先进静止无功发生器ASVG的控制方法与仿真研究 毕业论文.pdf

南昌大学 硕士学位论文 先进静止无功发生器 ASVG 的控制方法与仿真研究 姓名 杨华 申请学位级别 硕士 专业 电力电子与电力传动 指导教师 戴文进 20091230 摘要 摘要 柔性交流输电F A C T S F l e x i b l e A CT r a n s m i s s i o nS y s t e m 作为近年来出现的 一项能有效改善电能质量的新技术 得到了飞速发展 作为柔性交流输电系统 中的一项新型技术先进静止无功发生器A S V G A d v a n c e ds t a t i cv a rg e n e r a t o r 和传统的无功补偿装置相比 具有很快的反应速度和更加平滑的调节特性 由 于A S V G 凭借其优秀的控制性能和很好的补偿效果 已经成为当今国内外研究 的热点 本文以A S V G 为研究主线 首先介绍了柔性交流输电的概念和作用 然后 给出了无功功率补偿的作用和意义 同时分析了A S V G 装置的工作原理和工作 特性 在主电路设计上提出了几种A S V G 的主电路的结构 由于等时间间隔不 等高的电压调制方式 给变压器的设计生产带来了相当大的麻烦 所以本文提 出了等高不等时问间隔的电压调制方式 它能够有效的抑制A S V G 产生的谐波 和提高装置容量 同时它可以使变压器的连线简单 由于在等高不等时间问隔 的电压调制方式下变压器是同一型号 所以也有利于变压器的大规模的生产 在无功电流检测方面 运用瞬时无功理论提出了两种无功电流的检测方法 分别为P q 和f p 检测法 给出了他们的M a t l a b 仿真框图 并且运用实例验 证了P q 检测法的正确性 为电路中的无功电流的实时检测提供了方便 为了更好的对电路进行无功补偿 控制方法的先进性至关重要 在详细的 介绍了A S V G 的电流直接控制方式和电流间接控制方式下的几种控制框图的同 时 由于A S V G 的非线性特性 本文提出了一种更加先进的控制方式滑模变结 构控制 给出了滑模变结构控制的基本概念和设计方法 为具体设计A S V G 的 控制器创造了条件 并且给出了在该控制方式下的整个系统的M a t l a b 仿真 验证 了所提出的滑模变结构控制的正确性 关键字 静止无功发生器 无功功率补偿 滑模变结构控制 仿真 电流直接 控制 电流间接控制 A B S T R A C T A BS T R A C T I nr e c e n ty e a r s F l e x i b l eA C T r a n s m i s s i o n F A C T S w h i c hi se m e r g e da san e w t e c h n o l o g ya n dc a ne f f e c t i v e l yi m p r o v eq u a l i t yo ft h ep o w e rs y s t e mh a sb e e nr a p i d d e v e l o p e d T h ea d v a n c e ds t a t i cv a rg e n e r a t o r A S V G i san e wt e c h n o l o g yo fF A C T A S V Gw h i c hc o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lr 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 ei s t h ef a s tr e a c t i o ns p e e da n dm o r es m o o t ha d j u s t m e n tf e a t u r e A S V Gh a sb e c o m et h e r e s e a r c hh o t s p o ta th o m ea n da b r o a db e c a u s ei th a se x c e l l e n tc o n t r o lp e r f o r m a n c ea n d g o o dc o m p e n s a t i o ne f f e c t I nt h i sp a p e r t h em a i nl i n eo fr e s e a r c hi sA S V G F i r s t l y t h ec o n c e p ta n dr o l eo f F A C T Sa r ei n t r o d u c e d T h e n t h er o l ea n d s i g n i f i c a n c e o fr e a c t i v e p o w e r c o m p e n s a t i o na r eg i v e n T h ew o r k i n gp r i n c i p l ea n dp e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i s t i c so f A S V Gd e v i c ea r ea n a l y s i s e d S o m eo ft h