（农业电气化与自动化专业论文）低压静止无功发生器的研究.pdf

摘要 在电力系统中，由于无功不足而给系统带来的危害不容忽视。电力系统中控制无功功率 的方法很多，包括采用同步调相机、并联电容器、静止无功补偿装置( s v c ) 和静止无功发 生器( s v g ) 。同步调相机作为早期无功补偿装置的典型代表具有调相的优点，但动态响 应速度馒，发出单位无功功率的有功损耗大，运行维护复杂，不适应各类非线性负载的快速 变化。并联电容器补偿简单经济，但是它不能跟随系统中感性负荷的变化，不能实现无功功 率的动态补偿。s v c 可以根据电网中无功功率的状况进行无功补偿，但是在实际应用中 s v c 离不开具有时滞性的大容鼍储能元件不能做剑瞬时无功控制。与s v c 相比。s v g 的 响应速度更快、不但可作为系统的无功电源，也可作为无功负载且产生的高次谐波簟小、 调节范围更广、损耗与噪音更小与现有的应用与高压系统中的s v g 不同本文研究一种 应用于低压配电系统的静止无功发生器。 本文对现有无功补偿方式进行了系统深入的分析。完成了s v g 的模拟系统土电路设计， 控制系统的硬件电路和软件设计，并制作了实验室模拟系统。为了保证参数设置的和控制策 略的正确性对关键环节进行了计算机仿真试验。为了验证系统的功能，制作了实验室模拟 系统。经过模拟实验证明系统能够随着负荷性质的变化而自动的输出无功的性质， 为了适应农电系统负荷波动频繁且波动范围大的特点本文应用瞬时无功功率理论检测 系统的无功电流。这种检测方法即提高了检测的速度同时在农电系统负荷不对称的情况f 也能保证检测精度。通过对s v g 控制方法的系统研究，采用电流直接控制方式提高了系 统的响应速度和控制精度。 该模拟系统以m i t s u b i s h i 公司的p m l 5 r s h l 2 0 型智能功率模块( i p m ) 为逆变器开关 器件。i p m 内部集成了逻辑、控制、检测和保护电路使用起来方便，不仅减少了系统的体 积以及开发时间，也人大增强了系统的可靠性；采剧t i 公司t m $ 3 2 0 l f 2 4 0 7d s p 评估板作 为主控制器，克服了传统单片机计算速度慢，精度低的缺陷；运用正弦脉宽调制技术，配合 功率模块驱动、保护、信号处理、电源等外围电路。完成静j t 无功发生器的信号采集、处理 系统保护以及无功功率的动态补偿等基本功能，实验结果表明，该模拟系统能够达剑预期的 补偿效果。 关键词：静止无功发生器：数字信号处理器；i p m ：正弦脉宽调制；瞬时无功功率理论 v s t u d yo nl o w v o l t a g es t a t i c 场rg e n e r a t o r a b s t r a c t i ne l e c t r i cp o w e rs y s t e m 。t h eh a r mt os y s t e mf o ri n s u f f i c i e n tr e a c t i v ep o w e ri sn o ta l l o w i n g n e g l e c t t h e r ea r em a n ym e t h o d st oc o n t r o lr e a c t i v ep o w e ri ne l e c t r i cp o w e rs y s t e m ，i n c l u d i n g a d o p t ss y n c h r o n o u sc o m p e n s a t o r , s h u n tc a p a c i t o r , s t a t i cv a fc o m p e n s a t i o n ( s v c ) d e v i c ea n ds t a t i c v a rg e n e r a t o r ( s v g ) s y n c h r o n o u sc o m p e n s a t o ra st h et y p i c a lr e p r e s e n t a t i o no f e a r l i e rr e a c t i v e p o w e rc o m p e n s a t i o nd e v i c eh a s t h ea d v a n t a g eo fp h a s em o d u l a t i o n 。b u tt h es p e e do fd y n a m i c r e s p o n s ei ss l o w , g e n e r a t eu n i tr e a c t i v ep o w e ri t h a sm o r ea c t i v ec o n s u m p t i o n c i r c u l a t ea n d m a i n t e n a n c ea r ec o m p l e x , n o ta d a p t i n gt h eq u i c k l yc h a n g eo fa l lk i n d sn o n l i n e a rl o a d s h u n t c a p a c i t o rc o m p e n s a t i o ni ss i m p l ea n de c o n o m i c ，b u ti tc a nn o tf o l l o wt h ec h a n g eo fi n d u c t i v el o a d i ns y s t e m ，i tc a nn o ta c h i e v ed y n a m i cc o m p e n s a t i o no fr e a c t i v ep o w e r s v cc a nc a r r yt h r o u g h r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o na c c o r d