（农业电气化与自动化专业论文）基于igct的静止无功发生器的研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 静止无功发生器( s v g ) 是柔性交流输电设备的重要成员之一，作为新一代无功 功率补偿装置，它以其平滑的无功调节、快速的动态特性等优良性能引起了国内外科 研与工程领域的广泛关注，而我国在这方面尚处于起步阶段。本文对基于i g c t 的 6 k v 2 0 0 k v as v g 进行了较为深入的理论研究与系统设计，取得了一定的创新性研究 成果，以期对我国s v g 的研究与工程应用进程具有一定的推动作用。 本文首先详细阐述了s v g 的系统结构与工作原理，对s v g 的控制方式进行了总 结与探讨，提出了直接功率控制方式与基于广义功率理论的直接电流控制方式。然后 讲述了瞬时无功功率理论及其无功谐波电流检测方法，指出了它的局限性，首次提 出了应用于任意周期性电压波形电路的电流正交分解法，并在此基础上提出了广义功 率理论与无功谐波电流检测新方法，对基于两种功率理论的无功谐波电流检测方法 进行了仿真验证与比较分析。接下来探讨了i g c t 的结构、原理与新技术，首次应用 o r c a d 建立了i g c t 的原理性电学模型，并进行了动态特性仿真研究。同时详细研 究设计了s v g 主电路的结构参数，以及基于d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的数字控制系 统的硬件、软件与故障保护电路。 最后应用仿真软件m a t l a b 对基于两种控制方式的s v g 进行了系统仿真，验证 了本文所提出的功率理论、电流检测方法、控制方式以及所设计的s v g 系统的正确 性、有效性与优越性。 关键词：瞬时功率理论，无功谐波电流检测，集成门极换向晶闸管一i g c t ，静止无 功发生器，数字控制系统 本课题得到江苏省高新技术项目资助 基于i g c t 的静止无功发生器的研究 a b s t r a c t a san e wv a rc o m p e n s a t o ra n do n eo ft h ef a c t se q u i p m e n t s ，t h es t a t i cv a r c o m p e n s a t o ra t t r a c t se x t e n s i v ea t t e n t i o nf o ri t sp e r f e c tp e r f o r m a n c es u c ha ss m o o t h r e g u l a t i o no fv a ra n dd y n a m i cc a p a b i l i t y , h o w e v e ri ts t i l li nt h es t a r ts t a g ei nt h ed o m e s t i c c o u n t r y i nt h i st h e s i s ，6 k v 2 0 0i g c t - b a s e ds v gi sd e e p l ys t u d i e di nt h e o r ya n ds y s t e m d e s i g n ，i n n o v a t i v ep r o d u c t i o ni sa c h i e v e d ，w h i c hi se x p e c t e dt oa c c e l e r a t et h es t u d ya n d i n d u s t r i a l i z a t i o no fs v gi ns o m es e n s ei nc h i n a f i r s t l y , t h ec o n f i g u r a t i o na n dp r i n c i p l eo fs v g i se x p a t i a t e d a f t e rt h ed i s c u s s i o no f t h ec o n t r o lm o d eo fs v g , t w on e wm o d e s ，n a m e dd i r e c tp o w e rc o n t r o l ( d p c ) a n dd i r e c t c u r r e n tc o n t r o l ( d c c ) r e s p e c t i v e l y , a r ep r o p o s e d s e c o n d l y , i n s t a n t a n e o u sr e a c t i v e p o w e rt h e o r yi sd i s s e r t a t e d ，a n di t sl i m i t a t i o ni sp o i n t e do u t t h eb r o a d - s e n s ep o w e rt h e o r y , w h i c hi san e wc o n c e p tb a s e do no r t h o g o n a ld e c o