eA S V Gm a i nc i r c u i ts t r u c t u r e sa r ed e s i g n e d B e c a u s et h ee q u a l t i m ei n t e r v a l sa n dt h en oe q u a l v o l t a g em o d u l a t i o nm e t h o db r i n g m u c hc o n s i d e r a b l et r o u b l e st ot h ed e s i g na n d p r o d u c t i o no ft r a n s f o r m e r s t h e e q u a l v o l t a g ea n dt h en oe q u a l t i m em o d u l a t i o nm e t h o di sp r o p o s e di nt h i sp a p e r I t C a ne f f e c t i v e l ys u p p r e s st h eh a r m o n i c s i m p r o v et h ec a p a c i t yo fA S V Ga n dm a k ei t e a s yt oc o n n e c tt h et r a n s f o r m e r s A st h et r a n s f o r m e r sa r et h es a m em o d e li nt h e e q u a l t i m ei n t e r v a l sa n dt h en oe q u a l v o l t a g em o d u l a t i o nm e t h o d t h et r a n s f o r m e r s a r ec o n d u c i v et ol a r g e s c a l ep r o d u c t i o n T w ok i n d so ft h er e a c t i v ec u r r e n td e t e c t i o n m e t h o d sa r ep r o p o s e dw i t ht h eU s eo fi n s t a n t a n e o u sr e a c t i v e p o w e rt h e o r yi nt h e r e a c t i v ec u r r e n td e t e c t i o n T h e ya r eP qa n d p Ld e t e c t i o nm e t h o d s T h e i r M a t l a bs i m u l a t i o nb l o c kd i a g r a m sa r eg i v e n A n d s o m ee x a m p l e sw h i c hc o r r e c t l y d e m o n s t r a t et h er e a c t i v ec u r r e n td e t e c t i o nm e t h o da r eg i v e n I tp r o v i d e sm o r e c o n v e n i e n c et or e a l t i m e d e t e c t i o no f r e a c t i v ec u r r e n ti nt h ec i r c u i t I no r d e rt op r o v i d eb e t t e rr e a c t i v e p o w e rc o m p e n s a t i o no ft h ec i r c u i t a n a d v a n c e dc o n t r 0 1m e 也o di Se s s e n t i a l T h ec o n t r o lb l o c kd i a g r a mo ft h eA S V Gc u r r e n t d i r e c tc o n t r o lm o d ea n dA S V Gc u r r e n tt h ei n d i r e c tc o n t r o lm o d ea r ei n t r o d u c e d T h e S l i d i n gm o d ev a r i a b l es t r u c t u r ec o n t r o lw h i c hi sam o r ea d v a n c e dc o n t r o lw a yi s p r e s e n t e db e c a u s eo fA S V Gn o n l i n e a rc h a r a c t e r i s t i c s T h eb a s i cc o n c e p t sa n dd e s i g n I I A B S T R A C T m e t h o d so fs l i d i n gm o d ev a r i a b l es t r u c t u r ec o n t r o la r eg i v e n I tc r