（电力电子与电力传动专业论文）基于混合开关的电流型无功功率补偿.pdf

浙江人学硕f j 学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n gc o m p l e xo fg r i ds y s t e ma n dm o r ek i n d so fe l e c t r i c a l e q u i p m e n t s ，t h ep r o b l e m sw h i c ha r ec a u s e db yr e a c t i v ep o w e ra r eg e t t i n g m o r ea n dm o r es e r i o u s r e c e n t l y , t h et s ca n ds t a t c o ma r es t i t tt h em o s t w i d e l yu s e dr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o nd e v i c e s i nt h ea p p l i c a t i o n s ，b o t h o ft h e s et w od e v i c e sa r ei n a d e q u a t ei nac e r t a i na r e a s c o n s i d e rt h ee x i s t i n g p r o b l e m s ，t h i sp a p e rp r o p o s e d an e wt y p eo fm u l t i - s w i t c hb a s e d c u r r e n t 。s o u r c er e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o nd e v i c e ，m a i n l yw o r k e di nt h e f o u ra r e a sa sl i s t e db e l o w f i r s t ，c o n s i d e r t h ec o s ta n dp e r f o r m a n c eo ft h er e a c t i v e p o w e r c o m p e n s a t i o n ，an e ws t r u c t u r eo ft h em u l t i s w i t c hb a s e dc u r r e n t - s o u r c e r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o nw a sp r o p o s e d t h es t r u c t u r eu s e ds c r sa st h e m a i np o w e rs w i t c h e sa n di b g t sa sa s s i s t a n ts w i t c h e s ，g r e a t l yr e d u c e dt h e c o s t ；w i t ht h es i m i l a rw o r k i n gm e t h o da st h es t a t c o m ，i ts o l v e dt h ep r o b l e m s u c ha st h ec a p a c i t ya n dt h es t e p l e s sr e g u l a t i n g i tp r o v i d e dan e ws o l u t i o no f t o w - c o s ta n dh i g h - e f f i c i e n tr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o nd e v i c e t h i sp a p e r s k e t c h e dt h es p e c i f i ct o p o l o g y , p r o p o s e dt w oi m p r o v i n gc i r c u i t sb a s e do nt h e s t u d yo ft h es w i t c h i n gc h a r a c t e r i s t i c so fs c r ，t h e nm o d e l e da n da n a l y z e dt h e m a i nc i r c u i t s e c o n d ，t h ea n a l y s i so ft h er e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o nd e v i c ec o n t r o l s t r a t e g y b r i e f l yi n t r o d u c e dt h ei n s t a n tr e a c t i v ep o w e rt h e o r ya n dt h e d e t