（电力电子与电力传动专业论文）模块化有源无功补偿器的研究.pdf

a b s t r a c t a d v a n c e ds t a t i cv a tg e n e r a t o r ( a s v g ) ，as u b s t a n t i a lc o m p o n e n ti n 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 ( f a c t s ) ，h a sb e e nc o m i n gu s e t h ec i r c u i t t o p o l o g i e sc o m p e n s a t i n gt h el a r g ec a p a c i t yr e a c t i v ep o w e r a r ec o m p a r e d ，a n d t h em o d u l a r i z e dc i r c u i tt o p o l o g yb a s e do nc a n b u s i sc h o o s e da st h es t u d i e d o b j e c to f t h i sp a p e r s o m ea s v g s p r o b l e m sf o u n d e d i na p p l i c a t i o na r ed e e p l y r e s e a r c h e d i nt h eu n b a l a n c e dp o w e rs y s t e m ，t h es i m u l a t i o n so ft h ea s v g u s i n gt h e c u r r e n tc o n t r o l l i n gm e t h o di na b ea x i sm o d e la n dt h ea s v gu s i n gt h ec u r r e n t c o n t r o l l i n gm e t h o di nd q a x i sm o d e la r ed o n e ，a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w m a tt h ef o r n l e rc o n t r o l l i n gm e t h o di ss u p e r i o rt ot h el a t t e r , a n dt h er e a s o ni s g i v e n m o r e o v e r ，t h i sp a p e ra p p l i e st h es p a c ev e c t o rp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ( s v p w m ) t oa s v gt r a c k i n gs p e c i f i e dv o l t a g ev e c t o rb ys v p w m t oc o n t r o l t h ec u r r e n to fa s v gu n d e rt h eb a l a n c e dp o w e rs y s t e m t h i sm c t h o dm a k e s f u l l y u s eo fd cv o l t a g ea n do p t i m i z e dt h es w i t c h i n gf r e q u e n c y ，w h i c hi s e x a m i n e db y s i m u l a t i n g t h et h e o r yo fa c r e g u l a t o ri nc a r r i e r - s e r v oc o n t r o l l i n gs y s t e mi sq u o t e d ， w h i c hd o e sa c h i e v ez e r os t e a d y s t a t ee r r o rw h e na cr e f e r e n c ei sg i v e n a s v g u s i n gt h ed i r e c t c u r r e n tc o n t r o l l i n gm e t h o di na b ea x i sm o d e lw i t ha cp i a d j u s t o rh a se x c e l l e n tp e r f o r m a n c e a n d h i 啦c o n t r o l l i n ga c c u r a c y t h er e a c t i v ec u r r e n t d e t e c t i n gh a r d w a r e c i r c u i ta n dc u r r e