e a t e st h ec o n d i t i o n o ft h es p e c i f i cd e s i g nf o rt h ec o n t r o l l e ro fA S V GM a t l a bs i m u l a t i o no ft h ee n t i r e s y s t e mi sg i v e ni nt h eS l i d i n gm o d ev a r i a b l es t r u c t u r ec o n t r 0 1 I tp r o o f sc o r r e c t n e s so f t h eS l i d i n gm o d ev a r i a b l es t r u c t u r ec o n t r o l K e y w o r d s A S V G R e a c t i v eP o w e rC o m p e n s a t o r S l i d i n gm o d ev a r i a b l es t r u c t u r e c o n t r o l S i m u l a t i o n C u r r e n td i r e c tc o n t r o l C u r r e n ti n d i r e c tc o n t r o l I I I 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果 据我所知 除了文中特别加以标注和致谢的地 方外 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果 也不包含 为获得直昌太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料 与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示谢意 学位论文作者签名 手写 搠掣 签字日期 DJ 年1 月1 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解南昌大学有关保留 使用学位论文 的规定 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘 允许论文被查阅和借阅 本人授权南昌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 可以采用影印 缩印或扫描 等复制手段保存 汇编本学位论文 同时授权中国科学技术信息研究 所将本学位论文收录到 中国学位论文全文数据库 并通过网络向 社会公众提供信息服务 保密的学位论文在解密后适用本授权书 学位论文作者签名 杨辞导师签名 弋 k 弋o J 签字日期 D l 拳年1 月IE l签字日期 l 叫 年 月rE l 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题的背景 由于电力系统的发展 各种新型冲击负荷使得输电电网上电压波动频繁 大型的半导体整流设备等在电网中造成了一定的谐波 使电网电压的质量变差 从而影响了原有设备的工作 导致电网故障等 所以电力部门和用户对电能质 量的改善提出了相当高的要求 不仅要求输电网的连续可靠 同时还希望供电 电网的电压的频率稳定 波形良好 如何有效的保证电网的安全和稳定的运行 是电力工作者的一个重大和迫切的研究课题 近年来 电力工作者们已经达成了初步的共识 怎样有效的提高电网的安 全运行水平和输电电网的电能质量 我们除了要使电网结构的设计要合理外 而且还要必须有先进的调节控制手段作为保障 输电电网的经济 安全的运行 在很大程度上取决于其输电电网的可控度 柔性交流输电技术的出现 使传统 的输电系统的概念得到了改变 为电力系统的可控性以及可靠性提供了新的方 法 由于电力电子技术的飞速发展 柔性交流输电技术将大量被应用于我国输 电电网 它将以比较小的投入解决我国输电电网所面临的问题 从而使得中国 电力系统可以成为一个可完全实时和快速控制的柔性电力系统 l J 1 2 柔性交流输电 F A C T S 技术 1 2 1 柔性交流输电技术简介 柔性交流输电系统是由美国的N G H n i g o r n a i 博士在1 9 8 8 年提出的 电力电 子学会在1 9 9 5 年进行了修改 柔性交流输电系统的意义为 就是使用电力电子 技术的最新的研究成果和控制技术来实现对输电电网系统参数和输电网络结构 的快速和灵活控制 从而来实现输送功率的有效配置 和有效的实现降低有功 功率损耗和发电厂所需要的成本 使输电系统的稳定性和可靠性得到大幅度的 提高 柔性交流输电技术的关键是使用可控制的大功率开关元件以此来替代传 统意义上的机械式高压开关 使得输电网络中影响潮流分布以及运行稳定性的 几个最主要电气参数 线路阻抗值 电压值和相角可按系统的要求得到迅速的 第1 章绪论 调节 从而来提高输电电网功率的输送能力和电压 潮流分布的可控制能力 柔性交流输电装置拥有控制的灵活性 可以连续调节 控制速度快捷 高的可 靠性 而且可以迅速的改变输电电网的潮流分布的优点 所以 柔性交流输电 装置和应用已经成为最近多年来输电系统稳定性控制的一个非常重要的研究课 题 3 1 1 2 