（控制理论与控制工程专业论文）基于dsp的新型静止无功发生器研究.pdf

摘要 静止无功发生器( a s v g ) 是柔性交流输电系统中的一种重要的控制器。它是电 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。它将电力电予技术、 计算机技术和现代控制技术应用于电力系统，通过对装置输出的电压幅值、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。 本文比较了各种无功补偿装置的优缺点，介绍了静止无功发生器的发展和现 状，分析了它的工作原理和控制方法。在对a s v g 的理论研究和控制方法研究的基 础上，设计了小容量的基于d s p 的单相静止无功发生器的试验装置。给出了主电 路结构图、控制器硬件电路图和系统软件的各个功能模块工作流程图。在主电路 结构中，以全控型电力电子开关器件i g b t 作为逆变器的关键器件，并利用s p 咖 技术来控制i g b t 的通断来产生脉冲。由于d s p 具有运算速度快、实时性强和可靠 性高等优点，因此该装置采用数字信号处理器t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 作为控制电路核心处 理器，完成采样信号的a d 转换、数据处理、控制、实时计算等任务，实现对电 力系统快速的动态补偿响应。在控制电路中主要包括电流电压信号调理电路、i g b t 的隔离驱动电路和液晶显示电路等。系统软件采用模块化编程方法，给出了各个 模块的程序流程图。 关键饲：a s v g ；无功补偿；s p i i b ；电漉问接控翻 r e s e a r c ho f a s v gb a s e do nd s p a b s t r a c t a d v a n c e ds t a t i cv a rg e n e r a t o rf a s v g ) i s8 ni m p o r t a n tf l e x i b l ea ct r a n s m i s s i o n s y s t e m ( f a c t s lc o n t r o l l e r i ti sa k i n do fd 州c e ，w h i c hi sb a s e do np o w e rc o n v e r t o r a n dc a nc o m p e n s a t er e a c t i v ep o w e ro fe l e c t r o n i cs y s t e m , a n di st h ei m p o r t a n t c o m p o n e n to ff l e x i b l ea ct r a n s m i s s i o ns y s t e mi ne l e c t r o n i ci n d u s t r ya n dh a se m e r g e d i nr e c e n ty e a s i ta p p l i e se l e c t r i ca n de l e c t r o n i ct e c h n o l o g y , t e c h n o l o g yo ft h ec o m p u t e r a n dm o d e mc o n t r o lt e c h n o l o g yt ot h ep o w e rs y s t e m t h r o u g ht h ec o n t r o lo fo u t p u t t i n g v o l t a g ea m p l i t u d ea n dp h a s eo f t h ed e v i c e , i tc a ni m p l e m e n tf l e x i b l ea n df a s tc o n t r o lt o t h en e t w o r kp a r a m e t e ra n dn e t w o r ks t n l c t i l r eo ft h ep o w e rs y s t e m , c a nr e g u l a t e c o n t i n u o u s l yt h er e a c t i v ep o w e ri nt h ew h o l er a n g ef z o mc a p a c i t i v er e a c t i v ep o w e rt o i n d u c t i v er e a c t i v ep o w e r , r e a c ht oc o m p e n s a t er a p i d l yt h ed e m a n df o rt h er e a c t i v e p o w e ro f t h es y s t e m t h u s c a n s u p p r e s st h ev o l t a g ef l u c t u a t i n ga n ds t r e n g t h e ns y s t e m a t i c s t a