n t t r a c k i n g c o n t r o l l i n g h a r d w a r ec i r c u i tb a s e do nt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a d s pa r e d e s i g n e d c a r e f u l l y t h ec o m m u n i c a t i o n w i t hc a n b u sb e t w e e n m o d u l e si sr e a l i z e d ，a n d t h em a i nc i r c u i t sa r ea n a l y z e da n dd e s i g ni nd e t a i l ，a tl a s tt h ee x p e r i m e n to f c h e c k i n gr e a c t i v ec u r r e n ti sd o n g ，a n dt h er e s u l to fc h e c k i n gr e a c t i v ep o w e r i s g a i n e da c c u r a t e l y k e y w o r d s ：m o d u l a r i z a t i o n ，a s v qd i r e c tc u r r e n tc o n t r o l ，d s p , c 2 m n 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 第一章前言 1 1 无功功率补偿问题 随着电力电子装最的应用日益广泛，电力系统中的非线性负载越来越 多，这样就需要向电力系统提供大量的无功功率。由于电力系统网络元件 的阻抗主要是电感性的，所以在电网中输送无功功率就造成受电端的电压 幅值不稳定，并且使输电线路的输送能力降低。显然，这些无功功率如果 都要由发电机提供并经过长距离传送是不合理的，通常也是不可能的。合 理的方法应是在需要消耗无功功率的地方产生无功功率，这就是我们所说 的无功功率补偿。其作用主要有：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；稳定受电端及电网的电压，提高供电质量。在 长距离输电线中合适的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；在电气化铁道等三相负载不平衡的场合，通过适 当的无功补偿可以平衡三相的有功及无功负载。 无功功率和谐波污染的危害主要有如下几个方面：1 增大电网电压 降。2 增加电网损耗。3 降低电网和电气设备的利用率。谐波电流的危害 主要有如下六个方面：1 对电网邻近的通讯线路干扰；2 导致继保护装置 误动作；3 使变压器、电气线路、电容等绝缘老化，寿命减小；4 引起电 网上其它旋转电机附加损耗和噪声；5 激发电网局部振荡，引起谐波电流 放大：6 引起电网波形畸变。由此可见，无功功率和谐波电流对电网安全 运行存在很大的威胁，电网谐波和无功治理对稳定电网电压、增进系统的 稳定性、改善电网波形有十分重要的意义。 由于现在主要的无功源为电力电子设备，所以要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， 如无功功率补偿器、有源滤波器等，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 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 低功率因数设备，并且方法简单，己得到广泛应用。 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，从而为各釉形式的变 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。 图卜1t c r 补偿器示意图 晶闸管获得广泛应用后，以晶闸管控制电抗器( t c r ) ( 图1 1 ) 为 代表的静止无功补偿装置( 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。出现了t c r 、固定电容( f i x e dc a p a c i t o r ，简称f c ) 和晶闸管投切电容( t h y r i s t o r s w i t c h i n g c a p a c i t o r ，简称t s c ) 构成的组合 谐波滤波和无功补偿系统，以及t c r + f c 的基本结构，t c r 实现无功的连 续调节，f c 提供电网和t c r 所需的容性无功电流。以及以逆变器为基础 的先进静止无功发生器( a s v g ) 等，其中a s v g 是最具前途的一种补偿 方式，有优越的动态补偿效果，并且已经开始推广。