（控制理论与控制工程专业论文）基于tms320f2812的低压静止无功发生器的研制.pdf

基于t m s 3 2 0 f 2 81 2 的低压静止无功发生器的研制 摘要 静止无功发生器( s v c ) 是一种采用自换相变流电路的静止无功 补偿装置，是无功功率补偿装置发展的重要趋势。 无功补偿技术和装置对提高电网运行效率和电力系统稳定性、 改善电压供应质量和功能特性、降低系统能耗等都是不可或缺少的。 与传统的采用可控硅控制的电容或电感补偿方法相比，静止无功功率 发生器( s v g ) 采用g t o 、i g b t 等自关断电力电子器件，不仅降低了 装置的体积，而且具有更快的反应速度和更平滑的调节特性。 本文分析了s v g 的现状及发展趋势，以低压配电网或负载无功 功率补偿为研究对象，探讨了静止无功发生器( s v g ) 运行机理。本文 通过对直接电流控制方式下的静止无功发生器特点的剖析，建立了电 流直接控制方式下的s v g 的数学模型。论文采用了基于瞬时无功功 率理论的f 。一乞无功电流检测法与基于三角波调制的用以产生驱动脉 冲的规则采样法。最后设计了s v g 主电路及以d s p 处理芯片为硬件 核心的控制器硬件电路。 结合以上设计的控制方案，本文详细阐述了一台5 k v a r 的s v g 实验装置的设计过程，最后给出了实验装置的初步试验结果，结果表 明，所研制的s v g 装置能实时跟踪系统无功功率的变化，达到了输 出电压、电流可调，频率与电网保持一致的目标。 关键词：静止无功功率发生器，电压源逆变器，无功补偿， 直接电流控制，i g b t d e s i g no fl o wv o l t a g es v gb a s e d o nt m $ 3 2 0 f 2 8 12 a b s t r a c t s t a t i cv a rg e n e r a t o r ( s v g ) i sa s e l f - p h a s e i n v e r t e rc i r c u i tf o r r e a c t i v e p o w e rc o m p e n s a t i o n ，a n di t i st h e i m p o r t a n tt r e n do ft h e d e v e l o p m e n to fr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o nt e c h n o l o g i e sa n dd e v i c e si se s s e n t i a lt o i m p r o v et h eo p e r a t i n ge f f i c i e n c yo fp o w e rg r i d sa n dp o w e rs y s t e m s t a b i l i t y , a l s oi ti m p r o v et h eq u a l i t ya n df u n c t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fv o l t a g e s u p p l y ，s u c ha sl o w e rs y s t e mp o w e rc o n s u m p t i o n c o m p a r e dw i t ht h e t r a d i t i o n a l c o m p e n s a t i o nd e v i c e s ， s u c ha st h et h v r i s t o r - c o n t r o l l e d c a p a c i t a n c e o ri n d u c t a n c e ，t h es t a t i c 讼r g e n e r a t o r ( s v g ) u s i n g s e l f - c o m m u t a t e dp o w e re l e c t r o n i cd e v i c e s ，s u c ha sg t oo ri g b t n o t o n l yr e d u c e st h es i z eo ft h ed e v i c e ，b u ta l s of a s t e rt h er e a c t i o nr a t ea n d t h er e g u l a t i o no fs m o o t hc h a r a c t e r i s t i c s t h i sp a p e ra n a l y z e st h ec u r r e n ts i t u a t i o na n dt h ef u t u r ed e v e l o p m e n t o ft h es v gs t u d yt h er e a c t i v e c o m p e n s a t i o no fl o w v o l t a g ep o w e r d i s t r i b u t i o nn e t w o r ko ro fi n d u s t r yl