（农业电气化与自动化专业论文）基于igbt的静止无功发生器的研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 利用静止无功补偿装置实现动态无功功率补偿的研究是电力系统一种新的 无功补偿方法。静止无功发生器( s v g ) 是柔性交流输电设备的重要成员之一，作 为新一代无功功率补偿装置，它以其平滑的无功调节、快速的动态特性等优良 性能引起了国内外科研与工程领域的广泛关注，而我国在这方面尚处于起步阶 段。本文提出了一种基于i g b t 的静止无功发生器( s v g ) 实验装置研制方案，对 静止无功发生器进行了深入分析和研究。 本文首先比较了现有的无功补偿装置，分析了s v g 的优越性能。根据s v g 的动态补偿原理，讨论了其补偿性能：总结了电流间接控制和电流直接控制中 的典型控制方法，分析了这几种控制方法的优缺点；介绍了瞬时无功功率理论 及其在无功控制和无功检测方面的应用。然后，研究设计了s v g 的主电路参数， 以及基于d s p 芯片的数字控制系统的软硬件与保护电路的设计。 最后应用m a t l a b 软件对两种控制方式的s v g 进行仿真，对仿真结果进 行了分析，验证了本文所设计的s v g 系统的正确性与优越性。 关键词：静止无功发生器电流直接控制数字信号处理器瞬时无功功率 数字控制系统 基于i g b t 的静止无功发生器的研究 a b s t r a c t a tp r e s e n t ，t h er e s e a r c ho n c o m p e n s a t i n g r 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 nd e v i c ei so n eo ft h em o s ta c t i v ea r e a s i np o w e rs y s t e ms n h j e c t a sa n e wv a rc o m p e n s a t o ra n do n eo ft h ef a c t se q u i p m e n t s ，t h es t a t i c v a r c o m p e n s a t o ra t t r a c t se x t e n s i v ea t t e n t i o nf o ri t sp e r f e c tp e r f o r m a n c es u c h 猫s m o o t h r e g u l a t i o no fv a ra n dd y n a m i cc a p a b i l i t y , h o w e v e ri t s t i l li nt h es t a r ts t a g ei nt h e d o m e s t i cc o n n l y t h ep a p e rp r o p o s e st h es t a t i cv a tg e n e r a t o r ( s v g ) r e a l i z a t i o n m e t h o db yu s i n gi g b ti n v e r t e r s ，s t u d y i n ga n da n a l y z i n gi td 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 es v g ss u p e r i o r p e r f o r m a n c ei 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 np e r f o r m a n c eo fs v g i s s 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 v e r a lt y p i c a lc o n t r o lm e t h o d s a 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 sa r ea n a l y z e d ；t h e i n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e rt h e o r ya n di t sa p p l i c a t i o nt or e a c t i v ep o w e rc o n t r o l a n dd e t e c t i o na r ei n t r o d u c e d s e c o n d l y ，t h ec o n f i g u r a t i o na n dp a r a m e t e r so f s v g s p o w e rc i r c u i ta n dp r o t e c tc i r c u i t ，a n dt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo fi