（电力电子与电力传动专业论文）基于滞环控制的静止无功发生器的研究.pdf

黑龙江科技学院硕士学位论文 a b s t r a c t r e a c t i v ep o w e ra n dh a r m o n i e sc o n t a m i l l a l j o nb c c o m em o l ea n di n o r e ：s e l i t e l - e p r o b l e m si np o w e rs y s t e ms ot h a tp o w e rq u a l i t yg o e sd o w nb e c a u s eo ft h e e v e r - i n c r e a s i n gn o n l i n e a rl o a d s ，s u c h 雒c o n v e l t c r ，v a r i a b l es p e e dd r i v e r s ，a r c f u l n a c e e t e i nt e r mo ft h ei n f l u e n c eo fd cm o t o rt op o w e rs y s t e ma a d e s t a b l i s h m e n ta r o u n do fi t i ts u g g e s t ss t a t i cv a rc o m p e n s a t o rt o 硎i z ed y m m i e c o m p e n s a t i o no f n o n l i n e a rl o a d s r e a c t i v el 0 w e ra n dh a r m o n i c s i t a n a l y s e st h ec l y m m i cc o m p e n s a t i o nt h e o r y , e o n f i g u r a l i o na n dw o r k i n g p r i n c i p l eo fs v ga n di td i s c u s s e ss e v e r a lk i n d so f r e f e r e n c ec u r r e n td e t e c t i o na n d t h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fs e v e r a lt y p i c a lc o n t r o lm e t h o d s d i r e c t c o n t r o l l e di n v e r t e rw i t ht h r e ep h a s e - t w ov o l t a g ei su s e da n dt h ei p - i qd e t e c t i o n b a s e do ng e n e r a l i z e di 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 yi ss e l e c t e df o rh a r m o n i c a n dr e a c t i v ea 山t e n t i ts t u d i e st h ew o r k i n gp r i n c i p l eo ft r a d i d o n a ll a y s t e r e 5 i sc o n t r o ls t r a t e g ya n d d i s c u s s e st h ei n f l u e n c eo ff r e q u e n t e , v o l t a g e ，i n d u c t o r , w i d t ho fc u r r e n ta n dd c e a c ho t h e r t b ee o n t r o lo f d o u b l eh y s t e r e s i sc u r r e n tc o n t r o lm e t h o dw i t hv o l t a g ei s d i r e c t l ye x e c u t e do i la f t e ra n a l y s e st h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fv o l t a g es p a c ev e c t o r i ta n a l y s e st h ec o n t r o l l e df e a s i b i l i t yo fc u r r e n te r r o r , a n du t i l i z e so u t p u tv o l t a g eo f t h ei n v e r t e ra n di t se t f e e to nc u r r e n te n _ o rt od e t e r m i n et h el o c a t i o n so ft h e r e f e r e n c