（电力电子与电力传动专业论文）三角形连接直接电流控制的用户端svg研究.pdf

江苏大学学位论文版权使用授权书 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或部分内容编入 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和汇编本 学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密一。 学位敝储躲确确巧 2 0 0 8 年6 月1 0 日 虢敏 2 0 0 8 年6 月1 0 日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期：2 0 0 8 年6 月1 0 日 暂 江苏大学项士学位论文 1 1 研究背景 1 1 1 无功的危害和治理 第一章绪论 ( 1 ) 无功的危害 在工业和r 常用电中，感性负载占了很大的比例，如感应电动机、变压器、同 光灯镇流器等都是典型的感性负载，都需要从电网中吸收大量的无功功率，还有电力 系统中的电抗器和架空线等也需要从电网吸收无功功率。而且随着电力电子器件的大 量使用，特别是许多相控装置，在工作时基波电流滞后于电网电压，同样需要从电网 中吸收大量的无功功率。随着我国各种产业的迅速发展，现代电力系统规模f i 益扩大。 因此，对电网运行的可靠性要求也越来越高。改善电网运行质量、提高电网功率因数、 减少网络损耗是一项重要的工作。根据有关资料分析【l 】，电力系统中的无功负荷约为 有功负荷的1 3 倍。在有功功率不变的情况下，无功功率的存在会使功率因数降低， 从而需要增大发、输电设备的容量；增加投资和电力损耗；增加运行费用；增大输电线路 压降：不利于电力的输送与合理应用【2 1 。大量的无功功率如果完全由发电厂提供，造成 线路有功损失加大、用户电压降低、电力设备得不到充分应用。 当整个系统无功严重缺乏时，还会使整个电力系统崩溃，“美加8 1 4 大停电”其 中一个很重要的原因就是系统无功储备不足。 无功功率增加将使视在功率增加，从而使流过供电系统的电流增加，这将对系 统产生如下影响【3 4 1 ： 1 、总电流增加会使电力系统中的元件容量增大，因而投资费用增大： 2 、在传输同样有功功率情况下，总电流的增大，使设备及线路的损耗增加； 3 、线路及变压器的电压损失增大； 4 、对电力系统的发电设备来说，无功电流的增大，对发电机转子的去磁效应增 加，电压降低，如果过度增大励磁电流，则使转子绕组超过允许温升： 一5 、导致原动机效率的相对降低。 l 江苏大学硕士学位论文 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。合理的方法应是对需要消耗的无功功率的地方安装无功补偿设备。 目前，低压系统补偿中，主要采取变电所集中补偿方式；对大型用电设备则采取 分散补偿。随着人民生活水平提高，低压用户，特别是住宅用户的用电量大幅增长。 住宅设计推荐用电容量己达到4 0 v a m 2 以上【5 1 。然而，由于厂矿单位、住宅小区、 部队营区等配电线路更新改造速度相对滞后，导致线路末端电压远低于允许范围，致 使洗衣机、空调等非照明设备难以正常工作，并对电器设备造成巨大危害。同时，由 于新增电气负载大量采用电动机、压缩机等旋转设备和电力电子装置，对无功功率需 求很大，因而导致小区内部线路损耗显著增大。解决这一问题，目前主要措施是增容， 即扩大变压器和配电线路容量，从而提高供电能力。但是，增容一方面投资大，施工 工程量大，周期长，另一方面由于末端无功仍需由低压侧集中补偿系统提供，输电线 路利用效率仍然较低。因此，有效减小线路无功电流，不仅可以增大有功输送能力， 而且有利于降低变压器低压侧到末端负荷间的线路损耗，改善末端电压质量。所以， 研究丌发线路终端用无功功率补偿装置是十分必要的，同时也具有相当的经济意义和 社会效益。 ( 2 ) 无功补偿装置现状 由于无功功率存在的上述问题，人们很早就对各种补偿技术进行研究【6 。在电 力系统中，控制无功功率的方法很多，包括采用同步发电机、同步电动机、同步调相 机、并联电容器和静止无功补偿装置等。 同步发电机是唯一的有功电源，同时又是最基本的无功电源，当其在额定状态 下运行时，可以发出无功功率：q = s s i n 伊= p 留缈其中：q 、s 、p 、缈是相对应 的无功功率、视在功率、有功功率和功率因数角。发电机正常运行时，以滞后功率因 数运行为主，向系统提供无功，但必要时，也可以减小励磁电流，使功率因数超前，即所谓 的“进相运行”，以吸收系统多余的无功。 同步调相机是空载运行的同步电机，它能在欠励或过励的情况下向系统吸收或 供出无功，装有自励装置的同步电机能根据电压平滑地调节输入或输出的无功功率， 这是其优点。但它的有功损耗大、运行维护复杂、响应速度慢，近来已逐渐退出电网 运行。 并联电容器补偿是目前使用最广泛的一种无功电源【4 】，该方法是将一定容量的电 2 江苏大学硕士学位论文 容器或电抗器以并联或串联连接的方式，安装在系统的母线中。