t s d i g i t a l c o n t r o ls y s t e ma r er e s e a r c h e da n dd e s i g n e dr e s p e c t i v e l y f i n a l l y ，s v gs y s t e m ss i m u l a t i o nu s i n gt h et w oc o n t r o lm o d e l s a r ea c c o m p l i s h e d w i t hm a t a l a b ，a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l ti sa n a l y z e d ，i tp r e s e n t e dt ov e r i f yt h e c o r r e c t n e s sa n da d v a n t a g eo f p r o d u c t i o ni nt h i st h e s i s k e y w o r d s ：s v g ，c u r r e f l 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 u s r e a c t i v ep o 口 t h e o r y ，d i g i t a lc o n t r o ls y s t e m f i 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。 保密口，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 学位论文作者签名：周俊 签字e l 期：2 0 年6 月2 4 日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 电话 邮编 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。除文中已经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：周俊 日期：2 0 0 6 年6 月 2 牛 日 江苏大学硕士学位论文 第1 章绪论 近年来，随着我国经济与社会的快速发展，人们对高质量电力能源的需求日 益增加。目前世界范围内掀起环境保护和节能的热潮，电力系统是一种的特定环 境，公用电网中出现的无功功率，由电网本身的运行规律所决定，但它给电网运 行带来了许多麻烦。现代电网中，电动机等感性负荷占据相当大比重。它们在消 耗有功功率的同时，也需要吸收大量无功功率。无功功率的出现不仅导致发电机 出力下降，降低了输配电设备效率，而且还增大了网损，严重影响供电质量。 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，研究开发 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。 1 1 电力系统中的无功功率及其危害 根据无功功率的物理意义，能量并没有被消耗，而是由于系统中感性或容性 储能元件的存在，在三相之间或者是电源与负载之间来回传递。电力系统中的无 功功率主要由两部分组成：一部分主要是由电流与电压的相位差而导致的基波无 功功率，另一部分主要是由电流的非正弦畸变而导致的谐波无功功率。 基波无功功率是由感性或容性负载引起的，容量较大且相对稳定。电力系统 中的用电设备绝大多数为感性负载，电流相位滞后于电压，因此主要表现为感性 无功功率。近年来，随着电力电子技术的飞速发展，大量的非线性电力负载投入 使用，导致了谐波无功功率呈现日益严重的趋势。电压与电流的相位差与电流的 非正弦畸变均会导致电力系统功率因数的下降与电能质量的恶化。因此，电力系 统的无功功率补偿问题应该包括基波无功功率与谐波无功功率的同时补偿，也只 有实现了两者的同时补偿，才能真正实现系统的单位功率因数运行，保证提供高 质高效的电力能源。 基于i g b t 的静止无功发生器的研究 电力系统中无功功率的危害主要表现在三个方面：一是在输电容量不变的前 提下，使输电线路损耗增加，从而降低了线路的电力传输效率与电气使用寿命； 二是影响系统电压的稳定性，使节点电压偏离额定值，甚至造成系统电压崩溃； 三是谐波无功功率的存在对电能质量的影响日益严重，主要表现为附加的谐波损 耗、产生振动和噪声、绝缘老化、系统电压畸变、电气设备寿命缩短、导致系统 谐振等，谐波还会引起继电保护和自动装置的误动作，对微机及通讯系统造成干 扰。由此可见，电力系统无功功率补偿基础理论与工程应用技术研究的重要性之 所在。 1 2 无功补偿装置的发展 电力系统中的无功补偿装置从最早的电容器开始发展到今天，历经了电容 器、同步调相机、静止无功补偿装置( s v c ) 、静止无功发生器s v g 几个不同的阶 段。下面介绍各种无功功率补偿方法的发展和应用。 1 并联电容器 并联电容器是电网中用的最多的一种专用的无功功率补偿设备。它的特点是 价格便宜，易于安装维护。