（电力电子与电力传动专业论文）基于tms320f2812的静止无功发生器控制系统研究.pdf

e 盈窑垣丕堂亟堂焦盗奎旦s ! 基! a b s t r a c t a b s t r a c t ：w i t ht h ed e v e l o p m e n to f t h ep o w e re l e c t r o n i ct e c h n o l o g ya n dc o n t i n u o u s i m p r o v e m e n to fp o w e rq u a l i t yf o rp o w e re q u i p m e n t s ，r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o no f p o w e rq u a l i t yi sb e c o m i n gm o r ea n dm o r es e r i o u s s t a t i cv a rg e n e r a t o r ( s v g ) i sa n e f f i c i e n tw a yt od e a lw j t l lr e a c t i v ep o w e rd y n a m i cc o m p e n s a t i o na n di th a sb e c o m eo n e o ft h eh o tp o i n t si np o w e re l e c t r o n i c sf i e l d s t h ep u r p o s eo ft h i sp a p e ri st od e v e l o pa s e to f s v g e q u i p m e n tw i t hd i g i t a lc o n t r o ls y s t e m f o ro v e r c o m i n gt h eu n f a v o r a b l ei n f l u e n c ew h i c hi sb r o u g h tb yn o n i d e a le l e c t r i c n e t w o r kv o l t a g ew h e nd e t e c t st h er e a c t i v ec u r r e n t ，t h i sp a p e rp u t sf o r w a r dar e a c t i v e d e t e c t i o nm e t h o dw h i c hi sb a s e do nc o o r d i n a t ec o n v e r s i o no nr e v o l v i n gc o o r d i n a t e s y s t e mf o rn e t w o r kv o l t a g ea n dc u r r e n t ，t or e a l i z et h ee x t r a c t i o no f r e a c t i v ec u r r e n t , a n d t h e ni m p r o v et h ed e t e c t i o na c c u r a c y a n db a s eo nt o p o l o g i c a ls t r u c t u r eo fs v gf o r t h r e e - p h a s et h r e e - w i r es y s t e m ，i tp u t sf o r w a r dac o n t r o lm e t h o do f c o m p e n s a t i o nc u r r e n t w h i c hi sb a s e do nf o r e c a s t i n gc u r r e n ts t r a t e g yt oi m p r o v et h et r a c k i n ga c c u r a c yo f d i c t a t i o nc u r r e n t t h i sp a p e rd e s i g n sad i g i t a lc o n t r o ls y s t e mo ft m s 3 2 0 f 2 8 1 2d i g i t a l s i g n a l p r o c e s s o r n ec o n t r o ls o f t w a r ep r o g r a mi sc o m p i l e db ycl a n g u a g e , a n dt h es y s t e mi s e m u l a t e db ym a t l a bs o f t w a r e s e tu pas e to fs v ge x p e r i m e n t a lp l a t f o r mo f 2 k v a r 2 2 0 v ，c o m p l e t et h ed e s i g na n dd e b u go fs y s t e mm a i nc i r c u i ta n dc