（电力电子与电力传动专业论文）静止无功发生器无功电流检测和控制方法研究.pdf

摘要 a b s t l a c t w i t ht h eu s i n go fp o w e re l e c t m n i cd e v i c ea 1 1 dn o m i n e a re q u i p m e n t ，a 1 1 dt 1 1 e c o m i l l u o u si n c r e a s i n gd e m a n d s0 n p o w e rq l l a l 时b yc u s t o m e r s ， t h er e a c t i v e c o m p e n s a t i o no fp o w e rq u a l i t yb e c o m em o r ea n dm o r ei m p o r t a l l t ，i np o w e re l e c t r o n i c s ， i ti so n eo ft h em o s ta c t i v ea r e a sm a tr e s e a r c h e si m or e a l i z i n gd y n a m i cr e a c t i v e c o m p e n s a t i o nb ys t a t i cv a rg e n e m t o r ( s v g ) a tt h ep r e s e mt i m e ，t h er e s e a r c ho ns v g i sm a i n l yf o c u so nt 1 1 er c a c t i v ec o m p e n s 砒i o no fp o w e r 协m s m i s s i o ns y s t e m ，a n dn l e c o n t m lm e m o d 诂b a s e do ni n d i r e c t c u r r e n tc o n t r 0 1 i no u rc o u n t r y ，i ti sv e r y1 i t t l et h a t t h es v gi s a p p l i e dt ol o w v o h a g ed i s t r i b u t i o ns y s t e ma n dl o a dc o m p e n s a t i o nf o r i n d u s t r yr e l a t i v em a t u r ep r o d u c th a sb e e no f 诧r e db ys o m ef o r e i g nm a n u f a c t u r e sa n d s c i e n t i f i cr e s e a r c hi n s t i t u t i o n s ，b u tm ep r i c ei sv e r yh j 曲 b a s e do nt h el o w v o l t a g ed i s t r i b u t i o ns y s t e mo rl o a dc o m p e n s a t i o nf o ri n d u s t r y ， t h ea i mo f t h et 1 1 e s i si st os t u d yt h es v g 山a ta d o p t sd i r e c t c u r r e mc o n t m i i nt 1 1 i st h c s i s ，t h es v gh a sb e e ns 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 g c o m p e n s a t i o nd e v i c e sh a v eb e e nc o m p a r e da 1 1 dt l l es u p e r i o rp e d b r m a n c ef o rs v gi s a n a l y z e d a 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 np r i n c i p l eo ns v g ，c h a r a c t e r i s t i c0 f s v gb a s e do nd i r e c t - c u r r e mc o n t r o li sa n a 垮z e d a tt l l em e a n t i m e ，t h ec o m p e n s a t i o n p e r f o m l a n c ef o rs v g i sd i s c u s s e da n dt h em a t hd e d u c t i o nb a s e do ns w i t c h c t i o n a n dd gc o o r d i n a t ei sg i v e ni nd e t a i l s e c o n d l y ，i n 也i st l l e s i s ，as t r u c t u r eo fb p n e u r