i n g t ot h ec o n d i t i o no f r e a c t i v ep o w e ri np o w e rf i e d ，o r lb u ti n a c t u a la p p l i c a t i o n , s v cc a nn o tw o r kw i t h o u tb i gc a p a c i t ye n e r g ys t o r a g ee l e m e n tw h i c hh a st i m e d e l a y , i tc a l ln o ta c h i e v ei n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e rc o n t r 0 1 c o m p a r e dw i t hs v c t h es p e e do f s v gr e s p o n s ef a s t e r , n o to n l yc a na f ta sr e a c t i v ep o w e rs u p p l yb u ta l s oc a l la c ta sr e a c t i v ep o w e r l o a d 。g e n e r a t ef e wh i g h o r d e rh a r m o n i c ，t h er a n g eo fr e g u l a t ei sw i d e r , c o n s u m p t i o na n dn o i s ea r e s m a l l d i f f e r e n tf r o mt h es v gw h i c ha p p l i e si nh i g hv o l t a g es y s t e m , t h i sp a p e rs t u d yas t a t i cv a r g e n e r a t o rw h i c ha p p l i e si nl o wv o l t a g ed i s t r i b u t i o ns y s t e m t h i sp a p e rc a r r i e st h r o u g hd e e p g o i n gs y s t e m i ca n a l y s i sa b o u tr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n t e c h n o l o g y , m a i nc i r c u i to f s v gs i m u l a t i o ns y s t e m ，h a r d w a r ec i r c u i to f c o n t r o ls y s t e m ，s o f t w a r ei s d e s i g n e da n dl a b o r a t o r ys i m u l a t i o ns y s t e mi sm a d e i no r d e rt oi n s u r et h ea c c u r a c yo fp a r a m e t e r a n dc o n t r o ls t r a t e g y , c o m p u t e rs i m u l a t et e s ti sc a r r i e dt ok e yt a c h e s t ov e i l f yt h ef u n c t i o no ft h e s y s t e m ，l a b o r a t o r ys i m u l a t i o ns y s t e mi sm a d e ，a f t e rs i m u l a t e de x p e r i m e n t ，i tp r o v e st h es y s t e mh a s t h ec h a r a c t e r t h a t f o l l o w i n g t h ec h a n g eo f l o a dc h a r a c t e r i tc a l lo u t p u tr e a c t i v ep o w e r a u t o m a t i c a l l y i no r d e rt oa d a p tt h er u r a le l e c t r i c i t ys y s t e mw h i c hh a st h ec h a r a c t e rl o a df l u c t u a t ef r e q u e n t a n dt h er a n g eo ff l u c t u a t ei sl a r g e ，t h i sp a p e ra p p l yi n s l a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e rt h e o r yt od e t e c t r e a c t i v ec u r r e n to f t h es y s t e m ，t h i sm e t h o de n h a n c et h es p e e do f d e t e c t i o n ，a tt h es a m et i m e ，i tc a n a s s u r et h ed e t e c t i o np r e c i s i o nw h e nt h el o a do fr u r a le l e c t r i c i t ys y s t e mi sd i s s y m m e t r i c t h o u t h e s y s t e m i cr e s e a r c ht ot h ec o n t r o lm e t h o do fs v ga