2 柔性交流输电系统在电力系统中的作用 1 提高输电线路的运行条件 输电电网存在的问题 例如环流或者电网的震荡 可以通过柔性交流输电 控制器得到比较好的解决 同时可以解决输电电网中的瓶颈问题 有效的提高 电力系统中的电网的输电电能质量 输电电网的可靠性和稳定性 以此同时柔 性交流输电控制器能够有效的减小输电电网的有功功率损耗 提高线路的使用 寿命 通过使用柔性交流输电控制器 我们能够比较好的预防大范围的停电事 故和减小停电事故的恢复的时问 把停电给人们带来的损失减到最小 在输电 线路中 通过有效的调节柔性交流输电设备 这样就可以很好的控制输电电网 的潮流分布情况 通过柔性交流输电设备的使用 我们能够有效的控制功率的 分布情况 使输电电网的传送能力达到最大 同时防止输电电网在输送的功率 过大的情况下 给电网带来的连锁性的跳闸问题 2 引 2 增大输电网络的输送容量 在柔性交流输电技术中 我们可以使用柔性交流输电设备来补偿用电设备 的无功功率 由于在输电线路中 假如传送相同容量的负荷 在没有无功功率补 偿的情况下 输电电网传输的有功功率更大 这样就可以大量的减少对输电网 络的需要 对于电力公司 他们就可以减少对于再建输电线路的费用 这样对 于输电系统的规划和建设能够带来比较好的影响 3 扩大了交流输电的使用领域 众所周知 高压直流输电系统拥有灵活和快速的特点 在输电线路中 如 果输电电网的稳定性和输电线路的输送容量不能够得到同时解决的时候 我们一 般会通过建设直流输电系统来加以解决 这样会造成整个输电系统的建设费用加 大 如果在输电线路中 使用柔性交流输电控制装置可以很好的减少整个输电 网络的费用 由于在输电网络中 使用了柔性交流输电技术它会使整个输电线 路的电流更加柔性化 这样就使交流输电系统有更大的使用领域 例如它有时 2 第1 章绪论 可以代替高压直流输电系统 4 增加输电线路的控制手段 在输电线路中 能够使用柔性交流输电控制器来解决输电电网中的反事故 控制 此外 柔性交流输电控制器的效用可以通过输电线路中的E M S 来加以综 合 有利于及时的对整个输电电网的控制 这样我们就可以很好的使整个输电 电网的经济效益和安全方面得到一个好的提升1 2 J 1 3 无功功率补偿的作用以及意义 1 3 1 输电电网中无功功率的产生以及产生的影响 在输电线路电网中 电网的电感性负载所拥有的比例越来越大 众所周知 如电扇 电动机 变压器等都是电感性的负荷 特别是电动机和变压器在输电 电网中消耗的无功功率的比例相当的大 对电网的安全造成了很大的影响 这 些用电设备表现出来的电感性 是由它们在电网中的性质决定的 而且如果我 们要使其在电网的正常运行 必须给输电电网提供无功功率 众所周知 在电力系统中拥有许多非线性的用电装置 他们也在输电电网 中需要消耗相当大的无功功率 例如各种的电力电子设备 此外在交流输电线 路中 输电电网的阻值表现为电感性负载 这样在电网中电流的相位就比电压 的相位落后 所以需要给电网提供大量的无功功率作为补偿 此外 在输电电 网中 这些电力电子设备会给输电网中带来相当大的电流谐波 并且他们在输 电电网中需要消耗大量的无功功率 在二极管电路中 它的电流相位和电压的 相位基本是一致的 它的使用一般不会消耗输电电网中的基波的无功功率 但 是由于二极管在电网中会产生谐波电流 所以它也会消耗大量的无功功率 由 于电弧炉在工业用的领域相当的广泛 它的使用是靠电路的短路来焊接器件 这样它也需要消耗输电电网中一定的无功功率 由于工人的使用是随机的 这 样就给电力电网中的无功功率的波动造成了很大的影响 1 9 J 2 0 1 在输电电网中 输电电网中的电压变化受有功功率的影响比较小 电网电 压的变化主要是由于无功功率的变化引起的 特别是电动机在刚开始运行的时 候 它需要消耗比较多的无功功率 所以在电动机开始运行时 它会给电网的 电压带来相当大的影响 严熏的时候 它会使在同一输电网络中的用户不能正 常的用电 在工厂使用的大型设备例如轧钢机 电弧炉的随机使用 给电网的 3 第1 章绪论 正常运行带来很大的不便 所以输电部门会对他们进行无功功率的补偿 在密 集的工业区和居民区 由于他们消耗的无功功率比较的大而且对电网的稳定性 造成的影响很大 所以在这些地区 一般会对这些区域进行并联性补偿 使电 网的稳定性和供电质量得到有效的提高 使用电用户能够获得很好的供电质量 输电电网中的无功功率对电网造成的主要影响如下 1 使供电电站的设备容量提高 因为在输电电网中需要传送无功功率 众所周知 在传送相同容量的有功功率时 需要传送无功功率的电网的电流更 大 所以这样就使得发电厂的发电机和变压器的标牌容量更大 同时也使得供 电站的设备容量更大而且会在输电电线中消耗更大的有功功率 这样会给电器 设备的运行效率带来影响 不能够充分的发挥它们的作用 2 在输送相同容量的有功功率的时候 需要补偿无功功率的线路中的变 压器和输电线路的电压压降更大 如果电网中有突然增大的无功功率 它能够 使得输电电网中的电压产生相当大的变化 所以给用电用户的用电质量带来相 当大的影响 3 众所周知 在输电电网中 谐波源也会消耗一定的无功功率 它也会 对电网的运行带来许多问题 在电网中这些谐波源有时会严重的影响电网中的 设备正常的运行 有时甚至会给许多电气设备产生错误的操作 4 儿酬 1 3 2 无功功率补偿对输电电网的作用 在我们的日常生活中 