b i l i t y t h i st h e s i s c o m p a r e s t h e a d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n 臼t g e s o fv a r i o u sv a t c o m p e n s a t i o nd e v i c e s ，i n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n ta n dc u r r e n ts i t u a t i o no fa s v g a n a l y z e si t sw o r k i n gp r i n c i p l ea n dc o n t r o lm e t h o d , d e s i g n ss m a l lc a p a c i t ys i n g l ep h a s e a s v gt e s td e v i c eb a s e do nt h e o r yr e s e a r c ha n dc o n t r o lm e t h o dr e s e a r c h t h i st h e s i s a l s og i v e sm a i nc i r c u i t c o n t r o lc i r c u i ta n ds y s t e ms o f w a mf l o w c h a r t t a k e se l e c t r i c e l e c t r o n i cc o m p o n e n ti g b t 黔k e yp a r to fr e v e r s ec o n v e r t e ri nm a i np o w e rc i r c u i t a n d u s e st h es p w mt oc o n t r o li g b to p e na n dc l o s e c o n s i d e r i n gd s ph a sm a n y a d v a n t a g e s , s u c ha sf a s to p e r a t i o ns p e e d ，b e t t e rr e a l - t i m e ，h i g hd e p e n d a b i l i t ye l c ，t h e d e v i c et a k e sd i g i t a ls i g n a lp f 仪鬻晒o ft m s 3 2 0 l f 2 4 0 7a sc o r ep a r to f c o n t r o lc i r c u i tw h i c h c a nt a k ec u r r e n ta n dv o l t a g es a m p l e , d a t ep r o c e s s ，c o n t r o l ，r e a lt i m ec a l c u l m ee t c ，a n d t h e nt h ed e v i c e 锄r e a l i z ef a s td y n a m i cr e s p o n s et oe l e c t r i c a ls y s t e m i nc o n t r o lc i r c u i t , t h e r ea r es i g n a lm o d u l a t i n gc i r c u i t , i s o l a t i n gd r i v e rc i r c u i to fi g b ta n dl c dd i s p l a y c i r c u i te t c t h es y s t e ms o f l 黼a d o p t sm o d u l a r i z a t i o np r o g r a m s h o w st h ef l o w c h a r to f e v e r ym o d u l e k e yw o r d s ：a s v g ； c a rc o m p e n s a t i o n ；s p w m ；c u r r e n ti n d i r e c tc o n t r o l 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成硕士学位论文：基王立塑的堑型签止玉功筮生墨噩宜：。除论文中已经 注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表 或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：尚月汛游月辨日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、 版权使用管理办法”，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于：保密口 不保密口( 请在以上方框内打“4 ”) 论文作者签名：南斋姻导师签名：a ，诅脚 。 ， 日期：渺薄：月出阳 第1 章绪论 1 1 课题的背景 当今世界各国逐渐兴起环境保护和能源节约的热潮，电力系统是一种特殊的 环境，公用电网中出现的无功功率，由电网本身的运行规律所决定，但它给电网 带来了许多危害。无功功率是一种不做有功但能在电网引起损耗，而且又不能缺 少的一种功率。同时，无功功率在系统中的流动对电力系统本身也产生很大的影 响。 在工业和生活用电负载中，感性负载占有很大的比例。变压器、异步电动机、 荧光灯等都是典型的感性负载。异步电动机和变压器所消耗的无功功率在电力系 统所提供的无功功率中占有很高比例。电力系统中的电抗器和架空线等也消耗一 些无功功率。感性负载必须吸收无功功率才能正常工作，这是由其本身的性质来 决定的【l l 。 近年来，随着电力系统中非线性用电设备，特别是电力电子装置应用的日益 广泛，而大多数电力电子装置功率因数较低，工作时基波电流滞后于电网电压， 要消耗大量的无功功率，给电网带来额外的负担，严重影响电网的供电质量，因 此提高功率因数已成为电力电子技术和电力系统研究领域所面临的一个重大课 题。 1 2 无功补偿装置的发展 电力系统中的无功补偿装置从最早的电容器开始发展到今天，历经了电容器、 同步调相机、静止无功补偿装置和今天引人注目的a s v g 等几个不同的阶段嗍【9 l 。 并联电容器是电网中用的最多的一种专用的无功功率补偿设备。无功补偿电 容器的优点是原理简单，安装、运行和维护都很方便，主要用作控制负荷功率因 数用，也可以作为无功功率补偿调节的手段。但是，它只能补偿感性无功，且不 能连续调节，更重要的是它的负电压效应，当电网电压下降时，电容器上的补偿 电流相应下降，使得补偿的无功量急剧下降，系统电压下降更大。在系统有谐波 时，还可能发生并联谐振，使谐波电流放大，甚至造成电容器的烧毁。 同步调相机是传统的无功功率动态补偿装置，它是专门用来产生无功功率的 同步电机，在过励磁或者欠励磁的不同情况下，可以分别发出不同大小的容性或 感性无功功率。同步调相机的优点是：在系统发生故障引起电压降低时，同步 调相机可提供电压支持，还可在短时间内强行励磁，对提高电力系统的稳定性有 很大好处。自2 0 世纪二三十年代以后几十年中，同步调相机在电力系统无功功率 控制中一度发挥着重要作用。然而，由于它是旋转电机，因而损耗和噪声都很大， 运行维护复杂，而且由于控制复杂造成响应速度慢，在很多情况下己无法适应快 速无功功率控制的要求。所以从上世纪7 0 年代以来，同步调相机开始逐渐被静止 型无功补偿装置所取代，目前有些国家甚至已不再使用同步调相机。 早期的静止无功补偿装置是饱和电抗器( s r ) 型的。1 9 6 7 年，英国g e c 公司 制成了世界上第一批饱和电抗器型静止无功补偿装置1 6 1 。此后，各国厂家纷纷推 出各自的产品。饱和电抗器与同步调相机相比，具有静止型的优点，响应速度快； 但是由于其造价高、损耗大、有振动和噪声，并且调节时间长，动态辛 偿速度慢 等缺点，所以饱和电抗器型的静止无功补偿器应用的比较少。 电力电子技术的发展及其在电力系统中的应用，将使用品闸管的静止无功补 偿装置推上了电力系统无功功率控制的舞台1 1 0 l 。1 9 7 7 年美国g e 公司首次在实际 电力系统中演示运行了其使用晶闸管的静止无功补偿装置。1 9 7 8 年，在美国电力 研究院的支持下，西屋电气公司制造的使用晶闸管的静止无功补偿装置投入实际 运行。随后，世界各大电气公司都竞相推出了各具特色的系列产品。我国也先后 引进了数套这类装置。 由于使用晶闸管的静止无功补偿装置具有优良的性能，所以，从2 0 世纪8 0 年代开始，在世界范围内其市场一直在迅速而稳定地增长，已占据了静止无功补 偿装置的主导地位。因此静止无功补偿装置( s v c ) 这个词往往是专指使用晶闸管 的静止无功补偿装置，包括晶闸管控制电抗器( t c r ) 和晶闸管投切电容器 ( t h y r i s t o rs w i t c h e dc a p a c i t o r _ - t s c ) 以及这两者的混合装置( t c r + t s c ) ， 或者晶闸管控制电抗器与固定电容器( f i x e dc a p a c i t o r f c ) 或机械投切电容 器( m e c h a n i c a l l ys w i t c h e dc 8 p a c i t o r - 州! s c ) 混合使用的装置( 如t c r + f c 、 t c r + m s c 等) 。因其响应速度快，价格适中，使其在电力系统中得以迅速的推广。 s v c 的缺点在于谐波成分大，需要将固定电容器和电感器串联构成谐波滤波来滤除 2 谐波。而且s v c 运行时电容和电感的一部分容量相互抵消，不经济；且电容分组 不连续投切会影响调节质量。 随着电力电子技术的进一步发展，上个世纪8 0 年代以来，一种更为先进的静 止无功补偿装置出现了，这就是采用自换相变流电路的静止无功补偿装置，称之 为先进静止无功发生器( a d v a n c e ds t a t i cv a rg e n e r a t o r _ 一a s v g 或s v g ) ，或 者静止调相机( s t a t i cc o m p e n s a t o r - - s t a t c o m ) 。