a ln e t w o r kf o r d e t e c t i n gr e a c t i v e c u r r e mi s d e s i g l l e da n dt h ec o r r e s p o n d i n g a l g o r i t h m i s g i v e n t h e n ，t h ct h e s i sg e n e r a l i z e st ”i c a lc o n 仃0 lm e t h o d so f i n d i r c c t - c u e n tc o n t r o la n dd i r c c t c u e n tc o m r 0 1 a f t e ra n a l y z i n gt 1 1 em e r i t sa n d d r a w b a c k so ft h e s ec o n t r o lm e t h o d s ，ac o n 扛o ls t r a t e g yw h i c hc o m b i n e sv o l t a g el o o p ， c u r r e n tl o o pa n dp h a s e 1 0 c k e dl o o pi sp u tf o n v a r d b e f o r eg i v i n gd e s i g nm e t h o do f a n a l o gg o v e r n o ra n dd i g i t a lg o v e m o r ，e h o rg o v e r n o r i i lc o n t r o l s t r a t e g yh a sb e e n a i l a l y z e da n ds t u d i e d 1 1 1m ee n d ，s e l e c t i o n0 ft h em a i nc i r c u i ts t r u c t u r ea n dt h ed e s i g n m e m o do fc o r r e s p o n d i n gp a r a n l e t e rf o rs v ga r eg i v e n t h eh a r d w a r ec i r c u i tb a s e do n d s pd i g i t a lc o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e da n dc o r r e s p o n d i n ga l g o r i t l l i i lr o u t i n ei s 西v e n i i 摘要 f 适u r e 4 7 r e f e r e n c e 【4 3 】 k e y w o r d s ： r c a c t i v ec o m 如1 1 s a t i o n ；s v g ；n e u m ln e t w o r k ； d i i e c t c u r r e mc o i 血0 1 ：i n d i r c t - c u r r e n tc o m r o l c h i n e s eb o o k sc a t a l o g ：1 m 7 6 l i i 独创性声明 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 方以外，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 含为获得塞徽垄王盔堂或其他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已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：毒晕船 签字日期：扫，绰二月6 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 塞邀堡至太堂有保留、使用学位 论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位 属于安徽理工大学。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。本人授权塞煎理工大 堂一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) 。同时本人保证，毕业后结合学位论文 研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为安徽理工大学。 签字日期：枷z ，年参月b 日 丧嗽王 签字日期：积年6 月p 日 f 安徽理工大学硕士论文 引言 随着在工业和生活用电的负载中，感性负载占的比例越来越大，以及电力电 子装置在电力系统、各工业部门和家电行业的广泛应用，它们不仅消耗了大量的 无功功率，而且影响了电能质量。同时随着社会的发展和进步，重要和精密负载 所占的比例越来越大，因此电力部门与用户对电能质量的改善提出了越来越高的 要求：不仅要求供电连续可靠，还希望供电电压、频率稳定，波形良好。 