新型混合動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償器教材

1、新型混合動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償器設(shè)計(jì)者：張敏,徐然,邊文浩,韓偲彬,汪競(jìng)之,王靜指導(dǎo)教師:尹忠東摘要現(xiàn)配電系統(tǒng)中普遍存在的無(wú)功不足、功率因數(shù)過(guò)低等問(wèn)題，由于系統(tǒng)中存在消耗無(wú)功功率的電氣設(shè)備，在配電網(wǎng)絡(luò)中，用戶消耗的無(wú)功功率約占 50%,其余的則消耗在配電網(wǎng)中。因此，為 了減少無(wú)功功率在網(wǎng)絡(luò)中的輸送，在配電網(wǎng)絡(luò)中分散的負(fù)荷區(qū)進(jìn)行無(wú)功就地補(bǔ)償，則可大大提 高系統(tǒng)功率因數(shù)，減少線路損耗，降低能耗，提高設(shè)備利用率。通過(guò)分析可知，現(xiàn)有的無(wú)功補(bǔ) 償裝置均有各自的缺點(diǎn)，因此在此基礎(chǔ)上提出了一種全新的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)，有別于常規(guī)的 SVC而是采用固定電容器或者電抗器串聯(lián)逆變器的結(jié)構(gòu)，通過(guò)調(diào)節(jié)逆變器的輸出電壓，改變固定電

2、容器上的電壓，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)系統(tǒng)無(wú)功的目的。以系統(tǒng)無(wú)功最小為控制目標(biāo)設(shè)計(jì)控制算法，通 過(guò)選擇逆變器元件參數(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。利用PSCA肪真軟件建立仿真模型對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，對(duì)系統(tǒng)各部分提供無(wú)功曲線，補(bǔ)償裝置輸出的無(wú)功功率、電壓、電流波形曲線及頻譜圖進(jìn)行分析 可知此補(bǔ)償裝置無(wú)需低通濾波器，注入系統(tǒng)的諧波含量很小，電流失真度小，動(dòng)態(tài)性能好，逆 變器裝置容量小，且在設(shè)計(jì)容量范圍內(nèi)能精確的發(fā)出或吸收無(wú)功，將補(bǔ)償支路的功率因數(shù)提高 到0.95左右。通過(guò)設(shè)計(jì)和制作原理樣機(jī)并掛網(wǎng)運(yùn)行，可知該無(wú)功補(bǔ)償裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有一 定的實(shí)用價(jià)值和可推廣性。關(guān)鍵詞 無(wú)功補(bǔ)償，功率因數(shù)，逆變器，動(dòng)態(tài)性能、概述在現(xiàn)代用電企業(yè)中，在數(shù)量

3、眾多、容量大小不等的感性設(shè)備連接于電力系統(tǒng)中，以致電網(wǎng) 傳輸功率除有功功率外，還需無(wú)功功率。如自然平均功率因數(shù)在0.700. 85之間。企業(yè)消耗電網(wǎng)的無(wú)功功率約占消耗有功功率的60%90%，如果把功率因數(shù)提高到0. 95左右，則無(wú)功消耗只占有功消耗的 30%左右。由于減少了電網(wǎng)無(wú)功功率的輸入，會(huì)給用電企業(yè)帶來(lái)效益。(1) 節(jié)省企業(yè)電費(fèi)開(kāi)支提高功率因數(shù)對(duì)企業(yè)的直接經(jīng)濟(jì)效益是明顯的，因?yàn)閲?guó)家電價(jià)制度中，從合理利用有限電 能出發(fā)，對(duì)不同企業(yè)的功率因數(shù)規(guī)定了要求達(dá)到的不同數(shù)值，低于規(guī)定的數(shù)值，需要多收電費(fèi),高于規(guī)定數(shù)值，可相應(yīng)地減少電費(fèi)?？梢?jiàn)，提高功率因數(shù)對(duì)企業(yè)有著重要的經(jīng)濟(jì)意義。(2) 提高設(shè)備的利

4、用率對(duì)于原有供電設(shè)備來(lái)講，在同樣有功功率下，因功率因數(shù)的提高，負(fù)荷電流減少，因此向負(fù)荷傳送功率所經(jīng)過(guò)的變壓器、開(kāi)關(guān)和導(dǎo)線等供配電設(shè)備都增加了功率儲(chǔ)備，從而滿足了負(fù)荷 增長(zhǎng)的需要；如果原網(wǎng)絡(luò)已趨于過(guò)載，由于功率因數(shù)的提高，輸送無(wú)功電流的減少，使系統(tǒng)不至 于過(guò)載運(yùn)行，從而發(fā)揮原有設(shè)備的潛力；對(duì)尚處于設(shè)計(jì)階段的新建企業(yè)來(lái)說(shuō)則能降低設(shè)備容量， 減少投資費(fèi)用，在一定條件下，改善后的功率因數(shù)可以使所選變壓器容量降低。因此，使用無(wú) 功補(bǔ)償不但減少初次投資費(fèi)用，而且減少了運(yùn)行后的基本電費(fèi)。（3）降低系統(tǒng)的能耗由于負(fù)荷無(wú)功得到就地補(bǔ)償，提高系統(tǒng)功率因數(shù)，使得傳輸線上的電流大大減小，系統(tǒng)只 需要提供有功電流而不需

