电能变换与控制（修订版）课件 8-1SVG

第8章电能变换的其它应用第8章电能变换的其它应用8.1静止无功发生器8.2有源电力滤波器8.3动态电压恢复器8.4有源功率因数校正器8.5统一电能质量调节器UPQC8.1静止无功发生器在电力系统中，由于感性负载的普遍存在，所以电网中含有大量的感性无功功率。无功功率会导致用供电线路的总电流变大，使供电系统损耗增加；造成发电、输配电设备的利用率降低；供电系统输电线路的电压降变大，导致用户端电压降低；

如果大容量无功负荷突然加到电网中，则会对电网形成冲击，使电网电压大幅波动，严重影响供电质量。无功补偿技术的发展主要经历了四个不同的阶段：同步调相机；开关投切固定电容；静止无功补偿器(StaticVarCompensator-SVC)；今天令人瞩目的静止无功发生器(SVG)。

同步调相机响应速度慢、噪音高和损耗大，其技术陈旧，属于淘汰的技术。开关投切固定电容也存在响应慢，且连续可控能力差等缺点。静止无功补偿器(SVC)是目前相对先进实用的技术，在输配电系统中得到了广泛应用。根据结构原理的不同，SVC技术又分为：饱和电抗器型(SaturatedReactor-SR)、晶闸管相控电抗器型(ThyristorControlledReactor-TCR)、晶闸管投切电容器型(ThyristorSwitchedCapacitor-TSC)和具有TCR和TSC的混合型静止无功补偿器等。随着电力电子技术，特别是大功率可关断器件技术的发展和日益完善，国内外还在研制、开发一种更为先进的静止无功补偿装置—静止无功功率发生装置(SVG)。在国外SVG的理论研究起步较早，目前已步入工业化应用阶段。另一方面，SVG的工业化应用对理论研究起了非常大的推动作用，新的理论研究成果也在不断出现。本节主要分析SVG系统的工作原理、分类、结构、系统建模及仿真，无功指令信号的检测和控制策略等。最后，给出了SVG滞环控制的DSP程序。8.1静止无功发生器8.1.1静止无功发生器的工作原理及系统组成8.1.2静止无功发生器的检测算法8.1.3静止无功发生器的控制策略8.1.4静止无功发生器仿真8.1.1静止无功发生器的工作原理及系统组成1.SVG工作原理及分类

2.SVG系统组成

1.SVG工作原理及分类SVG的主电路结构主要有两大类：电压型桥式电路和电流型桥式电路。电压型桥式电路的直流侧是一个电容，它能够给变流器提供稳定的直流电压，其直流侧等效为一个恒压源。因此，称此类电路为电压型桥式电路。对电压型桥式电路，需要在交流侧串联上电抗器才能并联到电网上，如图所示。而电流型桥式电路的直流侧是一个电感，能够为变流器提供稳定的电流，其直流侧可等效为一个恒流源，因此，称为电流型桥式电路。对于电流型桥式电路，若要并网，则需要在交流侧并联上电容器用来吸收换相产生的过电压，如图所示。实际上,

由于运行效率的原因

,

迄今投入实用的

SVG

大都采用电压型桥式电路。电压型桥式的主电路主要由直流侧电容、三相变流器和输出滤波器（或耦合变压器）组成。直流侧电容的主要作用是为SVG装置提供一个稳定的直流工作电压。本节以电压型三相三线制结构为例进行分析，即直流侧电压中点与电网中性点没有连接。在5.1节PWM变流器原理中有过介绍，当U端点运行在不同象限时，PWM变流器可以工作在整流、逆变、感性、阻性和容性状态。为了进一步分析，可用如图所示的单相等效电路图来说明SVG的工作原理。电压型SVG单相等效电路及工作原理。SVG可以等效地被视为一个可控的交流电压源，其频率与电网相同，相位与电网电压相差90°，幅值可根据需要补偿的无功电流的大小进行调整。SVG装置通过电感与电网相连。当SVG输出电压幅值超过电网电压幅值时，电感上的电压会与电网电压反相，根据电感的电流滞后电压90°的性质，可以得到超前于电网电压的电流，这时，SVG发出容性电流；同理，当SVG输出电压幅值小于电网电压幅值时，电感上的电压会与电网电压同相，根据电感的电流滞后电压90°的性质，可以得到滞后于电网电压的电流，这时，SVG发出感性电流。可以看出，改变SVG输出电压的大小，就可以使SVG发出感性或容性电流，从而可以达到补偿感性或容性无功负载的要求。2.SVG系统组成SVG系统采用的是电压型桥式电路结构，它主要由主电路、检测调理电路、DSP控制器、光电隔离电路和驱动电路组成。主电路包括直流侧电容、变流器和输出滤波电路组成。检测调理电路包括直流电压、负载电流、SVG输出电流和电网电压检测调理电路组成。控制器件选用DSP，变流器采用IGBT；其工作过程为对负载电流、SVG输出电流、电网电压、直流侧电容电压进行检测，检测到的信号经过调理电路之后，送到控制器里进行运算处理，然后产生的PWM波信号经光电隔离电路和驱动电路送到变流器来驱动IGBT，从而控制IGBT的导通与关断，产生无功补偿信号。其中检测调理电路等的设计可参照1.4节的相关内容。本节主要分析主电路参数的确定。(1)SVG容量计算如果忽略SVG装置的内部损耗，则SVG装置的容量可用下式表示：式中，Q是SVG装置的输出容量(VA)；ES是电网相电压有效值(V)；UI是SVG装置桥式变流器输出相电压的有效值(V)；X是SVG装置输出连接电感的电抗值(Ω)。(2)SVG电路参数选取

