畢業(yè)論文-MERS用作靜止無(wú)功補(bǔ)償器的性能分析和仿真驗(yàn)證

湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(設(shè)計(jì))第=2\*ROMANII頁(yè)HUNANUNIVERSITY畢業(yè)論文論文題目MERS用作靜止無(wú)功補(bǔ)償器的性能分析和仿真驗(yàn)證學(xué)生姓名學(xué)生學(xué)號(hào)專業(yè)班級(jí)電氣工程及其自動(dòng)化1班學(xué)院名稱電氣與信息工程學(xué)院指導(dǎo)老師學(xué)院院長(zhǎng)2015年 月日 湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(設(shè)計(jì))第=3\*ROMANIII頁(yè)湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(設(shè)計(jì))第=1\*ROMANI頁(yè)摘要在電網(wǎng)中由于大量感性負(fù)載的應(yīng)用，使得線路電壓與線路電流在相位上存在一個(gè)角度差，這就引出了無(wú)功功率的概念。對(duì)于給定的有功分布，將無(wú)功潮流降至最小，就可減少系統(tǒng)的損耗，這要求對(duì)無(wú)功功率的流向和轉(zhuǎn)移有很好的控制。對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，可以降低設(shè)備容量、降低線路損耗、提高供電系統(tǒng)可靠性。本文陳述了無(wú)功補(bǔ)償在電網(wǎng)中的意義及原理，基于磁能恢復(fù)開(kāi)關(guān)MERS提出了一種新的無(wú)功補(bǔ)償器SVC—MERS，并從無(wú)功功率補(bǔ)償范圍、器件耐壓要求和補(bǔ)償電流的諧波含量三個(gè)方面來(lái)分析其性能特點(diǎn)。MERS電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制靈活。MERS的基本原理是：利用類似于逆變器全橋開(kāi)關(guān)和一只直流電解電容結(jié)合使用，通過(guò)對(duì)開(kāi)關(guān)器件的控制，適時(shí)改變電容在電路的有效電抗，使電容和電感之間產(chǎn)生諧振，產(chǎn)生相應(yīng)的補(bǔ)償無(wú)功功率。論文在參考大量國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，詳細(xì)介紹了MERS電路單元的結(jié)構(gòu)，運(yùn)行狀態(tài)以及控制方式。將MERS串連一個(gè)電感進(jìn)行限流，即構(gòu)成了靜止無(wú)功補(bǔ)償器SVC-MERS。本文詳細(xì)介紹了SVC-MERS的工作模式與控制方式。為了驗(yàn)證上文的控制方式，本文從相位角控制與最小電容電壓控制兩個(gè)方面進(jìn)行了相應(yīng)的仿真，實(shí)現(xiàn)了SVC-MERS的基本功能。通過(guò)使用所有的波形模式，即不連續(xù)模式、平衡模式和直流偏置模式，SVC—MERS產(chǎn)生的無(wú)功功率可在一個(gè)很廣泛的范圍內(nèi)變化，并對(duì)每種模式的特點(diǎn)進(jìn)行描述和性能評(píng)估。關(guān)鍵詞----無(wú)功補(bǔ)償，磁能恢復(fù)開(kāi)關(guān)，相位角控制，最小電容電壓控制 湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(設(shè)計(jì))第=2\*ROMANII頁(yè)P(yáng)erformanceAnalysisAndSimulationTestOfMERSUsedAsTheStaticReactivePowerCompensatorAbstractDuetoalargenumberofperceptualloadisusedinthepowergrid,thereisapointofdifferenceinphasebetweenthelinevoltageandlinecurrent,whichleadstotheconceptofreactivepower.Minimizingthereactivecurrentforagivenactivedistribution,whichcanreducethelossofthesystem.Sothereshouldbeverygoodcontrolontheflowandtransferofreactivepower.Compensatingreactivepowertogridcanreducetheequipmentcapacity,reducethelinelossandimprovepowersupplyreliability.Thispaperpresentsthesignificanceandtheprincipleofreactivepowercompensationinpowergrid,andputsforwardanewkindofreactivepowercompensatorSVC-MERSbasedonthemagneticenergyrecoveryswitchMERS.Finally,analyzingitsperformancecharacteristicsfromthreeaspects,includingthescopeofreactivepowercompensation,therequirementofdevice’spressureandtheharmoniccontentofcompensationcurrent.MERShasadvantageofsimplestructureandflexiblecontrol.ThebasicprincipleofMERSisthatcontrolcapacitor’sseriesinjectreactanceusingsemiconductorswitchesincircuittomakeresonancebetweeninductanceandcapacitor,thengeneratecorrespondingcompensationreactivepower.Onthebasisofreferringtoalargenumberofliterature,thispaperintroducestheconfigurationandoperationstateofMERS,analyzethreemodesandtheconditionsrespectivelywhenMERSworksinACcircuit.Stringacurrent-limitinginductancewithMERS,whichconstitutethestaticreactivepowercompensatorSVC–MERS.ThispaperintroducestheSVC–MERS’sworkingmodeandcontrolwayindetail.Inordertoverifytheabovecontrolmode,thispapercarriesonthecorrespondingsimulationfromthephasecontrolandminimumcapacitancevoltagecontroltwoaspects,whichrealizesthebasicfunctionsofSVC–MERS.ReactivepowerproducedbySVC-MERScanchangeinaverywiderangebytheuseofallthewaveformpatternwhichincludesbalancemode,discontinuousmodeanddc-offsetmode.Thenthroughthedescriptionandperformanceevaluationofthecharacteristicsofeachmode,discussingitsdesignprinciples,includingtheoperationscopecanbeused. 湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(設(shè)計(jì))第=3\*ROMANIII頁(yè)湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(設(shè)計(jì))第=3\*ROMANIII頁(yè)Keyword---reactivecompensation，MERS，thephasecontrol，theminimumcapacitancevoltagecontrol湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(設(shè)計(jì))第=3\*ROMANIII頁(yè) 湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(設(shè)計(jì))第=1\*ROMANI頁(yè)湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(設(shè)計(jì))第=3\*Arabic3頁(yè)目錄1.緒論...........................................................11.1研究背景和意義..............................................11.2無(wú)功補(bǔ)償?shù)脑?..............................................11.3靜止無(wú)功補(bǔ)償器（SVC）........................................11.4典型SVC及其工作原理.........................................31.4.1具有飽和電抗器的無(wú)功補(bǔ)償裝置（SR）......................31.4.2晶閘管控制電抗器（TCR）.................................3 湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(設(shè)計(jì))第=2\*ROMANII頁(yè)1.4.3晶閘管投切電容器（TSC）.................................41.5SVC和SVG...................................................51.6SVC的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì).....................................62.磁能恢復(fù)開(kāi)關(guān)（MERS）............................................72.1磁能恢復(fù)開(kāi)關(guān)的介紹...........................................72.2MERS電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)............................................72.3MERS電路單元的工作狀態(tài)......................................82.4控制方式.....................................................92.4.1相位角控制方式.........................................92.4.2最小電容電壓控制方式..................................102.5MERS用作可變電容的原理......................................113.基于全橋型MERS的靜止無(wú)功補(bǔ)償器（SVC-MERS）....................123.1SVC-MERS工作原理............................................123.2波形模式及控制方式..........;................................133.2.1平衡模式................................................133.2.2不連續(xù)模式..................................................143.2.3直流偏置模式............................................164.SVC-MERS的仿真驗(yàn)證分析和性能分析................................194.1相位角控制的仿真試驗(yàn).......................................194.1.1全橋型SVC-MERS的單相仿真搭建.........................194.1.2仿真結(jié)果..............................................204.2最小電容電壓控制的仿真試驗(yàn).................................224.2.1全橋型SVC-MERS的三相仿真搭建.........................22湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(設(shè)計(jì))第1頁(yè)4.2.2仿真結(jié)果..............................................234.3SVC-MERS的性能分析........................................254.3.1SVC-MERS無(wú)功功率的控制................................254.3.2SVC-MERS的電容電壓峰值................................264.3.3SVC-MERS的電流諧波含量................................274.4SVC-MERS的性能比較........................................27總結(jié).............................................................29致謝.............................................................30參考文獻(xiàn).........................................................31 湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(設(shè)計(jì))第1頁(yè)第一章緒論 湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(設(shè)計(jì))第=1\*Arabic1頁(yè)1.1研究背景和意義隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，電力行業(yè)也得到快速發(fā)展，特別是大范圍的高壓輸電網(wǎng)絡(luò)逐漸形成，負(fù)荷的快速增長(zhǎng)對(duì)無(wú)功的需求大幅上升。無(wú)功是電能傳輸和轉(zhuǎn)換過(guò)程中建立電磁場(chǎng)和提供電網(wǎng)穩(wěn)定不可缺少的功率之一，并不是無(wú)用功率。