m p o s i t i o n ，a n dan e wm e t h o do f v a r - h a r m o n i c sc u r r e n td e t e c t i o na r ep r o p o s e da n ds i m u l a t e di nd e t a i lb a s e do nt h ef o r m e r p r o d u c t i o n t h i r d l y ，t h e s t r u c t u r ea n dn e wt e c h n o l o g yo fi g c ti s d i s c u s s e d ，t h e p r i n c i p l e e l e c t r i c sm o d e lo fi g c ti se s t a b l i s h e da n d i t sd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i ci ss i m u l a t e d u s i n go r c a df i r s tt i m e i nt h es a m et i m e ，t h ec o n f i g u r a t i o na n dp a r a m e t e r so fs v g s p o w e rc i r c u i ta n dp r o t e c tc i r c u i t ，a n dt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo fi t sd i g i t a lc o n t r o l s y s t e mb a s e d o nt m s 3 2 0 f 2 812a r er e s e a r c h e da n d d e s i g n e dr e s p e c t i v e l y a tl a s t ，s v gs y s t e m ss i m u l a t i o nu s i n gt h et w oc o n t r o lm o d e sa r ea c c o m p l i s h e dw i t h m a t l a b ，a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l ti sp r e s e n t e dt ov e r i f yt h ec o r r e c t n e s s ，v a l i d i t ya n d a d v a n t a g eo fp r o d u c t i o ni nt h i st h e s i s k e yw o r d s ：i n s t a n t a n e o u sp o w e rt h e o r y , v a r - h a r m o n i c sc u r r e n td e t e c t i o n ，i n t e g r a t e d g a t ec o m m u t a t e dt h y r i s t o r i g c t , s t a t i cv a rg e n e r a t o r , d i g i t a lc o n t r o ls y s t e m 独创性! 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 彩六廖哆 日期：沪q 年易月 - 7f t 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， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容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 描等复制手段保存和汇编本 保密 本学位论文属于 不保密 学位论文作者签名：事是六删马 导师签名： 后适用本授权书。 九呷 签字日期：m 年易月7 日签字日期：棚蒋莎月，矿目 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：母蜘1 油留锄移理地习 电话： 通讯地址：砂籀卑营午 邮编：习 江苏大学硕士学位论文 第1 章绪论 近年来，随着我国经济与社会的快速发展，人们对高质量电力能源的需求同益 增加。然而，电力系统中无功与谐波问题却同显突出，它不但降低电力线路的传输 能力与供电效率，危害电网及用电设备的安全稳定运行，而且会干扰临近通讯系统。 因此，电力系统的无功补偿与谐波抑制成为国内外研究的热点课题之_ 卜4 1 。 静止无功发生器( s t a t i cv a rg e n e r a t o r - - s v g ) 又称为静止同步补偿器( s t a t i c s y n c h r o n o u sc o m p e n s a t o r - - s t a t c o m ) 或静止同步调相机( s t a t i cs y n c h r o n o u s c o n d e n s o r - - s t a t c o n ) ，是柔性交流输电设备的重要成员之一，它具有实时向电力 系统注入感性或容性无功功率、支撑网络节点电压、阻尼系统振荡、补偿高次谐波 等功能，引起了国内外研究与工程领域的广泛关注。