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湖南大学毕业设计(设计)第=2\*ROMANII页HUNANUNIVERSITY毕业论文论文题目MERS用作静止无功补偿器的性能分析和仿真验证学生姓名学生学号专业班级电气工程及其自动化1班学院名称电气与信息工程学院指导老师学院院长2015年 月日 湖南大学毕业设计(设计)第=3\*ROMANIII页湖南大学毕业设计(设计)第=1\*ROMANI页摘要在电网中由于大量感性负载的应用,使得线路电压与线路电流在相位上存在一个角度差,这就引出了无功功率的概念。对于给定的有功分布,将无功潮流降至最小,就可减少系统的损耗,这要求对无功功率的流向和转移有很好的控制。对电网进行无功补偿,可以降低设备容量、降低线路损耗、提高供电系统可靠性。本文陈述了无功补偿在电网中的意义及原理,基于磁能恢复开关MERS提出了一种新的无功补偿器SVC—MERS,并从无功功率补偿范围、器件耐压要求和补偿电流的谐波含量三个方面来分析其性能特点。MERS电路结构简单,控制灵活。MERS的基本原理是:利用类似于逆变器全桥开关和一只直流电解电容结合使用,通过对开关器件的控制,适时改变电容在电路的有效电抗,使电容和电感之间产生谐振,产生相应的补偿无功功率。论文在参考大量国内外文献的基础上,详细介绍了MERS电路单元的结构,运行状态以及控制方式。将MERS串连一个电感进行限流,即构成了静止无功补偿器SVC-MERS。本文详细介绍了SVC-MERS的工作模式与控制方式。为了验证上文的控制方式,本文从相位角控制与最小电容电压控制两个方面进行了相应的仿真,实现了SVC-MERS的基本功能。通过使用所有的波形模式,即不连续模式、平衡模式和直流偏置模式,SVC—MERS产生的无功功率可在一个很广泛的范围内变化,并对每种模式的特点进行描述和性能评估。关键词----无功补偿,磁能恢复开关,相位角控制,最小电容电压控制 湖南大学毕业设计(设计)第=2\*ROMANII页PerformanceAnalysisAndSimulationTestOfMERSUsedAsTheStaticReactivePowerCompensatorAbstractDuetoalargenumberofperceptualloadisusedinthepowergrid,thereisapointofdifferenceinphasebetweenthelinevoltageandlinecurrent,whichleadstotheconceptofreactivepower.Minimizingthereactivecurrentforagivenactivedistribution,whichcanreducethelossofthesystem.Sothereshouldbeverygoodcontrolontheflowandtransferofreactivepower.Compensatingreactivepowertogridcanreducetheequipmentcapacity,reducethelinelossandimprovepowersupplyreliability.Thispaperpresentsthesignificanceandtheprincipleofreactivepowercompensationinpowergrid,andputsforwardanewkindofreactivepowercompensatorSVC-MERSbasedonthemagneticenergyrecoveryswitchMERS.Finally,analyzingitsperformancecharacteristicsfromthreeaspects,includingthescopeofreactivepowercompensation,therequirementofdevice’spressureandtheharmoniccontentofcompensationcurrent.MERShasadvantageofsimplestructureandflexiblecontrol.ThebasicprincipleofMERSisthatcontrolcapacitor’sseriesinjectreactanceusingsemiconductorswitchesincircuittomakeresonancebetweeninductanceandcapacitor,thengeneratecorrespondingcompensationreactivepower.Onthebasisofreferringtoalargenumberofliterature,thispaperintroducestheconfigurationandoperationstateofMERS,analyzethreemodesandtheconditionsrespectivelywhenMERSworksinACcircuit.Stringacurrent