ev o l t a g ev e c t o r , a n di l t i l i z e si n p u tv o l t a g eo f t h ei n v e r t e ra n di t se f f e c t0 1 1 c u n 咖e r r o rt od e t e r m i n et h el o c a d o mo ft h ec u r r e n to n o f v e c t o r f i n a l l y , i t d e s i g n sc o n t r o l l e ds y s t e m i ti n t r o d u c e ss i m p l yma n a b ，s i n l i n ks o f t w a r e o nt h eb a s i so f f o r m e r t h e o r y , i te r e a t ss i m u l a t i o nm o d e la n dg i v e sr e s u l t s 1 1 壕r e s u l t sp r o v ei t c o m p e n s a t e sd y m m i e a l l yh a r m o n i e sa n dr e a c t i v ec u r r e n t n 地f e a s i b i l i t yo ft h i s c o n t r o l l i n g m e t h o da n dt h e v a l i d i t ys v g s i s p r o v e db yt h e s i m u l a t i o n e x p e r i m e n t a tl a s t , i tg i v e st h ec o n c l u s i o no ft h e s i s sc o n t e n ta n dr e s u l ta n d 斟) m e d r a w b a c k s k e yw o r d s ：s v g ：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 ；h y s t e r e s i se o n l r o l ； t h ev o l t a g es p a c ev c e t o r ；m a t l a bs i m u l a t i o n 黑龙江科技学院学位论文独创性声明 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。尽我所知，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，也不包含为获得黑龙江科技学 院或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。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了谢意。 研究生签名：叠隧 日期：递乙生：壁 黑龙江科技学院学位论文使用授权声明 黑龙江科技学院、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人 所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的 保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或 部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权黑龙江科技学院研究生处办理。 研究生签名：习盔肇导师签名： 黑龙江科技学院硕士学位论文 第一章绪论 1 1 本论文研究的目的和意义 随着半导体电力电子技术的不断发展，各种变流变频装置广泛应用于煤 矿中。矿井直流提升机是普遍采用晶闸管构成的整流电路供电的直流拖动负 载，即提升机晶闸管电控系统。晶闸管电控系统相当于一个感性负载。在工 作时，一方面其基波电流滞后于电网电压，需要大量的无功功率。无功功率 是在正弦电源和储能元件之间来回交换的变动功率，其平均功率为零。无功 功率并不是无用功率，它是在电能传输和转换过程中建立电磁场及提供电网 稳定不可缺少的功率之一。另一方面由于是非线性装置，要产生大量的谐波 电流。这些谐波使电能的生产、传输和利用的效率降低，使电气设备过熟、 产生振动和噪声，并使其绝缘老化，使用寿命缩短，甚至发生故障或烧毁。 同时，这些谐波需要大量无功功率，使系统的功率因数降低。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。如果这些所需的无功功率 都要由发电机提供并经过长距离输送，这是不合理的，通常也是不可能的。 合理的方法应该是在需要无功功率的地方产生无功功率，即对无功功率进行 补偿。 无功补偿对电力系统有着重要作用，概括起来有【1 1 1 2 1 ； ( i ) 稳定受电端及电网的电压，提高供电质量。 ( 2 ) 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。 ( 3 ) 改善系统的稳定性，提高输电能力，并提供一定的系统阻尼。 ( 4 ) 提高发电机有功输出能力。 ( 5 ) 减少线路损耗，提高电网的有功传输能力。 ( 6 ) 降低电网的功率损耗，提高变压器的输出功率及运行经济效益。 ( 7 ) 降低设备发热，延长设备寿命，改善设备的利用率。 ( 8 ) 平衡三相有功功率和无功功率。 ( 9 ) 避免系统电压崩溃及稳定破坏事故，提高运行安全性。 黑龙江科技学院硕士学位论文 1 2 无功补偿装置的发展 直流提升机拖动系统不仅需要大量的无功功率，并且产生了大量的谐波， 这些谐波也都需要一定的无功功率，同时需要的无功功率及产生的谐波对电 网及周围设备带来很大的影响，解决上述问题有两种措施：一种是在提升机 拖动系统与电网之间装设补偿装置，如有源滤波器、无功功率补偿器等，设 法抑制谐波进入电网并对无功功率进行补偿：另一种是对提升机本身拖动系 统进行改进，使其不产生谐波，工作时也不需要无功功率，或根据需要对其 功率因数进行调节。对提升机拖动系统进行改造更新，从经济价值上考虑是 不可取的，并且还要受条件的限制：但装设补偿装置的方法成本低、操作方 便、易于维护和安装，并且在其它解决类似提升机拖动系统问题的领域已广 泛应用。 1 2 1 传统的无功补偿装置 早期季h 偿无功功率的主要手段是设置无功补偿电容器及l c 滤波器。由 于并联电容器及l c 滤波器结构简单，既可以补偿谐波，又可以补偿无功功 率，_ 直被广泛应用。这种方法有集中补偿、分散补偿、就地补偿三种方式。 但这种方法的主要缺点是补偿特性受电网阻抗和运行状态影响，易和系统发 生并联谐振。此外，它只能补偿固定频率的谐波，难以对变化的无功功率和 谐波进行有效的动态补偿。 同步调相机是传统的无功功率动态补偿装置之一，它是专门用来产生感 性无功功率的。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，还可在短时间内强行励磁，对提高电力系统的稳 定性有很大好处。自2 0 世纪二三十年代以后几十年中，同步调相机在电力系 统无功功率控制中一度发挥着重要作用。然而，由于它是旋转电机，因而损 耗和噪声都很大，运行维护复杂，而且由于控制复杂造成响应速度慢，在很 多情况下己无法适应快速无功功率控制的要求，因而越来越不适应电力系统 以后的发展趋势。所以从上世纪7 0 年代以来，同步调相机开始逐渐被静止型 无功补偿装置所取代。 2 黑龙江科技学院硕士学位论文 1 2 2 静止无功补偿装置的发展 电力电子技术是集电力，电子和控制于一体的新兴综合技术，这门技术 已发展到可以对电能进行高效交换和对电力系统进行调整控制的阶段，其特 点是控制灵活、快速、准确、可靠 3 1 。现代电力电子技术的出现和发展及其 在电力系统中的应用，使用晶闸管的静止补偿装置受到越来越多的关注。 7 0 年代末晶闸管获得广泛应用，以晶闸管控制电抗器( 1 r ) 为代表的静 止无功补偿装置( s v c ) 有了长足的发展，经历了一个不断创新、发展完善 的过程。所谓静止无功补偿是指用不同的静止开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 和电力电子开关。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。 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，具体的说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 d r 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 lr 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 h c 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 y ) ；第三类是采 用自换相变流技术的静止无功补偿装置静止无功发生器( s t a t i cv a t g e n e r a t o r ) ，也叫静止同步补偿器( s t a t i cs y n c h r o n o u sc o m p e n s a t o r ，缩写为 s t a t c o m ) 或s t a t c o n 4 - o l ，即静止调相机( s t a t i cc o n d e n s e r ) ，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 tc o m p e n s a t o r y ) ，简称a s v g 7 8 。 1 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i 4 j 。