（电力电子与电力传动专业论文）新型静止无功发生器的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 a b s t r a c t a t p r e s e n t ，t h e r e s e a r c ho nc o m p e n s a t i n gr e a c t i v e p o w e ru s i n g s t a t i c c o m p e n s a t i o n d e v i c ei so n eo ft h em o s ta c t i v ea r e a si np o w e re l e c t r o n i c ss u b j e c t i nt h i st h e s i s t h ea d v a n c e dc o m p e n s a t i o nd e v i c e a d v a n c e ds t a t i cv a rg e n e r a t o r ( a s v g ) i ss t u d i e da n da n a l y z e dd e e p l y f i r s t l y , t h ee x i s t i n gc o m p e n s a t i o nd e v i c e sa r ec o m p a r e da n dt h ea s v g s s u p e r i o rp e r f o r m a n c e i sa n a l y z e d i nt h i st h e s i s ，t h ec o m p e n s a t i o n p e r f o r m a n c eo f a s v gi ss t u d i e da c c o r d i n gt od y n a m i cc o m p e n s a t i o nt h e o r y s e c o n d l y , s e v e r a l t y p i c a lc o n t r o lm e t h o d sa r es u m m a r i z e da n dt h e i ra d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s a r e a n a l y z e d i na d d i t i o n ，t h e 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 ya n d i t s a p p l i c a t i o n t or e a c t i v ep o w e rc o n t r o la n dd e t e c t i o na r ei n t r o d u c e d i nt h i st h e s i s c u r r e n ti n d i r e c tc o n t r o lw i t ht h er e v e r s i b l e s y s t e mp ia n d c u i t e n td i r e c tc o n t r o lu n d e r d q a x i sa r es t u d i e ds p e c i a l l ya n dt h es t a t i cs t a t ea n d d y n a m i c s t a t e p e r f o r m a n c e s o fa s v gc o n t r o l l e d b yt h i s t w om e t h o da r e s i m u l a t e d r e s p e c t i v e l y t h e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t ，c o m p a r e dw i t ht h e i n d i r e c t c o n t r o l ，t h ed i r e c t c o n t r o lh a sm o r es u p e r i o r p e r f o r m a n c e i nc l l r r e n t t r a c k i n gs p e e d a n dc o n t r o l p r o p e r t y i nt h e e n d ，ah a r d w a r ep l a t f o r mb a s e do nd s pi sc a r r i e do u ta n dt h e 10 k v a ra s v g e x p e r i m e n t a ls y s t e mi sd e s i g n e d t h ee x p e r i m e n ti sr e a l i z e d b a s e do nt h ec u r r e n td i r e c tc o n t r o la n dt h er e s u l ti sa n a l y z e d k e yw o r d s ：a s v g c l l r r e n td i r e c tc o n t r o l d s p i n s t a n t a n e o t i sr e a c t i v ep o w e r t h e o r y 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 1 1 本文的研究背景 第1 章绪论 随着电力系统中非线性用电设备，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也越来越严重，而大多数电力电子装置功率因数 较低，也给电网带来额外负担，并影响供电质量。