o a d t h eo p e r a t i o nm e c h a n i s mo ft h e s t a t i cv a rg e n e r a t o r ( s v g ) i sa l s o d i s p l a y e d a n a l y s i s o nt h e c h a r a c t e r i s t i c so fs v gu n d e rt h em o d eo fc u r r e n td i r e c t l yc o n t r o l ，t h i s p a p e rp r e s e n t sm a t h e m a t i c a lm o d e lo fs v gb a s e do nt h i sc o n t r o lm o d e t h eip i qa l g o r i t h mb a s e do nt h et h e o r yo fi n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e r i su s e di nt h er e a c t i v ec u r r e n td e t e c t i o n ，a n dt h e r e g u l a rs a m p l ei n t r i a n g u l a rw a v em o d u l m i o ni si n t r o d u c e dt og e n e r a t et h ep w m sd r i v e n s a m p l i n gp u l s e m o r e o v e r , d e s i g no ft h es v gt ot h em a i nc i r c u i ta n d t h ec o n t r o l l e rh a r d w a r ec i r c u i tw i t hd s pa st h ep r o c e s s o rc o r ei sg i v e ni n t h ec o n t e n t f i n a l l y , a 5 k v a rs v ge x p e r i m e n t 印p a r a t u si se s t a b l i s h e dw i t h d e t a i l e dr e a l i z a t i o n ，a n di t sr e s u l t so fd y n a m i ct r a c k i n ge x p e r i m e n ta r e g i v e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h es v ge q u i p m e n tc a n d y n a m i c a l l yt r a c kt h ec h a n g eo ft h es y s t e mr e a c t i v ep o w e ri nr e a l t i m e ， a n dt h ea d j u s t a b l eo u t p u tv o l t a g ea n dc u r r e n tw h i c ha r ec o n s i s t e n tw i t h t h eo b je c t i v e so f p o w e rg r i d sc a nb eo b t a i n e d k e yw o r d s ：s t a t i cv a rg e n e r a t o r , v o l t a g es o u r c ei n v e r t e r ，r e a c t i v e p o w e rc o m p e n s a t i o n ，d i r e c t - c u r r e n tc o n t r o l ，i g b t i i i 广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有，本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文 的研究内容。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究成果，也不包含 本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮助的个人和集 体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名：甬筝鸣 学位论文使用授权说明 砷年7 r 刖日 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本； 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 口即时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者签名骑弓苷导师签名： 弘7 年7 月7 日 基于d s p 2 8l2 的低压静止无功补偿发生器的研制 1 1 本文的研究背景 第一章绪论 随着国民经济的快速发展，电力电子产品大量用于现代工业控制领域，对电 能质量的要求也越来越高，其中最突出的是电压质量和谐波质量的问题，所以提 高电压质量、谐波处理就成为输配电技术中最为迫切需要解决的问题【l 】。 