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 9 1 【l o j ，但是由于这种装置中的饱和电抗器造价高，约为般电抗器的4 倍， 黑龙江科技学院硕士学位论文 并且电抗器的硅钢片长期处于饱和状态，铁心损耗大， 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。 2 晶闸管控制电抗器( t c r ) 比并联电抗器大2 3 t c r 的单相原理图的结构是将两个 图1 - 1t c r 补偿器单相原理图 反并联的晶闸管与一个电抗器相串联，再 f i g 1 _ 1s i n g l e - p h a s e p r i n c i p l e 与交流电源u 相连，其单相原理图如图1 1 s c h e m e o f t c r 所示。其三相多接成三角形，这样的电路 并入到电网中就相当于电感性负载交流调压器电路，即此时电路可视为交流 调压器带纯电感负载。此电路的有效移相范围为9 0 0 1 8 0 。当触发角口- - 9 0 。 时，晶闸管全导通，此时导通角萨1 8 0 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 既= 吃一位一s i n a ) x ( 1 1 ) 玩= 1 x l ( 1 2 ) 由式( 1 1 ) 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目的。 3 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使用电容器 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 用于三相电网时可以是三角 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三角形 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 图1 - 2t s c 补偿器单相原理图 f i g i - 2s i n g l e - p h a s ep r i n c i p l e s c h e m eo f t s c 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，还会出现使设备体积增大 黑龙江科技学院硕士学位论文 的缺点。 t s c 的关键技术问题是投切电容器时刻的选取 9 1 。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。 4 新型静止无功发生器( s v g ) 随着大功率全控性晶闸管g t o 和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到快速 发展【i l 】，一种以此为基础的更为先进的无功补偿装置新型静止无功发生 器( s v g ) 出现了。其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，就可以 使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流，实现动态补偿的目的。静止无 功发生器在电力系统中的作用是进行无功补偿，保持连接点的电压为给定值， 提高系统电压的稳定性，改善系统的稳态性能和动态性能。其调节无功的原 理示意图如图1 - 3 所示。 0孓西 7 图1 3s v g 调节无功的原理图 f i g 1 - 3p r i n c i p l eo f r e a c t i v ep o w e rm o d u l a t i o n 1 3s v g 优越性 与传统的以t c r 为代表的s v c 装置相比，s v g 要优于s v c 。s v c 是通 过晶闸管控制电容器组的投切来调节输出无功的大小1 1 2 】，而s v g 是与传统 s v c 原理完全不同的无功补偿系统。这种装置脱离了以往无功功率概念的约 束，不采用常规电容器和电抗器来实现无功补偿，而是利用逆变器产生无功 功率。我们可以把它看作一个由直流侧电容提供电压支撑的逆变器，通过控 制逆变器输出电压与系统电压之间的差使s v g 吸收或发出无功。与传统的 黑龙江科技学院硕士学位论文 s v c 装置相比，采用g i d 或i g b t 的s v g 由于其直流侧的电容元件容量很 小，充放电时间很短，因此具有更快的响应速度【1 3 1 。s v g 可以在感性到容性 的整个范围中进行连续的无功调节，而且在采用多重化、多电平或p w m 技 术等措施后可以大大减少补偿电流中谐波的含量1 1 4 1 。在系统电压很低的情况 下，s v g 仍能输出额定无功电流，而s v c 补偿的无功电流随系统电压的降 低而降低。总之，s v g 能向电网提供连续可调的感性和容性无功功率，可使 电网功率因数为任意指令值，电流波形也接近正弦。由于s v g 同时能调控电 网电压，它在改善系统电压质量、提高电力系统暂态稳定性、阻尼系统振荡 等方面，其性能也远优于s v c ，这都显示s v g 是今后静止无功补偿技术发 展的方向。s v g 采用的电抗器或电容元件较小，这将大大缩小装置的体积和 成本。