随着电力电子技术、现代控制 理论以及计算机控制与通信技术的快速发展，s v g 的容量、电压等级不断得到提高， 装置性能不断完善，大大推动了静止无功发生器的研究与工程实用化进程。 1 1 电力系统中的无功功率及其危害 根据无功功率的物理意义，能量并没有被消耗，而是由于系统中感性或容性储 能元件的存在，在三相之间或者是电源与负载之间来回传递。电力系统中的无功功 率主要由两部分组成，一部分主要是由电流与电压的相位差而导致的基波无功功 率，另一部分主要是由电流的非正弦畸变而导致的谐波无功功率。 基波无功功率是由感性或容性负载引起的，容量较大且相对稳定。电力系统中 的用电设备绝大多数为感性负载，电流相位滞后于电压，因此主要表现为感性无功 功率。近年来，随着电力电子技术的飞速发展，大量的非线性电力负载投入使用， 导致了谐波无功功率呈现同益严重的趋势。电压与电流的相位差与电流的非j 下弦畸 变均会导致电力系统功率因数的下降与电能质量的恶化。因此，电力系统的无功功 率补偿问题应该包括基波无功功率与谐波无功功率的同时补偿，也只有实现了两者 的同时补偿，彳能真正实现系统的单位功率因数运行，保证提供高质高效的电力能 源。 电力系统中无功功率的危害主要表现在三个方面：一是在输电容量不变的前提 下，使输电线路损耗增加，从而降低了线路的电力传输效率与电气使用寿命；二是 基于i g c t 的静止无功发生器的研究 影响系统电压的稳定性，使节点电压偏离额定值，甚至造成系统电压崩溃；三是谐 波无功功率的存在对电能质量的影响同益严重，主要表现为附加的谐波损耗、产生 振动和噪声、绝缘老化、系统电压畸变、电气设备寿命缩短、导致系统谐振等，谐 波还会引起继电保护和自动装置的误动作，对微机及通讯系统造成干扰。由此可见， 电力系统无功功率补偿基础理论与工程应用技术研究的重要性之所在。 1 。2 无功功率补偿装置的发展历史 无功功率补装置基本经历了同步调相机、静止无功补偿器( s v c ) 、静止无功 发生器( s v g ) 三个发展阶段。 1 同步调相机 在电力系统发展的前期阶段，无功功率补偿装置主要包括同步调相机、机械投 切的制动电阻、机械投切的电容器或电抗器。同步电机是最早的无功补偿装置，也 称为同步调相机。它运行于过励状态，可以产生平滑的感性或容性无功功率，具有 较强的补偿控制功能，对调节负荷中心的无功功率平衡和维持负荷中心的电压水平 具有重要的作用。采用机械投切的电容器和电抗器进行无功功率补偿，或在发电机 端口采用机械投切的制动电阻，在输电线出现故障时，投入电阻吸收有功功率，尽 量维持发电机输出的电磁功率与原动机功率的平衡，提高电力系统的暂念稳定性。 机械投切装置在动作过程中产生很大的机械与电气冲击，从而产生功率与电压的瞬 时波动，对系统的安全稳定运行带来威胁。近年来，电网的规模与容量不断扩大， 对电力系统控制的动态性能要求越来越高，如达到周波级的响应速度。而上述几种 无功功率补偿装置都存在响应速度慢、运行噪音大、投切冲击大等缺点，不能满足 现代电网的要求。 2 静止无功补偿器( s v c ) 随着电力电子技术的发展，高压大容量电力电子器件走向实用化，使采用快速 的功率电子丌关( 如晶闸管) 来代替机械丌关成为可能。因此，在2 0 世纪7 0 年代 出现了一系列晶闸管投切与晶闸管控制的并联无功补偿装置，称为静止无功补偿装 置( s t a t i cv a rc o m p e n s a t o r - - s v c ) 0 , 2 】，如晶闸管控制电抗器( 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 - - t c r ) 、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 - - - t s c ) 以及两者 的混合装置( t c i h t s c ) 等。这些补偿装置的响应时间可以达到几十毫秒，而且 2 江苏大学硕士学位论文 t c r 还可以快速平滑的调节无功功率，使电力系统的无功补偿进入了一个新的发展 阶段。s v c 装置克服了同步调相机与机械投切并联补偿装置响应速度慢、运行噪音 大等缺点，具有控制速度快、维护简单、成本较低等优点，从而在电力系统中大量 应用。但s v c 装置也存在一些缺点，如工作于斩波状态的晶闸管会产生较大的谐 波，对电力系统造成污染；其次这些装置并联接入系统后会改变系统的阻抗特性， 过多安装这些设备可能导致出现系统振荡；而且由于这些设备保留了阻抗型装置的 一些特性，系统电压对s v c 装置的补偿效果会产生较大的影响，如电压下降时补 偿电流也减小，导致补偿容量成与电压平方比例下降：另外，由于晶闸管的关断不 能控制，丌关器件的工作频率低，对电能质量的补偿能力相对减弱，动态性能难以 提高，装置的网侧电流谐波含量大。 