靜止無功補償器的研究課程設計1

1、1 靜止無功補償器的總體設計1.1 靜止無功補償器的主電路ASVG分為采用電壓型橋式電路和電流型橋式電路兩種類型。兩者的區(qū)別是直流側(cè)分別采用的是電容和電感這兩者不同儲能元件，對電壓型橋式電路，還需要串聯(lián)上電抗器才能并上電網(wǎng)；對電流型橋式電路，還需要并聯(lián)上電容器才能并上電網(wǎng)。實際上，由于運行效率的原因，實際應用的ASVG大多采用的是電壓型橋式電路。因此ASVG專指采用自換相的電壓型橋式電路作為動態(tài)無功補償?shù)难b置。ASVG的基本結構如圖1-1。它由下列幾部分組成：電壓支撐電容，其作用是為裝置提供一個電壓支撐；由大功率電力電子開關器件（IGBT或GTO）組成的電壓源逆變器（VSC），通過脈寬調(diào)制（P

2、WM）技術控制電力電子開關的通斷，將電容器上的直流電壓變換為具有一定頻率和幅值的交流電壓；耦合變壓器或電抗器，一方面通過它將大功率變流裝置與電力系統(tǒng)耦合在一起，另一方面還可以通過它將逆變器輸出電壓中的高次諧波濾除，使ASVG的輸出電壓接近正弦波。圖1-1 電壓型補償器結構圖上圖為電壓型的補償器，如果將直流側(cè)的電容器用電抗器代替，交流側(cè)的串聯(lián)電感用并聯(lián)電容代替，則為電流型的補償器。交流側(cè)所接的電感L和電容C的作用分別為阻止高次諧波進入電網(wǎng)和吸收換相時產(chǎn)生的過電壓。無論是電壓型，還是電流型的SVG其動態(tài)補償?shù)臋C理是相同的。當送到逆變器的脈寬恒定時，調(diào)節(jié)逆變器輸出電壓與系統(tǒng)電壓之間的夾角就可以調(diào)節(jié)無

3、功功率和逆變器直流側(cè)電容電壓Uc，同時調(diào)節(jié)夾角和逆變器脈寬，即可以在保持Uc恒定的情況下，發(fā)出或吸收所需的無功功率。SVG裝置的核心部分是逆變電路，它將整流后的直流電壓進行逆變以產(chǎn)生-個頻率與系統(tǒng)相同的交流電壓，并且這個電壓的幅值和相位都可調(diào)，然后通過電抗器把這個電壓并到電網(wǎng)上去，從而產(chǎn)生所需的交流無功功率。利用IGBT智能模塊后，逆變器電路無論是在體積、性能、穩(wěn)定性上還是控制方式上都得到了極大的簡化。本文中所介紹到的靜止無功發(fā)生器是電壓型的SVG，它具有主電路的拓撲結構簡單，且逆變裝置所用的電壓型器件IGBT易于控制，靈活方便。1.2 靜止無功補償器的工作原理圖1-2 SVG工作原理圖逆變器

4、IPM的輸出經(jīng)過一個數(shù)值不大的電抗XL(包括變壓器的內(nèi)抗)接入三相交流電網(wǎng)，調(diào)節(jié)逆變器輸出電壓Vi的相位，使得Vi與交流電網(wǎng)電壓代同相(相角差=0)，這么看來逆變器就變成為一個無功功率發(fā)生器了，從而可以得出：當輸出電壓Vi高于電網(wǎng)電壓Ys時，這時無功功率發(fā)生器輸出滯后的無功即感性的無功功率。當輸出電壓Vi低于電網(wǎng)電壓Vs時， 這時無功功率發(fā)生器輸出超前的無功即容性的無功功率。因此，控制無功功率發(fā)生器(逆變器工PM)輸出電壓Vi的大小，即可控制其輸出無功功率的數(shù)值大小及其性質(zhì)(超前或滯后)。從以上的分析我們可以知道，逆變器IPM能獨立地與電網(wǎng)進行無功功率的交換，并能從系統(tǒng)吸收有功功率，為直流側(cè)電