当然s v g 要使用数量较多的较大容量全控型器件，其价格比s v c 使 用的普通晶闸管高得多，但是总体上看来，s v g 仍然具有优势。因此，s v g 由于用较小的储能元件而具有总体成本较高的潜在优势，这种优势将会随着 器件水平的提高和成本的降低得己发挥。 1 4s v g 国内外研究的现状 国际上，从上世纪9 0 年代末到本世纪初，s v g 在日本及欧美得到了广 泛的应用。1 9 7 5 年日本关西电力公司和三菱电机公司共同研制了采用自换相 式电压型逆变器的s v g ，并于1 9 8 0 年推出世界上第一台采用晶闸管强制换 相的电压型逆交器、容量为2 0 m v a r 的s v g 装置，到9 0 年代对其研究取得 了突破性的进展i l q i l6 j 。由于s v g 具有响应速度快、可以在感性到容性的整 个范围内进行连续的无功调节、在欠压条件下仍然可以有效地发出无功功率 等优点，所以世界著名的电力公司都竞相研究并力图抢占这一未来电力系统 发展的重要领域。1 9 8 6 年美国e p r j 公司和西屋公司研制的容量为1 m v a r 、 基于门极可关断晶闸管g t o 的s v g 投入运行f l o l 。1 9 9 1 年和1 9 9 4 年日本和 美国分别研制成功一套8 0 m v a r 和一套1 0 0 m v a r 、采用g 1 0 晶闸管的s v g 装置，并最终成功地投入商业运行【l l 】【1 7 1 。1 9 9 5 年，西屋电气、e p r i 、田纳 西峡谷电力( 1 、，a ) 共同研制了1 0 0 m v a 的以g t o 为开关器件的s v g 在美 国，t v as u l l i v a n 变电站投运i l ”。德国西门子公司的单机容量为8 m v a r 的 s v g 装置也于1 9 9 8 年投运【1 9 j 。2 0 0 0 - - 2 0 0 1 年，a b b 公司和三菱公司分别研 制了以i g b t 为开关器件的s v g 装置也投入运行。2 0 0 3 年，美国、日本三 6 黑龙江科技学院硕士学位论文 菱公司共同研制了1 0 0 m v a 的以g c t 为开关器件的s v g 装置在美国、加利 福尼亚州t a l e g a 变电站投运 1 8 1 1 9 1 。2 0 0 4 年a b b 公司研制了1 0 0 m v a 的以 i g b t 为开关器件的s v g 装置在美国、德克萨斯州、p e d e m a l e s 变电站投运。 国内对s v g 的研究已有多年，东北电力学院研制了以g t o 作为开关器 件的s v g 实验装置，作为原电力部重大科技攻关项目，1 9 9 4 年3 月清华大 学与河南电力局着手开发基于多重化逆变器s v g 在河南洛阳的朝阳边电站 并网成功投入运行，标志着我国在柔性交流输电技术的研究方面进入了一个 新的阶段 2 0 1 1 2 l j 。1 9 9 5 年中间试验装置容量为3 0 0 k v a r 的s v g 在郑州孟寨 1 1 0 k v 变电站投入运行。1 9 9 9 年3 月2 0 m v 缸大容量s v g 装置在河南洛阳朝 阳变电站投运成功，这是国内首台投入应用的大容量柔性交流输电装置，2 0 0 t 年2 月国家电力公司电力自动化研究院也将容量为士5 0 0 k v a r 的s v g 投入运 行【1 3 1 。 从现有的文献看，现有的s v g 装置均采用基于g t o 的逆变器，其具有 大电压、高频率的优点【1 2 1 1 7 1 。但随着电力电子技术的发展及对供电质量要求 的提高，g t o 的开关频率不满足要求，为减少由于开关器件作用产生谐波和 提高容量，变压器曲折连接方式逐渐被采用，但电路的设计趋于复杂化，且 保护电路复杂。在s v g 工作机理的研究上，现有s v g 装置的工作模型大都 是建立在一个静止的同步电压源基础之上的，即由一个电压型交流器构成的 s v g 装置经一个串联电抗( 包括变压器的漏抗与电路中其它电抗) 与电网相 连，根据输入的无功功率和有功功率指令，产生相位与幅值均可以迅速调节 的基频分量对称的三相正弦电压叠加到电网上，从而吸收或发出满足电网要 求的无功功率。但由于电力系统具有多种非线性和其负荷参数的不确定性， 并且对实际电力系统而言，s v g 装置更多的是运行在三相不对称条件下，因 此，这种稳态的工作模型在应用上存在着很大的不足。在s v g 的控制策略上， 现有的s v g 装置一般采用常规的p i d 调节方式或引入线路功率的p s s 辅助 控制方式1 2 2 1 2 3 1 。这种控制方式由于直流电压回路与无功控制回路的时间常数 为同一数量级的，再加上系统本身的非线性性质，控制效果不理想。难以满 足电力系统提高功角稳定和电压稳定的要求。 中南大学电力系统自动化实验室自1 9 9 3 年起，一直关注国内外对s v g 研究和现代电力电子技术发展的最新动态，并着手进行s v g 机理的研究。目 前，在国内电力系统的一些知名刊物上发表论文数篇，完成了基于新型功率 模块i g b t 的s v g 装置实验室计算机仿真调试和小型样机的研制，这为研制 大功率s v g 装置打下了良好的基础。 