3 静止无功发生器( s v g ) 随着i g b t 、g t 0 、i e g t 、i g c t 等高压大容量可关断电力电子器件的发展， 2 0 世纪8 0 年代出现了基于可关断器件的电压源或电流源变流器的无功功率补偿装 置，即静止无功发生器( s v g 或s t a t c o m ) 【3 4 】。这种补偿装置完全脱离了阻抗型 装置的特性，成为完全可控的电压源或电流源，使并联无功补偿装置的性能大为提 升。与s v c 装置相比，由于可关断器件的工作频率较高，再与多电平、多重化或 p w m 技术相结合，使得s v g 网侧电流的谐波含量大为减少，调节速度快( 可以达 到1 0 毫秒级) ，运行范围宽，对电能质量的补偿能力得到了提高。更重要的是s v g 装置当中使用的电抗器或电容器的容量远远比s v c 装置要小，这就大大减小了装 置的成本与体积。上述s v g 的种种优越性能使其成为真正意义上的实时无功补偿 装置，代表了电力系统动态无功补偿的发展方向。 1 3s v g 的研究现状与发展趋势 目前国内外对s v g 的研究主要集中在主电路结构、数学建模、控制方法、新型 功率器件的应用、各种补偿功能、安装s v g 后电力系统的稳定性等方面。s v g 研 制成功的国家主要包括美国、德国、瑞士等，我国清华大学与河南省电力局也于2 0 0 0 年成功研制了应用g t o 的_ 2 0 m v a 的s t a t c o m ，并投入运行。 基于i g c t 的静止无功发生器的研究 1 3 1s v g 在电力系统中的作用 s v g 并联接入电力系统中，可以改变系统的导纳矩阵和对角元素，向系统注入 滞后于网侧电压基波的感性或超自才于网侧电压基波的容性电流，从而方便地对系统 进行实时平滑的无功功率补偿，达到控制电力系统有功或无功功率平衡的目的。因 此，并联接入电力系统的s v g 具有如下作用： ( 1 ) 减小输电线路损耗，提高系统功率因数，提高线路传输能力； ( 2 ) 维持或控制节点电压： ( 3 )向电力系统提供或从系统中吸收有功功率； ( 4 )向电力系统提供或从系统中吸收无功功率； ( 5 ) 通过控制功率变化，阻尼系统振荡； ( 6 ) 提高电力系统的暂态与静态稳定性； ( 7 ) 改变系统的阻抗特性； ( 8 ) 补偿系统中的谐波功率，改善电能质量。 1 3 2s v g 的主电路结构研究与新型功率器件的应用 s v g 的主电路按其变流器的结构形式，可以分为电压型和电流型两种基本类 型，其电路结构简图分别如图1 1 和图1 2 所示。电压型s v g 的直流侧并联电容器， 电流型s v g 的直流侧串联电抗器。由于电压型s v g 易于控制，技术相对于电流型 s v g 成熟，所以在应用当中大多为基于电压型变流器的s v g 装置。根据电路拓扑 结构的不同，电压型变流器s v g 的主电路结构又包括三相二电平p w m 电压型变 流器、变压器多重化结构、级联多电平结构( 链式结构) 等【3 ，4 l 。 4 图1 1电压型s v g 主电路结构图图1 2电流型s v g 主电路结构图 目前已经研制成功以及j 下在运行的s v g 所使用的功率器件大多为g t o ，也有 江苏大学硕士学位论文 的电压及容量较小的配电系统用s v g ( d s t a t c o m ) 使用i g b t 。随着电力电子 功率器件的不断发展，人们研制出了新型的高电压大电流功率器件，如对原有的 i g b t 器件进行改进，德国西门子公司已生产出用于高电压的i g b t ，电压可达到 5 0 0 0 v 以上；同本东芝公司于1 9 9 3 年开发研制出的i e g t ( 电子注入增强门极晶体 管) 已经形成商用产品【1 2 】，其额定参数可达到4 5 k v 3 0 0 0 a ：a b b 公司于1 9 9 6 年 开发研制出了i g c t ( 集成门极换向晶闸管) ，开通、关断时间与开关损耗进一步减 小( 关断时间小于5us ) ，目前i g c t 的单管耐压可达到1 0 k v ，电流可达到4 5 0 0 a ， 而且可以不用关断吸收电路【1 3 】；目前人们j 下在对碳化硅和金钢石等禁带很宽、击 穿电场很高、同时又具有高热导率的新型半导体材料进行不断探索与研究，并已获 得了初步成果i i 训。将此类新型电力电子功率器件用于s v g 当中，替代原先的g t o ， 开关频率提高，装置损耗降低，体积减小，运行效率提高，使p w m 技术在中压中 小容量s v g 中的直接应用成为可能，从而不但可以减小网侧电压、电流的谐波含 量、减小装置体积，而且大大提高了s v g 的电压与容量等级。 1 3 3s v g 的建模与控制方法研究 s v g 的建模与控制方法也是s v g 研究的热点。根据s v g 主电路结构的不同， 所建立的数学模型也不尽相同。目前s v g 数学模型主要有以下几种：基于等效电 路的模型、基于开关函数的模型、平均模型等。s v g 的控制方法可以分为间接电流 控制与直接电流控制两种【5 】，间接电流控制就是把s v g 当作一个可控电压源，通 过控制s v g 网侧电压的幅值与相位，从而控制其网侧的电流与功率；而直接电流 控制则是直接对s v g 的网侧电流进行反馈控制，将s v g 视作一个受控电流源【6 。 