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 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概念 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 r i c c o n d e n s e r ) ；在日本过去则称为静止无功功率发生器( s t a t i cv a r g 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 r l c v a r c o m p e n s a t o r ) ，简称a s v g 。在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。本论文仍用我国现有 文献中通用的名称新型无功功率发生器( 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无功补偿的装置，其基本原理是：将自换相 桥式电路通过电抗器或直接并联在电网上，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：无功发生器将整流成直流 并使直流侧的电容电压保持一定值，同时经过一组逆变器将此直流侧电压 逆变成交流电压，通过电感与系统连接。如果逆变器输出电压高于系统电 压，则逆变器就像向系统提供容性功功率；如果电压低于系统电压它将通 过感性的无功功率。 图卜2a s v g 的电压一电流特性曲线 图卜2 为a s v g 的电压一电流特性曲线，从图中可以看出改变电网电压 的参考值可以使得到的电压一电流特性上下移动。所以当电网电压下 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 降，补偿器的电压一电流特性向下调整时，a s v g 可以调整其变流器交流侧 电压的幅值和相位，以使其所能提供的最大无功电流t 一和正。维持不 变，仅受其电力半导体器件的电流容量限制。而对传统s v c ，由于其所能提 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。因此a s v g 比传统的s v c 运行范围大。 同时，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。这也是其相对传统s v c 的优点 1 2 2a s v g 的发展现状 随着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 的可控无功电源褥到发展并进入实用阶段。这种与传统s v c 原理完全不同 的无功电源被称为新型静止无功发生器( a s v g ) 或静止调相机( s e a t i c c o n d e n s e r ) 。a s v g 的基本原理是：三相电压型逆变器通过连接电抗与三相 交流系统相连后，通过控制可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，a s v g 性能大大优于传统的同步调相机及s v e ，因 此，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，并在理论上有很大的发 展。 目前，无功发生器设备普遍存在的问题为： ( 1 ) 无功发生器的造价较高，发生的波形质量有待提高，主要是受到开关 频率的影响。 ( 2 ) 对控制能力要求严格，要求控制精度高并要在系统不平衡的状况下， 也能比较正常的工作。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第5 页 ( 3 ) 如果采用谐波较大的结构，在无功发生器近旁需要转用的滤波器。 下面就以a s v g 为基础的几种大容量的无功功率补偿主电路拓扑进行 简要介绍。 1 3a s v g 大容量无功补偿的拓扑结构 由于大功率负载的功率较大，在使用静止无功发生器进行无功功率补 偿时，相应的要求无功发生器要有一定的容量。如何实现大功率无功发生 器的方法在国内外引起许多专家、学者的广泛兴趣，也取得了不少研究成 果。对于大容量的电力电子装置，如果简单采用普通电路的主电路拓扑， 这就要求所使用的电力电子器件在容量方面具有比较高的要求。众所周知， 电力电子器件随着容量的增大其所容许的开关频率越来越低，而较低的开 关频率又直接影响无功补偿的效果，所以在将静止无功发生器用于大容量 无功功率幸 偿时就面l 临着器件开关频率与容量之间的矛盾。 为解决大容量有源滤波和无功发生器所使用的开关器件在容量和开 关频率之间的矛盾，有一下几种常用的主要方案可供选择。一是用容量小 但开关速度相对较快的器件进行串并联以达到容量和开关速度的要求；二 是采用多台独立的小容量无功发送器并联使用：三是寻求新的主电路拓扑， 如主电路采用多电平级联方案，采用多重化的主电路实现大容量的无功发 送器。