我们许多的用电设备都要消耗一定的无功功率 要 使他们正常的运行必须在电网中给他们提供无功功率 在输电电网中 用户所 要消耗的无功功率一定是来自输电电网中的某个部分 假如这些无功功率的损 耗都是由发电机通过远距离的输送是不科学的 因为它会给电网带来相当大的 影响 所以比较好的方法是在需要无功功率补偿的附近来补偿电路中所要消耗 的无功功率 以此来提高输电电网的电能质量和稳定性 在输电电网中 无功功率的补偿作用主要体现在如下几个方面 1 可以给供电单位和用户带来好的经济效益 由于对输电电网进行了无 功功率补偿 它可以减少输电电网的有功损耗 同时能够减小用电设备检查仪 器的标牌容量 2 在输电线路中通过对无功功率的补偿 我们可以很好的提高输电电网 的静态稳定性和它的动态稳定性 提高用电用户端的电能质量 4 第l 章绪论 3 在输电电网中我们通过对电网的无功功率的补偿 能够有效的减小输 电电网中的电压偏差 同时能够有效的控制输电电网中的电压所产生的波动 在上面的阐述中 本文已经提到在输电电网中基波电流要消耗一定的无功 功率 并且谐波源也要消耗输电电网中的无功功率 所以对电网中的无功功率 的补偿应该包括他们中的两个部分 在本文中 由于本人的实力和时间有限 在本文中只研究对基波无功功率的补偿 所以在对无功功率进行补偿时 只检 查输电电网中的基波无功电流 并且对输电电网的基波无功功率进行补偿 使 输点端的功率因数尽量接近为1 1 5 J 9 J 1 4 本篇论文主要研究的内容 通过翻阅大量的文献资料 根据输电线路中对无功功率的要求量增加的要 求 并且用电用户对输电线路中的电能质量要求更高 所以本文提出了柔性交 流输电技术 在本文中 主要是研究柔性交流输电装置中的先进静止无功功率 发生器即 A S V G 主要是通过A S V G 的基本原理来研究A S V G 主电路的设计 和对其进行的控制 在本论文中主要的研究包括如下几个方面 1 本文首先讨论了A S V G 的基本结构和原理 在分析A S V G 的主电路的 结构时 本文先给出了A S V G 主电路的几种一般结构 在分析三重化的等时间 问隔不等高的主电路的基础上 采用了等高不等时间间隔的A S V G 主电路的设 计方法 为A S V G 主电路的有效设计开辟了一条新的道路 2 在输电电路中 要对输电电网进行实时的无功功率补偿 所以对输电 电网中的无功电流必须进行实时的检测 本文在瞬时无功功率理论的基础上 采用了对输电电网中基波的无功电流的检测方法 即 P q 和f 一艺方式下的 检测法 并且在给出了他们的M a t l a b 仿真框图的同时 运用实例验证了P q 检 测方法的正确性 为后面的整个系统的控制仿真创造了一定的条件 3 在输电电网中 A S V G 是否能够有效的补偿电网中的无功功率损耗 除了各方面的条件具备外 拥有先进的控制手段也是至关重要的 在第五章本 文首先介绍了A S V G 的电流直接控制和电流间接控制方法 并且给出了他们的 控制框图 由于A S V G 对控制要求非常高 本文首先提出了A S V G 的数学模型 然后介绍了滑模变结构控制优点和设计方法 并且给出了A S V G 的滑模变结构 5 第l 章绪论 模型 为A S V G 的控制方法开辟了 条新的道路 并且利用M a t l a b 的动态软件 包S I M U L I N K 对A S V G 整个系统进行了仿真 验证了所提出的滑模变结构控制 方法的正确性 4 在论文的最后一个部分 论文对本文所做的工作进行了总结并且对以 后A S V G 装置需要研究的工作做了展望 提出了A S V G 装置需要研究工作的方 向等问题 6 第2 章先进静止无功发生器的基本原理 第2 章先进静止无功发生器的基本原理 2 1 引言 A S V G 的基本原理是通过电抗器或者电容器 将自换相桥式电路并联在电网 上 通过适当地调节桥式电路输出电压的幅值和相位 也可以通过直接控制交 流侧的电流 这样该电路就可以发出或者吸收满足电网要求的无功电流 即实 现对电网的动态无功补偿 2 2A S V G 电路的基本结构 从原理上讲 A S V G 的主电路可以分为电压型电路和电流型电路两种 其区 别在于直流侧的储能元件不同 电压型电路直流侧是电容元件 电流型电路直 流侧是电感元件 有一点必须注意 对于电压型电路 需串联电抗器才能与电 网并连 对于电流型电路 需并联电容器才能与电网并连一J 在实际的运行中 综合考虑效率等因素 实际应用的A S V G 主电路几乎都是采用电压型电路 本 文研究的A S V G 的主电路就是采用自换相的电压型电路 图2 1 为A S V G 的基 本结构 其组成为 大功率的电力电子器件 I G B T 所组成的电压源逆变器 V S C 电容元件的作用是为了给A S V G 提供一个直流侧电压 1 0 l 通过P W M 控制技术控制开关器件的通断 将直流侧的电压变换为和电网同频率 相位和 幅值可调的交流电压 电抗器或者耦合变压器的作用是将变流装置与电网连接 在一起 此外 还可以滤除掉逆变器输出电压当中的高次谐波 使A S V G 的输 出电压更加接近正弦波电压1 2 RC 图2 1A S V G 的基本结构 众所周知 对于三相平衡电路 在任意时刻 其都等于三相有功功率之和 总的来说 三相电路的负载和电源之间不会传递无功功率 每相的无功功率只 7 第2 