o n t r o lc i r c u i t ， a n df i n i s ht h ef o u n d a t i o n a lf u n c t i o n so f s v g e x p e r i m e n t a lp l a t f o r m t h ee m u l a t i o na n d t e s tr e s u l t sc e r t i f yt h eg o o dr e a c t i v ec o m p e n s a t i o np e r f o r m a n c eo ft h ee q u i p m e n t ，a n d i n d i c a t et h ev a l i d i t y k e y w o r d s ：s v g ；r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n ；d s p ；t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 c l a s s n o ：t m 7 14 3 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存，汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字日期：年月日 导师躲勘杰 期：吵年3 月哕日 f。l 致谢 本论文从论文的选题、系统方案的设计、实验问题的解决到论文的写作过程， 都是在我的指导老师叶斌教授和游小杰教授的悉心指导下完成的。在三年的研究 生学习生涯中，这两位导师给了我极大的帮助和指导。导师渊博深厚的学识、严 谨求是的治学态度、平易近人的学者之风都使我耳濡目染，如沐春风。回想自己 三年的成长过程，深深感受到导师的人格魅力，使我受益终身。在本课题的研究 过程中。导师更是从各个方面给了我极大的帮助。三年来的成长，浸透着导师的 大量心血。值此论文完成之际，向导师表示深深的感谢与敬意! 在论文的研究过程中，要特别感谢实验室郝瑞祥老师对我的指导及帮助，我 的每一份收获和成长和他的耐心指导和无私教诲是分不开的，在此向他表示衷心 的感谢。 本文也是在实验室师兄弟的大力帮助下完成的。感谢孙丽敬师姐和黄小光师 兄在d s p 的学习过程中给予的帮助，感谢实验室李忠桥、陆书文同学在电力电子设 计常识上给予的帮助，感谢实验室闰永勤、文小燕同学和郭文杰师兄在仿真设计 和应用上给予的帮助，感谢訾振宁师弟在本课题实验过程中所给予的大力支持和 帮助。在实验室工作及撰写论文期间，谢光辉、文小燕、赵坤、邵闻博和马亮等 同学在学习上和生活上都给予了我很大的关心和帮助。感谢电气工程学院所有老 师三年来给予我的关心和支持。 感谢父母对我的养育之思，亲人的鼓励和关怀永远是我前进的动力，在此谨 以论文的完成感谢我的家人来对我二十多年来含辛茹苦的哺育和培养。 感谢身边的朋友李彩虹，吴亚楠、李敏和吴智强等同学给予的帮助和支持。 感谢北京交通大学七年来对我的教育，我以交大为荣! 最后，再次感谢所有在我成长过程中关心、爱护过我的人们。 1 1研究背景 1 绪论 随着现代电力电子技术的飞速发展，尤其是近年来电力电子装置在电力系统、 各工业部门和家电行业的广泛应用，电能质量受到了严重影响，甚至危及到电力 系统的安全运行；与此同时，各种复杂的精密设备对电能质量非常敏感，生产过 程的自动化和智能化对电能质量也提出了更高的要求，因此电力部门与用户对电 能质量的改善提出了迫切需求。而作为电能质量的重要一环，无功功率的补偿在 提高供电和用电设备的安全可靠运行、提高功率因数、降低电路损耗、减少设备 容量等许多方面作用明显。因此，研究无功补偿问题具有十分重要的意义。 电力系统中的无功消耗主要来自两个方面，一是输电系统自身吸收的无功， 另一方面是负荷消耗的无功。输电设备在输送电能时要吸收一定的无功功率，在 高压输电网络中，为了提高线路的输送容量和系统的稳定性一般会对这部分无功 进行补偿，如对输电线路进行串联补偿以及在一些重要的节点进行并联补偿等。 负荷吸收的无功功率主要是指感性负载和大量的非线性负荷消耗的无功，如工业 生产和日常生活中经常使用的异步电机、日光灯，以及各种变流装置、工业电弧 炉等，这些负载当中有些容量非常大，在启动和正常工作时都要吸收大量的无功 功率，常常会引起电网电压的波动i l ”。 无功功率对公用电网的影响主要有以下几个方面： ( 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、变压器及其他电气设备容量和导线容量增加。同时，电力用户的起 动及控制设备、测量仪表的体积和成本也要增加。 ( 2 ) 设备及线路损耗增加。无功功率的增加，使总电流增大，因而使设备及 线路的损耗增加，从而降低了电气设备的运行效率。设线路总电流为i = i p + l ， d 2 n 2 线路电阻为r ，则线路损耗a p 为p = 1 2 r = ( ，：+ e 坶= 二三 r ，其中( q 2 【，2 ) r 。 u 这一部分损耗就是由无功功率引起的。 ( 3 ) 使线路及变压器的电压降增大，如果是冲击性无功功率负荷，还会使电 压产生剧烈波动，严重影响供电质量。 ( 4 ) 由谐波源造成的无功影响同样会带来一系列问题，如谐波损耗，影响设 备正常工作，造成振动、热、噪声，自动装置误动作，对通信系统产生干扰等p j 。 j e 塞窑道左堂亟堂位监窑 1 2无功补偿的作用和方法 无功功率对供电系统和负载的运行都十分重要，电力系统中的网络元件和负 载所需要的无功功率必须从网络中某个地方获得。显然，这些无功功率如果都要 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。合理的方法应当 是在需要消耗无功功率的地方产生无功功率来补偿无功功率的损耗。 无功补偿的作用主要有以下几点： ( 1 ) 提高供用电系统及负载的功率因数，降低设备容量，减少功率损耗。 ( 2 ) 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。 ( 3 ) 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 三相的无功负引”。 无功补偿应包含对基波无功功率的补偿和对谐波无功功率的补偿，后者实际 上是谐波补偿。本文只研究其中基波无功功率的补偿部分，即补偿时只检测出补 偿对象的基波无功电流，并对其进行动态补偿，使其功率因数为l 。 1 3无功功率补偿装置的发展 电力系统中的无功补偿装置发展到今天，经历了从电容器、同步调相机、静 止无功补偿装置，到今天引人注目的静止无功发生器几个不同阶段。 设置并联电容器补偿无功功率具有结构简单，安装、运行和维护方便等优点。 但它只能补偿感性无功，且由于其阻抗固定，不能连续调节，所以不能实现对无 功功率的动态补偿。更重要的是它有负电压效应，当电网电压下降时，电容器上 的补偿电流相应下降，使得补偿的无功量急剧下降，系统电压下降更大，在系统 有谐波时，还可能发生并联谐振，使谐波电流放大，甚至造成电容器的烧毁。 早期无功功率动态补偿装置的典型代表是同步调相机( s y n c h r o n o u sc o n d e n s e r s c ) 。它是专门用来产生无功功率的同步电机，在过激磁或欠激磁的不同情 况下，可以分别发出不同大小的容性或感性无功功率。它不仅能够补偿固定的无 功功率，对变化的无功功率也能进行动态补偿。自上个世纪二、三十年代以来的 几十年中，同步调相机在电力系统无功功率控制中一度发挥着主要作用。然而， 由于它是旋转电机，因此损耗和噪声都较大，运行维护复杂，而且由于控制复杂 造成响应速度慢，在很多情况下己经无法适应快速无功功率控制的要求。 七十年代以来，同步调相机开始逐渐被静止型无功补偿装置( s t a t i cv a r c o m p e n s a t o r s v c ) 所取代。早期的静止无功补偿装置是饱和电抗器( s a t u r a t e d 2 r e a c t o r s r ) 型的。1 9 6 7 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。饱和电抗器与同步调相机相比，具有静止型的优点，响应 速度快，但是由于其铁心需磁化到饱和状态。因而损耗和噪声都很大，而且存在 非线性电路的一些特殊问题，又不能分相调节以补偿负荷的不平衡，所以未能占 据静止无功补偿的主流。 电力电子技术的发展及其在电力系统中的应用，将使用晶闸管器件的静止无 功补偿装置推上了电力系统无功功率控制的舞台。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其使用晶闸管的静止无功补偿装置。1 9 7 8 年，在美国国 家电力研究院( e l e c t r i cp o w e rr e s e a r c hi n s t i t u t e ) 的支持下，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 ) 制造的使用晶闸管的静止无功补偿装置投入实际运行。随后， 世界各大电气公司都竞相推出了各具特点的系列产品。我国也先后引进了数套这 类装置，并具备自行制造能力。由于使用晶闸管器件的静止无功补偿装置具有优 良的性能，所以，近二十多年来，在世界范围内其市场一直在迅速而稳定地增长， 己占据了静止无功补偿装置的主导地位。因此静止无功补偿装置( s v c ) 这个词 往往是专指使用晶闸管器件的静止无功补偿装置，它包括晶闸管控制电抗器 ( t h y r i s t o r c o n t r o l l e d r e a c t o r t c r ) 和晶闸管投切电容器( t h y r i s t o r s w i t c h e d c a p a c i t o r t s c ) ，以及这两者的混合装置( t c r + t s c ) ，或者晶闸管控制电 抗器与固定电容器( f i x e dc a p a c i t o r f c ) 或机械投切电容器( m e c h a n i c a l l y s w i t c h e dc a p a c i t o r m s c ) 混合使用的装置( 如t c r + f c 、t c r + m s c 等) 静止无功补偿装置的重要特性是它能连续调节补偿装置的无功功率，因此可以对 无功功率进行动态补偿，使补偿点的电压接近维持不变。