下面就常用的几种方案进行分析和比较。 1 用多个开关器件串并联实现无功补偿的大容量 这往往是对较大容量的电力电子装置在单个电力电子器件的电压或 电流不能定额不能满足要求时通常采用的一种方案，尤其是在一些二极管 和晶闸管电路的使用中。采用此方案时的优点在于主电路的基本拓扑不发 生变化，系统的控制方法也不用改变。但这种方案存在着器件的均压均流 问题，这也是采用此中方法的关键所在。但是这种方法在现在的应用中很 少使用。 2 三电平或多电平 因为器件耐压的原因，两电平电路一般不能直接接入高压电网。可 以通过三电平或多电平主电路结构，提高a s v g 接入电网的电压等级。三 点式或多点式电路带来的另一个优点是可改善a s v g 逆变电压波形，减小 注入电网的谐波电流。如图1 - 3 所示是1 0 0 k v a r 的三点式a s v g 电路图。 这种电路与两点电路相比主电路结构和控制都要复杂，但产生的谐波电流 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 小，可以无需变压器直接入高压电网。这一结构也高压大容量a s v g 主电 路方向的一个重要方向。 c 1 c 2 图卜3 三点式a s v g 主电路 3 并联实现双重化 如图l 一4 所示，主电路由a s v g l 和a s v g 2 和一个三相三绕组的补 偿变压器构成。补偿变压器初级有两个绕组，一个为y 接，另一个为接， 分别与两个a s v g 模块相连。因为两个绕组相差3 0 。因此可消除注入电 网的6 ( 2 k 1 ) 1 次谐波电流。这种结构，变压器结构简单，但谐波较多， 还要另加滤波器，适合于中等容量的a s v g 。 图卜4 两个a s v g 通过变压器并联构成的双重主电路 4 。采用模块式结构结合局域控制网实现大容量的无功补偿 西南交通大学硕士研究生学位论文 第7 页 载 图l 一5 小功率a s v g 和c a n 网组成的大容量无功补偿系统 这种补偿方式特别适合对一些具有电流源性质的设备。从并联型无功 发生器的工作补偿原理可知，其具有典型的电流源性质。这种方案的补偿 控制原理如图l 一5 所示。图中a s v g 表示并联型的无功发送器。在这种连 接补偿方式下，为了协调每个无功发生器之间的工作情况和平衡各个a s v g 功率输出，每个a s v g 都要一个并联工作通讯板，实现每个a s v g 之间的信 息互通，可以通过局域控制网实现，如c a n ( c o n t r o la r e an e t ) 网。 每个a s v g 可以通过局域网向其它成员发送自己的工作状态等信息，如产生 的无功功率大小、故障状态等。在这个系统中有无功功率检测板检测无功 负载的无功电流量，然后通过一定的分配规则，通过c a n 网设定每个a s v g 的无功给定值，这样并可以达到通过多台小功率的a s v g 补偿大容量的无功 负载。这种方式的优点是，保持每个a s v g 的控制方式、主电路结构不变， 只需增加通讯控制接口。每个a s v g 都保持相对的独立性，其中一台出现了 故障不影响其他发生器的工作，有较强的冗余性。 在上述的几种主电路中，其应用场合有所不同，但控制方式上都相差 不多。两电平构成的模块结构有许多优点，控制方法也比较成熟，并且通 过小功率的电力电子器件也能达到大容量无功功率补偿的目的。结合数组 信号处理器d s p 和现场总线是比较一种比较实用且性能较高的实现方式， 本论文也将以这种主电路结构为主展开研究。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 1 4 本文研究的主要内容 1 论文阐述了采用a s v g 实现大容量无功功率补偿的几种方法，比较了其优 缺点，并选择了模块化结构a s v g 无功功率补偿系统作为研究对象，采用 小功率器件，高的开关频率实现大容量无功功率补偿的目的。 2 在电网电压不平衡时的工作情况，就直接电流控制的方法中的d q 轴下瞬 时电流控制和a b e 轴下瞬时电流控制的方法进行了仿真比较，并对仿真 结果进行了理论分析。 3 将空间电压矢量调制方式( s v p 帆) 应用到无功功率补偿系统中，深入 揭示了采用s v p w m 方法进行电压矢量跟踪的方法和实现方式，并采用 s i m u l i n k 进行了仿真，得到了预期的结果，并讨论了这种方法的优缺点。 4 为了解决a b e 轴下瞬时电流控制中，普通p i 调节器稳态时不能达到无静 差调节的问题，引用伺服控制系统中的直流调节器转交流调节器的理论， 采用交流p i 调节器( p + r e s o n a n t ) 进行了仿真研究。 5 针对实验中电压相位检测和计算电角度不准确的问题，设计了基于锁相 环的相位检测电路。 6 采用t i 公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 设计了无功检测电路板和a s v g 控制电路 板，详细介绍了系统的设计思路、实现方式以及注意事项。