5、電容器提供能量的支持。1.3 靜止無功補償器的常用控制方法前面已經(jīng)介紹，由無功電流(或者無功功率)參考值調(diào)節(jié)SVG,控制SVG發(fā)出無功的性質(zhì)和大小，就可以補償負載所需的無功，具體的控制方法可以分為間接控制和直接控制兩種方式。這兩種控制方式都可以對無功電流進行控制，以補償電路中所需要的無功，因此，更準確地講，這兩種方式都是針對流過SVG的無功電流進行控制。但從軟件的可靠性和硬件的復雜程度來考慮，采用電流的間接控制要比電流的直接控制實現(xiàn)起來容易的多。SVG對電力系統(tǒng)的影響和控制主要是通過逆變器輸出三相正弦電壓并聯(lián)到線路中來實現(xiàn)的。因此，輸出三相電壓波形嚴格對稱且每相的正負半周也對稱的SPWM是十分

6、關鍵的。SPWM (Sinusoidal Pulse Width Modulation)法的基本思想是使輸出的脈沖寬度按正弦規(guī)律變化，因這樣的調(diào)制技術能有效地抑制輸出電壓中的低次諧波分量。因此，SVG的逆變器采用SPWM控制方式，可以輸出質(zhì)量較高的正弦波，大大提高電網(wǎng)的電壓品質(zhì)。生成SPWM波形的方法目前主要有軟硬件相結合的方法和采用純軟件編程的方法。采用軟硬件相結合的方法具有精確度不高，生成波形的硬件電路較復雜等缺點。而利用數(shù)字信號處理器(DSP)的事件管理器，用純軟件編程方法實現(xiàn)SPWM波形的輸出可減少系統(tǒng)的硬件投資，并具有實時性好和運算精確等優(yōu)點。（1）經(jīng)分析，在角絕對值不太大的情況下，

7、與IO接近線性正比關系。因止通過控角就可以控制SVG吸收的無功電流。這樣就可以得出SVG最簡單的控制方法，原理圖：圖1-3 SVG最簡原理圖當改變角時，VL也隨著變化。VS的變化是通過直流端支撐電壓VD變化而實現(xiàn)。角變化時，變流器將吸收一定的有功電流，因而直流側(cè)的電容將被充電或放電，因而引起VD的變化，從而引起VI的變化。當暫態(tài)過程完畢時，VI，IQ必然滿足上述關系式。(2) 如果在這種控制方法基礎上加上反饋環(huán)節(jié)，那么無功電流的控制精度和響應速度都會大大提高。其原理圖：圖1-4 SVG加反饋環(huán)節(jié)的原理圖在此基礎上，產(chǎn)生了許多種控制方法，比如對角和逆變器脈寬角Ø聯(lián)合起來的控制策略等。電

8、流間接控制方法多適用于較大容量的SVG裝置，其減少諧波方法多采用多重化的方法并且結合PWM技術。2 靜止無功補償器硬件設計數(shù)字信號處理（DSP，Digital Signal Processing）是一門涉及多種學科且又廣泛應用于許多領域的科學。20世紀60年代以來，隨著信息技術的飛速發(fā)展，數(shù)字信號處理技術應運而生并得到迅速的發(fā)展。目前，數(shù)字信號處理技術及相應的DSP芯片因其強大快速的信號處理功能已經(jīng)廣泛應用于自動控制、圖像處理、通訊技術、網(wǎng)絡設備、儀器儀表和家電等領域；DSP為數(shù)字信號處理提供了高效而可靠的硬件基礎。由于本文采用電流直接控制的控制算法，需要對輸出電流和負載電流的實時快速檢測，并

9、進行相應的控制輸出，對實時性要求相當高。因此本實驗裝置主處理器采用美國TI（德州儀器）公司生產(chǎn)的DSP芯片，又由于本控制系統(tǒng)中需要外圍設備較多，所以選擇外設較多的TI2000系列DSP，這里本文采用TMS320LF2407A。TI公司的TMS2407LF240X系列DSP控制器是在24X的基礎上低功耗改進型，它是為了滿足控制應用而設計的。2407A是此系列中的一個分支，通過把一個高性能的DSP內(nèi)核和微處理器的片內(nèi)外設集成為一個芯片的方案，2407A成為傳統(tǒng)的微控制單元（MCU）和昂貴的多片設計的一種廉價的替代品。每秒3000萬條指令（30MIPS）的處理速度，使2407A型DSP控制器可以提供