5、要提供無(wú)功電流，線損得到降低，提高傳輸效率。二、系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理2.1方案選擇對(duì)目前應(yīng)用較多的幾種無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)進(jìn)行相互比較分析，從而提出一種新穎的混合動(dòng)態(tài)無(wú) 功補(bǔ)償思路。2.1.1固定電容器補(bǔ)償并聯(lián)電容器是目前最主要的無(wú)功補(bǔ)償方法。其主要特點(diǎn)是價(jià)格低，效率高，運(yùn)行成本低， 在保護(hù)完善的情況下可靠性也很高。在高壓及中壓系統(tǒng)中主要使用固定連接的并聯(lián)電容器組，而在低壓配電系統(tǒng)中則主要使用 自動(dòng)控制電容器投切的自動(dòng)無(wú)功補(bǔ)償裝置。自動(dòng)無(wú)功補(bǔ)償裝置的結(jié)構(gòu)則多種多樣形形色色，適 用于各種不同的負(fù)荷情況。并聯(lián)電容器的最主要缺點(diǎn)是其對(duì)諧波的敏感性。當(dāng)電網(wǎng)中含有諧波時(shí)，電容器的電流會(huì)急 劇增大，還會(huì)與電網(wǎng)中的感

6、性元件諧振使諧波放大。同時(shí)收到自動(dòng)開(kāi)關(guān)動(dòng)作速度和次數(shù)的限制，固定電容器補(bǔ)償不能迅速跟蹤符合無(wú)功的變化，動(dòng)態(tài)性能較差。另外，并聯(lián)電容器屬于恒阻抗 元件，在電網(wǎng)電壓下降時(shí)其輸出的無(wú)功電流也下降，因此不利于電網(wǎng)的無(wú)功安全。2.1.2 SVC 補(bǔ)償SVC的全稱是靜止式無(wú)功補(bǔ)償裝置，靜止兩個(gè)字是與同步調(diào)相機(jī)的旋轉(zhuǎn)相對(duì)應(yīng)的。國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議將 SVC定義為7個(gè)子類： 機(jī)械投切電容器（MSC 機(jī)械投切電抗器（MSR 自飽和電抗器（SR 晶閘管控制電抗器（TCR 晶閘管投切電容器（TSC 晶閘管投切電抗器（TSR 自換向或電網(wǎng)換向轉(zhuǎn)換器（ SCC/LCC根據(jù)以上這些子類，我們可以看出：除調(diào)相機(jī)之外，用電感或電容

7、進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償?shù)难b置幾 乎均被定義SVG目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上被宣傳為SVC的產(chǎn)品主要是晶閘管控制電抗器（TCR和晶閘管投切電容器（TSC。TCR的基本結(jié)構(gòu)包括一組固定并聯(lián)連接在線路中的電容器和一組并聯(lián)連接在線路中用晶閘 管控制的電抗器，通常將電抗器的容量設(shè)計(jì)成與電容器一樣。由于電抗器是用晶閘管控制的， 其感性無(wú)功電流可以變化。當(dāng)晶閘管關(guān)斷時(shí)，電抗器沒(méi)有電流，而電容器固定連接，因此整套 裝置的補(bǔ)償量最大。當(dāng)調(diào)節(jié)晶閘管的導(dǎo)通角時(shí)，電抗器的感性電流就會(huì)抵消一部分電容器電流，因此補(bǔ)償量減少，導(dǎo)通角越大，電抗器的電流越大，補(bǔ)償量就越小。當(dāng)晶閘管全通時(shí)，電抗器 電流就會(huì)將電容器電流全部抵消，此時(shí)補(bǔ)償量為0。在TC

8、R中，當(dāng)晶閘管的導(dǎo)通角小于 90時(shí)，電抗器的電流非正弦含有諧波成分，因此必須 將固定電容器組設(shè)計(jì)成濾波器形式或者配備另外的濾波器。綜上所述，可以看出 TCR的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，損耗大。但其具有補(bǔ)償量連續(xù)可調(diào)的特點(diǎn)，在高壓 系統(tǒng)中還有應(yīng)用。2.1.3 STATCOMSTATCO是一種使用IGBT、GTO或者SIT等全控型高速電力電子器件作為開(kāi)關(guān)控制電流的 裝置。其基本工作原理是：通過(guò)對(duì)系統(tǒng)電參數(shù)的檢測(cè)，預(yù)測(cè)出一個(gè)與電源電壓同相位的幅度適當(dāng)?shù)恼译娏鞑ㄐ?。?dāng) 系統(tǒng)瞬時(shí)電流大于預(yù)測(cè)電流的時(shí)候，STATCOM將大于預(yù)測(cè)電流的部分吸收進(jìn)來(lái)，儲(chǔ)存在內(nèi)部的儲(chǔ)能電容器中。當(dāng)系統(tǒng)瞬時(shí)電流小于預(yù)測(cè)電流的時(shí)候，STATCO