e c t i o nm e t h o d ；p r o v i d e dt h ed i r e c ta n di n d i r e c tc o n t r o lm e t h o d s t h i s p a p e ru s e dt h ei n d i r e c tc o n t r o lm e t h o dt oc o n t r o lt h er e a c t i v ec o m p e n s a t i o n d e v i c e s ，s t u d i e dt h em a t h e m a t i c a lm o d e la n dt h es t a t i ca n dd y n a m i cs t a b i l i t y o ft h ei n d i r e c tc o n t r o lm e t h o di nd e t a i l t h e nd i s c u s s e dt h es p e c i f i cp r o c e s s o ft h ec o m m a n dc u r r e n t s g e n e r a t i n g ，p r o v e d i tw i t hs i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n t ， a i dt h ef o u n d a t i o nf o rt h ec o n t r o lo ft h ea c t u a ld e v i c e 浙江人学顾l j 学位论文 t h i r d ，a c c o r d i n gt ot h es y n c h r o n i z a t i o np r o b l e mo fa c t i v ep o w e rf i l t e r , t h r e ep h a s e sp h a s e - l o c k e dl o o pi si n t r o d u c e di nt h i sp a p e r t h ep r a c t i c a b i l i t y a n dv a l i d i t yo ft h et h r e ep h a s e sp l li sp r o v e db yb o t hs i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n t s a tl a s t ，t h i sp a p e rs t u d i e dt h ec o n t r o ls i g n a lg e n e r a t i o nm e t h o d so ft h e c u r r e n t s o u r c ea c d cc o n v e r t e r , m a i n l yf o c u s e do nt h es v p w mm e t h o d s v p w ma r e ad i v i d i n ga n dv e c t o ro p e r a t i n gt i m ec a l c u l a t i n ga r ed i s c u s s e di n d e t a i l a n db a s e do nt h el o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h em u l t i - s w i t c ht o p o l o g y , an e w p r a c t i c a lm e t h o dw a sa l s op r o v i d e dt ou s et m s 3 2 0 l f 2 4 0 7d s pt oc a r r y o u tt h es p e c i f i cs w i t c h i n gl o g i c t h ef i n a ls y s t e me x p e r i m e n ts h o w e dag o o d d y n a m i ca n ds t a t i cp e r f o r m a n c eo ft h en e wt y p eo ft h em u l t i - s w i t c hb a s e d c u r r e n t - s o u r c er e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o nd e v i c e k e yw o r d s ：r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n ；m u l t i - s w i t c h ；s c r ；i n d i r e c t c u r r e n tc o n t r o l ；s 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 ) 浙江人学硕l ：学位论文 第一章绪论 1 1 无功补偿的意义 当前，电力系统中存在大量的非线性、不对称负载和无功设备，如电弧炉、 变压器、电力机车、变频高速装置及高压直流输电的换流站等。