其他现代控制理论也在s v g 的控制当中得到了运用，如先进p i d 控制、非线性鲁 棒控制8 1 、预测模糊控制【9 1 、逆系统控制【10 1 、递归神经网络逆动力学控制】等。 1 3 4s v g 的研制现状与发展趋势 s v g 作为柔性交流输电技术( f a c t s ) 的重要设备成员之一，自2 0 世纪8 0 年代以来，一直是国内外研究的热点。目自订世界几大著名公司( 如瑞士a b b 公司、 德国西门子公司、美国西屋公司、以及日本东芝公司、三菱公司等) 都研制出了基 基于i g c t 的静止无功发生器的研究 于变流器的s v g 并联补偿装置，主要功能是用于稳定系统节点电压、补偿无功功 率。将国内外s v g 的研制与应用现状总结如表1 1 所剥阶2 5 1 。 表1 1静i 卜无功发生器( s v g ) 国内外研制与应川现状 序号时间 研发单位容颦所川功率器什 11 9 8 0 1日本k e p c o 2 0 m v a 强迫换向s c r 21 9 8 7 1 0 美国w e s t i n g h o u s e 1 m v ag t o 31 9 9 1 日本 8 0 m v ag t o 41 9 9 4 美国 1 0 0 m v ag t o 51 9 9 6 1 0 w e s t i n g h o u s e 、t v a 、e p r i 1 0 0 m v ag t o 61 9 9 7 德国s i e m e n s 8 m v ag t o 72 0 0 1 2 e p r i 、s i e m e n s 2 0 0 m v ag t o 8 1 9 9 9 清华人学、河南电力公司2 0 m v a r g t o 92 0 0 l英国a l s t o m 链式4 - 7 5 m v a r g t o l o2 0 0 2 1 0s d g & e 三电平1 0 0 m v a g t o 1 l2 0 0 3 1 2a l s t o mx 义组7 5 m v a g t o 1 22 0 0 4瑞士a b b研制中l g c t 1 32 0 0 4 清华大学、上海电力公司5 0 m v a 研制中 i g c t 1 9 8 0 年1 月，日本k a n s a i 电力公司( k e p c o ) 与m i t s u b i s i 电机公司共同研 制出了2 0 m v a 采用强迫换向晶闸管桥式电路的s v g ，并成功地投入了电网运行【i 引。 在此之后，美国w e s t i n g h o u s e ( 西屋电气公司) 、e p r i 公司、德国s i e m e n s ( 西门 子) 公司也相继进行了s v g 的研制丌发与工程应用【1 6 2 0 1 。英国a l s t o m 公司于 2 0 0 1 年初研制了首台基于链式结构的7 5 m v a rs t a t c o m 装置，并投入运行1 2 1 。 1 9 9 9 年3 月，由我国清华大学与河南省电力局合作研制的2 0 m v a rs t a t c o m 装 置在河南省朝阳变电站投入运行，使我国成为世界上继日本、美国、德国之后第四 个拥有该项技术的国家1 2 2 1 。目前清华大学与上海电力公司合作，正在研制基于i g c t 5 0 m v a r 链式s t a t c o m 装置【2 3 1 。东南大学、哈尔滨工业大学、西安交通大学等 院校与科研机构也在进行s v g 的相关研究。但国内对s v g 的研究与应用还处于刚 刚起步阶段，具有十分广阔的发展与工程应用前景。 6 江苏大学硕士学位论文 1 4 本课题研究的意义与主要内容 1 4 1 本课题研究的意义 近年来，在国民经济持续高速发展的拉动下，我国的电力建设已进入了历史上 发展最快的时期。“西电东输，全国联网，南北互济，厂网分丌”是我国电力建设 的基本思路与基本国策1 4 j 。这种大规模的电网互联与长距离的电能输送，必须以电 力线路的高输送能力为基础，以整个电力系统的安全可靠运行为保证。这就使得采 用具有优良电压维持功能的动态无功功率补偿装置的必要性变得越来越突出，也为 电力电子技术在我国电力系统中的应用开辟了广阔的前景。由此可见，s v g 对我国 电力工业与经济建设具有极其重要的意义。 1 4 2 本课题研究的主要内容 本课题为江苏省高新技术资助项目，所研制的静止无功发生器容量：2 0 0 k v a ， 电压等级：6 k v 。本课题的研究内容主要包括以下五个方面： ( 1 ) 瞬时功率理论与电流检测方法研究。 ( 2 ) s v g 系统构成与工作原理研究。 ( 3 ) i g c t 的建模与动态特性研究。 ( 4 ) s v g 主电路的研究与设计。 ( 5 ) s v g 数字控制系统的研究与设计和s v g 系统仿真。 1 5 小结 本章首先阐述了电力系统中的无功功率及其危害，无功补补偿装置的三个主要 发展阶段：同步调相机、静止无功补偿器、静止无功发生器。然后重点概述了s v g 的国内外研究现状与发展趋势，s v g 的主要研究方向包括主电路结构、新型电力电 子器件的应用、数学建模与控制方法的研究等。最后给出了本课题研究的意义与主 要内容。 