静止无功功率补偿器的设计 2

静止无功补偿器设计 1

柔性交流输电系统应用技术期末考察论文

FACTS中静止无功补偿器(SVC)的设计

姓 名： 李 杰 学 院： 电气工程学院 班 级： 电 自 104 班 学 号： 1008040224 指导老师： 邹 晓 松

2013.12.16 静止无功补偿器设计

2 FACTS中静止无功补偿器(SVC)的设计

李杰（电自104班：1008040224） 摘要:静止无功发生器(SVG)是柔性交流输电系统中的一种重要的控

制器。它是近年来新出现的一种基于大功率逆变器的静止无功补偿装置，是电力行业世界前沿科技柔性交流输电系统中的重要组成部分。它将电力电子技术、计算机技木坏口现代控制技术应用于电力系统，通过对装置输出电压相位的控制，对电力系统的网络参数和网络结构实施灵活、快速的控制，从感性到容性的整个范围进行连续的无功调节，达到快速补偿系统对无功功率的需求，从而抑制电压波动并增强系统稳定性。电力系统的快速发展对电网电压的稳定性和系统动态稳定性提出了更高的要求。本文设计的静止无功补偿器采用了先进的数字信号处理器DSP作为控制核心。充分利用DSP强大的数字信号处理功能，育瓣及时完成采样、控制、实时计算等任务，实珍睐寸系统快速的动态响应。DSP在SVG的控制过程中表现出巨大的潜能，为以后越来越复杂的控制策略和方法提供了一种解决平台。其主电路及其辅助电路，并且应用能够有效抑制谐波的SPWM法进行控制，进一步改 善了输出电压波形质量。 关键词:静止无功发生器 静止无功补偿装置 电压波形质量 设计 0.引言 采用自换相变流技术的静止无功补偿装置—一高级静止无功发 静止无功补偿器设计 3 生器(ASVG). 目前静止无功发生器(SVG)得到了快速的发展并进入实用阶段。SVG己成为静止无功补偿技术的发展方向，是今后柔性交流输电系统的一个重要元件。它的主要功能是在电力系统中起到动态无功发生、无功补偿、电压支撑和改善系统电压稳定的作用。总的说来，静止无功发生散器由于具有响应速度快、可以在从感性到容性的整个范围内进行连续的无功调节，特别是在欠压条件下仍可有效地发出无功功率和在系统对称运行条件下所需储能电容容量较小，从而具有可以减小装置体积等优点，而得到了电力工业界越来越大的关注。 因此本课题研究的无功补偿器为静止无功补偿器。

1·静止无功补偿器的总体设计 (1)静止无功补偿器的主电路 静止无功补偿器（ASVG）分为电压补偿器和电流补偿器两类。其简单主电路结构：

图1 静止无功补偿器设计

4 上图为电压型的补偿器，如果将直流侧的电容器用电抗器代替，交流侧的串联电感用并联电容代替，则为电流型的补偿器。交流侧所接的电感L和电容C的作用分别为阻止高次谐波进入电网和吸收换相时产生的过电压。无论是电压型，还是电流型的SVG其动态补偿的机理是相同的。当送到逆变器的脉宽恒定时，调节逆变器输出电压与系统电压之间的夹角δ就可以调节无功功率和逆变器直流侧电容电压Uc，同时调节夹角δ和逆变器脉宽，即可以在保持Uc恒定的情况下，发出或吸收所需的无功功率。SVG装置的核心部分是逆变电路，它将整流后的直流电压进行逆变以产生-个频率与系统相同的交流电压，并且这个电压的幅值和相位都可调，然后通过电抗器把这个电压并到电网上去，从而产生所需的交流无功功率。利用IGBT智能模块后，逆变器电路无论是在体积、性能、稳定性上还是控制方式上都得到了极大的简化。本文中所介绍到的静止无功发生器是电压型的SVG，它具有主电路的拓扑结构简单，且逆变装置所用的电压型器件IGBT易于控制，灵活方便。 (2)静止无功补偿器的工作原理 静止无功补偿器的主电路出来了，那么它是如何工作的呢？它的具体工作原理是什么？首先我们先看看SVG的工作原理图： 静止无功补偿器设计