对于电压质量，主要是电压幅值不符合电能质量要求，即由于无功调节的不 利导致。在电力系统中，不仅大多数网络元件需要消耗无功功率，而且大多数用 户负荷也要消耗无功功率，无功功率是交流电力设计和运行中的一个重要因素， 由于电感、电容等无功元件的存在，如变压器、感应式电动机、气体放电电灯、 冰箱空调等设备，系统中不仅存在有功功率，而且存在无功功率。电网在小负荷 运行下因无功过剩的影响，电网电压上扬，需断开一些传输距离长又近似空载运 行的线路或者安装电抗器来避免系统电压过分的偏高；当负荷水平上升时，导致 电网电压偏低，主要原因是电网无功补偿的不足。综上可得，要提高电压质量， 降低网损，须在低负荷水平时，电网能吸收一定得无功功率，高负荷水平下又能 发出一定得无功功率。 无功功率不是无用的功率，而是在电能传输和转换过程中建立电磁场和提供 电网稳定的功率之一，且也是能够创造能量的交换、输送、转换的必要条件之一。 电网中无功功率的传输不但会产生很大的有功损耗，而且沿传输途径还会产生很 大的电压降落，同时使视在功率增大，这将对系统产生以下一系列负面影响： 1 增加设备容量。无功功率的增加会导致电流增大和视在功率增加，从而使 发电机，变压器等各种电气设备的容量和导线的容量增加。同时，电力用户的起 动及控制设备、测量仪表的规格也要相应的加大。 2 增加设备、线路损耗，使线路及变压器的电压损失增大。无功功率的增加， 在传输同样的有功功率情况下，使总电流增大，因而使设备线路的总损耗增加， 这是显而易见的。 3 对电力系统的发电设备来说，增大无功电流，就将增加发电机转子的去磁 效应，降低电压，如过度增加励磁电流，则转子绕转可能超过允许温度。 4 使线路和变压器的电压降增大，若是冲击性无功功率负载，还会使电压产 生剧烈波动，使供电质量严重降低。电动机起动时功率因数很低，这种冲击性无 功功率会使电网电压剧烈波动，甚至使接在同一电网上的用户无法正常工作。 基于d s p 2 8 1 2 的低压静止无功补偿发生器的研制 电弧炉、轧钢机等大型设备会产生频繁的无功功率冲击，会严重影响电网供电质 量。 5 功率因数降低，造成大量电能损耗。做个比方，功率因数从0 8 滑落到o 6 时，电能损耗将近提高一倍。 我们也可从输配电网等效电路分析，如图l 一1 所示： +xlr 一 图1 1 等效电路 f i g1 - 1e q u i v a l e n tc i r c u i t - j b 磊= r + j x ，引起的电压降a u 为： a u = e - u = 乙i ( 1 1 ) 另外，负载电流i 可由下式求得： 砌( g j r ) = 丁u 2 g - j u 2 b = 学 ( 1 - 2 ) 把式( 1 2 ) 代入式( 1 1 ) 可得： 移嘏+ ) 铲= r s p + 广x s q + j x s p u - r s q ( 1 - 3 ) 分析图中各参数可看出，左和d 之间的夹角很小，因此 ( ：，r s p + x s q( 1 4 ) u 在一般的传输电网中，r s 比墨小的多，因此，可以得出这样的结论：无功 功率的波动是引起电网电压的波动主要原因，而有功功率的波动对电网电压波动 的影响较小。 1 2 无功功率补偿装置的发展 无功功率补偿的传统装置主要是并联电容器、电抗器，可应用于低压3 8 0 v 电压等级，也可广泛用于6 k v 、i o k v 、3 5 k v 等中压电网，补偿原理也是完全一 2 广西大掌硕士掌位论文j s 于- d s p 2 8 1 2 的低压静止无功补偿发生器的研制 致的。随着电力电子技术的发展，无功功率补偿技术得到了革命性的发展，其代 表无功功率补偿装置有静止无功补偿装置( s v c ) ，以及更新的s v g ( 又叫 s t a t c o m ) 。无功功率补偿装置按发展阶段划分，可以分为以下几个不同的阶 段，如图1 2 所示。 r 臣回 图1 - 2 无功补偿装置的发展 f i g1 - 2d e v e l o p m e n to f v a rc o m p e n s a t o r 并联电容器是诸多类型电力电容器中用于系统无功补偿的一类产品，其并联 接于交流电力系统中，输出容性无功功率、补偿感性无功功率，提高系统功率因 素。用于无功功率补偿电容器，其容量可大可小，既可以集中使用，又可分散装 设，而且维护也比较方便，同时电容器每单位容量的投资费用较小。但是，缺点 也明显，电容器对系统的无功功率调节性能比较差。首先，它只能补偿感性无功， 且不能连续调节；第二，存在负电压效应，当节点电压下降时，电容器供给系统 的无功功率将减少，系统电压下降更大；第三，若系统中存在谐波，还可能发生 并联谐振。 同步调相机( s y n c h r o n o u sc o n d e n s e r ，s c ) 相当于空载运行的同步电动机， 也是传统的无功功率动态补偿设备之一。