设计了基于 c a n b u s 的系统结构，约定了通讯协议。最后设计了实验电路，并进行了 无功电流检测的实验。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 第二章无功补偿理论基础 2 ，1 无功功率理论 在讨论a s v g 补偿原理之前，我们简要介绍电力系统中的无功功率和 无功功率因数的定义。 2 1 1 无功功率和功率因数的定义 1 正弦电路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： “：如s i n w t i = 、2 i s i n ( w t 一妒) = x 2 i c o s o s i w t 一2 ，s i n p c o s w t = i 。+ ( 2 一1 ) 式中舻电流滞后电压的相角。 电流i 别分解为和电压同相位的分量i ，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： p = 去f 4 “f d ( w f ) = 去f ”( u i p + u i q ) d ( w t ) = 去f 。( c o s q ，- u i c o s q ，c o s 2 w t ) d ( w t ) i i 卜u i s i n 妒s i n w t d ( w t ) = u l c o s p ( 2 2 ) 电路的无功功率定义为： q = u l s i n q )( 2 3 ) 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 = u ( 2 4 ) 有功功率和视在功率的比值为功率因数： 五：一p s 2 非正弦电路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、 ( 2 5 ) 视在功率和功率因数的定义 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 0 页 和正弦电路相同。我们可以对其进行非正弦周期函数经傅立叶分解，有功 功率p 为： p = 去r u i d ( w t ) = u l c o s 纯 ( 2 - 6 ) 视在功率s 为： 一一 s = w = 、f 暖、f e ( 2 - 7 ) vn = ly 月= l 其中，以、为第n 次谐波电压、电流有效值，q 为第1 1 次谐波电压 与电流相角差，( n = l ，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 = s 2 一p 2 ( 2 8 ) 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，这一定义对无功功率的描述是 很粗糙的。它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，以及不同频率谐波电压和电流之间产生的无功功 率。也就是说，这一定义，对于谐波源和无功功率的辨识，对于理解谐波 和无功功率的流动，都缺乏明确的指导意义。 仿照式( 2 2 ) 也可这样定义无功功率： 三 g = u i s i n o ( 2 9 ) n = l 这里q ，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。 2 1 2 瞬时无功功率理论和无功电流的检测 在a s v g 系统中，负载的无功电流检测和a s v g 出口处反馈电流的计 算都是以瞬时无功功率理论为基础的，在此对此理论进行简要介绍。 三相电路瞬时无功功率理论自8 0 年代提出以来，在许多方面得到了成 功应用。该理论突破了传统的以平均值为基础的功率定义，系统地定义了 瞬时无功功率、瞬时有功功率等瞬时功率量。以该理论为基础，可以得出 西南交通大学硕士研究生学位论文第l l 页 设三相电路各相电压和电流的瞬时值分别为e a 、e b 、巳和、。 分别经口一口变换，可得到： 乏 = g ：l 圣 c z 一，。， 胖：引 式中争叫：兹巍 。 在图2 - - l 所示的a 一平面上，矢量、印和、i 口可以分别合成旋转电 压矢量e 和i e=ed+eq=ez妒e(2-12) i 2 + i 口= f 么妒。( 2 - - 1 3 ) 式中e 、i 为矢量8 、i 的模；仍、忱分别为矢量p 、f 的幅角。 图2 一l a 一卢坐标系中的电压、电流矢量 瞬时电流定义： 三相电路瞬时有功电流f p 为：i，=icosq(2-14) 三相电路瞬时无功电流为：= i s i n t p ( 2 - - 1 5 ) 其中，妒= 吼一妒f 一 瞬时功率定义： 三相电路瞬时无功功率g 和瞬时有功功率p 为： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 酣州l 唧s i n 。0 1 j = e 盛：艄- c 。m o s 亿o , 剖酬；、 一e 二勺 ：cf 。