d o p t i n gc u r r e n td i r e c tc o n t r o lm o d e ，e n h a n c i n g t i es p e e do f r e s p o n s ea n dt h ep r e c i s i o no f c o n t r o io f t h es y s t e m t h es i m u l a t i o ns y s t e ma d o p t s p m l 5 r s h l 2 0 i n t e l l i g e n t p o w e r m o d u l e ( i p m ) a s t h es w i t c ho f i n v e r t e rw h i c hf r o mc o m p a n ym i t s u b i s h i ，t h ei p mi n t e r i o ri n t e g r a t e sl o g i c ，c o n t r o l ，d e t e c t i o n v i 东北农业人学t 学硕 学位论文 a n dp r o t e c tc i r c u i t , i ti sc o n v e n i e n tt ou s e i tn o to n l yr e d u c et h ev o l u m eo ft h es y s t e ma n dt h e e m p o l d e rt i m e ，b u ta l s oi n c r e a s et h er e l i a b i l i t yo ft h es y s t e m ；t h es y s t e ma d o p t st m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 d s pe v a l u a t i o nb o a r da sm a i nc o n t r o l l e rw h i c hf i o mc o m p a n yt i ，i to v e r c o m e st h ed e f i c i e n c yo f t r a d i t i o n a ls i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e rw h i c hh a sl o wc a l c u l a t es p e e da n dp o o rp r e c i s i o n ；u s i n gt h e t e c h n o l o g yo fs i n u s o i d a lp u l s e w i d t hm o d u l a t i o nc o m b i n ep o w e rm o d u l ed r i v e ，p r o t e c t ，s i g n a l p r o c e s s p o w e rs u p p l yc t c i tc a na c h i e v es i g n a lc o l l e c t i o n , p r o c e s s i n g , s y s t e mp r o t e c t i o no fs t a t i c v a tg e n e r a t o ra n dd y n a m i cc o m p e n s a t i o no fr e a c t i v ep o w e r t h ee x p e r i m e n tr e s u l ts h o w st h e s i m u l a t i o ns y s t e mc a na c h i e v et h ee x p e c t a n tc o m p e n s a t i o ne f f e c t k e yw o r d s ：s t a t i cv a tg e n e r a t o r ；d i s t a ls i g n a lp r o c , c s s o r ；i p m ：s i n u s o i d a lp u k e w i d t hm o d u l a t i o n ； 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 y c a n d i d a t e ：w a n gc h u n y i n g s p e c i a f i t y ：e l e c t r i f i c a t i o na n da u t o m a t i o no fa g r i c u l t u r e s o p e r v i a n r ：p r o z h a ny u l i n v 儿 研究生学位论文独创声明和使用授权书 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得一 ( 逵i 翅超直墓丝盂噩撞型直盟曲：奎拦亘窒2 或其他教育机构的学位或证 书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作 了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：己痞髯九 日期：铲6 月8 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。 本人授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解 密后适用本授权书) 学位论文作者签名：寻者叛日期：呻6 月3 同 导师签名：赵玉楝 日期：砷年6 朋r 1 引言 1 1 课题研究的背景 无功补偿对维持电力系统的稳定与经济运行改善电能质量意义重大。在电力系统中， 大多数网络元件和负载都要消耗无功功率。