9、M將儲(chǔ)存在電容器中的能量釋放出來(lái)，填補(bǔ)小于預(yù)測(cè)電流的部分，從而使得補(bǔ)償后的電流變成與電壓同相位的正弦波。根據(jù)STATCOM工作原理，理論上 STATCOI可以實(shí)現(xiàn)真正的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，不僅可以應(yīng)用在感 性負(fù)荷場(chǎng)合，還可以應(yīng)用在容性負(fù)荷的場(chǎng)合。并且可以進(jìn)行諧波濾除，起到濾波器的作用。但 是實(shí)際的STATCOI由于技術(shù)的原因不可能達(dá)到理論要求，而且由于開(kāi)關(guān)操作頻率不夠高等原因，還會(huì)向電網(wǎng)輸出諧波。STATCOM的結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，價(jià)格昂貴，可靠性差，損耗大，目前仍處于研究試用階段，沒(méi) 有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。2.1.4新型混合動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置通過(guò)前文所分析的三種補(bǔ)償裝置都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上提出了一種全新的動(dòng)

10、態(tài)無(wú) 功補(bǔ)償技術(shù)，有別于常規(guī)的SVC而是采用固定電容器或者電抗器串聯(lián)逆變器的結(jié)構(gòu)，通過(guò)調(diào)節(jié)逆變器的輸出電壓，改變固定電容器上的電壓，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)系統(tǒng)無(wú)功的目的，該補(bǔ)償裝置具有 動(dòng)態(tài)性能好，逆變器裝置容量小等特點(diǎn)。 新型混合動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置結(jié)構(gòu)框圖如下圖2-1所示,圖2-2為新型混合動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償器主電路圖。卜H-S1S2S32.1新型混合動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置結(jié)構(gòu)框圖入輸 VAW03CAKM1+La ZYW_lt ZWLb-Lc25-HHTHiJ ixnzb cc c 【KM 2Ln rvSnl圖2-2新型無(wú)功補(bǔ)償器電路圖2.2仿真模型的建立利用PSCADt力系統(tǒng)仿真軟件建立仿真模型。2.2.1主電路仿真

11、模型的建立廝型無(wú)加卜層0 QQ1 l|H| 和M DUFooThsom.oTjFl4*1 JIIHI 3UDU DUF|,001n7lF|1 900 QUF|rkJ5JRMSQLoadBRefILoadBRefRMSehataicjjsRMSLoadCRefILoadCRefRMS圖2-11 利用DQ及無(wú)功檢測(cè)環(huán)節(jié)Unstruct圖2-12指令電壓產(chǎn)生環(huán)節(jié)SPWM交截及生成死區(qū)環(huán)節(jié)Compar-atorDelay 圖2-14電壓電流FFT變換環(huán)節(jié)2.3控制算法的分析和研究2-15所示。采用的控制算法是以系統(tǒng)無(wú)功最小為控制目標(biāo)，控制系統(tǒng)框圖如下圖根據(jù)系統(tǒng)、新型混合動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置及負(fù)荷間的無(wú)功功

12、率平衡關(guān)系為:QSVC Qsys qFC 二 QLoadQsys為系統(tǒng)提供的無(wú)功，QSVC為新型混合動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置提供的無(wú)功，qfc為固定電容器補(bǔ)償無(wú)功，QLoad為負(fù)荷需要的無(wú)功，我們的控制目標(biāo)是使系統(tǒng)向負(fù)荷提供的無(wú)功為0，負(fù)荷所需無(wú)功全部由新型混合動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置來(lái)補(bǔ)償。以Qsys為控制量，給定值設(shè)為 0,形成閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，最終使 Qsys穩(wěn)定為0,此時(shí)QSVC QFC二QLoad裝置投入運(yùn)行后，逆變器輸出電壓Ea、Eb、Ec與母線電壓UbusA、UbusB、U BusC相位相同，裝置向負(fù)荷補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功主要由電容產(chǎn)生。其大小為：qsvc =3 ubusa 一 Ea $ c - Qfc根

13、據(jù)上式就可以得到逆變器輸出電壓信號(hào)幅值大小Ea具體控制過(guò)程為：（a）首先采集母線三相電壓信號(hào)和電流信號(hào)，用瞬時(shí)無(wú)功功率理論計(jì)算出Qsys。一念一 2IIQi 12 2_3 二32 2C(2-2 )(2-3 )(b) Qsys與給定值o的差送入pi調(diào)節(jié)器中進(jìn)行運(yùn)算得到需要補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功量Q。(c)由 Q計(jì)算補(bǔ)償電容上需要的電壓U 。(d)母線電壓UBusA減去得到逆變器輸出電壓 Ea，再根據(jù)鎖相環(huán)得到的逆變器輸出電壓相位信息，通過(guò) SPWM控制得到IGBT的觸發(fā)脈沖信號(hào)，最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)無(wú)功閉環(huán)控制。2.4仿真結(jié)果及分析a、仿真條件：新型混合動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置輸出20kVar容性無(wú)功。給出系統(tǒng)仿真時(shí)域波形