因此抑制谐波和提高功率 因数已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。 解决电力电子装置产生的谐波污染和低功率因数问题不外乎两种途径： 一种是装设补偿装置，如有源滤波器、无功功率补偿器等，设法对谐波进行 抑制和对无功进行补偿；另一种是对电力电子装置本身进行改进，使其不产 生谐波也不消耗无功功率，或根据需要对其功率因数进行调节。后一种方法 需要对现有电力电子设备进行大规模更新，代价较大，并且只适用于作为主 要谐波源的电力电子装置，因此有一定的局限性。而前一种方法则适用于各 种谐波源和低功率因数设备，并且方法简单，已得到广泛应用。 传统的补偿无功功率和谐波的主要手段是设置无功补偿电容器和l c 滤 波器，这两种方法结构简单，既可以补偿谐波，又可以补偿无功功率，一直被 广泛应用。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。而随着电力系统的发展，对无功功率 和谐波进行快速动态补偿的需求越来越大。 现代电力电子技术的出现和发展为谐波和无功补偿装置的能动控制提供 了可能。近年来，电力电子器件也由不可控器件，半控器件及全控器件发展到 智能化的功率器件。这些新型器件的出现使得电力电子变换电路本身及其控 制系统产生了巨大的变革，从传统的以整流为主的电力电子技术跨入了以直 流逆变成各种频率的交流为主的逆变时代，从而为各种形式的变流器在交流 系统中的应用提供了可能。而近几十年来电力电子技术在电气拖动领域中的 广泛应用，积累了大量的应用经验，技术上也日趋成熟。正是在电气拖动领域 中得到广泛应用的相控技术，脉冲宽度调制( p w m ) 技术和四象限变流技术为各 种形式的静止无功功率补偿装置( s v c ) 和有源滤波器( a p f ) 控制器提供了原 形。 晶闸管获得广泛应用后，以晶闸管控制电抗器( t c r ) 为代表的静止无功 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 补偿装置( s v c ) 有了长足的发展，可以对变化的无功功率进行动态补偿。近 年来，随着以g t o 、b j t 和i g b t 为代表的全控型器件向大容量、高频化方向 的不断发展，采用电力电子技术的各种有源补偿装置发展非常迅速。 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 rg 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 在基本原理上和新型静止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， 使其功率因数为l 。 一 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 w c 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于”柔性交流输电系统” ( f l e x i b l ea ct r a n s m i s s i o ns y s t e m ，缩写为f a c t s ) 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 g h i n g o r a n i 博士于1 9 8 6 年提出的。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。f a c t s 技术( 包括系统应用技术及控制器技术) 已被国内 外的一些较权威性的输电技术研究者和工作组称为“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、基于全球卫星定位系统( g p s ) 的新一代动态安全分析与监测系统) 之 一” 1 2 新型静止无功发生器( a s v g ) 的研究现状 1 2 1 新型静止无功发生器的定义 本论文所研究的新型静止无功发生器( a s v g ) ，属于f a c t s 家族中重要的 一员。有人也称它为静止同步补偿器( 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 ) 。