而这些装置又以 产生感性无功电流为主，如此大量的感性负荷在系统运行中会消耗大量的无功功 率，降低系统的功率因数，造成线路电压损失增大和电能损耗增加，电压电流波 型畸变等电能质量问题，影响电力企业的经济效益。无功电流对电网的影响，是 关系电力系统稳定、高效运行的重要因素。 从用电设备的角度看，无功功率将增加发电、输电和用电设备的视在功率， 降低设备容量的利用率，使设备端电压、电流产生严重的畸变，影响如数控机床、 高精度测量仪器、精密医疗设备、变频高速和各种自动化生产线等设备的正常工 作；也会影响测量仪表的计量精度，使保护装置误动作。 从电力系统的角度看，无功可能使电力系统发生局部的或系统的谐振，由于 在发电、输电、配电过程中缺少快速的控制手段，容易造成过电压、过电流等问 题，严重的情况下甚至会造成电力系统的灾变，危害整个系统安全稳定的运行。 无功功率的大量产生造成的电能质量问题可能引起供电中断、电网瘫痪或导 致设备的故障，电网的无功问题已成为电力系统及工程应用领域关注和研究的焦 点问题之一，无功补偿技术随之产生。在电力系统中的变电所或直接在电能用户 处装设无功功率电源，以改变电力系统中无功功率的流动，从而提高电力系统的 电压水平，减小网络损耗和改善电力系统的动态性能的技术称为无功补偿技术 【 1 。 1 2 无功补偿装置 采用无功补偿技术节能，对提高电能质量和挖掘电网的潜力十分必要，世界 各国都将无功补偿作为电网规划的必不可少的一部分【2 】。早期的无功补偿装置为 静电电容器和同步补偿器，多用在系统的高压侧进行集中补偿【3 1 。并联电容器补 浙江人学硕l ：学位论文 偿至今仍是一种主要的补偿方式，应用范围很广。同步补偿器实质是同步电动机， 当励磁电流变化时，电动机可随之平滑地改变输出无功电流的大小、方向，对电 力系统的稳定运行很有好处。但同步补偿器成本高、安装复杂、维护困难，使其 应用受到限制。目前广泛应用的是结合了电力电子技术的静止型无功补偿装置。 在无功补偿技术中，就地补偿是效果最为理想的一种，但因负载具有分散性 大、数量多的特点。要求无功补偿装置体积小、成本低、操作方便、易于维护和 安装，而且必须能进行动态补偿。在无功补偿技术发展的初期受技术所限，动态 补偿一直未能很好得到发展。近三十年来，随着电力半导体器件和电力电子应用 技术的发展，很好地解决了这一问题。 无功补偿与电力电子技术结合的方式有三种：一是作为投切电容器的开关。 因为电力半导体开关的响应时间短( p s 级) ，所以能够准确地选择电容投切的角 度，实现零电压导通，避免了涌流的产生，提高了电容器使用可靠性和电力系统 的稳定性。二是作为无功输出的调节开关。正是由于电力电子器件的高开关频率， 可以方便地控制电容器电流的导通角，从而实现无功的连续调节，快速跟踪负载 无功的变化。三是引入电力电子变流技术，将变流器作为无功电源来补偿无功， 如静止调相机( s a t c o m ) 和有源滤波( a p f ) 【3 1 。 无功补偿装置和负载的关系有并联和串联两种，并联型无功补偿装置可以等 效成一个电流源，从系统中吸收容性电流，如图1 1 ( a ) 所示，图中u 一电源电 压；i 一电源电流；i 广负载电流；i c - 补偿电流；z 广负载阻抗。 电流应满足如下关系： t = 瓦- i - e ( 1 1 ) i = i f1 1 、。， 式( 1 1 ) 中，了一电源电流相量；一负载电流相量；e 一补偿电流相量， 其矢量图如图1 1 ( b ) 所示，图中，吼一负载功率因数角；咿一电源功率因数角， 可见，通过补偿电流的引入，使电源的功率因数角明显改善。 串联型无功补偿装置等效电路图如图1 - 2 ( a ) 所示，图中u c _ 补偿器输出电 压；u r 负载电压，u 一电源电压，其电压关系为： 一u = u4 - u ( 1 2 )= f ：l( 1 一z ) 式( 1 2 ) 中，百一电源电压相量；瓦一负载电压相量；一补偿器输出电 2 浙江人学硕，l j 学位论文 压相量，相量关系如图1 - 2 ( b ) 所示，可见此处无功补偿装置实质是移相电压源。 r i 【 ( 1 ( a )( b ) 图1 1 并联型无功补偿示意图 ( a ) 等效电路图( b ) 矢量图 图1 2串联型无功补偿示意图 ( a ) 等效电路图( b ) 矢量图 1 2 1 t s c 型无功补偿装置【3 1 ( 投切电容器) t s c 属并联型无功补偿装置。主回路如图1 3 所示，主回路有多台电容器 并联，根据所需无功电流的大小来决定投入电容的数量，补偿电流大小满足下面 关系： i c = 冬1k j1 q( 1 3 ) 却叫吣= ( ：鬻詈徽嘲台槲流 。 ： _ 图1 3t s c 主回路 3 浙江人学硕i ：学位论文 由式( 1 - 3 ) 矢nt s c 的无功调节是有级的，为适应动念补偿的需要级差必须 小，t s c 的响应时间小于半周波，补偿电流中不含谐波，在高压集中补偿和低压 就地补偿中都有使用。但是从式( 1 3 ) 中分析可知，在保证级差的条件下增加补 偿总容量必须增加电容器数量。 