無(wú)功功率的傳輸會(huì)使電網(wǎng)的視在功率增加，在傳輸相等的有功功率的情況下，總電流會(huì)增加，使線路和設(shè)備的損耗增加，而且沿傳輸方向還會(huì)產(chǎn)生很大的電壓降落，不利于電力的傳輸與合理應(yīng)用，所以應(yīng)該盡可能的減少無(wú)功功率的傳輸[1]。電力設(shè)備中的絕大部分用電設(shè)備都是感性負(fù)載，需要消耗無(wú)功功率，如果電網(wǎng)的無(wú)功不足，便會(huì)導(dǎo)致用戶端的電壓降低，影響正常生產(chǎn)和生活用電。所以，對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，來(lái)降低線路損耗、降低設(shè)備容量、提高供電系統(tǒng)可靠性，是很有必要的[2]。1.2無(wú)功補(bǔ)償?shù)脑黼娋W(wǎng)中的電力負(fù)荷如變壓器、電動(dòng)機(jī)等，絕大部分都屬于感性負(fù)載，在實(shí)際運(yùn)行中，這些感性負(fù)載均需向電源索取滯后的無(wú)功功率，實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換，帶動(dòng)設(shè)備做工。為了補(bǔ)償這部分滯后的無(wú)功損耗，比較常用的方法是電容器并聯(lián)補(bǔ)償方式。在電網(wǎng)中安裝并聯(lián)電容器等無(wú)功補(bǔ)償裝置后，可以減少無(wú)功功率在電網(wǎng)中的傳送，因此便降低了無(wú)功功率在線路中輸送而引起的電能損耗，這就是無(wú)功補(bǔ)償。無(wú)功補(bǔ)償?shù)幕驹硎前丫哂腥菪怨β实脑O(shè)備與感性負(fù)載相并聯(lián)，使得能量在這兩種負(fù)荷間轉(zhuǎn)換，以減少電網(wǎng)中的無(wú)功功率。無(wú)功補(bǔ)償通常采用的方式有三種：集中補(bǔ)償（在高低壓配電線路中安裝并聯(lián)電容器組）、分組補(bǔ)償（在配電變壓器低壓側(cè)和用戶車間配電屏安裝并聯(lián)補(bǔ)償電容器）、單臺(tái)電動(dòng)機(jī)就地補(bǔ)償（在單臺(tái)電動(dòng)機(jī)處安裝并聯(lián)電容器等）。1.3靜止無(wú)功補(bǔ)償器（SVC） 湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(設(shè)計(jì))第2頁(yè)湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(設(shè)計(jì))第=2\*Arabic2頁(yè)靜止無(wú)功補(bǔ)償器是完全靜止的設(shè)備，并不存在同步調(diào)相機(jī)那樣的機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，但是它的補(bǔ)償是動(dòng)態(tài)的，即根據(jù)無(wú)功的需求或電壓的變化自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償，從而降低供電變壓器及輸送線路的損耗，提高電網(wǎng)穩(wěn)定性。合理的選擇補(bǔ)償裝置，還可有效抑制沖擊性負(fù)荷引起的電壓波動(dòng)和高次諧波，提高功率因數(shù)，實(shí)現(xiàn)按各相的無(wú)功功率快速補(bǔ)償。圖1.3部分無(wú)功補(bǔ)償裝置性能對(duì)比圖1.3顯示了部分無(wú)功補(bǔ)償裝置的性能對(duì)比[3]。傳統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備有并聯(lián)電容器、調(diào)相機(jī)和同步發(fā)電機(jī)等。調(diào)相機(jī)是最早采用的一種無(wú)功補(bǔ)償裝置[3]，實(shí)際上是專門的無(wú)功功率發(fā)電機(jī)，可以過(guò)勵(lì)磁運(yùn)行，也可以欠勵(lì)磁運(yùn)行。它的優(yōu)點(diǎn)是可以平滑地改變無(wú)功功率的大小和方向，調(diào)整電壓平滑，單機(jī)容量可以做得很大，因此無(wú)功輸出容量基本不會(huì)受到限制，更重要的是，它可以有效地支撐電網(wǎng)的電壓，提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性。它的缺點(diǎn)是投資大，損耗高，運(yùn)行維護(hù)復(fù)雜，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度慢[4]。并聯(lián)電容器是電網(wǎng)中應(yīng)用最多的一種專用無(wú)功補(bǔ)償裝置[5]，它的優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格便宜，易于安裝維護(hù)，并且裝設(shè)容量可大可小，既可集中使用，又可分散裝設(shè)。但是并聯(lián)電容器阻抗固定，不能動(dòng)態(tài)跟蹤負(fù)荷無(wú)功功率的變化。并聯(lián)電容器最主要的缺點(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)中的感性元件諧振使諧波放大。 湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(設(shè)計(jì))第3頁(yè)湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(設(shè)計(jì))第=3\*Arabic3頁(yè)由于以上的傳統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償器存在的缺點(diǎn)，使得這些設(shè)備已經(jīng)越來(lái)越不適應(yīng)電力系統(tǒng)發(fā)展的需要。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展以及研究的進(jìn)一步加深，出現(xiàn)了一種靜止無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)[6]。靜止無(wú)功補(bǔ)償器的簡(jiǎn)稱是SVC，是用以晶閘管為基本元件的固態(tài)開(kāi)關(guān)替代了電氣開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)快速、頻繁地以控制電抗器和電容器的方式改變輸電系統(tǒng)的導(dǎo)納,能快速、連續(xù)地對(duì)波動(dòng)性負(fù)荷進(jìn)行補(bǔ)償，有效地抑制系統(tǒng)電壓波動(dòng)和閃變，同時(shí)濾除系統(tǒng)中的高次諧波，沒(méi)有旋轉(zhuǎn)部件，運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單。下面對(duì)幾種典型的無(wú)功補(bǔ)償器進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。1.4典型SVC及其工作原理1.4.1具有飽和電抗器的無(wú)功補(bǔ)償裝置（SR） 湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(設(shè)計(jì))第4頁(yè)圖1.4.1SR型SVC裝置原理圖飽和電抗器基本原理圖如圖1.4.1所示，飽和電抗器具有這樣的特性：當(dāng)電壓大于某值后，隨著電壓的升高，鐵芯急劇飽和，在補(bǔ)償器的工作范圍內(nèi)，電壓的少許變化就會(huì)引起電流的大幅度變化。與SR串聯(lián)的電容Cs是用于斜率校正的，改變Cs的大小可以調(diào)節(jié)補(bǔ)償器外特性的斜率。有飽和電抗器和串聯(lián)電容器組成的回路具有穩(wěn)壓特性，故能維持連接母線的電壓水平；由于響應(yīng)快速，故能對(duì)接于同一母線上的沖擊負(fù)荷引起的電壓波動(dòng)起補(bǔ)償作用[7]。