基于i g c t 的静止无功发生器的研究 第2 章s v g 系统的工作原理与基本控制方式 与同步调相机、s v c 等其他无功补偿装置相比，s v g 的系统构成、工作原理都 有较大的不同。s v g 具有更加优越的工作性能，加之采用先进的控制方式与控制策 略，不但动态性能更好，电容器容量比s v c 大为减小，而且无功调节特性更为理 想。 2 1s v g 的系统构成 a 8 现代电力系统要求无功补偿装置能 c 够对电网无功功率进行实时动态补偿，时 间响应要快，装置本身工作可靠性要高， 网侧电压、电流的谐波含量要在相关标准 允许的范围以内。这就要求s v g 装置的 整个系统不仅包括实时无功电流的检测 部分、信号处理部分，而且包括控制器、 变流器、滤波器以及与电力系统的连接设 备。 图2 1s v g 系统构成框图 s v g 的构成框图如图2 1 所示。图中a 、b 、c 表示电力系统三相输电线路， l o a d 为负载，t 为变压器，起到调节电压与平滑滤波的作用，l 为平波电抗器， 起到滤除s v g 网侧谐波，使电压、电流正弦化的作用。c o n v e r t e r 为变流器，它可 以应用不同的主电路拓扑结构，但需要相应的控制方式与之配合。t a 为电流互感 器，t v 为电压互感器，对负载电流与接入点电压进行检测。检测到的交流电流、 电压信号与直流侧电容电压信号u ，垃经过信号预处理模块p p m ( p r e p r o c e s s m o d u l e p p m ) 后，由处理器计算出需要补偿的有功与无功功率值( 指令值) ，其中 有功功率用于补偿装置损耗以及维持直流侧电容电压。然后将计算所得的功率( 或 电流) 指令值与s v g 网侧注入电力系统的实际反馈值进行比较，根据误差值，运 用一定的控制方式与控制策略计算产生出驱动主功率丌关管的控制信号，然后经过 驱动模块i d ( i n s u l a t ed r i v e i d ) 隔离放大后，驱动c o n v e r t e r 的功率开关管动作。 江苏大学硕士学位论文 2 2s v g 的工作原理 2 2 1忽略装置损耗时s v g 的工作原理 s v g 正常工作时，就是通过控制可关断电力电子器件的开通与关断，将直流侧 的直流电压变换成与交流侧电网电压同频率的正弦电压( 实际上是由阶梯波或 s p w m 波组成的正弦调制波) 。当经过平波电抗器滤波以后，可以忽略高次谐波， 而只考虑基波分量，于是s v g 就可以被等效为一个幅值和相位均可以控制的与电 网电压同频率的交流电压源。因此，忽略其损耗时，图1 1 所示的电路就可以等效 为图2 2 ( a ) 所示的单线电路。 卜 u gu | j = j x l ( a ) 等效电路( b ) 吸收感性无功( c ) i 殁收答代尤功 图2 2s v g 等效电路与相量图( 忽略损耗) 图2 2 ( a ) 中0 s 表示电源电压，吼表示s v g 交流侧的电压，而电抗器三上的 电压用矽，表示。将电流，的参考方向定义为由电源侧流向s v g 侧，如图所示。根 据基尔霍夫电压定律可知，0 s = 0 l + 0 g 。 连接电抗器l 上流过的电流可以由它 上面的电压0 。来控制，同时这个电流也是s v g 注入电网的电流。因此，通过改变 s v g 交流侧输出电压d g 的幅值及其与电源电压d s 的相位差，就可以改变连接电抗 器上的电压，从而控制s v g 注入电网电流，的幅值和相位，也就控制了s v g 注入 电网的无功功率的性质和大小。这就是s v g 最基本的工作原理。 在图2 2 ( a ) 中没有计及连接电抗器及s v g 装置的损耗，将连接电抗器视为 纯电感元件，因此，不从电网吸收有功功率。在这种情况下，只需使吼与0 。j 同相， 而仅改变0 g 的幅值，即可以控制连接电抗器上电压d 。的方向与大小，进而控制回 9 基于i g c t 的静止无功发生器的研究 路中电流j 的方向与大小。当0 g 0 s 时，情况则f 好相反，回路中的 电流j 反向，超自i 于电压矽g9 0 。，从电网吸收容性无功功率，此时s v g 的工作向 量图如图2 2 ( c ) 所示。 2 2 2 计及装置损耗时s v g 的工作原理 当计及s v g 装置本身损耗( 如开关损耗、线路损耗等) 以连接电抗器的损耗 时，将总的损耗视作一个与连接电抗器相串联的电阻尺来考虑，则s v g 的等效电 路如图2 3 ( a ) 所示，s v g 工作于感性与容性状态下的向量图如图2 3 ( b ) 、( c ) 所示。 ( a ) 等效电路( b ) 吸收感性无功( c ) 吸收容性无功 图2 3s v g 等效电路与相量图( 计及损耗) 在这种情况下，由于将变流器的有功损耗全部等效到电阻r 上，因此变流器并 不消耗能量，s v g 网侧电压d g 与回路电流j 仍相差9 0 。而电网电压o s 与回路电 流? 的相位却不再是9 0 。，而是比9 0 。小了一个角度万，来补偿串联电阻r 上的损 耗。因此，电网提供了一定的有功功率来补偿s v g 装置与连接电抗器中的损耗， 也就是说相对于电网电压来说，电流j 中有一定的有功电流分量。