由于通过电容器的交 变电流在相位上正好超前于电容器极板上的电压，相反于电感中的滞后，由此可视为 向电网发送无功功率：q = u 2 t 其中：q 、u 、t 分别为无功功率、电压、电容器 容抗。例如，并联电容器在高峰负荷下可接入系统，以防止电压降低；在轻载时，切 除电容器，以防比过电压。在干扰期间，它们都不会投入或切除。这些补偿措施对系 统发生影响，是由于它们改变了网络参数，特别是改变了波阻抗、电器长度和系统母 线上的输入阻抗。并联电容器本身功耗很小，装设灵活，节省投资；由它向系统提供 无功可以改善功率因数，减少由发电机提供的无功功率。一般来说，如果要它们纠正 短时( o 5 s ) 电压升高和电压下降，则必须把它们迅速地投入和切除，在某些场合下， 这种操作要反复进行，使用传统的机械开关装置，实际上是做不到这一点的。 静止无功补偿装置有基于半控器件的无功补偿装置静止无功补偿器( s v c ) 和基于全控器件的无功补偿装置静止无功发生器( ( s t a t i cv 缸g e n e r a t o r 简称 s v g ) 。 静止无功补偿器是利用晶闸管作为固态开关，来控制接入系统的电抗器和电容 器的容量，从而改变输电系统的导纳。按照控制对象和控制方式的不同，分别称之为 晶闸管投切电容器( n 徊s t o rs 谢t c hc a p a c i t o r - t s c ) 嗍、晶闸管控制电抗器( 1 1 h 如s t i 竹 c o n t r o lr e a c t o r t c r ) 以及这两者的混合装置( t c r + t s c ) ，t c r 与固定电容器( f i x e d c a p a c i t o r - f c ) 配合使用的静止无功补偿器( t c r + f c ) 。t c r 及t s c 的单相原理如图 1 一l 和图1 2 所示。由于晶闸管对于控制信号反应极为迅速，而且通断次数也可以不 受限制。当电压变化时静止补偿器能快速、平滑地调节，以满足动态无功补偿的需要， 同时还能做到分相补偿；对于三相不平衡负荷及冲击负荷有较强的适应性；但由于晶 闸管控制对电抗器的投切过程中会产生高次谐波，为此需加装专门的滤波器。 图1 1t c r 的单相电路结构图1 2t s c 的单相电路结构 江苏大学硕士学位论文 所谓静止无功发生器，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，静止无功发生器( s v g ) 也称为静止调相机( s t a l i c c o n d e l l s e r - s t a t c o m ，在配电中应用的一般称为d s 1 = l c 打c o m ，即是s n 订c o mi n d i 蛹b u t i o ns y s t 锄) 。新型静止无功发生器分为电压型桥式电路和电流型桥式电路两 种类型。 电压型桥式电路，其直流侧采用电容作为储能元件，交流侧通过串联电抗器并 入电网；电流型桥式电路，直流侧采用电感作为储能元件，交流侧并联上电容器后接 入电网。迄今投入使用的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为动态无功补偿的装置。 同为静止无功补偿装置，与s v c 相比，s v g 具有5 个优点： l 、调节速度快。s v c 内部的电力电子开关元件多为晶闸管，晶闸管导通期间 处于失控状态，使s v c 每步补偿时问间隔至少约达半个b 频周期，而s v g 采用全 控型元件比如：g t o 作为开关元件，g t o 可在o 0 0 1 秒左右关断，因而其补偿速度 快。 2 、运行范围宽。在欠压条件下，s v g 可通过调节其变流器交流侧电压的幅值和 相位，使其所能提供的最大无功电流维持不变，仅受其电力半导体器件的电流量限制。 而对s v c 系统，由于其所能提供的最大电流受其并联电抗器的阻抗特性限制，因而 随着电压的降低而减小： 3 、可以在从感性到容性的整个范围中进行连续的无功调节： 4 、s v g 不需大容量的电容、电感等储能元件，其直流侧所使用的电抗器和电 容元件的容量远比s v c 中使用的要小，这将大大缩小装置的体积和成本； 5 、谐波含量小，s v g 在采用多重化技术，多电平技术或p w m 技术等措施后， 可大大减少补偿电流中的谐波含量。 可以看出，随着电力电子器件的发展，s v g 比s v c 具有更大的优势。 1 1 2 不平衡负载的危害与治理 ( 1 ) 不平衡负载的危害 正如上文所述，大量的无功功率会影响电力系统的电能质量一样，不平衡负载 4 江苏大学硕士学位论文 电流通过导线时，由于导线电阻的作用，将在导线上产生功率损耗。由于导线 上损耗实际上是热损耗，p = 1 2 r ，则不平衡度越大，线路损耗也越大。 在最严重的状况下，把三相负荷接在一相上，其实质就是单相供电情况，比平 衡状态的损耗增加了三倍，运行极不经济，造成巨大的浪费。 