在过励磁或欠励磁的不同情况下，可以 分别向系统发出感性无功功率或吸收无功功率，使系统电压提高或降。2 0 、3 0 年代以后的几十年中，同步调相机在无功功率补偿中一度发挥着主要作用。然而， 由于同步调相机是旋转机械，因而损耗和噪声都较大，运行维护比较复杂，而且 由于控制系统复杂造成响应速度较慢，在很多情况下已无法适应快速现代的无功 功率控制的要求。随着s v c 、s v g 的出现，同步调相机开始逐渐被取代。 早期的静止型无功补偿装置是饱和电抗器( s a t u r a t e dr e a c t o r ，s r ) 型。1 9 6 7 广西大学硕士学位论文基于d s p 2 8 1 2 的低压静止无功补偿发生器的研制 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 抗器的响应速度相对较快，但饱和电抗器不能分相调节以补偿负荷的不平衡，而 且运行时其铁心需磁化到饱和状态，导致损耗和噪声都很大，所以未能占据静止 无功补偿装置的主流。 从2 0 世纪7 0 年代开始，电力电子技术的发展将使用晶闸管的静止式动态无功 功率补偿装置( 简称s v c ) 推上了电力系统无功功率控制的舞台，应用于输电系 统用以提高传输容量及系统稳定性，应用于配电系统及工业用户用以改善电网质 量。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使用晶闸管的静止 式动态无功补偿装置。我国从8 0 年代开始研究引进s v c 技术，目前已经广泛应用 于电力、冶金、铁道等领域。由于使用晶闸管的静止式动态无功补偿装置具有优 良的性能，所以近些年来，其市场占有率一直在稳定且迅速地增长，已成为静止 型无功补偿装置的主导产品。静止无功补偿装置是一种并联连接的静止无功发生 器或吸收器，采用调整感性或容性电流的方式，以维持或控制其与电网连接点的 母线电压等。静止无功补偿装置包括晶闸管控制电抗器( t c r ) 、晶闸管投切电 容器( 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。 上世纪8 0 年代，出现一种更为先进的静止无功功率补偿装置，即采用自换向 变流电路的静止无功功率发生器( s t a t i cv a rg e n e r a t i o n s v g ) ，其主要部件是 一个由g t o 、i g b t 或1 g c t 组成的三相逆变装置，其输入来自直流侧电容器上的 直流电压，其输出的三相交流电压与电力系统电网电压同步，依据无功功率总是 由电压高的地方流向电压低的地方的原理来控制逆变器的电压幅值，以达到向电 网输出或吸收无功功率的目的。与阻抗改变型s v c 相比，s v g 接入电网不改变电 网的阻抗特性，其无功调节范围更大，响应速度更快【3 1 。 随着大功率电力电子器件的快速发展，s v g 也将越来越广泛地应用于电力系 统中。但是，与s v c 相比，虽然s v g 优势明显，但是s v g 实际应用的历史要短的 多，还需要更多的经验，而且有待研究、开发、完善的东西也还很多，如关于电 力系统的非线性及负荷参数多变的特点，要想s v g 的工程化，就得做大量理论和 工程应用的研究。 。 1 3s v g 的国内外研究现状 1 9 7 6 年，美国学者l g y u g y i 提出利用半导体变流器进行无功补偿的理论【1 6 】， 从那时开始，世界各国的此领域专家对静止无功补偿发生器( s v g ) 的理论与工 4 广西大掌硕士掌位论文基于d s p 2 8 1 2 的低压静止无功补偿发生器的研制 程应用研究持续升温。 关于理论研究，对s v g 的研究成果主要集中在主电路接线方式、系统数学模 型、控制器设计等方面。目前国内外投入运行的s v g 多采用多电平技术和多重化 结构。多电平就是把几个电平合成阶梯波以逼近正弦波输出，由此构成的多电平 逆变器降低了所用电子开关的电压定额，改善了输出特性，减少了输出电压中的 谐波，而且无需如多重化结构那样需要配置多台连接特殊的变压器。美国西屋电 气公司研制的世界上第一台采用两个6 脉冲逆变器组成1 2 脉冲逆变器的s v g ，并 用移相变压器连接。这种结构虽十分有效，但曲折变压器的投入，提高了造价， 同时使系统变得复杂，而且各相电路之间复杂的电磁耦合使不对称时的分相控制 变得相当困难。现如今大容量开关器件地涌现，上述问题有望解决。多重化结构 可以减少s v g 本身发出的谐波，利于滤波，结构上就是将多组逆变器的输出矩形 波在相位上错开一定角度进行叠加，使之尽可能接近正弦波的多阶梯波；同时多 重化连接在避开了器件并联的均流问题条件下达到增大装置容量的目的，综上原 因，多重化结构在大功率逆变器中得到广泛应用。8 0 年代末，少量大容量s v g 采用p w m 技术与多重化相结合的方式，效果好。 理论研究上获得的突破，也使s v g 在工程应用方面的发展也颇为迅速。 