最近日本和美国已分别有数 台s v g 装置投入实际运行中，在我国，以清华大学为代表的一些科研机构研制了 2 0 州a r 的s v g ，并在河南洛阳的朝阳变电站并网成功，获得了一定的实际经验， 并在理论上有了一些发展。 无功补偿装置发展情况概括如图1 1 所示。 茁功补鉴 装鬣噍 i 魁代屯功 补鬃袋矬 图1 1 无功补偿装置的发展 f i g 1 1d e v e l o p m e n to f v a tc o m p e n s a t o r 品闷管授切 i 毡抗嚣( t c r ) 晶剐瞥投切 电容器 t s c ) 品删管控麓电挂器 + i 羽定电窖( v c ) 帆槭投娜 毡释 蛳s t l j 箨种越疆的混合 ( i c r 谭【：t c r t m s 0 等 1 3a s v g 的优越性 新型静止无功发生器( a s v g ) 被称为“静止的调相机”，是现代柔性交流输电 系统( f a c t s ) 的核心组成部分，由基于g t o 或i g b t 的电压型逆变器和直流电容 构成，和其它常规无功补偿装置相比，具有以下几大优点： ( 1 ) 在提高系统的暂态稳定性、阻尼系统振荡等方面，a s v g 的性能大大优于 3 慕 传统的无功补偿装置； ( 2 ) 采用数字控制技术，系统可靠性高，基本不需要维护，可以节省大量维 护费用；同时，可通过调度中心e m s 实现无功潮流和电压最优控制，是建设中的 数字电力系统( d f s ) 的组成部分； ( 3 ) 控制灵活，调节范围广，在感性和容性运行工况下均可连续快速调节， 响应速度可达毫秒级； ( 4 ) 静止运行，安全稳定，没有调相机那样的大型转动设备，无磨损，无机 械噪声，将大大提高装置的寿命，改善环境影响； ( 5 ) 对电容器的容量要求不高，这样可以省去常规装置中的大电感和大电容 及庞大的切换机构，使a s v g 装置的体积小，损耗低； ( 6 ) 连接电抗小，a s v g 接入电网的连接电抗，其作用是滤除电流中存在的较 高次谐波，另外起到将变流器和电网这两个电流电压源连接起来的作用，因此所 需的电感量并不大，也远小于补偿容量相同的t c r 等s v c 装置所需的电感量，如 果使用变压器将s v g 连入电网，则还可以利用变压器的漏抗，所需的连接电抗器 将进一步减小。 ( 7 ) 对系统电压进行瞬时补偿，既使系统电压降低，它仍然可以维持最大无 功电流，即a s v g 产生无功电流基本不受系统电压的影响： ( 8 ) 谐波量小。在多种型式的s v c 装置中，s v c 本身产生一定量的谐波，如 t c r 型的5 、7 次特征谐波量比较大，占基波值的5 1 0 ；其他型式如s r 等3 、 5 、7 等次的谐波，这给s v c 系统的滤波器设计带来许多困难，而在a s v g 中则完全 可以采用桥式交流电路的多重化技术、多电平技术或p 硼技术来进行处理1 w ，以 消除次数较低的谐波，并使较高次数如7 、1 1 等次谐波减小到可以接受的程度。 ( 9 ) a s v g 中的电容器容量小，在网络中普遍使用也不会产生谐振，而使用 s v c 或固定电容器补偿，如果系统安装台数较多，有可能导致系统谐振的产生； ( 1 0 ) a s v g 的端电压对外部系统的运行条件和结构变化是不敏感的。当外部 系统容量与补偿装置容量可比时，s v c 将会变得不稳定，而a s v g 仍然可以保持稳 定，即输出稳定的系统电压； ( 1 1 ) a s v g 的直流侧采用较大的储能电容，或者其他直流电源( 如蓄电池组) 后，它不仅可以调节系统的无功功率，还可以调节系统的有功功率。这对电网来 4 说是非常有益的，是s v c 装置所不能比拟的。 正因为上述优点，a s v g 作为一种新型的无功调节装置，已经成为现代无功 补偿装置的发展方向，成为国内外电力系统行业的重点研究课题之一。 1 4a s v g 国内外的研究现状 先进静止无功发生器是在上世纪七十年代末期随着电力电子技术的发展而逐 渐发展起来的，自从美国学者l g y u g y i 在1 9 7 6 年提出利用半导体变流器进行无 功补偿的理论【4 2 1 以来，逐步出现了应用变流技术进行动态无功补偿的静止补偿器。 世界各国对大功率新型静止同步补偿器( a s v g ) 的理论与工程应用研究方兴未艾， 在上世纪八十年代中期，灵活交流输电技术出现之后，对a s v g 的研究迸一步深入 并由理论进入工程的应用。 在国际上，日本关西电力公司与三菱电机公司共同研制并于1 9 8 0 年1 月投运 了世界上首台a s v g 样机1 1 1 1 ，采用了晶闸管强制换相的电压型逆变器，容量为 2 0 m v a r 。1 9 8 6 年l o 月，由美国电力研究院和美国西屋电气公司共同研制l m v a r 的a s v g 【1 2 投入运行，这是世界上首台采用大功率g t o 作为逆变器元件的静止补偿 器。1 9 9 1 年，日本关西电力公司和三菱电机公司研制成功8 0 m v a r 的a s v g t ”1 在 犬山变电站1 5 4 k v 系统中投运，维持了该系统长距离送电线路中间点电压的恒定， 提高了系统稳定性。