10、超過傳統(tǒng)的16位微控制器和微處理器的能力。根據(jù)構造的器件的要求設計硬件的規(guī)格，SVG的總體構造為：圖2-1 SVG總體結構圖2.1 電力電子主回路如下圖所示，電力電子主回路主要包括逆變電路和整流電路兩部分。逆變電路的硬件選擇可以有單個IGBT管、單個二極管和專門設計的驅(qū)動電路等組成的逆變器。但其效果和性能不佳，在此介紹三菱公司的智能功率模塊IPM，它是由7個IGBT管、6個二極管、柵極驅(qū)動電路、過流保護電路、過熱保護電路、短路保護電路、驅(qū)動保護電路、驅(qū)動電壓欠壓保護等組成。該模塊的主電路部分有5個端子，即直流電壓的輸入端正負極，三相交流電輸出端U, V, W，控制部分共有19個端子，用于PWM

11、信號的輸入、故障信號輸出及驅(qū)動電源等。與過去的IGBT模塊和驅(qū)動電路的組合電路相比，IPM模塊內(nèi)含驅(qū)動電路且保護功能齊全，因而可極大地提高應用系統(tǒng)整機的可靠性。本設計選用三菱公司的IPM模塊，它具有體積小、可靠性高、價格低廉的優(yōu)點。圖2-2 電力電子主回路圖2.2 主回路直流電容整流電路輸出的直流電壓含有波動成分，并且逆變器也可產(chǎn)生部分的脈動電流，因此需加入大電容濾波環(huán)節(jié)。根據(jù)三相瞬時無功功率理論，理想情況下，三相電路總的瞬時功率為各相瞬時有功功率之和，而總的瞬時無功功率總和為零，這表明各相瞬時無功功率只是在三相之間交換，因此，對于SVG而言，瞬時無功功率不會導致其交流側(cè)和直流側(cè)之間的能量交換

12、，從而使偽保持恒定。因此，從原理上講，SVG直流側(cè)不需儲能元件。此時電容只需很小的電容量用于保證功率器件的正常工作即可，一般直流側(cè)電容選用4個2200µF/ 450V的電解電容，兩串兩并。2.3 逆變器IPM的緩沖電路緩沖電路實質(zhì)上是一種開關輔助電路，利用它可以減小器件在開關過程中產(chǎn)生的過壓、過流、過熱、 和 ，確保器件安全可靠運行，所以緩沖吸收電路設計對電力電子器件是十分重要的。由于緩沖電路所需的電阻、電容的功率和體積都較大，所以在IGBT模塊內(nèi)部并沒有專門集成該部分電路。因此，在實際的系統(tǒng)之中一定要有緩沖電路，通過電容可把過電壓的電磁能量變成靜電能量儲存起來，電阻可防止電容與電感

13、產(chǎn)諧振。其IGBT的緩沖電路： 圖2-3逆變器IPM的緩沖電路圖2.4 IGBT門極驅(qū)動控制電路與主電源電路不同，驅(qū)動控制電路主要針對的是DSP控制系統(tǒng)的弱電控制部分。由于模塊要直接和配電系統(tǒng)相連，因此必須利用隔離器件將模塊和控制部分的弱電電路隔離開來，以保護DSP控制系統(tǒng)。同時由于工GBT模塊的工作狀況很大程度上取決于正確、有效、及時的控制信號。所以設計一個優(yōu)良的光禍控制電路也是模塊正常工作的關鍵之一。 門極驅(qū)動控制電路的任務是:將DSP輸出的0-3.3V的PWM信號轉(zhuǎn)換成0-15V的IGBT驅(qū)動信號，驅(qū)動信號低有效。門極驅(qū)動控制電路：圖2-4 IGBT門極驅(qū)動控制電路圖上圖中PWM1是DS

14、P輸出的開關信號，經(jīng)光耦隔離器件TLP250隔離和電平轉(zhuǎn)換后送入IPM的Up端，電路中連接的10µF和0. 1µF的電容是用于從控制信號PWM1到IPM之間布線阻抗的退藕，而不是作為濾波電容來使用。2407發(fā)出的SPWM脈沖經(jīng)過電阻Rl (100 )接入型號為TLP250的光耦輸入端，光耦的一個輸出端經(jīng)電阻R4 ( 51 )引到IGBT門極，另兩個輸出端分別接十15V電源和地，電容C1 (0.1µF)起到穩(wěn)定直流電源的作用，電容C2 (10µF)起到增大驅(qū)動能力的作用。當2407的PWM引腳輸出高電平時，發(fā)光二極管導通并發(fā)出對應的光脈沖，光電二極管隨之導