国际上，1 9 7 9 年，关西电力公司与三菱电机公司推出了世界上第一台s v g 样机，容量为2 0 m v a r ，它采用的是利用晶闸管强制换相的电压型逆变器；1 9 8 6 年1 0 月，由美国e p r i 和西屋电气公司( w e s t i n g h o u s ) 研制，容量为1 m v a r 的s v g 投入运行，是整个世界首台以大功率g t o 作为逆变器元件的s v g ，随后， 日本的三菱，日立，东芝分别于1 9 9 1 年推出了8 0 m v a r 的基于g t o 的s v g ；1 9 9 6 年，美国e p r i 、w e s t i n g h o u s 与田纳西电力局共同开发了在田纳西电力局下 辖变电站的+ 1 0 0 m v a r 的大容量s v g 。 在国内，9 0 年代初开始了f a c t s 系统的理论研究，随即展开了其装置的研究 工作。1 9 9 4 年，河南省电力局和清华大学共同开始研制原电力部重大工程，工作 组首先研制了3 0 0 k v a r 的用于基础理论研究的试验装置，并于1 9 9 5 年并网运行， 最终的a ：2 0 m v a r s v g 于1 9 9 9 年3 月在洛阳的朝阳变电站并网成功，开创国内s v g 先例。2 0 0 2 年，上海电力公司立项建设的上海电网黄渡分区+ 5 0 m v a r 的s v g 示范 工程试运行。 随着电力电子技术的不断发展，s v g 的工程应用研究也因此出现了两个明显 态势。一是各种新器件出现在s v g 中。与s v g 原先大量使用的g t o 相比，新型功 率器件( i g b t 等) 具有明显的优点：驱动功率低、工作频率高、饱和压降低、 安全工作区宽等：二是应用范围更广。s v g 继续向高压大容量方向发展，同时也 基于d s p 2 8l2 的低压静止无功补偿发生器f r a r o 糯j 向低压配o g n d , 容量无功补偿的反向发展【1 1 。 s v g 发展迅速，但从整体上看，由于s v g 的研究涉及到电力电子技术、计算 机技术、自动控制技术和通信技术等多个领域内的尖端科技，因此，目前s v g 的研究无论是在基础理论研究方面，还是在工程应用方面仍存在着很大的难题， 而且目前的s v g 的工程应用带有试验的性质，离大规模应用尚有很大距离。 1 4 课题研究的意义 同有功电源一样，无功电源同样是电力系统安全有效运行不可或缺的部分。 在整个电力系统网络中，多数负载和一些网络组件都需要消耗大量无功功率，如 果由发电机提供所需要的无功功率再经过长距离传送，显然是不合理的。但如果 这些所需要的无功功率不能及时得到补偿，电力系统的安全运行以及用电设备的 安全就会受到影响，综合以上两点，关于电力系统中的无功功率补偿装置，工业 现场普遍采取就地平衡原则，实行分散补偿。 无功功率补偿对电力系统有着重要的意义，概括起来有： 使电压闪变削落到规定值范围内，提高供电质量，促使电力系统安全运行。 提高负荷功率因数，限制无功功率向系统倒流，减小功率损耗，提高电网 的有功传输能力。 改善系统的稳定性，提高输电能力，并提供一定的系统阻尼。 高水平平衡三相有功功率和无功功率，减少工业网对通信系统的干扰，提 高用电质量。 提高发电机有功输出能力。 降低电网的功率损耗，提高变压器的输出功率及电力运行经济效益。 降低设备发热，延长设备寿命。 电网中的无功功率从补偿的目的来看，可以分为系统补偿和负荷( 包括配电 网) 补偿。系统补偿的主要目的是为了提高输电网的传输容量、改善电网的稳定 性等；负荷补偿的主要目的是为了提高系统的功率因数和供电质量、减少线路损 耗等。 配电网的无功功率补偿对于配电网的稳定、经济运行具有重要作用。本文主 要研究的就是配电网的无功功率补偿。在配电系统中广泛存在大量的无功负荷， 主要为感性负荷，这些负荷在配电系统中会产生无功电流而消耗大量的无功功 率，引起系统功率因数的降低，造成线路电压损失加大和电能损耗增加，直接影 响电力企业的经济效益。解决这些问题的有效方法就是在配电网或负荷端进行无 6 广西大学硕士掌位论文基于d s p 2 8 1 2 的低压静止无功补偿发生器的研制 功功率的补偿。 1 5 本论文的主要工作 全论文共分七章： 第一章介绍了本论文的选题背景，通过几种新旧无功补偿装置的优劣比较，说 明了s v g 研究工作的必要性。 第二章在分析s v g 的工作原理的基础上，对s v g 进行数学动态建模。 第三章s v g 控制策略的研究及无功电流的检测。 第四章设计了s v g 系统电路主要参数、信号检测调理电路、p w m 波控制器，并 对i g b t 的驱动与保护进行研究。 第五章设计了基于d s p 处理芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的s v g 主控制器的各个功能模块 的流程图，其中详细论述了正弦脉宽调制s p w m 的基本原理及用d s p 产 生s p w m 脉冲的实现方法。 第六章实验结果。 第七章总结与展望。 7 基于d s p 2 8 1 2 的低压静止无功补偿发生器的研制 第二章s v g 工作原理及其主电路的建模 本章以容量为5 k v a r 的基于配电网的s v g 为研究对象，先分析系统的主电 路结构，进而对s v g 系统进行机理分析，建立了系统动态数学模型，为控制策略 的选取打下理论基础。 