主要用作控制负荷功率因数之用，也可以作为无功功 率补偿调节的手段。 并联电容器补偿无功功率方式有三种： ( 1 ) 集中补偿电容器组集中装设在企业或地方总降压变电所的6 i o k v 母线上，用来提高整个变电所的功率因数，它可以使该变电所在其功率范围内无 功功率基本平衡，可以减少高压线路上的无功损耗，而且提高本变电所的供电电 压的质量。 ( 2 ) 分组补偿将电容器组分别装设在功率因数较低的车间或农村变电所 内，也称为分散补偿。这种方式具有与集中补偿相同的优点，仅无功补偿容量和 范围相对小些。但是分组补偿效果比较明显，采用得较为普遍。 ( 3 ) 就地补偿将电容器组装设在异步电动机旁或感性用电设备附近，就 地进行无功补偿这种方式既能提高负荷的功率因数，又能改善用电质量，对中、 小型设备十分适用。 虽然并联电容器有许多优点，但它容量有限，而且它的输出无功功率与安装 江苏大学硕士学位论文 处电压平方成正比 q c - 丁u - ( 1 - 1 ) 。 0 1 c 1 式中：x 。= 一电容器电抗 l 当电压降低时，特别是由于故障而电压降低时，系统需要电压支持，而并联 电容器输出无功功率却急剧下降。 2 调相机 调相机实质上是一种不带机械负载的同步电动机，调节其励磁，既可以发出 无功功率，又可吸收无功功率，它是最早采用的一种无功补偿设备，在并联电容 器得到大量采用后，它退到次居地位。其主要缺点是投资大，运行维护复杂。因 此，许多国家不再新增同步调相机作为无功补偿设备。同步调相机的优点是：在 系统发生故障引起电压降低时，同步调相机可提供电压支持，还可在短时间进行 强行励磁，对提高电力系统的稳定性有很大好处。在以下场合，同步调相机能起 到良好的作用1 3 1 4 】： ( 1 ) 在接受远方大容量系统电源送电的弱系统中，可以在系统故障时提供 电压支持。 ( 2 ) 对于较弱的受端系统，在传送大容量电力的超高压长距离输电线的中 途，安装同步调相机作为并联补偿，提供动态无功支持，提高送电容量和系统的 稳定性。 ( 3 ) 高压直流输电出现后，为了对较弱的受电侧提供足够的短路电流和电 压支撑，也需要在交流受电侧装设足够容量的调相机。 以上说明，同步调相机作为一般无功补偿设备已经过时，但在有些情况下， 仍然有其特殊作用。 3 静止无功补偿器( s v c ) 从7 0 年代以来，同步调相机开始逐渐被静止型无功补偿装置所代替。1 9 6 7 年，英国g e c 公司制成世界土第一批饱和电抗器型静止无功补偿装置。1 9 7 8 年 美国g e 公司首次在实际电力系统中使用晶闸管的静止无功补偿装置。同年美国 西屋电气公司制造的s v c 投入实际运行。 静止无功补偿装置近年来获得了很大的发展，已被用于长距离输电的分段补 基于i g b t 的静止无功发生器的研究 偿，也大量应用于负载的无功补偿。静止无功补偿器主要有以下两大类型：一类 是具有饱和电抗器的静止无功补偿装置( s a t u r a t e dr e a c t o r s r ) ：第二类是 晶闸管控制电抗器( t h y r i s t o rc o n t r o lr e a c t o r _ t c r ) 、晶闸管投切电容器 ( t h y r i s t o rs w i t c hc a p a c i t o r t s c ) ，这两类装置通称为s v c ( s t a t i cv a r c o m p e n s a t o r y 。s v c 装置克服了同步调相机与机械投切并联补偿装置响应速度 慢、运行噪音大等缺点，具有控制速度快、维护简单、成本较低等优点，从而在 电力系统中大量应用。但s v c 装置也存在一些缺点，如工作于斩波状态的晶闸 管会产生较大的谐波，对电力系统造成污染；其次这些装置并联接入系统后会改 变系统的阻抗特性，过多安装这些设备可能导致出现系统振荡：而且由于这些设 备保留了阻抗型装置的一些特性，系统电压对s v c 装置的补偿效果会产生较大 的影响，如电压下降时补偿电流也减小，导致补偿容量成与电压平方比例下降； 另外，由于晶闸管的关断不能控制，开关器件的工作频率低，对电能质量的补偿 能力相对减弱，动态性能难以提高，装置的网侧电流谐波含量大。 4 静止无功发生器( s v g ) 随着电力电子技术的进一步发展，特别是l - g 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静止补偿器 fn l 2 1 ，它是通过将自换相桥式电路直接并联到电网上或者通过电抗器并联到电网 上。s v g 根据直流侧采用电容和电感两种不同的储能元件，可以分为电压型和电 流型两种。目前静止无功发生器( s v g ) 得到发展并进入实用阶段。s v g 己成为静 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。1 9 8 0 年日本研制出了2 0 m v a 采用强迫换相晶闸管桥式电路的s v g ，并成功的投入了电 网运行；1 9 8 7 年美国西屋电气公司( w e s t i n g h o u s ee l e c t r i cc o r p ) 制造的1 m v a 采用g t o 晶闸管的s v g 装置，并成功地进行了现场实验；1 9 9 1 年和1 9 9 4 年日本 和美国分别研制成功了一套8 0 m v a 和一套i o m v a 的采用g t o 晶闸管的s v g 装置， 并且成功投入商业运行。