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 ) ： 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 页 _ _ _ 一一 在日本过去则称为静止无功功率发生器( s t a t i c v a rg 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 cy a rc o m p e n s a t o r ) ，简称 a s v g 。1 9 9 5 年国际高压大电网会议与电力、电子工程师学会( 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。本文仍沿用我国现有文献中通用的名称新型静止 无功功率发生器( a s v g ) 。 所谓新型静止无功功率发生器( a 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，其基本原理是：将自换相桥式电路 通过电抗器并联在电网上，适当地调节桥式电路交流侧输出电压的相位和幅 值，或者直接控制其交流侧电流，就可以使该电路吸收或发出满足要求的无 功电流，实现动态无功补偿的目的。简单的说，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 2 2 无功补偿的作用及方法 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。无功功率对 公用电网的影响主要有以下几方面： ( 1 ) 增加设备容量。无功功率的增加，使总电流增大，以及视在功率增大， 从而使发电机、变压器及其它电气设备容量和导线容量增加。 ( 2 ) 设备及线路损耗增加。无功功率增加，使总电流增大，因而使设备及 线路的损耗增加。 ( 3 ) 使线路压降增大。如果是冲击性无功功率负载还会引起电压剧烈波动， 导致供电质量严重降低。 ( 4 ) 功率因数降低，设备容量利用少。 通常，大多数网络元件和负载都是消耗无功功率的，这些无功功率如果 都由发电机提供并经过长距离传送是不合理的，也是不可能的。合理的方法 是在需要消耗无功功率的地方产生无功功率来补偿无功功率的损耗。无功功 率的补偿作用主要表现在以下方面： ( 1 ) 提高供电系统及负载的功率因数、降低设备容量、减少功率损耗。 ( 2 ) 稳定电网电压，提高供电质量。在长距离输电线中的合适地点设置动 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。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第4 页 无功补偿应包含对基波无功功率的补偿和对谐波无功功率的补偿，后者 实际是谐波补偿。无功功率对供电系统和负荷的运行都是十分重要的。传统 的无功补偿设备如同步发电机、同步电动机、同步调相机、固定容量的电容 器、开关控制的并联电抗器等，可满足一定范围的无功补偿要求，但响应速度 慢、维护困难、连续可控性差。虽然可控硅型的静止无功补偿器( s v c ) 在电力 系统的应用得到了较好的效果，但设备占地面积较大，而且由于它对电网电压 的波动表现出恒阻抗特性，因而在电网电压波动时不能充分发挥其作用。 1 2 3a s v g 的发展现状 大功率门极可关断晶闸管( g t o ) 的出现使得采用电子开关逆变器的新型 静止无功发生器( a s v g ) 得到发展并进入实用阶段。a s v g 已成为静止无功补 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a s v g 装置并投入实用，美国电力研究院( e p r i ) 目前 与西屋公司共同开发了l o o m v a r 的a s v g 装置。在国内，在a s v g 的系统分析 与设计方面，至今还没有较全面的研究成果。1 9 9 4 年研制大容量a s v g 被列为 电力部重点科研攻关项目，同年在电力部的支持下，河南省电力局决定和清华 大学共同研制_ _ _ 2 0 m v a r 的a s v g 。为进行机理研究，先研制一台3 0 0 m v a r 的 中间工业试验装置。该装置已于1 9 9 5 年8 月在清华大学并网运行，并在河南 孟砦经受了电弧炉冲击负荷和1 0 电压不对称运行工况的考验。1 9 9 9 年夏， _ _ _ 2 0 0 m v a r 的发生器已在河南省电网试运行。通过以上研究获得很多实践经 验，并在理论上有显著的发展。 目前，无功发生器设备普遍存在的问题多为： ( 1 ) 功发生器的造价较高，波形不很好，如果要求波形好，则造价更高一些。 ( 2 ) 对控制能力要求严格，要求控制精度高并要在系统电压变化很大的情况 下也能保持无功发生器正常工作。 ( 3 ) 如果采用谐波较大的结构，在无功发生器近旁可能需要滤波器。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 _ 页 1 3 本文研究的主要内容 本论文通过细致深入地分析无功功率发生器的原理，结合国内外最新研 究成果，比较了几种常用控制方法。