作为电能质量的重要一环，无功功率的补偿在提高供电和用电设备的安全可 靠运行、提高功率因数、降低电路损耗、减少设备容量等许多方面作用明显。因 此，研究无功补偿问题具有十分重大的意义。 无功补偿器件的发展经历了几个阶段。最早期的补偿器件是以同步凋相机为 代表的旋转无功补偿器，但这种旋转无功补偿器运行噪声大，效率低，动态响应 慢且维护困难，2 0 世纪7 0 年代以来已逐渐被静止无功补偿器取代。 静止无功补偿器包括饱和电抗器( s a t u r a t e dr e a c t o r s r ) 补偿装置，基于 晶闸管控制的静止无功补偿装置( s t a t i cv a rc o m p e n s a t o r s v c ) 以及采用p w m 整流器拓扑结构的静止无功发生器( s t a t i cv a rg e n e r a t o r s v g ) 。饱和电抗器 利用铁心的饱和进行无功补偿，其主要特点是动态响应快，但其具有损耗和噪声 大，以及不能分相调节和补偿负载的不平衡以及自身存在的非线性等问题，因而 未能推广使用。静止无功补偿装置( s v c ) 常指基于晶闸管控制的静止无功补偿装 置，主要包括晶闸管控制电抗器( t h y r i s t o rc o n t r o l l e dr e a c t o r t c r ) 补偿装 置以及晶闸管投切电容器( 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 ) 补偿装置，另 外，s v c 还包括一些混合型的补偿器，如t c r + t s c 补偿装置等。 晶闸管控制电抗器( t c r ) 补偿装置就是采用两个反并联的晶闸管与电抗器相 串联，通过触发延迟角的变化来控制电抗器支路中的无功电流，从而进行无功补 偿。单独的t c r 补偿装置由于只能吸收感性无功，因此常与并联电容器配合使用， 以吸收容性无功，这种复合型补偿装置被称为t c r + f c 型s v c 。t c r 补偿装置的主 要特点是能进行连续的无功补偿，其主要缺点是补偿过程会产生谐波。 晶闸管投切电容器( t s c ) 补偿装置利用两个反并联晶闸管与补偿电容器相串 联，通过投切电容器来补偿无功功率。显然，t s c 补偿装置是一种分级可调的容 性无功补偿器。与t c r 补偿装置相比，t s c 补偿装置虽然不能连续调节无功功率， 但运行时不产生谐波，且损耗较小，因此仍然获得了广泛应用。 静止无功发生器( s v g ) 是一种静止型电气设备，系统或装置，它能从电力系 引言 统中吸收可控的容性或感性电流，从而发出或吸收无功功率。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，或者直接控制其交流侧电流，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。 静止无功发生器( s v g ) 是柔性交流输电系统( f a c t s ) 的一个重要组成部分。 是静止无功补偿的发展方向，近年来在世界各地都得到了广泛的应用，目前我国 己成功研制出2 0 m v ”的s v g 装置并投入运行。 但是目前针对静止无功发生器的研究主要集中在输电系统无功补偿，且控制 方法基于间接电流控制，将静止无功发生器应用在低压配电系统或工业负荷补偿 的在国内相对较少，且技术不成熟，而国外一些大型生产厂家和研发机构在这方 面已经有了相对成熟的产品，但是装置价格昂贵。 本文的研究目的是立足于低压配电系统或工业负荷补偿，且控制方法采用直 接电流控制的静止无功发生器的研究。 安徽理工人学硕士论文 1 绪论 1 1 背景分析 随着现代电力电子技术的飞速发展，尤其是近年来电力电子装置在电力系统、 各工业部门和家电行业的广泛应用，它不仅使电能质量受到严重影响，严重时甚 至危及到电力系统的安全运行，给国民经济带来严重损失；与此同时，各种复杂 的精密设备对电能质量非常敏感，生产过程的自动化和智能化对电能质量也提出 了更高的要求，因此电力部门与用户对电能质量的改善提出了越来越高的要求： 不仅要求供电连续可靠，还希望供电电压、频率稳定，波形良好。然而，近几年来， 低压配电网的非线性、不对称及冲击性负荷迅速增多，致使电网的电能质量恶化， 主要产生了以下不利的影响： ( 1 ) 非线性负荷产生的无功及谐波电流大量向中、高压配电系统渗透，增 加了系统的损耗。 ( 2 ) 不对称负荷加剧了电网的不平衡度。 ( 3 ) 快速冲击负荷( 如轧钢机、焊机、大型冲床等) 从电网吸收无功，同时 产生电压波动和闪变，降低电动机的有效出力，使产品成品率降低，缩短了设备 使用寿命。 而作为电能质量的重要一环，无功功率的补偿在提高供电和用电设备的安全 可靠运行、提高功率因数、降低电路损耗、减少设备容量等许多方面作用明显。 因此，研究无功补偿问题具有十分重大的意义。 1 2 无功补偿器件发展状况“2 ”。1 在初期的小规模交流电网中，发电厂靠近负荷中心，负载消耗的无功全部由 发电机发出，用户端电压波动小，并不需要专门的无功补偿装置，可通过调节发 电机的励磁电流来实现无功调节。随着电网规模的扩大，这种调节方式己不能适 应无功补偿的需求。