SR的缺點(diǎn)是：造價(jià)高，損耗大，有震動(dòng)和噪聲，調(diào)整時(shí)間長(zhǎng)，動(dòng)態(tài)補(bǔ)償速度慢。1.4.2晶閘管控制電抗器（TCR）TCR的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償回路的單相原理圖如圖1.4.2所示，由兩個(gè)反并聯(lián)的晶閘管與一個(gè)電抗器相串聯(lián)組成，電容器組兼做濾波器，其三相多接成三角形[1]。此電路的有效移相范圍為90°～180°，當(dāng)觸發(fā)角為90°時(shí)，晶閘管全導(dǎo)通,與晶閘管串聯(lián)的電抗相當(dāng)于直接接到電網(wǎng)上；當(dāng)觸發(fā)角在90°～180°之間時(shí)，晶閘管部分導(dǎo)通。增大觸發(fā)角的效果就是減少電流中的基波分量，相當(dāng)于增大補(bǔ)償器的等效電抗，因而減少了其吸收的無(wú)功功率，所以通過(guò)調(diào)整觸發(fā)角的大小就可以達(dá)到調(diào)整無(wú)功功率的效果[8]。 湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(設(shè)計(jì))第5頁(yè)湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(設(shè)計(jì))第=5\*Arabic5頁(yè)圖1.4.2TCR型SVC裝置原理圖由于單獨(dú)的TCR只能吸收無(wú)功功率，而不能發(fā)出無(wú)功功率，為了解決此問(wèn)題，可以將并聯(lián)電容器與TCR配合使用，構(gòu)成靜止無(wú)功補(bǔ)償器（TCR+FC）[2]。這種具有TCR型的補(bǔ)償器雖然自身仍然會(huì)產(chǎn)生諧波，但是動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快（約10ms），可以進(jìn)行連續(xù)感性和容性無(wú)功調(diào)節(jié)，而且能夠進(jìn)行分相調(diào)節(jié)，靈活性大，噪聲小，單位容量損耗相對(duì)也比較小，目前在輸電系統(tǒng)和工業(yè)企業(yè)中應(yīng)用最為廣泛。1.4.3晶閘管投切電容器（TSC）圖1.4.3TSC型SVC裝置原理圖單相TSC的原理圖如圖1.4.3，是采用兩個(gè)反并聯(lián)的晶閘管起到將電容接入電網(wǎng)或從電網(wǎng)中斷開(kāi)的作用，由串聯(lián)小電感可以抑制電容器投入電網(wǎng)時(shí)可能產(chǎn)生的沖擊電流。TSC的關(guān)鍵技術(shù)是投切電容器時(shí)刻的選取，其最佳投切時(shí)間是晶閘管兩端電壓為零的時(shí)刻，此時(shí)電路的沖擊電流為零。 湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(設(shè)計(jì))第6頁(yè)TSC的優(yōu)點(diǎn)在于它能對(duì)三相不平衡負(fù)載進(jìn)行分相補(bǔ)償，操作中不產(chǎn)生有害過(guò)電壓，但是它限制過(guò)電壓的能力較差，所以TSC裝置一般與電感并聯(lián)使用，如TSC+TCR補(bǔ)償器。晶閘管投切電容器單獨(dú)使用時(shí)只能作為無(wú)功功率電源，發(fā)出感性無(wú)功，且不能平滑地調(diào)節(jié)輸出的功率，不能直接連接于超高壓，運(yùn)行維護(hù)較復(fù)雜，但由于晶閘管對(duì)控制信號(hào)的響應(yīng)極為迅速，發(fā)出的噪聲比較小，單位容量損耗相較小，控制靈活性好，通斷次數(shù)又不受限制，其運(yùn)行性能還是明顯優(yōu)于機(jī)械開(kāi)關(guān)投切的電容器。1.5SVC和SVGSVC的結(jié)構(gòu)中不能沒(méi)有具有時(shí)滯特性的大容量?jī)?chǔ)能元件,不能做到瞬時(shí)無(wú)功控制[2]。隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展,近年來(lái)出現(xiàn)了采用自換相變流電路的靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置,通常稱為靜止無(wú)功發(fā)生器(SVG---StaticVarGenerator)。圖1.5SVG原理圖靜止無(wú)功發(fā)生器（SVG）的主體部分是一個(gè)電壓源型逆變器，其原理圖示于圖1.5，其基本原理是將自換相橋式電路通過(guò)電抗或者變壓器并聯(lián)在電網(wǎng)上，通過(guò)對(duì)晶閘管通斷的控制來(lái)調(diào)節(jié)橋式電路交流側(cè)輸出電壓的相位和幅值，就可使電路吸收或發(fā)出滿足需求的無(wú)功電流，從而動(dòng)態(tài)補(bǔ)償無(wú)功功率[4]。與傳統(tǒng)的以TCR為代表的SVC相比，SVG的運(yùn)行范圍寬，調(diào)節(jié)速度快，在電壓較低的情況下，也可向系統(tǒng)注入較大的無(wú)功電流，所以在故障條件下具有更好的控制穩(wěn)定性，而且在采取多重化或PWM技術(shù)等措施后可大大減少補(bǔ)償電流中諧波的含量，而且SVG使用的電抗器和電容元件遠(yuǎn)比SVC中使用的電抗器和電容元件要小，這將大大縮小裝置的體積和成本[9]。1.6SVC的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)SVC補(bǔ)償裝置的響應(yīng)速度快，并且可以連續(xù)調(diào)節(jié)無(wú)功功率輸出[10]，是目前廣泛使用的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置。隨著靜止無(wú)功補(bǔ)償器核心技術(shù)及其裝置的進(jìn)一步推廣應(yīng)用，將使傳統(tǒng)電力行業(yè)發(fā)生重要變革，提升電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定水平和改善電能質(zhì)量，可以帶動(dòng)電力半導(dǎo)體器件等相關(guān)電力裝備產(chǎn)業(yè)跨越式發(fā)展，為靈活交流輸電技術(shù)在我國(guó)電力系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。目前已經(jīng)有運(yùn)用分叉理論分析了SVC對(duì)電壓穩(wěn)定的影響，也證明了SVC提供的阻尼對(duì)改善區(qū)間振蕩尤其有效，而且SVC裝置的位置和容量合理時(shí)，還可提高電網(wǎng)輸電能力，改善電壓穩(wěn)定性?？梢钥闯觯o止無(wú)功補(bǔ)償器在我國(guó)是具有無(wú)限廣闊的發(fā)展前景的。目前已應(yīng)用的串聯(lián)補(bǔ)償器主要有串聯(lián)電容、晶閘管控制串聯(lián)電容補(bǔ)償器（TCSC）等。上述串聯(lián)補(bǔ)償器的共同特征是將電容直接串聯(lián)到線路中，通過(guò)調(diào)節(jié)線路的等效阻抗值來(lái)達(dá)到補(bǔ)償無(wú)功功率，校正功率因數(shù)的目的[11]。但是這種方法的補(bǔ)償電壓直接受到線路電流影響，諧波較大，補(bǔ)償效果不太理想。磁能恢復(fù)開(kāi)關(guān)（MERS）用于一種新型的無(wú)功補(bǔ)償裝置（SVC-MERS），隨著負(fù)載阻抗的變動(dòng)，磁能恢復(fù)開(kāi)關(guān)可快速調(diào)整電路中功率因數(shù)，且具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制手段靈活、損耗低等特點(diǎn)。 湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(設(shè)計(jì))第7頁(yè)第二章磁能恢復(fù)開(kāi)關(guān)（MERS）2.1磁能恢復(fù)開(kāi)關(guān)的介紹MERS一開(kāi)始只是作為軟開(kāi)關(guān)存在于電路中，后來(lái)隨著研究的深入，最早是2000年由日本東京工業(yè)大學(xué)作為了一種新的無(wú)功補(bǔ)償裝置[12]，它能夠方便地串聯(lián)在交流電源和負(fù)載之間，以補(bǔ)償無(wú)功功率和校正功率因數(shù)，湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(設(shè)計(jì))第8頁(yè)2.2MERS電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)全橋型MERS的結(jié)構(gòu)如圖2.2（a）所示，由4個(gè)橋式連接的開(kāi)關(guān)管（U、V、X、Y）和一個(gè)電容C并聯(lián)而成[13]，在兩個(gè)并聯(lián)的橋臂上，分別有兩個(gè)IGBT元件與其二極管反向并聯(lián)，此兩個(gè)IGBT元件結(jié)構(gòu)反向串聯(lián)在該橋臂中。圖2.2（a）全橋型MERS結(jié)構(gòu)為擴(kuò)大無(wú)功調(diào)節(jié)范圍，使無(wú)功控制范圍從容性無(wú)功變化到感性無(wú)功，可將TCR、并聯(lián)電容器(FC)和TSC組合使用。常用的方式有TCR+TSC、TCR+FC、TCR+TSC+FC。相比于傳統(tǒng)的靜止無(wú)功補(bǔ)償器，MERS設(shè)備容量很小，卻能夠有很寬的連續(xù)無(wú)功補(bǔ)償范圍，甚至可補(bǔ)償比固定電容還小的無(wú)功能量。再者，全橋型SVC-MERS采用的是電網(wǎng)頻率即50~60Hz控制和一個(gè)很小的直流電容。由于頻率相對(duì)較低，這個(gè)小電容與電感產(chǎn)生諧振時(shí)，SVC-MERS可以比STATCOM達(dá)到更高的效率和更小的噪聲。但是，全橋型MERS有一個(gè)缺點(diǎn)就是，在三相電路中單相全橋電路需要應(yīng)用于每相上，這就要求有12個(gè)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)，而每相又必須有一個(gè)單相全橋，且每相電流要經(jīng)過(guò)兩個(gè)半導(dǎo)體器件。因此，為了減少因?yàn)殚_(kāi)關(guān)器件多導(dǎo)致的開(kāi)關(guān)損耗大的問(wèn)題，提出了如圖3.2（b）的半橋型MERS結(jié)構(gòu)。半橋型MERS雖然減少了開(kāi)關(guān)的損耗，但是開(kāi)關(guān)管和二極管反向承受的電壓是原來(lái)的二倍，存在一些局限性。湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(設(shè)計(jì))第8頁(yè)2.2（b）半橋型MERS結(jié)構(gòu)2.3MERS電路單元的工作狀態(tài)abcd圖2.3MERS四種工作狀態(tài)MERS按電容的充放電狀態(tài)可分為四種模式：放電模式，并行模式，充電模式，單旁路模式，如圖2.3所示。 湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(設(shè)計(jì))第9頁(yè)a為放電模式，兩對(duì)角開(kāi)關(guān)管開(kāi)通，電容通過(guò)開(kāi)通的開(kāi)關(guān)管對(duì)負(fù)載放電，電容電壓從最大值開(kāi)始下降，電流如圖中所示方向由零逐漸增大。b為并行模式，兩個(gè)橋臂都通有電流，電容是被短接的，電容上沒(méi)有電流通過(guò)，電容電壓為零。c為充電模式，開(kāi)關(guān)管沒(méi)有開(kāi)通，只有兩對(duì)反并聯(lián)二極管導(dǎo)通，電流經(jīng)過(guò)導(dǎo)通的二極管對(duì)電容充電，電容電壓升高。d為單旁路模式（左旁路沒(méi)有畫(huà)出），只有一個(gè)橋臂處于流通狀態(tài)，可以在電容電壓為任意值的情況下進(jìn)入該模式，此時(shí)電容電壓就保持不變，使引入Vc.min控制成為可能。2.4控制方式2.4.1相位角控制方式在開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)頻率為工頻50Hz時(shí)，通過(guò)對(duì)全橋型MERS中電壓與開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)的夾角δ進(jìn)行控制，來(lái)控制電容短路的時(shí)間段[14～15]，進(jìn)而產(chǎn)生相應(yīng)的電壓的波形，δ的變化范圍為0°-90°，在相位角控制方式下，全橋型MERS在一個(gè)周期內(nèi)的電流流通途徑如圖2.4.1（a），相應(yīng)的波形如圖2.4.1（b）。（e）（a）（b（e）（a）（b）（c）（d）（f）相位角控制方式下一個(gè)周期內(nèi)的電流路徑相位角控制方式下的波形（a）在狀態(tài)a中，IGBT開(kāi)關(guān)X和V開(kāi)通。輸入電壓下降，電容放電，MERS工作在放電模式，電流流過(guò)X、電容和V，此時(shí)，電容電壓減少，電流增大。（b）當(dāng)狀態(tài)a中電容電壓減少到0時(shí)，二極管導(dǎo)通，電流如圖分別流過(guò)兩條支路，MERS工作在并行模式，此時(shí)電容被短接，并沒(méi)有連入電路中，電容電壓為0。（c）關(guān)斷IGBT開(kāi)關(guān)X、V，開(kāi)通開(kāi)關(guān)U、Y，輸入電壓增大，電流經(jīng)過(guò)二極管對(duì)電容充電，MERS工作在充電模式，此時(shí)電容電壓升高，電流減小。湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(設(shè)計(jì))第10頁(yè)（d）當(dāng)輸入電壓下降時(shí)，電容放電。電流流過(guò)U、電容和Y，MERS工作在放電模式，此時(shí)電容電壓減少，電流過(guò)零點(diǎn)后，反向增大。（e）當(dāng)狀態(tài)d中電容電壓減少到0時(shí)，二極管導(dǎo)通。電流與狀態(tài)b相反的方向分別流過(guò)這兩條支路，MERS工作在并行模式，此時(shí)電容被短接，并沒(méi)有連入電路中，電湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(設(shè)計(jì))第12頁(yè)容電壓為0。 湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(設(shè)計(jì))第11頁(yè)湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(設(shè)計(jì))第10頁(yè)（f）關(guān)斷IGBT開(kāi)關(guān)U、Y，開(kāi)通開(kāi)關(guān)X、V，輸入電壓增大，電流經(jīng)過(guò)二極管對(duì)電容充電，MERS工作在充電模式，此時(shí)電容電壓升高，電流減小。當(dāng)輸入電壓再次減小時(shí)，電容放電，電流過(guò)零點(diǎn)后反向增大，如狀態(tài)（a），這就是MERS工作的一個(gè)完整周期。從圖2.4.1（a）中可以看出，在相位角控制方式下，MERS電路分別工作在充電模式、放電模式和并行模式下，而在前面提到的單旁路工作模式，則是出現(xiàn)在另一種控制方式下，即最小電容電壓控制方式。