（电力电子与电力传动专业论文）基于新型dsp的混合型静止无功发生器的研究.pdf

辽宁工程技术大学项士学位论文 2 a b s t r a c t t h i sa r t i c l ea d o p t st h ep r o je c tw h i c hs t a t i cv a rg e n e r a t o r ( s v g ) a n d f i x e d c a p a c i t o r ( f c ) i np a r a l l e lo p e r a t i o n ，t h i sh a l f - s t a t i cv a rg e n e r a t o r ( h s v g ) n o to n l yi m p r o v ep e r f o r m a n c eo fc o m p e n s a t i o ns y s t e m ，b u ta l s o r e d u c et h es y s t e m a t i cc o s t a tp r e s e n tt h o u g ht h e r ea r em a n yk i n d so f h a l f - s t a t i cv a rg e n e r a t o r ，b u ts t a t i cv a rg e n e r a t o ri n v e r t e rw h i c ha d o p t g t oa st h ep o w e rd e v i c e ，t h i sp a p e ru s e si g b tw i t ht h ea d v a n t a g eo f t h eh i g h e rs w i t c hf r e q u e n c ya n ds m a l l e rd r i v i n gp o w e ra st h ep o w e r d e v i c e ，t h u st h es y s t e m a t i cd e s i g ni ss i m p l i f i e d ，p e r f o r m a n c ei so p t i m a l a tp r e s e n t16f i x e d p o i n tt m s 3 2 0 f 2 4 xs e r i e sd s pp r o c e s s o rt h a ta r e r e l a t i v e l yu s e de x t e n s i v e l yo nt h em a r k e t ，w i t ht h ec o n t r a s t ，t h i ss y s t e mh a s a d o p t e d 3 2 f i x e d p o i n t d s pt m s 3 2 0 f 2 812t h a tt e x a si n s t r u m e n t s i n c o r p o r a t e di n t r o d u c e sn e w l ya sm a s t e rc o n t r o lc h i p i t so r d e r sf a s t e r ，a n d h a sb e t t e rc o m p a t i b l ep e r f o r m a n c e i t sa d cm o l d n u m b e rt r a n s f o r m a t i o n m o d u l em a yr e a c ho 2 t h r o u g ht h ea d j u s t m e n tp r e c i s i o n s u c ha d v a n t a g e s a r ea d e q u a t ef o rt h ee l e c t r i c a ln e t w o r km u l t i - s i g n a l sg a t h e r i n g ，p r o c e s s i n g o p e r a t e s b e c a u s e p o w e r s e c t i o n d e p e n d a b i l i t y a n d s t a b i l i t y t h a tt e x a s i n s t r u m e n t si n c o p o r a t e dp r o v i d e sf o rt m s 3 2 0 f 2 812a r en o tg o o d ，t h i s a r t i c l eh a s d e s i g n e d i t sp o w e ra g a i n ，p r o v e dt h a ta l lt h e r ei sal a r g e i m p r o v e m e n ti nd e p e n d a b i l i t ya n ds t a b i l i t yb yt h ee x p e r i m e n t i t a d o p t s f a s tf o u r i e r ( f f t ) a sa l g o r i t h mi na n a l y s i so fh a r m o n i c c o m p o n e n t t h i sp