网络元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，这些所需的无功功率如果都要由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。 在i j 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 【与很人的比例。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1 ：作，这是由其本身的性质所决定的( 何利铨等，1 9 9 7 ) 。 近年来。随着电力系统中1 线性川电设备，特别是电力电子装置应川的日益r 泛，而人 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。 8 0 年代以来，随着电力电子技术的进一步发展及瞬时无功功率理论的提出一种更为先 进的静止无功补偿装置出现了，这就是采用自换相变流电路的新型静止无功发生器 ( a d v a n c e ds t a t i cv a tg e n e r a t o r 简称a s v g ) 。而在谐波抑制方面，则出现了电力有源滤波器 ( a c t i v ep o w e rf i l t e r 简称a p f ) ，其基本原理是从补偿对象中检测出谐波电流由补偿装置 产生一个与该谐波大小相等而极性相反的补偿电流，从而使电网电流只含基波分量。这在基 本原理上和新刑静i r 无功补偿装置是相同的。本文只研究无功功率补偿方面，即补偿时只检 测出补偿对象的基波无功电流，并对其进行动态补偿使其功率因数接近1 。实际上，s v c a s v g 及a p f ，还有如统一潮流控制器( u n i f i e dp o w e rf l o wc o n t r o l l e r 缩写为u p f c ) 、可控 串联补偿等都属丁“柔性交流输电系统”( t a s k f o r c e o f t h ef a c t sw o r k i n g g r o u p p e s i e e e ， 1 9 9 7 ) 中的元件。 f a c t s 概念是由美国电力科学研究院( e p r i ) n gh i n g o r a n i 博士下1 9 8 6 年提出的( n h i n g o r a n i ，1 9 9 0 ) 。它是基于电力电子技术改造交流输电的系列技术，它对交流电的无功( 电 压) ，电抗和相角可以进行控制，从而能有效提高交流系统的安全稳定性，使传统的交流输 电系统具有更高的柔性和灵活性，使输电线路得到充分利用以满足电力系统安全、可靠和 经济运行的目标。f a c t s 技术已得到了极大的发展，相继出现了多种f a c t s 设备( 董云龙 等，2 0 0 3 ：李天然等，2 0 0 3 ：夏祖华等，2 0 0 4 ) 。f a c t s 技术已被国内外的一些较权威性的 输电技术研究者和i ：作组称为“未来输电系统新时代的三项支撑技术( f a c t s 技术、先进的 控制中心和综合自动化技术) 之一”，或是“现代电力系统中的三项具有变革性影响的前沿性 课题( 柔性输电技术、智能控制、基丁全球卫星定位系统( g p s ) 的新一代动态安全分析与监测 东北农业人学t 学硕f ：学位论文 系统) 之一”。 1 2 无功补偿装置的发展 目前，采用较为广。泛的无功补偿方式主要有以下几种( 王茂海，2 0 0 1 ) ： ( 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同定的无功功率 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己显落后( 高 晶晶等，2 0 0 4 ) ( 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。但由丁电容器供给的无功功率与甘点电压成止比，当竹点电压f 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，装设容量可人可小 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i r 无功补偿器( s t a t i c v a r c o m p e n s a t o r , s v c ) 静j f 无功补偿装置或称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。1 9 6 7 年，第一台静i r 无功补偿装 置在英国研制成功以后，受到世界各国的广泛重视，砖德、美国、日本、瑞典、比利时、苏 联等国竞先研制、大力推广使得静止补偿装置比调相机具有更大的竞争力，“泛用丁| 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( 张刘春等2 0 0 4 ) 。 随着柔性交流输电( f a c t s ) 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( 朱罡，2 0 0 1 ) 。在 业界静止无功补偿装置通常是专 指使用晶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 d s t o r s w i t c h e d c a p a c i t o r ) 和晶闸管控制屯抗器( t h y r i s t o rc o n t r o l l e dr e a c t o r ) 以及两者的混合装置( t s c 十t c r ) 等装 置。 ( 4 ) 静i r 无功发生器( s t a t i c v a t g e n e r a t o r , s v g ) 使川晶闸管对电抗器进行实时控制和投切，构成品闸管控制电抗器( t c r ) 平【i 品闸管投切 电容器( t s c ) 可以根据电网中无功功率的状况进行补偿。