-limitinginductancewithMERS,whichconstitutethestaticreactivepowercompensatorSVC–MERS.ThispaperintroducestheSVC–MERS’sworkingmodeandcontrolwayindetail.Inordertoverifytheabovecontrolmode,thispapercarriesonthecorrespondingsimulationfromthephasecontrolandminimumcapacitancevoltagecontroltwoaspects,whichrealizesthebasicfunctionsofSVC–MERS.ReactivepowerproducedbySVC-MERScanchangeinaverywiderangebytheuseofallthewaveformpatternwhichincludesbalancemode,discontinuousmodeanddc-offsetmode.Thenthroughthedescriptionandperformanceevaluationofthecharacteristicsofeachmode,discussingitsdesignprinciples,includingtheoperationscopecanbeused. 湖南大学毕业设计(设计)第=3\*ROMANIII页湖南大学毕业设计(设计)第=3\*ROMANIII页Keyword---reactivecompensation,MERS,thephasecontrol,theminimumcapacitancevoltagecontrol湖南大学毕业设计(设计)第=3\*ROMANIII页 湖南大学毕业设计(设计)第=1\*ROMANI页湖南大学毕业设计(设计)第=3\*Arabic3页目录1.绪论...........................................................11.1研究背景和意义..............................................11.2无功补偿的原理...............................................11.3静止无功补偿器(SVC)........................................11.4典型SVC及其工作原理.........................................31.4.1具有饱和电抗器的无功补偿装置(SR)......................31.4.2晶闸管控制电抗器(TCR).................................3 湖南大学毕业设计(设计)第=2\*ROMANII页1.4.3晶闸管投切电容器(TSC).................................41.5SVC和SVG...................................................51.6SVC的研究现状和发展趋势.....................................62.磁能恢复开关(MERS)............................................72.1磁能恢复开关的介绍...........................................72.2MERS电路拓扑结构............................................72.3MERS电路单元的工作状态......................................82.4控制方式.....................................................92.4.1相位角控制方式.........................................92.4.2最小电容电压控制方式..................................102.5MERS用作可变电容的原理......................................113.