噶米[精品论文]静止无功补偿器的研究课程设计

1、?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：2007-2021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,充分熟悉理论知识对应用技术的指导性作用,进一步增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熟悉和理解,使学生的设计水平、对所学的知识的应用水平以及分析解决问题的水平得到全面提升.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限制方法和硬件、软件实现有一些熟悉.二设计题目及要求设计题目：静止无功补偿器的研究根本要求对电力系统中无功功率的危害进行分析,简单分析传统无功补偿器的工作

2、过程和特点,熟悉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熟悉.尽量指出一种适宜的限制方法.三给定条件1 运用所学知识,如?电力电子技术?,?电路根底?,?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,验证相关的限制算法；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,简单说明实现过程；4软件设计思路,最好形成流程图.4

3、 设计总结和心得体会5 参考文献六工作方案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限制方法的论证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测试成绩.1静止无功补偿器限制方法合理、正确60%2知识点运用得当10%3原理设计合理20%4报告撰写标准、准确10%(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,它的大小说明了电源与负荷

4、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：(l)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限制设备、测量仪表的规格也要相应的加大.(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和无功分量匆组成,线路电阻为R,那么线路损耗为：AP=|2R=(Ip2+Iq2)R=(P2+d)R/U2其中(P2+d)R/U2这一

5、局部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,假设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

6、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.因此提升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一个重大课题,正在受到越来越多的关注.怎样提升功率因数？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,

7、进行合理的无功补偿,就是最正确的答案.无功补偿的作用主要有以下几点：(1)提升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,提升供电质量.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)提升发电机有功输出水平.(5)减少线路损耗,提升电网的有功传输水平.(6)降低设备发热,延长设备寿命,改善设备的利用率.(7)预防系统电压崩溃和稳定破坏事故,提升运行平安性.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

8、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开展的需要.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多年的开展,经历了一个不断创新、开展完善的过程.所谓静止无功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水平,用于提升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

9、,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开展及其在电力系统中的应用,交流无触点开关SCR,GTR,GTOF口IGBT等的出现,将其作为投切开关,速度可以提升500倍约为l0us.对任何系统参数,无功补偿都可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SR0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

10、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水平来稳定电压,它利用铁心的饱和特性来限制发出或吸收无功功率的大小.可控饱和电抗器通过改变限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,进一步限制无功电流的大小.第二类是晶闸管限制电抗器TCR和晶闸管投切电容器TSCo两个反并联的品闸管与一个电抗器相串联,就构成了简单的晶闸管限制电抗器,具单相原理图：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9001800.当触发角s=900时,晶闸管全导通,此时导通角a=

11、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：U(t)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

12、刻的选取.经过多年的分析与实验研究,其最正确投切时间是品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(SVGW至U了快速的开展并进入实用阶段.SVG己成为静止无功补偿技术的开展方向,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

13、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,那么为电流型的补偿器.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SVGM动态补偿的机理

14、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6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6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.SVGg置的核心局部是逆变电路,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、稳定性上还是限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IG

15、BT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：V系K匕I卜式3Dj-皿逆变器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8=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,限制无功功率发生器逆变器工PMt出电压V的大小

16、,即可限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限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限制SVG发出无功的性质和大小,就可以补偿负载所需的无功,具体的限制方法可以分为间接限制和直接限制两种方式.这两种限制方式都可以对无功电流进行限制,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的无功电流进行限制.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限制实现起来容易的多.SV

17、G对电力系统的影响和限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SPWMb十分关键的.SPWMSinusoidalPulseWidthModulation法的根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SPWMI制方式,可以输出质量较高的正弦波,大大提升电网的电压品质.生成SPW帔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的事件治理器,用纯

18、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6角绝对值不太大的情况下,6与I.接近线性正比关系.因止通过控6角就可以限制SVG吸收的无功电流.这样就可以得出SVGR简单的限制方法,原理图：§*A比例系数4SVG±441®AIQ当改变6角时,Vl也随着变化.花的变化是通过直流端支撑电压Vd变化而实现.6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)如果在这种限制方法根底上加上反应环节,那么无功电流的