在国内，在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，只是以清华大学为代表的一些科研机构通过研究，研制了 3 0 0 k v a r 的s v g ，获得了一定的实际经验，并在理论上有一些发展。 江苏大学硕士学位论文 1 3 静止无功发生器( s v g ) 的研究现状 1 , 3 1 静止无功发生器在电力系统中的作用 s v g 并联接入电力系统中，可以改变系统的导纳矩阵和对角元素，向系统注 入滞后于网侧电压基波的感性或超前于网侧电压基波的容性电流，从而方便地对 系统进行实时平滑的无功功率补偿，达到控制电力系统有功或无功功率平衡的目 的。因此，并联接入电力系统的s v g 具有如下作用： ( 1 ) 减小输电线路损耗，提高系统功率因数，提高线路传输能力： ( 2 ) 维持或控制节点电压； ( 3 )向电力系统提供或从系统中吸收有功功率； ( 4 ) 向电力系统提供或从系统中吸收无功功率； ( 5 ) 通过控制功率变化，阻尼系统振荡； ( 6 ) 提高电力系统的暂态与静态稳定性； ( 7 ) 改变系统的阻抗特性； ( 8 ) 补偿系统中的谐波功率，改善电能质量。 1 3 2 静止无功发生器的发展方向和趋势 随着i g b t 、g t o 、 e g t 、1 g c t 等高压大容量可关断电力电子器件的发展， 2 0 世纪8 0 年代出现了基于可关断器件的电压源或电流源变流器的无功功率补偿 装置，即静止无功发生器( s v g 或s t a t c o m ) 。这种补偿装置完全脱离了 阻抗型装置的特性，成为完全可控的电压源或电流源，使并联无功补偿装置的性 能大为提升。与s v c 装置相比，由于可关断器件的工作频率较高，再与多电平、 多重化或p w m 技术相结合，使得s v g 网侧电流的谐波含量大为减少，调节速 度快( 可以达n 1 0 毫秒级) ，运行范围宽，对电能质量的补偿能力得到了提高。 更重要的是s v g 装置当中使用的电抗器或电容器的容量远远t e s v c 装置要小， 这就大大减d t 装置的成本与体积。上述s v g 的种种优越性能使其成为真正意 义上的实时无功补偿装置，代表了电力系统动态无功补偿的发展方向。 s v g 作为柔性交流输电技术( f a c t s ) 的重要设备成员之一，f 1 2 0 世纪8 0 基于i g b t 的静止无功发生器的研究 年代以来，一直是国内外研究的热点。目前世界几大著名公司( 如瑞士a b b 公司、 德国西门子公司、美国西屋公司、以及日本东芝公司、三菱公司等) 都研制出了 基于变流器的s v g 并联补偿装置，主要功能是用于稳定系统节点电压、补偿无功 功率。 1 9 8 0 年1 月，日本k a n s a i 电力公司( k e p c o ) 与m i t s u b i s i 电机公司共同 研制出了2 0 m v a 采用强迫换向晶闸管桥式电路的s v g ，并成功地投入了电网运 行”1 。在此之后，美 w e s t i n g h o u s e ( 西屋电气公司) 、e p r i 公司、德 s i e m e n s ( 西门子) 公司也相继进行t s v g 的研制开发与工程应用 1 6 - - 2 0 1 。英国a l s t o m 公司于2 0 0 1 年初研制了首台基于链式结构_ + 7 5 m v a r s t a t c o m 装置，并投入运 行2 “。1 9 9 9 年3 月，由我国清华大学与河南省电力局合作研制的4 - 2 0 m v a r s t a t c o m 装置在河南省朝阳变电站投入运行，使我国成为世界上继日本、美 国、德国之后第四个拥有该项技术的国家2 ”。目前清华大学与上海电力公司合 作，正在研制基于i g c t 5 0 m v a r 链式s t a t c o m 装置。东南大学、哈尔滨工 业大学、西安交通大学等院校与科研机构也在进 行s v g 的相关研究。但国内对 s v g 的研究与应用还处于刚刚起步阶段，具有十分广阔的发展与工程应用前景。 1 4 本课题研究的意义和主要内容 1 4 1 本课题研究的意义 静止同步调相系统( s v g ) 主要作用是实时快速地补偿动、静态无功，减少 功率损耗，并兼有电压调整和谐波抑制功能，能够稳定系统电压，提高电能质量， 对长距离输电系统有助于提高系统输电稳定性和输电能力，平衡三相负载的有功 和无功功率等。随着工业、农业和交通等领域的发展，电力系统中出现大量冲击 型负载和非线性负载，如大功率变流器、轧机变流调整系统、电弧炉等冶炼装置、 电气化车辆等，这些设备在运行中产生大量的动态无功、谐波电流和电压，导致 电网电压闪变和大幅度波动，甚至造成电网在某一频率下的谐振，严重地影响供 电系统的供电质量和供电系统的安全运行。对于这些现象，传统的静止调相机以 及s v g 系统很难获得满意的补偿和控制效果。