2 、增加了配电变压器的有功损耗 现有的l o o 4 k v 低压配电变压器多为y y l l o 接法。这种类型的变压器，当二次 侧负载不平衡月有零线电流时，零线电流即为零序电流，而一次侧由于无中点引出线， 因此零序电流无法流通，故零序电流无法安匝平衡。对铁心而言，有一个激磁零序电 流，它受零序激磁阻抗控制，根据磁路的设计，这一零序激磁阻抗较大，相对地电压 的对称会受至l 上影晌，中性点会偏移。对二相三柱的磁路而言，零序磁通不能在磁路内 形成回路，必须在油箱壁及紧固件内形成回路，而油箱壁及紧固件内的磁通会产生较 大的涡流损耗，因而使变压器的铁损增加。当零序电流过大导致零序磁通过大时，由 于中性点漂移过大会引起某些相电压过高而导致铁心饱和，使铁损急剧增加【1 1 7 1 。 3 、降低了配电变压器出力 变压器容量的设计和制造是按照三相负荷平衡条件确定的，其三相绕组结构和 性能是致的，每相额定容量相等，最大允许出力受每相额定容量限制。三相负荷不 平衡时，其最大出力只能按二相负荷中最大一相不超过额定容量为限，负荷轻的相就 富裕容量，从而使变压器出力降低，而变压器出力降低程度与平衡度有关，不平衡度 越大，出力降低程度越大。同时，配电变压器的过载能力也降低。国标g b5 0 0 5 2 9 5 第6 0 8 条规定“当选用y ) ，i l o 接线组别的三相变压器，其由单相不平衡负荷引起的电 流不得超过低压绕组额定电流2 5 ，且其中相的电流在满载时不得超过额定电流 值。 由于上述规定，限制了y y l l 0 接线配电变压器接用单相负荷的容量，也影响了 变压器设备能力的充分利用。 4 、造成三相电压不对称 配电变压器是按照三相对称运行设计制造的，各相绕组的电阻、漏抗和激磁阻 抗基本一致。二相负荷平衡时变压器内部压降相同，其输出电压是对称的。三相负荷 不平衡时，各相电流不一致，中性线有电流通过，三相四线制线路中，中性线截面一 般比较小，具有较大的阻抗压降，从而使中性点位移，各相电压发生变化，造成三相 电压不平衡，二相负荷不平衡度越大，二相电压不平衡程度越严重。如果此时中性线 6 江苏大学硕士学位论文 年由德国西门子公司开发研制的8 m v 缸s v g 在丹麦投入运行；日前为止世界上最 大容量的s v g 是美国a e p 统一潮流控制器项目中的并联部分一1 6 0 m v a r s v g ， 己于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 mv 缸的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；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；2 0 0 6 年上海西郊变电站5 0 m v 解静止 无功发生器( s t a t c o m ) 示范工程建设投产。 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， 包括二极管筘位型和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乏。 2 、s v g 的变流器中所采用的电力半导体器件己由早期的以g t o 为主，j 下逐步 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 装置容量为几十兆乏以下的场合，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 1 5 用户端s v g 的重要意义 加强电能质量管理，提高电能质量，已经成为电力系统广泛关注的重要内容之 一。早在1 9 8 3 年我国水利部就颁发了功率因素调整电费办法( 水电财字( 1 9 8 3 ) 2 1 5 号) ，针对功率因数低的用电户实行力率收费标注。后来，国家技术监督局又相 继颁布了涉及电能质量五个方面的国家标准，即：限制供电电压允许偏差的电能质 量供电电压允许偏差( g b l 2 3 2 5 9 0 ) ；公用电网谐波电能质量公用电网谐波 ( g b 厂r 1 4 5 2 9 r | 9 3 ) 供电三相电压不允许平衡度电能质量三相电压允许不平衡度 q 江苏大学硕士学位论文 1 2 2 课题的主要工作 本文针对用户端s v g 的特点，通过介绍和分析s v g 的系统模型，比较直接电 流控制方法和间接电流控制方法，提出种适合分相控制的电流检测方法应用在负载 有功和无功都不平衡的s v g 补偿系统中。 l 、根据三相三线制用户端s v g 的应用场合，分析它的性能要求和工作特点。 2 、介绍和分析s v g 工作原理和系统模型，比较直接电流控制和间接电流控制 得出直接电流控制更适合应用在用户端的s v g 中，并提出应用分相控制的方法达到 无功补偿和负载平衡的目的。 一3 、比较几种无功电流检测方法，提出一种适合分相控制用户端s v g 的电流检 测跟踪算法来检测线电流，并应用m a t l a b 软件进行不同情况下的仿真。 