19、限制精度和响应速度都会大大提升.其原理图：在此根底上,产生了许多种限制方法,比方对6角和逆变器脉宽角？联合起来的限制策略等.电流间接限制方法多适用于较大容量的SVGS置,其减少谐波方法多采用多重化的方法并且结合PW眼术.三.静止无功补偿器硬件设计我们首先分析SVG勺总体构造,根据构造的器件的要求设计硬件的规格,SVG的总体构造为：蔡歧电压Xl系统电El_卷效给定匕;TMS320LF2407DSP限制核心检测到的系统参数SPffl!信号隔离介在T故障信号I看得出来,整个SVG更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TMS320LF2407DS的限制核心的限制回路,其

20、中限制工GBT1门极的SPW脉冲由DS味产生.(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局部.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.该模块的主电路局部有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限制局部共有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

21、电路相比,IPM模块内含驱动电路且保护功能齐全,因而可极大地提升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局部的脉动电流,因此需参加大电容滤波环节.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,这说明各相瞬时无功功率只是在三相之间交换,因此,

22、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2200仙F/450V的电解电容,两用两并.(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局部电路.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

23、,电阻可预防电容与电感产谐振.其IGBT的缓冲电路：nu+ll-XULIGBT横快(4)IGBT门极驱动限制电路与主电源电路不同,驱动限制电路主要针对的是DSP空制系统的弱电限制部分.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限制局部的弱电电路隔离开来,以保护DSP空制系统.同时由于工GBT奠块的工作状况很大程度上取决于正确、有效、及时的限制信号.所以设计一个优良的光祸限制电路也是模块正常工作的关键之一.门极驱动限制电路的任务是：将DSP俞出的0-3.3V的PWM&号转换成0-15V的IGBT驱动信号,驱动信号低有效.门极驱动限制电路：上图中PWM是DSP俞出的开关信号

24、,经光耦隔离器件TLP250隔离和电平转换后送入IPM的U端,电路中连接的10pF和0.1口的电容是用于从限制信号PWM到IPM之间布线阻抗的退藕,而不是作为滤波电容来使用.2407发出的SPWMK冲经过电阻Rl(100Q)接入型号为TLP250的光耦输入端,光耦的一个输出端经电阻R4(51Q)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)起到稳定直流电源的作用,电容C2(10)起到增大驱动水平的作用.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俞出高电平(约为+15V)那么与之相连的

25、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勺低电平,那么与之相连的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

26、典型的一种低功率电源设计：上图中变压器的主线圈接220V50Hz交流电源,次线圈将输出15V的交流电,经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,根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只对低频比拟敏感,可以滤去大局部的低频脉动波,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,可同时滤去上下频率的各

27、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)TMS320LF2407DSP勺结构和特点TI公司的TMS320LF240DSP®于逆变器限制和电机限制的芯片,集实时处理和限制器外设于一身.那我们就以TMS320LF2407DSP芯片为例,利用TMS320LF2407DSPE片产生SPWMe限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：数据DRAM利SRAM546I6bit程序FLASH32k16bit程序/数据/1/O总线TJ2IM32XLP内核16位桶式左移移位器6位T寄查器6x16藐法器32位P寄南丁左花商位器幽讨：而事

28、件治理器死区限制逻辑6个输入捕获4个16位定时器14个比拟ZPWM单元6个8位I/O复用引脚氏看门狗定时器32位ALU32位累加器SPI左移移便器8个辅助存放密8两件推屋"重复计数器百承志存放而一A/D转换器8路10瓶转换器I8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DSP2407勺电压电流信号预处理的原理图：AD转换DSP2407勺工作电压为+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

29、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,经处理到达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SV生的附加电压频率和系统电压频率保持一致,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/1V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

30、例放大,然后在型号为LM311的高速比拟器中进行信号过零点检测,即可得到方波信号(8)滤波器为了把逆变器输出的SPWM6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1.5mH,电容的参数为5.6uF0四,静止无功补偿器的软件设计要想使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,软件局部是SVG空制系统的灵魂.下面就介绍基于TMS320LF2407DSP的SVG空制程序的开发工具为CodeComaoser软件,它是用汇编语言程序设计的.整个SVG?序模块组成：X有初始化模块X电网频率跟踪模块X模数转换模块冰FFT及电量计算模块X人机接口模块冰SPW廊冲输出模块SVG勺主程序流程图：为了提升整个SVG限制程序的实时性,在软件设计中,还充分利用了中断效劳子程序,与主程序协同工作.其中断响应流程图：本人对静止无功补偿器的软件设计只是产生一定的熟悉,还不能灵活掌握在此就不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