1 2 2 t c r 型无功补偿装置【4 】( 无功输出的调节开关) t c r 属于并联型，主回路如图1 4 所示 i ci c t - 1r k 1 u =c l 图1 4t c r 主回路 图中l c l 一电感电流，i c c 一电容电流，满足电流关系： i c = i c l4 - i c c( 1 4 ) 由主回路可知，在设想双向晶闸管的开关作用下，控制电感电流的导通角， 则式( 1 4 ) 中的i c l 是可以调节的。当i c l = 一i c c 时，补偿电流为零；当i c l 为零 时补偿电流最大。t c r 的响应时间小于半周波，可连续调节无功输出，但其电流 中有谐波。因为容性无功电流的变化实际上是借助于改变电感中电流导通角实现 的，所以装置本身有一定的功率损耗；而且由于大电感的存在，使整个装置的成 本、体积增加。 1 2 3 s t a t c o m i s , 6 】【s v g 】( 高级静止无功功率补偿器) 早期的静态无功补偿装置有s v c ( s t a t i cv a tc o m p e n s a t o r ) 等。对于s v c 来 说，由于其输出无功功率与电网电压的平方成正比，在系统需要提供较大无功功 率的时候，电网电压下降可能比较严重，s v c 输出能力反而下降。 s t a t c o m 又称高级静止无功功率补偿器( a s v c ) ，国际上也称作瞬态无功功 浙江人学硕i j 学位论文 率发生器s v g ( s t a t i cv a rg e n e r a t o r ) 。电压型s v g 主回路结构如图1 5 所示。 输出电压的相位可超前或滞后于系统电压，故能与系统进行有功、无功之问的交 换【丌。稳态工作时，s t a t c o m 的直流侧理论上没有有功功率的交换，无功功率流 动于三相之间，因此直流侧只需较小电容，补偿特性好。s t a t c o m 在电网电压 下降时依然可以输出很大的电流来维持较大的无功功率输出。在同样的应用环境 要求下s w k o m 所需的无源元件容量和设备体积都小于s v c 。同时，s 砑丁c o m 具有响应速度快，具有控制节点电压、实现瞬时无功补偿、阻尼系统振荡、增强 系统暂态稳定性等功能，已被证明是非常有效的。因此，s t a t c o m 正在取代传 统的装置，被越来越广泛地应用于动态无功补偿的场合。 图1 5电压型s v g 主回路 通常，电压型s v g 具有如图1 6 所示的并联型系统结构。控制器使v s i 输 出电压脉冲构成大小和方向不同的电压矢量v c a b c 。改变v c a b c 的大小和方向，s v g 就可以改变其连接电抗上的电压v x a b c 。此时v x a b c = v s a b c - v c a b c ，s v g 输出电流 j a b c 的方向和大小也随之改变。 电 图1 6 并联型无功补偿装置的系统结构 - 5 - 浙江人学硕上学位论文 1 3 无功补偿的国内外研究现状 目前无功功率的解决办法仍然集中在两种上面，一种是对无功产生的负载装 置进行改造或使用新设备，使其不产生无功功率。如采用高功率因数p w m 整流， 有源功率因数校正、多重化等技术减小负载装置本身产生的无功电流，提高功率 因数。二是在电网侧加装补偿装置补偿负载产生的无功电流。目前，第一种方法 的研究热点集中在各种无功源的电力电子装置的拓扑和控制方法上，需要对现有 设备进行大规模更新，研究目标较为广泛，不在本文探讨的范围。第二种解决方 案也已得到了深入的研究，如被称为柔性灵活交流输电系统( f a c t s ，f l e x i b l ea c t r a n s m i s s i o ns y s t e m ) 8 。f a c t s 技术将各种电力电子补偿控制器引入交流输电 系统，快速、有效、灵活的控制交流输电系统的工作状态，提高输电、用电设备 的使用效率，减少损耗，确保了负载和电网的稳定运行。最近二十年来，f a c t s 设备及其应用的研究得到了长足地发展，一系列高性能的f a c t s 装置也已得到 广泛的应用。此类产品包括电力有源滤波器( a p f ，a c t i v ep o w e rf i l t e r ) 、动态电 压恢复器( d v r ，d y n a m i cv o l t a g er e s t o r e r ) 、静止同步补偿器( s t a t c o m ，s t a t i c s y n c h r o n o u sc o m p e n s a t o r ) 、统一电能质量控制器( u p o c ，u n i f i e dp o w e rq u a l i t y c o n t r o l l e r ) 、不间断电源( u p s ，u n i n t e r r u p t a b t ep o w e rs u p p l y ) 等。 在动态补偿装置方面的研究，自上世纪七十年代开始至今仍显得非常活跃。 近来，s t a t c o m 等大容量无功补偿装置的研究更是成果不断。西屋公司与美国 电科院合作于1 9 8 6 、1 9 9 5 年分别研发了容量为1 m v a r 和1 0 0 m v a r 的s 1 - a t c o m 实验装置，其直接经济效益是该设备应用的电力系统免去了建造一条新的输电线 路。