2 1s v g 的基本概念 静止无功功率发生器( s t a t i cv a rg e n e r a t i o n s v g ) 是指由自换相的电力半 导体开关器件构成的桥式变流器来发生或吸收无功功率的无功功率补偿装置，主 要由交流环节和直流环节组成，交流环节与电网相连接，交流电压电流直接输送 到电网；直流环节主要由一电容构成，提供稳定直流电压。由于静止无功功率发 生器采用自换相的逆变器，它把逆变电路看成是一个产生基波交流电压源，控制 补偿基波电压的大小与相位。当逆变器基波电压比电网电压高时，变流器产生的 电流相位可比电网电压超前9 0 。，即是容性无功电流；当逆变器基波电压比电网 电压低时，则结果相反。由于在各种系统电压下，静止无功功率发生器都能产生 额定无功电流，这与电容器不同，电容器在低电压时电流也相应成比例降低。因 为这种能发生额定电流的性能很近似于同步调相机，所以又称为静止型同步调相 机( s t a t i cs y n c h r o n o u sc o n d e n s e r - 一s t a t c o m ) 。在欧洲，多称为先进静止无功 功率补偿器( a d v a n c es t a t i cv a rg e n e r a t i o n a s v g ) 【l 】。考虑到大多数专家学者 以及电力系统工作者对之比较熟悉，本文仍用静止无功功率发生器( s v g ) 这一 名称。 2 1 1s v g 的系统结构分析 无功功率得不到跟踪就地补偿，就会引起电能损耗，或者由上级电网远距离 传输无功功率，都会大大降低电力公司的经济效益。采用用户端无功功率补偿， 就地消除负载对电网系统的无功污染，避免无功的上级网络传输给电网带来的影 响，能取到较好的补偿效果和经济效益，所以用户端的负载补偿是合理的。 用户端s v g 作为并联型的电能质量调节器，其单相等效的结构图如图2 1 表示。s v g 与系统并联，其接入点在电网和负荷之间。通过对负载电流的检测 和分析，计算出无功电流分量等，控制逆变器生成相应的无功电流，以达到补偿 广西大掌硕士掌位论文基于d s p 2 812 的低压静止无功补偿发生器的研制 目的【5 】o 2 1 单相等效电路图 f i g2 - 1s i n g l e - p a h s ee q u i v a l e n tc u r r e n to fs v g s v g 主电路分为两种类型：电流型桥式电路和电压型桥式电路两种类型，两 种电路工作原理基本相同，电路基本结构如图2 2 所示，直流侧分别采用电感和 电容作为储能元件。工程应用上，由于电流型p w m 逆变器直流侧大电感上始终 有电流流过，该电流将在大电感的内阻上产生较大损耗，因而电流型逆变器的应 用较少，目前投入使用的s v g 大都采用电压型桥式电路作为无功功率补偿装置的 主电路部分。因此，在本文的以下内容中，将以采用电压型桥式逆变电路的s v g 为设计对象做详细介绍。 a 1 电流型s v g a ) c u r r e n ts v g l 图2 2s v g 电路基本结构 f i g 2 2s t r u c t u r eo fp o w e rs t a g eo f a s v g b ) g 压- 型s v g b ) v o l t a g es v g 无功功率的大小表示了电源和容性或者感性负载之间能量交换的幅度，无功 能量是在电源和负载之间来回流动，在三相平衡电路中，不论负载的功率因数如 9 广西大掌硕士学位论文基于d s p 2 8 1 2 的低压静止无功补偿袭生器的研制 何，都可以证明无功功率分量的瞬时值之和在任一个时刻都为零【1 6 1 。因此，也可 以认为无功能量是在三相之间流动的，这种流动是通过负载进行的。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。所以，若能用某种 方法将三相电路各部分统一起来处理，既然没有能量往返，直流侧就不需要设置 有功储能元件。三相桥式逆变电路就可以将三相电路统一处理。在进行p w m 控 制时，如果开关频率足够高，就可使电流非常接近正弦波，s v g 的直流侧电容c 的电压几乎没有变化，可以得出，电容c 只是为s v g 提供一个直流工作电压，它 和s v g 的交流侧几乎没有能量交换。只要开关频率够高，电容c 的容量就可以够 小，同样，只要开关频率够高，s v g 交流侧电抗器也可以足够小，因此这种电路 可以看成无储能元件的电路。然而实际上，由于逆变电路吸收电流总是会存在谐 波成分，造成少许无功能量往返于电源和s v g 之间。基于此，为了维持桥式逆变 电路的正常工作，其直流侧仍需一定大小的电容作为储能元件，但其储能大大小 于s v g 所提供的无功容量。与s v c 相比，由于作用不同，储能元件的容量大大降 低，因此，储能元件的体积与成本，s v g 都优势明显。 简单地说，s v g 的基本原理就是将桥式逆变电路通过电抗器、隔离变压器或 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 采用直接控制其交流侧电流的相位和幅值的方式，就可以使该电路吸收或者发出 满足要求的无功功率。基本电路结构如图2 3 所示，开关器件我们采用i g b t 。由 图可见，s v g 与s v c 相比，除没有大量的电容器、相控电抗器之外，其基本组成 相同。 