论文对典型的间接控制与直接控制进行 了比较和仿真，根据仿真波形，讨论了两种控制方法的优缺点及最佳适用范 围。最后，设计完成了基于d s p 的全数字控制电路，对a s v g 进行了初步实验 研究，得出了实验结果。 本论文主要包括以下内容： ( 1 ) 阐述了无功发生器的基本原理；介绍了a s v g 的控制方法，控制方法分 为间接控制和直接控制，文中分析比较了这两种方法的优缺点；介绍 了三相电路瞬时无功功率理论及其在a s v g 控制、检测中的应用。 ( 2 ) 结合国内外最新研究成果，对无功发生器( a s v g ) 进行了系统仿真。 分别仿真了间接控制和直接控制下a s v g 的稳态和动态性能，并对两种 控制方法的仿真结果进行了详细对比分析。 ( 3 ) 设计了基于双d s p 的数字化控制硬件平台。本硬件平台的主要特点是 控制精度高、计算速度快、方便灵活、通用性强。 ( 4 ) 设计了a s v g 电流电压检测电路、同步信号产生电路。 ( 5 ) 设计了l o k v a r a s v g 实验系统；对实验系统主电路参数进行了设计。 ( 6 ) 分别用c 和t m s 3 2 0 c 2 x x 和t m s 3 2 0 c 3 x 汇编语言编程完成了p w m 脉宽调 制模块、电网频率检测及过零模块、无功补偿指令电流生成模块、p i 控制器模块等各模块的软件实现。 ( 7 ) 对直接电流控制的a s v g 进行了实验研究，取得了实验波形，并对实验 结果进行了详细分析。 论文结论部分进行了对本论文的工作进行了总结，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，并对下一步需要做的工作进行了 说明。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第2 章a s v g 的基础理论 2 1 无功功率理论 要进行无功功率补偿技术研究，首先要深刻理解无功功率理论。在正弦 电路中，无功功率的概念是清楚的，而在含有谐波时，至今尚无获得公认的 无功功率定义。但对无功功率这一概念的重要性，对无功补偿重要性的认识， 却是一致的。无功功补偿应包含对基波无功功率的补偿和对谐波无功功率的 补偿。后者实际上是谐波补偿。 2 1 1 正弦电路的无功功率和功率因数 在正弦电路中，负载是线性的，电路中的电压和电流都是正弦波。设电压 和电流可分别表示为： 甜：而s i n f i = 4 2 1 s i n ( c o t p ) = 2 j c o s p s i n & 譬一2 j s i n 妒c o s 耐( 2 1 ) 2 i p + 式中p 电流滞后电压的相角。 电流f 别分解为和电压同相位的分量和比电压滞后9 0 。的分量。电路的有 功功率p 就是其平均功率，即： 尸- 去j ”耐( 鲥) = 上2 nf ”( i p + 啪d ( 耐) 2 去f 4 ( u i c o s p - u 1 c o s p c o s 2 叫) d ) 十去f 一u s i n 妒s i n 洲) = u l c o s c p ( 2 2 ) 电路的无功功率定义为： q = u l s i n c p( 2 3 ) 可以看出，q 就是式( 2 2 ) 中被积函数的第2 项无功功率分量甜t 的变 化幅度。“的平均值为零，表示其有能量交换而并不消耗功率。9 表示这种 西南交通大学硕士研究生学位论文 第7 页 能量交换的幅度。在单相电路中，这种能量交换通常是在电源和具有储能元 件的负载之间进行的。从式( 2 2 ) 可看出，真正的功率消耗是由被积函数 的第1 项有功功率分量“j ，产生的。因此，把j ，和分别称为正弦电路的有功 电流分量和无功电流分量。 工程上，把电压电流有效值的乘积作为电气设备功率设计极限，这个值也就 是电气设备最大可利用容量，称为视在功率： s = 珊( 2 4 ) 定义有功功率和视在功率的比值为功率因数： 五：昙 ( 2 5 ) s 由以上两式可以看出，在正弦电路中，功率因数有电压和电流之间的相角差 决定。在这种情况下，功率因数常用c o s q ，来表示。 由式( 2 2 ) 、式( 2 3 ) 和式( 2 4 ) 可知s 、p 和q 满足以下关系： s 2 = p 2 + q 2( 2 6 ) 2 1 2 非正弦电路的无功功率和功率因数 在含有谐波的非正弦电路中，有功功率、视在功率和功率因数的定义和 正弦电路相同。非正弦周期函数经傅立叶分解，通过计算可以得到： 有功功率p 为： p = 寺f u i d ( w t ) = 乩l c o s 妒( 2 7 ) 视在功率s 为： f 一 - s = u = 1 f 讲1 7 露 ( 2 8 ) 其中，u 。、i n 为第n 次谐波电压、电流有效值，q 为第n 次谐波电压 与电流相角差，( n = 1 ，2 ，3 ，) 。 含有谐波的非正弦电路中的无功功率的情况非常复杂，至今没有被广泛接受 的科学而权威性的定义。仿照式( 2 6 ) ，可以定义无功功率 q ：厨( 2 9 ) 这里，无功功率a 只是反映了能量的流动和交换，并不反映能量在负载 中的消耗。