14、圖以及頻域波形圖：Main :各部分無(wú)功大小圖2-16 系統(tǒng)各部分無(wú)功曲線圖2-16中的波形一次分別為 QLoad負(fù)荷需要的無(wú)功、QFC固定電容器輸出無(wú)功、Qsvc新型 混合動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置輸出的無(wú)功和Qsys系統(tǒng)提供的無(wú)功，由圖2-16我們可以知道，裝置投入運(yùn)行之后，系統(tǒng)提供的無(wú)功基本等于零，負(fù)荷需要的無(wú)功完全由固定補(bǔ)償電容器和新型無(wú)功 補(bǔ)償裝置提供，實(shí)現(xiàn)了無(wú)功補(bǔ)償?shù)墓δ堋D2-17 系統(tǒng)提供無(wú)功功率圖2-17給出的是系統(tǒng)提供無(wú)功的放大圖，從上圖我們可以清楚的看到，無(wú)功波動(dòng)的范圍在-0.05kVar以內(nèi)，可以認(rèn)為系統(tǒng)提供的無(wú)功基本為零，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)提供最小無(wú)功的控制目的。圖2-18 補(bǔ)償裝置輸

15、出無(wú)功圖2-18給出的是新型無(wú)功補(bǔ)償輸出無(wú)功放大波形，知道新型無(wú)功補(bǔ)償裝置提供的無(wú)功功率為20kVar左右。b、仿真條件：新型混合動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置輸出20kVar感性無(wú)功。下面給出系統(tǒng)仿真時(shí)域波形圖以及頻域波形圖：-25.0S0.70Main :各咅份無(wú)功大小25.020.015.010.00.0-10.0-15.0-20.000.7500.8000.8500.9000.9501.000aV-5.0 Qsvc QLoad Qsysh -iii *i1h 1 b 5.0圖2-19 系統(tǒng)各部分無(wú)功曲線圖2-19中的波形一次分別為 QLoad負(fù)荷需要的無(wú)功、QFC固定電容器輸出無(wú)功、 Qsvc新型

16、無(wú)功補(bǔ)償裝置輸出的無(wú)功和Qsys系統(tǒng)提供的無(wú)功，由圖2-19我們可以知道，裝置投入運(yùn)行之后，系統(tǒng)提供的無(wú)功基本等于零，負(fù)荷需要的無(wú)功完全由固定補(bǔ)償電容器和新型無(wú)功補(bǔ)償裝置 提供，實(shí)現(xiàn)了無(wú)功補(bǔ)償?shù)墓δ?。圖2-20 系統(tǒng)提供無(wú)功功率#圖2-20給出的是系統(tǒng)提供無(wú)功的放大圖，從上圖我們可以清楚的看到，無(wú)功波動(dòng)的范圍在 一 ONkVar以內(nèi)，可以認(rèn)為系統(tǒng)提供的無(wú)功基本為零，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)提供最小無(wú)功的控制目的。21.0020.8020.6020.400.9000.9501.000f /V P/A fV 卜/Vp/ VJ補(bǔ)償裝置提供的無(wú)功Qsvc20.2000.7500.8000.8500.7C圖2-21補(bǔ)

17、償裝置輸出無(wú)功圖2-21給出的是新型無(wú)功補(bǔ)償輸出無(wú)功放大波形，知道新型無(wú)功補(bǔ)償裝置提供的無(wú)功功率為20kVar左右。圖2-22新型混合動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置輸出電流波形linva11 0.0171237圖2-23新型混合動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置輸出電流頻譜圖2-22和圖2-23分別給出了裝置輸出的補(bǔ)償電流時(shí)域波形圖和頻譜分析圖，從上兩圖可 以得到，補(bǔ)償電流波形非常好，電流失真度 THD小于3%幾乎不會(huì)給系統(tǒng)注入諧波電流。由上面的理論分析和仿真分析可以得到，本課題所研究的新型 SVC裝置能夠很好的實(shí)現(xiàn)負(fù) 荷無(wú)功得補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)無(wú)功的最優(yōu)控制， 大大降低系統(tǒng)能耗，提高設(shè)備的利用率和傳輸效率， 在補(bǔ)償負(fù)荷無(wú)功的同

18、時(shí)并沒(méi)有給系統(tǒng)注入諧波電流，因而本 SVC裝置無(wú)需外加濾波器就能很好 的滿足各項(xiàng)指標(biāo)的要求。三、系統(tǒng)特性及功能實(shí)現(xiàn)3.1逆變器容量的確定20kVA根據(jù)裝置設(shè)計(jì)補(bǔ)償容量為 20kVA，則逆變器的主電路設(shè)計(jì)容量也必須大于等于并作為主電路各主要器件的選型依據(jù)。當(dāng)負(fù)荷需補(bǔ)償無(wú)功超過(guò)設(shè)計(jì)容量，再算法中需考慮容量 限制，防止裝置長(zhǎng)時(shí)間過(guò)載。考慮容量限制后，逆變器參考電流無(wú)功檢測(cè)的框圖如下。iaibici an亠i bn亠i cn亠圖3-1考慮容量限制逆變器參考電流檢測(cè)框圖3.2功率單元主電路設(shè)計(jì)考慮中線電流補(bǔ)償要求，電路如圖3-1所示。圖3-2單相主電路結(jié)構(gòu)示意圖在功率單元設(shè)計(jì)中，關(guān)鍵的在于電力電子器件的