其快速的响应，适中的 价格，使其在电力系统中得以迅速的推广。其不足之处在于谐波成分大，需要大 电感、大电容等元件，而且只有在感性工况下才连续可调。 随着电力电子技术的进一步发展，八十年代以来，一种更为先进的静止型无 功补偿装置出现了，这就是采用自换相变流电路的静止无功补偿装置，即静止无 功发生器( s t a t i c v a r g e n e r a t o r s v g ) ，也称为高级静止无功补偿器( a d v a n c e d s t a t i cv a rc o m p e n s a t o r a s v c ) ，或者静止调相器( s t a t i cc o n d e n s e r s t a t c o m ) 。本文采用国内通行的名称，称之为静止无功发生器。s v g 通过不 同的控制，既可使其发出无功功率，里电容性，也可使其吸收无功功率，呈电感 性。采用p w m 控制，即可使其输入电流接近正弦波。与s v c 相比，s v g 大大减 小了体积、节省了材料，并具有响应速度快、调节性能好、能综合补偿无功、三 相不平衡和谐波的特点，成为无功补偿的重要发展方向【1 川。 无功补偿器发展的历程也是对补偿无功性能不断改进的过程。结合无功补偿 器的发展过程及各自存在的问题，得出表1 1 。 e 鏖窑重盔堂亟土堂缱途塞 表i - 1 各种无功功率补偿装置的简要对比 t a b l e1 1b r i e f e o m p a r s o n o f v a r i o u sr e a c t i v e p o w e r c o m p e n s a t i n g d e v i c e s 晶闸管控制晶闸管混合型静止静止 装置同步调饱和电 电抗器 投切补偿器 无功 r 相机抗器 ( t c r 或 电容器 ( t c r + t s c 发生器 项目 ( s c )( s r ) 、 t c r + f c )( t s c )或t c r + m s c )( s v g ) 响应速度慢较快较快 较快较快快 吸收无功连续连续连续分级连续连续 控制简单 不控较简单较简单较简单复杂 谐波电流无大大无大小 分相调节有限不可可以有限可以可以 损耗大较大 中小 小 小 噪声大大小小小小 1 4 国内外研究现状 随着电力半导体器件的发展，出现了大功率门极可关断晶闸管g t o ( g a t e t u m - o f f t h y f i s t o r ) 等全控型器件，并逐渐成为s v g 的自换相桥式电路中的主力， 使得采用电子开关逆变器的s v g 得到发展并进入实用阶段。静止无功发生器在提 高系统的暂态稳定性、阻尼系统振荡等方面，性能大大优于传统的同步调相机及 s v c 的性能，且元件简单，体积小，控制灵活，调节范围广，在感性和容性运行 工况下均可连续快速调节因此，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f a c t s 的一个重要装置。 静止无功发生器在日本、美国、欧洲等少数发达国家和地区已经得到了应用。 1 9 8 0 年1 月，日本关西电力公司与三菱电机公司共同研制并投入运行了世界上首 台s v g 样机，它采用了晶闸管强迫换相桥式电路的电压型逆变器，容量为2 0 m v a r 。 1 9 8 6 年1 0 月，由美国国家电力研究院和西屋公司研制成1 m v a r 的世界上首台采 用大功率g t o 作为逆变器元件的s v g 实验装置，并成功进行了现场试验。之后， 日本关西电力公司与三菱电机公司又采用g t o 晶闸管研制了8 0 m v a r 的s v g 装 置，于1 9 9 1 年在犬山变电站投运。美国国家电力研究院与田纳西电力局( t e n n e s s e e v a l l e ya u t h o r i t y ，缩写为t v a ) 、西屋电气公司合作，在t v a 电力系统的s u l l i v a n 5 0 0 k v 变电站建造了1 0 0 m v a r 的s v g 装置，于1 9 9 6 年1 0 月投运。1 9 9 3 年3 月 东京电力分别与东芝公司和日立公司开发的2 台5 0 m v a r 的s v g 装置在东京所属 新信浓变电所投入使用。1 9 9 7 年，德国西门子公司开发研制单机容量为8 m v a r 的 4 s v g 装置，并安装在丹麦的r e j s b y h e d e 风场。法国的a l s t o m 公司也研制了高 压大容量的s v g 装置并在电力系统中实际运行。以上是有关s v g 的实际装置用 于改善电网性能的介绍。另外用s v g 来补偿工业负荷的研究也时有报道，使用的 大都是g t o 晶闸管和i g b t 这样的全控性器件。 在我国这一领域的研究刚刚起步，华北电力大学曾研制出强迫换相的可控硅 元件无功发生器实验装置，东北电力大学研制了g t o 器件的s v g 实验装置。1 9 9 4 年研制大容量s v g 被列为电力部重点科研攻关项目。