但在实际戍州中，s v c 离不开 具有时滞特性的大容揖器件，不能做到瞬时无功控制。 随着大功率全控型晶闸管( g t o ) 和绝缘栅取极型晶体管( 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纠快速发展， 一种以此为基础的更为先进的无功补偿装置静i p 无功发生器( s v g ) 出现了。其基本原 理就是将白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f 5 - 桥式电路交流侧输 2 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，实现动态无功补 偿的目的( 陈建业等，1 9 9 7 ) 。 1 3 静止无功发生器的研究现状 本文所研究的静止无功发生器是f a c t s 中的重要元件。在美国被称为s t a t c o n ，即静 止调相机( s t a t i cc o n d e n s e r ) ：在日本过去则称为静止无功功率发生器( s t a t i cv a tg e n e r a t o r ) ， 简称s v g ：在欧洲多称为先进静止补偿器( a d v a n c es t a t i cv a rc o m p e n s a t o r y ) ，简称a s v c 。 1 9 9 5 年国际高压人屯网会议与电力、电子j 程师学会( g i g r e i e e e ) 建议通称为s t a t c o m ， 并把其定义为固态同步电源，相类似于产生三相正弦电压的旋转同步电机本文沿_ h j 我国现 有文献中较常用的名称一静止无功功率发生器( s v g ) 。 所谓静止无功功率发生器( s v g ) ，本论文中专指由自换相的电力半导体桥式变流器来 进行动态补偿的装置，其补偿过程是：无功发生器先将系统电压整流成直流并保存在一组直 流电容器内同时经过一组逆变器将此直流逆变成交流电压通过连接电抗与系统连接 如果所逆变的电压高于系统电压。则逆变器就像一组电容器那样向系统提供无功功率；如果 电压低于系统电压它将消耗无功功率。 1 3 1 国外研究现状 1 9 7 2 年日本就发表了用强迫换相的晶闸管桥式电路作为调相装置的研究论文；1 9 7 6 年 美国学者l g y u g y i 在其论文中提出了用电力半导体变流器进行无功补偿的备种方案，其中使 用自换相桥式变流电路的方案最受青昧。限于当时器件水平，采用强迫换相的晶闸管是实现 自换相桥式变流电路的唯一器件。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 v g 样机( 吉平原，2 0 0 4 ) ，采用了晶闸管强制换相的电压蛰逆交器 容量为2 0 m v a r 。随着电力半导体器件的发展，g 1 o 晶闸管等全控型器件开始达到了可用丁j s v g 中的电压和电流等级并逐渐成为s v g 的自换相桥式电路的主力( q i n g g u a n g y u ，2 0 0 4 ) 。 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l m v a r 的s v g 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。1 9 9 1 年。日本关两电力公 司与三菱电机公司研制8 0 m v 甜的s v g 并在犬山变电站1 5 4 k v 系统中投运( 黄顺札，2 0 0 2 ) ， 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 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 d 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 0 k v 变电站建造了1 0 0 m v a rs v g ，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 月东京电力分别与东芝公司和日立公司开发的2 台5 0 m v a r s v g 在东京所属新信 浓变电所投入使并j 。1 9 9 7 年。德国两门子公司将开发研制的8 m v a rs v g 义称( 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 ne l e c t r i c p o w e r , 缩弓为a e p ) 和曲屋公司以及美国e p r i 台作，研制目前世界上唯一的统一潮流控制器 3 东北农业人学t 学硕j 学位论文 ( u p f c ) ( l g y u g y i 等1 9 9 9 ) ，并在k e n t u c k y ( 肯塔基州) 东部的i n e z ( 伊内兹) 变电站 装设，这也是到目前为止容量虽人的f a c t s 设备。 1 3 2 国内研究现状 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r 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 2 0 m v a rs v g ( 李淼，2 0 0 2 ) ，并于2 0 0 0 年6 月成功地通过了鉴定。该装置不仅能调节无 功和电压，还可提高输电稳定性和输送能力，成为中国在f a c t s 研究领域的一个重要里程 碑。应用于上海电力系统的5 0 m v a rs v g 工业装置也正在研制中。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 k v 超高压输电线路可控串联补偿( t c s c ) 的研究已取得 阶段性成果。