电力电子装置

1、目录无功功率发生器（7000VA）设计21 无功补偿装置概述21.1无功补偿的作用和意义21.2阻抗补偿方案51.2.1 晶闸管投切电容器TSC51.2.2 晶闸管控制电抗器TCR61.2.3晶闸管控制串联电容器TSC71.3 电压源变流器型补偿方案71.3.1 无功功率发生器81.3.2 开关型串联基波电压补偿器92静止无功发生器（SVG）的设计92.1 静止无功发生器(SVG)主电路102.2 无功电流检测电路132.3 无功控制电路143 系统仿真及分析153.1 系统仿真模型153.2 仿真结果与分析17结束语21参考文献22无功功率发生器（7000VA）设计1 无功补偿装置概述1.1

2、无功补偿的作用和意义 自二十一世纪以来，我国经济飞速发展，电力系统作为国民经济基础，也因需求的不断增大，其规模也越来越大。而各行各业，对电力的需求和依赖变得越来越强烈，使得电力系统得到了迅速的发展。在保证电能质量的前提下，如何保证电力系统稳定、安全、经济的运行及提高用电效率是目前面临的一个重大而迫切的问题。电网中电力设备大多是根据电磁感应原理工作的，它们在能量转换过程中建立交变磁场，在一个周期内吸收的功率和释放的功率相等。电源能量在通过纯电感或纯电容电路时并没有能量消耗，仅在用电负荷和电源之间往复交换，由于这种交换功率不对外做功，因此称为无功功率。无功功率反映了内部与外部往返交换能量的情况，它

3、并不像有功功率那样表示单位时间所做的平均功率，但是它和有功功率一样是维护电力系统稳定，保证电能质量和安全运行必不可少的。如果电网中的无功功率不足，致使用电设备没有足够的无功功率来建立和维持正常的电磁场，就会造成设备的端电压下降，不能保证电力设备在额定的技术参数下工作，从而影响用电设备的正常工作。具体表现在以下三方面：（1）降低有功功率，使电力系统内的电气设备容量不能得到充分利用。在额定电压和额定电流下，由可以看出，若功率因数降低，则有功功率随之降低，是设备容量不能充分利用。（2）增加输、配线电路中的有功功率和电能损耗。设备功率因数降低，在线路输送同样有功功率时，线路中就会流过更多的电流，是线路

4、中的有功功率损耗增加。（3）是线路的电压损失增加。使负载端的电压下降，有时甚至低于允许值，从而严重影响电动机及其他用电设备的正常运行。特别是在用电高峰季节，功率因数太低，会出现大面积的电压偏低。基于上述情况，在电力系统中经常要进行无功补偿。无功补偿的主要作用就是提高功率因数以减少设备容量和功率损耗、稳定电压和提高供电质量，在长距离输电中提高系统输电稳定性和输电能力以及平衡三相负载的有功功率和无功功率。安装并联电容器进行无功补偿，可限制无功功率在电网中传输，相应减小了线路的电压损耗，提高了配电网的电压质量。无功补偿应根据分级就地和便于调整电压的原则进行配置。集中补偿和分散补偿相结合，以分散补偿为

5、主；高压补偿与低压补偿相结合，以低压补偿为主；调压与降损相结合；并且与配电网建设改造工程同步规划、设计、施工、同步投运。无功补偿的作用具体体现在以下四方面：（1）提高电压质量配电网中无功补偿设备的合理配置，与电网的供电电压质量关系十分密切。合理安装补偿设备可以改善电压质量。由于越靠近线路末端，线路的电抗X越大，因此，越靠近线路末端装设无功补偿装置效果越好。（2）降低电能损耗安装无功补偿主要是为了降损节能，如输送的有功功率为定值，加装无功补偿设备后功率因数由 提高到，因为，负荷电流与成反比，又由于，线路的有功损失与电流的平方成正比。当升高，负荷电流降低，即电流降低线路有功损耗就成倍降低。反之当负