于是，产生了同步调相机( s c ) ，它是专门用来产生无功功率 的同步电机，在过激磁或欠激磁的不同情况下，可以分别发出不同大小的容性或 感性无功功率。自上个世纪二、三十年代以来的几十年中，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，损耗和噪声 都较大，运行维护复杂，而且响应速度慢，在很多情况下己无法适应快速无功功 率控制的要求。所以七十年代以来，同步调相机开始逐渐被静止型无功补偿装置 1 绪论 ( s v c ) 所取代。早期的静止无功补偿装置是饱和电抗器( s r ) 型的。1 9 6 7 年，英国g e c 公司制成了世界上第一批饱和电抗器型静止无功补偿装置。饱和电抗器与同步调 相机相比，具有响应速度快的优点，但是存在损耗和噪声大及非线性电路的一些 特殊问题，以及不能分相调节负荷的不平衡等缺点。随着电力电子技术的发展及 其在电力系统中的应用，使采用品闸管器件的静止无功补偿装置得以发展。1 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采用晶闸管的静补装置。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晶闸管静补装置投入实际 运行。 静止无功补偿装置( s v c ) 专指使用晶闸管器件的静补装置，包括晶闸管控制电 抗器( t c r ) 和晶闸管投切电容器( t s c ) ，以及这两者的混合装置( t c r + t s c ) ，或者晶 闸管控制电抗器与固定电容器( f c ) 或机械投切电容器( m s c ) 混合使用的装置( 如 t c r + f e ，t c r + m s c 等) 。随着电力电子技术的进一步发展，八十年代以来，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静止无功补偿 装置，即静止无功发生器( s v g ) ，也有人称之为高级静止无功补偿器( a s v g ) 。s v g 的基本原理是：三相电压型逆变器通过连接电抗器与三相交流系统并联相连后， 通过适当的控制使其与系统交换无功电流。在提高系统暂态稳定性、阻尼系统振 荡等方面，s v g 性能大大优于传统的同步调相机及s v c 。与s v c 相比，s v g 减小了体 积、节省了材料，并具有响应速度快、调节性能好、能综合补偿无功、三相不平 衡和谐波的特点。其正逐步成为无功补偿的一个重要发展方向。 s v g 是无功补偿器件的重要发展方向，利用电力电子变流器进行无功控制的 可能性很早就已经为人们所认识了，但限于当时电力电子器件的耐压和功率水平， 无法制造出输电系统中具有实用价值的装置。目前，从装置研究现状来看，在国 外，1 9 7 9 年日本三菱公司和关西电力推出世界上第一台采用晶闸管强迫换流的 2 0 吖v a r 的s v g 装置并并网运行。随着电力电子器件的发展，尤其是高压大功率 的门极可关断晶闸管g t o 等自关断器件开始达到了可用于s v g 中的电压和电流等 级，并逐渐成为s v g 的自换相桥式电路中的主力，才极大地推动了s v g 的开发和 应用。1 9 8 6 年美国的e p r i 与西屋公司等研制的1 m v a r s v g 在纽约投入示范运行； 1 9 9 1 年日本的三菱公司与关西电力公司共同研制的8 0 m v a r s v g 在i n u y a i l l a 开关 站投入1 5 4 k v 系统运行；1 9 9 2 年东京电力分别与东芝公司和日立公司开发的两台 5 0 m v a r s v g 在新信浓电站投入使用；1 9 9 5 年美国的电力科学院e p r i 、田纳西 流域管理局t v a 与西屋公司投运了一台1 0 0 肘v a r s v g ；1 9 9 7 年由德国西门子公 司开发研制的8 m v a r s v g 在丹麦投入运行；目前为止世界上最大容量的s v g 是 安徽理工大学硕士论文 美国a e p 统一潮流控制器项耳中的并联部分一一1 6 0 m v a r s v g ，已于1 9 9 7 年开 始运行。 在国内，1 9 9 4 年清华大学与河南电力局联合开发的2 0 m v a r 的s v g 装置于 1 9 9 9 年3 月在河南洛阳2 2 0 k v 朝阳变电站并网成功。另外，国家电力公司南京自 动化研究院在2 0 0 1 年也研制了5 0 0 k v a 的s v g 装置。 1 3 静止无功发生器( s v g ) 最新发展方向 2 0 世纪9 0 年代以来，世界范围内有关s v g 的研究和应用有了长足的进步和发 展，在几家具有重要国际影响的电气制造公司的推动下，具体的建设项目的投运装 置也迅速增多。综观近几年来建设的这些项目和投运装置，具有如下的发展趋势： ( 1 ) s v g 的主电路由早期的以多重化的方波变流器为主要形式，已发展为以 p w m 变流器为主要形式。多重化技术仍被广泛采用，但大都与多电平p w m 变流器相 结合，包括二极管箝位型和h 桥级联型( 有的文献称为链式结构) 多电平变流器，以 减少耦合变压器的使用。有的采用单台多电平p w m 变流器的s v g 装置容量己达到 几十兆安。 ( 2 ) s v g 的变流器中所采用的电力半导体器件已由早期的以g t o 为主，正逐步 发展为趋向于采用i g b t 和i g c t ( 集成门级换相晶闸管，有的文献也称为g c t ) 。在 装置容量为几十兆安以下的场合，采用i g b t 的趋势更为明显。 ( 3 ) s v g 的补偿目标已由早期的以对输电系统的补偿为主，扩展到了对配电系 统补偿，甚至负荷补偿的各个层次。在配电系统补偿和负荷补偿这两个层次，再加 上采用基于i g b t 这种性能更好的器件的p w m 整流器，这是世界上几家主要的电气 制造公司在s v g 领域大力开发研究和推广的热点。 1 4 静止无功发生器( s v g ) 研究意义 按补偿对象不同无功补偿技术又可分为负荷补偿和系统补偿两类”1 。负荷补 偿通常是指在靠近负荷处对单个或一组负荷的无功功率进行补偿，其目的是提高 负荷的功率因数，改善电压质量，减少或消除由于冲击性负荷、不对称负荷和非 线性负荷等引起的电压波动、电压闪变、三相电压不平衡及电压和电流畸变等危 害。系统补偿则通常指对交流输配电系统进行补偿，目的是维持电网枢纽点处的 电压稳定，提高系统的稳定性，增大线路的输送能力以及优化无功潮流，降低线 损等。 根据文献显示，自2 0 世纪8 0 年代以来，国内外已发表了大量关于静止无功发生 l 绪论 器的研究报告，并从不同方面对应用静止无功发生器进行无功补偿的技术作了深 入而全面的研究，经过2 0 多年的发展，对应用静止无功发生器进行无功补偿的技 术已同趋成熟。但文献中讨论的s v g 控制原理、数学模型、控制方法多是集中于间 接电流控制方案，且己研制出的s v g 主要用以配电系统的无功补偿。受器件开关频 率与开关容量的影响，对于采用间接电流控制方案的s v g 装置存在输出谐波问题， 且响应速度和控制精度也有待提高。对于采用直接电流控制方案，文献 2 提出了 运用瞬时无功理论检测无功电流，控制上采用定频滞环的方案。 将s v g 技术应用到低压配电系统或工业负荷补偿的，在国内目前相对较少， 且技术不成熟。而国外一些大型生产厂家和研发机构在这方面已经有了相对成熟 的产品，但是装置价格昂贵。 随着电力电子开关器件开关频率的不断提高，先进控制技术的出现以及高性 能微处理器特别是数字信号处理器( d s p ) 的出现，使得一些先进的控制策略应用 于s v g 装置的控制成为可能。 综上所述，作者认为，对应用到低压配电系统或工业负荷补偿的s v g 系统技术 进行研究，研制出一种响应迅速、自身几乎不产生谐波、控制简单且使用范围广 泛的s v g 装置则具有很高的经济价值和社会价值。 1 5 本文的研究内容 本文的选题是围绕直接电流控制方案且对低压配电系统或工业负荷进行无功 补偿的静止无功发生器而展开的。本文对直接电流控制的静止无功发生器进行了 深入的研究，建立了适用于直接电流控制方法的s v g 数学模型，提出了一种检测无 功电流的方法，在m a t l a b s i m u l i n k 仿真环境下构建仿真模型并进行仿真分析。设 计了应用于低压配电系统或工业负荷侧，容量为3 v a r 的试验装置。本论文具体 内容包括： ( 1 ) 在分析直接电流控制的静止无功发生器工作原理的基础上，建立了适用 于直接电流控制方法的数学模型； ( 2 ) 比较了几种无功电流检测的方法，提出了运用b p 神经网络对无功电流进 行检测的方法，并设计了网络结构，给出了相应的算法，进行了仿真分析； ( 3 ) 深入研究了静止无功发生器( s v g ) 的两种控制方法，针对直接电流控制的 特点提出了电压环，电流环与锁相环相结合的控制策略，并设计了模拟误差调节 器和数字误差调节器； ( 4 ) 给出了静止无功发生器主电路参数及相关器件选择和设计的方法，并对 安徽理工大学硕士论文 连接电抗器的参数对补偿性能的影响进行了仿真分析； ( 5 ) 在m a t l a b s i 叫l j _ n k 仿真环境下构建了静止无功发生器的仿真模型，并分 别对其补偿感性和容性无功功率的情况下进行了仿真分析： ( 6 ) 设计了应用于低压配电系统或工业负荷侧的静止无功发生器试验装置， 并进行了部分试验工作。 2s v g 工作原理和数学模型 2 s v g 工作原理和数学模型 2 1无功功率的定义川 2 1 1 正弦电路的无功功率 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： “：劢s i n 耐 f = 扛s i n ( 耐妒) ( 2 1 ) = 丑c o s 妒s i n ，一压s i n 驴c o s 耐= j ，+ f g 式中妒电流滞后电压的相角 电流j 被分解为和电压同相位的分量f ，和比电压滞后9 0 。的分量f 。f ，和f 。分 别为： o 一2 二咖邺协耐( 2 _ 2 ) = 一2 ，s i n 妒c o s 刃fi 电路的有功功率p 就是其平均功率，即： p = 去f 。删陋) = 去f ”o + “p 向) ( 2 3 ) = 去f 4 c 唧一叩c 。s 2 耐p ( 砑) + 去f ”( _ n 删n 2 耐p 向) = 明c o s 口 电路的无功功率定义为： q = 明s i n 妒 ( 2 4 ) 可以看出，q 就是式( 2 3 ) 中被积函数的第2 项无功功率分量“f 。