7 黑龙江科技学院硕士学位论文 1 5 设计要求与研究内容 1 5 1 设计要求 f 本文设计的s v g 补偿容量为2 0 k v a 、电网电压为三相对称( 同时考 虑电压发生畸变) 的低电压。 2 电网负载是以小功率直流提升机为负载的三相晶闸管可控整流电路 ( 整流电路不计换相过程及直流侧电流脉动) 。 3 s v g 能够进行动态瞬时补偿电网电压侧的谐波和无功电流，使流入电 网的电流只含基波有功电流。 4 s v g 适用于三相三线制。 1 5 2 研究内容 谐波问题和无功功率问题对电力系统和电力用户都是十分重要的问题， 也是近年来各方面关注的热点之一。本文针对矿井直流提升机拖动系统产生 的谐波和需要的无功功率及给电网带来的影响，设计了电压空间矢量的双滞 环控制的s v g 。本文所做的主要工作如下： ( 1 ) 首先分析s v g 的基本理论知识。重点论述了动态无功补偿的原理， 分析s v g 主电路的结构及其基本工作原理，介绍了参考电流的检测方法及基 于瞬时无功功率理论的检测方法。 ( 2 ) 分析电流的滞环跟踪控制原理，推导开关频率的计算公式，找到制约 开关频率的因素。介绍三相变流器的电压空间矢量，根据电压空间矢量及滞 环跟踪控制的特点，提出了电压空间矢量的双滞环电流控制方法。 ( 3 ) 分析误差电流的矢量控制的可控性，利用内环控制的输出状态来判断 误差电流所在的区域，外环控制的输出状态来判断参考电压所在的区域，对 电压空间矢量的双滞环控制算法进行设计。 ( 4 ) 利用m a t l a b s i m u l i n k 软件的s i m p o w e r s y s t e m sb l o c k s e tt 具箱模 块建立仿真模型，并给出仿真结果。 8 黑龙江科技学院硕士学位论文 第二章s v g 基础理论 2 i 无功功率动态补偿原理 无功功率的补偿主要有两种形式：负载就地补偿和系统补偿i l i 2 1 。由于各 地区的无功负荷有很大的差别，及不同地区的无功功率供需分布关系不同， 如果无功功率的传输不仅会产生很大的有功损耗而且沿传输途径还会产生很 大的电压降，则对于负荷的无功功率平衡只能靠就地平衡，也就是将负载的 功率因素补偿到接近到1 0 ；系统补偿是指根据系统电压水平的需要，使补偿 的电流幅值大于负载电流幅值，以此来补偿线路两端的电压降，改善整个输 电系统的性能，并提高传输能力。对电力系统中无功功率进行快速的动态补 偿，可以实现很多功能。下面以改善电压调整的基本功能来说明无功功率动 态补偿的原理。 由电网系统、负载和无功补偿器组成的单相等效电路图如图2 1 ( a ) 所 示，u 为系统电压：r 和x 为系统电阻和电抗。当没有补偿装置时，设负载的 功率变化很小，即x u u 设r x ，则系统电压与无功功率关系的特性曲线 如图2 1 ( b ) 中的实线所示。 ( a ) 单相电路 动态补偿原理 ( a ) s i n g l e - p l m s e 由c u i to a ) p r i n c i p l eo fd ) m m d cc o m p e n s a t i o n 图2 - 1 无功功率动态补偿原理 f i g 2 - ip r i n c i p l eo f d y n a m i ci v a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n 从图中可以看出，供电电压随系统供给的无功功率q 的增加而下降。系 统的特性曲线可以表示为 9 黑龙江科技学院硕士学位论文 u = u o ( 1 一辛一) ( 2 1 ) o ( 卜无功功率为零时的系统电压； s s c 系统的短路容量。 由式( 2 1 ) 可知，无功功率的变化将引起系统电压成比例地变化。如果 在系统中加上补偿器，则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+ g ( 2 2 ) 由式( 2 2 ) 可知，当负载无功功率q 工发生变化q 时，如果补偿器补偿 的无功功率9 总能弥补吼的变化，可以使q 维持不变，即q = o ，则u 也将 为零，从而使供电电压保持恒定，这就是无功功率动态补偿原理，其关系曲 线如图2 1 ( b ) 所示。从图中可看出，即使当负载无功功率发生变化时，系 统工作点依然保持不变，即q = 幺= 常数。如果使系统的工作点保持在0 = o 处， 即图2 - 1 ( b ) 的c 点时，则系统实现了功率因数的全补偿，也就稳定了电压的 变化。 2 2 主电路结构及静止无功发生器原理 所谓静止无功发生器( s v g ) ，在本文中就是专指由自换相的电力半导体 桥式变流器来进行动态无功补偿的装置。采用电力半导体变流器实现无功补 偿的思想早在2 0 世纪7 0 年代就已有人提出，1 9 7 2 年日本就发表了用强换相 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 c j y u g y i 在其论文中提出了电力半导体交流器进行无功补偿的各种方案 2 4 1 ，其中使用 自换相桥式变流电路的方案最受青睐。 