s v g 响应速度快、运行范围宽， 江苏大学硕士学位论文 如果采用多重化脉宽调制技术等措施，可以大大减少补偿电流中的谐波含量。另 外，s v g 使用的电抗器或电容器比s 3 g 系统中的要小，大大缩小了装置体积、 成本和运行损耗。s v g 是电力系统无功补偿、谐波抑制设备的发展方向，具有 十分广阔的市场潜力。 1 4 2 本课题研究的主要内容 1 、根据国内外关于无功补偿及静止无功发生器的研究现状，对静止无功发 生器( s v g ) 进行了理论研究和系统设计。 2 、研究基于i g b t 三相桥式电压型s v g 的系统结构形式，并对s v g 的控制 方式进行了分析和比较。通过对瞬时无功功率理论的分析，研究适合s v g 的无功 一谐波电流检测方法。 3 、对s v g 主电路的研究与设计，并对主电路参数进行设计。 4 、根据对s v g 控制的要求，研究9 2 d s p 复合型的数字控制系统，并对s v g 控制系统的硬件和软件进行了设计。 5 、在m a t l a b 环境下，利用s i m u l i n k 工具箱构建系统仿真框图， 对 s v g 进行了系统仿真。 基于i g b t 秘静虫龙磅发文器妁磅究 第2 章s v g 的工作原理与基本控制方式 2 。 s v g 嚣豢绫祷戒 现 弋毫力系绫要求炎臻 偻装置够怼毫潮无珐功率遴霉实辩魂态 罄，越 问响应贾快，装霰本身工作可靠性要高。网侧电压、电流的谐波含量要在相关标 准允许韵范围戳内。这魏要求s v g 装置酌整个系统不仅镪括实孵无功电流豹裣测 部分、信号处理部分，丽且包括控制器、变流器、滤波器以及与电力系统的连接 设备。 图2 一ls v g 系统构成框图 s v g 的构成框图翔瀚2 一l 掰示。图中矗，黾e 表示毫力系统三辐输电线路， l o a d 为负载，t 为变压嚣，起到调节电雁与平滑滤波的作用，l 为平波电抗器， 起到滤滁s v g 网侧谐波，使电联、电流正弦化的作用。c o n v e r t e r 为交流器，它 霹以应蹋不同的主电路拓拎结橡，但需要相应的控制方式与之觏合。t a 为电流 互感器，t v 为电压互感器，对负载电流与接入点电压进行检测。检测到的交、旒 奄滚、毫莲信号与誊滚铡毫察毫嚣信号魄经避绩号颞处瑾模块p 瓣 ( p r e p r o c e s s m o d u l e p p m ) 后，由处理器计算出需要补偿的有功与无功功率值( 指 令氇) ，其中有功功率璃于补偿装置损耗以及维持矗流镧电容电匿。然嚣将计算 所褥的功率( 或电流) 指令值与s v g 网侧注入电力系统的实际反馈值进行比较，根 据误差值，运用一定的控制方式与控制策略计算产生出驱动主功率开关篱的控制 继号，然嚣经避驱动模块i d ( i n s u l a t ed r i v e i d ) 隔瓷放大基，驱动c o n v e r t e r 的功率开关管动作。 8 江苏大学硕士学位论文 2 2s v g 的工作原理 s v g 的工作原理是将三相桥式电路通过电抗器并联到电网上，调节桥式电 路输出电压的幅值和相位从而改变s v g 输出无功电流的性质。根据直流侧采用电 容和电感两种不同的储能元件，可以分为电压型和电流型两种。图3 一l 所示的结 构图为电压型补偿器，如果将直流侧的电容器用电抗器代替，交流侧的串联电感 用并联电容代替，则为电流型的s v g 。无论是电压型还是电流型的s v g 其动态补 偿的机理是相同的。 众所周知，在单相电路中，与基波无功功率有关的能量是在电源和负载之间 来回往返，但是在三相平衡电路中，不论负载的功率因数如何，三相瞬时的功率 和是定的，在任何时刻都等于三相总的有功功率。因此总的看来，在三相电路 的电源和负载之间没有无功能量的来回往返，各相的无功能量是在三相之间来回 往返。所以，能用某种方法将三相各部分总的统一起来处理，则因为总的看来三 相电路的电源和负载之间没有无功能量的来回往返，在总的负载侧就无需设置无 功储能元件。三相桥式逆变电路就具有这种将三相总的统一处理的特点。因此理 论上讲，s v g 的桥式变流电路的直流侧可以不设储能元件。实际上，考虑到变流 电路吸收的电流不只含有基波，其谐波的存在也会造成总体看来有少许无功能量 在电源和s v g 之间往返。所以，为了维持桥式变流电路的正常工作，其直流侧仍 需要一定大小的电感或是电容作为储能元件，但所需的元件容量比s v g 所提供的 无功容量要小。而对传统的s v c 装置，其所需的储能元件容量至少要等于其所提 供的无功功率的容量。因此，s v g 的储能元件的体积和成本比同容量的s v c 大大 减小。 严格来讲，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。其电 路基本结构如图2 2 所示： 两者的区别是直流侧分别采用的是电容和电感这两者不同储能元件，对电压 型桥式电路，还需要串联上电抗器才能并上电网；对电流型桥式电路，还需要并 联上电容器才能并上电网。实际上，由于运行效率的原因，实际应用的s v g 大多 采用的是电压型桥式电路。