的变化幅度。 “f 。的平均值为零，表示了其有能量交换而并不消耗功率。q 表示了这种能量交换 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 3 ) 中可以看出，真正的功率消耗是由被积函数的第1 项有功分量 “f ，产生的。因此，把由式( 2 3 ) 所描述的和f ，分别称为正弦电路的有功电流分 安徽理工大学硕士论文 2 1 2 非正弦电路的无功功率 在含有谐波的非正弦电路中，有功功率仍为瞬时功率在个周期内的平均值。 非正弦周期函数可用傅立叶级数表示成式( 2 5 ) 或式( 2 6 ) 的形式。式中的 s i n 向+ 仍) 、 “向) = + 0 。c o s 以研+ 6 。s i n ”耐) ( 2 5 ) 月= l 式中 ：圭f 4 “向p ( 拼) 2 瓦i “忉f 【拼) = 去卜向) c 。s 胛删向) ”昙f 8 如) s i n 珂蒯向) 0 = 1 ，2 ，3 ，) 或 “( 矗) + 矗s i n 0 积+ ) ( 2 6 ) n = l s i n ( 2 耐+ 尹：) 、s i n ( 3 耐+ 仍) 、等都是互相正交的。也就是说，上述函数集合 中的两个不同函数的乘积在一个周期内的积分为零。所以其有功功率p 为： 尸= 去肛d ( 耐) = 喜。c 。s 仇 ( z _ 7 ) 电压和电流的有效值分别为： 因此 u = 雁u ： i = 露 渤i = 西罾 ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 含有谐波的非正弦电路中的无功功率的情况比较复杂，至今没有被广泛接受 的科学而权威的定义。我们可以这样定义无功功率： q ：括【可 ( 2 一1 1 ) 这里，无功功率q 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 2s v g 工作原理和数学模型 耗。 2 2 静止无功发生器( s v g ) 2 2 1 工作原理 简单地说，s v g 的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，或者直接控制其交 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。 s v g 分为采用电压型桥式电路和电流型桥式电路两种类型，由于运行效率的 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 往往专指采用自 换相的电压型桥式电路作动态无功补偿的装置。其电路基本结构如图1 所示。 图1 电压型s v g 的电路基本结构 f i g 1t h cb a s i cs t n l c t u r eo f s v g w i t hv o l t a g es o u r c e 由图1 可见，静止无功发生器主电路主要包括三相电压型逆变器，直流环节使 用电容作为电压支撑，逆变器交流输出端通过耦合变压器连接在交流线路母线上， 母线电压与逆变器交流输出端电压的电压差降落在耦合变压器的漏感和平波电抗 器上( 图1 中未标出) ，压差与感抗的比值决定了静止无功发生器向电网注入的无功 电流和无功功率大小。 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，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。它通过交流电抗器连 接到电网上。s v g 的工作原理如图2 a 所示的单相等效电路图。设电网电压和s v g 输出的交流电压分别用相量u s 和【，表示，则连接电抗x 上的电压u c 即为u s 和 安徽理工大学硕士论文 r ，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j 。因此，改变s v g 交流侧输出电压6 ，的幅值及其相对于毋。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。 在图2 a 的等效电路中，将连接电抗器视为纯电感，没有考虑其损耗以及变流 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u ，与u s 同相， 仅改变6 ，的幅值大小即可以控制s v g 从电网吸收的电流j 是超前还是滞后9 0 。， 并且能控制该电流的大小。如图2 b 所示，当6 ，大于6 。时，电流超前电压9 0 。， s v g 吸收容性的无功功率；当玉，小于玉。时，电流滞后电压9 0 。，s v g 吸收感性的 无功功率。 a ) 单相等效电路 a ) s 堙l ep h a s ee q u i v a i e n tc i r c u i 电流超前 b ) 相量图 b ) p h a s o rd i a g m m 图2s v 6 等效电路及工作原理 f i g 2t h ee q u i 1 e n tc i r c u i ta n do p e r a t i n gp r i n c i p l eo fs v g 2s v g 工作原理和数学模型 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s v g 实际等效电路如图3 a 所示，吸 收容性无功与吸收感性无功时的向量图如图3 b 所示。