精品论文静止无功补偿器的研究课程设计

1、课件之家精心整理资料-欢迎你的欣赏静止无功补偿器的研究课程设计综合课程设计任务书时间：2007 2008年度第二学期一设计的目的和意义掌握所学课程的知识并综合应用，充分认识理论知识对应用技术的指导性作 用，进一步加强理论知识与应用相结合的实践和锻炼。通过本次设计实践能够进 一步加深对专业知识和理论知识学习的认识和理解， 使学生的设计水平、对所学 的知识的应用能力以及分析解决问题的能力得到全面提高。1 对电力系统中的无功功率进行分析；2 掌握无功补偿器的特点；3 对静止无功补偿器的控制方法和硬件、软件实现有一些认识。二设计题目及要求设计题目：静止无功补偿器的研究基本要求对电力系统中无功功率的危害

2、进行分析，简单分析传统无功补偿器的工作过 程和特点，认识静止无功补偿器的主电路结构， 工作原理，并简单介绍其常用控 制方法。进一步要求 能够介绍静止无功补偿器的硬件电路设计思路； 对静止无功补偿器的软件设计有一定的认识。 尽量指出一种合适的控制方法。三给定条件1 运用所学知识，如电力电子技术，电路基础，模拟电子技术等2 设计过程可参考校园的电子资源。四课程设计要求1 认真查阅资料；2 遵守课程设计的时间安排；3 按时进行试验，验证相关的控制算法；4 认真撰写设计报告。五报告书写格式1 课程设计封皮2 课程设计任务书3 正文（1）设计题目分析；（2）总体设计方案分析、讨论；（3）硬件原理设计，简

3、单说明实现过程；（4）软件设计思路，最好形成流程图。4 设计总结和心得体会5 参考文献六工作计划1查阅资料及方案论证（1天）2电力系统无功功率分析（0.5天）3控制方法的论证（1天）4硬件电路的思路（1天）5软件流程图的设计（1天）6撰写报告（0.5天）七成绩评定参考每位同学的设计报告，根据下面的标准给每位同学评定课程设计考试 成绩。1静止无功补偿器控制方法合理、正确（60%）2知识点运用得当（10%）3原理设计合理（20%）4报告撰写规范、准确（10 %）编制： （指导教师签名）审定： （教研室主任签名）一. 设计题目的分析在电网中由于大量感性负载的应用，使线路电压与线路电流在相位上存在一

4、个角度差，这样就引出了无功功率的概念。无功功率是一个反映电源与负荷间的 能量交换的物理量，它的大小表明了电源与负荷间能量交换的幅度，本身并不消耗能量。同时，无功功率在系统中的流动对电力系统本身也产生了很大的影响。 下面就先简单的分析无功功率对电力系统本身有哪些危害：（I）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，变压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。 设备及线路损耗增加。无功功率的增加，使总电流增大，因而使设备及 线路的损耗增加，这是显而易见的。设线路中电流 I由有功分量Ip和无功分量 匆组

5、成，线路电阻为R,则线路损耗为： p=rR=（ I /+i q） R= （p2+Q）R/U其中（h+Q） R/U2这一部分损耗就是无功功率引起的。（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。在一般的电网中，1S比1小得多，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起的，而有功功率的波动对电网电压一般影响 较小。例如：电动湘袍动时功率因数很低，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、车阵n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

6、低，设备容量利用少。在工业和生活用电负载中，感性负载占有很大比例。异步电动机、变压器、 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很大的比例。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所 决定的。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 （如:相控整流器），工作时基波 电流滞后于电网电压，要消耗大量的无功功率，也给电网带来额外负担，并影响 供电质量。因此提高功率因数己成为电力电子技术和电力系统研究领域所面临的