美国e p r i 与田纳西电力局( t e n n e s s e ev a l l e ya u t h o r i t y 缩写为t v a ) 、西屋电气公司合作，在t v a 电力系统的s u l l i v a n5 0 0 k v 变电站建造 了l o o m v a ra s v g 【l ”，并于1 9 9 6 年1 0 月投运至今，运行情况良好。1 9 9 3 年3 月， 东京电力分别与东芝公司和日立公司开发的2 台5 0 n v a ra s v g 在东京所属新信浓 变电所投入使用 1 5 1 1 ”j 。1 9 9 7 年，德国西门子公司将开发研制的8 m v a r a s v g ( 又称 g t o - s v c ) 安装在丹麦的r e j s b yh e d e 风场，对风力发电机组进行动态控制 1 。美 国电力( a m e r i c a ne l e c t r i cp o w e r ，缩写为a e p ) 和西屋公司及美国e p r i 合作， 研制目前世界上唯一的u p f c t ”l 【1 9 1 ，并在k e n t u c k y 东部的i n e z 变电站装设，这也 是到目前为止容量最大的f a c t s 设备，由共享直流侧电压的并联和串联两个基于 大功率g t o 的电压型逆变器组成，容量各为1 6 0 m v a ，整个u p f c 的容量为3 2 0 m v a 。该装置中的串联部分，称为同步静止串联补偿器( s y n c h r o n o u ss t a t c i s s e r i e sc o m p e n s a t o r ，缩写为s s s c ) ，也是目前世界上在电力输电线路上安装的第 一台同类型装置。该装置并联部分s t a t c 伽己于1 9 9 7 年7 月完成，串联部分 s s s c 于1 9 9 8 年6 月投入运行。s t a t c o m 和s s s c 一般作为一个整体，也就是u p f c 。 u p f c 既可维持端电压，又能调节线路潮流，解耦后可分别作为s t a t c o m 和s s s c 各 自独立运行。此外，英国国家电网公司( n a t i o n a lg r i dc o m p a n y ，缩写为n g c ) 将 在其4 0 0 k v 系统内安装由法国a l s t o m 输配电公司研制的基于7 5 m v a rs t a t c o m 的静止无功补偿系统【2 “，整个静止无功补偿系统的容量将是0 至2 5 5 m v a r ，从而 提高英国北部往南部的电力传输功率。 在国内，9 0 年代之前还没有较全面的研究成果，只是一些以清华大学为代表 的一些科研机构通过研究，做了一些实际的工程，获得了一定的实际经验，并在 理论上有了一些发展。9 0 年代初，国内已开始了f a c t s 系统的理论研究及具体 f a c t s 装置和控制器的研究工作。在我国，1 9 9 4 年作为原电力部重大科技攻关项 目由河南省电力局和清华大学共同研制了士2 0 m v a r a s v g t 2 2 1 。为了进行基础理论 研究，首先研制了3 0 0 k v a r 的中问工业试验装置，于1 9 9 5 年并网运行。1 9 9 9 年 3 月2 0 m v a r a s v g 在河南洛阳的朝阳变电站并网成功，并于2 0 0 0 年6 月成功地 通过了鉴定，这是国内首台投入应用的大容量柔性交流输电装置。该装置不仅能 调节无功和电压，还可提高输电稳定性和输送能力。东北电力集团公司和电力科 学研究院等单位合作，对5 0 0 千伏超高压输电线路可控串联补偿( t c s c ) 的研究 已取得阶段性成果。结合伊敏一冯屯5 0 0 千伏输电线路的研究表明，采用2 5 串联补偿电容的可控串联补偿装置1 ，可显著提高暂态稳定水平和阻尼振荡能力。 电力科学研究院、东南大学、清华大学都在进行u p f c 的研究。电科院建立了u p f c 控制器的模型，结果证明了u p f c 良好的效果和功能1 。 从现有的文献看【1 “，目前国内外已投入运行的a s v g 装置均采用基于g t o 的逆变器，其具有大电压、高频率的优点，但随着电力电子技术的发展及对供电 质量要求的提高，g t o 的开关频率已经不能满足要求，为减少谐波和提高容量， 必须采用变压器曲折连接方式，这样使电路设计复杂化，且保护电路复杂；在a s v g 工作机理的研究上，现有a s v g 装置的工作模型是建立在一个静止的同步电压源 基础之上，既由一个电压型变流器构成的a s v g 装置经一个串联电抗f 包括变压器 的漏抗与电路中其它电抗) 与电网相连，根据输人的无功功率和有功功率指令，变 6 流器如同同步发电机一样，产生相位与幅值均可以迅速调节的基频分量对称的三 相正弦电压叠加到电网上，从而吸收或发出满足电两要求的无功功率。但由于电 力系统具有多种非线性和其负荷参数的不确定性，并且对实际电力系统而言， a s v g 装置更多的是运行在三相不对称条件下，因此，这种稳态的工作模型在应 用上存在着很大的不足；在a s v g 的控制策略上，现有的a s v g 装置一般采用常 规的p i d 调节方式或引人线路功率的p s s 辅助控制方式。