a p e rr e a l i z e s t h eb u t t e r f l ys h a p ea r i t h m e t i cu n i to ff f t t h r o u g ht h ef i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ( f p g a ) ，h a v i n gi m p r o v e dt h e s p e e do fo p e r a t i o ne f f e c t i v e l y t h a te x p l o i t st h er e s p e c t i v ea d v a n t a g e so f d s pa n df p g a s u f f i c i e n t l y f i n a l l y ，t h i sa r t i c l ed e s i g n e db a s e do nt h et m s 3 2 0 f 2 8 12e n h a n c e m e n t c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ( e c a n ) a n d s u p e r i o rc o m p u t e ri n t e l l i g e n c e s u p e r v i s o r ys y s t e m k e y w o r d s ：h a l f - s t a t i cv a rg e n e r a t o r t m s 3 2 0 f 2 8 1 2f p g a i g b t e c a n 辽宁工程技术大学硕士学位论文 创瓤点声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下 进行的研究工作及取得的研究成果。 本文提出了混合型静止无功补偿系统( h s v g ) ，即借 静止无功发生器与固定电容器组并联。硬件采用t i 公司 最新推出的3 2 位定点d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 812 作为控制 器的主控制芯片；文中采用f p g a 实现f f t 算法，设计 实现了t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 和f p g a 的串行通信；设计了基于 t m s 3 2 0 f 2 8 12 的增强型区域网络控制器( e c a n ) 与上位 机的智能监控系统。 在完成论文期间本人发表了相关的杂志论文。 尽我所知，到目前国内外文献未见报道。 作者： 永善冷 日期：泖厶弓。甲 ， 辽宁工程技术大学硕士学位论文 l绪论 1 1 选题背景及意义 随着现代工业技术的发展，电力系统中非线性用电设备越来越多， 尤其是电力电子装置应用的日益广泛，电力系统中的谐波污染问题严重， 而大多数电力电子装置的功率因数较低，给电网带来额外负担，影响供 电质量。因此抑制谐波和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。 解决谐波污染和低功率因数问题主要是通过装设无功补偿装置。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。无功的存在对 公用电网的影响主要有几个方面：无功功率的增加会使输电线路上总电 流增大、视在功率增大，从而使发电机、变压器等电气设备总容量增大； 同时也使设备及线路的损耗相应增大，线路压降增大；另外，会使功率 因数降低，设备的利用率变小。 近年来，由于电网容量的增加，对电网无功要求也与日俱增。静止 无功发生器( s v g ) 具有体积小、容量大、调节连续、响应速度快、经济 性能好等优点，对提高电力系统稳定性、抑制谐波污染、平衡电网无功 功率发挥着重要作用。 然而，静止无功发生器( s v g ) 的设计成本很高，在某些要求很高的 场合才使用。本文提出了一种混合型静止无功发生器，即将静止无功发 生器( s v g ) 与成本低、结构简单的固定电容器组( f c ) 装置并联投入运行。 既充分发挥了s v g 的优越性能，又使系统的设计成本大大降低。但是， 目前出现的混合型无功功率发生器的逆变器均采用g t o 或i g c t ，本文 采用i g b t 作为功率器件，i g b t 驱动功率小、开关频率高、易于模块化 设计，简化了逆变器电路的设计。 对于静止无功发生器的控制器，目前市场上正被广泛使用是t i 公司 生产的1 6 位定点d s p 处理器，它的采集精度不够，而且处理速度达不 到实时性响应的要求。t i 公司最新推出了3 2 位定点d s p 系列芯片一一 t m s 3 2 0 c 2 8 x 系列，它的处理和控制能力相对于1 6 位d s p 有大幅度的 提高。本文采用的是t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 作为主控制芯片，提高了数据采集的 辽宁工程技术大学硕士学位论文 2 精度，缩短了指令运行的周期，更适合实时性系统。 