在这种情况下，变流器电压 u ，与电流，仍相差9 0 。，因为变流器无需有功能量。而电网电压u s 与电流的相 差不再是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，中有一定量的有功分量。这个占角也 就是变流器电压玉，与电网电压玉。的相位差。改变这个相位差，并且改变玉，的幅 值，则产生的电流j 的相位和大小也随之改变，s v g 从电网吸收的无功功率也就因 此得到调节。 a ) 单相等效电路 a ) s i g l ep h a s ee q u i v a i e n tc h u i i u 吸收容性无功( 电流超前)吸收感性无功( 电流滞后) b ) 相量图 b ) p h a s o rd i a g r a m 图3s v g 等效电路及丁作原理( 记及损耗) f 培3t h ee q u i v a l e n tc i r c u i ta n d 叩e r a t i n gp r i n c i p l eo f s v g ( i n c l u d i n gl o s s ) s v g 装置是通过改变输出电压调节其输出的无功功率，可以等效为可控电流 源，s v g 装置输出的无功功率与系统电压成比例，也即其输出的无功电流与系统 安徽理工大学硕士论文 电压无关，因此在电力系统电压降低时，s v g 装置输出的无功功率会以与系统电 压下降的比例而下降。所以在系统电压下降时，s v g 装置输出无功功率的能力比 s v c 强，而在系统电压升高时，s v g 装置吸收无功功率的能力比s v c 弱。电力系统 中，因为系统出现故障后的动态过程中主要出现的问题是电压降低，因此s v g 装 置的无功功率特性比同容量的s v c 装置更好。图4 示出s v g 装置输出的无功电流 特性。图中【，。，为补偿装置的控制参考电压，由图4 可见当系统电压降低到一定 值或升高到一定值后，s v g 装置受关断器件容量限制，其特性变成恒电流特性， 即s v g 装置产生最大的容性无功电流或感性无功电流。 2 2 2 数学模型 u r e f 雪祧 容性匡 f 二二 图4s v g 的电压一电流特性 f i g 4 t h ev o l t a g e c u r r e n tc h a r a c t e ro f s v g s v g 的控制方式分为间接电流控制和直接电流控制，采用直接电流控制方法 后，s v g 相当于一个受控的电流源“1 。其每一相的等效电路如图5 所示。负载可以 看作是一个电流源。其中，为系统电源，为电源阻抗，假设t 为负载电流， f 。为供电系统提供的电流，为s v g 产生的电流，根据基尔霍夫电流定律有： = t 一0 ( 2 1 2 ) 非线性负荷电流中分别含有谐波电流分量，基波无功电流分量k ，基波有 功电流分量f 。，即： f l = f f + 0 + k ( 2 1 3 ) 若系统只补偿基波无功，则只要控制f ，= k ，则屯= “+ ，即基波无功全部 被补偿；若系统同时补偿基波无功和谐波无功，同样只要控制= “+ k ，则 = k ，即只有基波有功电流注入电网。 2s v g 工作原理和数学模型 幽5s v g 的单相等效电路图 f 培5 o n ep h a s ee q u i v a l e n tc i r c u i td i a g r a mo fs v g 2 2 2 1 基于开关函数的数学模型 系统的数学模型是描述其静态和动态特性的信息集合，是分析和综合系统的 基本出发点。许多文献对s v g 的动态或稳态模型进行了讨论“，这些讨论的出发 点在于s v g 采用调节6 或。的基频移相控制，其控制方法是基于间接电流控制。本 文讨论了利用开关函数法和d 一日方法建立s v g 的动态模型，其控制方法是基于直 接电流控制。 根据图6 利用开关函数法对s v g 数学模型进行推导，在进行推导以前，先对s v g 装置做如下假设：“3 “4 1 ( 1 ) 系统中的电压电流满足三相平衡条件，为工频正弦波； ( 2 ) 将s v g 装置中各种损耗及电阻包括开关器件的导通电阻用等效电阻表示， 如图6 中的r 。，月。矗。，变压器漏电感及线路电感用等效电感表示，如图6 中 三。，厶，三。 图6s v g 数学模型图 f i g6 t h em a t h e m 砒i c a im o d e lo fs v g 基于上述假定，可以得出s v g 装置总的输出电压为： 一。o ) = “ s i n 研 “。如) = “。s i n 陋一2 州3 ) ( 2 1 4 ) 【“。o ) = “。s i n 0 孵+ 2 衫3 ) 系统三相电压为： 。 安徽理工人学硕士论文 “。o ) = 厄，s i n 向一口) “。o ) = 也，s i n g 面一2 州3 一口) ( 2 一1 5 ) “。o ) = 厄。