章先进静止无功发生器的基本原理 是往返于三相之间 因此 可以用一定的办法对三相电路中各部分总的无功功 率一起处理 在负载侧不需要设置无功功率的储能器件 三相桥式的逆变电路 就具备了这种将三相电路总的无功功率进行统一处理的特点 从理论上讲 在 A S V G 的变流电路中 直流侧可以不用设置无功功率的储能元件 但是考虑到变 流电路所吸收的电流中不仅含有基波分量 还含有一定量的高次谐波 高次谐 波分量的存在会使少许的无功功率在A S V G 和电源之间交换 l 因此 为了保 证A S V G 电路的可靠运行 所以A S V G 的直流侧仍能需要电容或者是电感作为 储能元件 但是 其所需要元件无功功率的容量要远小于A S V G 所提供的无功 功率的容量 对于一般的柔性交流输电装置 例如S V C 它所需要的储能元件 容量的大小应该至少要等于其所提供给补偿对象的无功功率的容量 所以 A S V G 储能器件的体积可大大的减小 成本比同容量的S V C 有很大的降低l l 2 2 3A S V G 装置的基本原理 在正常工作时 A S V G 是通过控制电力电子开关器件的通断 将直流侧的电 压变换为与电网电压同频率的正弦电压 本质上就是一个电压型的逆变器 只 不过是在A S V G 交流输出端接的是输电网 而不是无源负载 所以 当只考虑 基波分量时 A S V G 可以等效成一个与电网的频率相同的交流电压源 其幅值的 大小和相位都可以调节 并且可以通过电抗器连接到输电电网上 如图2 2 为 A S V G 单相等效的电路图 它的工作原理可以用图2 2 来说明 不考虑电抗器的 损耗和变流器的损耗 把连接电抗器看成纯电感 即R 0 设输电电网电压的相 量为舀 A S V G 输出的交流电压的相量为舀 则舀 和舀 的相量差即为连接在 输电电网电抗x 上的电压向量舀 其电抗器的电流可由电压矿来控制 此电 流即为A S V G 从输电电网吸收的电流 所以 通过改变A S V G 交流侧的输出 电压痧 的幅值和它相对于输电电网电压舀的相位 便可容易地改变连接在电抗 器上的电压矿 从而可以有效的控制A S V G 从输电电网吸收电流的幅值大小和 相位方向 同样就控制了A S V G 从输电网吸收的无功功率的大小和性质 7 8 如图2 2 所示的等效电路 视连接的电抗器为纯电感 即R 0 不考虑其损 耗和变流器在冉网中的损耗 所以 没有从电网中吸收有功功率 在此情况下 只要让u 与u 的相位相同 通过改变A S V G 的输出的交流电压u 的幅值大小 便可以控制A S V G 从输电电网吸收电流 性质 从而决定电抗器的电流是超前还 8 第2 章先进静止无功发生器的基本原理 是滞后输电电网电压9 0 并且可以控制其帆大小 图2 3 为A S V G 的工作相量 图 当电网电压虬大于A S V G 装置的电压U 时 电流滞后于电压9 0 4 S V G 吸收输电电网中感性的无功功率 当电网电压以小于A S V G 装置的电压U 时 A S V G 输出电流超前电压9 0 A S V G 从电网中吸收容性的无功功率 2 2 1 图2 2A S V G 的单相等效电路 U I UL 2 刚 q a 客性工况 玑 卜 卜 U b 零工况 c 感性工况 图2 3A S V G 工作相量图 不考虑损耗 上述的分析没有考虑各种损耗 在实际的电网中是会存在各种损耗的 当 考虑连接电网的电抗器消耗的损耗和变流器本身的原因所消耗的损耗时 并且 将这两者的损耗用连接电抗器的电阻来表示 A S V G 的等效电路也可以用图2 2 来表示 此时的R o 电抗器中的电流 超前或者滞后的两种工作情况的相量图 如图2 4 所示 此时 A S V G 变流器的电流 与电压谚还是相差9 0 0 I 驺J 这是因 为A S V G 变流器本身不需要消耗有功功率 但是变流器电流 和电网电压 j 的 相位差将不再是9 0 0 比9 0 0 小了一个角度万 因此 电网必须提供一定的有功 功率 用以补偿电路中的有功损耗 即对于输电电网的电压 电流 包含一定量 的有功分量 此万角就是输电电网的电压痧和A S V G 变流器的电压反的相位 差 通过改变此相位差的大小 同时改变A S V G 变流器输出电压矗幅值的大小 9 第2 章先进静止无功发生器的基本原理 则电流 的相位以及幅值大小也随着改变 因此 A S V G 从输电电网吸收的无功 功率的性质和大小便可以得到调节 1 2 1 3 如图2 4 所示 将A S V G 变流器本身消耗的损耗归算到电网交流测 同时与 连接电抗器中的电阻损耗一起考虑 这部分的损耗是在A S V G 变流器的内部产 生的 可以由A S V G 变流器从交流输电电网吸收一定量的有功功率给予补偿 因此 所以在实际当中 A S V G 变流器交流测电流 与变流器输出的电压矿的 相位夹角并不是严格的9 0 而是略小于9 0 的角 l 钔 4 电流滞后 图2 4A S V G 工作向量图 计及损耗 2 4 本章小结 本章首先给出了A S V G 主电路的两种基本结构 即电流型桥式电路和电压 型桥式电路两种 综合考虑到运行效率等原因 在实际的应用当中A S V G 装置 大多数采用的是电压型桥式电路结构 本文围绕着电压型的桥式电路 提出了 它的基本结构 分别分析了不考虑电抗器损耗和变流器本身的损耗时 和同时 考虑电抗器的损耗与变流器本身的损耗时 