6、荷的功率因数从1降低到时，电网元件中功率损耗将增加的百分数为，计算公式如下： （3）提高发供电设备运行效率1)在设备容量不变的条件下，由于提高了功率因数可以少输送无功功率，因此可以多输送有功功率。可多送的有功功率可由下式计算，其中为补偿前的有功功率 2)如需要的有功不变，则由于需要的无功减少，所需配电变压器容量也相应减少。即： 可减少的供电设备容量占原容量的百分比为，即： 3)安装无功补偿设备，可使发电机多发有功功率。系统采取无功补偿后，使无功负荷降低，发电机即可少发无功，多发有功，充分达到铭牌出力。(4)减少用户电费支出1)可避免因功率因数低于规定值而受罚。2)可减少用户内部因传输和分配无功

7、功率造成的有功功率损耗，电费可相应降低。 无功功率补偿可在高压输电线路进行，也可在配电网络进行，一半选择后者。早期的无功补偿是利用同步调相机和电容补偿装置。同步调相机是专门用来尝试无功功率的同步电机，在对励磁电流大小的调节，就能调节无功功率的大小。但同步调相机油机械噪音、成本高等缺点。电容补偿则利用并联电容器来吸收系统容性电流，相当于为负载提供感性电流，至今仍是主要的无功补偿方式之一。 随着电力电子技术的发展，出现了开关型静止无功补偿装置，主要有阻抗补偿和开关变换电路补偿两种方案。1.2阻抗补偿方案1.2.1 晶闸管投切电容器TSC a）单相结构简图 b）电压电流特性图1-1晶闸管投切电容器T

8、SC(thyristor switched capacitor)电路如图1-1所示，通过控制晶闸管开关在电网上投切并联电力电容器C，改变电网负载的总阻抗性质。其中的两个反并联晶闸管只是起将电容器并入电网或从电网断开的作用，而串联的小电感只是用来抑制电容器投入电网时可能造成的冲击电流的。因此，当电容器投入时，TSC的电压电流特性就是该电容的伏安特性，即如图1-1（b）中OA所示。电容器C从电网吸收容性电流，相当于为电网提供感性电流，从而补偿电网的无功，负载无功功率的大小是随机变化的，因此一般设置多个小容量的TSC，根据情况分级投切，才能得到较好的补偿效果。其电压电流特性按照投入电容器组数的不同可

9、以是图1-1（b）中的OA、OB或OC。当TSC用于三相电路时，可以是连接，也可以是Y连接，每一项都可以设计成分组投切的。尽管这种方法的调节是有限的，但补偿电流不含谐波。 电容器的分组投切在较早的时候大多是用机械断路器来实现的，即投切电容器，和机械断路器相比，晶闸管的操作寿命几乎是无限的，而且晶闸管的投切时刻可以精确控制，以减少投切时的冲击电流和操作困难。另外与TCR相比，TSC虽然不能连续调节无功功率，但具有运行时不产生谐波而且损耗较小的优点。1.2.2 晶闸管控制电抗器TCR （）单相（）三相图1-2晶闸管控制电抗器TCR TCR(thyristor controlled rea

10、ctor)电路如图所示TCR采用相控原理，其有效移相范围为90°180°。当触发角=90°时，晶闸管全导通，导通角=180°，此时电抗器吸收的无功电流最大。根据触发角与补偿器等效导纳之间的关系式和中可知：增大触发角即可增大补偿器的等效导纳，这样就会减小补偿电流中的基波分量。所以通过调整触发延迟角的大小就可以改变补偿器所吸收的无功分量，达到调整无功功率的效果。  在工程实际中，可以将降压变压器设计成具有很大漏抗的电抗变压器，用晶闸管控制电抗变压器。这样就不需要单独接入一个变压器，也可以不装设断路器。电抗变压器的一次绕组直接与高压线路连接