在这一点上，它和正弦电路中无功功率最基本的物理意义是完全 一致的。因此这一定义被广泛接受。但是，这一定义没有区别基波电压电流 之间产生的无功功率、同频率谐波电压电流产生的无功功率，以及不同频率 西南交通大学硕士研究生学位论文 第8 页 谐波电压和电流之间产生的无功功率。因此，还有另一种定义。 仿照式( 2 2 ) 也可这样定义无功功率： 纺= u i s i n q ( 2 1 0 ) 这里q r 是由同频率电压电流正弦波分量之间产生的。q ，已没有度量电源和 负载之间能量交换幅度的物理意义了。 在非正弦情况下，s 2 p 2 + 研，因此，引入畸变功率d ，使得 s 2 = p 2 + 研+ d 2 ( 2 1 1 ) 和q ，不同，d 是由不同频率的电压电流正弦波分量之间产生的。 在公共电网中，通常电压的波形畸变都很小，而电流波形的畸变则可能很大。 因此，不考虑电压畸变，研究电压波形为正弦波、电流波形为非正弦波的情 况有很大实际意义。设正弦电压有效值为u ，畸变电流有效值为i ，其基波 电流有效值及与电压相角差分别为f ，和纸，n 次谐波有效值为。考虑到不 同频率的电压电流之间不产生有功功率，按照上述定义可以得到： p = v , c o s p l q ，= 叫s i n 仍 p 2 + 研= u 2 矸 s 2 = ( ，2 ，2 = u 2 矸+ u 2 鬈 d 2 = s 2 一p 2 一谚- - u 2 露 在这种情况下t q ，和d 都有明确的物理意义。q ，是基波电流所产生的无功 功率，d 是谐波电流所产生的无功功率。这时，功率因数为： a = ；= 三堡萨= - - c o s 仍su l “ 可以看出，功率因数是由基波电流相移和电流波形畸变两个因数决定的。总 电流可意看承由三个分量，即基波有功电流、基波无功电流和谐波电流组成。 2 1 3 三相电路的功率因数 在三相对称电路中，各相电压、电流均为对称，功率因数也相同。三相电路 总的功率因数就等于各相的功率因数。在三相电路中，影响功率因数的因素 除电流和电压的相位差、波形畸变外，还有个因素就是三相不对称。三相 不对称电路的功率因数至今没有统一的定义，定义之一为： 一一堕童窒烫态堂堡主塑塞竺堂缝迨塞 蔓! 堕 _w_-_-。_-_-_p一一一 盖= 器 ( 2 一1 2 式中，各榴的s 为其电流与备线到人为中点电压的泶积。可以看出，即使三 相都是电黼负载，只要三相不对称，功率因数仍小于1 。 2 。2 传统静止无功补偿装置( s v c ) 原理简述 在邀力系统孛，电燕窝簇警楚簿量毫毵震蠡豹溪令爱基本、浸蠹饕豹援 标。为确僳魄力系统正常运行，供电电压和频率必须稳定在一定的藩潮内。 频率的控制与有功功率的控制密切相关，而电压控制的重要方法之一是对电 力系统的溅功功率进行控制。 控制冤功功率的方法很多，设置无功功率电容器是补偿无功功率的传统 方法之一，这瓣方法具有结擒筏肇、经济方便等饯赢，露蓑在髫肉乡 筠褥戮 广泛痊熏。德宅存在着掰霉毫雾容羹丈、与谮波夏麓影稳及不憝动态毒 镁等 缺点。因f 琏：，它般与动态补偿设备配合使用。 随着魄力系统的发展，对辩功功率进行快速动态补偿的需求越来溅大。 静止无功补偿器是电网中控制瓣功功率的装置，它根据无功功率的需求进行 动态补偿的。所谓静止无功补偿是指它没有机械运动部件，与同步调棚机相 魄，静止炙功蛰缮器是完全静斑豹设备。毽宅豹豁撰是动态熬，瑟壤攒笼功 静需求或亳聪豹交往自动藤踪李 偿。静止无功幸 绥系统孛酶各耱无功餐偿嚣 都是用无功器件( 电容器和电抗器) 产生无功功率，并且根据需要调节容性 或感性电流。静止补偿器的另个特点是依靠晶闸静等电力电子器件究成调 节或投切功能，它们可以频繁地调节或投切。其动作速度是毫秒级的，远比 机械动作快。对于系统中平衡冤功功率或不变动的笼功功率常采用传统的电 容器於绥或称为霆定窀李 缮( 怼) ，嚣关投甥电容瓣( b s c ) ，交宅餐李 嫠天动 静不动豁分辩穰动态的静静缭念越来，形成静正纛葫专 偿系统( s v c ) 。 静止无功补偿装置主要有以下三大类型：一类鼹具有饱和电抗器的静止 无功补偿装鬣( s r ：s a t u r a t e dr e a c t o r ) ；第二类怒鼹闸管控制电抗器( t c r ： t h y r 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 h y r i s t o rs w i t c h c a p a c i t o r ) ，这两类装置通称为s v c ( s t a t i cv a rc o m p e n s a t o r ) ；第三类就 是采臻垂羧鞠交漉鼓本兹静囊笼功蛰偿装羹一一耨垄黪壁无功发象器 ( a s v g ) 。下谣简要一下s r 鹣s v c 的原理， 1 具有饱和电抗器的无功补偿装置( s r ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 魄帮鬯凌器分先叁魄秘电挽器釉可控谗和毫抗器嚣种，褶应静无功羚偿 装鬟氇藏分舞嚣耱。其毒叁键黎激痰捺瓣无功毒 嫠装萋是藏靠毫撬器鑫隽瓣 鸯兹能力寒稳定亳基，它嚣鼹铁，磐瓣悠纛将健寒控麓发凄蓑蔽毅无功凌搴熬 大小。