中的q o 。 当输出电压巧低于电网电压k 时，i o 0 ，乇超前吃9 0 。，如图2 3 ( c ) 所示， 这时无功功率发生器输出超前的无功即容性的无功功率，这时式( 2 3 ) 中的q 0 。 噩= 础 k 矿 ( b ) 滞后电流矢量图 ( a ) 单相等效电路 ( c ) 超前电流矢量图 j i q 。xl 图2 - 3 占= 0 时逆变器i p m 矢量图 f i g 2 - 3v e c t o r g r a p ho f s e r i e s o f t h e c o n v e r t o r i p m ( b = 0 ) 考虑到连接电抗器的损耗和变流器本身的损耗( 如管压降、线性电阻等) ，并将 1 2 第二章s v g 的t 作原理发其控制方 总的损耗集中作为连接电抗器的电阻考虑，则s v g 的等效电路如2 - 4 ( a ) 所示，吸收 容性无功与吸收感性无功时的向量图如图2 4 ( b ) 所示： 在这种睛况下，变流器电压矿与，仍相差9 0 。，因为变流器无需有功能量。而电 网电压矿与电流，的相差不再是9 0 。，而是比9 0 。小了6 角，因此电网提供了有功功 率来补充电路中的损耗，也就是说相对于电网电压来讲，电流，中有一定量的有功分 量。这个6 角也就是变流器电压矿与电网电压矿t 的相位差。改变这个相位差，并且改 变矿的幅值，则产生的电流，的相位和大小也随之改变，s v g 从电网吸收的无功功率 也就因此得到调节。 ( a ) ( b ) 电流超前( 吸收容性无功)电流滞后( 吸收感性无功) 图2 - 4s v g 等效电路及工作原理( 考虑损耗) ( a ) 单相等效电路( b ) 向量图 f i g 2 - 4s v g e q u i v a l e n t c i r c u i t s a n d i t s w o r k i n g p r i n c i p l e ( a ) s i n g l e p h a s e e q u i v a l e n t c i r c u i t( b ) p h a s o r d i a g r a m 因此，控制无功功率发生器( 逆变器i p m ) 输出电压矿的大小，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) 。 第二审s v g 的工作原理及其控制方式 为了使逆变器i p m 能稳定的工作，必须有一个固定的直流侧电容电压源，如果 整个逆变器中无有功损耗，则只要有一个直流电容器的初始充电电压即可，但逆变 器实际工作中存在有功损耗。如果逆变器i p m 只输出无功功率，j 与矿相差9 0 。，电网 也彳i 向逆变器i p m 输入有功功率，那么每个交流电源周期中电容器放电的输出功率大 于电容器被充电的输入功率( 两者之差即为逆变器的功率损耗) ，这时电容c 的电压圪 将不断减少，为了维持直流电压吒恒定，应在每个交流电源周期中都要给电容器补充 能量。给s v g 中的直流电容不断地补充电能的一个可行的技术方案是调节输出电压矿 的相位，使，除含有无功电流厶外，还有一点负的有功电流一f ，如图2 5 所示： 八、 一ip、 i j j j ，毛 j 图2 - 5j o 时逆变器i p m 矢量图 f i g 2 - 5v e c t o r g r a p h o f t h e c o n v e r t o r l p m ( 6 0 ) 若矿比交流电源吱稍稍滞后一个小角度占，从而使电流j 滞后哆的角度为 9 0 。+ 占，j 中含有一点负有功电流( 一i ，) ，= 厶+ ( - j ，) ，这时逆变器i f m 向电网 输出滞后无功功率的同时，又从交流电网输进一点有功功率p ( ，) ，用于补充逆变 器的功耗，使直流电压恒定不变。这时，逆变器i p m 从交流电网吸取的有功功率为 p = t i p = t - l - t a n j = q t a n j ( 2 - 5 ) 调节和控制图2 5 中矿滞后班的相角占，即可使电网输入的有功功率等于变换器 的功率损耗，从而使得恒定。 从以上的分析我们可以知道，逆变器i p m 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 4 第二章s v g 的工作原理及其挎制方式 2 2 s v g 的控制方式 s v g 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，”格对称且每相的i f 负半周也对称的s p w m 是十分 关键的。 s p 州( s i n u s o i d a lp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 法的基本思想是使输出的脉冲宽度 按i f 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， s v g 的逆变器采用s p l v m 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s p w m 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( d s p ) 的事件管理器，用纯软件编程方法实现s p 州波形的输出可减 少系统的硬件投资，并具有实时性好和运算精确等优点。 t l s 3 2 0 l f 2 4 0 7d s p 是t i 公司主推的一种适于逆变器控镱4 和电机控制的芯片，集实时 处理和控制器夕i - 设于一身，故本文重点讨论利用t r s 3 2 0 l f 2 4 0 7d s p 芯片产生s p w m 来控制逆变器以产生我们期望的幅值和相位可调、频率与系统电压频率同步的正弦电 压。 结合装置的特点，为了更好地实施s v g 装置对电网注入无功功率，引入电流的间 接控制“”。 从上一节无功发生的原理分析得出，由无功电流( 或者无功功率) 参考值调节s v 6 ， 控制s v 6 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s v g 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。 分析图2 4 所示的s v g i 作相量图，以吸收滞后电流为例，由图中电网电压旷、 变流器交流测基波电压矿和连接电抗压降吃构成的三角关系，可得如下等式： k 圪，、 s i n 6 s i n ( 9 0 + 妒)s i n ( 9 0 一妒一占) 一百一一百一 l z b j 式中 占：矿与哆相位差，以吃超前矿为正 妒：连接电抗器的阻抗角 第二审s v g 的工作原理及其控制方式 由此得 矿：型( 2 7 ) c o & 口 据此可推导出稳态时s v g 从电网吸收的无功电流和有功电流有效值分别为： 扩等舢占 s ， 昂= 纂帅删 ( 2 _ 9 ) q - 以证明，当s v g 工作在摩眭功况的时候，其稳念仍满足式( 2 8 ) 和式( 2 9 ) ， 只不过此时其中的j 和l 均为负。当系统进入稳态时，实验证明占角绝对值的变化范 围很小，在这种| 青况下，s i n 2 占近似于2 占，所以8 - 与i o 成正比，当在感性工况下也 可以得出上述关系式，因此在稳态下，i o 与j 角的关系曲线绘制如图2 - 6 所示： 匆一 i 一 图2 - 6 i o 与6 角关系 f i g 2 - 6 r _ e l a t i o n b e t w e e n i 口a n d 6 在占角绝对值不太大的情况下，8 - 与i o 接近线性正比关系。因此通过控占角就可 以控制s v g 吸收的无功电流。这样就可以得出s v g 最简单的控制方法如图2 7 所示： 钿一匝丽) 吐固s v g 一，0 ，9 吲一i 比例系数卜_ 叫 主电路l + ，0 图2 - 7 电流间接控制示意图 f i g 2 7 i n d i r e c tc o n t r o lo f c u r r e n t 当改变j 角时，吃也随着变化。吱的变化是通过直流端支撑电压变化而实现