由于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 对电源的要求比较高，它的模拟输入电源为 3 3 v ，内核数字电源为1 8 v ，所以t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的电源是系统稳定可 靠运行的关键。本文对t i 公司提供的电源电路进行了改进，提高了电源 的稳定性和可靠性。并且设计了电源的监视电路，用来监测电源的故障。 目前，国内外有很多厂家生产研制无功自动控制器，但普遍存在着 一些不足，如系统容易发生“投切振荡”现象、结构设计不合理、设计 成本高等。因此有必要深入研究，在吸取国内外同类产品经验的基础上 解决目前控制器所存在的种种问题，使无功自动控制系统更加完善。 1 2 无功补偿国内外发展概况 1 2 1 国外发展概况 最初随着电力系统的发展，要求对无功功率进行动态补偿，从而产 生了同步调相机( s y n c h r o n o u sc o n d e n s e r - - s c ) 。自2 0 世纪2 0 、3 0 年代 以来的几十年中，同步调相机在电力系统中作为有源的无功补偿，曾发 挥着主要作用。7 0 年代以来，同步调相机开始逐渐被静止无功补偿装置 ( s v c ) 代替，从2 0 世纪7 0 年代中期开始，美国的g e 公司、b b c 公司 ( 现为a b b 公司) 和s i e m e n s 公司先后开发出了t c r 型s v c 装置， t 9 7 7 年美国g e 公司首次在实际电力系统中演示运行了其使用品闸管的 静止无功补偿装置。1 9 7 8 年，在美国电力研究院的支持下，西屋电气公 司制造的使用晶闸管的静止无功补偿装置投入实际运行。并开始应用于 工业用户和输配电领域。 2 0 世纪8 0 年代以来，一种更为先进的静止型无功补偿装置出现了， 这就是采用自换相变流电路的无功补偿，有人称为静止无功发生器 ( s t a t i cv a rg e n e r a t o r - - 一s v g ) ，也有人称其为高级静止无功补偿器 ( a d v a n c e d s t a t i cv a rc o m p e n s a t o r 一一a s v c ) 或静止调相器( s t a t i c c o n d e n s e r - - - - s t a t c o n ) 。s t a t c o n 在国际上已有几十套示范工程投 入使用，单套容量已达到2 0 0 m v a r ，该技术正在逐渐成熟。最近，日本 和美国已分别有数台s v g 装置投入实际运行。 进入9 0 年代后，a b b 、s i e m e n s 、日本东芝、三菱等大公司的全数 辽宁工程技术大学硕士学位论文 字化大容量t c r 型s v c 装置进入了实用化阶段，装置的可靠性和无功 补偿的效果得到了明显提高。截止到2 0 0 0 年，全世界已有超过4 0 0 套、 总容量约为6 0 g v a r 的s v c 在输配电系统中运行；全世界已有超过6 0 0 套、总容量约为4 0 g v a r 的s v c 在工业部门使用。 目前，除对s v c 和s v g 的无功补偿进一步的探讨外，人们还研究 用于动态无功补偿的其它各种形式的静止变流器，包括堵流型自换相桥 式电路，交一交变频电路以及交流斩波电路等，直至最近，美国电力研 究院还提出统一潮流控制器( u n i f i e dp o w e rf l o wc o n t r o l l e r 一一u p f c ) 。 事实上，s v c 、s v g 和u p f c 都是柔性交流输电系统( f l e x i b l ea c t r a n s m i s s i o ns y s t e m 一一f a c t s ) 中的器件。所谓柔性交流输电系统，是 2 0 世纪8 0 年代以来由美国电力研究院提出的一个崭新概念。 1 2 2 国内发展概况 早期，我国的无功补偿装置都是从国外引进的。我国在2 0 世纪8 0 年代初期由机械部和电力部联合引进了b b c 公司的t c r 型s v c 动态无 功补偿技术，并经过多年的努力在大冶钢厂投入使用，但由于其控制器 和调节器采用的是模拟技术，冷却系统采用半封闭开放式手动方式，自 动化程度和装置的可靠性较低，因此没有得到广泛使用。 自2 0 世纪8 0 年代以来，中国电力科学研究院一直致力于s v c 技 术的研究、开发，为具备完全自主知识产权的s v c 国产化做出了巨大贡 献。该院2 0 0 1 年推出了t c r 型s v c 新平台，采用全数字化控制、封闭 式纯水冷却、综合自动化、光电触发等一系列新技术，并成功应用到了 工业用户( 交流电弧炉、轧机上) 及电网变电站的无功电压控制中，技术 上已经同国外各大公司处于同等水平。从2 0 0 1 年起该院已为工业用户 提供了2 6 套1 0 - 3 5 k vt c r 型s v c 新平台，有效地改善了电网的电能 质量，保证了用户安全、可靠生产和节能降耗。 目前，国内已出现2 0 m v a r 的工程样机，更大容量的装置正在研制。 1 2 3 无功补偿的主要形式 动态无功补偿技术从传统的带旋转机械的方式到现代的电力电子元 件的应用经历了近一个世纪的发展历程，大体可分为以下几个阶段：( 1 ) 辽宁i 程技术大学硕士学位论文 字化大容量t c r 犁s v c 装置进入了实用化阶段，装置的可靠性和无功 补偿的效果得到了明显提高。