1 9 9 3 年，东京电力分别与东芝公司和同立公司合作开发了2 台5 0 m v a r 的 s t a t c o m 并投入使用。1 9 9 7 年，西门子公司研发了对风力发电机组进行动态控 制的s t a t c o m ，其容量为8 m v a r 。1 9 9 8 年，美国电力公司设计的功率容量为 1 6 0 m v a r 的u p q c 已投入运行。韩国电力研发了电压等级为1 5 4 k v ，串并联部分 各4 0 m v a r 的u p q c 9 。美国s d g e t e 公司研发的13 8 k v 、i o o m v a r 的s t a t c o m 也于2 0 0 2 年交付使用【1 0 1 。 我国与世界上的发达国家( 美国、日本) 相比，无论从电网功率因数还是补偿 深度来看，都有较大差距，因此在我国大力推广无功补偿技术尤为迫切。我国的 相关研究主要集中在高校，例如：清华大学和河南省电力局合作研制了容量为 6 浙江人学硕i j 学位论义 2 0 m v a r 的s t a t c o m 1 1 】；上海西郊变电站的5 0 m v a rs t a t c o m 也投入了运行 1 2 , 1 3 】，在工业应用中获得了良好效果。浙江大学，西安交通大学等对无功补偿 都有较为深入的研究【1 4 1 ，并对实用的关键技术进行了探讨。 1 4 基于混合开关的电流型无功功率补偿装置 电力电子在无功补偿装置中的作用举足轻重，三种技术结合的方式各有优 势，但又各自具有相应的局限性。 1 4 1常规无功补偿装置的局限性 以电力电子器件作为投切开关的t s c 型无功功率补偿装置，其工作原理是 根据要补偿的无功大小将不同的电容器投切入电网中，不能实现无级补偿，且产 生谐波，依靠电容来提供无功功率，其容量受电容总量制约，在大容量的情况下， 需要电容的数目多，体积大；t c r 作为以电力电子器件来改变导通角代表应用， 虽然实现了无功功率的无级调整，但是其无功功率也是依靠无功储能元件电感提 供，相比t s c 的电容来说，在大容量的情况下，考虑到饱和，电流大小等问题， 体积和线径的问题不可能避免，补偿容量大受限制，而且电感过大时又会产生很 大的有功损耗，使系统的效率大大降低；相对t s c 和t c r 而言，s t a t c o m 不 仅实现了无功功率的无级补偿，而且是电路拓扑来完成阻抗变换，能提供无功功 率的容量不受储能元件大小的影响，从根本解决了体积和容量的问题。 然而s t a t c o m 所选用的开关管通常是大功率的i g b t 或者i g c t 、g t o ，价 格不菲，在三相变流器的拓扑的应用中成本非常高。这极大阻碍了s 珊汀c o m 的 应用推广。本论文的目的在于研究一种能够实现s t a t c o m 功能，适合于大容量 装置的，通过器件的与线路的优化结合，能够显著降低装置成本的方法，包括其 工作原理及其实现方案。 1 4 2 基于混合开关的电流型无功功率补偿装置 半导体开关中，i g b t 属于全控型开关，大功率、高电压的全控制开关价格 高昂。晶闸管则属于半控型开关，其制造工艺成熟，因此不仅价格低廉，而且电 7 浙江人学硕1 ：学位论文 压电流耐量都可以做到相当高的水平，与同等级的i g b t 或g t o 相比成本要少很 多。其使用方面主要的困难就是晶闸管关断不容易。 混合开关是将半控器件和全控器件配合使用，主功率管采用半控器件，而全 控器件用以完成半控器件的辅助关断控制。混合开关的应用将有可能使高功率变 流器的成本显著降低。在s t a t c o m 的应用中需要使用p w m 技术，晶闸管不能 靠门极控制关断来实现p w m 。本文将针对这个矛盾，对混合开关电流型拓扑的 工作方式展开讨论。 1 5 论文研究的主要内容和研究成果 基于电网侧用户位置实现无功补偿的目标，本文提出了基于混合开关的电流 型无功功率补偿方案。论文以该方案的主电路拓扑及其工作方式和控制方式为研 究课题，同时在初夜分析、仿真和实验研究三方面对混合开关的电流型无功功率 补偿装置进行了深入的研究，主要内容安排如下： 1 ：第一章中，论述了无功补偿在国内外的研究和发展现状，提出了新型电 流型无功功率补偿装置，并简要分析了论文的依据和意义。 2 ：第二章中，提出了具体的基于混合开关的电流型无功功率补偿拓扑，给 出了具体的工作模式，研究了电流型三相变流器的数学模型 3 ：第三章中，研究了基于混合开关的电流型无功功率补偿装置的具体工作 原理和控制方法，分析比较了间接电流控制，直接电流控制，2 3 逻辑p w m 调 制和空间矢量p w m 调制各自的优势和劣势，在d o 平面上对整个系统的有功和 无功进行解耦的控制，为后面的p w m 调制应用打下了基础。 4 ：第四章中，研究了三相数字锁相环的工作方式，数学模型，给出了具体 的程序控制流程，仿真和实验波型。 5 ：第五章中，研究了电流型空间矢量调制技术，着重研究了关于矢量分布， 分区判断的原理和方法，给出了整个系统的具体的程序控制流程，仿真和实验波 型。 6 ：最后是全文的总结和对未来工作的展望。 