19、選型及散熱設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)已知條件:裝置總?cè)萘縎 ；功率單元輸出額定電壓為Ue ； 功率單元直流側(cè)額定電壓為Udc ；設(shè)定最高開(kāi)關(guān)頻率fs1 串聯(lián)功率單元數(shù)MM UH(3-1)式中Ue為逆變器所接入的系統(tǒng)電壓等級(jí)。以上的計(jì)算只考慮了逆變器承受基波下的要求, 由于逆變器在補(bǔ)償時(shí)需要發(fā)出相應(yīng)的補(bǔ)償電壓，因此為防止調(diào)制過(guò)程的越限，在設(shè)計(jì)串聯(lián)數(shù)要 留有足夠的裕量。2逆變器輸出電流1 oeIoe i73 2e(3-2)3逆變器直流側(cè)電壓U dc功率單元采用單相半橋構(gòu)成的三相四橋臂，根據(jù)PWM調(diào)制規(guī)律直流電壓可計(jì)算如下,Uoe 疋運(yùn)Udc 1.15(3-3)其中1.1為直流電壓裕量系數(shù)，1.15為注入零序次諧波

20、后直流電壓利用率提高系數(shù)。由于 諧波補(bǔ)償?shù)囊螅绷麟妷阂M可能留有裕量。因此通常在滿足式（3-3）的前提下，盡可能將充分利用功率器件的耐壓水平。因此，當(dāng)選擇額定電壓為1700V的IGBT管時(shí)，直流電壓可選擇為1000V。IGBT的型號(hào)選擇好后還必須根據(jù)實(shí)際運(yùn)行工況對(duì)其安全工作區(qū)（SOA）進(jìn)行驗(yàn)證。其詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)參考資料。散熱器選型計(jì)算散熱器必須為逆變電路提供良好的散熱條件，因此散熱器的選型非常關(guān)鍵。其選擇主要根據(jù)其電路損耗功率來(lái)定，但I(xiàn)GBT在PW碉制方式下，開(kāi)關(guān)過(guò)程比較復(fù)雜，很難精確的計(jì)算各種損耗。工程中通常按照經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)計(jì)算IGBT損耗功率。在逆變器主電路中，功率器件工作在高頻狀態(tài)，器件的

21、開(kāi)關(guān)損耗占全部損耗的絕大部分。般廠家會(huì)給出各種典型參數(shù)方便計(jì)算。IGBT模塊的開(kāi)關(guān)損耗計(jì)算如下:PgBT_sw =4兀 fsw * (Eon + Eff )(I ,u d J )(3-4)其中：Eon、Eoff根據(jù)實(shí)際運(yùn)行的工況從參考資料中的相應(yīng)曲線查出。 按照以上計(jì)算結(jié)果根據(jù)下式可計(jì)算得到選擇散熱器的熱阻為：1.5 x P(3-5)其中：Tj IGBT允許的最大結(jié)溫； Ta 環(huán)境溫度；P 損耗功率。 直流電容容量計(jì)算由于功率單元采用隔離變壓器串聯(lián)，功率單元直流側(cè)可以共用直流電容。直流電容的作用 是穩(wěn)定電壓，理論上電容值越大越有利于電壓的穩(wěn)定，但大電容成本高，體積大，不利于現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。工程實(shí)踐中

22、確定電容量的主要依據(jù)是直流電壓的低頻脈動(dòng)率。所需濾波電容量可按工程 經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：TdK(“F)(3-6)式中I為逆變器的額定輸出電流有效值，Ud為直流電壓平均值，f為逆變器的最低輸出頻率，a為允許的直流電壓波動(dòng)峰值的紋波因數(shù)，K是裕量系數(shù)。連接電抗器設(shè)計(jì)連接電抗器一方面將功率單元與電網(wǎng)隔離，另一方面其漏感可以濾除逆變器輸出電壓中開(kāi)關(guān)次諧波。為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過(guò)程，可以將級(jí)聯(lián)型逆變器等效為一個(gè)三相橋式逆變器。如圖3-2所示，此時(shí)變壓器等效為一個(gè)連接電感，起到低通濾波器（LPF）的作用，LPF對(duì)于逆變器的性能具有決定性的影響。在 LPF的參數(shù)確定前，可以把逆變器與系統(tǒng)相連的部分看成是一個(gè)黑匣子， 從而