这种控制方式由于直流 电压回路与无功控制回路的时间常数为同一数量级的，再加上系统本身的非线性 性质，控制效果不理想，难以满足电力系统提高功角稳定和电压稳定的要求。 目前，对于a s v g 的大规模应用存在着三个制约因素例。其一，由于高压大 容量可关断器件的单管容量还比不上一般晶闸管的单管容量，因此a s v g 的装景 容量还比较小，目前主要通过单相桥的串联或并联、可关断器件的串联来扩大容 量，而单相桥串联或通过变压器并联较复杂，可关断器件的串联实现起来还比较 困难，因此增加了整个a s v g 装置的复杂程度和造价，其二，a s v g 装置容量造 价较高，在许多对无功功率补偿速度要求不是很高或不存在特殊要求的场合，用 户愿意采用价格相对较低豹s v c 装置。其三，用户对a s v g 的认可程度还不是很 高a 随着电力电予技术的不断发展，大容量器件不断涌现，上述制约因素问题可 望得到解决。 1 5 课题研究的意义 1 5 无功给电力系统带来的影晌 1 增加设备容量。无功功率的增加会导致电流增大和视在功率增加，从而 使发电机，变援器等各种电气设备的容量和导线的容量增加。同时，也使得电力 用户的起动及控制设备，测量仪表的规格也要相应的加大1 1 2 6 。 2 设备及线路损耗增加。无功功率的增加，使总电流增大，因而使设备 线路的损耗增加，这是显而易见的。设线路中电流1 由有功分量扣和无功分量如组 成，线路电阻为r ，则线路损耗为： p = m = 也2 + 2 ) r ：等譬r ( 1 1 ) 其中( q 2 u 2 净这一部分损耗就是无功功率引起的。 7 3 使线路和变压器的电压降增大，若是冲击性无功功率负载，还会使电压产 生剧烈波动，使供电质量严重降低。在图1 2 中 历引起的电压降a u 为： 图1 2 等效电路 f i g 1 2e q m v a l e mc i r c u i t p a 一b a u = 弘u = 盛， ( 1 2 ) 另外，负载电流，可由下式求得： j = 己，( g 一归) ：u 2 g 了- _ j u 2 b ：p - i j q ( 1 3 ) uu 把( 卜3 ) 代入( 1 - 2 ) 可得： d = ( 胄。+ j x s ) p s 西j q ：r s p + x s q + j x s p - r s q( 1 4 ) uu 、 分析图中各参数可看出，壹和d 之间的夹角很小，因此 u “r s p 百+ x s q ( 1 5 ) 在一般的电网中，b 比墨小的多，因此可以得出这样的结论：电网电压的波 动主要是由无功功率的波动引超的，而有功功率的波动对电两电压一般影响较小。 例如：电动机起动时功率因数很低，这种冲击性无功功率会使电网电压剧烈波动， 甚至使接在同一电网上的用户无法正常工作。电弧炉、轧钢机等大型设备会产生 频繁的无功功率冲击，严重影响电网供电质量。 4 功率因数降低，设备容量利用少。 1 5 2 无功补偿的作用 无功补偿是维持现代电力系统的稳定与经济运行所必需的，它对供电系统和 负荷的运行都十分重要。电力系统网络中不仅大多数负载要消耗无功功率，大多 数网络组件也要消耗无功功率。网络组件和负载所需要的无功功率必须从网络中 某个地方获得。因此，合理的方法应当是在需要消耗无功的地方产生无功功率， 即进行合理的无功补偿。 无功补偿的作用主要有以下几点1 6 ： ( 1 ) 提高供用电系统及负载的功率因数，降低设备容量，减少功率损耗。 ( 2 ) 稳定受电端及电网的电压，提高供电质量。在长距离输电线中合适的地 点设置动态无功补偿装置还可以改善输电系统的稳定性，提高输电能力。 ( 3 ) 在一些三相负载不平衡的情况下，通过适当的无功补偿可以平衡三相 有功功率及无功负荷。 由于无功功率具有上述重要的作用，因此对于无功补偿技术进行研究具有相 当重要的实际意义。 1 5 3 本论文的研究意义 在变电站处对整个电网电压进行无功补偿的大容量静止无功发生器装置由于 受到大功率可关断器件的技术条件限和造价成本过高等限制，还不能大范围的普 遍应用。而在电力系统中无功功率的消耗主要是由用户端的负载引起的，如电动 机、电弧炉、轧钢机等设备，这些设备在工作时会产生频繁的无功功率的冲击， 严重影响电网的供电质量。如果能在用户端对消耗无功的设备进行无功功率补偿， 相应的也会提高电网的整体的供电质量，这样只需要研制小容量的a s v g 来实现对 用户负载就地补偿。小容量的a s v g 体积小、造价低，可以选用开关速度较高的i g b t 可关断器件，避免了大功率可关断器件的技术条件和造价成本过高的限制，实现 起来比较容易。本课题就是研制一种在较小功率的负载侧能普遍应用的小容量的 静止无功补偿发生器装置，该装置对负载进行就地补偿，提高负载的功率因数， 进而能提高电网的供电质量和经济效益。 1 6 课题的研究内容 本文根据近年来国际和国内在a s v g 的基本理论、控制方法、结构设计等方面 9 的研究进展，介绍了静止无功发生器在国内外的发展现状，分析了其工作原理和 控制方法，并结合实验室自身的条件设计一个实验装置。 