这个万角也是电 压吼与吼之自j 的相位差，通过改变这个相位差的大小，并且改变电压吼的幅值， 这可以改变回路电流j 的相位与幅值，从而使电流j 相对于电网电压d 。的相位实现 平滑的调节。因此，通过改变万的大小，s v g 装置注入电网的功率可以实现在纯感 性无功功率与纯容性有功功率之间的平滑调节。 l o 江苏大学硕士学位论文 需要特别提出的是，在图2 3 ( a ) 所示的等效电路中，将s v g 装置本身的损 耗也归算到了交流侧的串联电阻r 当中，统一考虑。实际上这部分有功功率损耗发 生在变流器内部，应该由变流器从电网吸收一定的有功能量来补充。因此，s v g 网 侧电压d g 与回路电流? 的相位差并不是严格的相差9 0 。，而是比9 0 。略小，但这 种近似在一定程度上是允许的。 2 2 3 从能量流动角度分析s v g 的工作原理 通过以上分析可知，图1 1 所示的三相p w m 电压型s v g ，实际上是一个可以 实现能量双向流动的三相变流器，它可以实现四象限工作，既可以工作在整流状态， 也可以工作在逆变状态。在s v g 的实际工程应用当中，直流侧一般采用带有充电 装置的电容器或者直流蓄电池组( 即直流电源) ，因此，当作为s v g 运行时，它相 当于一个电压型逆变器，负载是三相交流电网。s v g 工作于感性与容性状态时的四 象限工作向量图如图2 4 所示。 o o 弋 0 1 ，? 7 ( a ) 吸收感性无功( ”吸收容性无功 图2 4s v g 工作点相量图 b 如图中所示，当以电网电动势d 。为参考向量时，p w m 电压型变流器的的工作 点在以。为圆心，以i u 一为半径的圆周上运动。其中坐标横轴以下的半个圆周为整 流工作状态，坐标横轴以上的半个圆周为有源逆变工作状态。由此可见，通过控制 电抗器三上电压口，的大小，可以改变圆的半径，通过控制d ，的相角，可以使工作 点在圆周上滑动。从而可以使p w m 电压型变流器实现四象限运行。作为吸收感性 无功功率的s v g 运行时，工作于图2 4 ( a ) 中的a 点，此时电流j 滞后于电压以 为9 0 。，感性无功功率从电网流入s v g ，而理论上两侧没有有功功率的流动；作 基于i g c t 的静止无功发生器的研究 为吸收容性无功功率的s v g 运行时，工作于图2 4 ( b ) 中的b 点，此时电流，超 前于电压d ，j9 0 。，容性无功功率从电网流入s v g ，理论上两侧也没有有功功率的 流动。通过控制d 。的幅值与相位，就可以改变s v g 的工作点，从而实现无功功率 的平滑调节，这就是s v g 的工作原理。 2 3 三相p w m 电压型s v g 的构成与原理 2 3 1p w m 控制技术在s v g 中的应用 在实际工程应用当中，为了减小s v g 网侧电压、电流中的谐波含量，提高装 置的容量，常采用多重化、多电平与p w m 控制技术，或者几种技术相结合使用。清 华大学与河南电力局研制的2 0 m v a 的s v g 即采用了多重化技术【4 】，西南交通大学 【2 6 】与贵州工业大学2 7 1 研制的s v g 均直接采用了p w m 控制技术，清华大学研制的 三电平d s t a t c o m ( 配电用s n 玎c o m ) 也直接采用了p w m 控制技术【2 引。 如本文第1 章所述，随着i g c t 等新型电力电子器件的不断发展以及s i c 等新 材料的应用，器件的容量与开关频率大幅度提高，开关损耗与导通管压降也不断下 降，这就为p w m 控制技术在s v g 中的直接运用提供了条件。在中小容量s v g 的 场合，应用多重化技术的s v g 装置结构与控制复杂，占地面积大，功率密度小， 成本较高，而直接采用p w m 控制技术的s v g 装置可以克服上述缺点，而且可以 将研究成熟的多种三相p w m 变流器的控制方法( 如相幅控制、滞环电流控制、三 角波比较电流控制、空间矢量控制、直接功率控制等) 直接运用于s v g 装置的控 制系统设计当中。新型电力电子器件i g c t 的工作频率可达2 0 k h z ，额定电压可达 1 0 k v ，额定电流可达3 0 0 0 a ，本课题所设计的基于i g c t 的s v g 额定容量为 6 k v 2 0 0 k v a ，因此，完全可以直接采用p w m 控制技术。 应用p w m 控制技术的s v g 的工作原理与应用多重化技术的s v g 大同小异。 不同的只是前者丌关管的工作频率较高，可以工作在数k h z ，而后者工作频率较低， 工作在5 0 - - 1 5 0 h z 左右；前者网侧电压波形为高频s p w m 波，后者网侧电压波形 为阶梯波；前者较后者省去了多重化变压器，避免了由于多重化变压器的非线性磁 饱和引起的过电流，减小了装置体积与复杂程度，提高了装置的功率密度。 1 2 江苏大学硕士学位论文 2 3 2 三相p w m 电压型s v g 的构成与原理 直接应用p w m 控制技术的电压型三相全桥s v g 的系统结构与图2 1 相同，不 同的是变流器c o n v e r t e r 采用三相全桥p w m 电压型变流器；采用较为成熟的直接 电流控制或间接电流控制方式，触发脉冲仅需生成三路，用于控制a 、b 、c 三相 上桥臂开关管，将其反相后便得到三路用于控制三相下桥臂开关管的触发脉冲。 