8 浙江人学硕l ：学位论文 参考文献 【1 】鲁文青，韩三峰变电站无功功率补偿设备的选择科技信息( 学术研究) ， 2 0 0 7 ( 3 6 ) ：6 3 8 ，6 4 3 【2 】石春让国内外无功补偿技术水平及现状电工技术，1 9 9 4 ( 1 2 ) ：1 - 4 【3 】华福年，陈宏剑，李仁杰无功补偿装置综述沈阳工业大学学报，1 9 9 8 ， 2 0 ( 3 ) ：2 7 - 3 1 【4 】朱金奇t c r + f c 静止型无功补偿装置( s v c ) 原理及应用电气工程应用， 2 0 0 6 ( 3 ) ：4 0 - 4 2 【5 】5 l a s z og y u g y i d y n a m i cc o m p e n s a t i o no fa ct r a n s m i s s i o nt i n e s b y s o u d s t a t es y c h r o n o u sv o l t a g es o u r c e s i e e et r a n s t c t i o no np o w e r d e i i v e r y , 19 9 4 ，9 ( 2 ) ：9 0 4 - 9 11 【6 】王兆安，刘进军电力电子装置谐波抑制及无功补偿技术的进展电力电子 技术，1 9 9 7 ( 1 ) ：1 0 0 - 1 0 4 【7 】粟时平，刘桂英静止无功功率补偿技术北京：中国电力出版社，2 0 0 6 【8 】n a r a i ng h i n g o r a n i f t e x i b t ea ct r a n s m i s s i o n i e e es p e c t r u m ，1 9 9 3 9 】j b c h o o ，j s y o o n ，b h c h a n g d e v e t o p m e t n o ff a c t s o p e r a t i o n t e c h n o l o g yt ot h ek e p c op o w e rn e t w o r k d e t a i t e de m t d cm o d e o f8 0 m v a u p f c i e e et r a n s m i s s i o na n dd i s t r i b u t i o nc o n f e r e n c ea n de x h i b i t i o n 2 0 0 2 v o 2 ，3 5 4 - 3 5 8 【1 0 】g r e e d ，j p a s e r b a ，t c r o a s d a i t e s d g et a t e g as t a t c o mp r o j e c ts y s t e m a n a t y s i s ，d e s i g n ，a n dc o n f i g u r a t i o n i e e et r a n s m i s s i o n a n dd i s t r i b u t i o n c o n f e r e n c ea n de x h i b i t i o n 2 0 0 2 ，v o 2 ，13 9 3 13 9 8 【1 1 】姜齐荣，刘文华，韩英铎等2 0 mv a rs t a t c o m 控制器设计电力系统自 动化，2 0 0 0 ，2 3 ( 7 ) ：2 4 - 2 8 【1 2 】朱永强，崔文进，胡东辰，滕乐天，王伟，俞旭峰+ 5 0 m v a r 静止同步补偿 器接入系统运行策略仿真研究电力系统自动化，2 0 0 4 ，2 8 ( 2 1 ) ：7 7 8 0 【13 】刘文华，宋强，张东江，陈天锦，滕乐天，郑东润5 0 m v a r 静止同步补偿器 链节的等价试验中国电机工程学报，2 0 0 6 ，2 6 ( 1 2 ) ：7 3 7 8 - 9 浙江人学硕j ：学位论文 【1 4 】王兆安，杨君，刘进军谐波抑制和无功功率补偿北京： 机械工业出版 社，1 9 9 3 - 1 0 - 浙江人学顾i j 学位论文 第二章基于混合开关的电流型无功补偿 本章将讨论基于混合开关的电流型无功功率补偿的具体拓扑结构。该拓扑由 常规的三相电流型变流拓扑演化而来，详细介绍了如何使晶闸管实现自主关断， 并对三相电流型a c d c 拓扑进行了数学建模分析。 2 1 基于混合开关的电流型无功功率补偿拓扑 三相a c d c 变流电路拓扑可以分为电压i 直流侧接电压稳压) 型和电流( 直流 侧接电感稳流) 型，由于电感的体积和损耗问题，一直以来都是电压型占主导地 位。长期以来，以电容作为储能元件的电压型a c d c 变流器，在体积、效率、 价格等方面优于以电感作为储能元件的电流型a c d c 变流器，成为变流器研究 的重点【1 , 2 , 3 】。然而电流型a c d c 变流器也具有其独特的优点，如能够提供恒定 的直流电流，具有动态响应快，限流能力强，短路保护可靠性高等优点【4 5 l 。因 此，有必要对电流型a c d c 变流器进行深入的研究。特别是近年，在常温超导 方面的研究取得了长足的进步，电流型a c d c 变流器的电感损耗有可能进一步 减小，这将有助于其应用推广。 