2.4.2最小電容電壓控制方式圖2.4.2（a）圖2.4.2（b）最小電容電壓控制方式下一個(gè)周期內(nèi)的電流路徑最小電容電壓控制方式下的波形在此控制方式下，瞬時(shí)電容器電壓Vc通過(guò)控制器必須維持一個(gè)最小的電壓Vc.min，為了與相位角控制方式相區(qū)別，此處用γ來(lái)表示電壓過(guò)零點(diǎn)與開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)點(diǎn)的夾角。通過(guò)控制Vc.min和γ兩個(gè)參數(shù)，便可產(chǎn)生相應(yīng)的波形。在此控制方式下，全橋型MERS在一個(gè)周期內(nèi)的電流流通途徑如圖2.4.2（a），相應(yīng)的波形如圖2.4.2（b）。與相位角控制方式下全橋型MERS一個(gè)周期內(nèi)的電流路徑不同的是，當(dāng)狀態(tài)a中電容電壓Vc降到Vc.min時(shí)就對(duì)開(kāi)關(guān)U和X進(jìn)行控制，而開(kāi)關(guān)V和Y的狀態(tài)保持不變，使得當(dāng)前路徑從放電模式變化到單旁路模式，經(jīng)過(guò)2γ角度后，再改變開(kāi)關(guān)V和Y的狀態(tài)，使其由單旁路模式進(jìn)入充電模式，其他地方的電流路徑便和相位角控制方式下相同。2.5MERS用作可變電容的原理從以上的分析可看出，在全橋MERS中四個(gè)開(kāi)關(guān)U、X、V、Y分別組成兩對(duì)U-X和V-Y，這兩個(gè)開(kāi)關(guān)對(duì)開(kāi)通與關(guān)斷總是相反的，并聯(lián)型MERS開(kāi)關(guān)管互補(bǔ)導(dǎo)通180°，頻率為工頻50Hz，所以其控制簡(jiǎn)單。電容充電是由于IGBT的開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)的控制，電流流過(guò)二極管，電容放電是因?yàn)檩斎腚妷航档?，電流流?jīng)開(kāi)關(guān)器件，而且無(wú)論電流如何流動(dòng)，電容都不存在承受反向電壓的可能。圖中的（b）和（e）是非常重要的兩條路徑，電容是短路的，可以達(dá)到電容中電壓為零或電壓為任意值。一個(gè)周期內(nèi)，由工頻50Hz的切換和控制電流路徑，可以控制MERS一個(gè)周期內(nèi)工作在電容短接狀態(tài)的時(shí)間，這使得全橋型MERS可作為可調(diào)電容使用[16]。等效電抗如圖2.5，通過(guò)控制波形，便可使SVC-MERS產(chǎn)生不同程度的無(wú)功功率進(jìn)行補(bǔ)償。圖2.5全橋型MERS等效電抗圖MERS現(xiàn)在已經(jīng)在許多領(lǐng)域得到了實(shí)際的應(yīng)用，比如脈沖電源、無(wú)功補(bǔ)償、電源變換[17～19]等。不論負(fù)載阻抗如何變動(dòng)，MERS都能自動(dòng)校正功率因數(shù)，所以它在單相PFC（功率因數(shù)校正）乃至三相PFC等領(lǐng)域的應(yīng)用潛力也是不可小覷的。 湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(設(shè)計(jì))第12頁(yè)第三章基于全橋型MERS的靜止無(wú)功補(bǔ)償器（SVC-MERS）3.1SVC-MERS工作原理本論文的MERS用作靜止無(wú)功補(bǔ)償器，稱為SVC-MERS，其結(jié)構(gòu)及等效電抗圖如圖3.1所示。在MERS結(jié)構(gòu)上串聯(lián)一個(gè)小電感，用來(lái)抑制沖擊電。湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(設(shè)計(jì))第13頁(yè)圖3.1SVC-MERS結(jié)構(gòu)及等效電抗示意圖 湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(設(shè)計(jì))第13頁(yè)湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(設(shè)計(jì))第14頁(yè)圖中Vin是全橋型SVC-MERS的總電壓，Vmers是MERS橋臂上的電壓，Isvc.mers是總電流，XL是串聯(lián)電感的電抗，Xmers是MERS的等效電抗，Xsvc.mers是SVC-MERS的等效電抗?？芍猀svc.mers=VinXsvc.mers=Xmers–XL所以，控制Xmers的大小，就可以控制SVC-MERS產(chǎn)生的無(wú)功功率的大小。當(dāng)電網(wǎng)電壓由負(fù)變?yōu)檎?jīng)過(guò)觸發(fā)角δ后觸發(fā)開(kāi)關(guān)管U、Y導(dǎo)通，通過(guò)控制相位角δ，可得到不同的波形，從而控制MERS的電流大小，進(jìn)而控制MERS的等效阻抗Xmers。事實(shí)上，通過(guò)有效的控制方法，理論上可以使SVC-MERS的等效阻抗從0～∞變化，進(jìn)而獲得很寬的無(wú)功補(bǔ)償范圍。3.2波形模式及控制方式由前文可知，設(shè)置不同的δ值，可以得到不同的波形。SVC-MERS有三種波形模式，不連續(xù)模式，平衡模式和直流偏置模式。圖3.2顯示了單相SVC—MERS產(chǎn)生的仿真波形[20]，其中電網(wǎng)電壓為100V,頻率為50Hz,電容器為50F，電感為40mH，iSVC是該相電流，Vc（a）直流偏置模式（b）平衡模式（c）不連續(xù)模式圖3.2SVC-MERS產(chǎn)生電壓電流的波形 湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(設(shè)計(jì))第14頁(yè)3.2.1平衡模式 湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(設(shè)計(jì))第14頁(yè)圖3.2（b）為平衡模式的波形圖，相位角δ為0°。平衡模式下，電容沒(méi)有被短路的情況，只進(jìn)行充電和放電的過(guò)程，相當(dāng)于一個(gè)LC電路，所以電壓和電流的波形是純正弦波，如圖3.2.1。此時(shí)產(chǎn)生的無(wú)功功率為Q其中E是輸入電壓Vin的有效值，Xc是SVC-MERS中電容的容抗，XL是串聯(lián)電感的電抗。平衡模式中為了得到需要產(chǎn)生的無(wú)功功率，可以對(duì)Xc和XL進(jìn)行相應(yīng)的選擇，本文選擇的是XL=20%Xc，這個(gè)將圖3.2.1平衡模式下電壓電流波形圖3.2.2不連續(xù)模式 湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(設(shè)計(jì))第15頁(yè)湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(設(shè)計(jì))第16頁(yè)圖3.2（c）為不連續(xù)模式的波形圖，相位角δ為0°～90°。不連續(xù)模式是因?yàn)镸ERS中每半周期內(nèi)，電容都存在被短接的時(shí)間段，即電容電壓為零而命名。從圖3.2可以看出，在不連續(xù)模式下，SVC-MERS產(chǎn)生的無(wú)功功率比平衡模式的要高，而且可以由相位角δ控制，即等效阻抗Xmers可以由δ控制，計(jì)算公式是[21]：X式中XC=1WCmers，τ圖3.2.2（a）是控制不連續(xù)模式的裝置示意圖，圖中有一個(gè)電壓傳感器，用來(lái)檢測(cè)電壓的過(guò)零點(diǎn)，以此來(lái)進(jìn)行相位δ的控制。δ的變化范圍是0°～90°，所以全橋型SVC-MERS在不連續(xù)狀態(tài)下，通過(guò)相位控制，Xmers的變化范圍是0～Xc。