靜止無功補(bǔ)償器的研究課程設(shè)計(jì)1

1、1 靜止無功補(bǔ)償器的總體設(shè)計(jì)1.1 靜止無功補(bǔ)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(shí)際上，由于運(yùn)行效率的原因，實(shí)際應(yīng)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(bǔ)償?shù)难b置。ASVG的基本結(jié)構(gòu)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(guān)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(shù)控制電力電子開關(guān)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(bǔ)償器結(jié)構(gòu)圖上圖為電壓型的補(bǔ)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(bǔ)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(jìn)入電網(wǎng)和吸收換相時(shí)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(bǔ)償?shù)臋C(jī)理是相同的。當(dāng)送到逆變器的脈寬恒定時(shí)，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(shí)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(jìn)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(bǔ)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(dāng)輸出電壓Vi高于電網(wǎng)電壓Ys時(shí)，這時(shí)無功功率發(fā)生器輸出滯后的無功即感性的無功功率。當(dāng)輸出電壓Vi低于電網(wǎng)電壓Vs時(shí)， 這時(shí)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(dú)立地與電網(wǎng)進(jìn)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(bǔ)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(bǔ)償負(fù)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(jìn)行控制，以補(bǔ)償電路中所需要的無功，因此，更準(zhǔn)確地講，這兩種方式都是針對流過SVG的無功電流進(jìn)行控制。但從軟件的可靠性和硬件的復(fù)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(shí)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(shí)現(xiàn)的。因此，輸出三相電壓波形嚴(yán)格對稱且每相的正負(fù)半周也對稱的SPWM是十分

6、關(guān)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(shù)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(jié)合的方法和采用純軟件編程的方法。采用軟硬件相結(jié)合的方法具有精確度不高，生成波形的硬件電路較復(fù)雜等缺點(diǎn)。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(shí)現(xiàn)SPWM波形的輸出可減少系統(tǒng)的硬件投資，并具有實(shí)時(shí)性好和運(yùn)算精確等優(yōu)點(diǎn)。（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(guān)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(dāng)改變角時(shí)，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(shí)現(xiàn)。角變化時(shí)，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(dāng)暫態(tài)過程完畢時(shí)，VI，IQ必然滿足上述關(guān)系式。(2) 如果在這種控制方法基礎(chǔ)上加上反饋環(huán)節(jié)，那么無功電流的控制精度和響應(yīng)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(chǔ)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(jié)合PWM技術(shù)。2 靜止無功補(bǔ)償器硬件設(shè)計(jì)數(shù)字信號處理（DSP，Digital Signal Processing）是一門涉及多種學(xué)科且又廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域的科學(xué)。20世紀(jì)60年代以來，隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字信號處理技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生并得到迅速的發(fā)展。目前，數(shù)字信號處理技術(shù)及相應(yīng)的DSP芯片因其強(qiáng)大快速的信號處理功能已經(jīng)廣泛應(yīng)用于自動控制、圖像處理、通訊技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、儀器儀表和家電等領(lǐng)域；DSP為數(shù)字信號處理提供了高效而可靠的硬件基礎(chǔ)。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(fù)載電流的實(shí)時(shí)快速檢測，并

9、進(jìn)行相應(yīng)的控制輸出，對實(shí)時(shí)性要求相當(dāng)高。因此本實(shí)驗(yàn)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(shè)備較多，所以選擇外設(shè)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(chǔ)上低功耗改進(jìn)型，它是為了滿足控制應(yīng)用而設(shè)計(jì)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(shè)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(shè)計(jì)的一種廉價(jià)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(gòu)造的器件的要求設(shè)計(jì)硬件的規(guī)格，SVG的總體構(gòu)造為：圖2-1 SVG總體結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)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(hù)電路、過熱保護(hù)電路、短路保護(hù)電路、驅(qū)動保護(hù)電路、驅(qū)動電壓欠壓保護(hù)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(fù)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(hù)功能齊全，因而可極大地提高應(yīng)用系統(tǒng)整機(jī)的可靠性。本設(shè)計(jì)選用三菱公司的IPM模塊，它具有體積小、可靠性高、價(jià)格低廉的優(yōu)點(diǎn)。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(shí)無功功率理論，理想情況下，三相電路總的瞬時(shí)功率為各相瞬時(shí)有功功率之和，而總的瞬時(shí)無功功率總和為零，這表明各相瞬時(shí)無功功率只是在三相之間交換，因此，對于SVG而言，瞬時(shí)無功功率不會導(dǎo)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(shí)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(shí)質(zhì)上是一種開關(guān)輔助電路，利用它可以減小器件在開關(guān)過程中產(chǎn)生的過壓、過流、過熱、 和 ，確保器件安全可靠運(yùn)行，所以緩沖吸收電路設(shè)計(jì)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(shí)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(hù)DSP控制系統(tǒng)。同時(shí)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(shí)的控制信號。所以設(shè)計(jì)一個優(yōu)良的光禍控制電路也是模塊正常工作的關(guān)鍵之一。 門極驅(qū)動控制電路的任務(wù)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(guān)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(dāng)2407的PWM引腳輸出高電平時(shí)，發(fā)光二極管導(dǎo)通并發(fā)出對應(yīng)的光脈沖，光電二極管隨之導(dǎo)