可控锪和龟抗器通过改嶷羧潮绕缀中豹工终电流来控裁铁心豹馋秘弦 度，从面改变工诈绕组的感抗，避一步控制无功电流的大小。s r 的缺点怒：o 造价高，约为一般电抗器的4 倍；并铁心损耗大，比并联电抗器大2 3 倍； 有振动和噪声；调整时间长，渤态补偿速度慢。由于具有这些缺点，所宵 饱和电抗器的静止无功补偿器目前殿用的比较少，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 ) 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2 - 1 所承。 其三辐多接成三焦形，这样的电路井入到电网中枢当于交流调压器电鼹接魄 感性受载，姥电路的有效移稽范灏梵9 0 4 1 8 0 。当触发角a = 9 0 。踺，赫瓣 管全导逶，导逶蔑6 = 1 8 0 。，魏辩耄撬嚣吸收夔无臻电滚蓑丈。擐摇皴发翅与 羚缮器等效导绫之弱弱关系式：蕊* 热。- s i n 6 ) z 帮曩一= 1 墨霹甄。增 大触发角即可增大於偿器的等效鼯缡，这样就会减小补偿电流中的基波分熬， 所以通过调整触发角的大小就可以改变补偿器所吸收豹无功分量，达到调熬 无功功率的效果。 图2 - 1t c r 旗器藏瑾霆 交予摹狻魏t c r 哭戆蔽蔽无凌功攀，蠢不憝发窭秀功臻率，兔了瓣决憩麓簇， 霹戮将荠联窀容器与t c r 配合便麓稳戏无功蛰偿器。鬏据投韬电察嚣豹嚣张 不同，又可分为t c r 与固定电容嚣懿念使用的静止无功补偿器( t c r + f c ) 和t c r 与断路器投切电容器配合使用的静止冤功补偿器( t c r + m s c ) 。这种具有t c r 毅的补偿器反应速度快，灵活性犬，嗣前在输电系统和工业企业中应用最为广 泛。 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麒，t s c 装置应运而生。其单相原理图如 西南交通大学硕士研究生学位论文第! 噩 图2 - 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。 图2 - 2t s c 补偿器原理图 实践证明此装置具有较快的反映速度( 约为5 1 0 m s ) ，体积小，重量轻，对三 相不平衡负荷可以分相补偿，操作过程不产生有害的过电压、过电流，但t s c 对于抑制冲击负荷引起的电压闪变，单靠电容器投入电网的电容量的变化进 行调节是不够的，所以t s c 装置一般与电感相并联，其典型设备是t s c + t c r 补 偿器。这种补偿器均采用三角形连接，以电容器作分级粗调，以电感作相控细 调，三次谐波不能流入电网，同时又设有5 次谐波滤波器，大大减小了谐波。 随着电力电子技术的进一步发展，特别是lg 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新型静 止补偿器a s v g 。与传统s v c 相比，a s v g 具有以下优点： ( 1 ) 动态补偿性能优异。 ( 2 ) 运行范围大。对传统s v c ，其所能提供的最大电流分别受其并联电抗器 和并联电容器的阻抗特性限制，因而随电压的降低而减少。 ( 3 ) a s v g 可以通过采用桥式交流电路的多重化技术、多电平技术或p 1 v m 技 术，消除次数较低的谐波。 ( 4 ) 交流侧连接电抗值和直流侧电容值都较小。 ( 5 ) 对于那些以输电补偿为目的a s v g 来讲，如果直流侧采用较大的储能电 容或其他直流电源( 如蓄电池组等) ，则a s v g 还可在必要时短时间向 电网提供一定量的有功功率。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 2 页 _ _ _ _ - _ _ _ - _ _ _ i _ _ _ _ _ _ - _ _ - - - _ _ _ _ _ - _ _ 一 一一 2 3a s v f i 的原理 2 3 1a s v g 工作原理 a s v g 的工作是建立在一个静止的同步电压源的基础上的，如图2 3 所示。 该电压源由一个g t o ( 或m o s f e t 及i g b t ) 电压型变流器构成，经由串联电抗与 电网相联。由于a s v g 正常工作时就是通过电力半导体开关的通断将直流侧电 压转换成交流侧与电网同频率的输出电压，就像一个电压型逆变器，只不过 其交流侧输出接的不是无源负载，而是电网。因此，当仅考虑基波频率时， a 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电压 源。 图2 - 3a s v g 主电路结构 a s v g 的工作原理可以用如图2 4 a 所示的单相等效电路说明。设电网电 压和a s v g 输出的交流电压分别用向量以和d ，表示，则连接电抗x 上的电压 玩即为阢和驴，的向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a s v g 从电网吸收的的电流j 。