基于全桥型MERS的静止无功补偿器(SVC-MERS)....................123.1SVC-MERS工作原理............................................123.2波形模式及控制方式..........;................................133.2.1平衡模式................................................133.2.2不连续模式..................................................143.2.3直流偏置模式............................................164.SVC-MERS的仿真验证分析和性能分析................................194.1相位角控制的仿真试验.......................................194.1.1全桥型SVC-MERS的单相仿真搭建.........................194.1.2仿真结果..............................................204.2最小电容电压控制的仿真试验.................................224.2.1全桥型SVC-MERS的三相仿真搭建.........................22湖南大学毕业设计(设计)第1页4.2.2仿真结果..............................................234.3SVC-MERS的性能分析........................................254.3.1SVC-MERS无功功率的控制................................254.3.2SVC-MERS的电容电压峰值................................264.3.3SVC-MERS的电流谐波含量................................274.4SVC-MERS的性能比较........................................27总结.............................................................29致谢.............................................................30参考文献.........................................................31 湖南大学毕业设计(设计)第1页第一章绪论 湖南大学毕业设计(设计)第=1\*Arabic1页1.1研究背景和意义随着国民经济的发展,电力行业也得到快速发展,特别是大范围的高压输电网络逐渐形成,负荷的快速增长对无功的需求大幅上升。无功是电能传输和转换过程中建立电磁场和提供电网稳定不可缺少的功率之一,并不是无用功率。无功功率的传输会使电网的视在功率增加,在传输相等的有功功率的情况下,总电流会增加,使线路和设备的损耗增加,而且沿传输方向还会产生很大的电压降落,不利于电力的传输与合理应用,所以应该尽可能的减少无功功率的传输[1]。电力设备中的绝大部分用电设备都是感性负载,需要消耗无功功率,如果电网的无功不足,便会导致用户端的电压降低,影响正常生产和生活用电。所以,对电网进行无功补偿,来降低线路损耗、降低设备容量、提高供电系统可靠性,是很有必要的[2]。1.2无功补偿的原理电网中的电力负荷如变压器、电动机等,绝大部分都属于感性负载,在实际运行中,这些感性负载均需向电源索取滞后的无功功率,实现能量的转换,带动设备做工。为了补偿这部分滞后的无功损耗,比较常用的方法是电容器并联补偿方式。在电网中安装并联电容器等无功补偿装置后,可以减少无功功率在电网中的传送,因此便降低了无功功率在线路中输送而引起的电能损耗,这就是无功补偿。无功补偿的基本原理是把具有容性功率的设备与感性负载相并联,使得能量在这两种负荷间转换,以减少电网中的无功功率。无功补偿通常采用的方式有三种:集中补偿(在高低压配电线路中安装并联电容器组)、分组补偿(在配电变压器低压侧和用户车间配电屏安装并联补偿电容器)、单台电动机就地补偿(在单台电动机处安装并联电容器等)。1.3静止无功补偿器(SVC) 湖南大学毕业设计(设计)第2页湖南大学毕业设计(设计)第=2\*Arabic2页静止无功补偿器是完全静止的设备,并不存在同步调相机那样的机械运动部件,但是它的补偿是动态的,即根据无功的需求或电压的变化自动跟踪补偿,从而降低供电变压器及输送线路的损耗,提高电网稳定性。合理的选择补偿装置,还可有效抑制冲击性负荷引起的电压波动和高次谐波,提高功率因数,实现按各相的无功功率快速补偿。图1.3部分无功补偿装置性能对比图1.3显示了部分无功补偿装置的性能对比[3]。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。调相机是最早采用的一种无功补偿装置[3],实际上是专门的无功功率发电机,可以过励磁运行,也可以欠励磁运行。它的优点是可以平滑地改变无功功率的大小和方向,调整电压平滑,单机容量可以做得很大,因此无功输出容量基本不会受到限制,更重要的是,它可以有效地支撑电网的电压,提高电网的稳定性。它的缺点是投资大,损耗高,运行维护复杂,动态响应速度慢[4]。并联电容器是电网中应用最多的一种专用无功补偿装置[5],它的优点是价格便宜,易于安装维护,并且装设容量可大可小,既可集中使用,又可分散装设。但是并联电容器阻抗固定,不能动态跟踪负荷无功功率的变化。