2 1 1 拓扑结构分析 基于混合开关的电流型无功功率补偿装置其主电路是以典型的电流型 a c d c 变流器拓扑为基础，在交流侧的三相桥采用晶闸管，直流侧辅以辅助晶 闸管开关的全控器件构成，如图2 - - 1 所示： 由图可见，与传统的电压型a d d cp w m 变流器拓扑相比，将三相桥的所有 全控型开关管全部用品闸管替换外，直流侧的储能元件是电感，并且在直流母线 上有一只i g b t 用以控制交流侧和直流侧的电流流动，电感上并联了一只i g b t 作为电感的续流开关。通过这个两个全控开关以一定的逻辑配合，就可以完成晶 闸管的p w m 调制。 浙江人学硕i ：学位论文 l f t r l -j厂】 厂_ i ，i r y n r r m1 ，r l mll i j - 儿 3 j a rj厂 】r 图2 1基于混合开关的电流型无功功率补偿装置主电路拓扑 2 1 2 拓扑的优化 本拓扑的基本原理即利用辅助的两个i g b t 完成晶闸管在导通过程中的自主 关断，本节将通过分析晶闸管的开关特性，得到晶闸管强制关断的方法，并在此 改进电路的基础上进一步优化，以保证晶闸管的可靠关断。 2 1 2 1 晶闸管( s c r ) 开关特性分析1 6 晶闸管( t h y r i s t o r ) 是晶体闸流管的简称，俗称可控硅( s c r ) 。除此之外，在普 通晶闸管的基础上还派生出许多新型器件，它们是工作频率较高的快速晶闸管 ( f a s ts w i t c h i n gt h y r i s t o r ) 、反向导通的逆导晶闸管( r e v e r s ec o n d u c t i n 8 t h y r i s t o r ，r c t ) 、两个方向都具有开关特性的双向晶闸管( t r i a c ) 、门极可以自 行关断的门极可关断晶闸管( g a t et u r no f ft h y r i s t o r ，g t o ) 、集成门极换流晶闸 管( i n t e r g r a t e dg a t ec o m m u t a t e dt h y r i s t o r s ，i g c t ) i - 极辅助关断晶闸管( g a t ea s s i s t e d t u r no f ft h y r i s t o r ，g a t o ) 及用光信号触发导通的光控晶闸管( t i g h tc o n t r o t t e d t h y r i s t o r ，l 丌) 等。 图2 2 晶闸管双晶体管模型 浙江人学硕i j 学位论文 普通晶闸管没有自主关断能力，不适合于高频率下的p w m 方式工作。晶闸 管导通的工作原理可用双晶体管模型来解释，如图2 2 所示， 如果外电路向门极流入电流i g ，也就是注入驱动电流，晶闸管内两个寄生的 p n p 和n p n 型晶体管会形成强烈的f 反馈，使得内部进入完全饱和状态，晶闸 管导通。此时如果撤掉外电路注入的门极电流，晶闸管由于内部形成了强烈的正 反馈仍然维持导通状态。正是由于通过其门极只能控制其丌通，不能控制其关断， 晶闸管才被称作半控型器件。 晶闸管的开通和关断的动态过程有很复杂的物理机制。 开通时，由于晶闸管内部的正反馈过程需要时间，再加上外电路电感的限制， 晶闸管受到触发后，其阳极电流的增长不可能是瞬时的。从门极电流阶跃时刻开 始，到阳极电流上升到稳态值的1 0 ，这段时间称为延迟时间，与此同时，晶闸 管的正向压降也在减小。阳极电流从1 0 上升到稳态值的9 0 所需的时问称为上 升时间。开通时间定义为两者之和。普通晶闸管的延迟时间为0 5 1 5u s ，上 升时间为0 5 3u s ，延迟时间随门极电流的增大而减小。上升时间除反映晶闸 管本身的特性以外，还受到外电感的严重影响。提高阳极电压可增大晶体管的正 反馈，延迟时间和上升时间可显著缩短。 关断时，原牌导通状态的晶闸管当外电压突然由正向变为反向时，由于外电 感的存在，其阳极电流在衰弱时也必然是一个过渡的过程。阳极电流将逐渐衰减 到0 ，然后同电力二极管的关断过程相似( 但稍长些) 。在正向阻断恢复时间内 如果重新对晶闸管施加正向电压，晶闸管会重新正向导通。实际应用中，应对晶 闸管施加足够长的反向电压，使晶闸管充分恢复其对正向电压的阻断能力，电路 才能可靠工作。普通晶闸管的关断时间( 即正向阻断恢复时问，下文就简称为“关 断时间) 约为几百微秒。 晶闸管正常工作时的特性如下【6 】： 1 当晶闸管承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导 通，但此时，如果给予晶闸管足够的正向电流，晶闸管内部仍然可以形 成正反馈，实现晶闸管的反向电压正向导通。 2 当晶闸管承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下才能导通 3 晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用，不论门极触发电流是否存在， 1 3 - 浙江人学倾l ：学位论义 晶闸管都保持导通 4 若要使导通的晶闸管又返回到正向阻断状念，则必须令门极电流为o ， 且将阳极电流降低到一个称为维持电流的临界极限值以下并保持一段时 间( 约几十到几百微秒) 。 