5 图2 逆变器IPM的输出经过一个数值不大的电抗XL(包括变压器的内抗)接入三相交流电网，调节逆变器输出电压Vi的相位，使得Vi与交流电网电压代同相(相角差δ=o)，这么看来逆变器就变成为一个无功功率发生器了，从而可以得出： 当输出电压Vi高于电网电压Ys时，这时无功功率发生器输出滞后的无功即感性的无功功率。 当输出电压Vi低于电网电压Vs时， 这时无功功率发生器输出超前的无功即容性的无功功率。 因此，控制无功功率发生器(逆变器工PM)输出电压VI的大小，即可控制其输出 无功功率的数值大小及其性质(超前或滞后)。 从以上的分析我们可以知道，逆变器IPM能独立地与电网进行无功功率的交换， 并能从系统吸收有功功率，为直流侧电电容器提供能量的支持。 (3)静止无功补偿器的常用控制方法 前面已经介绍，由无功电流(或者无功功率)参考值调节SVG,控制SVG发出无功的性质和大小，就可以补偿负载所需的无功，具体的控制方法可以分为间接控制和直接控制两种方式。这两种控制方式都可以对无功电流进行控制，以补偿电路中所需要的无功，因此，更准确地讲，这两种方式都是针对流过SVG的无功电流进行控制。但从软件的可靠性和硬件的复杂程度来考虑，采用电流的间接控制要比 静止无功补偿器设计 6 电流的直接控制实现起来容易的多。 SVG对电力系统的影响和控制主要是通过逆变器输出三相正弦电压并联到线路中来实现的。因此，输出三相电压波形严格对称且每相的正负半周也对称的SPWM是十分关键的。 SPWM (Sinusoidal Pulse Width Modulation)法的基本思想是使输出的脉冲宽度按正弦规律变化，因这样的调制技术能有效地抑制输出电压中的低次谐波分量。因此，SVG的逆变器采用SPWM控制方式，可以输出质量较高的正弦波，大大提高电网的电压品质。 生成SPWM波形的方法目前主要有软硬件相结合的方法和采用纯软件编程的方法。采用软硬件相结合的方法具有精确度不高，生成波形的硬件电路较复杂等缺点。而利用数字信号处理器(DSP)的事件管理器，用纯软件编程方法实现SPWM波形的输出可减少系统的硬件投资，并具有实时性好和运算精确等优点。 a.经分析，在δ角绝对值不太大的情况下，δ与IO接近线性正比关系。因止通过控δ角就可以控制SVG吸收的无功电流。这样就可以得出SVG最简单的控制方法，原理图：

图3 当改变δ角时，VL也随着变化。VS的变化是通过直流端支撑电压VD变化而实现。δ角变化时，变流器将吸收一定的有功电流，因而直流侧的电容将被充电或放电，因而引起VD的变化，从而引起VI的变 静止无功补偿器设计 7 化。当暂态过程完毕时，VI，IQ必然满足上述关系式。 b. 如果在这种控制方法基础上加上反馈环节，那么无功电流的控制精度和响应速度都会大大提高。其原理图：

图4 在此基础上，产生了许多种控制方法，比如对δ角和逆变器脉宽角Ø联合起来的控制策略等。电流间接控制方法多适用于较大容量的SVG装置，其减少谐波方法多采用多重化的方法并且结合PWM技术。

2.静止无功补偿器具体设计 我们首先分析SVG的总体构造，根据构造的器件的要求设计硬件的规格，SVG的总体构造为： 静止无功补偿器设计

8 图5 看得出来，整个SVG硬件电路包括以电力电子器件工GBT为核心的功率主回路和以数字信号处理器TMS320LF2407 DSP为控制核心的控制回路，其中控制工GBT管门极的SPWM脉冲由DSP来产生。 (1)电力电子主回路

图6 从上图不难看出，电力电子主回路主要包括逆变电路和整流电路 静止无功补偿器设计 9 两部分。 逆变电路的硬件选择可以有单个IGBT管、单个二极管和专门设计的驱动电路等组成的逆变器。但其效果和性能不佳，在此介绍三菱公司的智能功率模块IPM，它是由7个IGBT管、6个二极管、栅极驱动电路、过流保护电路、过热保护电路、短路保护电路、驱动保护电路、驱动电压欠压保护等组成。该模块的主电路部分有5个端子，即直流电压的输入端正负极，三相交流电输出端U, V, W，控制部分共有19个端子，用于PWM信号的输入、故障信号输出及驱动电源等。与过去的IGBT模块和驱动电路的组合电路相比，IPM模块内含驱动电路且保护功能齐全，因而可极大地提高应用系统整机的可靠性。本设计选用三菱公司的IPM模块，它具有体积小、可靠性高、价格低廉的优点。 整流电路的硬件选择采用三相不控整流模块将交流电变成直流电。考虑滤波电容充电电流的影响以及市场供货情况，实际二极管整流模块选用6RI30G-160 ( 30A， 1200V ) 。 (2)主回路直流电容 整流电路输出的直流电压含有波动成分，并且逆变器也可产生部分的脉动电流，因此需加入大电容滤波环节。根据三相瞬时无功功率理论，理想情况下，三相电路总的瞬时功率为各相瞬时有功功率之和，而总的瞬时无功功率总和为零，这表明各相瞬时无功功率只是在三相之间交换，因此，对于SVG而言，瞬时无功功率不会导致其交流侧和直流侧之间的能量交换，从而使伪保持恒定。因此，从原理上讲， 静止无功补偿器设计 10 SVG直流侧不需储能元件。此时电容只需很小的电容量用于保证功率器件的正常工作即可，一般直流侧电容选用4个2200µF/ 450V的电解电容，两串两并。 (3)逆变器IPM的缓冲电路 缓冲电路(又称阻容吸收电路)主要用于抑制IPM模块内部的IGBT单元的过电压dv/dt或者过电流di/dt，同时减小IGBT开关损耗。由于缓冲电路所需的电阻、电容的功率和体积都较大，所以在IGBT模块内部并没有专门集成该部分电路。因此，在实际的系统之中一定要有缓冲电路，通过电容可把过电压的电磁能量变成静电能量储存起来，电阻可防止电容与电感产谐振。其IGBT的缓冲电路：

图7 (4)IGBT门极驱动控制电路 与主电源电路不同，驱动控制电路主要针对的是DSP控制系统的弱电控制部分。由于模块要直接和配电系统相连，因此必须利用隔离器件将模块和控制部分的弱电电路隔离开来，以保护DSP控制系统。同时由于工GBT模块的工作状况很大程度上取决于正确、有效、