15、通，三極管T1導通，T2截止，輸出端OUT輸出高電平(約為+15V )則與之相連的IGBT隨之導通。當2407的PWM引腳輸出低電平時，光電二極管隨之截止，三極管T2導通，T1截止，輸出端OUT輸出約OV的低電平，則與之相連的IGBT隨之截止。TLP250內(nèi)部實際上是一個光電耦合電路，其輸入輸出即無電的聯(lián)系，也無磁的聯(lián)系，起到了極好的抗干擾及隔離作用。由于發(fā)光二極管與光電二極管均具有快速響應特性，故能適應高頻脈沖的要求，所以光耦的輸出與輸入波形完全相同，幾乎沒有相位移動。2.5 工作電源IPM要正常工作，至少需要4U, V, W三相的上橋臂各1個，獨立的驅(qū)動電源，要求供電電壓個相互獨立的驅(qū)動電

16、源給IPM的驅(qū)動電路供電。U, V, W的下橋臂共用1個，所以要4個相互15V。下面介紹最典型的一種低功率電源設計：圖2-5 工作電源工作原理圖上圖中變壓器的主線圈接220V 50Hz交流電源，次線圈將輸出15V的交流電，經(jīng)整流全橋整流再經(jīng)公翻皮電容C1濾波后，大約可以得到19V有脈動的直流電源。三端穩(wěn)壓塊7815是將濾波電容C1得到的19V有脈動的直流電源穩(wěn)壓變成15V穩(wěn)定的、波紋系數(shù)非常小的直流電源，此15V電源再經(jīng)過濾波電容C2后，基本上可以得到非常穩(wěn)定的15V直流電壓源。由于三端穩(wěn)壓塊7815自身會產(chǎn)生白噪聲-一種頻率很高的熱噪聲，而電解電容C2只對低頻比較敏感，可以濾去大部分的低頻脈

17、動波，對高頻的雜波卻無能為力，故加上一個高頻瓷片濾波電容C3濾去高頻雜波。這兩個濾波電容并聯(lián)聯(lián)接，可同時濾去高低頻率的各種交流波，最后得到的直流電壓源的電壓質(zhì)量是非常高的。2.6 采樣信號預處理裝置采樣信號預處理裝置包括 電壓和電流信號轉(zhuǎn)換電路和電網(wǎng)頻率跟蹤模塊。圖2-6 基于DSP2407的電壓電流信號預處理的原理圖DSP2407的工作電壓為+3.3V，故接入其引腳的信號電壓也不能超過3.3V，且其內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的基準電壓范圍為0-3.3V，是單極性的。而在實驗室條件下，來自電壓互感器和電流互感器二次側(cè)的電壓和電流分別為0-100V和0-5A，且為交流電，故信號需先接入一個信號預處理裝置，

18、經(jīng)處理達到2407要求的數(shù)值范圍后再接入其ADCIN引腳。電網(wǎng)頻率跟蹤模塊 系統(tǒng)電壓雖然一般為50Hz工頻，但也會上下波動。為了使SVG產(chǎn)生的附加電壓頻率和系統(tǒng)電壓頻率保持一致，必須進行電網(wǎng)頻率跟蹤。測量電網(wǎng)頻率的方法是把系統(tǒng)電壓(正弦波)通過一個方波轉(zhuǎn)換電路變成與之同周期的同步信號方波，然后測量其兩個相鄰上升沿之間的時間間隔就可得到此方波信號也就是系統(tǒng)電壓的周期。方波轉(zhuǎn)換電路圖如下，其中的電壓傳感器也是采用輸入輸出標稱值為交流100V/1 V的跟蹤型電壓隔離傳感器WBV411D0。其輸出信號經(jīng)過型號為OP07的運算放大器進行比例放大，然后在型號為LM311的高速比較器中進行信號過零點檢測，即