图2 3s v g 主电路基本结构 f i g 2 3s t r u c t u r eo fp o w e rs t a g eo fs v g 1 0 基于d s p 2 8 1 2 的低压静止无功补偿发生器的研制 2 1 2s v g 的工作原理分析 s v g 处于正常运行状态时，通过电力电子开关的导通和关断，从而将直流侧 电容器的直流电压转换成与电网同频率的交流侧输出电压，其工作方式如同一个 电压型逆变器，所不同的是s v g 交流侧直接输送到的是电网，而不是无源负载。 所以，只考虑基波频率时，s v g 可以被视为一个幅值和相位均可以控制的通过电 抗器连接到电网上且与电网同频率的交流电压源。 ( 1 ) 不考虑电抗器和变流器损耗时的工作原理。 七xl 电流超前( 吸 收容性无功) 玑 f 二； y | i y l 。 电流滞后( 吸 收感性无功) a 单相等效电路 ( b ) 相量图( i ) 图2 - 4 不考虑损耗的s v g 等效电路及工作原理 f i g2 - 4s v ge q u i v a l e n tc i r c u i t sa n di t sw o r k i n gp r i n c i p l ei n c l u d i n gn ol o s s 图2 4 是不考虑连接电抗器和变流器损耗( 管压降、线路电阻等) 的单相等 效电路图和相量图。设s v g 输出的交流侧电压和电网侧电压分别为：y ，与y s ， 由图可知，v s 和v ，的相量差即为电抗器x 上的电压v l 。设电流，的正方向为 电网流向s v g ，而我们知道，通过控制逆变器输出电压就可以控制连接电抗器的 电流，也就是s v g 从电网吸收的电流，。因此，改变s v g 交流侧输出电压矿，的 幅值及其相对于电网电压y s 的相位，就可以通过改变电抗器x 上的电压大小来 控制s v g 从电网吸收电流的幅值和相位，从而控制了s v g 丰b 偿无功功率的性质和 大小。 若将连接电抗器x 视为纯电感，且也不考虑如变流器等的回路损耗，i j p s v g 不需从电网吸收有功能量，贝j j s v g 从系统吸收的无功功率为： q ：毕k ( 2 _ 1 ) 这样，只需使矿，和矿s 同相，通过控制逆变器输出电压v ，的大小即可以控制 s v g 从电网吸收的电流，的相位，并且能够控制该电流的大小，如图2 4 b 所示： 基于d s p 2 8 1 2 的低压静, t - 无功补偿发生器的研制 当v ，= 矿s 时，q = 0 ，虽i s v g 无输出； 当v ， 0 ，耳 i s v g 从电网吸收无功，且电流超前电压9 0 。，s v g 吸 收容性的无功功率，相当于电感的作用； 当v ， 矿s 时，q 0 ，艮i s v g n 电网输出无功功率，且电流滞后电压9 0 。，s v g 吸收感性的无功功率，相当于电容的作用。 通过如上方式，从而达到动态控制无功功率并进行补偿的目的。 ( 2 ) 考虑电抗器和变流器损耗时的工作原理。 +x|r a 单相等效电路 形 b 电流超前 c 电流滞后 图2 - 5 考虑连接电抗器的损耗的s v g 等效电路及工作原理 f i g2 - 5s v ge q u i v a l e n tc i r c u i t sa n di t sw o r k i n gp r i n c i p l ei n c l u d i n gl o s s 图2 5 是考虑连接电抗器和变流器损耗( 管压降、线路电阻等) 的单相等效 电路图和相量图。实际运行中的s v g 不仅与电网系统存在无功交换，而且由于 连接变压器、逆变器、储能电容器等的运行都需要消耗一定得有功功率，因此逆 变器的输出电压相角总是与电网的电压有相位差的存在。考虑到连接电抗器的损 耗和变流器的损耗，我们将总的损耗用一个电阻代替来考虑。同样设s v g 输出 的交流侧电压和电网侧电压分别为：矿，与y s ，电压y 即为矿s 和y ，的相量差。 在这种假设下，由于逆变器无需有功能量，逆变器输出电压v ，与电流，仍相差 9 0 。，而电网电压矿s 与电流，的相位差已不再是9 0 。，而是比9 0 。小了一个6 角， 这个6 角也就是逆变器输出电压y ，与电网电压y s 的相位差。 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。通过控制相 位差6 以及矿，的幅值来控n i 的相位和大小，如此，s v g 从电网吸收的无功功 1 2 卷 令 , r - - 西大掌硕士掌位论文基于d s p 2 8 1 2 的低压静止无功补偿发生器的研制 率的大小和性质也就因此得到调节。 2 2 主电路的建模 采用间接控制的s v g 应用已经在国内外展开，特别是大容量s v g 已经相对成 熟，许多文献资料对电流间接控制s v g 的数学模型进行了讨论，但由于本设计为 5 k v a 的小容量s v g ，针对容量相对较小这个原因，电流直接控制具有一定得优 势，具体在第三章有详细叙述，因此本文选择的就是电流直接控制。 在建立其数学模型前，我们先做如下假设： l 、忽略主电路中电力电子器件的通态压降，主电路等效为一理想电源。 2 、电源三相为完全对称。 