23、可以根據(jù)巴特沃斯濾波器設(shè)計(jì)原則進(jìn)行確定漏感參數(shù)。圖3-3 并聯(lián)型逆變器與電網(wǎng)連接的基本結(jié)構(gòu)1）巴特沃斯低通濾波器的設(shè)計(jì)按給定的指標(biāo)設(shè)計(jì)一個(gè)低通濾波器，重點(diǎn)是尋找一個(gè)恰當(dāng)?shù)慕坪瘮?shù)來(lái)逼近理想特性。這 種基于不同類似近似函數(shù)的綜合方法，長(zhǎng)期以來(lái)得到廣泛應(yīng)用的已有許多，其中具有優(yōu)良性能 的濾波器，如巴特沃斯、切比雪夫和橢圓濾波器。而在這三種濾波器當(dāng)中，巴特沃斯濾波器在 線形相位、衰減斜率和加載特性三個(gè)方面具有特性均衡的優(yōu)點(diǎn)。特別是隨著階數(shù)的增加，濾波 器的衰減斜率會(huì)逐步增加，而且具有“最大平坦”的特性。因此在實(shí)際使用中，巴特沃斯濾波 器被列為首選。|h ( |2ii7容限范圍i +名2/*|i 11

24、1 *1 +孟i_ ：二_tL 匸II10)o110- c- r”通帶過(guò)渡帶阻帶圖3-4巴特沃斯低通濾波器的幅度平方頻率響應(yīng)所謂巴特沃斯濾波器就是以巴特沃斯近似函數(shù)作為濾波器的系統(tǒng)函數(shù)，該函數(shù)以最高階泰 勒級(jí)數(shù)的形式來(lái)逼近理想矩形特性，式（3-7）即為其通用模方函數(shù)表達(dá)式：21 /2N ,N=1, 2, 3-(3-7)2可見(jiàn)，它的分子等于常數(shù)，分母是的多項(xiàng)式，是一個(gè)正實(shí)常數(shù)，由它導(dǎo)出的系統(tǒng)函數(shù)在物理上是可以實(shí)現(xiàn)的。式中 N表示濾波器的階數(shù)是正整數(shù)，-為截止頻率，；為與通帶衰耗 人卩有關(guān)的參數(shù)，為與阻帶衰耗 A有關(guān)的參數(shù)，如圖3-4所示，圖中c是截止頻率，也是通帶的 邊界頻率，r是阻帶的邊界頻率

25、，所以有：的最大衰Ap = 10lg故得耗為Ap ,則根據(jù)式(3-9)有：、= c ,122 =10lg(1；2)H(c)211 ；2=10叫-1(3-10)通帶：H佝)|和g(3-8)阻帶：2 1H (如 1 丄2 N1(3-12)從上圖3-5可以看出，歸一化模方函數(shù)其幅度隨著N的增加，通帶愈益平卜坦，愈接近理想特性，當(dāng)N:則逼近矩形。當(dāng)然在實(shí)際的濾波器設(shè)計(jì)中，一方面要考慮濾波器的濾波特性, 另一方面也需考慮隨著濾波器階數(shù)增加，實(shí)際濾波裝置的成本也將隨之增加。所以在性能和成 本間取一個(gè)平衡點(diǎn)，令濾波裝置達(dá)到最佳的性能價(jià)格比，是設(shè)計(jì)濾波器過(guò)程中必須予以考慮的 一個(gè)問(wèn)題。2)LPF的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則

26、低通濾波器階數(shù)N對(duì)通帶特性，過(guò)渡帶寬窄以及阻帶衰耗大小影響很大。因此如何根據(jù)給 定的通、阻帶指標(biāo)，恰當(dāng)?shù)剡x擇濾波器的階數(shù)N是首先需要考慮的問(wèn)題。設(shè)計(jì)逆變器與電網(wǎng)連接處濾波電感和濾波電容的參數(shù)按照巴特沃斯低通濾波器逼近原則統(tǒng)一的設(shè)計(jì)，各項(xiàng)給定指標(biāo)如下：(1)濾除；輸出電流只含有應(yīng)補(bǔ)償 25次及以下的諧波電流,對(duì)于25次以上的諧波分量應(yīng)有效的(2)通帶截止頻率阻帶截止頻率fc =15Hz，通帶最大衰耗為 fr = 4500Hz，阻帶最小衰耗為(3)按巴特沃斯逼近方法，首先需要確定低通濾波器的階數(shù)Ap= 3dB ；=23dBoN。由已知條件，可得:歸一化頻率: = -.100.1Ar -1 =14.