11、，二次绕组经过较小的电抗器与晶闸管连接。如果在电抗变压器的第三绕组选择适当的装置回路，例如加装滤波器，可以进一步降低无功补偿。由于单独的TCR只能吸收无功功率，而不能发出无功功率，因此可以将并联电容器与TCR配合使用构成无功补偿器。根据投切电容器的元件不同，又可分为TCR与固定电容器配合使用的静止无功补偿器 (TCR+FC)和TCR与断路器投切电容器配合使用的静止无功补偿器 (TCR +MSC)。这种具有 TCR型的补偿器反应速度快，灵活性大，目前在输电系统和工业企业中应用广泛。1.2.3晶闸管控制串联电容器TSC图1-3 晶闸管控制串联电容器TSC 晶闸管控制串

12、联电容器TCSC (Thyristor Controlled Series Capacitor)由串联补偿电容器和与其并联的晶闸管控制的电抗器组成，在实际中一般用几个基本TCSC模块串联而成以得到所需的电压等级和工作特性。TCSC基本思想是通过控制TCSC并联支路的晶闸管的触发延迟角控制电抗器来部分抵消串联电容以实现串联补偿电容值的连续调节。TCSC可以控制为合适的电容或者电抗，从而通过调节传输线的阻抗来调节线路的功率潮流传输。然而TCSC存在一些缺点：第一，由于TCSC的等效阻抗是通过控制其晶闸管导通延时角来调节，所以其晶闸管是部分导通的，这样会在线路

13、中注入低次谐波电压;第二，TCSC的阻抗调节不是连续的，在 其最小等效容性阻抗 和最小等效感性阻抗 间存在一个不可控区，若TCSC是由基本单元串联而成，则它的阻抗不可控区将很大，使TCSC无法完全对系统动态稳定的控制。一般系统传输线路中分设多个TCSC元件，协调调控有效减小整个系统阻抗不可控区;第三，TCSC只实现对线路阻抗的补偿，而不改变线路感性性质，所以TCSC只可调节潮流大小而不改变潮流方向;第四，串联电容与传输 线路电抗会在次同步频率点 =(电 网 频 率 ) ( 发电机转矩谐

14、振频率 ) 发生次同步谐振，所以实际应用要防止与系统发生同步谐振，常在电感支路中串联一个小电阻R，阻尼电力系统的此同步谐振。1.3 电压源变流器型补偿方案 电压源变流器型补偿是利用电力电子开关组成变换器，向电网提供负载需要的无功功率，达到补偿的目的。变换器可以和电网并联，向电网注入无功电流，也可以串联在电网中，补偿基波电压。1.3.1 无功功率发生器（a)电压型桥式电路（b）电流型桥式电路 图1-4 无功功率发生器无功功率发生器为并联型，电路结构如图1-4所示，它是以电容C的充电电压作为直流电源的三相全桥电压型逆变器，其输出经电感L（电抗）并联接至三相交流电网，输出电流滞后

15、电感上电压，对开关器件进行PWM控制，使得逆变器输出电压跟踪电网电压，如果大于，逆变器输出电流比滞后的，如果小于，逆变器输出电流反向。因此，调控逆变器输出电压的大小，可以方便地改变向电网输出无功功率的大小和性质。无功功率发生器的控制与有源逆变类似，电路结构如图1-4(b)所示，不同的是其输出无功功率。为了维持逆变器的直流电压源（电容C的电压）恒定，要求电网向其输入少量的有功功率，以补偿开关损耗和线路损耗。可以采用无功电流和直流电压的闭环控制，调节输出电压的相位，使输出电流除含有无功电流外，还有一定的负有功电流。PWM电压源变流器型无功功率发生器和早期采用的“旋转式无功同步补偿机”一样，可以连续

16、调节输出无功功率，因此它又称为先进的静止型无功功率发生器ASVG（advanced static var generator）。它是电网无功功率补偿技术的发展方向。1.3.2 开关型串联基波电压补偿器图1-5 PWM开关型串联基波电压补偿器基于PWM变换器的串联基波电压补偿器如图1-5所示，变换器输出电压与负载电流相差，将无功功率串联注入电网，以调节电网电压。这种方案既能连续调控，又能双向补偿（升高电压或降低电压都能实现），且不会引发LC振荡，是一项先进的调控电网节点电压、补偿线路感抗、增强电力系统传输功率极限、增加电力系统稳定性的技术。这种PWM开关型串联基波电压补偿器被称为静止串联同步电压