當(dāng)δ=0°時(shí)，SVC-MERS工作在平衡模式，即圖3.2.2（a）控制不連續(xù)模式的裝置示意圖圖3.2.2（b）不連續(xù)模式下電壓電流波形圖和電流流通圖從圖3.2可以看出，SVC-MERS橋臂兩端的電壓Vmers，具有比基波分 湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(設(shè)計(jì))第16頁(yè)開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，電容電壓從零開(kāi)始增加，在很短的瞬時(shí)時(shí)間內(nèi)，電容電壓提供給開(kāi)關(guān)管的電壓為零，而開(kāi)關(guān)管開(kāi)通時(shí)，電流是流經(jīng)二極管后再經(jīng)開(kāi)關(guān)管流通，在開(kāi)通瞬間開(kāi)關(guān)管電流為零，所以，在不連續(xù)模式下，開(kāi)關(guān)管可以達(dá)到軟開(kāi)關(guān)的特性。3.2.3直流偏置模式 湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(設(shè)計(jì))第18頁(yè)圖3.2.3（a）控制直流偏置模式的裝置示意圖 湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(設(shè)計(jì))第17頁(yè)圖3.2.3（b）直流偏置模式下電壓電流波形圖和電流流通圖圖3.2（a）為直流偏置模式的波形圖，相位角δ為0°，SVC-MERS產(chǎn)生的無(wú)功功率比平衡模式的要小，且電容電壓有最小直流分量Vc.min。直流偏置模式中不能只用δ控制無(wú)功功率的大小，還要通過(guò)該直流電壓來(lái)進(jìn)行控制，這種最小電容電壓控制方法，比相位角控制方法要較為復(fù)雜，直流偏置模式的控制裝置示意圖如圖3.2.3（a），電壓電流波形圖和電流流通途如圖3.2.3（b）所示。從圖3.2.3（b）中可以看出，兩個(gè)開(kāi)關(guān)對(duì)U、Y和X、V并沒(méi)有同時(shí)進(jìn)行開(kāi)通/關(guān)斷，而是存在一個(gè)時(shí)間差，為了與不連續(xù)模式相區(qū)別，這里的移相角用γ表示，從圖3.2.3（b）可看出，直流偏置路徑持續(xù)時(shí)間為2。如圖3.2.3（b）的波形圖中第一個(gè)直流偏置模式的產(chǎn)生，在電容放電，電容電壓下降的過(guò)程中，當(dāng)電容端電壓低于Vc.min時(shí)，湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(設(shè)計(jì))第18頁(yè)電流流通圖中如第二個(gè)圖所示，開(kāi)關(guān)管X斷開(kāi)，開(kāi)關(guān)U中的二極管開(kāi)通。此時(shí)電流僅經(jīng)過(guò)U開(kāi)關(guān)中二極管和開(kāi)關(guān)V，形成一條支路的路徑。不同于兩條平行支路，此湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(設(shè)計(jì))第22頁(yè)時(shí)電容并沒(méi)有完全放完電，而是存在一個(gè)殘留直流電壓VC.min。直流偏置模式下，等效阻抗Xmers計(jì)算公式如下[21]Xmers=Xc（1-2γπ–sin2可以看出，Xmers隨著γ的增大而減小，隨著Vc.min的增大而增大，且Xmers是可以小于Xc的。這里有兩個(gè)變量，不同的組合會(huì)得到不同的結(jié)果，也體現(xiàn)出了直流偏置模式下控制方法更復(fù)雜。直流偏置模式下開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，電容電壓提供給開(kāi)關(guān)管的電壓不為零，因此不具有軟開(kāi)關(guān)的特性，但是開(kāi)關(guān)管開(kāi)通時(shí)情況與不連續(xù)模式相同。從圖3.2.3（a）的直流偏置模式控制裝置示意圖可以看出，直流偏置的控制中需要檢測(cè)電容的瞬時(shí)電壓，并使用比較器使其保持最小殘留直流電壓Vc.min。這里還出現(xiàn)了一個(gè)新的參數(shù)，控制區(qū)間Φ，用來(lái)表征暫態(tài)過(guò)程的特性。Φstart由相應(yīng)的Vc.min上升時(shí)的速度決定，Φstop由相應(yīng)的Vc.min下降時(shí)的速度決定。圖3.2.3（c）顯示了在一定條件下，對(duì)Φstart和Φstop進(jìn)行瞬時(shí)仿真的結(jié)果?？梢钥闯?，Φ越大，Vc.min上升時(shí)的暫態(tài)過(guò)程響應(yīng)越快，但越不穩(wěn)定；而Vc.min下降時(shí)的暫態(tài)過(guò)程變化不明顯。 湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(設(shè)計(jì))第20頁(yè)湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(設(shè)計(jì))第18頁(yè)(b)圖3.2.3（c）一定條件下，當(dāng)Φstart和Φstop設(shè)置為4degree、6degree和8degree時(shí)，Vc.min上升(a)和下降(b)的暫態(tài)特性，橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)為電容電壓 湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(設(shè)計(jì))第19頁(yè)第四章SVC-MERS的仿真驗(yàn)證和性能分析此次仿真應(yīng)用的是PSIM軟件，全稱是PowerSimulation，PSIM高效的算法克服了其它多數(shù)仿真軟件的收斂失敗、仿真時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題，因此應(yīng)用范圍比較廣泛。4.1相位角控制的仿真驗(yàn)證4.1.1全橋型SVC-MERS的單相仿真搭建 湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(設(shè)計(jì))第20頁(yè)圖4.1.1SVC-MERS相位角控制仿真電路圖左上角的交流電壓源用來(lái)產(chǎn)生電路所需的電壓Vs，其峰值為141V，有效值即為100V，頻率為50Hz。是一個(gè)電壓傳感器，用來(lái)檢測(cè)電壓的過(guò)零點(diǎn)，再與比較器連用，就可產(chǎn)生矩形波。是延時(shí)裝置，若輸入電壓與開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)的相位角為δ，延時(shí)時(shí)間則表示為t=δ360×0.02+0.01，其中0.02是50Hz電壓的一個(gè)周期，后面還加上了0.01是因?yàn)殚T電壓檢測(cè)選擇的是相異的兩個(gè)開(kāi)關(guān)。并聯(lián)在電路中用來(lái)測(cè)量SVC-MERS中的無(wú)功補(bǔ)償量。 湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(設(shè)計(jì))第21頁(yè)是全橋型SVC-MERS電路的主體部分，四個(gè)開(kāi)關(guān)管都有門控信號(hào)，并聯(lián)電容大小為212.31uF，Vc測(cè)量的是電容兩端的電壓。以及中，Vmers測(cè)量的是橋臂電壓，并檢測(cè)了電壓的基波Vfund，基波有效值Vrms1和諧波含量THD1。Isvc＿r測(cè)量的是總電流，并檢測(cè)了電流的基波Ifund，基波有效值Irms1和諧波含量THD。此次仿真設(shè)定的仿真步長(zhǎng)為1E-005，即0.00001s，總時(shí)間為1.5s。4.1.2仿真結(jié)果圖4.1.2（a）顯示的是SVC-MERS在相位角δ=0°，即t=0.01s時(shí)輸入電壓Vrs，門電壓Rgate，橋臂電壓Vmers和電路電流Isvc＿r的波形。