本文主要工作包括： ( 1 ) 对无功补偿作用和无功补偿装置的发展进行分析，阐述了新型静止无功发 生器的优越性及其目前的现状。 ( 2 ) 讨论了a s v g 的基本理论知识，重点论述了动态无功补偿的原理、a s v g 的 基本结构和基本工作原理，研究和分析a s v g 装置的控制策略和运行特性，主要分 析了电流间接控制策略。 ( 3 ) 根据a s v g 的工作原理设计了以t i 公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 为控制器核心的 硬件控制电路和基于新型电力电子器件i g b t 的a s v g 的主电路，设计了整个控制 电路的电路图。 ( 4 ) 在软件方面设计了能够实现a s v g 控制的各个功能模块的流程图，论述了 i e 弦脉宽调制s p u t a 的基本原理及用d s p 产生s p 嘲脉冲的实现方法。 l o 第二章无功功率和功率因数 正确计算电路的无功功率及功率因数需要有明确的物理概念、正确的计算方 法。本章主要讲述正弦电路的无功功率、非j i 三弦电路的无功功率和三相电路功率 理论。 2 1 正弦电路的无功功率和功率因数 在正弦电路中，负载是线性的，电路中的电压和电流都是正弦波。设电压和 电流可分别表示为： “= 如s i n 耐 ( 2 1 ) i = 豇s i n ( 国t 一们 = 砑c o s c s i n 耐一五咖伊c 耐 = i p + i q ( 2 2 ) 式中驴电流滞后电压的相角。 电流j 被分解为和电压同相位的分量f ，和比电压滞后的分量。i p 和分别为 i p 2 4 2 1 c o s 口s i n o j t ( 2 3 ) = 一2 ，s i n 9 c o s a j f ( 2 4 ) 电路的有功功率p 就是其平均功率，即： p = 去f u i d ( 出t ) = 去f 5 ( u i p + 峨) d ) = 去f 。2 u 1 c o s 州n 2 删) 一去f 。2 u s i n ( p c o s 耐s i n 猁( 硝) = 去r ( u c o s 尹一u i c o s 2 0 。t ) d ( o j t ) 一去r 。u i s i n o s i n 2 a c d ( o g ) = u l c o s q 口 ( 2 5 ) 电路的无功功率定义为 q = u l s i n q 口 ( 2 6 ) 由上面可以看出q 就是式( 2 5 ) 中被积函数的第二项无功分量峨的幅值。无功 分量的平均值为零说明它只进行能量交换而不消耗功率，这种能量交换通常发生 在电源和有储能元件的负载之间，q 表明了这种能量交换的幅度。真正消耗功率 的是被积函数的第一项”i ，。因此又称为有功电流分量，称为无功电流分量。 在工程上还把设备的电压和电流的有效值的乘机作为其功率设计的极限，用 来表示设备的最大可利用容量。因此引入了视在功率的概念： s = u ( 2 7 ) 且 s 2 = p 2 + q 2( 2 8 ) 从式( 2 5 ) 中可以看出，有功功率p 的最大值为视在功率s 。p 越接近s 则说 明设备的容量利用得越充分。为了反映p 通接近s 的程度，定义有功功率和视在功 率的比值为功率因数a 。功率因数五表示为： 五：i p ( 2 9 ) s 在正弦电路中，由式( 2 5 ) 和式( 2 7 ) 可知 = c o s ( 2 1 0 ) 既在正弦电路中功率因数由电压与电流的相角差来决定。 2 2 非正弦电路的无功功率和功率因数 在含有谐波的非正弦电路中，有功、无功、视在功率和功率因数的定义均和 正弦电路中的定义相同1 6 1 2 7 1 。非正弦周期函数可用傅里叶级数分解成以下形式： 有功功率p ： p = 去f 。甜耐= 喜1 u n l c o s c z 视在功率s ： 一一 耻叭1 n = l 以2 j n = l l 2-y 式中为第n 次谐波电压和电流的相角差， 有效值。 ( 2 1 2 ) u 。、1 。分别为n 次电压和电流的 含有谐波的非正弦电路中的无功功率的情况非常复杂，至今没有被广泛接受 科学而权威的定义。下面简要介绍两种定义无功功率的方式： 第一类，仿照( 2 8 ) 式，给出了无功功率的定义： q = 拈2 一p 2 ( 2 1 3 ) 在这里，q 只反映能量的交换和流动而并不反映能量的消耗。在这一点上，它和 正弦电路中无功功率最基本的物理意义是完全一致的。因此这一定义被广泛接受。 但是，这一定义没有区别基波电压电流之问产生的无功功率、相同频率谐波电压 和电流之间产生的无功功率、以及不同频率谐波电压和电流之间产生的无功功率。 第二类，仿照( 2 6 ) 式，得到无功功率定义为： 9 = u i s i n q , j l i ( 2 1 4 ) 可以看出这里的q 中只包含了相同频率电压电流正弦波所产生的无功分量，它并 不能完全表示出电源与负载问的能量交换关系。在这种定义方式下：s 2 p 2 + q 2 ， 所以又引入了畸变功率d 的概念，定义d 为不相同频率的电压电流正弦波所产生 的无功分量。