同年5 月，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一台2 0 m v a r 的s v g 。为进行基础理论研 究，清华大学先研制了一台3 0 0 k v a r 的中间工业试验装置和1 0 k v a r 的动态模拟 装置。3 0 0 k v a r 的工业样机于1 9 9 5 年8 月在清华大学校实验电厂挂网运行，通过了 7 2 小时的满负荷持续运行测试，并于1 9 9 7 年3 月，在郑州孟砦变电站并网运行，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，为成功研制2 0 m v a r s v g 打下了良好基础。1 9 9 9 年夏，由河南省电力局和清华大学共同研制的2 0 m v a r s v g 在河南洛阳的朝阳变电站并网成功，这是国内首台投入应用的大容量柔性交 流输电装置。通过以上研究获得很多实践经验，并在理论上有显著的发展。目前， 清华大学研制的5 0 m v a r 静止无功发生器，利用h 桥级联式逆变器在无功补偿领域中 的应用，使容量达到了兆乏的等级【4 】。 1 5静止无功发生器的发展趋势 近十多年来，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，纵 观近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，发展为以 p w m 变流器为主要形式。多重化技术大都与多电平p w m 变流器相结合，以减少耦 合电压器的使用，例如h 桥级联型多电平变流器； ( 2 ) s v g 的变流器中所采用的电力半导体器件已由早期的以g t o 为主，正逐 步发展为趋向于采用i g b t 和i 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补偿为主，扩展到对配电系统 补偿，甚至负荷补偿的各个层次。 1 6选题的意义及研究内容 近年来，低压配电网的非线性、冲击性和不平衡负荷迅速增多，致使电网的 e 塞銮道叁堂亟堂位论塞 电能质量严重恶化。另一方面，现代工业、商业和居民用户对电能质量提出了更 高的要求，不仅要求供电连续可靠，还希望供电电压频率稳定、波形良好。尤其 是i t 产业的迅猛发展使得人类更加依赖数字化设备所提供的信息与服务，而数字 化的设备对供电的质量要求更高。因此，有必要研究容量大、响应速度快的无功 补偿装置来抑制系统的电压波动及闪变，有效地提高电力系统的安全性，改善供 电质量。而s v g 装置不仅可以用于改善电网性能，还可以用来补偿工业负荷的无 功功率，具有十分广阔的应用前景和实际价值。 本文的研究任务是提出一种基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的静止无功发生器控制系统的 方案，应用仿真软件进行系统仿真，并进行实验平台的搭建，验证系统方案和参 数选择的正确性。论文的主要内容包括以下几个方面： ( 1 ) 提出基于电压和电流在旋转坐标系下进行坐标变换的静止无功发生器无 功检测方法，该方法能够在电网电压存在畸变和不对称情况下准确提取无功电流； ( 2 ) 提出一种适用于非理想电网电压情况下的预测电流控制方法，通过调节 逆变桥门极控制脉冲的占空比对静止无功发生器补偿电流进行控制，提高控制精 度，改善动态响应性能； ( 3 ) 建立静止无功发生器系统数字仿真模型，应用m a t l a b s i m u l i n k 仿真 技术进行仿真和模拟试验，验证本论文中所提控制策略的正确性和可行性； ( 4 ) 设计实验装置的硬件电路，包括基于数字信号处理器t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 芯 片的全数字控制电路、信号检测和调理电路、逆变器主电路等； ( 5 ) 根据控制要求设计软件的流程，采用t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 实现本论文中所提 算法和控制系统功能； ( 6 ) 搭建了容量为2 k v a r 2 2 0 v 的静止无功发生器实验平台，并进行无功补 偿试验，进一步验证本论文控制策略的正确性和可行性。 6 醢止玉功蕴生置的基奎堡盈 2 静止无功发生器的基本理论 2 1静止无功发生器工作原理 静止无功发生器( s v g ) 的基本原理，就是将自换相桥式电路通过电抗器或 者直接并联在电网上，通过控制开关器件的通断，来调节桥式电路交流侧输出电 压的相位和幅值，或者直接控制其交流侧电流，使该电路吸收或发出所需无功电 流，实现动态无功补偿的目的。 s v g 主电路通常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 路基本结构分别如图2 1 a 和图2 1 b 所示，直流侧分别采用电容和电感这两种不同的 储能元件。对电压型桥式电路，还需再串上连接电抗器才能并入电网；对电流型 桥式电路，还需在交流侧并联上吸收换相产生的过电压的电容器。