因此s v g 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。 基于i g b t 的静止无功发生器的研究 图2 - 2 ( a ) 电压型桥式电路 s v g 原理图 ( b ) 电流型桥式电路 2 2 1 忽略装置损耗时s v g 的工作原理 s v g 正常上作时，就是通过控制可关断电力电子器件的开通与关断，将直流 侧的直流电压变换成与交流侧电网电压同频率的正弦电压( 实际上是由阶梯波或 s p w m 波组成的正弦调制波) 。当经过平波电抗器滤波以后，可以忽略高次谐波， 而只考虑基波分量，于是s v g 就可以被等效为一个幅值和相位均可以控制的与 电网电压同频率的交流电压源。因此，忽略其损耗时，图2 2 ( a ) 所示的电路 就可以等效为图2 3 ( a ) 所示的单线电路。 l x = c o l 厂= 牝尸7 鬻 ， u su = i x l + 一 u ， ( a ) 等效屯路( b ) 吸收感性无功( c ) 吸收容性无功 图2 - 3s v g 等效电路与相量图( 忽略损耗) 由于s v g e 常工作是通过桥式逆变电路输出与电网同频率的交流电压，因此 可以将s v g 看作一个受控源u ，将交流电网简化为一个电压源u 。，它和s v g 的 连接阻抗等效为一个电抗器，电抗器上的电压u 。为u 。和u ，相量之差，电抗 器上的电流，可由其电压u ，控制，改变s v g 的输出电压u ，的幅值及相位就可 1 0 t 江苏大学硕士学位论文 以改变u 。，从而改变，也就是改变了s v g 吸收无功功率的性质和大小。下面 具体分析： 图2 3 所示的电路中，将连接电抗器视为纯电感，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u ，与d 。同 相，仅改变【，的幅值大小即可控制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。当u ，小于d 。时，电流滞后系统电压9 0 ， s v g 从系统吸收感性的无功功率，如图2 - - 3 ( b ) 所示，当u ，大于u 。时，电流超 前系统电压9 0 。s v g 从系统吸收容性的无功功率，如图2 - 3 ( c ) 所示。 2 2 2 计及装置损耗时s v g 的工作原理 当计及s v g 装置本身损耗( 如开关损耗、线路损耗等) 以连接电抗器的损 耗时，将总的损耗视作一个与连接电抗器相串联的电阻r 来考虑，则s v g 的等 效电路如图2 4 ( a ) 所示，s v g 上作于感性与容性状态下的向量图如图2 4 ( b ) 、( c ) 所示。 ( a ) 等效电路( b ) 吸收感性无功( c ) 吸收容性无功 图2 4s v g 等效电路与相量图( 计及损耗) 由图2 4 可知，u 。和u ，不同相，存在一个角度差万。由于占的存在使得 s v g 能从系统吸收有功，补偿内部的各种损耗，来维持电容器两端的支撑电压u 。 在动态过程中，j 的变化使电容器两端充放电，电容器两端电压发生变化，逆变 器输出电压u ，也要发生变化，从而s v g 发出无功大小、性质也要发生变化 基于i g b t 的静止无功发生器的研究 因而可以调节占，从而调节所发出无功的大小及性质。 根据以上对工作原理的分析，可以得到s v o 的电压一电流特性图，如图2 4 所示。 uj二 二习：l 二 ； 匕二 r i c “ x 0 i l m t x 图2 - 5s v g 电压一电流特性图 同t c r 等传统s v c 装置一样，改变控制系统参数，可以使得电压一电流特性 上下移动。但可以看出，当电网电压下降，补偿器的电压一电流特性向下调整时， 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i 。删和i 。维持不变。而传统的s v c 装置，由于其能提供的最大电流分别 受其并联电抗器和并联电容器的限制，因而随着电压的降低而减小。因此s v g 的运行范围比s v c 要大，这是s v g 另一优点。 此外，对于那些以补偿输电为目的的s v g 来讲，如果直流侧采用较大的储能 电容，或者其他的直流电源( 蓄电池组) ，则s v g 还可以在必要短的时间向电网提 供定量的有功功率。这对于电力系统是非常有益的，而又是传统的s v c 装置望 尘莫及的。 由于s v g 所采用的都是大容量的全控型器件，价格比s v c 的普通晶闸管要高 得多。但随着电力电子技术得发展，g t o 和i g b t 的普遍应用，使s v 6 总的成本 在下降。且当s v g 采用无功电流反馈控制时，其响应速度也超过s v c ，因此采用 s v g 作为动态无功补偿装置比s v c 更加优越。 江苏大学硕士学位论文 2 3s v g 的控制策略 从上面无功发生器的原理分析得出，由无功电流( 或者无功功率) 参考值调 节s v g ，控制s v g 发出无功的性质和大小，就可以补偿负载所需的无功，具体 的控制方法可以分为间接控制和直接控制两种方式。这两种控制方式都可以对有 功电流进行控制，以补偿电路中的有功损耗，因此，更准确地讲，这两种方式都 是针对s v g 的总电流而言。 