5 在4 中，若在正向电流低于维持电流的同时加上反向电压并保持一段时 问，可以使晶闸管更可靠地关断。 通过以上对晶闸管特性的分析可知，本拓扑正是应用了晶闸管的关断特性， 在关断的过程中，通过断开直流母线上的i g b t ，让交流侧和直流侧完全分离， 这样，作为稳定直流电流的电感电流无法在交流侧中循环，达到了使晶闸管电流 为0 的目的，由于电感电流不能突变，需要有一个续流通路，电感上并联的i g b t 起到了这个作用。当电路j 下常工作的时候，只需要切断直流母线的i g b t ，并让 电感并联的i g b t 开始续流，就满足了晶闸管工作条件4 ，保持一段时间后，理 论上可以实现晶闸管的自主关断。而需要晶闸管继续工作的时候，只要断开续流 i g b t ，并让直流母线的i g b t 恢复工作，电流就又可以从交流侧的品闸管流过。 此时给以触发信号的晶闸管两端出现反压情况，由于续流i g b t 断开，电感 失去续流通路，因为其电流不能突变，电流会强行从晶闸管上流过，实现反压的 情况下强制开通，也只有这样，才能在p w m 的时候实现在直流侧出现反压，这 也是选择电流型拓扑的主要原因之一。 以上的分析全部是基于理论上的，在实际实验中发现，如果要晶闸管自主关 断，需要的时间相当长，而且由于晶闸管个体差异的关系，不同的晶闸管所需的 关断时间相差较大，如果作为实际应用来讲，这个方案显然不具备足够的可靠性， 考虑工作特性5 ，可以通过在关断时从外部强行对晶闸管加反压来加快和保证晶 闸管的关断，从这一点出发，可对拓扑进行改进。 2 1 2 2 改进关断方案的主电路拓扑一 如图2 3 所示，在图2 1 主拓扑的基础上，对电网电压通过1 ：1 的三相 隔离变压器，再对其进行二极管三相不控整流，将得到一个永远不低于直流母线 电压的一个直流电压，再在此电压上附加一个2 0 v 左右的直流d c 电压，将此电 压通过限流电阻和另一只i g b t 连接到上下晶闸管两侧，得到一个至少比晶闸管 1 4 - 浙江人学硕i ? 学位论文 正向电压高2 0 v 以上的反向直流电压。通过选取合适的电阻，加上此反压电压 后，能对晶闸管提供一个与正向电流成比例的反向关断电流，保证晶闸管的有效 关断，提高电路的可靠性和稳定性。而三相隔离变压器是为了完全切断电网和辅 助关断电路交流侧的电气连接，避免关断电流通过一只晶闸管后直接注入电网， 对另一只晶闸管不起作用。 u j j 目 【jj t i - 一 、 ； - l 。一一 、 ￥l ljl 2r2r -2 厂 广 l j v y n 一一 1 儿 厂厂 tt j- j l j 图2 3改进的关断方案拓扑1 但是实际上，对电路进行进一步分析可以发现，此电路仍有一定不完整性， 如图2 4 所示改进拓扑一在强制关断时的电路简图： 图2 4 改进拓扑1 强制关断时电路简图 t 1 和t 2 分别是导通两相的上管和下管，当辅助反压的全控开关管导通的时 候，反向关断电流从t 1 反向流过，通过交流侧流过t 2 ，理论上没有问题，实际 中由于两个管子的个体差异，关断的时间会有所不同，当其中晶闸管比另一个晶 闸管先关断的时候，反向电压会完全加在已经关断的那只管子上，导致另一只晶 闸管加反压时间不够充分，可能不能关断。如图中所示，假设t 1 和t 2 同时加 上反压d c ，但”比t 2 早关断了，那么反向电流也为0 ，反压完全加在此时相 当于断路的t 1 上，t 2 可能并没有关断。当下次开通进入，虽然可能t 2 得不到 开通信号，但由于t 2 并未能成功关断，若t 2 所处的该相电压又正好是三相中 最低相，t 2 就会继续导通，导致电路工作的异常。 一1 5 浙江人学硕1 ：学位论文 分析这种情况出现的根本原因，就是不同的管子共用了同一级关断反压电 源，不能保证两个同时关断，故改进拓扑二如下。 2 1 2 3 改进关断方案的主电路拓扑二 改进关断方案的主电路拓扑2 如图2 5 所示，在图2 3 主拓扑的基础上， 不需要三相隔离变压器三行辅助关断电路和主电路的隔离，每一相电压直接通过 一个二极管到限流电阻上，然后通过2 0 v 左右的直流d c ，用全控开关连接到直 流母线的j 下端负端。 u 、_ t t 【 ￥ l ，广 r r l j 上l 上儿 广 厂： 】 上 一，、，弋 图2 5 改进的关断方案拓扑2 改进拓扑2 关断时电路工作示意图如图2 6 所示： 一一1 门 jc ： 广r】 ll ll l 上儿 厂, -】| lj【j【 一 夫 图2 6 改进拓扑2 强制关断时电路简图 改进二和改进一有两个方面不同： 1 ：改进1 是通过将关断电压加在直流母线两侧，由于必须比直流母线的电 压高，所以要对电压先进行整流，再附加上关断电压，辅助关断电路的电压很高。 而改进2 是将关断电压直接加在晶闸管的a k 极两端，与直流母线的电压强度没 1 6 浙江人学硕l ：学位论义 有直接的关系，不需要高压，只要有一定的反向电压即可，属于低压的系统。 2 ：改进1 将整个关断电压加在直流母线上的同时，将关断电压加在了上下 管两端，不能保证每一个晶闸管都得到关断的反压，而改进2 增