这样可以得到 s 2 = 尸2 + q 2 + d 2 ( 2 1 5 ) 在公共电网中，通常电网的波形畸变都很小，而电流波形的畸变则可能很大， 因此在电网中不考虑电压畸变而只考虑电流畸变更具有广泛而实际的意义。因此 可以得到下面的关系： p = u 1 ic o s 9 , q = u i , s i n 妒l s = u i = u l j l 2 n i l 。= 厢= u 薹l 2 这样就可以知道，q 为基波电流产生的无功功率， 这使得功率因数为； ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) d 为谐波电流产生的功率。 = 詈= 孥= l 。i c o s f ) l ：v 唧 泣。， 式中，y = 粤，即基波电流有效值和总电流有效值之比，称为基波因数，而c o s 仍成 为位移因数或基波功率因数。 这样，可以看出功率因数是由基波电流相移和电流波形畸变两个因数决定的。 总电流可以看成由三个分量，即基波有功电流、基波无功电流和谐波电流组成。 2 3 无功功率的时域分析 上述定义和分析都是建立在傅里叶级数基础上的，属于频域分析。还有一种 是时域分析方法f 6 j 【2 7 l ，这种方法是s f r y z e 在1 9 3 2 年提出的m 1 。该方法是把电流 按照电压波形分解成有功电流( f ) 和无功电流9 ) 两个分量，其中i 刖的波形与电 压( ) 完全一致，即 f 。o ) = g u ( t ) ( 2 2 1 ) 式中，g 为一比例常数，其取值应使一周期( ，) 内所消耗的平均功率和讲消耗的 平均功率相等，即 p = ；r ”( ，) f ( o a t = 争r 材( t ) i r ( t ) d t ( 2 2 2 ) 把式( 2 2 1 ) 代入上式可得 p = 譬r “2 ( t ) d t = g u 2 由此可求得 ( ，) = 矿p l ，( ，) 定义无功电流屯( f ) 为 i q ( t ) = f ( f ) 一( f ) 由式( 2 2 2 ) 、式( 2 2 4 ) 和式( 2 2 5 ) 可得 1 4 f 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) 22 三扩 = g 口 日 ；h 出= o ( 2 i2 6 ) 即f ，和正交。因此可求得f 、i p 和i q 的有效值之间关系如下： 1 2 扣2 积 = 褥t 扣+ i 1n 出+ i f 2 i r i q d t = j p 2 + ，口2 考虑到s = u ，并定义，= 明，、q = l ，给上式两端同乘以u 2 可得 s 2 = p 2 + q 2 ( 2 2 7 ) 可以看出，上式和在频域分析法中得出的结论是完全一致的。 2 4 三相电路的功率理论 在三相对称电路中，各相电压、电流均为对称，功率因数也相同。三相电路 中的功率因数等于各相的功率因数。在三相电路中，影响功率因数的因素除电流 和电压的相位差、波形畸交外，还有一个因素就是三相不对称瞄1 1 。三相不对称 的功率因数至今没有统一的定义，有一种定义方式为吲： y p 扣钉 式中，各相的s 为其电流与各线到人为中点电压的乘积。 相都是电阻负载，只要三相不对称，功率因数仍小于1 。 另一种定义称为矢量功率因数忙1 ： y ， 牡幽 式中，s 为矢量，各相s 的相角为该相电流滞后电压的角度。 ( 2 2 s ) 可以看出，即使三 ( 2 2 9 ) 第三章a s v g 的结构、工作原理及控制方式 传统的无功补偿设备如同步调相机、固定容量的电容器、开关控制的并联电 抗器等可满足一定范围的无功补偿要求，但响应速度慢、维护困难、连续可控性 差。虽然可控硅型的静止无功补偿器( s v c ) 在电力系统的应用得到了较好的效果， 但设备占地面极大，而且由于它对电网电压的波动表现出恒阻抗特性，因而在电 网电压波动时不能充分发挥其作用。 大功率门极可关断晶闸管( g t o 、i g b t ) 的出现使得电子开关逆变器的可控无 功电源得到发展并进入实用阶段。这种与传统s v c 原理完全不同的无功电源被称 为新型静止无功发生器( a s v g ) 或静止调相机( s m d cc o m p e n s a t e ) 。a s v g 的基本原 理是：三相电压型逆变器通过连接电抗与三相交流系统相连后。通过控制可与系 统交换无功电流。在提高系统暂态稳定性、阻尼系统振荡等方面，a s v g 性能大 大优于传统的同步调相机及s v c ，因此，a s v g 已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部分阎。 3 1 无功功率动态补偿原理 无功功率的补偿主要有两种形式 6 1 ：负载就地补偿和系统补偿。由于各地区 的无功负荷有很大的差别，及不同地区的无功功率供需分布关系不同，无功功率 的传输不仅会产生很大的有功损耗而且沿传输途径还会产生很大的电压降，则对 于负荷的无功功率平衡只能靠就地平衡，也就是将负载的功率因数补偿到接近1 0 ； 系统补偿是指根据系统电压水平的需要，使补偿的电流幅值大于负载电流幅值， 以此来补偿线路两端的电压降，改善整个输电系统的性能，并提高传输能力。 对电力系统中无功