7、一个重大课题，正在受到越来越多的关注。怎样提高功率因数？怎样把电网消耗的大量无功功率补回来呢？对于这一 系列问题，在大量消耗无功功率的地方产生无功功率， 进行合理的无功补偿，就 是最佳的答案。无功补偿的作用主要有以下几点：（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（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的 有功功率及无功负荷。（4）提高发电机有功输出能力。（5）减少线路损耗，提高电网的有功传输能力。（6）降低设备发热，延长设备寿命，改善设备的利用率。（7）避免系统电压崩溃和稳定破坏事故，

8、提高运行安全性。由于无功补偿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。下面就介绍无功补偿的器件：20世纪70年代以前，国内以传统无功补偿设备为主流，传统的无功补偿 设备有并联电容器、调相机和同步发电机等，由于并联电容器阻值固定，不能动 态的跟踪负荷无功功率的变化；而调相机和同步发电机等补偿设备又属于旋转设 备，其噪声、损耗都很大，而且还不适用于太大或太小的无功补偿。所以这些设 备已经越来越不适应电力系统发展的需要。20世纪70年代以后，随着研究的进一步加深，出现了一种静止无功补偿 技术。这种技术经过30多年的发展，经历了一个不断创新、发展完善的过程。 所谓静止无功

9、补偿是指用不同的静止开关投切电容器或电抗器，使其具有吸收和发出无功电流的能力，用于提高电力系统的功率因数，稳定系统电压，抑制系统 振荡等功能。目前这种静止开关主要分为两种，即断路器和电力电子开关。由于 用断路器作为投切开关，其开关速度较慢，不可能快速跟踪负载无功功率的变化， 而且投切电容器时，常常会引起较为严重的冲击涌流和操作过电压，这样不但容易造成接触点烧焊，而且使补偿电容器内部击穿，维修量大。随着电力电子技术 的发展及其在电力系统中的应用，交流无触点开关 SCR, GTR, GTO和IGBT等的 出现，将其作为投切开关，速度可以提高 500倍(约为lOus)。对任何系统参数， 无功补偿都可

10、以在一个周波内完成， 而且可以进行单相调节。那个时期静止无功 补偿器件分为三类：第一类是具有饱和电抗器的静止无功补偿装置(SR)0这些装置组成的静止 无功补偿装置属于第一批静止补偿器。饱和电抗器分为自饱和电抗器和可控饱和 电抗器两种，相应的无功补偿装置也就分为两种。 具有自饱和电抗器的无功补偿 装置是依靠电抗器自身固有的能力来稳定电压，它利用铁心的饱和特性来控制发出或吸收无功功率的大小。可控饱和电抗器通过改变控制绕组中的工作电流来控 制铁心的饱和程度，从而改变工作绕组的感抗，进一步控制无功电流的大小。第二类是晶闸管控制电抗器(TCR)和晶闸管投切电容器(TSC)。两个反并联 的晶闸管与一个电抗

11、器相串联，就构成了简单的晶闸管控制电抗器，其单相原理 图：三相多接成三角形，这样的电路并入到电网中相当 于交流调压器电路接电感性负载，此电路的有效移相范围为90 180。当触发角s=90时，晶闸管全导通，此时导通角 a =180，电抗器吸收的无功电流最大。 而为了解决电容器组频繁投切的问题，TSC装置应运而生。其单相原理图如图：两个反并联的晶闸管只是将电容器并入电网或从电网中断开，串联的小电抗器用于抑制电容器投入电网运行时可育铲生的冲击电流。TSC用于三相电网中可以是三角形连接，也可以是星形连接。一般对称网络采用星形连接，负荷不对称 网络采用三角形连接。无论是星形还是三角形连接都采用电容器分组

12、投切。为了 对无功电流能尽量做到无级调节，总是希望电容器级数越多越好，但考虑到系统 的复杂性及经济性，这样的电容器组又不能太多，电容器组太多的话，还会带来 使设备体积增大的缺点。TSC的关键技术问题是投切电容器时刻的选取。经过多 年的分析与实验研究，其最佳投切时间是晶闸管两端的电压为零的时刻，即电容器两端电压等于电源电压的时刻。 此时投切电容器，电路的冲击电流为零。这种 补偿装置为了保证更好的投切电容器， 必须对电容器预先充电，充电结束之后再 投入电容器。第三类是采用自换相变流技术的静止无功补偿装置一一高级静止无功发生 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