17、补偿器SSSC（static synchronous series compensatory）。2静止无功发生器（SVG）的设计图2-1 SVG结构图 静止无功发生器（SVG）的工作原理就是通过电抗器或电容器直接把三相桥式电路连到电网上，通过调节三相桥式电路交流侧电流或电压的幅值和相位，就可以是该电路发生需要的容性或感性无功电流，从而实现动态补偿，提高电力系统的功率因数。根据其工作原理，SVG由主电路、无功检测电路和PWM控制电路三部分组成，其结构图如图2-1所示。2.1 静止无功发生器(SVG)主电路 由于SVG正常工作时就是通过电力电子开关的通断将直流侧电压转换成交流侧与电网同频率的输出电

18、压，就像一个电压型逆变器，只不过其交流侧输出接的不是无源负载，而是电网。因此，当仅考虑基波时SVG可以等效地被视为幅值和相位均可控的与电网同频率的交流电压源。它通过交流电抗器连接到电网上。这样，SVG的工作原理可用图2-2所示的等效电路来说明。设电网电压和SVG输出交流电压分别用相量和表示，则连接电抗 X 上的电压即为和的相量差, 而连接电抗的电流是可以由其电压来控制的。这个电流就是 SVG 从电网吸收的电流。因此，改变SVG交流侧输出电压的幅值及其相对于的相位，就可以改变连接电抗上的电压，从而控制SVG从电网吸收电流的相位和幅值，也就控制了SVG吸收无功功率的性质和大小。（a）单相等效电路（

19、b） 工作向量图图2-2 SVG等效电路及工作原理 ( 不考虑损耗)在图2-2（a）的等效电路中，将连接电抗器视为纯电感，没有考虑其损耗以及变流器的损耗，因此不必从电网吸收有功能量。在这种情况下，只需使与同相，仅改变的幅值大小即可以控制SVG从电网吸收的电流是超前还是滞后90°, 并且能控制该电流的大小。如图2-2（b）所示,当大于时 ,电流超前电压90°，SVG吸收容性的无功功率；当小于时，电流滞后电压90°，SVG吸收感性的无功功率。 （a） 单相等效电路图（b）电流超前 （C）电流滞后 图2-3 SVG单相等效电路图考虑到连接电抗器的损耗和变流器本身的损耗（

20、如管压降、线路电阻等）, 并将总的损耗集中作为连接电抗器的电阻考虑，则SVG的实际等效电路如图2-3（a）所示，其电流超前和滞后工作的相量图如图2-3（b）所示。用向量和分别表示电网电压和SVG输出电压，由KVL可知： （2-1）由于连接电抗的作用，和之间不再是，而是比少了角。通过调节与的相位差和的幅值来控制SVG是发生容性无功还是感性无功，当且时SVG发出感性无功功率，当且时发出容性无功功率。 电压型SVG直流侧采用直流电容，它的电压值和电容值的选择会影响SVG系统的补偿容量。在本次课设中，相电压=220V，直流侧电压，TCR额定输出功率=7000 Var，令负载阻抗角为45度，即，由 （2

21、-2）得 ，又因为 （2-3）所以 与交流系统的连接电感具有调节SVG装置跟踪期望补偿电流的能力，电感值越大，跟踪效果越慢，值越小就会形成发生电流和期望电流较大的超调量，会使系统振荡，并且电流电压波形也会有毛刺，影响系统稳定性，因而根据能量守恒定律： （2-4）忽略电阻，可得出：（2-5）式（2-5）中，为逆变器输出电流的最大值。所以，可得出。2.2 无功电流检测电路图2-4 基波无功分量和谐波分量电流的检测电路系统环流器换流产生的谐波，其功率因数可定义如下： （2-6）式（2-6）中，、为基波电流有效值及其与基波电压的相位差；为总电流有效值。根据公式（2-6）：谐波和基波相移是无功补偿的主要

