【《静止无功补偿器（SVG）的工作原理分析》3700字】

1111静止无功补偿器（SVG）的工作原理分析目录TOC\o"1-3"\h\u23059静止无功补偿器（SVG）的工作原理分析 124111.1静止无功发生器的基本原理 112871.2链式静止无功发生器结构设计 3314181.3链式SVG的数学模型 840241.4主电路参数的设计 980411.5主电路参数设计实例 10126821.5.1H桥逆变单元 11286681.5.2直流电容 11278621.5.3连接电抗 111.1静止无功发生器的基本原理SVG的一个基本原理就是通过电抗器或者直接将自换相桥式电路并联在电网上，调节桥式电路交流侧输出电压的幅值和相位，或者直接控制它们电路中的无损交流侧输出电流，使电路吸收、发出满足负载需要的无功电流，进而实现动态无功补偿的目的。SVG通常分为电压桥式和电流桥式两种类型。电压桥式电路的基本结构如图2-1所示，采用的是IGBT逆变桥SVG。图2-1电压型桥式电路SVG的工作原理就可进一步的釆用图2-2所示的单相等效电路图来说明。图2-2SVG等效电路设用Us表示电网电压，Usvg表示SVG输出交流电压，Ul表示电抗X上的电压，也是电网电压Us和SVG输出交流电压Usvg的向量差。连接电抗从电网吸收的电流I可以由电压控制其大小，改变SVG交流侧输出电压Usvg的幅值及其相位,即间接地改变连接电抗的电压Ul，从而控制了连接电抗吸收无功功率的性质和大小。若忽略电抗器电阻，也就是说等效电路中连接电抗器为纯电感，不吸收有功，此时Usvg、Us相位一致，改变Usvg的幅值大小就能实现对SVG从电网吸收的电流I是超前还是滞后的控制。如图2-3(a)所示，Usvg大于Us，电压滞后电流90度，SVG吸收的无功功率为容性。图2-3(b)中，Usvg等于Us，电流为零，SVG不吸收也不发出无功功率。图2-3(c)中，Usvg小于Us，电压超前电流90度，SVG吸收的无功功率为感性。图2-3无功示意图(纯电感时)考虑连接电抗器本身的损耗，并为连接电抗器的电阻考虑，SVG的实际等效电路中R不等于0,如图2-2所示。SVG输出交流电压Usvg与电流相位差仍为90度，电网电压Us与电流相位差比90度小了δ角。改变δ角和Usvg的幅值，即可改变电流I的相位和大小，从而实现SVG的无功功率的调节。具体原理见图2-4。当Us超前USVGδ角时,SVG吸收无功功率为容性，当Us滞后Usvgδ角时，SVG吸收无功功率为感性。图2-4无功示意图(有损耗时)1.2链式静止无功发生器结构设计根据本文背景项目的要求，主电路设计指标及参数如下：1） 补偿容量：10kvar；2） 额定电压：380V；3） 接线形式：三相三线制Y型联接；4） 可实现全容量无功补偿及三相不平衡补偿；5） 效率：大于93%根据设计指标及参数要求，主电路采用链式拓扑结构设计，其拓扑结构如图2-5所示。图2-5SVG主电路拓扑结构在图2-5所示的主电路拓扑结构中，SVG主电路采用链式结构，Y型联接，每一相由N个独立H桥逆变单元构成，每个H桥逆变单元由四个IGBT模块构成，直流侧电容都是独立的交流侧通过串联接入380V系统。La、Lb、Lc分別是三相的接入电抗器,通过真空开关与380V电网连接。控制系统是链式SVG装置的重要部分,其性能直接影响装置的性能。鉴于链式SVG控制系统计算量大，控制复杂，控制精度要求高，本文采用分层控制结构。控制系统分为三层结构，分别为控制层，中间层和驱动层。控制系统架构如图2-6所示。图2-6中，控制层主要完成信号检测、无功功率计算、实现控制算法及通信等功能；中间层主要完成脉冲信号的分配及通信等功能；驱动层主要完成IGBT驱动、保护及故障识别、处理等功能。图2-6控制系统架构图Fig.2-6ControllerStructure1）控制层控制层需要完成的算法比较复杂，且需要完成SPWM调制及控制功能，因此这里选择DSP+FPGA架构构建控制层，并采用TI公司的TMS320F28335型DSP与ALTERA公司的EP1K50QC208-3型FPGA构建。如图2-7。其主要完成功能有：a.电压、电流信号检测；b.无功功率计算；c.直流电压均衡控制；d.CPS-SPWM调制；e.与上位机及中间层通信；f.故障报警及控制。图2-7链式SVG控制层2）中间层中间层是控制层和驱动层之间的桥梁，中间层接收控制层的SPWM调制信号，并把每相调制信号进行分配，分别把每相的驱动信号传送给驱动层，中间层把调制信号通过光纤传送给驱动层，同时从驱动层获得驱动层状态信息及报警信息。这里拟采用ALTERA公司的FPGA构建中间层。如图2-7,其主要完成功能有：a.接收控制层的调制信号，并把状态信息和报警信息传送到控制层；b.分配SPWM调制信号信息给驱动层；c.接收驱动层传送的状态信息和报警信息；3） 驱动层驱动层主要完成IGBT驱动信号的产生，采集状态信息及报警信息，与中间层交换信息。拟采用ALTERA公司的FPGA构建驱动层，如图2-8,其主要完成的功能是：a.