27、09lg 14.09N2.4階數(shù)：lg3取階數(shù)N =3階。得到3階低通濾波器歸一化傳遞函數(shù)為:1H(S)S3 +2S2 +2S +1(3-13)歸一化參考角頻率即截止角頻率亠=2二1250Hz =9424劇/s，將，帶入(3-13)式進(jìn)行反歸一化可得巴特沃斯系統(tǒng)函數(shù)：S) 1H(S) 一1.1948X10S3 +2.2X10S2 +2.1222X10S + 1(3-14)(3-14)式即為所需設(shè)計(jì)低通濾波器的實(shí)際傳遞函數(shù)。上面的環(huán)節(jié)我們通過(guò)給定巴特沃斯低通濾波器的性能指標(biāo)求出其在逆變器中的傳遞函數(shù)， 而巴特沃斯濾波器具體的結(jié)構(gòu)和參數(shù)還要根據(jù)有源濾波器實(shí)際使用情況來(lái)制定和調(diào)整。3)LPF參數(shù)的確

28、定根據(jù)巴特沃斯濾波器設(shè)計(jì)原則以及逆變器對(duì)低通濾波器的設(shè)計(jì)要求得出LPF的傳遞函數(shù)式(3-14)，在接下來(lái)就要根據(jù)低通濾波器的實(shí)際結(jié)構(gòu)確定其具體參數(shù)。圖3-6為逆變器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3-6中，Ls為系統(tǒng)等效內(nèi)電感；LC低通濾波器傳遞函數(shù)如（3-14）式所示。根據(jù)前面的 計(jì)算，我們確定選用三階巴特沃斯低通濾波器，那么實(shí)際的電路結(jié)構(gòu)如圖3-7所示，其中R為逆變環(huán)節(jié)等效電阻。圖3-7中的虛線框內(nèi)為L(zhǎng)C低通濾波器，電阻R包括開(kāi)關(guān)元件的等效電阻和電感線圈電阻在內(nèi)。考慮到系統(tǒng)可以認(rèn)為是線性對(duì)稱的，因此可以采用疊加原理進(jìn)行分析，其單相諧波等效圖3-8單相諧波等效電路圖3-8a中，l=L2 Ls，5為諧波電壓源

29、，即有源濾波器逆變器輸出的一系列等幅不等寬的方波電壓，其波形頻譜包括用于補(bǔ)償作用的低次諧波分量和高頻開(kāi)關(guān)諧波。其中Uh可以用一個(gè)電流源ih來(lái)等效如圖3-8b所示。低通濾波器的作用就是把ih中的高頻分量濾除，因此根據(jù) 圖3-8可以得到傳遞函數(shù)如下:Ish(S)1lh(S)LC s3 +cls2 +(L1 +L) s+1RR(3-15)對(duì)比（3-14）式和（3-15）式可得：LLC =1.1948 10 上RCL =2.2 10=2.1222 10-其中R主要是逆變器等效內(nèi)阻，這個(gè)阻值比較小，在這里我們按照經(jīng)驗(yàn)值取其為0.8歐姆 （該電阻大小可根據(jù)IGBT的伏安特性來(lái)確定），這樣可以計(jì)算得到：Li

30、 = 0.42 OH|_=1.28沃10鼻日 C=174x10F以上數(shù)值是根據(jù)巴特沃斯低通濾波器的設(shè)計(jì)原理和逆變器的結(jié)構(gòu)給出的低通濾波器參數(shù), 在實(shí)際裝置中該參數(shù)還要依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況和其他因素給予適當(dāng)?shù)恼{(diào)整和優(yōu)化。調(diào)整后參數(shù)為L(zhǎng) 0.4510H L = 0.1510 H C = 610_6F3.3實(shí)驗(yàn)分析和驗(yàn)證3.3.1電感支路實(shí)驗(yàn)（紅色為系統(tǒng)電壓波形 350V/格，藍(lán)色為輸出電流波形30A/格）電流頻譜諧波橫數(shù)圖3-10輸出電流頻譜分析結(jié)果上圖3-8給出的是新型混合動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置工作在感性額定無(wú)功功率輸出時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形，其中圖中波形1為系統(tǒng)電壓波形，波形 2為裝置輸出電流波形，電壓波形超前電流波

31、形90度，從圖中我們可以得到裝置輸出電流波形具有非常好的正弦度，諧波電流含量很小，對(duì)系統(tǒng) 基本沒(méi)有影響。圖3-10給出的是裝置輸出電流頻譜分析柱狀圖，其中橫坐標(biāo)是各次諧波，縱坐標(biāo)是基波及各次諧波相對(duì)于基波的百分?jǐn)?shù)，從FFT分析得到的結(jié)果中也可以清楚地得到，裝置只輸出無(wú)功補(bǔ)償需要的基波電流分量，電流失真度THD=1.2%，注入系統(tǒng)的各次諧波含量很小。3.3.2電容支路實(shí)驗(yàn)i丄 llfc-I iray$ i.卜 j l% i n . l 11, i i圖3-11電容支路投入100%輸出附注1:紅色為系統(tǒng)電壓波形350V/格，藍(lán)色為輸出電流波形30A/格圖3-12 輸出電流頻譜分析結(jié)果上圖3-11給