13、。 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。二. 静止无功补偿器的总体设计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:上

14、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 S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S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

15、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。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：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 V的相位，使得V与交流电网电压代同相（相角差 S =0），这么看

16、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V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V低于电网电压M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）俞出电压V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。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

17、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 SPW是十分关键的。SPWM （Si nu soidal Pulse Width Modulatio n） 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

18、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SPWMI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SPW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。（1）经分析，在S角绝对值不太大的情况下，S与Io接近线性正比关系。 因止通过控S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： 比例系数 S

19、VG主电路 当改变S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。S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V的变化。当暂态过程完毕时，V，Iq必然 满足上述关系式。(2) 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：课件之家精心整理资料-欢迎你的欣赏在此基础上，产生了许多种控制方法，比如对 S角和逆变器脉宽角？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。三. 静止无功补偿器

20、硬件设计我们首先分析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：tr 电压8逆变器Xl电压TMS320LF2407DSP拄制核心SPffl!信号隣离介仑斗故障信号|_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 DS为控制核心的控制回路，其中控制工 GBT管门极的SPW脉冲由DSP来产生。(1)电力电子主回路从上图不难看出，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

21、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&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

22、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，SVGft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220

23、0卩F/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：XTUl.-TUJ-xyTIGBT横块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

24、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、及时的控制信号。所以设计一个优良的光祸控制电 路也是模块正常工作的关键之一。门极驱动控制电路的任务是：将DSP俞出的0-3.3V的PW信号转换成0-15V 的IGBT驱动信号，驱动信号低有效。门极驱动控制电路：上图中PWM是DSP俞出的开关信号，经光耦隔离器件TLP250隔离和电平转 换后送入IPM的UP端，电路中连接的10 yF和0. 1 yF的电容是用于从控制信号 PWM到IPM之间布线阻抗的退藕，而不是作为滤波电容来使用。24

25、07发出的SPWM脉冲经过电阻RI (100 Q )接入型号为TLP250的光耦输 入端，光耦的一个输出端经电阻 R4 ( 51 Q )引到IGBT门极，另两个输出端分 别接十15V电源和地，电容C1(0.1 y F)起到稳定直流电源的作用，电容C2(10 y F) 起到增大驱动能力的作用。当2407的PWMH脚输出高电平时，发光二极管导通并发出对应的光脉冲， 光电二极管随之导通，三极管 T1导通，T2截止，输出端OUT输出高电平(约为 +15V )则与之相连的IGBT随之导通。当2407的PWMI脚输出低电平时，光电二极管随之截止，三极管T2导通， T1截止，输出端OUT俞出约OV的低电平，

26、则与之相连的IGBT随之截止。TLP250 内部实际上是一个光电耦合电路， 其输入输出即无电的联系，也无磁的联系，起 到了极好的抗干扰及隔离作用。由于发光二极管与光电二极管均具有快速响应特 性，故能适应高频脉冲的要求，所以光耦的输出与输入波形完全相同， 几乎没有 相位移动。（5）工作电源IPM要正常工作，至少需要4U, V, W三相的上桥臂各1个，独立的驱动电 源，要求供电电压个相互独立的驱动电源给 IPM的驱动电路供电。U, V, W的下 桥臂共用1个，所以要4个相互15V。下面介绍最典型的一种低功率电源设计：上图中变压器的主线圈接220V 50Hz交流电源，次线圈将输出15V的交流 电，经