产生IGBT驱动信号，在发生故障时封锁驱动信号；b.采集底层状态信息，包括各IGBT模块状态，直流电容状态及温度等信息；c.采集报警信息，包括IGBT过流、直流电容过压、欠压及温度保护等报警信息;d.接收中间层传送的SPWM调制信息，把状态信息和报警信息传送回中间层。图2-8链式SVG驱动层基于以上分析，我们设计如图2-9所示的控制器结构。图2-9控制器结构图图2-9中，主控板完成信号检测、无功计算及相关控制算法的计算，也就是系统的控制层，三相PWM板完成PWM调制信号的分配，并与主控板及驱动板通信，是系统的中间层，驱动板完成各个H桥模块的驱动控制，状态采集及报警采集，是系统的驱动层。本文所设计的控制系统就是基于以上结构的，具体设计方案和重要算法控制策略将在后续文中一一说明。1.3链式SVG的数学模型在建立数学模型之前，先假设以下条件：1） 采用三相对称电路，严格控制各逆变桥参数相同。2）要求系统电压、SVG输出电压对称，其中的高次谐波忽略不计。3） 各H桥之间的损耗包括串联型、并联型和混合型损耗。串联型损耗用串联电阻表示，并联型损耗用与电容并联的电阻表示，而混合型损耗则用受控电流源表示，最后变压器漏抗与连接电抗用端口的等值电感表示。4） 每相所有逆变桥的直流电容电压相等。每一相的链式电路都可以等效为图2-10(a)所示的结构。将级联的H桥组成的单相逆变器用理想电压源替代，各种损耗用等效器件代替，可进一步等效如图2-10(b)所示的模型。图2-10静止无功补偿器A相等效电路其中，UdcA=，，，设A相输出电压为uA=MudcAsin(ωt-δ),则有（2-2）求解时稳态时的解有（2-3）由此可以看出，电容电压稳态分配仅与并联损耗、开关损耗和脉冲延时存在差异有关，与电压电流中的谐波值以及电容容值无关，深入探究造成直流电容电压不平衡的原因，与下文中提出的解决办法相一致。进一步求解稳态时的无功功率和有功功率有［50_52（2-4）（2-5）从公式(2-4)、(2-5)可以看出，稳态无功不仅与δ有关，还与调制比M有关，稳态无功存在一个小的区间使得SVG吸收无功，因此存在一定的非线性区域，发出额定无功所需δ大于吸收额定无功时的δ,因而使得发出额定无功时的损耗大于吸收额定无功时的损耗。1.4主电路参数的设计决定链式SVG系统的主电路参数主要有级联的单元数、直流侧电容电压、电容值、连接电感等【53-55】，如图2-11。图2-11链式SVG样机的主电路负载、等效电阻和连接电感1）级联单元数级联元件的数量需要考虑系统的电压、选择的开关器件、成本等因素来确定。在考虑一定安全裕度的前提下，根据开关管的电压等级确定直流侧电容电压值。作为初始值，进一步确定H桥输出电压的有效值。通过对系统相电压的有效值进行划分，确定H桥的个数，并留有一定的裕量。2）直流侧电容电压直流侧电容电压有两种计算方法。方法一:根据连接的电感确定最大输出电压，进一步确定直流侧的电容电压。电感的大小存在一定的误差，在计算时需要考虑。方法二:根据调制比建立公式，并考虑开关管电压降、死区等因素的影响，计算直流电容电压。3）电容值电容值的选择主要考虑直流侧电压波动，一般在10%额定值范围内。各H桥吸收和传输的无功功率直接影响电容器电压的波动。在设计电容值时，应在吸收和传输最大无功功率的情况下，根据功率守恒定律进行计算。4）连接电感器连接电感的大小与逆变器的容量成正比。考虑到耦合电感在限制短路电流和抑制谐波方面的作用，并考虑到系统的成本，耦合电感不宜过小或过大。因此，标准值一般为10%-20%1.5主电路参数设计实例主电路设计指标及参数：1)补偿容量：10kvar；2)额定电压：380V；3)接线形式：三相三线制；4)可实现全容量无功补偿及三相不平衡补偿；5)效率：大于93%。1.5.1H桥逆变单元链式结构SVG的基本功率单元就是H桥逆变单元，每一相由多个H桥逆变单元串联组成，每个H桥逆变单元由4个IGBT模块组成。设定每个H桥逆变单元直流侧电压额定值为170V,考虑冗余，采用耐压为600V的IGBT模块，在380V,10kvar额定容量的链式SVG中，通过IGBT模块集电极最大电流有效值为：Imax=Q/√3V=10×103÷(√3×380)≈15.2A则流过IGBT模块集电极峰值电流为21.5A。考虑容余，选取在最大壳温额定值大于30A的IGBT。样机我们采用两个H桥逆变单元就能满足要求。1.5.2直流电容链式SVG电路的每个支持H桥电压逆变器的直流侧都分别设置了一个独立的直流稳压电容器,它们都可以直接作为支持H桥电压逆变器直流侧的一个储存功能控制元件，起着电流控制和驱动支持H桥逆变器直流侧输出电压的重要调节作用。理论上电容越大，电压波动越小，但成本也就越高。选取直流电容应满足如下条件:（2-7）式（2-7）中，Is为相电流;M为调制比，取0.9;λ为装置允许的最大波动量，取值范围为±5%～10%，取5%;Udcmax为直流电容电压;ω为系统电源角频率。则∶(2-8)实际中，可以选取两个750μF/450V