此時(shí)SVC-MERS工作在平衡模式下，電感和電容產(chǎn)生的無(wú)功功率大概為-748.97var，即產(chǎn)生748.97var的容性無(wú)功。圖4.1.2（b）顯示的是SVC-MERS在相位角δ=36°，即t=0.012s時(shí)輸入電壓Vrs，門電壓Rgate，橋臂電壓Vmers和電路電流Isvc＿r的波形。此時(shí)的0°＜δ＜90°，所以SVC-MERS工作在不連續(xù)模式下，Vmers的波形中明顯存在電容被短接，即Vmin=0的時(shí)間段。此時(shí)，產(chǎn)生的容性無(wú)功功率為2280.86var。Time（s）圖4.1.2（a）δ=0°時(shí)SVC-MERS仿真波形（平衡模式）Time（s）圖4.1.2（b）δ=36°時(shí)SVC-MERS仿真波形（不連續(xù)模式）在這個(gè)仿真試驗(yàn)中，只對(duì)相位角δ進(jìn)行了控制，并沒(méi)有對(duì)最小電容電壓Vc.min進(jìn)行控制，所以不能得到直流偏置模式的波形。 湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(設(shè)計(jì))第24頁(yè)湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(設(shè)計(jì))第22頁(yè)4.2最小電容電壓控制的仿真驗(yàn)證4.2.1全橋型SVC-MERS的三相仿真搭建 湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(設(shè)計(jì))第23頁(yè)湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(設(shè)計(jì))第25頁(yè)圖4.2.1SVC-MERS最小電容電壓控制仿真電路圖圖4.2.1顯示的是三相系統(tǒng)的仿真圖，其中包含了最小電容電壓控制方式的系統(tǒng)。三相電路中，每相均含有單相全橋型SVC-MERS電路結(jié)構(gòu)。要進(jìn)行最小電容電壓控制的仿真，需要設(shè)定一個(gè)最小直流電壓Vdc，用來(lái)設(shè)定最小直流電壓，當(dāng)電容電壓降至該電壓時(shí)，便停止放電，進(jìn)入單旁路模式，所以電容電壓的最小值不會(huì)低于Vdc。圖中電感為9.55mH，電容為212.31uF，電源線電壓有效值為200V，頻率為50Hz，仿真總時(shí)間為1.5s。4.2.2仿真結(jié)果圖4.2.2（a）顯示的是γ=0°，Vdc=100V時(shí)，輸入電壓Vps，電容電壓Vcr＿1，橋臂電壓Vmers＿r和單相電流Imers的波形。圖中可以看出，電容電壓存在明顯的殘留直流電壓，大小為100V，此時(shí)產(chǎn)生的容性無(wú)功功率為6Kvar,每一相即為2Kvar。 湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(設(shè)計(jì))第24頁(yè)湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(設(shè)計(jì))第26頁(yè)Time(s)圖4.2.2（a）γ=0°，Vc.min=100V時(shí)SVC-MERS仿真波形（直流偏置模式）Time(s)圖4.2.2（b）γ=30°，Vc.min=100V時(shí)SVC-MERS仿真波形（直流偏置模式）當(dāng)γ=30°，Vdc=100V時(shí)，相應(yīng)的波形圖顯示如圖4.2.2（b），此時(shí)產(chǎn)生的容性無(wú)功功率為13.415Kvar，每一相即為4.272Kvar。在上面的仿真中，通過(guò)改變相位角δ的控制方式和改變最小電容電壓與γ的控制方式，達(dá)到了對(duì)SVC-MERS的工作模式的控制，得到了不同的無(wú)功補(bǔ)償量，實(shí)現(xiàn)了SVC-MERS的基本功能。在三相仿真系統(tǒng)中，由于三個(gè)SVC-MERS是采取△連接，所以三次電流諧波在內(nèi)部被抵消掉了。圖4.2.2（c）給出了三種模式下的總電路電流Isvc＿r的波形圖。 湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(設(shè)計(jì))第27頁(yè)Time（s）Frequency(Hz)Time(s)Frequency(Hz)Time(s)Frequency(Hz 湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(設(shè)計(jì))第25頁(yè)湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(設(shè)計(jì))第20頁(yè)圖4.2.2（c）三種模式下總電流Isvc＿r4.3SVC-MERS的性能分析4.3.1SVC-MERS無(wú)功功率的控制當(dāng)SVC-MERS工作在不連續(xù)模式下時(shí)，可以通過(guò)相位角控制，即控制輸入電壓與開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)的相位差δ來(lái)控制無(wú)功功率的補(bǔ)償量，二者呈線性關(guān)系。當(dāng)SVC-MERS工作在直流偏置模式下時(shí)，可以通過(guò)控制Vc.min和γ來(lái)控制無(wú)功功率的補(bǔ)償量。而平衡模式可以視為在不連續(xù)模式下δ=0時(shí)的狀態(tài)，也可以視為在直流偏置模式下最小瞬時(shí)電壓VC.min和γ為零時(shí)的狀態(tài)。由仿真得到的不連續(xù)模式和直流偏置模式下產(chǎn)生的無(wú)功功率分別如圖4.3.1（a）和4.3.1（b）所示，圖中縱軸表示的是產(chǎn)生的無(wú)功功率大小Q與平衡模式下產(chǎn)生的無(wú)功功率QQ/Qbalance2.52.5 湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(設(shè)計(jì))第26頁(yè)Vc.min(p.u)δ(deg.)（a）（b）圖4.3.1SVC-MERS產(chǎn)生的無(wú)功功率圖的右邊部分為不連續(xù)模式，可以看出，無(wú)功功率的補(bǔ)償量可由唯一的量δ決定，兩者呈線性關(guān)系，δ越大，無(wú)功補(bǔ)償量也越大。平衡模式下QQbalance的值為1。圖的左邊部分為直流偏置模式，無(wú)功補(bǔ)償量由電容最小瞬時(shí)電壓Vc.min和γ共同決定。直流偏置模式中，Vc.min相同時(shí)，γ越大Q就越大；γ相同時(shí)，Vc.min越大，Q就越??；這與之前公式推導(dǎo)的結(jié)論是一致的。很明顯，直流偏置模式中，Vc.min=0時(shí)產(chǎn)生的Q與不連續(xù)模式下δ=γ時(shí)產(chǎn)生的Q相同。由圖4.3.2SVC-MERS的電容電壓峰值在不同的模式下，SVC-MERS除了產(chǎn)生的無(wú)功補(bǔ)償量不同，還存在一些其他性能上的差異，比如總諧波失真THD和電容電壓峰值。在前面的仿真驗(yàn)證中，控制參數(shù)的改變可以得到不同的無(wú)功補(bǔ)償量，也可使總諧波失真THD和電容電壓峰值發(fā)生改變，而設(shè)計(jì)參數(shù)，如XL/Xc的值發(fā)生改變，也會(huì)對(duì)其性能有一定的影響。在對(duì)性能分析的過(guò)程中，為了直觀，用無(wú)功補(bǔ)償量代替δ和Vc.min作為橫坐標(biāo)，Q以平衡模式下的無(wú)功補(bǔ)償量Qbalance為基值，電壓以電源線電壓有效值200V為基值。圖4.3（a）作出了當(dāng)XL/Xc分別等于0.15、0.2和0.25時(shí)電容峰值電壓和電流諧波與無(wú)功補(bǔ)償量的關(guān)系。峰值電壓/V