4 、比较几种不平衡负载补偿电流的设计方案，采用一种优化的不平衡负载补偿 相电流的设计方案，即最大相电流优化设计。 5 、搭建实验装置并进行仿真和实验研究。 江苏大学硕士学位论文 此外，对于那些以输电补偿为目的s v g 来讲，如果直流侧采用较大的储能电容， 或者其它直流电源( 如蓄电池组，采用电流型变流器时直流侧用超导储能装置等) ， 则s v g 还可以在必要时短时间内向电网提供一定量的有功功率。这对于电力系统来 说是非常有益的，这也是s v g 作为无功补偿装置的一个特点。 对于传统s v c 装置中的谐波问题，在s v g 中则完全可以采用桥式变流电路的 多重化技术或p w m 技术来进行处理，以消除次数较低的谐波，并使较高次数的谐波 电流减小到可以接受的程度。 在平衡的三相电路中，不论负载的功率因数如何，三相瞬时功率的和在任何时 刻都等于三相总的有功功率；各相的无功能量在交流侧来回往返而三相电源和负载之 间没有无功流动，所以理论上讲s v g 的橙式变流电路的直流侧可以不设储能元件。 考虑到变流电路吸收的电流的谐波成分以及有功能量的损耗，其直流侧仍需要一定大 小的电容作为储能元件，但其容量远比s v g 所能提供的无功容量要小的多；另外， s v g 连接电抗由于是滤除电流中高频成分，所以电感值也不大。所有这些，和s v c 比较起来，就有潜在的成本优势。这也是s v g 的一个显著特点。 在不平衡的三相三线制电路中，三相瞬时功率不等于总的有功功率；各相的无 功能量在电源和负载之间有电流流动，而s v g 就是提供了这种情况下的流动通路， 所以对于能补偿负载不平衡的情况必须选择一个适当的储能元件。 2 2s v g 的控制方法 对于s v g 的控制，在如何由无功电流( 或无功功率) 参考值调节s v g 真正产 生所需的无功电流( 或无功功率) 这个环节上，形成了s v g 多种多样的具体控制方 法。具体分为间接电流控制和直接电流控制两大类。由于s v g 控制中也有有功功率 的调节，所以这里说的电流指s v g 总的电流。 2 2 1 间接电流控制 间接电流控制，就是将s v g 当作交流电压源看待，通过对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s v g 的交流侧电流f 3 3 3 4 1 。 以图2 2 所示的吸收滞后电流为例，由电网电压虬、变流器交流侧基波电压和连 1 4 臀童蠹攀纛莲_ | | 一妻黼鬟攀默一| | 攀缀蠢攀鬻霪豢霾；j 霎雾燮蘸錾冀 霎蓁嚣囊鬻囊蓁l 蓁羹虬蚕馥墓奏塞蓁薹熏囊囊；蚕攀 羹霾薹纛雾震囊鬟 蒸茎|i霎一琴奏囊。雾攀蠢至墓耋萎薹冀霉萎毳霎警j薹薹薹萋 攀雾蠡彗塞磐u“鲭蚕薹奏嚣雒坚霉墅薹里薹垂霎囊蓊爨萎熟璎薷鉴壁，霎姜薹 冀篓骋8 约墓攒i 咿囊囊零酗x k 蠡季薹忒萋蠹要雾燮羹嚷蚕鋈，连塑琴隧墨蚕涛 爨融i鲤薹蓦羹萋零錾霎零羹薹j篙f嬖鋈暑羹萎冀冀萋萋鍪雾意薹霎萋藿雾 囊薹萎琴酗j注篷殛璧鬻娑霎霎篓攀k=餐塑器型霉薹萋羹垂孽墨誊謇萋囊萋藿薹 ?搴薹喜薹誉耋i雾萋冀鎏幅樗蓄羹霎：羹萋等妻零萋耋薹薹霎篓：蓁冀主姜薹搴羹薹疆5 萎囊萎 x 江苏大学硕士学位论文 化方法相结合使用。 2 2 2 直接电流控制 所谓直接电流控制3 5 3 刀就是采用跟踪型p w m 控制技术对电流波形的瞬时值进 行反馈控制；采用直接电流控制时，用户端s v g 可以等效成一个电流源；其单相 的等效电路图如图2 7 表示，电网侧的有功、无功电流分别为乇，；负载侧的有 功、无功电流分别为，；网侧及负载侧等效阻抗为乙，乙。 z p 图2 7 并联型电能质量调节器补偿无功时单相等效电路 叼= ( ) 焘 ( 2 - 6 ) 只要么一= o ，则= o ，即可补偿负载产生的无功功率。 在s v g 直接电流控制方法中常见的可以引入d q o 变换或瞬时无功功率理论的应 用，基本思想是：通过对负载电流的检测，计算出无功电流作为指令，然后应用跟踪 型p w m 控制方式对变流器进行控制。直接电流控制由于开关器件频率的限制，很难 应用到较大容量s v g 场合，一般可以在负载补偿的用户端s v g 控制系统中采用。 2 3 三相三线制用户端s v g 的特点 无功补偿分输电补偿和负载补偿两种，而用户端s v g 则是针对第二种情况的无 功补偿装置，即是应用在前文所述的就地补偿方式和部分分散补偿。 用户端s v g 作为并联型的电能质量调节器，其等效的结构图可如图2 8 表示。 1 7 江苏大学硕士学位论文 2 4 2s v g 的电流矢量关系 s v g 首先采样电网电压和线电流信号，送至运算模块，经过运算，快速的检测 出线电流中的有功和无功分量，得到负载端需要补偿的线电流( 电流矢量图如图2 一l o ) 。 1 8 、 厶 图2 1 0 分相检测的线电流矢量图 图中坐标系i i b i c 为a 相，b 相，c 相的线电流有功电流矢量方向，l ，厶，l 为线电流的在二维坐标系中的矢量，线电流中的有功分量为，k ，可以看出 他们是线电流矢量在坐标系i i b i c 的投影；“凹，c 坐标系为a 相，b 相，c 相的 线电流无功分量矢量方向，由i i b i c 旋转顺时针9 0 。