1 。 i 勺一e a9i pl 。”i i 利用瞬时无功功率理论，我们在检测瞬时无功电流时有两种检测方式， 即p q 运算方式和i p 和i q 运算方式，由于p q 运算方式要采集电网的电压 和电流，且受电网电压畸变和三相不平衡的影响，而i p 和i q 运算方式以 标准的正弦信号代替电压信号，通过线性查表插值法，可以快速准确地得 到不同角度所对应的理想的正弦和余弦值。 根据以上分析，我们在进行负载无功电流检测和a s v g 出口处无功电流 反馈的计算都是采用i p 和i q 运算方式。此中方法减小了采集电网电压的 硬件资源，只有角度检测准确，可比较准确的检测出系统的无功电流，并 且受电网电压畸变的影响相对较小。 2 2 新型静止无功发生器( a s v g ) 原理分析 2 2 1 电压型a s v g 主电路及工作原理 网 图2 2电压型a s v g 主电路示意图 图2 2 为电压型无功发生器的主电路拓扑，其最为显著的拓扑特性就 是直流侧采用电容进行直流储能，从而使a s v g 直流侧呈低阻抗的电压源 特性。而电流型是采用电感储能的，本设计采用电压型拓扑结构。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 3 页 图2 3a s v g 模型电路 有图2 3 我们可以看出，a s v g 模型电路有交流回路、功率开关管桥 路以及直流回路组成。其中交流回路包括交流电动势e 以及电网侧电感l 等。直流侧为电容电压和等校电阻：功率开关管桥路可由电压型或电流型 桥路组成。我们在此只介绍电压型的。 下面我们对a s v g 工作原理进行简述，不计交流侧电阻，只考虑系统 的基波分量，而且忽略谐波分量。 dd 0 1 0 1 b 纯电感特性运行 b 工 正阻特性运行 b b 纯电容特性运行负阻特性运行 图2 4 a s v g 交流侧稳态矢量关系 c c m 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 e 一交流电网电动势矢量v 一交流侧电压矢量 圪一交流侧电感电压矢量 ，一交流侧电流矢量 当以电网电动势矢量e 为参考时，通过控制交流电压矢量r 即可控制 a s v g 的无功发生。若假设i ，i 不变，因此1 i = 础i ，l 也固定不变，在这种情 况下，a s v g 交流电压矢量v 端点运动轨迹构成了一个以| 一i 为半径的圆。 下面时a s v g 的工作状态分析。 1 当电压矢量矿端点位于圆轨迹a 点时，电流矢量，比电动势矢量e 滞后9 0 度，此时a s v g 吸收感性无功功率，发出容性无功。对电网呈现 纯电感特性，可以补偿容性负载的无功功率。 2 当电压矢量矿端点位于圆轨迹b 点时，电流矢量，和电动势矢量e 平 行且同向，此时a s v g 对电网侧呈现正电阻特性，作为整流器带负载时就 是工作在此种状态。 3 当电压矢量y 端点位于圆轨迹c 点时，电流矢量，比电动势矢量e 超 前9 0 度，此时a s v g 吸收容性无功功率，发出感性无功。对电网呈现纯 电容特性。可以补偿感性负载的无功功率。 4 当电压矢量y 端点位于圆轨迹d 点时，电流矢量，和电动势矢量e 平行且反向，此时a s v g 对电网侧呈现负电阻特性。 当a s v g 在其他段运行时，可以及补偿无功，又可以从电网吸收有功 电流，直流侧可以带负载，也就是说上面几种工作模式的结合。这种分析 方法，也适合于p w m 整流器的工作模式，在这里不深入分析。 2 2 2a s v g 数学模型分析 我们根据电压型a s v g 主电路( 图2 2 ) 进行数学建模，并作一下前 提条件说明： a ，b ，g 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： 只考虑基波分量及非周期分量，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 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 值为u ，： 系统为三相基波正序系统，电压有效值为u ： 玑与u ，相位差为占，以饥超前u ，为正，且记连接电抗器阻抗角 r = a r c t a n 一。 工 我们假设电网电压矢量为u ，、变流器交流侧基波电压为u ，和连接电 抗压降为u 。，有以上工作分析可知，它们构成三角关系，于是可列出如下 关系式： 旦：堡：竺! f9 一 s i n j s i n ( 9 0 。一妒)s i n ( 1 8 0 。一占一p ) 可得： u ：u , s i n g ( 2 1 8 ) c o s 口 式中： j u ，与的相差角，以u ，超前u 时为正； 妒连接电抗器的阻抗角。 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： 乇= 忐s i n 妒竺热s i n ( 9 0 。