A S V G 的工作原理 这为我们建立 A S V G 的数学模型和后续的研究工作提供了很大的方便 1 0 第3 章A S V G 的主电路设计 第3 章A S V G 的主电路设计 3 1 引言 在输电电网中使用A S V G 装置可以有效提高输电电网的供电质量 但是 A S V G 的主电路是由各种电力电子设备组成的 所以它们在输电电网中难免产生 高次的谐波电流 当A S V G 装置用在输电电网中时 在P q 的坐标系下 此时 我们可以认为A S V G 系统是线性且时不变的系统 所以根据电路中的叠加原理 在输电电网中 A S V G 装置所产生的谐波源在电网中的响应 我们可以对它进行 独立的研究 所以A S V G 装置就给输电电网带来了谐波源 这些谐波源会对电 网造成许多不好的影响 例如当大型的A S V G 装置使用时 它会对输电电网产 生相当大的冲击 并且其中的谐波要消耗电网中无功功率 严重的影响了输电 电网的供电质量 给用电用户的用电带来许多不便 所以最好的办法是A S V G 装置不产生谐波源 为了更好的使A S V G 装置所产生电压波形更加接近正弦波 所以在本章节中 提出了几种A S V G 主电路结构 并且比较详细的对比了A S V G 主电路中的等时问问隔不等高的电压调制方式和等高不等时间间隔的调制方式 下的主电路设计结构 3 2A S V G 的几种主电路结构 目前 A S V G 的主要的主电路结构有 三相桥式结构 三相桥式并联结构 三相桥式串联结构 单相桥式直接串联结构和单相桥式通过变压器串联的结构 以及多电平结构等 在大容量的先进静止无功发生器的主电路连接中 一般采 取的方法和拓扑结构主要有 1 链式的连接结构 2 多电平的连接结构 3 逆变桥式的多重叠加结构 4 主电路中的开关器件的串联结构 5 输电变压器的隔离结构 在输电电网中 A S V G 的电路结构主要采用多电平的结构和变压器的多重化 连接结构1 15 1 第3 章A S V G 的主电路设计 3 2 1 在输电电网中 主要的变压器连接的多重化结构 在A S V G 装置中的多重化结构就是借助于电力电子器件把多个电力电子器 件输出的电压方波信号 通过一定方式的连接使多个电压方波信号叠加 通过 这种叠加使整个A S V G 装置输出的电压信号更加接近正弦信号 使输出的电压 波形的谐波含量尽可能的少 在实际的输电电路中 许多实际的例子存在 例 如清华大学和日本三菱公司都有实际的多重化结构 在这里就不做详细的介绍 本文选择比较有代表性的的主电路结构做下比较简单的介绍 l 6 J 3 2 1 1 六个单相桥式电路通过变压器的叠加 有 个的单相桥式电路通过变压器的叠加 其中每个逆变桥式电路的相位 偏移角度为1 8 0 其中六个单相桥式逆变电路的叠加所形成的主电路结构如 图3 1 所示 O 图3 1 六个单相桥式逆变器串联叠加电路图 为了能够消除输电电网中五次和三次谐波 输电电网中的变压器的原副边 的比值分别为 4 的比值为 5 4 的比值为鱼3 4 的比值为1 4 的比值 也为1 以 的比值为鱼3 1 2 第3 章A S V G 的主电路设计 在上面的输电电路中 其中的A 相电路输出的电压如下所示 甜 2U 1 1 U 31 一 6 2 1 5 2 I 2 1 4 u as i n n c o t 2 2 c o s 等 2 护 1 s 等 3 在上面的等式中 矽为电力电子器件开启的时间 由上面的等式 3 1 知 分别在n 等于3 5 和7 时 上式 3 1 式括号中的值为零 所以我们可以得 知在A S V G 的A 相输出的电压中 其输出的谐波中不含有上面的3 5 7 次谐 波电压 3 2 1 2 三相逆变电路通过变压器的叠加 在如图所示的3 2 中 它为两个三相逆变电路叠加的结构图 图3 2 两三相逆变桥式的串联叠加的电路图 为了更加有效的消除输电电网中的5 次谐波含量 在电路中的变压器的原边 和副变的比值为粤为1 而辱的比值为 44 由上面的图3 2 所示 我们可以推到出A 相电路输出的电路电压 4 U 1 d U 2 6 d 1 3 第3 章A S V G 的丰电路设计 羔 堕n y 生s i 咖硼 三4 3c s 丝6 1 s i n 丝2 u 蜀 通过上面的 3 2 我们可以得到 只要调节电路中的电力电子器件的导通 角度日 我们就能够有效的调节电路中的输出电压的大小 在电路中 当导通角度目为1 2 0 的时候 其A 相电路中的基波的电压的有效 值为 巫c o s 3 0 0 1 3 5 u j 3 2 1 3 通过变压器连接的隔离型的主电路结构 在这种主电路中变压器的连接采用隔离的连接方式 他们共同使用一个电 容 所以可以有效地避免链式结构中多个电容的使用 和造成电容电压或者电 流的不相同的问题 在变压器的隔离型连接主电路中 在电路中只使用了一个 电容 所以比其它的链式结构使用的电容个数大为的减小 在隔离型变压器的 连接中 它的连接是通过交流端直接的耦合而成 所以它可以具有很好的分相 的工作能力 众所周知 多重化结构的电路能够有效地提高A S V G 装置输送的 无功功率容量 隔离型的主电路结构的变压器需要复杂的连接 在隔离型的主 电路中 变压器的特性在电路中表现为非线性的性质 所以会给输电电网带来 一系列的问题 并且它使用的变压器不是常规的变压器 所以需要向厂家定做 