22、影响因子。故应在装置允许的范围内，将除了基波有功分量以外的所有谐波和基波无功都补偿掉。为了使SVG产生的无功电流能更好地跟踪待补偿的无功电流，基于 、的无功电流的检测方法，对基波无功电流和谐波电流进行检测。将a、b、c三相静止坐标系经过派克变换（park transform）形成两相旋转坐标系，以更好地控制功率流动。其控制算法的原理框图如图2-4所示：图3中的变量如式（2-7）、式（2-8）及式（2-9）所示：（2-7）式（2-7）中，；基波有功分量：(2-8)式（2-8）中，基波无功和谐波分量之和：2.3 无功控制电路图2-5 电流滞环控制工作原理示意图采用滞环比较方式的电流跟踪型PWM交流

23、电路有以下特点：（1） 硬件电路简单；（2） 属于实时控制纺织，电流反应快；（3） 不需要载波，输出电压波形中不含有特定频率的谐波分量；（4） 和计算法及调制法相比，相同开关频率时输出电流中高次谐波含量较多。相比电流间接控制，电流直接控制响应速度和控制精度更优。电流直接控制就是对电流波形的瞬时值采用跟踪型PWM控制技术进行反馈控制。滞环比较控制是跟踪型PWM控制技术的一种，其跟踪效果好，控制结构简单。其工作原理结构示意图如图2-5所示。滞环比较控制的输入是补偿电流指令值和主电路逆变器发出电流值之差。逆变器开关的开合是通过差值控制的。其比滞环最小控制值小时，控制功率开关在电流减小状态；比滞环最大

24、控制值大时，则在电流增大状态，此时发出电流就会根据指令电流的轨迹在滞环宽度带内跟踪，使逆变器输出电流能够较好的跟踪补偿电流指令值。3 系统仿真及分析3.1 系统仿真模型无功发生器系统仿真模型如图3-1所示： 其子模块C32C变换如图3-2所示：图3-2 C32C子模块电路图其子模块C23C变换如图3-3所示：图3-3 C23C子模块电路图3.2 仿真结果与分析补偿前A相电流与电压的波形如图3-4所示：图3-4补偿前A相电压电流波形图补偿后A相电流与电压的波形如图3-5所示：图3-5 补偿后A相电流与电压波形示意图 从图3-4与图3-5的波形图中可以看出，在补偿前，电压与电流的相角差恒定，在补偿

25、后，电压与电流的相角差逐渐减小，直至电压与电流相位相同。说明无功发生器发出无功功率，补偿电网的无功损耗，提高供电质量。 补偿后，无功功率发生器发出的电压与电流如图3-6所示：图3-6无功发生器发出的电压与电流 从图3-5可以看出，无功功率发出的电压为380V，电流为12.5V，其所测的都为幅值。根据可以算出，无功功率发生器发出的无功功率为：。与设计容量基本相同。 图3-7 补偿前的电流畸变率和电网传输的有功与无功功率 图3-8 补偿后的电流畸变率和电网传输的有功与无功功率由上述测出的电流畸变率与电网传输的有功于无功功率，根据式（3-1）、式（3-2）、式（3-3）：（3-1）（3-2）（3-3） 可以算出补偿前的功率因数，补偿后的功率因数，从计算结果中可以看出，无功功率发生器明显改善了功率因数，使电网输送电压的质量提高。 结束语本次课程设计基本完成了题目的要求，首先介绍了各种无功补偿装置，再根据SVG的设计步骤对无功功率发生器进行设计，最后用Matlab仿真实现其功能，通过对仿真后波形图的观察，发现无功功率发生器减少了电网无功功率的传输，减少了传输损耗，提高了功率因数，也改善了电网供电的电压质量。在本次课程设计的过程中，由于要使用Matlab中的simulink进行仿真实验，在进行设计的前期，我们要进行simulink的仿真学习