国家电力公司电力白动化研究院、中国电力科学研究院、华北电力人学、东北 电力学院、哈尔滨j ：业大学等单伉都曾在这个领域进行过装置级的研制，分别作出了白己的 贡献。华中科技人学、重庆人学、上海交通人学等高校也在s v g 的建模、稳态调控、抑l r 谐波等方面有一定的研究。可以说s v g 在高压输电系统中得到了蓬勃发展，并且在实际应 用中都起到了极为重要的作用，低压侧s v g 的研制是国内同行研究的热门领域。 1 4 论文研究主要内容 本文研究的内容主要包括以下五个部分： ( 1 ) s v g 方案设计 其中包括对s v g 的主电路和控制电路的方案设计，并且理论分析s v g 的i = 作原理及控 制方法；详细阐述应片；i 到的基础理论如：三相电路功率理论和瞬时无功功率理论以及基丁瞬 时无功功率理论的无功电流检测方法。 ( 2 ) s v g 硬件电路的设计 1 ) 以电力电子器件i g b t 为核心的功率主同路的各元件参数选择及设计： 2 ) 以数字信号处理器t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7d s p 评估板为控制核心的控制电路设计 ( 3 ) s v g 软件设计 1 ) p w m 脉冲的发生。利用数字信号处理器( d s p ) 的事件管理器，用纯软什编程的方 法实现s p w m 波，控制i g b t 的导通和关断，使s v g 产生期望的输出电压。 2 ) 电网频率跟踪模块的设计。根据从电网采样得到的同步脉冲产生出与电网电压同 步的脉冲信号使s v g 产生的输出电压与电网电压保持同步从而使s v g 能准确并网运行。 3 ) 模数转换模块的设计。 ( 4 ) 采用m a t l a b6 5 的s 1 m u l i n k 模块搭建了应用d q 轴下电流直接控制策略的s v g 系统仿真模型，进行系统的动态仿真分析。 ( 5 ) 制作了1 k v a r 实验室模拟实验装置，通过模拟实验验证了装置的动态无功补偿特 4 引言 性。 论文结论部分对本论文的t = 作进行了总结，并指出本设计中的不足和需要完善的地方、 实验需要改进之处，并对f 一步需要做的j ：作进行了说明。 5 2 低压静止无功发生器方案设计 要实现逆变器输出电压对系统的影响和连续调控，关键技术是其逆变器能够输出高质量 的、幅值和相位均连续可调的、频率和系统电压频率一致的正弦电压。为了达到这个目的， 我们采用由全控型电力电子开关器件i g b t 组成的逆变桥( i p m 模块) 作为功率主电路，并采 用。s p w m 控制技术来控制i g b t 的通断。i g b t 具有快速、开关损耗小、耐压高、电压电流 失真度小、驱动功率小、安全工作区宽和并联容易等特点是目前较为理想的新型功率半导 体器件。 如图2 - l 所示，整个s v g 系统框图包括以i p m 为核心的逆变电路和以数字信号处理器 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7d s p 评估板为控制核心的控制回路，其中控制i g b t 管的s p w m 驱动信号由 d s p 来产生。 三 相 电 源 三相电源 图2 - 1s v g 系统总体框图 f i g 2 - 1 w h o l eb l o c kd i a g r a mo f s v g s y s t e m 2 1s v g 主电路结构理论分析 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嚣 ( 干兆安等，1 9 9 8 ) ，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_ j 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 7 东北农业人学t 学硕i 。学位论文 图2 2 和图2 3 所示( 王兆安。2 0 0 0 ) a a 图2 - 2 电压型桥式电路 f i g 2 2v o l t a g eb a d g ec i r c u i t c 图2 - 3 电流型桥式电路 f i g 2 - 3c u r r e n tb a d g ec i r c u i t l 图2 - 2 中，l 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 ( 门 极可关断晶闸管) ，i g b t ( 绝缘栅双极裂晶体管) 等。图2 3 中的c 即为吸收过电压的电容 器。实际上迄今投入使用的s v g 主电路大都采用电压型桥式电路，因此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s v g 常常采用多重逆变电路( 沈斐等2 0 0 3 ) ，即把儿个矩形波组合起来， 使之输出成为接近止弦波的波形。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止弦波椎近。 s v g 正常i ：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。s v g 的工作原理可以用如图2 - 4 所示的单相等效电路及l 作向量幽说明。 设电网电压和s v g 输出的交流电压分别用向量u s 和u ，表示，则连接电抗x 上的电压u 即 为u s 和u ，的向量差，而连接电抗的电流是可以由其电压来控制的。这个电流就是s v g 从 电网吸收的电流，。因此，改变s v g 交流侧输出电压u ，的幅值及其相对丁系统电压u ，的 相位，就可以改变连接电抗上的电压，从而控制s v g 从电网吸收电流的相位和幅值，也就 控制了s v g 吸收无功功率的性质和大小。 