2 2 。1 主电路结构 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 返的。但在平衡的三相电路中，三相瞬时功率的和在任何时候都等于三相总 的有功功率，所以电源和负载之间可以看作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的。因此从理论上讲，s v g 的桥式变流电 路的直流侧可以不设储能元件。但实际上，考虑到变流电路吸收的电流不只 l o 黑龙江科技学院硕士学位论文 含有基波，其谐波的存在也会造成少许无功能量在电源和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s v g 所提供的无功容量要小。 s v g 的主电路结构有电压型桥式电路和电流型桥式电路两种类型，其电 路结构分别如图2 - 2 所示，它们的区别是直流侧采用不同的储能元件即电容 或电感。对于电压型桥式电路，需要串联电抗器才能并上电网；而对于电流 型桥式电路，却需要并联电容器才能并上电网。无论是电压型还是电流型， 其动态补偿原理是一样的。当变流器脉宽恒定时，调节交流器输出电压及系 统电压之间的夹角和变流器的脉宽，在保持变流器直流侧电容电压恒定的情 况下，就可以使s v g 发出或吸收所需的无功功率。由于考虑到运行效率的原 因，迄今投入实用的s v g 大都采用电压型桥式电路。因此s v g 专指以自换相 的电压型桥式电路作为动态无功补偿的装置。 i e 丰j卒j r 士 j j 【士3 r 奉j 1 本 l o i 1rr1 【 i- 7。? 。? ! i ： ，1 77 7 一 ( a ) 电压型桥式电路 电流型桥式电路 ( a ) v o l t a g e - b r i d g e - m o d e c i r c u i t ( b ) c u r r e n t - b r i d g e - m o d e c i r c u i t 图2 - 2s v g 主电路结构 f i g 2 - 2m a i nc i f c m to f t h es v g 变流器是s v g 装置主电路的核心部分。随着电力电子器件的发展，g t o 、 i g b t 等全控型器件的电压电流等 级已经能够满足s v g 的要求，取代 强迫换相晶闸管成为s v g 的自换相 桥式电路的主力。电压型桥式电路 的结构多种多样，但是s v g 主电路 通常采用三种基本模块。 1 三相两电平变流器 交流器是由三个桥臂的开关元 器件加上作为电压支撵元件的直流 侧电容构成，通过连接电抗器接入 电网，适用于三相三线制系统，如 图2 - 3 三相两电平变流器 f i g 2 - 3t h r e e - p h a s ea n d t w o - l e v e li n v e r t e r 黑龙江科技学院硕士学位论文 图2 3 所示。 若s v g 的设置是为了解决三相电压平衡条件下的电压稳定问题，那么采 用该变流器模块是比较经济的选择，特别是通过变压器与电网连接的情况下， 由于变压器三铁心柱间存在较强的磁联系，故本身具有较强的耐受不对称能 力，所以采用三铁心柱变压器的三相交流器成为国际上流行趋势。又由于运 行效率的原因，迄今投入实用的s v g 大都采用这种结构。如三菱公司8 0 m v a s t a t o m 和日立公司5 0 m v as t a i 0 m 均采用这种结构作为主电路的 基本单元( 与多重化技术相结合) 2 s l f 2 6 1 。 2 三单相两电平变流器 三单相两电平变流器的结构如图2 _ 4 所示。采用这种变流器的明显优点是 便于进行分相控制，这对于s v g 在系统电压不平衡运行时，特别是不对称故 障时的控制是一个重要的优点，且该交流器比较容易实现三相三线和四线制 系统的控制。我国研制开发的+ 3 0 0 k v a r 和士2 0 m v a r 大容量s v g 装置的主电 路都是采用该交流器作为基本单元【2 7 1 。 图2 - 4 三单相两电平燹流器 f i g 2 - 4t h r e es i n g l e - p h a s ea n dt w o - l e v e li n v e r t e r 3 三相桥三电平变流器 变流器结构如图2 5 所示，在应用于没有中线的三相三线制系统时，三相 三电平变流器可以避免由于抬高电压而导致器件串联。由于每个管子上只承 受直流电压一半的电压，可以极大的提高装置的可靠性。但是在应用于三相 四线制系统时，该变流器在功能上存在一定的缺陷，需对主电路拓扑进行改 进。 黑龙江科技学院硕士学位论文 ， k ：k ：【：l tlf 一【球 = i 一lc 吨 一 【球 一 一l l 一l = ， 【 j lc 吣 l 一l 、一 k一 l 一【 ， + k 】【 飞】 0 ，也就是说， 功率来平衡s v g 本身和电路的各种损耗。 间接控制的具体实旋有两种方案： ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) i y 啊 么夕。 