得来，线电流中的无功分量 为乙，k ，是线电流在坐标系尉腰圮的投影。由于线电流中的无功分量k ， k ，要全部被补偿掉，而不平衡的负载有功电流0 ，乞要经过一定的计算 决定补偿到一定程度。现在定义补偿后的平衡的有功分量为有效值为l ( l 。，l 。， 厶。分别为l v i b i c 的值) 的话，线电流无功分量，k ，的反向值与需要补偿 的有功电流值l 一0 ，l 一，l 一的矢量合成的乇，f 6 ，之就是d s t a t c o m 需要发出的线电流电流值。 江苏大学硕士学位论文 2 4 2s v g 的电流矢量关系 s v g 首先采样电网电压和线电流信号，送至运算模块，经过运算，快速的检测 出线电流中的有功和无功分量，得到负载端需要补偿的线电流( 电流矢量图如图2 一l o ) 。 1 8 、 厶 图2 1 0 分相检测的线电流矢量图 图中坐标系i i b i c 为a 相，b 相，c 相的线电流有功电流矢量方向，l ，厶，l 为线电流的在二维坐标系中的矢量，线电流中的有功分量为，k ，可以看出 他们是线电流矢量在坐标系i i b i c 的投影；“凹，c 坐标系为a 相，b 相，c 相的 线电流无功分量矢量方向，由i i b i c 旋转顺时针9 0 。得来，线电流中的无功分量 为乙，k ，是线电流在坐标系尉腰圮的投影。由于线电流中的无功分量k ， k ，要全部被补偿掉，而不平衡的负载有功电流0 ，乞要经过一定的计算 决定补偿到一定程度。现在定义补偿后的平衡的有功分量为有效值为l ( l 。，l 。， 厶。分别为l v i b i c 的值) 的话，线电流无功分量，k ，的反向值与需要补偿 的有功电流值l 一0 ，l 一，l 一的矢量合成的乇，f 6 ，之就是d s t a t c o m 需要发出的线电流电流值。 江苏大学硕士学位论文 对三相三线制的终端用户s v g 的特点进行了分析，考虑到用户端不平衡的负载 和无功功率同时存在的情况，提出了一种能够补偿无功和平衡负载的基于直接电流控 制的变压器隔离型三角形连接的分相控制的用户端s v g 。给出了s v g 的总体设计框 图，然后对补偿系统的电流矢量关系进行了分析，并给出了它们的关系图。基于此考 虑，提出了一种具有相电流平衡的控制方法对s v g 进行控制。控制方法应用了电压 外环和电压内环控制的双循环控制模式，要求先对线电流中的无功分量和有功分量进 行快速检测，然后通过相电流平衡设计将线电流转换为相电流以便于直接电流控制。 并介绍了直接电流控制需要用的p w m 波的产生方法。 江苏大学硕士学位论文 第三章线电流的检测与相电流平衡设计 3 1 线电流的检测 虽然人们已经提出了一些关于三相电路的无功电流的检测方法，但是由于本文 所应用的控制方法需要对线电流的有功和无功进行快速准确的检测，并且是单相的电 流检测，所以有必要设计种适合本文控制方法的单相无功和有功电流的检测算法来 检测线电流。 3 1 1 无功电流检测方法 ( 1 ) 基于瞬时无功理论的筇( 或p g ) 算法和一名算法 8 0 年代初，f 1 本学者赤木泰文( h a k a 西) 等人提出了建立在瞬时值基础上的三相 电路瞬时无功功率理论，国内外的许多学者对此问题进行了深入的探讨f 4 1 4 3 1 ，并成功 地应用于实际分析三相电路瞬时无功功率理论与传统功率理论的关系，建立二者的统 一数学描述，揭示瞬时无功率的物理意义。应用这一理论进行三相电路的无功电流检 测方法有筇( 或p g ) 算法( 原理如图3 1 ) 和f ，一乞算法( 原理如图3 2 ) 【4 4 4 5 1 。他 们在原理上是一样的。用这两种方法检测无功时，进行的运算大多都是瞬时值运算， 响应速度很快，特别适合于变化快、冲击大的无功补偿。两者在只检测无功电流时， 都可以完全无延时地得出检测结果可见这两种方法具有很好的实时性。与筇( 或阳) 算法相比f 。一t 算法借助了构想的j 下、余弦函数，没有直接使用系统电压信息参与运 算，当系统电压波形畸变时，畸变成分在运算过程中不出现，检测结果不受影响。 江苏大学硕士学位论文 图3 1筇( 或p g ) 算法 图3 2 - 算法 ( 2 ) 三相负载不平衡的无功电流检测 在三相电路负载不平衡的情况下，基于瞬时无功理论的算法必须进行改进才能 应用，比如进行f 序分量、负序分量和零序分量的分解【4 6 彻，如图3 3 。这样的话就 比较麻烦计算量比较大。 江苏大学硕士学位论文 图3 3三相不平衡的朋算法控制图 3 1 2 单相无功与有功线电流检测 为了适用于本文的控制设计，要快速准确的检测并跟踪线电流中的有功和无功 电流分量，本文提出一种单相电流快速跟踪算法。 ( 1 ) 检测原理 以图2 7 为分析对象，设电网电压为，表示为略( f ) ：用户端负载线电流为，c ， 表示为t ( f ) 。当电网电压和负载电流都发生畸变时，经过傅立叶变换分别可以表达为： “，( 吩= l s i n ( 耐+ 舅) + u 。