因此，改变a s v g 交流侧输出电压【7 ，的幅 值及其相对于系统电压以的相位，就可以改变连接电抗上的电压，从而控制 a s v g 从电网吸收电流的相位和幅值，也就控制了a s v g 吸收无功功率的性质 和大小。 a ) 等效电路 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 3 页一 - - 1 + 吸惯酣生无功( 嘲槌前) b ) 向量图 图2 - 4a s v g 等效电路及工作原理( 不考虑损耗) 图2 - 4 所示的等效电路中，将连接电抗器视为纯电感，没有考虑其损耗及 变流器的损耗，因此不必考虑从电网吸收有功能量。在这种情况下，只需使玩 与氓同相，仅改变口，的幅值大小即可控制a 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 b 所示，当u 大于u ，时， 电流超前系统电压9 0 。，a s v g 从系统吸收容性的无功功率：当u 小于u ，时， 电流滞后系统电压9 0 。，a s v g 从系统吸收感性的无功功率。 图2 5a s v g 实际主电路结构 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) ， 并将总的损耗集中作为连接电抗器的电阻考虑，则a s v g 实际主电路图如图 2 5 ，等效电路2 6 a 所示，则吸收容性无功与吸收感性无功时的向量图如图 2 6 b 所示。在这种情况下，变流器电压阢与，仍相差9 0 。，因为变流器无需 有功能量。而电网电压以与电流，的相差不再是9 0 。，而是l h 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。这个艿角也就是变流器电压d ，与电网电 压虬的相位差。改变这个相位差，并且改变玩幅值，则产生的电流，的相位 和大小也随之改变，a s v g 从电网吸收的无功功率也就因此得到调节。 意 堕童奎望查兰塑主堕塞生堂垡堡塞 篁! ! 堕 _ 一 8 )等效电路 r i 吸收容性无功( 电流超前)吸收感性无功( 电流滞后) b ) 向量图 图2 - 6a s v g 等效电路及工作原理( 计及损耗) 2 3 2a s v g 建模研究 a s v g 主电路图如图2 - 5 。建模之前，作如下假设： a b ，c 三相电路参数对称； 将a s v g 中的变压器看作理想变压器，电力半导体开关元件看作理想 的开关元件，将各种损耗( 主要为开关元件开关损耗及变压器损耗) 以 及变压器漏抗用等值参数表示，并置于a s v g 的外部； a s v g 所有损耗用等值串联电阻r 表示，变压器的漏抗及连线电感用等 值串联感抗x 表示； 只考虑基波分量，其他谐波分量不予考虑； 逆变器输出电压与直流侧电容电压成正比，为三相正序系统，有效值 为u i ； 系统为三相基波正序系统，电压有效值为以； u s 与u ，相位差为j ，以u s 超前u ，为正，且记连接电抗器阻抗角 r 妒5 觚咖i 。 则简化后的a s v g 等效电路图如图2 - 6 a ，工作向量图如2 6 b 所示。于是以吸 亘塑窒望查堂堕主堡窒皇兰篁笙壅 ! 篁! ! 墨 _ 一 收超前无功为例，根据三角关系，可列出如下关系式： 旦l ： 型 ： 型! ( 2 1 3 ) s i n d s i n ( 9 0 0 一妒)s i n ( 1 8 0 。一万一p ) 可以得到： u ，；u , s i n 6 ( 2 - 1 4 ) 一 c o s 妒 据此可推导出稳态时a s v g 从电网吸收的无功电流和有功电流有效值分别为： 如。意寿缸删筇 1 5 ) ：堡s i n 2 6 2 r 扣硝素哪。们 ：生s i n2 艿 r a s v g 交流侧输出电压： u ，：堡型生型( 2 1 7 ) c o s 口 则a s v g 从系统吸收的无功功率q 与有功功率尸分别为： q = 以乇= 旦警 ( 2 - 1 8 ) p ：u s i p ：u s 2 f s i n 28 (2-19) 可以证明，如果无功功率的符号以吸收超前无功为正，吸收滞后无功为负， 则当以滞后于u ，a s v g 从电网吸收滞后无功时，其稳态仍满足以上五式， 只是此时占、易和q 均为负值。由式( 2 1 7 ) 可以看出，j 与变流器交流侧 基波电压的大小一一对应，这就为通过艿控制u 提供了理论依据。另外， 还可以看出，不管万大于还是小于0 ，均有尸 0 ，也就是说，a s v g 均要从系 统吸收少量有功功率来平衡a s v g 本身和电路的各种损耗。 2 4a s v g 控制方法研究 a s v g 的控制方法较传统的s v c 要复杂，根据补偿器要实现的功能，关键 是如何根据有无功电流( 或无功功率) 参考值调节a s v g 产生真正所需的无功 电流( 或无功功率) 。其具体控制方法，可以分为电流的间接控制和直接控制。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 这两种控制方法各有优缺点，又各有其适用范围，下面将分别进行讨论。 