15、通，三極管T1導(dǎo)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(dǎo)通。當(dāng)2407的PWM引腳輸出低電平時(shí)，光電二極管隨之截止，三極管T2導(dǎo)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(shí)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(yīng)特性，故能適應(yīng)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(dú)立的驅(qū)動電源，要求供電電壓個相互獨(dú)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(shè)計(jì)：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(shí)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(yù)處理裝置采樣信號預(yù)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(yù)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(zhǔn)電壓范圍為0-3.3V，是單極性的。而在實(shí)驗(yàn)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(yù)處理裝置，

18、經(jīng)處理達(dá)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(jìn)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(shí)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(biāo)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(yùn)算放大器進(jìn)行比例放大，然后在型號為LM311的高速比較器中進(jìn)行信號過零點(diǎn)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(bǔ)償?shù)陌l(fā)展趨勢隨著電力電子技術(shù)的日新月異以及各門學(xué)科的交叉影響，靜止無功補(bǔ)償?shù)陌l(fā)展趨勢主要有以下幾點(diǎn)：（1）在城網(wǎng)改造中，運(yùn)行單位往往需要在配電變壓器的低壓側(cè)同時(shí)加裝無功補(bǔ)償控制器和配電綜合測試儀，因此提出了無功補(bǔ)償控制器和配電綜合測試儀的一體化的問題。（2）快速準(zhǔn)確地檢測系統(tǒng)的的無功參數(shù)，提高動態(tài)響應(yīng)時(shí)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(fù)荷或負(fù)荷波動較頻繁的場

20、合）。隨著計(jì)算機(jī)數(shù)字控制技術(shù)和智能控制理論的發(fā)展，可以在無功補(bǔ)償中引入一些先進(jìn)的控制方法，如模糊控制等（3）目前無功補(bǔ)償技術(shù)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(bǔ)償?shù)难b置則具有重要意義，關(guān)鍵問題是要解決補(bǔ)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(bǔ)償?shù)骄哂袨V波以及諧波的功能。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和電力電子產(chǎn)品的推廣應(yīng)用，供電系統(tǒng)或負(fù)荷中含有大量諧波。研制開發(fā)兼有無功補(bǔ)償與電力濾波器雙重優(yōu)點(diǎn)的晶閘管開關(guān)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(jié)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(bǔ)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(shù)、計(jì)算機(jī)技木壞口現(xiàn)代控制技術(shù)應(yīng)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(luò)參數(shù)和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)實(shí)施靈活、快速的控制，從感性到容性的整個范圍進(jìn)行連續(xù)的無功調(diào)節(jié)，達(dá)到快速補(bǔ)償系統(tǒng)對無功功率的需求，從而抑制電壓波動并增強(qiáng)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(shè)計(jì)的靜止無功補(bǔ)償器采用了先進(jìn)的數(shù)字信號處理器DSP作為控

22、制核心。充分利用DSP強(qiáng)大的數(shù)字信號處理功能，育瓣及時(shí)完成采樣、控制、實(shí)時(shí)計(jì)算等任務(wù)。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(fù)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(yīng)用能夠有效抑制諧波的SPWM法進(jìn)行控制，進(jìn)一步改善了輸出電壓波形質(zhì)量。我個人認(rèn)為，靜止無功發(fā)生器這項(xiàng)新技術(shù)在我國具有廣闊的應(yīng)用前景。我國大多數(shù)電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)比較薄弱，結(jié)構(gòu)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(yuǎn)未發(fā)揮出來。從系統(tǒng)運(yùn)行方面講，系統(tǒng)穩(wěn)定性指標(biāo)也不高。由于SVG技術(shù)具有與現(xiàn)行系統(tǒng)完全兼容的優(yōu)點(diǎn)，可以對現(xiàn)有設(shè)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(jìn)的方式改變電力系統(tǒng)的面貌，這點(diǎn)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(shù)。目前國內(nèi)其他FACTS裝置的發(fā)展也為掌握SVG的技術(shù)奠定了一定的基礎(chǔ)，隨著國內(nèi)電力電子制造技術(shù)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(yīng)該面世。DSP是一種專為進(jìn)行數(shù)字信號處理而設(shè)計(jì)的處理