s i l l 0 孵+ 2 衫3 一口) 式中，口为s v g 输出电压与电源电压之间的相位差。 根据s v g 装置的数学模型图，可以列出s v g 装置的三相数学方程 l 掣：。o ) 飞。o ) 一凡o ) 厶掣：。( f ) 一。o ) 一也屯o ) ( 2 。1 6 ) t 掣：。o ) 一。o ) 一疋t o ) 对于s p w m 控制下的变流器同一桥臂的两个开关器件交替导通，因此引入开关 函数s ，定义如下： 厂1 ，代表对应桥臂中的上管导通，下管关断 s ，= _ f - d ，6 ，c l o ，代表对应桥臂中的下管导通，上管关断 对于一个三相三线平衡系统，有 “。+ 甜 + “。= o + + f 。= 0 ( 2 1 7 ) 根据式( 2 一1 7 ) ，可推导得到： 13 = 一“出s ， ( 2 _ 1 8 ) o f = l 则逆变器的输出电压为： “。= ( 旷 圹卜 铲卜 将( 2 1 9 ) 式代入( 2 1 6 ) 式，得到 ( 2 1 9 ) 出 n 牡杠怔 d n + + + + + + k k k 2s v g 工作原理和数学模型 上掣棚。e ) ： 廊 三掣埘。o ) ： 出 三掣+ r f c o ) ： 防 对直流侧电容电压进行分析，可以得到 + 凡+ j c sb+sc + s 8+sc 一甜瑚o ) 一甜站o ) ( 2 2 0 ) 一“卵o ) c 警魂蛾o ) 饥眠( f ) m o ) ( 2 埘) 如果开关函数比调制波频率高得多，则开关函数可以看作是角频率为珂，相 角为占，幅值等于调制比m 的正弦波，开关函数s 的基波成分为d ，“” 啦s 卜啡_ 1 ) 爿 ( 2 _ z z ) 式中f = 口，6 ，c ，t = 1 ，2 ，3 ， 如令( 2 2 0 ) 式中，薯一 s ，= p 。f = 口0c ( 2 2 3 ) 式中只为o ，土( 1 3 ) ，( 2 3 ) 。n 的基波成分几为 驴旷；，娶= s 卜占一) 爿 z a ， a 相输出电压基波分量为 a 相输出电压含高次谐波 ”= 妇女c o s ( 耐一占) ( 2 2 5 ) 虬= “口c o s 耐+ “。c o s 0 耐一民) ( 2 2 6 ) 式中吒一“。调制产生的第n 次谐波的初始相位角 “。一第n 次谐波分量的幅值 f p w m 调制方式所决定的最低次谐波次数 输入电感上的电压“。在忽略电阻上的压降时为 “= “。一“。= “。s i l l 耐一pc o s 研一“。c o s 0 删一占。) ( 2 2 7 ) 补偿的无功电流 1 6 出 出 缸 巾小扯 k k k ，一，。一，一， l 卜l r l r 安徽理工大学硕士论文 f ：竺竺! ! ! ! 二! 竺! ! ! 竺+ 争坠三韭二鱼2( 2 2 8 ) k 一 观 。危 n 砒 ”7 观函n 孔 由式( 2 2 8 ) 可见，逆变器输出电流受调制电压的控制，不管采取什麽控制 策略，对逆变器输出电流的控制都是通过控制电压实现的。 通过上述数学模型的推导可以得出：s v g 的直接电流控制方式就是根据给定的 控制目标，按照预定的控制算法，由实际测出的系统状态参量，通过某种控制策 略来调节电压调制比m ，以此来控制逆变器中的开关元件的通断，使逆变器产生 所要求的输出电压，从而实现系统的无功补偿及有功平衡作用。 2 2 2 2 基于d q 的数学模型 基于开关函数建立的三相s v g 装置的数学模型包含有三相电量“，在以基波 频率旋转的三相旋转坐标中，三相对称平衡电量将成为直流量，这样可以简化三相 系统的开关函数模型。 应用三相旋转坐标变换 c o s 耐 = 屏咖耐 1 i 压 c o s ( 耐_ 引 “n ( 耐一 l 压 。f 研+ 塾 l3 叫n 卜 l 压 ( 2 2 9 ) 式中，玎= 2 矿，厂为s v g 装置输出的基波频率。为简单起见，记r = 。，。 日6 c 坐标系到砌o 坐标系的变换为： 七女o = 戤。 ( 2 3 0 ) 式中，x 。为口幻静止坐标系的矢量，x 。为由o 旋转坐标系的矢量。 对于采用p w m 控制，假设开关模式产生的谐波可忽略，结合式( 2 1 5 ) 、( 2 2 9 ) 、 ( 2 3 0 ) 对式( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) 进行由0 变换得到s v g 装置在由o 坐标下的数学模型 为： d 以 0 l q z 0 “出 。堡 上 一s l n 口 c o s a o o ( 2 3 1 ) o _ 如衄 。l 1，lj o m 一三o o o o竺上0 叮r一上。 所一c 胄三 万 o o 2s v g 工作原理和数学模型 由于s v g 装置为三相三线制系统，三相电流之和为零，所以上述方程中的f 0 始 终为零，因此可以将该方程去掉，得到s v g 装置的数学模型为： 由系统方程式可得出下面的表达式： f 。0 ) =飞 p ：警+ p ( 参s 批d ) + 去血口 ”z p ：扣k 等+ 高喁丧 ( 2 3 2 ) ( 2 3 3 ) ( 2 3 4 ) 删= 蔫一 p 。0 ) = 甜叫f 。+ “o = 一虬ks i n 口一oc o s 口) g 。) = “。一“。j 。= 一“，( f 。s i