特制的变压器 这样就会给设计这样的无功补偿装置带来一定的困难 在本中 不对隔离型变压器连接的主电路进行具体的讨论 3 2 2 多电平结构电路 多电平电路的工作原理和上面讲述的多重化结构工作原理基本相似 也是 通过多个电压来合成所需要的正弦电压 使其输送的电压谐波含有率大大减少 由于多电平的结构电路在电路中不需要使用变压器 所以它不需要对变压器进 行复杂的连接 在多电平的结构电路中 我们一般可以看到如下几种方式 跨 接的电容箝位 链式多电平和二极管的筘位 3 2 2 1 五电平方式下的二极管箝位电路 1 4 第3 章A S V G 的主电路设计 图3 3 五电平的主电路结构 在上面的图3 3 中 电路中的箝位二极管为q D 2 B D 4 其中电路 中的电压和开关的状态的关系如下所示 2 了l i d 当邑 岛导通时 其余都关断 i U d j d P 岛导通时 其余都关断 O 当 或 导通时 其余都关断 u 4 a 当s 4 岛导通时 其余都关断 一u z a 当s 5 导通时 其余都关断 3 4 在图3 3 中 在五电平的电路中 逆变器的状态有五种 其电压的输出值是 由其中的开关管的状态决定的 从上面的图3 3 中 我们可以看出 要得到更多 电平的合成电压 就必须增加电路中的元器件个数 虽然电路中通过多个电平 的叠加可以很好的使A S V G 的主电路中的输出电压更加平滑 使其输出的电压 更加接近正弦波形 这样可以有效的减少A S V G 的输出电压的谐波含有量大量 1 5 第3 章A S V G 的主电路设计 的减少 使其对需要补偿无功功率的电路造成的影响降到一定的程度 如果在 电路中使用很多电平的叠加电路 这样就给控制电路的设计带来了许多不便 而且会使主电路中的中点电压带来不平衡 所以在实际的设计中我们一般不会 采用很多的电平叠加电路f 1 6 1 1 7 1 3 2 2 2 链式结构合成的多电平结构 如图3 4 所示 为单相的链式多电平结构 由电路图3 4 可以看出 它也是 通过多个电平的叠加来产生所需要的近似正弦波电压 图3 4 链式结构的A 相电路结构 从电路中 可以得知这种多电平电路没有变压器的连接 所以占用的地面 积会相对的减小 但是连接的电路结构比较复杂 而且各桥式输出电压的直流 侧电压很难控制 3 3 本文采用的A S V G 的主电路的结构及其仿真 众所周知 在电路中采用的多重化技术 就是通过几个逆变器组成的电路 的叠加 它的基本工作原理就是 首先通过在每个基本的单元产生一个电压电 平 然后通过其它的元器件来连接这些电平 通过这些电平的叠加来产生所需 要的电压 这样输出的电压能够很好的接近所需要的正弦波 从而使A S V G 主 1 6 第3 章A S V G 的主电路设计 电路所输出的电压的谐波含有量就能够大量的减少 在A S V G 的主电路中采用 多重化技术 可以减少每个元器件所承受的电压和电流 在相同的容量的情况 下 采用多蕈化技术 每个元器件的电压和电流能够大幅度的降低 所以采用 多重化技术可以有效的提高A S V G 装置的容量 同时由于它是采用多个电压的 叠加 所以在电路中对每个晶体管的触发脉冲不需要很高的频率 这样对于触 发脉冲的要求不会太高 而且对于晶闸管来讲也不会需要很高的要求 在设计A S V G 的主电路中广泛采用的是等时间间隔不等高的电压调制方式 虽然这种方式也能够有效的产生所需要的正弦波电压 使高次谐波的含有量大 量的减少 但是这种方式的变压器不是同一型号的 需要特别的制作 所以不 利于大规模的生产同时增加了设计生产所需要的费用 本文在分析了传统的三 重化的等时间间隔不等高的A S V G 主电路的基础上 提出了等高不等时间间隔 的主电路的设计方法 在这种A S V G 的主电路设计方法中 每个电路模块单元 所输出的电压是相同 所以所需要的变压器的型号是一样的 这样同一型号的 变压器有利于在生产中大量的制造 减少设计和生产这种A S V G 主电路的费用 在电路的连接方面 A S V G 的等高不等时间间隔采用的是变压器的直接串联 所 以相比于等时间间隔不等高的A S V G 的主电路而言 等高不等时问问隔连接方 式下的连接更加简单 所以本文详细的分析了等高不等时间间隔的连接方式 并且使其作为本论文设计的方法 3 3 1 传统意义上的多重化的A S V G 的电压连接方式 众所周知 在输电网中 为了补偿电网中的无功功率 我们必须在需要无 功功率的地方提供无功功率补偿 所以本文提出了先进静止无功发射器即A S V G 装置 然而这种装置会给输电电网带来高次谐波 所以为了有效的解决它给输 电电网造成的影响 必须使A S V G 的主电路产生的谐波尽量的减少 在电路中 消除A S V G 的主电路的谐波一般采用两种方法 第一种方法是在A S V G 的主电 路输出端外加滤波装置 第二种方法是通过改善A S V G 的主电路的结构使其输 出的电压更加接近正弦波 这样就可以减少主电路产生的高次谐波含有量 由 于第二种方法中不需要再附加别的装置 所以受到许多设计者的青睐 而且在 这些多重化的叠加中 使用的最多的是等时间问隔不等高的电压调制方式 所 以本章节在分析了等时间间隔不等高的电压调制的方式下 提出了等高不等时 间间隔的电压调制方式 在上面的分析中 这种的调制方式的优点已经做了介 1 7 第3 章A S V G 的主电路设计 绍 所以不再