2 3 1 电流间接控制 分析图2 - 4 所示的s v g 工作相量图，以吸收滞后电流为例，由图中电网 电压u 。、变流器交流测基波电压u ，和连接电抗压降u 。构成的三角关系， 可得如下等式： 为 一u l ：望；： 掣! ( 2 1 ) s i n 8 s i n ( 9 0 0 + 妒) s i n ( 9 0 0 p 一占) 一 式中j ：u ，与u 。相位差，以u ，超前us 为正 驴：连接电抗器的阻抗角 由此可得u ，：u ss i n 6 c o s 口 ( 2 2 ) 据此可推导出稳态时s v g 从电网吸收的无功电流和有功电流有效值分别 分鲁s i n 2 占 i ，= 2 鲁( 1 - c o s 2 6 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 可以证明，当s v g 吸收超前无功电流的时候，其稳态时仍满足式( 2 - 3 ) 和式 ( 2 4 ) ，只不过此时其中的占和、i 。均为负。当系统进入稳态时，实验证明占角绝 对值的变化范围很小，在这种情况下，s i n2 j 近似于2 8 ，所以艿与i 。成正比， 基于i g b t 的静止无功发生器的研究 当s v g 吸收超前无功电流时也可以得出上述关系式，因此在稳态下，t , 2 与占角 的关系曲线绘制如图2 - 6 所示： l p j 一 0 图2 - 6 t 。与8 角关系 在占角绝对值不太大的情况下，j 与i o 接近线性正比关系。因此通过控制巧 角就可以控制s v g 吸收的无功电流。这样就可以得出s v g 最简单的控制方法如 图2 7 所示： 圈2 - 7 电流间接控制示意图 当改变d 角时，u ，也随着变化。u ，的变化是通过变流器直流侧电压u 。变 化而实现。万角变化时，变流器将吸收一定的有功电流，因而直流侧的电容将被 充电或放电，因而引起u 。的变化，从而引起u ，的变化。当暂态过程完毕时， u ，、i 。必然满足上述关系式。 如果在这种控制方法基础上加上反馈环节，那么无功电流的控制精度和响应 速度都会大大提高。如图2 - 8 所示，在此基础上，产生了许多种控制方法，比如 对j 角和逆变器脉宽角0 联合起来控制策略等。电流间接控制方法多适用于较大 容量的s v g 装置，其减少谐波方法多采用多重化的方法并且结合p w m 技术。 江苏大学硕士学位论文 圈2 - 8 带反馈的电流间接控制 占与口角配合控制方法引入了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了s v g 吸收的无功和有功电流。由于此控制方法中包含 系统参数，而电力系统的参数具有极大的不确定性，所以要求s v g 控制器必须有 很强的自适应性实现难度很大。 单j 控制主要有传统p i 控制和逆系统的p i 控制。逆系统的p i 控制具有比 传统p i 控制更快的响应速度。这一点从可以通过在电力系统大干扰情况下s v g 对系统的调节作用的仿真来证明。所以对间接控制的研究将主要针对此种控制方 法。 逆系统的p i 控制方法是传统p i 控制的改进。文献 2 中讲述的p i 逆系统控 制，其控制框图如图2 - 9 所示。 圈2 - 0 逆系统的p i 控制框图 图2 - 9 的主要思路是对s v g 的无功功率采用逆系统非线性的p i 控制。图 中的j 。由式q = 笔 s i n 占实时计算获得。u 为电压瞬时有效值，x 为装置短路 容量，u w 为电压参考值，k i 和k p 是p i 调节的系数。正是万：对占。的动态调 节作用，逆系统p i 控制比传统p i 控制具有更快的响应速度。 基于i g b t 的静止丸功发敷器的研究 2 3 2 电流静直接控胡 所谓电流的赢接控制，就是采用跟踪型p w m 控制技术对电流波形的瞬时德 进行反馈控制，赢接控制的s v g 控制系统有两种基木结构。第一种控制结构如 图2 。l o ( a ) 鹱承，采羯了a b c 皴下的瞬瓣电浚控铡系绞。控嬲系统完成嚣令功 能：崴流侧的电压恒定控制，无功电流的实时跟随。直流电压指令u 。与 赢流反馈电压经电压p i 调节器衙生成有功电流指令i 。，对流入s v g 的有功电 流控髑胃瑷控翻赢流翻淑压。l 。r 帮无鞠毫流鬻令i 鲥逶过8 声一a k 交换藏三鞠 瓣时电流擐令l 懈，i 坩，l 耐，三相电流指令与瞬时魄滚逶过恒频三角波电浚 比较生成逆变器的开关信号。通过上述控制实现赢流侧电压的稳定和无功电流的 鞭随。 瘦，露 _ 黟叫p i 卜_ 爿 _ + _ + 每龋吁枷 s v g a b c 每括田爿 _ + a , v v x a a ( a ) a b e 轴电流控制 鼢貘筘轴电流控割 图2 1 0 电流直接控制 1 6 江苏大学硕士学位论文 第二种控制方法如图2 1 0 ( b ) 所示，s v g 发出的电流瞬时值经口、口坐 标变换变为j 。、j 。，它们与有功电流、无功电流参考值作比较后，经p i 调节器 所得值，再经d - q 变换，得到三相电流信号，进行三角波比较电流跟踪型p w m 控制。