截止到2 0 0 0 年，全世界已有超过4 0 0 套、 总容量约为6 0 0 v a r 的s v c 在输配电系统中运行；全世界已有超过6 0 0 套、总容量约为4 0 g v a r 的s v c 在工业部门使用。 目前，除对s v c 和s v g 的无功补偿进一步的探讨外，人们还研究 用于动态无功补偿的其它各种形式的静l 变流器，包括堵流型白换相桥 式电路，交一交变频电路以及交流斩波电路等，直至最近，美国电力研 究院还提出统 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 一一u p f c ) 。 事实上，s v c 、s v g 和u p f c 都是柔性交流输电系统( f l e x i b l ea c t r a n s m i s s i o ns y s t e m 一一f a c r j s ) 中的器件。所谓柔性交流输电系统，是 2 0 世纪8 0 年代以来由美围电力研究院提出的一个崭新概念。 1 2 2 国内发展概况 早期，我同的无功补偿装置都是从国外引进的。我国在2 0 世纪8 0 年代初期由机械部和电力部联合引进了b b c 公司的t c r 型s v c 动态无 功补偿技术，并经过多年的努力在大冶钢厂投入使用，但由于其控制器 和调节器采用的是模拟技术，冷却系统采用半封闭开放式手动方式，白 动化程度和装置的可靠性较低，因此没有得到广泛使用。 自2 0 世纪8 0 年代以来，中国电力科学研究院一直致力于s v c 技 术的研究、丌发，为具备完全自主知识产权的s v c 国产化做出了巨大贡 献。该院2 0 0 1 年推出了t c r 型s v c 新平台，采用全数字化控制、封闭 式纯水冷却、综合自动化、光电触发等系列新技术，并成功应用到了 工业用户( 交流电弧炉、轧机上) 及电网变电站的无功电压控制中，技术 r 已经同国外各大公司处于同等水平。从2 0 0 1 年起该院已为工业用户 提供了2 6 套1 0 3 5 k vt c r 型s v c 新平台，有效地改善了电网的电能 质量，保证了用户安全、可靠生产和节能降耗。 目前，国内已出现2 0 m v a r 的工稗样机，更大容量的装置f 在研制。 1 2 3 无功补偿的主要形式 动态无功补偿技术从传统的带旋转机械的方式到现代的电力电子元 件的应用经历了近一个世纪的发展历程，大体可分为以下几个阶段：( 1 1 件的应用经历了近一个世纪的发展历程，大体可分为以下几个阶段：( 1 ) 辽宁工程技术大学硕士学位论文 字化大容量t c r 型s v c 装置进入了实用化阶段，装置的可靠性和无功 补偿的效果得到了明显提高。截止到2 0 0 0 年，全世界已有超过4 0 0 套、 总容量约为6 0 g v a r 的s v c 在输配电系统中运行；全世界已有超过6 0 0 套、总容量约为4 0 g v a r 的s v c 在工业部门使用。 目前，除对s v c 和s v g 的无功补偿进一步的探讨外，人们还研究 用于动态无功补偿的其它各种形式的静止变流器，包括堵流型自换相桥 式电路，交一交变频电路以及交流斩波电路等，直至最近，美国电力研 究院还提出统一潮流控制器( u n i f i e dp o w e rf l o wc o n t r o l l e r 一一u p f c ) 。 事实上，s v c 、s v g 和u p f c 都是柔性交流输电系统( f l e x i b l ea c t r a n s m i s s i o ns y s t e m 一一f a c t s ) 中的器件。所谓柔性交流输电系统，是 2 0 世纪8 0 年代以来由美国电力研究院提出的一个崭新概念。 1 2 2 国内发展概况 早期，我国的无功补偿装置都是从国外引进的。我国在2 0 世纪8 0 年代初期由机械部和电力部联合引进了b b c 公司的t c r 型s v c 动态无 功补偿技术，并经过多年的努力在大冶钢厂投入使用，但由于其控制器 和调节器采用的是模拟技术，冷却系统采用半封闭开放式手动方式，自 动化程度和装置的可靠性较低，因此没有得到广泛使用。 自2 0 世纪8 0 年代以来，中国电力科学研究院一直致力于s v c 技 术的研究、开发，为具备完全自主知识产权的s v c 国产化做出了巨大贡 献。该院2 0 0 1 年推出了t c r 型s v c 新平台，采用全数字化控制、封闭 式纯水冷却、综合自动化、光电触发等一系列新技术，并成功应用到了 工业用户( 交流电弧炉、轧机上) 及电网变电站的无功电压控制中，技术 上已经同国外各大公司处于同等水平。从2 0 0 1 年起该院已为工业用户 提供了2 6 套1 0 - 3 5 k vt c r 型s v c 新平台，有效地改善了电网的电能 质量，保证了用户安全、可靠生产和节能降耗。 目前，国内已出现2 0 m v a r 的工程样机，更大容量的装置正在研制。 1 2 3 无功补偿的主要形式 动态无功补偿技术从传统的带旋转机械的方式到现代的电力电子元 件的应用经历了近一个世纪的发展历程，大体可分为以下几个阶段：( 1 ) 辽宁工程技术大学硕士学位论文 同步调相机：响应慢、噪音大、损耗大、技术陈旧；( 2 ) 开关投切电容器： 补偿方式响应慢，连续可控性差；( 3 ) 晶闸管控制电抗器( t c r ) 型、晶闸 管投切电容器f t s c ) 型s v c 装置和t c r + t s c 混合型s v c 装置：这类无 功补偿装置采用晶闸管串联控制技术，损耗小、速度快、控制灵活，是 比较成熟、实用的技术；( 4 ) 静止无功发生器( s t a t c o m ) - 采用可关断器 件串联技术，速度更快，控制灵活，占地面积小，是更先进的技术，也 是未来的发展方向。 