实际上，由于 运行效率的原因，投入实用的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动态无功补偿的装置【l f 2 】。 a a ) 采用电压型桥式电路b ) 采用电流型桥式电路 图2 ，1s v g 的电路基本结构 f i g 2 - 1b a s i cc i r c u i ts t r u c t u r eo f s v g 由图2 - 1 a 可知，s v g 工作时通过电力半导体开关的通断将直流侧电压转换成 交流侧与电网同频率的输出电压，类似一个电压型逆变器，只不过其交流侧输出 接的不是无源负载，而是电网。因此，当仅考虑基波频率时，s v g 可以等效地被 视为幅值和相位均可以控制的一个与电网同频率的交流电压源。它通过交流电抗 器连接到电网上，无功的性质和大小靠调节电流来实现。 s v g 的工作原理可以用如图2 2 所示的单相等效电路图来说明。设电网电压和 s v g 输出的交流电压分别用相量玩和d ，表示，则连接电抗x 上的电压d ：即为玩 和【7 ，的相量差，而连接电抗的电流是可以由其电压来控制的。这个电流就是s v g 从电网吸收的电流j 。因此，改变s v g 交流侧输出电压d ，的幅值及其相对于c 7 。的 相位，就可以改变连接电抗上的电压，从而控铝i j s v g 从电网吸收电流的相位和幅 值，也就控制了s v g 吸收无功功率的性质和大小。 7 e 塞窑适左堂绣堂垃i 金塞 u lu l = j 厂1 电流超前电流滞后 a ) 单相等效电路b ) 工作相量图 图2 - 2s v g 等效电路及工作原理( 不考虑损耗) f i g 2 - 2b a s i ce q u i v a l e n tc i r c u i ta n dp r i n c i p l eo f s v g ( w i t h o u tl o s s ) 在图2 2a m 等效电路中，将所连接的电抗器视为纯电感，没有考虑其损耗。 因此不必从电网吸收有功能量。在这种情况下，只需使口，与d 。同相，仅改变c 7 ，的 幅值大小即可以控$ l j s v g 从电网吸收的电流，的相位和大小，从而也就控制了从电 网吸收的无功功率的大小。如图2 2b 所示，当d ，大于矽，时，电流超前电压9 0 。， s v g 吸收容性的无功功率；当d ，小于矽。时，电流滞后电压9 0 。，s v g 吸收感性的 无功功率。 考虑到连接电抗器的损耗和变流器本身的损耗( 如管压降、线路电阻等) ， 并将总的损耗集中作为连接电抗器的电阻考虑，贝q s v g 的实际等效电路如图2 3 a 所示，其电流超前和滞后工作的相量图如图2 3 b 所示。在这种情况下，变流器电压 【7 ，与电流j 相差9 0 。，因为变流器无需有功能量。而电网电压【7 。与电流，的相差则 不再是9 0 ，而是比9 0 。小了6 角，因此电网提供了有功功率来补充电路中的损耗， 也就是说相对于电网电压来讲，电流j 中有一定量的有功分量。这个6 角也就是变 流器电压d ，与电网电压【7 。的相位差。改变这个相位差，并且改变【7 ，的幅值，则产 生的电流的相位和大小也就随之改变，s v g 从电网吸收的无功功率也就因此得到 调节。当电流超前电压，s v g 吸收容性的无功功率；当电流滞后电压，s v g 吸收 感性的无功功率。 电流超前电流滞后 a ) 单相等效电路b ) 工作相量图 图2 3s v g 的等效电路及工作原理( 计及损耗) f i g 2 - 3 b a s i ce q u i v a l e n tc i r c u i ta n d p r i n c i p l eo f s v g ( i n c l u d i n g l o s s ) 旌止玉功蕴生墨盥基奎望监 在图2 3 中，将变流器本身的损耗也归算到了交流侧，并归入连接电抗器电阻 中统一考虑。实际上，这部分损耗发生在变流器内部，应该由变流器从交流侧吸 收一定有功能量来补充。因此，实际上变流器交流侧电压玩与电流j 的相位差并 不是严格9 0 ，而是比9 0 略小【5 ，们。 2 2静止无功发生器工作特性 根据上一节对s v g i 作原理的分析，可得其电压电流特性，如图2 4 所示。可 以看出，当电网电压下降，补偿器的电压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。和一维 持不变，仅受其电力半导体器件的电流容量限制。而对传统的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，因而随着电 压的降低而减小。因此s v g 的运行范围比传统的s v c 大，s v c 的运行范围是向下收 缩的三角形区域，而s v g 的运行范围是上下等宽的近似矩形的区域。这是s v g 优 越于传统s v c 的一大特点。 0 。y 匡雪 图2 - 4s v g 的电压电流特性 f i g 2 - 4v o l t a g e - c u r r e n tc h a r a c t e r i s t i co f s v g 此外，对于那些以输电补偿为目的的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，也是传统的s v c 装置所望尘奠及的。 