2 4 1 电流间接控制 所谓间接控制，就是按照a s v g 的工作原理，将a s v g 当作交流电源来看 待，通过对a s v g 变流器所产生交流电压基波的相位和幅值的控制，来间接控 制a s v g 交流侧电流。间接控制的方法又很多种，下面对几种典型的方法进行 讨论。 1 单6 控制 ( 1 ) p i 控制 本控制方法控制框图如图2 7 所示。根据2 3 2 节中的建模研究，从式 ( 2 1 7 ) 可以看出，万与变流器交流侧基波电压的大小c ，具有一一对应。因 此，通过控制占就可控制坼，从而可控制无功电流的大小及方向。另外，加 入无功功率的反馈，经过p i 控制后，可提高无功电流的控制精度及响应速度。 图2 7p i 控制框图 ( 2 ) 逆系统p i 控制 本控制方法控制框图如图2 - 8 所示。本方法是p i 控制的改进。基本思路 为：对a s v g 无功功率控制采用逆系统非线性p i 方法，五由式( 2 1 8 ) 实时 计算获得。由于疋对4 的动态调节作用，逆系统p i 控制具有比传统p i 控制 更快的响应速度。正因如此，对间接控制的研究将主要针对此种控制方法。 图2 - 8 逆系统p i 控制框图 2 j 与p 配合控制 。 控制框图如图2 - 9 所示。其中越为a s v g 连接电抗参数，该控制方法弓 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 7 页 入了a s v g 吸收的无功和有功电流的反馈控制，并采用了瞬时无功功率法检测 a s v g 吸收的无功和有功电流。图中由至韶的变换，是将a s v g 变流器的交流 侧电压参考值由用玩n 9 0 0 相位的分量有效值吼坷和玩州表 示，变换为用【7 ，超前玩的相位角占和与c 7 ，有效值成正比的脉冲宽度角0 表 示。以图2 6 b ) ，a s v g 吸收感性无功为例，关系推导如下： u s = u j + u = ( u + u 向) + ，( r + i x ) = ( u 掰+ u j 口) + ( i d + ，q ) ( r + ，r ) = u l a + + u i q 七l dr + i d j x + lq r + lq j x 分别在d 轴和q 轴计算，得到如下关系： u s = u d + jq x + i a r 0 = u m + l d x + l q r 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，使得a s v g 控制器必须具有很强的自适应性，迄今并没有一种控制策略可以从根本上解 决上述问题。 图2 - 9 占与口配合控制法框图 以上介绍了a s v g 比较典型的间接控制方法，各有优缺点，但都能达到控 制无功的目的。电流的间接控制方法多应用于较大容量的a s v g 场合，因为容 量大，受电力半导体开关器件开关频率限制，一般无法象直接控制方法那样 对电流波形进行跟踪控制。 2 4 2 电流直接控制 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 西南交通大学硕士研究生学位论文第! 兰夏 值进行反馈控制。 1 跟踪型刚m 控制技术 跟踪型p w m 控制技术可以采用滞环比较方式，也可以采用三角波比较方 式。图2 1 0a ) 是电流滞环比较的原理。无功瞬时电流参考指令f 。与逆变器 的电流反馈f ，比较，其差小于滞环的最大值时，控制功率开关在电流增大状 态，反之，在差值小于滞环最小值时，控制功率开关器件在电流减小状态。 这样输出电流就会按照参考电流的轨迹，在滞环宽度带内跟踪参考电流。滞 环带宽度越窄，跟随效果越好，但开关频率越高、开关损耗越大。滞环比较 有较好的跟踪效果，控制参数也简单，但是功率器的开关频率变化给输出滤 波器的设计带来困难。此外，如果采用固定宽度的滞环带，在输出电流小时 谐波电流含量增大，因此有人提出随输出电流变化而改变滞环宽度的改进滞 环法，这种方法能以减小电流时的跟随性能。滞环比较的上述特点使其更适 合于容量小、开关频率高、电流变化不大的场合。 图2 - l o b ) 是恒频三角波比较的原理图。瞬时无功参考指令。，与电流反 馈相减后，通过p i 调节器运算，再与恒频三角波比较，决定功率开关的状态。 比较器的输出一般有逻辑锁存器，保证在一个三角波周期内，同一桥臂上的 两个开关器件的状态保持不变。这样开关器件的开关频率恒定不变，与三角 波的周期一样。恒频三角波比较控制克服了滞环比较控制开关频率变化的缺 点，但电流波形的谐波成份较滞环比较要大一些。在较大功率和大功率场合， 多用恒频三角波比较，本论文中的a s v g 采用了恒频三角波比较方法。 a ) 滞环比较法 b ) 三角波比较法 图2 一1 0 电流的跟踪控制方法 电流直接控制较间接控制有许多优点，具体讲主要表现在如下三个方面： 嚣麓交遗大学硕士磺突生学位论文 繁1 9 页 系统具有快速的瞬态响应：由于瞬时反馈的引入，控制系统辩直流侧电压 和交流侧电网电压波动邋速作出反应，保持输出电流跟随参考值；系统稳 定性较高：电感的电流控制环是一阶系统，涎条件稳定；可抑制负序引起 的不良影响：电网负序电压存在时，因为无功电流指令是先用a b c d q o 变换 到瞬孵l 。，秀