i 、同步调相机 同步调相机是早期无功补偿装置的典型代表。它相当于空载运行的 同步电动机。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，它从系统吸取感性无功功率，降低系统电压。然而， 由于它是旋转电机，噪声和损耗都较大，运行维护也复杂，响应速度慢， 因此，在很多情况下已无法适应快速无功功率补偿的要求。 2 、开关投切电容器 应用交流接触器控制投切电容器，受交流接触器操作频率及寿命的 限制，而且，投入时冲击电流大，切除时产生过电压，自身触头易损甚 至熔焊，噪声大，设备故障率高，可靠性差。在控制环节上基本不能满 足分相、分级、快速及跟踪补偿的要求。 3 、晶闸管控制电抗器( t c r ) 型s v c 装置 t c r 型补偿器由t c r 和若干组不可控电容器并联而成。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 一l 所示。 u ( t r 图1 1t c r 补偿器原理图 通过控制与电抗器串联的双向晶闸管的导通角，既可以向系统输送 感性无功电流，又可以向系统输送容性无功电流。 由于该补偿器响应时间快( 小于半周波) ，灵活性大，而且可以连续调 辽宁工程技术大学硕士学位论文 节无功输出，所以目前在我国的电力系统中应用最为广泛。但该补偿装置 输出的电流中含有较多的高次谐波，而且电抗器体积大，成本也比较高。 4 、晶闸管投切电容器( t s c ) 型s v c 装置 为了解决电容器组频繁投切的问题，t s c 装置应运而生。t s c 型补 偿器由一组并联的电容器组成，每一台电容器都与双向晶闸管串联，其单 相原理图如图卜2 所示。 t ( t ) r 图卜2t s c 补偿器原理图 这里的晶闸管仅起开关的作用，替代常规电容器所配置的机械式开 关。在运行时，根据所需补偿电流的大小，决定投入电容的组数。由于电 容是按组投切的，所以会在电网中产生冲击电流。为了实现无功电流尽可 能的平滑调节，有两个解决办法：首先可以增加电容的组数，组数越多， 级差就越小，但这必然会增加运行成本，如何协调二者的关系，是电网公 司应该考虑的问题；其次就是要把握电容器的投切时问。研究表明，最佳 的投切时间是晶闸管两端电压为零的时刻，也就是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。所以t s c 一 般都是采取过零投切的。 5 、t c r + t s c 混合型s v c 装置 t s c 补偿器可以很好的补偿系统所需的无功功率，如果级数分得足 够细化，基本上可以实现无级调节。但t s c 对于抑制冲击负荷引起的电 压闪变。t c r 能提供可调的感性无功功率，但单独的t c r 只能吸收无功 功率，而不能发出无功功率，而且容易产生谐波，二者的缺点正是对方的 优点，所以t c r + t s c 型补偿器应运而生。其单相原理图如图卜3 。 所有形式的s v c 都属于并联无功补偿，补偿原理通过控制晶闸管的 触发角，改变接入电网中的等效电纳，从而达到调节输出无功的目的。 辽宁x - 程技术大学硕士学位论文6 u ( t ) 图1 3t c r + t s c 补偿器原理图 6 、静止无功发生器 静止无功发生器( s t a t i cv a rg e n e r a t o r ) 又称静止无功调相机( 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 ) 。静止无功发生器的典型电路如图 卜4 所示。 工 卜一士j 土 z严平。 1卜下 摊 l 上 卜一士i严平。卜歪 i1 上 卜士j卜士l 卜五 l j _ iii ， 1 l 卜本z卜本l ，iii 。 严牟 1 i a ) 电压型桥式电路b )电流型桥式电路 图卜4 静止无功发生器结构图 s v g 相对于多型式的s v c 来讲，其优势是十分明显的，响应速度快 吸收无功连续，产生的高次谐波量小、分布少；而且可以分相调节，损耗与 嗓音小。静止无功发生器有取代静止无功补偿器的趋势。当然，s v g 的控 制方法和控制系统显然要比s v c 复杂：s v g 要使用数量较多的较大容量 全控型元件，其价格目前仍比s v c 使用的普通晶闸管高得多，随着器件水 平的提高和成本的降低，s v g 具有如此优越的性能，显示了动态无功补 偿装置的发展方向。 1 3 现有功率因数补偿装置存在的问题 从外部特性和各项指标看，现有功率因数补偿装置存在以下问题： ( 1 ) 容易发生“投切振荡”现象 所谓“投切振荡”是指在某些负荷下，若投入一组电容器，功率因 数超过规定的上限：若切下这组电容器，功率因数又低于下限，因此发 辽宁工程技术大学硕士学位论文 生反复投切现象。这种现象的发生，一方面与电容器的分组数及容量有 关：另一方面也与控制器的功率因数上、下限设置范围以及调节时间有 关。需要从控制器的功能设计上加以解决。 ( 2 ) 结构设计不合理 前面已经对无功补偿的几种主要形式进行了简单介绍，可以看到每 种形式都有各自的优缺点，单独使用时都会存在不同程度的缺点。