32、出的是新型混合動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置工作在容性額定無(wú)功功率輸出時(shí)的實(shí)驗(yàn)波 形，其中圖中波形1為系統(tǒng)電壓波形，波形 2為裝置輸出電流波形，電壓波形滯后電流波形90度，從圖中我們可以得到裝置輸出電流波形相對(duì)于電感之路工作要差一些。圖3-12給出的是裝置輸出電流頻譜分析柱狀圖，其中橫坐標(biāo)是各次諧波，縱坐標(biāo)是基波及各次諧波相對(duì)于基波的百分?jǐn)?shù)，從FFT分析得到的結(jié)果中也可以清楚地得到，裝置輸出無(wú)功補(bǔ)償需要的基波電流分量之外還帶有額外的五、七次諧波，電流失真度也有所增加為THD=5.2%上述諧波增加的原應(yīng)是由于電容之路工作時(shí)相互之間的阻抗發(fā)生變化，使得連接系統(tǒng)地阻 抗變小，導(dǎo)致少量諧波注入系統(tǒng)，但其含量不是很大

33、，可以通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)逆變器的濾波器以及 改變控制策略來(lái)消除諧波，可以滿足設(shè)計(jì)要求。3.3.3逆變器輸出電壓實(shí)驗(yàn)i-2-T11 1 r 1 1 1 1 f 1 1 1 r r 1 1 I 1 1 1 r_圖3-13 電容支路投入10050%俞出突變附注2 :紅色為系統(tǒng)電壓波形350V/格，藍(lán)色為逆變器輸出電壓波形350V/格圖3-14 電感支路投入10050%輸出突變附注3:紅色為系統(tǒng)電壓波形 350V/格，藍(lán)色為逆變器輸出電壓波形350V/格上圖3-13和3-14給出新型混合動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置感性和容性二分之一容量階越動(dòng)態(tài) 實(shí)驗(yàn)波形，上兩圖中波形 1為系統(tǒng)電壓波形，波形 2為裝置輸出電壓波形，從上

34、兩圖中我們可 以清楚地看到裝置具有非?？焖俚膭?dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程，裝置從滿載突變二分之一容量的動(dòng)態(tài)相應(yīng)時(shí) 間不到1/4個(gè)工頻周期，表明裝置能夠及時(shí)跟蹤負(fù)荷變化，并且在裝置輸出容量突變過(guò)程中對(duì) 系統(tǒng)電壓基本沒(méi)有影響。圖3-15 補(bǔ)償前后功率因數(shù)曲線上圖上圖3-15給出的是新型混合動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置投運(yùn)前后補(bǔ)償支路功率因數(shù)變化曲線， 參數(shù)曲線是通過(guò)測(cè)量?jī)x器采用TOPAS200電能質(zhì)量分析儀得到的，其中圖中上面曲線為補(bǔ)償之后的功率因數(shù)曲線，下面的曲線給出的補(bǔ)償之前的功率因數(shù)曲線，表明在裝置投入之后確實(shí)能 夠?qū)⒀a(bǔ)償支路的功率因數(shù)提高到 0.95左右，達(dá)到補(bǔ)償負(fù)荷無(wú)功功率的目的。從上述仿真分析和實(shí)驗(yàn)分析表明，本新

35、型混合動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置具有良好的性能，在設(shè)計(jì)容量范圍能能夠精確的補(bǔ)償負(fù)荷無(wú)功，從而保證補(bǔ)償支路的功率因數(shù)接近為1,給企業(yè)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益，并大大減小電力系統(tǒng)傳輸線路中的損耗，提高低壓配電系統(tǒng)運(yùn)行的效率和可靠 性。四、總結(jié)我們研究的新型混合動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，既能實(shí)現(xiàn)發(fā)出無(wú)功，也能吸收無(wú)功，且與傳統(tǒng)SVC相比不需要低通濾波器，與STATCOM!比具有器件承受電壓應(yīng)力小、工作容量小的特點(diǎn)，其控制策略簡(jiǎn)單易行。在PSCAD/EMTD仿真環(huán)境下，建立了系統(tǒng)仿真模型，通過(guò)仿真分析驗(yàn)證了理論分析的正確性，最后通過(guò)設(shè)計(jì)和制作了一套_20kVar /380V的原理樣機(jī)，掛網(wǎng)運(yùn)行，效果良好。我們提出的新型無(wú)功補(bǔ)償裝置能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)無(wú)功大小，動(dòng)態(tài)的發(fā)出和吸收無(wú)功，具有以 下特點(diǎn)：(1) 新型SVC補(bǔ)償器能夠在較大范圍內(nèi)補(bǔ)償動(dòng)態(tài)負(fù)荷無(wú)功，具有補(bǔ)償容量小，逆變器工作 容量小，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)范圍寬；(2) 逆變器采用高頻 SPW控制，具有輸出電壓失真度小，注入系統(tǒng)諧波電流??；(3) 仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本裝置能夠?qū)?dòng)態(tài)負(fù)荷進(jìn)行很好的補(bǔ)償，保證節(jié)點(diǎn)電壓在短時(shí)間 內(nèi)得到補(bǔ)償，提高節(jié)點(diǎn)電壓穩(wěn)定參考文獻(xiàn)：1 電網(wǎng)技術(shù)，1999,(07).周群，張益,黃家裕.靜止無(wú)功補(bǔ)償器