3 、s v g 所有损耗用等值串联电阻r 表示，变压器漏抗以及连接电抗器用等值串 联感抗x 表示。 得到s v g 数学模型如下图所示： 勺 j岛 s 。，、： l s c l r d v s a j v s b o v s c n、：s 吐：s 嚏 s 心 图2 6s v g 数学模型图 f i g2 - 6s t r u c t u r eo fm a t h e m a t i c sm o d e lo fs v g n 图中乙、如与、屯为s v g 输出电流，l 为电抗器，r 为连接电抗器和逆变器 总损耗的等效值，魄为直流侧电容电压。假设电容量足够大，则可以看作恒压 源。三对开关器件均视为理想开关，且工作于互补状态，即上桥臂通则下桥臂断， 反之，上桥臂断则下桥臂通。为论述简洁明了，引入开关函数s ，定义如下： f l 对应桥臂上桥臂导通，下桥臂关断，、 s i20 对应桥臂上桥臂关断，下桥臂导通【卢口，6 ，c ) 根据s v g 数学模型图，列出下面的数学方程： 基于d s p 2 8 1 2 的低压静止无功补偿发生器的研制 乞掣城i 。= 叱一疋 l b 掣+ r i b 也b - u d s b 乞掣城= 乩一 ( 2 2 ) 对于三相对称系统： “阳+“曲+“。=0(2-3) in+ib+ic=0(2-4) 得逆变器输出电压为： = 虬( s 一专驯= ( 口，6 ，c ) ( 2 5 ) 将( 2 5 ) 代入( 2 2 ) 得： 厶掣地，= 吣一号，丕。驴蹦= 口 6 ，c ( 2 _ 6 ) 由于开关频率比调制波频率高得多，则开关函数可看作是角度率为、相角 为5 ，幅值等于调制度m 的正弦波，开关函数墨基波成分为4 ： 4 一。s 一邶叫爿( 2 - - 7 ) 式中i = 口，b ，c ，对应的k = 1 ，2 ，3 。 如果令： s i 1 s = b ( 2 8 ) 得式中见为0 ， 料( 吾) 。 只的基波成分p 一为： 乃= m c o s 耐一艿一( 七一1 ) 等 ，式中七一l 2 ，3 。 a 相输出电压基波分量为： u ，口= m 配c o s ( c o t 一5 ) a 相输出电压含高次谐波为： 虬= c o s 耐+ c o s ( 玎耐一瓯) 式中，6 。：n 次谐波的初始相位角 ，：p w m 调制方式下最低次谐波次数 u a ：n 次谐波分量的幅值 1 4 ( 2 9 ) ( 2 一l o ) ( 2 1 1 ) 广西大学硕士掌位论文基于d s p 2 8 1 2 的低压静止无功补偿发生器的研制 设忽略输入电阻上的电压，则电感压降为： = 圪一圮= c o s c o t + c o s ( 纷耐一6 ) - u 。s i n r o t ( 2 - 1 2 ) 可得补偿的无功电流： 乞=uiocorscot-u,sinr o t + 言半( 2 - - 1 3 ) 从式( 2 1 3 ) 得出，逆变器输出无功电流受逆变器输出电压控制，电流直接控 制方式就是根据给定的无功电流的大小，由实际测出的状态参量通过调节调制比 m ，按照预定的控制算法，据此进行d s p 寄存器控制逆变器中的开关元件的通断， 使逆变器输出符合系统要求的电压，从而来实现系统的无功电流补偿。 基于d s p 2 8 1 2 的低压静止无功补偿发生器的研制 第三章s v g 控制策略的研究及无功电流的检测 作为继s v c 的无功补偿装置的类型，s v g 的控制方式的整体控制策略的选择 与传统的s v c 类似，即便是外闭环反馈控制量和调节器的选择也与s v c 基本一 致。如控制策略应根据无功补偿器要实现的功能、控制参量的选择以及应用场合， 综合决定采用开环控制、闭环控制或者两者相结合的控制策略。 s v g 和传统的s v c 在控制策略上略有不同：在s v c 中，由外闭环调节器输出 的控制信号用作s v c 等效电纳的参考值，以此信号来控, i j s v c 调节到所需的等效 电纳；而在s v g 控制策略中，开环或外闭环调节器输出的控制信号被视为无功补 偿器应该产生的无功电流( 或无功功率) 的参考值。而恰在将无功电流( 或无功功 率) 参考值以何种方式调节s v g 产生所需要的无功电流( 或无功功率) 这个节点 上，形成了s v g 多种多样的控制方法，普遍分为电流间接控制方式和电流直接控 制方式。 若电网系统电压值基本恒定，则对无功电流的控制也就是对无功功率的控 制，在论文以下论述中均以无功电流的控制来说明。工程应用中，s v g 的电流控 制中还应该包括对有功电流的控制，用以补偿电路中的有功损耗 2 1 ，使直流侧电 压恒定。 3 1 电流间接控制 根据当只考虑电网基波频率时，s v g 可以等效地被视为幅值和相位均可以调 节的一个通过电抗器连接到电网且与电网同频率的交流电压源。而所谓间接控 制，就是按照这个原理，将s v g 当作交流电压源来看待，通过改变s v g 交流侧产 生的交流电压基波的相位和幅值，来间接控匍 s v g 交流侧产生的无功电流。分析 图2 5 所示的s v g 工作相量图，以吸收滞后电流为例，变流器交流侧基波电压y ，、 电网电压y s ，和连接电抗压降y l 构成的三角关系，得等式： 旦：垦： 堡 ( 3 1 ) s i n 8 s i n ( 9 0 。+ 妒)s i n ( 9