目前， 有文献介绍将s v g 与t s c ( 或t c r ) 并联使用。但是，也不可避免地出现 了振荡现象、设计难易程度等问题。 ( 3 ) 设计成本 根据可靠分析，目前性能最好的静止无功发生器，它的成本大约是 3 5 0 - 4 0 0 元k v a r ，如果在不同的现场，运行条件不同，这个价格有可 能还会更高，这对于用电企业来说，也是一项沉重的负担。 因此我们有必要深入研究，在吸取国内外同类产品经验的基础上解 决目前功率因数补偿装置所存在的种种问题，使无功自动控制装置更加 完善，成本更低。 1 4 本文研究的内容与主要任务 针对当前对电力系统无功补偿的要求越来越高，比较不同形式的补 偿系统，本文提出了一种新型的无功功率发生器，是由静止无功发生器 f s v g ) 年i f c 固定电容器组并联而成的。并设计了基于i g b t 的逆变器电 路以及驱动、保护电路。设计了基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 d s p 的硬件控制系统， 并给出了部分软件流程，运用t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 内嵌的增强型区域网络控制 器( e c a n ) ，简单设计了上位机监控系统。 本文所要做的工作有以下几个方面： ( 1 ) 提出了一种新型的无功功率发生器，即s v g + f c 混合型静止无功 发生器( h s v g ) 。简要阐述了其结构和原理。设计了基于i g b t 的逆变器， 以圾对其驱动、保护电路进行了设计； ( 2 ) 设计了基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 d s p 芯片的控制器。主要特点是采集控 制精度高、指令速度快、方便灵活、通用性强； ( 3 ) 通过t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 内部a d c 模块实现a d 转换，并对其结果进 辽宁工程技术大学硕士学位论文 行校正，使转换精度达o 2 ； ( 4 ) 由于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 对电源的要求比较高，本文对t i 公司提供的 电源重新进行了设计，提高了电源的稳定性和可靠性； f 5 ) 对于功率的计算和谐波的分析，本文采用了传统有效的f f t 算 法。本文利用了f p g a 的并行工作处理方式，实现了f f t 的蝶形运算器， 有力地节省了系统的硬件资源； ( 6 ) 设计了基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的增强型区域网络控制器( e c a n ) 与上 位机的智能监控系统，给出了软件实现流程图。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 9 2 无功补偿的结构及原理 2 1 混合型静止无功发生器的基本结构 2 1 1 概述 首先，对于各种型式的无功补偿器有缺点进行以下比较： ( 1 ) 机械开关投切电容器及电抗器 优点：损耗小，成本低；缺点：调节速度慢，一般在秒级：机械开 关容易损坏：不能连续调节，冲击大： ( 2 ) 可控硅投切电容器( t s c ) 及电抗器( t c r ) 优点：投切速度快，一般在1 0 毫秒左右；成本低；缺点：不能连续 调节，冲击大： ( 3 ) 同步调相机 优点：吸收少量有功功率，可以平滑调节吸收和发出无功功率；缺 点：调节速度慢，一般在秒级；噪声大；运行维护困难； ( 4 ) 静止无功补偿器( s v c ) 优点：速度快，一般在几十毫秒左右；可连续平滑调节；系统故障 时，不容易过流；缺点：存在谐波，需装滤波器；无功电流与电压成比 例，电压低时补偿；效果差；可能导致谐振； ( 5 ) 静止无功发生器( s v g ) 优点：速度快，一般在2 0 毫秒比s v c 更快；可连续平滑调节；无 谐波，无需安装滤波器；不存在谐振问题：无功电流与电压无关，电压 低时特性好；缺点：电路复杂，控制复杂；系统故障时，容易出现过电 流，保护复杂；成本高； 从以上分析可以看出，s v g 的性能最好。本文采用混合无功补偿方 案，将s v g 与传统的固定电容器组( f c ) 并联，用固定电容器组补偿一部 分无功功率。这样使得系统成本价格大大降低，而且又能充分发挥s v g 的优越性能。 2 1 2 混合型静止无功发生器的基本结构 混合型静止无功发生器的结构示意图如图2 1 所示。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 电 网 次 侧 l i s v g l i i l f ci l 一一i 图2 i混合型静止无功发生器结构示意图 混合型静止无功发生器是由静止无功发生器( s v g ) 和f c 装置两部分 组成。根据所需补偿容量确定f c 装置的容量，由固定电容器组提供部 分无功功率，其余部分由s v g 来承担，通过s v g 自动调节吸收或发出 无功来维持电网的无功平衡。 f c 装置可以提供固定容量的无功功率，对电网进行补偿。在电网电 压波动不大的情况下，它所提供的容量是一定的。由于f c 装置的结构 简单，运行维护方便，故障范围小，投资省等特点。