并联电容器最主要的缺点是其对谐波的敏感性,当电网中含有谐波时,电容器的电流会急剧增大还会与电网中的感性元件谐振使谐波放大。 湖南大学毕业设计(设计)第3页湖南大学毕业设计(设计)第=3\*Arabic3页由于以上的传统无功补偿器存在的缺点,使得这些设备已经越来越不适应电力系统发展的需要。随着电力电子技术的发展以及研究的进一步加深,出现了一种静止无功补偿技术[6]。静止无功补偿器的简称是SVC,是用以晶闸管为基本元件的固态开关替代了电气开关,实现快速、频繁地以控制电抗器和电容器的方式改变输电系统的导纳,能快速、连续地对波动性负荷进行补偿,有效地抑制系统电压波动和闪变,同时滤除系统中的高次谐波,没有旋转部件,运行维护简单。下面对几种典型的无功补偿器进行简要介绍。1.4典型SVC及其工作原理1.4.1具有饱和电抗器的无功补偿装置(SR) 湖南大学毕业设计(设计)第4页图1.4.1SR型SVC装置原理图饱和电抗器基本原理图如图1.4.1所示,饱和电抗器具有这样的特性:当电压大于某值后,随着电压的升高,铁芯急剧饱和,在补偿器的工作范围内,电压的少许变化就会引起电流的大幅度变化。与SR串联的电容Cs是用于斜率校正的,改变Cs的大小可以调节补偿器外特性的斜率。有饱和电抗器和串联电容器组成的回路具有稳压特性,故能维持连接母线的电压水平;由于响应快速,故能对接于同一母线上的冲击负荷引起的电压波动起补偿作用[7]。SR的缺点是:造价高,损耗大,有震动和噪声,调整时间长,动态补偿速度慢。1.4.2晶闸管控制电抗器(TCR)TCR的动态补偿回路的单相原理图如图1.4.2所示,由两个反并联的晶闸管与一个电抗器相串联组成,电容器组兼做滤波器,其三相多接成三角形[1]。此电路的有效移相范围为90°~180°,当触发角为90°时,晶闸管全导通,与晶闸管串联的电抗相当于直接接到电网上;当触发角在90°~180°之间时,晶闸管部分导通。增大触发角的效果就是减少电流中的基波分量,相当于增大补偿器的等效电抗,因而减少了其吸收的无功功率,所以通过调整触发角的大小就可以达到调整无功功率的效果[8]。 湖南大学毕业设计(设计)第5页湖南大学毕业设计(设计)第=5\*Arabic5页图1.4.2TCR型SVC装置原理图由于单独的TCR只能吸收无功功率,而不能发出无功功率,为了解决此问题,可以将并联电容器与TCR配合使用,构成静止无功补偿器(TCR+FC)[2]。这种具有TCR型的补偿器虽然自身仍然会产生谐波,但是动态响应速度快(约10ms),可以进行连续感性和容性无功调节,而且能够进行分相调节,灵活性大,噪声小,单位容量损耗相对也比较小,目前在输电系统和工业企业中应用最为广泛。1.4.3晶闸管投切电容器(TSC)图1.4.3TSC型SVC装置原理图单相TSC的原理图如图1.4.3,是采用两个反并联的晶闸管起到将电容接入电网或从电网中断开的作用,由串联小电感可以抑制电容器投入电网时可能产生的冲击电流。TSC的关键技术是投切电容器时刻的选取,其最佳投切时间是晶闸管两端电压为零的时刻,此时电路的冲击电流为零。 湖南大学毕业设计(设计)第6页TSC的优点在于它能对三相不平衡负载进行分相补偿,操作中不产生有害过电压,但是它限制过电压的能力较差,所以TSC装置一般与电感并联使用,如TSC+TCR补偿器。晶闸管投切电容器单独使用时只能作为无功功率电源,发出感性无功,且不能平滑地调节输出的功率,不能直接连接于超高压,运行维护较复杂,但由于晶闸管对控制信号的响应极为迅速,发出的噪声比较小,单位容量损耗相较小,控制灵活性好,通断次数又不受限制,其运行性能还是明显优于机械开关投切的电容器。1.5SVC和SVGSVC的结构中不能没有具有时滞特性的大容量储能元件,不能做到瞬时无功控制[2]。随着电力电子技术的进一步发展,近年来出现了采用自换相变流电路的静止无功补偿装置,通常称为静止无功发生器(SVG---StaticVarGenerator)。图1.5SVG原理图静止无功发生器(SVG)的主体部分是一个电压源型逆变器,其原理图示于图1.5,其基本原理是将自换相桥式电路通过电抗或者变压器并联在电网上,通过对晶闸管通断的控制来调节桥式电路交流侧输出电压的相位和幅值,就可使电路吸收或发出满足需求的无功电流,从而动态补偿无功功率[4]。与传统的以TCR为代表的SVC相比,SVG的运行范围宽,调节速度快,在电压较低的情况下,也可向系统注入较大的无功电流,所以在故障条件下具有更好的控制稳定性,而且在采取多重化或PWM技术等措施后可大大减少补偿电流中谐波的含量,而且SVG使用的电抗器和电容元件远比SVC中使用的电抗器和电容元件要小,这将大大缩小装置的体积和成本[9]。1.6SVC的研究现状和发展趋势SVC补偿装置的响应速度快,并且可以连续调节无功功率输出[10],是目前广泛使用的动态无功补偿装置。随着静止无功补偿器核心技术及其装置的进一步推广应用,将使传统电力行业发生重要变革,提升电力系统安全稳定水平和改善电能质量,可以带动电力半导体器件等相关电力装备产业跨越式发展,为灵活交流输电技术在我国电力系统国产化应用奠定了坚实的基础。目前已经有运用分叉理论分析了SVC对电压稳定的影响,也证明了SVC提供的阻尼对改善区间振荡尤其有效,而且SVC装置的位置和容量合理时,还可提高电网输电能力,改善电压稳定性。