19、可得到方波信號。圖2-7 方波轉(zhuǎn)換電路圖2.7 濾波器為了把逆變器輸出的SPWM波形變成正弦波，可采用如下的低通濾波器，其中電感的參數(shù)為1.5 mH,電容的參數(shù)為5.6uF。圖2-8 濾波器工作原理圖3 靜態(tài)無功補償?shù)陌l(fā)展趨勢隨著電力電子技術的日新月異以及各門學科的交叉影響，靜止無功補償?shù)陌l(fā)展趨勢主要有以下幾點：（1）在城網(wǎng)改造中，運行單位往往需要在配電變壓器的低壓側(cè)同時加裝無功補償控制器和配電綜合測試儀，因此提出了無功補償控制器和配電綜合測試儀的一體化的問題。（2）快速準確地檢測系統(tǒng)的的無功參數(shù)，提高動態(tài)響應時間，快速投切電容器，以滿足工作條件較惡劣的情況（如大的沖擊負荷或負荷波動較頻繁的場

20、合）。隨著計算機數(shù)字控制技術和智能控制理論的發(fā)展，可以在無功補償中引入一些先進的控制方法，如模糊控制等（3）目前無功補償技術還主要用于低壓系統(tǒng)。高壓系統(tǒng)由于受到晶閘管耐壓水平的限制，是通過變壓器降壓接入的，如用于電氣化鐵道牽引變電所等。研制高壓動態(tài)無功補償?shù)难b置則具有重要意義，關鍵問題是要解決補償裝置晶閘管和二極管的耐壓，即多個晶閘管元件串聯(lián)及均壓、觸發(fā)控制和同步性等。（4）由單一的無功功率補償?shù)骄哂袨V波以及諧波的功能。隨著電力電子技術的發(fā)展和電力電子產(chǎn)品的推廣應用，供電系統(tǒng)或負荷中含有大量諧波。研制開發(fā)兼有無功補償與電力濾波器雙重優(yōu)點的晶閘管開關濾波器，將成為改善系統(tǒng)功率因數(shù)、抑制諧波、穩(wěn)定

21、系統(tǒng)電壓、改善電能質(zhì)量的有效手段。結論靜止無功發(fā)生器(SVG)是柔性交流輸電系統(tǒng)中的一種重要的控制器。它是近年來新出現(xiàn)的一種基于大功率逆變器的靜止無功補償裝置，是電力行業(yè)世界前沿科技柔性交流輸電系統(tǒng)中的重要組成部分。它將電力電子技術、計算機技木壞口現(xiàn)代控制技術應用于電力系統(tǒng)，通過對裝置輸出電壓相位的控制，對電力系統(tǒng)的網(wǎng)絡參數(shù)和網(wǎng)絡結構實施靈活、快速的控制，從感性到容性的整個范圍進行連續(xù)的無功調(diào)節(jié)，達到快速補償系統(tǒng)對無功功率的需求，從而抑制電壓波動并增強系統(tǒng)穩(wěn)定性。電力系統(tǒng)的快速發(fā)展對電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定性和系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定性提出了更高的要求。本文設計的靜止無功補償器采用了先進的數(shù)字信號處理器DSP作為控

22、制核心。充分利用DSP強大的數(shù)字信號處理功能，育瓣及時完成采樣、控制、實時計算等任務。DSP在SVG的控制過程中表現(xiàn)出巨大的潛能，為以后越來越復雜的控制策略和方法提供了一種解決平臺。其主電路及其輔助電路，并且應用能夠有效抑制諧波的SPWM法進行控制，進一步改善了輸出電壓波形質(zhì)量。我個人認為，靜止無功發(fā)生器這項新技術在我國具有廣闊的應用前景。我國大多數(shù)電網(wǎng)的結構比較薄弱，結構不甚合理，耐受事故沖擊的能力比較差，高壓輸電線路的輸送能力遠未發(fā)揮出來。從系統(tǒng)運行方面講，系統(tǒng)穩(wěn)定性指標也不高。由于SVG技術具有與現(xiàn)行系統(tǒng)完全兼容的優(yōu)點，可以對現(xiàn)有設備不做重大改動的條件下，充分發(fā)揮現(xiàn)有電網(wǎng)的潛力，以漸進的方式改變電力系統(tǒng)的面貌，這點適合我國發(fā)展資金比較緊張的狀況。因此有必要盡快研究和掌握這一嶄新的技術。目前國內(nèi)其他FACTS裝置的發(fā)展也為掌握SVG的技術奠定了一定的基礎，隨著國內(nèi)電力電子制造技術的快速發(fā)展和理論研究的不斷深入，工業(yè)級的SVG裝置很快就應該面世。DSP是一種專為進行數(shù)字信號處理而設計的處理