其中，有功电流参考值由直流侧电压参考值与直流侧电容电压反馈值比较 后经p i 调节器得到。由于参考值i 州和i 阿，反馈值，。、1 口在稳态时均为直 流信号，因此通过p i 调节器可以实现无稳态误差的电流跟踪控制。也就是说， 本方法中采用了双闭环反馈控制，内环是电流环控制，外环是电压环控制。 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。第种控制系统有三个p i 调节器，在( 口、口a b c ) 变换后的a b e 轴下；第二种控制系统只有两个p i 调节器，在( 口、f l a b c ) 变换 前的口、口轴下。第二种控制系统中p i 调节器信号是直流，而第一种控制系统 中电流p i 调节器的给定和反馈是交流正弦信号。交流信号的变化率较大，p i 调 节时有静态误差，调节参数设计也较为困难。从上述比较可以看出：从调节器的 数目和控制参数的选择上，第二种控制系统优于第一种控制系统。 s v g 采用电流直接控制后，其响应速度和控制精度比间接控制法有很大提 高。在这种控制方法下，s v g 实际上相当于一个受控电流源。由于受电力半导 体器件开关频率限制，这种控制方法对较小容量s v g 比较适用。 2 4 控制方法的编程实现 s v g 的控制任务是根据控制目标确定其逆变器输出电压与系统同步信号间 的微小的相位差，从而控制s v g 向系统发出( 或吸收) 的无功功率，进而改变 电力系统的电压调节，为输电系统或配电系统贡献力量。除了脉冲发生器的设计 以外，控制器的软硬件设计主要集中在采集系统有关电压和电流变量以及实现控 制方法上。s v g 控制环节计算量大、流程复杂、精度要求高，所以控制器和脉 冲发生器的性能及所采用的控制方案对装置的补偿效果起决定性的作用，从而影 响用户端电压的质量。 由于d s p 快速的运算能力( t m s 3 2 0 f 2 4 0 指令执行时间为5 0 n s ) ，以及其强 基于i g b t 的静止无功发生器的研究 大熬片凌井琏憝( 三个遥璃定瓣器，擎魄较单元孬产垒3 路p w m 渡，全院较蕈元 可产生6 路p w m 波) 。所以可以采用t m s 3 2 0 f 2 4 0 系列的d s p 芯片来实现脉冲发 生器的功能和控潮功能，可以提高运算速度，识可以达到很好的控制效果。 t m s 3 2 0 f 2 4 0 作为主处理器，主要完成信号采样和处理，控制算法的实现， 控制信母的输出以及p w m 波的发出等功能。酋先，在主程序中进行初始化，主 要控裁方法懿诗簿功能在逶躅霆时器下，靛中甄服务子裸痒中巍成，怠滚溺接控 制和电流直接控制的控制算法软件流程分别如图2 一1 1 、图2 一1 2 所示。 图2 - 1l 电流间接控制软馋流程图2 - 1 2 电流真接控制软传流程 n 戬上套绥了s v g 熬嚣类控测方法；邀滚的阉接控铡葶n 电流的壹接控秘。遂过 对比我们可以得到如下结论： 江苏大学硕士学位论文 ( 1 ) 电流的间接控制方法相对简单，技术相对成熟，但间接控制与直接控制 相比，控制精度较低，电流响应速度较慢。 ( 2 ) 电流直接控制法对电力半导体器件开关频率要求高，因此适用于较小容 量s v g 控制：间接控制法适用于较大容量s v g 控制。 ( 3 ) 采用电流间接控制的大容量s v g 可采用多个变流器多重化联结、多电平 技术或p 硼控制技术来减小谐波。而采用电流p 嘲跟踪控制的直接控制方法，电 流谐波较少。 ( 4 ) 在设计s v g 装置时，可根据系统要求的不同及控制目标的不同，选取不 同的控制方法和主电路结构。 2 5 三相瞬时功率理论及无功一谐波电流检测方法 三相电路瞬时无功功率理论首先于1 9 8 3 年由日本学者赤木泰文提出，赤木 最初提出的理论称为p q 理论，是以瞬时实功率p 和瞬时虚功功率可的定义为基 础，其主要不足是未对有关的电流量进行定义。此后，该理论经不断研究逐渐完 善。1 9 9 2 年西安交通大学王兆安教授基于该理论提出了以瞬时有功电流和瞬 时无功电流为基础的理论体系。 设三相电路的各相电压瞬时值为p 。，e 。，e 。，各相电流瞬时值为如，站，i o ，分别 将它们变换到两相正交口一声坐标上，两相瞬时电压为e n ，印，两相瞬时电流为 如，扫，即有 l一! o 鱼 1i e o 恰g 2 ( 2 - 5 ) jk j 雠 ( 2 - 6 ) 一一岭 ：笪： 污 = 1，j 口 芦 口 口 。l n批一 1 ：笪： 一 巨悟 i i 基于i g b t 的静止无功发生器的研究 在图2 1 3 所示的口一声平面上，矢量f 。，e p 和i a ，助分别可合成为电压矢量p 和电流矢量，即 e = e 。+ ( 2 - 7 ) f = + ( 2 - 8 ) 那么，三相电路瞬时 有功电流f 。和瞬时无功电 流分别为矢量i 在矢量e 及其法线上的投影。而三 相电路的瞬时有功功率p 和瞬时无功功率q 为电压 图2 - 1 3 0 ：一坐标系中的电压、电流矢量 矢量e 的模与三相电路瞬时有功电流和瞬时无功电流的乘积，即 p = h i p ( 2 9 ) q = h ( 2 - 1 0 ) 图2