三相p w m 电压型s v g 的基本工作原理与2 2 节讲述的相同，通过控制变流器 c o n v e r t e r 的开关管，在变流器的交流侧生成基波为工频5 0 h z 的s p w m 波，经过平 波电抗器或连接变压器滤除高次谐波，得到相位与幅值可调的基波正弦电流。 2 4s v g 控制方式的讨论 上文研究分析了s v g 的系统结构与工作原理，而s v g 的控制方式也是s v g 及其相关技术的重点研究课题之一。近年来国内外学者提出了多种不同的控制方 式，总体可以分为两种：问接电流控制与直接电流控制。间接电流控制是通过控制 连接电抗器上的电压降，从而实现控制其支路电流的目的，参与反馈控制的电量是 连接电抗器或s v g 网侧的基波电压；而直接电流控制则是对s v g 网侧支路电流的 直接控制，参与反馈控制的电量就是网侧支路电流。 2 4 1 间接电流控制方式( i c e ) 由文献 3 对s v g 工作原理的论述可知，万角控制、万角与口角联合控制以及相 幅控制均属于间接电流控制( i n d i r e c tc u r r e n tc o n t r o l - - i c c ) 。万角控制的实现过程 可以简单描述为：运用滞后或超前系统电压万角度的正弦指令信号，根据一定的规 律来产生用于驱动逆变器丌关管的驱动信号，从而在s v g 的网侧生成基波滞后或 超前系统电压万角度的s p w m 波或阶梯波电压，该电压与系统电压的向量差作用在 连接电抗器上，产生滞后或超前系统电压的容性或感性无功电流，从而实现吸收或 注入电网无功功率的目的。文献【4 中讲述的p i 逆系统控制( 如图2 5 所示) 、清华 大学在2 0 m v a 的s v g 中应用的幅相控制【6 4 l 都是间接电流控制方式。另一种间接 电流控制方式是将s v g 网侧电压基波作为反馈控制信号，通过控制s v g 的网侧电 压来控制连接电抗器中电流的相位与幅值，从而实现控制吸收或注入电网无功功率 基于i g c t 的静止无功发生器的研究 的目的。 6 角控制方式存在一定的缺点，表现为在实际工程应用当中，占的变化范围很 小( 通常在3 。内变化，对于5 0 h z 的工频系统，2 0 m s 对应3 6 0 。电角度，l 。对 应的时间为2 0 0 0 0 3 6 0 5 5 5 6 | ls ) ，即无功功率对万变化的灵敏度非常高。因此对 s v g 装置及其控制系统硬、软件的精度与速度要求非常高，通常要求驱动脉冲误差 小于o 1 。电角度，即相当于5 5 6 l as 。对于这样的控制精度在工程中实现起来难度 很大。 白j 接电流控制方式系统响应速度较慢，电流波形品质差，多用于较大容量s v g 的场合。因为容量较大时，受 电力半导体器件开关频率的限 制，一般无法像直接电流控制 方式那样对电流波形进行快速 跟踪控制。但新型电力电子器 件i g c t 的出现，在相当大程 度上解决了这一矛盾。 2 4 2 直接电流控制方式( d c c ) 直接电流控制( d i r e c tc u r r e n t c o n t r o l - - d c c ) 也称为电流跟踪控 制，包括三角波p w m 调制控制、滞 环比较控制以及空间矢量控制。在此 控制方式应用中又可以引入由变 图2 5p i 逆系统电流间接控制框图 三角波 换，将三相对称正弦交流量变成两相 图2 6 应用d q 变换的三角波p w m 调制控制坂理框幽 稳定的直流量，以便于信号处理与控制。图2 6 所示的即为应用由变换的三角波 p w m 调制控制原理框图，图示简单，不再详述。这种方法适用于指令电流信号为 正弦波时的情况。 采用滞坏比较控制时，将图2 6 中的三个三角波与三相指令电流的比较器换成 滞坏比较器即可，如图2 7 ( a ) 所示。也可以将三相指令电流与三相反馈电流直接 1 4 江苏大学硕士学位论文 比较后的误差值送入滞环比较器，如图2 7 ( b ) 所示。这是一种非线性控制方法， 具有较强的系统鲁棒性，可以用于指令电流为非f 弦波时的电流跟踪控制。它的缺 点是滞坏的宽度直接影响电流控制的精度及s v g 网侧的谐波含量，开关频率不固 定，并且开关频率与谐波含量( 即电流控制精度) 是一对不可调和的矛盾。 ( a )厩j h d q 燹锹的滞环i 乜流控制方式( b )二丰f i i 乜流题接比较的滞环l u 流挖制办式 图2 7 滞环比较控制原理枢图 空间矢量调制控制方法可参考相关文献。 与间接电流控制方式相比，直接电流控制方式具有更快的动态响应速度与更高 的控制精度，适用于对实时性要求较高的动态补偿装置当中，如有源电力滤波器、 高功率因数整流器等，指令电流可以是正弦波或非正弦波。但在进行幽坐标变换时 需要锁相环以及同步信号( s i n o t ，c o s 6 0 f ) 参与运算，这样以来不但使控制系统更加 复杂，增加了硬件及软件实现难度，而且会影响系统的响应速度与控制精度。 2 4 3 基于瞬时无功功率理论的直接功率控制方式( d p c ) 本文在上述两种s v g 控制方 式的基础上，结合瞬时无功功率理 论，首次提出了一种s v g 的直接 功率控制方式( d i r e c t p o