27、整流全桥整流再经公翻皮电容 C1滤波后，大约可以得到19V有脉动的直 流电源。三端稳压块7815是将滤波电容C1得到的19V有脉动的直流电源稳压变 成15V稳定的、波纹系数非常小的直流电源，此15V电源再经过滤波电容C2后, 基本上可以得到非常稳定的15V直流电压源。由于三端稳压块 7815自身会产生 白噪声-一种频率很高的热噪声，而电解电容C2只对低频比较敏感，可以滤去大 部分的低频脉动波，对高频的杂波却无能为力，故加上一个高频瓷片滤波电容 C3滤去高频杂波。这两个滤波电容并联联接，可同时滤去高低频率的各种交流 波，最后得到的直流电压源的电压质量是非常高的。（6）TMS320LF2407 D

28、SPl勺结构和特点TI公司的TMS320LF240DSP适于逆变器控制和电机控制的芯片，集实时处 理和控制器外设于一身。那我们就以TMS320LF2407 DSP芯片为例，利用TMS320LF240QSP芯片产生SPW来控制逆变器以产生我了门期望的幅值和相位 可调、频率与系统电压频率同步的正弦电压。其具体功能如下：外设总线事件管理掘4个厲位定时器14个tttt/PWM单元比1乂控制逻辑6个输入捕获+ 6个8位I/OOJ引脚看门狗定时器SPIA/D转换器 8路10危转换器T 8路】0位转换器2(7) 采样信号预处理装置采样信号预处理装置包括 电压和电流信号转换电路和电网频率跟踪模块 基于DSP2

29、407的电压电流信号预处理的原理图：三相电压三相电流信号预处理装置ADC模块橈拟斎输入丨， 通道匚二 AD转换(AIX：IOADCIN15)DSP2407的工作电压为+3.3V,故接入其引脚的信号电压也不能超过 3.3V， 且其内部模数转换模块的基准电压范围为0-3.3V，是单极性的。而在实验室条件下，来自电压互感器和电流互感器二次侧的电压和电流分别为0-100V和0-5A，且为交流电，故信号需先接入一个信号预处理装置，经处理达到2407要求的数值范围后再接入其ADCIN引脚。电网频率跟踪模块 系统电压虽然一般为50Hz工频，但也会上下波动。 为了使SVG产生的附加电压频率和系统电压频率保持一

30、致，必须进行电网频率跟踪。测量电网频率的方法是把系统电压(正弦波)通过一个方波转换电路变成与之 同周期的同步信号方波，然后测量其两个相邻上升沿之间的时间间隔就可得到此 方波信号也就是系统电压的周期。方波转换电路图如下，其中的电压传感器也是采用输入输出标称值为交流 100V/1 V的跟踪型电压隔离传感器 WBV411D0其输出信号经过型号为 OP07的运 算放大器进行比例放大，然后在型号为LM311的高速比较器中进行信号过零点检8）滤波器为了把逆变器输出的SPW波形变成正弦波，可采用如下的低通滤波器，其 中电感的参数为1.5 mH,电容的参数为5.6uF。输入四. 静止无功补偿器的软件设计要想使

31、svG空制系统能够正常工作，除了硬件电路，还必需要有软件进行支 撑，可以说，软件部分是SVG控制系统的灵魂。下面就介绍基于TMS320LF2407DSP 的SVG空制程序的开发工具为 CodeComaose嗽件，它是用汇编语言程序设计的。整个SVGg序模块组成：探有初始化模块探电网频率跟踪模块探模数转换模块探FFT及电量计算模块探人机接口模块探SPWM脉冲输出模块SVG勺主程序流程图：初始化调用启动ap转换rw?调用ITT及电量计舗模块淡用人机接口變抉为了提高整个SVG空制程序的实时性，在软件设计中，还充分利用了中断服务子 程序，与主程序协同工作。其中断响应流程图：坛旳3WI期中赶让序adc申vs聲务C本人对静止无功补偿器的软件设计只是产生一定的认识，还不能灵活掌握 在此就不一一介绍它的内部具体构造和功能。五. 设计总结和心得体会静止无功发生器（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