将f c 装置投入电 网运行，有力地减少了s v g 的补偿容量，这就使整个系统的投资下降。 s v g + f c 补偿系统和s v c 相比，性能和价格的比更优。所以，混合型无 功功率发生器的发展前景非常的广，有很高的研究价值。 混合型静止无功发生器( 1 4 s v g ) 与传统静止无功率补偿器( s v c ) 相 比，具有如下优点： 1 ) s v g 电压特性优于s v c 。s v g 输出的无功功率与所接系统电压成 正比：s v c 输出的无功功率与所接系统电压平方成正比。即s v g 抑制电 压波动的能力大大优于s v c 。 2 ) s v g 较s v c 有更快的动态响应速度。 3 ) s v g 适应系统异常变化能力强。 4 ) h s v g 设计容量为s v c 的一半。 5 ) 当f c 故障时，s v g 仍可单独运行。 6 ) s v g 抗干扰能力强，电磁兼容性好。 2 , 2 混合型静止无功发生器的基本原理 混合型静止无功发生器是由静止无功发生器( s v g ) 和f c 装置两部分 组成。f c 的容量根据电网所需补偿容量来确定的，动态补偿部分是由 辽宁_ y - 程技术大学硕士学位论文 s v g 实现的。 其中静止无功发生器s v g 由启动整流器、逆变桥、直流电容器组、 逆变器输出变压器、连接变压器、高压开关柜、控制单元、检测单元、 保护单元等组成。 s v g 的原理结构框图如图2 - 2 所示。 电 网 图2 2 静止无功发生器的原理结构图 控制器输入电源母线电压及干扰性负荷的三相电流为被补偿对象， 经过矢量变换将干扰性负荷的三相电流卜、7 , b 、7 c c 变换成l 、2 a ，将2 d 分 解为0 刮“一，经过数字滤波器滤除的直流分量l ，保留b 的交流分量 二 2 “，将2 d 和作为被补偿的无功电流变量：电流控制电路实时跟踪补 偿电流的指令值，并对逆变器的输出电流“、“、2 n 加以反馈控制，经 由p w m 控制电路控制逆变器i g b t 的通断。 由于s v g 正常工作时就是通过i g b t 的通断将直流侧电压转换成交 流侧与电网同频率的输出电压，只不过电压型逆变器交流侧输出接的是 电网。因此，当仅考虑基波频率时，s v g 可以等效地被视为幅值和相位 均可以控制的一个与电网同频率的交流电压源。它通过连接电抗器连接 到电网上。所以，s v g 的工作原理就可以用如图2 3 所示的等效电路图 来说明。设电网电压和s v g 输出的交流电压分别用相量凼和驴，表示， 则连接电抗x 和r 上的电压d ，即为哓和d ，的相量差，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j 。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 2 因此，改变s v g 交流侧输出电压( 7 ，的幅值及其相对于晓的相位，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。 图2 3s v g 等效电路 在图2 - 3 的等效电路中，将连接电抗器视为纯电感( u pr = o ) ，没有考 虑其损耗以及逆变器的损耗，因此不必从电网吸收有功能量。在这种情 况下，只需使【7 ，与映同相，仅改变d ，的幅值大小就可以控制s v g 从电 网吸收的电流，是超前还是滞后9 0 。，并且能控制该电流的大小。如图 2 - 4 所示。当抄，大于晓时，电流超前电压9 0 。，s v g 吸收容性的无功功 率；当玩小于晓时，电流滞后电压9 0 。，s v g 吸收感性的无功功率。 i 。卜 u ， ( a ) 容性功况( b ) 零无功( c ) 感性功况 图2 4 无功示意图( 纯电感时) 考虑到连接电抗器的损耗和逆变器本身的损耗，并将总的损耗集中 作为连接电抗器的电阻考虑，则s v g 的实际等效电路如图2 3 所示 ( r 撑o ) ，其电流超前和滞后工作的相量图如图2 5 所示。在这种情况下， s v g 输出的交流电压d ，与电流仍相差9 0 。，因为逆变器无需有功能量。 而电网电压晚与电流j 的相差则不再是9 0 。，而是比9 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，也就是说相对于电网电压 来讲，电流j 中有一定量的有功分量。这个占角也就是s v g 输出的交流 电压与电网电压的相位差。改变这个相位差，驴，的幅值将相对改变，则 串 辽宁工程技术大学硕士学位论文 产生的电流j 的相位和大小也就随之改变，s v g 从电网吸收的无功功率 也就因此得到调节。 i u ， ( a ) 容性功况 = 兰j u i ( b ) 零无功( c ) 感性功况 图2 - 5 无功示意图( 有损耗时) 总之，逆变器输出变压器和连接变压器的漏抗使混合型无功功率发 生器与系统连接电抗：电压逆变器输出相位与幅值均可以调节对称基频 三相正弦交流电压；可以与系统交换有功功率或无功功率；没有功率消 耗的无功功率发生器通过改变其输出电压的幅值实现与交流系统交换无 功功率；当输出电压的幅值大于系统电压幅值时，输出滞后的无功功率； 当输出电压的幅值小于系统电压幅值时，吸收滞后的无功功率起电抗器 的作用；当输出电压的幅值与系统电压幅值相等时，与交流系统之间将 没有无功功率的交换。 