_ g = 知：占( 2 - - 1 9 ) - g )乇2 浦8 1 叩一赢5 m ( 2 盖8 i 们占 仁若杀c o s p 竺杀杀c o s ( 9 0 q ) = 铷2 占( 2 - - 2 0 )o = 赢一赢c o “9 0 l 回= i s i n a s v g 交流侧输出电压： u ，：u , c o s ( 8 + 9 )( 2 2 1 ) 则a s v g 从系统吸收的无功功率q 与有功功率p 分别为： q = = 2 警 ( 2 屹) p ：玑：u ：i s i n 一2 9 ( 2 2 3 ) 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u 滞后于叽，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、乇和q 均为负值。由式( 2 1 7 ) 可以看出，占与变 流器交流侧基波电压的大小一一对应，这就为通过万控制u ，提供了理 论依据。另外，还可以看出，不管占大于还是小于0 ，均有p 0 ，也就是 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 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。 根据以上a s v g 的原理分析，如可以通过控制逆变器输出电压的幅值和 角度来实现，及典型的间接电流控制法，也可以通过p 1 】| m 方式直接控制逆 变器的电流来实现，及直接电流控制法，在本设计中主要采用了直接电流 控制法，在第三章中有详细的仿真和分析。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 第三章模块化a s v g 的仿真研究 本章分析了a s v g 的几种控制方法，对a s v g 直接电流控制方法进 行了深入的研究，在电网电压不平衡的条件下对直接电流控制方法中的 a b c 坐标轴下直接电流控制法和d q o 坐标轴下直接电流控制法进行了仿真 比较，得出前者控制性能优于后者，并分析了原因。 把空间矢量p w m ( s v p w m ) 控制策略应用到无功补偿系统的调制 波产生部分，讨论了跟踪指令电压矢量的s v p w m 电流控制，得到了仿真 结果，并和s p w m 方法进行了比较，分析了其优缺点。 在a b e 坐标轴下直接电流控制中，由于每一相电流p i 调节器的给定 为交流信号，这样就不能达到稳态时的无静差调节要求。我们采用了一种 新型的p i 调节器( p + r e s o n a n t ) 进行了研究仿真，得到了较好的结果， 并进行了对比和分析。 3 1 a s v g 的控制方法 a s v g 的电流控制包括无功补偿电流和有功电流的控制，无功补偿电 流控制用于产生所需的无功补偿电流。有功电流控制用于补偿有功损耗。 a s v g 的控制器通常由内环控制器和外环控制器二部分组成，外环控制器 主要通过一定的检测方法产生补偿电流的参考值，内环控制器的基本任务 是产生一个同步的驱动信号，从而在装置的实际输出电流和参考电流之间 建立一种线性的关系。正是在从补偿电流参考值调节a s v g 产生所需补偿 电流的具体控制方法上。可以分为间接控制和直接控制两大类。 3 1 1 间接控制 所谓间接控制，就是将a s v g 当交流电压源看待，通过对交流器输出 电压基波的相位和幅值进行控制，来间接控制a s v g 的交流侧电流，具体 实施时有两种方案可供选择。一种方法是仅控制占角，即控制a 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的幅值的调节依赖于直流电容电压 的变化，所以动态相应速度较慢。也可以配合控制j 角和口角，即控制占角 的同时，配合控制开关器件的导通角，从而调节a s v g 交流侧输出电压的 幅值。这种控制方法的优点是直流侧电容电压稳定，对装置的运行有利， 而且动态性能更好；但它存在控制复杂的缺点，因为占角和0 角需要密切 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 8 页 配合，而且这种配合关系还随着主电路的参数而改变。在间接控制方法中 为了提高控制精度和响应速度，通常还要引入电流反馈控制；为维持直流 电压恒定，往往还需要引入直流电压的反馈控制。目前世界上现有早期大 容量的a s v g 多采用间接控制方法。如日本富山8 0 m v a r 、美国田纳西峡 谷1 0 0 m v a r 和清华大学2 0 m v a r 的a s v g 都采用了间接控制方式，。电流 间接控制有开关频率低，控制器结构简单的优点，所以多用于输电补偿的 大容量a s v g 控制。但是也有其缺点：1 响应较慢，响应时间1 4 到1 2 周波；2 无功变化时，逆变器输出电压的相位范围小( 1 5 。n + i 5 。) ， 因此要求有很高的相位检测精度和控制精度：3 电网电压负序分量较大时， 引起直流电压的脉动，会导致控制系统不稳定；4 有些间接控制法，依赖 连接电感的参数，这些参数测量困难而且变化因此技术实现困难。 