对于装置中的谐波问题，s v g 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，三相瞬时功率之和在任何 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 9 j e 丞銮适左堂亟堂位诠塞 负载之间没有无功流动，所以理论上讲s v g 的桥式变流电路的直流侧可以不设储 能元件。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k t s v g 所能提供的无功容量要 小得多。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。 这也是s v g 的一个显著特点。 2 3静止无功发生器的优点 静止无功发生器( s v g ) 被称之为“静止的调相机”，是现代柔性交流输电 系统( f l e x i b l e a ct r a n s m i s s i o ns 粥t 锄f a c t s ) 的核心组成部分，与常规的无 功补偿装置相比，它具有以下几大优点： ( 1 ) 在提高系统的暂态稳定性、阻尼系统振荡等方面，s v g 的性能大大优于 传统装置； ( 2 ) 采用数字控制技术，系统可靠性高，基本不需要维护，可以节省大量维 护费用。同时，可通过电网调度自动化系统( s c a d a e m s ) 实现无功潮流和电压 最优控制，是建设中的数字电力系统( d p s ) 的组成部分； ( 3 ) 控制灵活、调节范围广，在感性和容性运行工况下均可连续快速调节， 响应速度可达毫秒级； ( 4 ) 静止运行，安全稳定，没有调相机那样的大型转动设备，无磨损，无机 械噪声，将大大提高装置寿命，改善环境影响； ( 5 ) 对电容器的容量要求不高，这样可以省去常规装置中的大电感和大电容 及庞大的切换机构，使s v g 装置的体积小、损耗低； ( 6 ) 连接电抗小。s v g 接入电网的连接电抗，其作用是滤除电流中存在的较 高次谐波，另外起到将变流器和电网这两个交流电压源连接起来的作用，因此所 需的电感量并不大，也远小于补偿容量相同的t c r 等s v c 装置所需的电感量，如果 使用降压变压器将s v g 连入电网，则还可以利用降压变压器的漏抗，使所需的连 接电抗器进一步减小； ( 7 ) 对系统电压进行瞬时补偿，即使系统电压降低，它仍然可以维持最大无 功电流，即s v g 产生无功电流基本不受系统电压的影响； ( 8 ) 谐波量小。在多种型式的s v c 装置中，s v c 本身产生一定量的谐波，如 t c r 型的5 - , 7 次特征谐波量比较大，占基波值的5 一l o ：其它型式如s r 、t c t 等 也产生3 、5 、7 、1 l 等次的谐波，这给s v c 系统的滤波器设计带来许多困难，而s v g 则可以采用桥式交流电路的多重化技术，多电平技术或p w m 技术来进行处理，以 消除次数较低的谐波，并使较高次数如7 、l1 等次谐波减小到可以接受的程度： 旌止五功蕉生墨的基奎堡垃 ( 9 ) s v g 中的电容器容量小，在网络中普遍使用也不会产生谐振，而使用s v c 或固定电容器补偿，如果系统安装台数较多，有可能会导致系统谐振的产生； ( 1 0 ) s v g 的端电压对外部系统的运行条件和结构变化是不敏感的。当外部 系统容量与补偿装置容量可比时，s v c 将会变得不稳定，而s v g 仍然可以保持稳 定，即输出稳定的系统电压； ( “) s v g 的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) 后，它不仅可以调节系统的无功功率，还可以调节系统的有功功率。这对于电力 网来说是非常有益的，这是s v c 装置所不能比拟的【9 1 。 正因为上述优点，s v g 作为一种新型的无功调节装置，已经成为现代无功补 偿装置的发展方向，它已成为国内外电力系统行业的重点研究课题之一【7 j 。 2 4 本章小结 本章详细介绍了s v g 的工作原理、基本类型及其特性和优点。s v g 逆变器的 主电路基本类型有两种，实际工业应用中多采用电压型逆变器，而电流型逆变器 则采用较少，主要原因在于其直流侧采用电感储能，逆变器损耗大、成本高、效 率低。但是，随着高温超导技术的不断发展，电流型逆变器将会具有较广阔的应 用前景。 j e 塞銮适盔堂亟堂位途童 3 静止无功发生器的无功检测与控制策略 s v g 控制系统的关键是需要检测出负载电流中所含的无功分量，以便进一步 计算补偿电流指令值和发出无功电流。下面在介绍瞬时无功功率理论的基础上， 进一步提出本文的检测和控制策略。 3 1瞬时无功功率理论 八十年代初日本学者赤木泰文( h - a k a g i ) 1 1 4 1 提出了建立在坐标变换和瞬时值 基础上的瞬时无功功率理论( 简称p g 理论) 。该理论是以电网电压和电流在那 坐标系下进行坐标变换为基础，建立瞬时有功功率p 和瞬时无功功率q 的定义。 它突破了以平均值为基础的传统无功功率定义，可以用于谐波和无功电流的实时 检测。