s i n ( ，l 耐+ 幺) t ( f ) = j ，s i n ( 欲+ 移) + j 。s i n ( 以魂+ 最) = s i n f c o s p + c o s 纠s i n 口+ ls i n ( ，z 耐+ 包) ( 3 - 1 ) ( 3 - 2 ) 本文以电源电压为计算参考，则令式( 3 - 1 ) 中q = o ；为了消除电压畸变对计算 谐波和无功电流的影响，电源电压通过低通滤波器( l o w 巾嬲sf i l t c r 简称l p f ) 后经 江苏大学硕士学位论文 图3 3三相不平衡的朋算法控制图 3 1 2 单相无功与有功线电流检测 为了适用于本文的控制设计，要快速准确的检测并跟踪线电流中的有功和无功 电流分量，本文提出一种单相电流快速跟踪算法。 ( 1 ) 检测原理 以图2 7 为分析对象，设电网电压为，表示为略( f ) ：用户端负载线电流为，c ， 表示为t ( f ) 。当电网电压和负载电流都发生畸变时，经过傅立叶变换分别可以表达为： “，( 吩= l s i n ( 耐+ 舅) + u 。s i n ( ，l 耐+ 幺) t ( f ) = j ，s i n ( 欲+ 移) + j 。s i n ( 以魂+ 最) = s i n f c o s p + c o s 纠s i n 口+ ls i n ( ，z 耐+ 包) ( 3 - 1 ) ( 3 - 2 ) 本文以电源电压为计算参考，则令式( 3 - 1 ) 中q = o ；为了消除电压畸变对计算 谐波和无功电流的影响，电源电压通过低通滤波器( l o w 巾嬲sf i l t c r 简称l p f ) 后经 江苏大学硕士学位论文 过锁相环电路( p h 笛el o c k 。d1 0 0 p 简称p l l ) 得到电网电压同步信号，标准正弦波为， 略) = s i n 缈f( 3 3 ) 则可以得到比电网电压同步信号滞后l 佴个周期的信号，标准余弦波，定义为无功信 号，表示为) ， “。( f ) = c o s 酬( 3 4 ) 可以出式( 3 2 ) 得到 ( f ) = 五s i n 烈c o s 秒 ( 3 5 ) 如0 ) = c o s f s i n 矽 ( 3 6 ) 其中p 为基波有功电流相对于电源电压的初相位，国为电网角频率，电网周期 丁= 2 石缈。由式( 3 _ 4 ) 和式( 3 6 ) 可以看出，负载无功电流与无功信号同相，则设 无功电流为： ( f ) = m g “口( f ) 由此可以构造下式： z ( f ) ( ( f ) 一“。( f ) 】 ( 3 7 ) = c o s 研【s i n 缈f c o s 9 + c o s 国fs i n 秒+ 厶s i n o 国f + 幺) 一c o s 国f 】( 3 8 ) = 半s i n 2 褂薹争s i n 泓_ 1 ) 饼堋侧( 刀+ 1 ) 刎堋) 由式( 3 8 ) 可以看出在一个周期丁内，积分为零。即 一+ j j2 ( ，) 【t ( f ) 一“g ( f ) 】班= o = 愕= 甓等 ( 3 - 9 ) ( 3 1 0 ) 由式( 3 7 ) 知道，只要检测出，就可以检测出无功电流o ) 同理，可以令与电压 信号同相的信号为有功信号，记作，“p ( f ) = s i n 以则， 2 7 江苏大学硕士学位论文 如( r ) = 朋p ”p ( f ) ( 3 - 1 1 ) ( 2 ) 快速跟踪算法 设电流采样点总数为，则采样周期为丁，式( 3 1 0 ) 的离散表达为 2 静咖；n 嘶专 2 f l ( 伽n 嘶七 2 0 _ 了旦 f = 一i 2 屯( ) s i n 嘶 = ! 垫 n ( 3 - 1 2 ) 在乞时刻的值为。，在n 个采样周期前的f i 时刻的值为，令时刻前以个采 样周期的值为。，在乞时刻后，1 个采样周期的聊。值为：，则 ：鲎一+ 盈一b 功 ：三：薹兰竺二! 主! 兰：竺：竺二! 主三+ 三薹兰竺二! 主! ：竺竺二! 主! 。3 。4 ， nn 式( 3 1 3 ) 中后半部分为川。，即前一个时刻f l 的一个周期中的前，2 采样点的计算值5 式( 3 1 4 ) 中前部分为m 。：，即是当前时刻乞的一个周期的后，z 个采样点计算值；因 为波形重叠，式( 3 1 3 ) 中前半部分与式( 3 1 4 ) 后半部分相等，定义为。，即是f l 与f ：时刻的一个周期中波形重叠的一以个采样点计算值。则 = o + l ( 3 - 1 5 ) 聊g = 2 + o ( 3 1 6 ) 。= 2 一i + ( 3 - 1 7 ) 由此可知的值可由朋，：与。差值与累加计算得来。 同理可以算出m p 。 江苏大学硕士学位论文 ( 3 ) 算法实现 数学算法的关键在于设置一个储存采样数据的队列用于存放前一个周期的采样 数据，设采样周期丁一，计算点数为刀个，即计算周期为刀r ，为当前时刻厶到 前一个计算时刻间隔时间，算法示意图如图3 4 。