8 乩 ri 电流超前 电流滞后 ( a ) 单相等效电路图 ( b ) 工作向量图 ( a ) s i n g l ep h a s ee q u i v a l e n tc i r c u i t ( ”w o r k i a g v e c t o rd i a g r a m 图2 4s v g 等效电路及工作原理图 f i g 2 4e q u i v a l e n tc i r c u i to f s v ga n di t sw o r k i n gp r i n c i p l e s 2 2s v g 控制策略研究 x l s v g 作为动态无功补偿装置在电力系统中的戍用主要实现两个功能：即改善系统功率 冈数和i 调节系统电压。因此，其控制策略的选择戍根据补偿器要实现的功能和应川场合来决 定应用开环控制、闭环控制或者两者相结合的控制镱略。我们要提高系统功率因数时控制 系统可以采取开环控制，对负荷无功功率进行完全补偿：而要实现调仃系统电压功能时控 制系统则需要采用系统电压的外闭环反馈控制，设置电压调节器。从上一节无功发生器的原 理分析得出。由无功电流( 或者无功功率) 参考值调节s v g ，控制s v g 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 ( 谢小荣，2 0 0 1 ；h e w a n g 2 0 0 2 ) 。这两种控制方式都可以对有功电流进行控制以补偿电 路中的有功损耗，因此。更准确地讲，这两种方式都是针对s v g 的总电流的。 2 2 ，1 ，电流的间接控制 分析图2 - 4 所示的s v g 二i ：作相量图，以吸收滞后电流为例，由圈中电网电压u ，变流 器交流侧基波电压u ，和连接电抗压降l 构成的三角关系，可得如下等式： 丽u l = 矢= 面万u 而ii c ： s i n 万 s i n ( 9 0 0 + )s i n ( 9 0 0 一声一艿) 式中占u ，与u ，相位差，以u i 超前u ，为正 连接电抗器的阻抗角 9 东北农业人学t 学硕i 学位论文 由此得： u ：塑掣( 2 - 2 ) c o s 口 乩：u s _ s i n 8 ( 2 3 ) w j 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： 乇= 等s ；n 2 艿 c z 4 ， ，= 2 鲁( 1 - c o s 2 万) ( ：s ) 可以证明当s v g 吸收超前无功电流的时候，其稳态仍然满足式( 2 4 ) 和式( 2 5 ) 只不过此时其中的8 和i d 均为负。当系统进入稳态时，实验证明8 角绝对值的变化范闸很 小- 在这种情况f ，s i n 2 万近似于2 j ，所以占与乇成正比，当s v g 吸收超前无功电流时 也可以得出上述关系式，因此在稳态下，乇- q 6 角的关系曲线如图2 - 5 所示： l q 0占 图2 - 5 o 与万关系 f i g 2 5r e l a t i o nb e t w e e ni qa n d8 在占角绝对值不太大的情况下，占与接近线性止比关系。因此通过控制占角就可以 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 - 6 所示： 图2 - 6 电流间接控制示意图 f i g 2 - 6i n d i r e c tc o n t r o lo f c u r r e n t u ，随着艿的变化而自动地变化是通过变流器直流侧电压的变化实现的。在改变万角后 的暂态调节过程中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，引 l o 起u 。的变化，从而使得交流侧输出方波的幅值变化也就改变了其基波的有效值。暂态调 节过程结柬后，系统进入新的稳态直流电压稳定在某一新值。这个值对应交流侧输出方波 的基波分量有效值( ，必然满足式2 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虑速度都会人 大提高。如图2 7 所示，在此基础上，产生了许多种控制方法，比如对艿角和逆变器脉宽角占 联合起来控制策略等。电流间接控制方法多适用于较大容量的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 w m 技术( 柳爱美等2 0 0 2 ) 。 图2 7 带反馈的电流间接控制 f i g 2 - 7i n d i r e c tc o n t r o lo f c u r r e n tw i t h i nf e e d b a c k 2 2 2 电流的直接控制 所谓电流的直接控制就是采用跟踪型p w m 控制技术对电流波形的瞬时值进行反馈控 制，直接l 乜流控制的s v g 控制系统有两种基术结构。第一种控制结构如图2 - 8 ( a ) 所示， 采用了a b e 轴f 的瞬时电流控制系统。控制系统完成两个功能：( 1 ) 直流侧的电乐恒定控制。 ( 2 ) 无功电流的实时跟随。直流电压指令u 。，与直流反馈电压经电压p i 调节器后生成有功 电流指令，。，对流入s v g 的有功电流控制可以控制直流侧电压。，。，和无功电流指令，。， 通过d q a b e 变换成三相瞬时电流指令，。、，。、，。，三相电流指令与瞬时电流通过恒 频三角波电流比较生成逆变器的开关信号。通过上述控制实现直流侧电压的稳定和无功电流 的跟随。 第一二种控制方法如图2 8 ( b ) 所示，s v g 发出的电流瞬时值经d - q 坐标变换为j 。、j 。， 它们与有功电流、无功电流参考值作比较后，经p l 调讧器所得值，再经d - q 反变换，得到二 相电流信号，进行三角波比较电流跟踪型p w m 控制。其中。有功电流参考值由直流侧电压 参考值与直流侧电容电压反馈值比较后经p i 调节器得到。由于参考值，。和，。，。反馈值 ，。、，。在稳态时均为直流信号因此通过p i 调节器可以实现无稳态误差的电流跟踪控制。 也就是说，本方法中采用了双闭环反馈控制内环是电流环控制外环是电压环控制。 图