下面介绍以瞬时有功电流和瞬时无功电流岛为基础的瞬时无功功率理论。 设三相电路各相电压和电流的瞬时值分别为e a 、e b 、e c 和i a 、如、。为分析问 题方便，把它们变换到任书两相正交的静止坐标系上研究。由下面的变换，可以 得到眠口两相瞬时电压、即和a 、卢两相瞬时电流。瑶 除” | ； 。 黔n 嘲 z ， 热鼯瓜l 历- 1 是篇卜式中，g z = 2 仃lo ；2 一；2l 。 在图3 - 1 所示的矢量图中，、即和、拓分别可以合成为电压矢量e 和电流 e = e 。+ eb = e z 轧i = i 。+ i b = z 虫 ( 3 3 ) i ，= i c o s = f c n ，娩一识) = 伽丸+ 略s i n 谚, ( 3 4 ) = 西加= i s i n 觇一咖) = 乞s 拥纯一扫c 疵 ( 3 5 ) 三相电路瞬时有功功率p 和瞬时无功功率q 定义如式( 3 - 6 ) 所示 p = e i 。g ；e i q ( 3 - 6 ) 根据式( 3 4 ) 、( 3 - 5 ) 和( 3 6 ) 得 2 程建五功蕴生墨趋五功拴型皇蕉割筮堕 乏e 1 f ，1 嘲 热= 臣甜 ( 3 7 ) 图3 - 1a - o 坐标系中的电压，电流矢量 f i g 3 1v o l t a g ev e c t o ra n dc u r r e n tv e c t o ri n * 口c o o r d i n a t e 当电网电压三相对称无畸变时，有 巳= 一 2 e s i n e x e b = 压西加缸一2 x 3 ) ( 3 8 ) 巳= 压e s i n 陋+ 2 x 3 ) 假设三相电流对称，其波形表达式为 i o = 凰s 加g 研+ 吼) = 压1 s i n ( n ( c o t - 2 r , 3 ) + q 7 。) 。， ( 3 9 ) k e p h j = 小l - c 叫。s 甜j ，刚2 ，j ( 3 - pqj=，ifl_sc加os丘耐。：c。o。,丘，,q。r。，1=sd茹：ji c s - t ， 1 3 i e 鏖銮坦筮堂亟堂位纶奎 p 、g 经低通滤波器( l p f ) 可得 除啦c o s h ( - 妒； 有了上面的一些简单概念，下文给出本文采用的计算三相电路无功电流方法。 3 2基于旋转坐标系下的无功电流检测方法 本论文利用一种基于旋转坐标系下将电网电压和电流进行投影变换的方法f 5 】， 从矢量分析角度出发，根据三相电网电压和电流综合信息，提取三相基波无功电 流。这种方法既避免了通过计算电网功率提取无功方法中的功率计算，同时能够 利用电网电压相位信息，以获得基波无功电流同步参考信号。 设三相三线系统中电压和电流表达式分别为 “。= “：+ “：+ “。+ 0 二+ “二)= f ：+ + 眩+ ) n = 2n = 2 “6 = “；+ “；+ “。+ 0 二+ “二) ，= + + 眩+ ) ( 3 一1 3 ) m = 2d 。7 = “；+ “j + i t 。+ 0 二十“二)= + + 坛+ ) n = 2n = 2 式中，“。、u 。、心和、i c 分别表示三相电压和电流：“：、“；、“；和e 、 若、表示三相基波正序分量；“：、“；、“j 和、分别表示三相基波负序 分量；“。表示零序电压；上标十 表示正序分量，- 表示负序分量表示；下标”表 示n 次谐波分量，且有如下关系 甜：= 【，+ 伽+ 虻)= ，+ 栅b + ) “；：【，+ c o s ( 耐一2 石3 + 虻) ，若= ，+ 仰g 膏一2 x 3 + # ) ( 3 1 4 ) 甜：= u + c o s g f + 2 石3 + 虻)e = i + c d s ( o x + 2 x 3 + 妒7 ) 巧= u 伽陋+ 疗) “；= u 删g i + 2 丌3 + 虻) “j = u 。伽缸一2 x 3 + 亢) “o = “。+ 6 十“。) 3 1 = 厂鲫白+ 疗) = i - c o s ( a x + 2 x 3 + b 7 ) ( 3 1 5 ) = 厂c d s 缸一2 x 3 + # 7 ) ( 3 1 6 ) 吒= w 幽甜+ 花)艺= c 妇耐+ 筋) 吃= 晖c 曲耐一幼3 + 芘) ，东= c 而“一切3 + 蝣) ( 3 1 7 ) 砣= 嵋c 曲吐r + 2 ，r 3 + 芘)艺= c c 西耐+ 2 石3 + 尤) 1 4 酲止玉功蕴生墨鳆玉功拴捌当撞剑筮堕 “二= w 伽g 耐+ 丸)= c 曲耐+ 尤) 二= c ：d 苫0 翻r + 2 石3 + 尢) ，= 刮i 甜+ 2 3 + 东) ( 3 1 8 ) “二= u ；c o s ( n t o t 一2 x 3 + # 。- )= ( c 幽耐一2 r t 3 + # , ) 式( 3 - 1 4 ) ( 3 1 8 ) 中，各符号代表意义如下： u + 、彤：基波正序电压幅值和相位；，+ 、：基波正序电流幅值和相位；u 一、 虻：基波负序电压幅值和相位：i 一、万：基波负序电流幅值和相位；【，：、芘： 月次谐波正序电压幅值和相位；c 、花：一次谐波正序电流幅值和相位；( ，：、丸： n 次谐波负序电压幅值和相位；c 、尢：以次谐波负序电流幅值和相位。 在三相三线系统中，