通过锁相环电路得到同步电压信 号( f ) = c o s 纠；检测的电流t ( f ) 和得到的同步电压信号( f ) 经过乘积然后再采样， 采样后存入图3 5 中所示的采样存储队列，即是+ 刀空间队列。在厶时刻判断( 即 是一个计算周期问隔) 是不是检测信号，是就输出下式： = 聊g o + 聊口2 ( 3 1 8 ) 否就输出下式： 聊口= 7 + m 口2 一m 9 i ( 3 - 1 9 ) 设置检测信号的目的在于纠正可能存在的累加错误，检测信号的周期可以根据实际情 况调整，但一定要大于一个周期t ，最好是t 的整倍数。得到肌，后与( f ) 相乘就得 到了负载无功电流值( f ) 。计算朋p 同理。计算以甩丁为周期形成一个检测循环， 从而完成对电流的跟踪检测。在选取采样周期r 和计算点数刀的时候，根据采样 定理和实际情况选取。通过实验调整，l 和比例可以得到较好效果。 2 9 江苏大学硕士学位论文 图3 4 快速跟踪算法示意图 ( 4 ) 仿真结果及研究 论文利用s i m u l i n k 建立了仿真模型，并进行了仿真。图3 5 就是仿真的模型。 仿真时给定电压信号为标准s i n 波。 m a t l a b 仿真时，负载电流周期丁= 2 0 肌s ，电压2 2 0 v ，采样点取= 5 0 0 ，计 算点数目，z = 5 0 ，即计算周期为电流周期的1 1 0 即2 m s 。负载电流为f ：( 图中线号a ) ， 理沦无功电流为( 图中线号b ) ，检测无功电流为毛( 图中线号c ) 。 由于负载有功电流的仿真情况一样，只有数值的不同，完全参考无功电流的检 测，所以，仿真从略。 1 、无功电流从感性到容性变化的仿真 图3 5 为负载电流中无功电流从感性突然变化为容性时的仿真波形。初始负载电 流为j 下弦波，幅值为1 0 a ，电流滞后电压1 8 个周期，在8 0 m s 时，负载电流突变为 幅值1 2 a ，超前电压1 8 个周期，即无功电流由感性突变为容性。 从仿真图形中可以看出，仿真是由负载电流初始值为零时开始检测，经过半个 江苏大学硕士学位论文 周期线b 和线c 重合，表明经过半个周期检测的电流值和理论的电流基本相等，即 是算法在半个周期里基本能准确检测出负载电流值；在8 0 l i l s 的时候，负载电流出感 性变为容性，变化是比较巨大的一种，从图中可以看出仿真波形在接下来的一个周期 内变得有毛刺，和理论值差别比较大，经过一个周期后线b 和线c 重合，表明算法 在一个周期内能够跟踪负载电流的变化。 t m s 图3 5 无功电流从感， 生到容性变化的仿真曲线 2 、负载电流含有谐波时的仿真 图3 6 为负载电流中含有谐波时的仿真波形。负载电流中，基波电流幅值为1 0 a ， 2 次谐波幅值为4 a ，3 次谐波幅值为2 a ，5 次谐波幅值为2 a 。 从仿真波形可以看出，在负载电流含有多次谐波的情况下，并且初始值为零开 始检测，在经过半个多周期后线b 与线c 重合，表明检测的电流值和理论值相等， 说明算法不受谐波的干扰。 江苏大学硕士学位论文 周期后相等；此种方法在电流由零开始检测时，准确检测出无功电流，前半个周期的 检测值和真实值的差别比较大，但后半个周期的检测值和真实值非常接近，波形基本 重合；从仿真波形图3 5 和图3 8 中可以看出，在电流发生幅值和相位的变化时，检 测电流值跟随负载电流变化，滞后不超过半个周期，检测值能够很好反应跟踪电流的 变化，延迟时间实际为一个计算周期；负载电流变化巨大时检测值出现毛刺；检测值 能够抗谐波和白噪声的干扰。 ( 5 ) 本节小结 l 、提出了一种检测单相电路瞬时无功与有功电流的新跟踪算法，方法经过仿真 检验了它的j 下确性。由仿真波形可以看出，电流不管从o 开始还是突变为o 时，在一个 周期内都能完全对负载电流准确计算，重要的是它对电流变化的跟踪能力突出，几乎 实时的反应电流的变化，延迟时间为一个计算周期。 2 、算法简单，计算量小，易于实现。由于中间部分才有逻辑运算和加减运算， 两边都是乘法，乘法和加减及逻辑运算集中，而且只用两个乘法器，所以可以根据时 间情况将乘法和加减及逻辑运算分为两块，分别用模拟和数字电路实现，互不干扰， 计算更快。 3 、由于算法是提取了小段波形进行前后比较，所以采样初始时刻不会影响检测 结果，它对噪声的抗干扰的能力很突出，稳定性也就比较好。 4 、采用在锁相环电路前加了低通滤波器的技术消除了电源电压畸变对检测负载 电流的有功和无功电流的影响，但电源基波频率发生变化时还有待深入探讨和研究。 3 2d - s t a t c o m 的相电流平衡设计 用上一节的检测方法得到需要补偿的线电流后，经过线电流和相电流的转换运 算得到d s 可玎c o m 需要发出的相电流，转换来的相电流要是d s t a t c o m 的各相 相电流的大小差别最小。 3 2 1 不平衡负载补偿电流的三种设计方案 由于负载不平衡导致补偿的电流也是不平衡的，补偿不平衡负荷所需的三相补 偿电流可能差别很大，但是用于不平衡负荷补偿的装置在设计上往往还是对称的，三 3 5 江苏大学硕士学位论文 多种选择，可以选择不同的方案去实现。 ( 2 ) 电纳补偿原理 对于图3 一l o a ) 所示的三相不平衡负荷电阻负荷r ，在其他两相分别适配 础= ，3 r 的电感和i 0 彩) = j3r 的电容，则可构造平衡的三相系统，如图3 - l ob ) 所 示【站5 2 1 。 钐 ba 嚣r rr i 如 图3 1 0 a ) 负载缺相图3 。l o b ) 适配电感电容 图3 1 0 不平衡负荷的电纳补偿原理 任何三相不接地的不平衡负载都可转换为等效的三相三角形接线。在一个确定的 时刻，每相负载都可等效为一个电阻和电容( 或电感) 的并联。其中电阻部分可通过上 述方法来补偿，电感电容部分更可通过与之并联电抗值相等的电容电感来补偿。因 此，任何三相不接地的不平衡负荷都可通过上述方式来实现平衡化补偿，称为电纳补 偿原理。， 电纳补偿原理的本质是通过无功元件提供的无功功率进行补偿，当然该部分无功 功率也可以由无功补偿装置来提供。若已知三相负荷电流屯，乙，t 。，则由电纳 补偿原理得到的补偿相电流为： 乞2 击衄也+ 口h n 乞一彳屯) 么一考 气2 去眦一口一矿t ) 幼 ( 3 - 2 1 ) 乞= 击艺一口h l l l + 矛艺) 弓 式中：口= p ，2 棚。 3 7 江苏大学硕士学位论文 c彳 图3 1 l a ) 相电流线电流关系图3 1 l b ) 矢量三角形关系 图3 1 l 三角形连接的相电流和线电流的相量关系 d 点到a b c 顶点a ，b ，c 的距离表征了3 个相电流的大小。对于确定的线 电流，d 点坐标与相电流组合一一对应。于是上述命题就转化为一个新的命题：在 a b c 所在平面的所有点中，找一点d o ( 如图3 1 l b ) ) 中的e )，使其到a b c 这3 个顶点的最大距离最小。 平面上任一点d 到a b c 这3 个顶点的距离分别为d d a ，d d b ，d d c ，记 d 。d = m a x ( d d a ，d d b ，d d c ) ，则d 。啪= m i n ( m a ) 【( d d a ，d d b ，d d c ) ) 。对于任意a b c ， d o 点存在且惟一。 锐角三角形的d o 点在三角形内部，是其外接圆的圆心，也是垂心，到3 个顶点的距 离相等。 直角三角形的d o 点是斜边的中点，也是外接圆的圆心( 垂心) 。 钝角三角形的d 0 点是最长边( 钝角的对边) 的中点。 3 2 2 方案选择 ( 1 ) 工程效益 用于不平衡负荷补偿的d s 玎盯c o m 在设计上往往还是对称的，即三相的拓扑结 构、电路参数、额定电压、额定电流均对应相同。 一方面，为了满足最严重的不平衡负荷的补偿需要，d s t a t c o m 的每一相都要 按可能需要的最大补偿电流进行设计，尽管往往不需要三相同时提供那么大的补偿电 流。需要提供的最大补偿电流越大，d s t a t c o m 的设计容量也就越大，成本越高。 另一方面，如果由于制造成本等因素的限制，d s t a t c o m 不按最严重的不平衡 负荷情况进行设计，只是考虑出现频率较高的不平衡负荷状态，那么当比较严重的不平 3 9 江苏大学硕士学位论文 衡负荷状况出现时，就有可能得不到理想的补偿效果。只要有一相所需的补偿电流超 过d s t a t c o m 的额定值，该相就有过流的危险。即使控制和保护得当，装置本身不会 过流损坏，该相也不得不限幅输出，无法提供足够的补偿电流，从而影响平衡化补偿的 效果。 很多时候，当某一相或两相需要的补偿电流很大时，其他相所需的补偿电流却可能 很小。有的相需要的电流大而设计容量不够，其他相有冗余而不进行分担。如果按最 大相电流设计，就要增加d s t a t c o m 的容量和成本，设备综合利用率低。如果不按 最大相电流设计，对出现的不平衡负荷状态又不能保证总是取得满意的补偿效果。单 相或两相电流过大，无疑限制了m s t a t c o m 的不平衡运行能力和负荷补偿范围。 对于确定的不平衡负荷和补偿目标，所需的补偿线电流也是惟一确定的。但是如果 采用三角形连接，则补偿相电流是可以有多种选择的。 基于电纳补偿原理的补偿相电流，三相差别往往较大，因而造成设备利用率低，补偿 范围受限。 采用最大相电流最小化设计方案，三相补偿相电流大小均衡，与电纳补偿原理相比， 最大相电流明显减小，从而降低了过流风险，可以减小补偿装置的设计容量，扩大不平 衡负荷补偿范围。 采用无零序设计方案，最大相电流的分布情况虽然不如上述优化设计方案理想，但 是二者差别并不大，也比电纳补偿原理小得多。在一定程度上，也可以取得与优化设计 接近的效果。 ( 2 ) 工程实现 首先，补偿电流多样化的前提是三相补偿装置采用三角形连接方式，因此无论是 采用无零序设计还是最大相电流最小化设计，都要求d s w 汀c o m 采用三角形连接。 其次，无零序设计和最大相电流最小化设计，因为补偿相电流中可能包含有功分 量，要求d s 吼盯c o m 可对有功和无功功率同时控制，因此要求三相共用直流电容，例 如变压器隔离型链式结构【5 3 1 ，通过三