为了在实际应用中使SVG系统既能满足性能要求，又能降低成本，需要对主电路的开关器件进行合理选择。SVG实际是工作阻感或阻容状态下的PWM变流器，其电路参数的选择可参考第5章的内容。8.1.2静止无功发生器的检测算法1．基于坐标变换的ip-iq检测算法2．数字低通滤波器参数的选取1．基于坐标变换的ip-iq检测算法基于坐标变换的瞬时无功理论信号检测主要有p-q法和ip-iq法两种。其中p-q法检测原理框图如图所示。

由于在ip-iq检测法中，只需要检测电网电压的相位信息，即使电网电压发生畸变，对检测结果的影响不大。所以在电网电压发生畸变时，ip-iq检测法检测精度更高，在实际中用更为广泛。2．数字低通滤波器参数的选取不论是p-q法还是ip-iq法，在检测负载电流的基波无功电流时，因为经过坐标变换得到的直流量中均含有高次谐波电流，所以需要将坐标变换后的结果经过低通滤波器(LowPassFilter-LPF)进行滤波之后，才能得到准确的基波无功电流。目前，坐标变换以及低通滤波都是在数字信号处理器(DSP)或FPGA中完成的。为了编写程序代码需要研究低通滤波器的数字实现方法。利用SignalProcessing工具箱中的DigitalFilterDesign工具比较简单方便，很容易根据期望阶数的期望频率特性得到数字滤波器离散化传递函数中的参数。采样频率：fs=12800Hz通频带截止频率：fc=30Hz把上述设计参数代入到DigitalFilterDesign中，响应类型(Responsetype)选Lownpass，设计方法(DesignMethod)选IIR(Butterworth)，如图所示。设计完成后，输出参数如下：SOSMatrix：[1211-1.979174727310090.979389350028798]Scalevalues：[5.36556796777882e-005;1]将以上相关参数代入式式中，b0=5.36556796777882e-005，b1=2b0，b2=b0，a0=1，a1=-1.97917472731009，a2=0.979389350028798。差分方程8.1.3静止无功发生器的控制策略

从控制方法上看，SVG系统的控制和PWM型变流器类似，有直接和间接电流控制两种方法。直接电流控制法就是将SVG系统等效成一个可控的交流电流源。而间接电流控制法就是将SVG系统等效成一个可控的交流电压源。间接电流控制法是通过控制三相变流器输出电压的幅值和相位来实现的。

另外，直流侧电压由于实时补偿电流的变动和系统损耗的产生，不能保持在一个稳定值。为了使直流侧电压保持稳定，需要直流侧从电网吸收有功电流。这个有功电流可由以下方法实现，通过直流侧电压给定值和实际反馈值进行比较，两者之差经PI调节得到调节信号，将这个分量作为瞬时有功电流的直流分量，经反变换后使交流测得电流中含有有功电流分量，这样就能实现交流侧和直流侧能量交换，将直流侧电容电压Udc调节至给定值，从而保持直流侧电压的稳定。8.1.3静止无功发生器的控制策略1.调制法控制策略2.三角波比较控制3.滞环控制1.调制法控制策略2.三角波比较控制SVG三角波比较控制策略如图所示，其中有功和无功指令电流的获取如同上节一样，直流侧电容电压的给定信号，其与反馈信号比较后，经PI调节产生的有功指令电流信号。利用基于坐标变换获取无功电流指令信号。将变换后的实际电流与指令电流做差进行PI调节，再反变换后与三角波比较，产生PWM信号驱动变流器，使输出信号跟随指令信号变化，达到补偿无功电流的目的。3.滞环控制SVG滞环控制法如图所示，其指令电流的产生同上，滞环控制法是将指令电流与实际反馈的电流做差与设定的