蚤 s v g 均要从系统吸收少量有功 第一种方案是仅控制占角，如图2 1 l 所示。即控制s v g 交流侧输出电 压相对于系统电压的相角差，这种方法的主要优点是控制电路比较简单，但 是由于装置交流侧输出电压幅值的调节依赖于直流侧电容电压的变化，所以 动态相应速度较慢。 图2 - 11 电流间接控制原理图 f i g 2 - 1 1i n d i r e c tc o n t r o lo f c i u r e n t 第二种方案是配合控制占角和8 角，即控制艿角的同时，配合控制开关 器件的导通角，来调节s v g 交流侧输出电压的幅值，如图2 1 2 所示。该控 1 7 黑龙江科技学院硕士学位论文 制方法弓i a ts v g 吸收的无功和有功电流的反馈控制，并采用了基于瞬时无 功功率理论检测法检测s v g 吸收的无功和有功电流。 0 图2 1 2 万与0 配合控制原理图 f i g 2 1 2 ja n d0t o g e t h e rc o n t r o l l e d 由于本控制方法中包含系统参数，而电力系统参数的不确定性，要求 s v g 控制器必须具有很强的自适应性，这在实际中很难解决的。 以上介绍的是s v g 比较典型的间接控制方法，这些方法都能达到控制无 功的目的。但间接电流控制是对电流的一种开环控制，没有引入电流反馈， 因此存在抗外部扰动能力差、对参数变化适应性有限、响应速度慢等缺点。 间接控制不能实现电流的跟踪控制，而要克服这些缺点就必须实时检测电流 并引入电流反馈，这就是电流的直接控制。 2 3 2 直接控制 电流直接控制，就是采用跟踪型p w m 技术对电流波形的瞬时值进行反 馈控制。跟踪型p w m 控制技术可以采用滞环比较方式，也可采用三角波比 较方式，如图2 1 3 所示。电流的滞环比较方式控制响应速度快，电流跟踪动 态偏差由滞环宽度决定，不随电流变化率的变化而变动，电路结构简单，但 开关频率不固定。对于三角波比较方式，电流动态响应相对比较慢且电流动 态偏差随电流变化率而相应变化，开关频率固定，输出波形中含有与三角载 波相同频率的高频畸变分量，开关损耗增大。 黑龙江科技学院硕士学位论文 ( 8 ) 滞环比较法 ( a ) h y s t e r e t i c u r r e n t - | o o pc o m p a r e d ( ”三角波比较法 ( b ) t r i a n g l ec o m p a r e d 图2 1 3 电流跟踪性p w m 控制 f i g 2 1 3t r a c kc u r r e n tb yp w mc o n t r o l l i n g s v g 采用电流直接控制，从原理上可以有效地滤除系统中的无功电流和 全部补偿电流，其响应速度和控制精度将比间接控制都会有很大的提高。 一般来说，电流直接控制适合于小功率场合。但从目前世界上运行的无 功补偿器的情况看来，电流直接控制在中、大容量系统也有应用。日本新农 用于输电8 0 m v a r 的s v g 和日本神户用于钢厂负荷补偿2 0 m v a r 的s v g 均采 用了电流直接控制方式f 3 0 】【3 l 】。前者在电网严重不对称，甚至短路时仍可照常 工作：后者对炼钢电极短路引起的电网电压闪变有很好的抑制作用。 通过对控制方法进行分析比较，本文采用电流直接控制。 2 4 参考电流的检测方法 因为装置输出的补偿电流是以跟踪参考电流指令为目的的，所以装置的 工作性能在很大程度上取决于对无功和有害电流的实时和准确检测。目前的 参考电流检测多种多样，主要方式是检测出处基波电流或基波有功电流或基 波有功电流正序分量之外的总的畸变电流，以达到抑制谐波或抑制谐波、补 偿无功的目的，或者抑制谐波、补偿无功的同时，达到抑制负序和零序电流 的目的。 1 9 黑龙江科技学院硕士学位论文 2 4 1 常用的电流检测方法 目前常用的电流检测方法有以下几种： 1 带通( 带阻) 滤波器检测法。这种方法电路结构简单，造价低，输出 阻抗低，品质因数易于控制。但是该方法也有许多缺点，如滤波器的中心频 率对元件参数十分敏感，受外界环境的影响较大，难以获得理想的幅频特性 和相频特性。当电网频率发生波动时，不仅影响检测精度，而且检测出的谐 波电流中含有较多的基波分量，大大增加了系统的容量和运行损耗。此外这 种方法只能检测谐波，不能用于检测无功电流。 2 快速傅立叶变换。它的基本原理是从变换后的电流信号中除去基波分 量，再对余下的分量进行反变换：就可得到谐波电流的时域信号。但这种方 法需要严格的同步采样，否则会产生频谱泄漏，引起较大的误差。在这种方 法中，整个分析周期里各次谐波的幅值和初始相位角都被认为是不变的，因 此如果电网谐波在该周期里有较大的波动，则会引起较大的检测误差。 3 同步检测法【3 2 】。这种方法多用于不平衡三相系统中谐波和无功电流的 检测，其基本思想是分别考虑各相情况，只把补偿分量分配到三相中，统一 确定各相补偿电流。该方法不是从电流的分解出发，而是从功率平衡的角度 来确定补偿电流，所以检测出的补偿电流包含无功电流、谐波电流和一些不 平衡分量，无法将它们分离出来，因而大大限制了它的应用范围。 4 自适应电流检测法 3 3 1 。该方法