3 1 2 直接控制 电流直接控制，就是采用跟踪型的p w m 控制技术对电流波形的瞬时 值进行反馈控制，可以采用滞缓比较方式，也可采用三角波比较方式或空 间电压矢量方式，或者应用瞬时无功功率理论、d q 0 变换进行电流的直接 控制。采用p w m 技术的直接控制方法从原理上来说可以有效地滤除系统 中的无功电流和全部有害电流。与间接控制方法相比较，直接控制方法具 有更高对的相应速度和控制精度，但它要求开关频率高，因为大功率器件 很难以高开关频率运行，因此不采用电流直接控制。一般来说，对大容量 系统而言，因为大功率器件很难以高开关频率运行，因此不采用电流直接 控制。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 本新农用于输电的5 0 m v a r 的a s v g 和日本神户用于钢厂负荷补偿2 0 m v a r 的a s v g 均采用了电流直接控制方式。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。 1 电流直接控制方法分析及其优点 电流直接控制用电流瞬时值与瞬时无功参考电流指令比较，比较结果 控制逆变器功率器的开关状态。电流直接控制有滞环比较、恒频三角波比 较以及空间电压矢量等几种控制方式。 图3 1 是电流滞环比较的原理。无功瞬时电流参考指令i 。f 与逆变器 的电流反馈i 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 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 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3 一l 利用滞环比较法获得开关信号 图3 2 利用三角波比较法获得开关信号 图3 2 是恒频三角波比较的原理图。空间电压矢量控制实际也是三角 波比较的一种，只是在旋转变换后进行了矢量选择，而s p w m 控制方法直 接进行了旋转和2 3 的变换。瞬时无功参考指令：i a 。f 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。 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：1 系统具有快速的瞬态响应：由于瞬时反馈的引入，控制系统对直流 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 侧电压和交流侧电网电压波动迅速作出反应，保持输出电流跟随参考值： 2 系统稳定性较高：电感的电流控制环是一阶系统，无条件稳定：3 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 变换到瞬时i q ，再通过d q o - a b c 逆变换为三相瞬时电流，此时无功 电流指令实际上是三相无功电流的平均值，因此，输出三相电流无功电流 对称，流入直流侧电流脉动小，电压也比较平稳。 2 电流直接控制拓扑结构 人 叭 图3 - 3 a b e 轴下瞬时电流控制 图3 - 4 s p w m 调制的d q 轴下的瞬时控制 控制奔 棒蕲嚣 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1页 图3 5基于s v p w m 调制的d q 轴下的瞬时控制 电流直接控制的a s v g 控制系统有两种基结构。第一种控制结构如图 3 3 所示，采用了a b e 轴下的瞬时电流控制系统。控制系统完成两个功能： 1 直流侧的电压恒定控制；2 无功电流的实时跟随。直流电压指令u d r e ，与 直流电压反馈经电压p i 调节器后生成有功电流指令i d r e f ，对流入a s v g 的 有功电流控制可以控制直流侧电压。i d r e f 和无功电流指令i q r c f 通过d q o _ a b c 变换成三相瞬时电流指令i 。f 、i b 。f 和i c 。f ，三相电流指令与瞬时电流通过 恒频三角电流比较生成逆变器的开关信号。通过上述控制实现直流侧电压 的稳定和无功电流的跟随。 另一种控制结构如图3 4 所示，采用了d q 轴下的瞬时控制系统。反 馈a s v g 三相输出电流经d q 变换解耦为独立的有功电流i d 分量和无功电 流分量i q 分量，然后和给定的有功和无功进行p i ( 无静差) 调节，经过 d q 0 - a b c 坐标的变换成三相电压信号，和三角波比较得到逆变器的开关信 号。也可以象图3 5 有d q 0 坐标经旋转变换，到筇坐标系，再经过空间 矢量电压调制得到开关信号，这样可以提高直流侧的电压利用率。 与第一种控制系统相比，两者实现的功能一样，差别在于电流p i 调节 器的数目、位置和调节信号的性质。第一种控制系统有三个p i 调节器，在