脉冲发生器采用系统电压的基波正序分量作为同步信号，并经过同 步增长信号处理电路得到同步电压过零信号，在各相的过零信号出现时 刻，开始发出相应的p w m 波形；同步信号的产生采用过零同步，即对 系统三相电压信号进行处理后取出一相基波正序电压作为同步信号，当 该同步信号过零时作为脉冲发生器脉冲的同步点同时通过测量2 个正 向或负向过零点之间的时间作为周期计算出同步信号的频率。 混合型静止无功发生器使用直流电容维持稳定的直流电源，具有容 量小、成本低、输出电压谐波含量小的特点。可以从额定滞后工况到额 定超前工况连续调节输出无功，在系统电压很低的情况下，仍能输出额 定无功电流，对提供稳态负载的无功支持可比静止型无功功率补偿器容 量小15 3 0 。混合型静止无功发生器有更快的动态响应速度，响应时 间小于3 0 m s 在抑制系统的功率震荡和提高系统稳定性方面有最好的效 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 4 果，每k v a i 的输出约能提高o 5 o 7 k v 的暂态稳定极限值。具有动态的 维持输电线路端电压，提高输电线路稳态传输功率极限、提高电力系统 暂态稳定水平、阻尼电力系统震荡、抑制系统过电压、改善系统电压稳 定性、滤掉系统中的谐波含量的作用。可应用于电力系统中，起到无功 功率及电压的强有力支撑的作用，保证电网的安全与经济合理运行，又 可用于用户端改善电能质量、解决电弧炉及电气化铁路系统产生的电压 波动、闪变及不对称运行所产生的危害，解决轧钢机、卷扬机冲击负荷 所引起的电网电压畸变，以及高次谐波电流对电网的污染，以改善电能 质量和提高产品质量。 2 , 3 基于i g b t 的逆变器的设计 通过上面的分析，我们可以得出：s v g 的基本原理就是将自换相桥 式电路通过连接变压器并联在电网上，适当地调节桥式电路交流侧输出 电压的相位和幅值，同时控制其交流侧电流，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。 从原理的分析中可以看到，无功发生器主要是通过对逆变器的调节， 控制无功的发出和吸收，来维持电网的无功平衡。逆变器在无功发生器 中起着至关重要的作用。所以，对逆变器的设计就显得非常重要了。 下面主要介绍一下逆变器电路，以及其驱动保护电路等。 2 , 3 1 基于i g b t 的逆变器的应用 电力半导体器件种类繁多，各有特点。实践中，应根据补偿系统的 频率和容量，以及目前已商品化的电力半导体器件的开关速度高低，驱 动功率的大小，驱动电路的复杂程度，单管或单个模块的容量大小，价 格高低选用，综合考虑。 i g b t 以其输入阻抗高、开关速度快、通态电压低、阻断电压高、承 受电流大等特点，已成为当今功率半导体器件发展的主流器件。i g b t 属电压驱动，驱动功率小，合理的驱动保护是i g b t 安全工作的前提条 件，特别是选择合理的栅极驱动电压u 。和合理的栅极串联电阻r ，以 u 及过电压过电流保护尤为重要。i g b t 模块的应用电路有：半桥电路逆变、 全桥电路逆变、三相逆变、斩波应用等。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 而g t o 驱动电路复杂，相比之下g t o 的驱动功率最大。所以在设 计逆变器时g t o 必然要被i g b t 取代。 i g b t 驱动保护的要点： 1 、i g b t 栅极驱动电压u 。 理论上u ，u 。) ，即栅极驱动电压大于阈值电压时i g b t 即可开 通，一般情况下闺值电压u 。( 腩) = 5 6 v 。为了使i g b t 开通时完全饱和， 并使通态损耗最小，又具有限制短路电流能力，栅极驱动电压u 。需要选 择一个合适的值。 2 、i g b t 栅极电阻r 。 选择适当的栅极串联电阻胄。对i g b t 驱动相当重要。当月。增大时， 可抑制栅极脉冲前后沿陡度和防止振荡，减小开关d i d t ，限制i g b t 集 电极尖峰电压。因此，应根据i g b t 电流容量和电压额定值以及开关频 率选取r 。值。 3 、i g b t 过电压过电流保护 过电压过电流是造成i g b t 损坏的两大主要因素，应加以有效的保 护。对于过电流，可以采用电流传感器保护，还可以采用通惫电压吃( o n ) 来保护。对于过电压，通常采用r c d 吸收过电压尖峰，最好是采用无感 电阻和无感电容。同时，必须尽量减少或者消除布线时的杂散电感，另 外，还可以通过适当增加栅极串联电阻r 。来抑制过电压尖峰。 2 3 2i g b t 的驱动电路 e x b 8 4 1 和m 5 7 9 5 9 l 均能实现对i g b t 的驱动与保护。但是e x b 8 4 l 它的外围电路简单，仅需单电源( + 2 0 v ) 供电；而m 5 7 9 5 9 l 则需双电源 ( + 15 v ，1 0 v ) 供电。e x b 8 4 1 在实现正常关断时仅能提供5 v 的偏压，在 频率较高、负载过大、现场环境恶劣的情况下关断就显得不可靠。 m 5 7 9 5 9 l 则可输出一1 0v 的偏压，能可靠地关断i g b t 。m 5 7 9 5 9 l 有封闭 性软关断功能而e x b 8 4 1 则无封闭性保护功能。在短路保护时，其栅压 的软关断过程会被输入的关断信号所打断。所以在这里采用m 5 7 9 5 9