可以看出,静止无功补偿器在我国是具有无限广阔的发展前景的。目前已应用的串联补偿器主要有串联电容、晶闸管控制串联电容补偿器(TCSC)等。上述串联补偿器的共同特征是将电容直接串联到线路中,通过调节线路的等效阻抗值来达到补偿无功功率,校正功率因数的目的[11]。但是这种方法的补偿电压直接受到线路电流影响,谐波较大,补偿效果不太理想。磁能恢复开关(MERS)用于一种新型的无功补偿装置(SVC-MERS),随着负载阻抗的变动,磁能恢复开关可快速调整电路中功率因数,且具有结构简单、控制手段灵活、损耗低等特点。 湖南大学毕业设计(设计)第7页第二章磁能恢复开关(MERS)2.1磁能恢复开关的介绍MERS一开始只是作为软开关存在于电路中,后来随着研究的深入,最早是2000年由日本东京工业大学作为了一种新的无功补偿装置[12],它能够方便地串联在交流电源和负载之间,以补偿无功功率和校正功率因数,湖南大学毕业设计(设计)第8页2.2MERS电路拓扑结构全桥型MERS的结构如图2.2(a)所示,由4个桥式连接的开关管(U、V、X、Y)和一个电容C并联而成[13],在两个并联的桥臂上,分别有两个IGBT元件与其二极管反向并联,此两个IGBT元件结构反向串联在该桥臂中。图2.2(a)全桥型MERS结构为扩大无功调节范围,使无功控制范围从容性无功变化到感性无功,可将TCR、并联电容器(FC)和TSC组合使用。常用的方式有TCR+TSC、TCR+FC、TCR+TSC+FC。相比于传统的静止无功补偿器,MERS设备容量很小,却能够有很宽的连续无功补偿范围,甚至可补偿比固定电容还小的无功能量。再者,全桥型SVC-MERS采用的是电网频率即50~60Hz控制和一个很小的直流电容。由于频率相对较低,这个小电容与电感产生谐振时,SVC-MERS可以比STATCOM达到更高的效率和更小的噪声。但是,全桥型MERS有一个缺点就是,在三相电路中单相全桥电路需要应用于每相上,这就要求有12个半导体开关,而每相又必须有一个单相全桥,且每相电流要经过两个半导体器件。因此,为了减少因为开关器件多导致的开关损耗大的问题,提出了如图3.2(b)的半桥型MERS结构。半桥型MERS虽然减少了开关的损耗,但是开关管和二极管反向承受的电压是原来的二倍,存在一些局限性。湖南大学毕业设计(设计)第8页2.2(b)半桥型MERS结构2.3MERS电路单元的工作状态abcd图2.3MERS四种工作状态MERS按电容的充放电状态可分为四种模式:放电模式,并行模式,充电模式,单旁路模式,如图2.3所示。 湖南大学毕业设计(设计)第9页a为放电模式,两对角开关管开通,电容通过开通的开关管对负载放电,电容电压从最大值开始下降,电流如图中所示方向由零逐渐增大。b为并行模式,两个桥臂都通有电流,电容是被短接的,电容上没有电流通过,电容电压为零。c为充电模式,开关管没有开通,只有两对反并联二极管导通,电流经过导通的二极管对电容充电,电容电压升高。d为单旁路模式(左旁路没有画出),只有一个桥臂处于流通状态,可以在电容电压为任意值的情况下进入该模式,此时电容电压就保持不变,使引入Vc.min控制成为可能。2.4控制方式2.4.1相位角控制方式在开关驱动频率为工频50Hz时,通过对全桥型MERS中电压与开关驱动的夹角δ进行控制,来控制电容短路的时间段[14~15],进而产生相应的电压的波形,δ的变化范围为0°-90°,在相位角控制方式下,全桥型MERS在一个周期内的电流流通途径如图2.4.1(a),相应的波形如图2.4.1(b)。(e)(a)(b(e)(a)(b)(c)(d)(f)相位角控制方式下一个周期内的电流路径相位角控制方式下的波形(a)在状态a中,IGBT开关X和V开通。输入电压下降,电容放电,MERS工作在放电模式,电流流过X、电容和V,此时,电容电压减少,电流增大。(b)当状态a中电容电压减少到0时,二极管导通,电流如图分别流过两条支路,MERS工作在并行模式,此时电容被短接,并没有连入电路中,电容电压为0。(c)关断IGBT开关X、V,开通开关U、Y,输入电压增大,电流经过二极管对电容充电,MERS工作在充电模式,此时电容电压升高,电流减小。湖南大学毕业设计(设计)第10页(d)当输入电压下降时,电容放电。电流流过U、电容和Y,MERS工作在放电模式,此时电容电压减少,电流过零点后,反向增大。(e)当状态d中电容电压减少到0时,二极管导通。电流与状态b相反的方向分别流过这两条支路,MERS工作在并行模式,此时电容被短接,并没有连入电路中,电湖南大学毕业设计(设计)第12页容电压为0。 湖南大学毕业设计(设计)第11页湖南大学毕业设计(设计)第10页(f)关断IGBT开关U、Y,开通开关X、V,输入电压增大,电流经过二极管对电容充电,MERS工作在充电模式,此时电容电压升高,电流减小。当输入电压再次减小时,电容放电,电流过零点后反向增大,如状态(a),这就是MERS工作的一个完整周期。从图2.4.1(a)中可以看出,在相位角控制方式下,MERS电路分别工作在充电模式、放电模式和并行模式下,而在前面提到的单旁路工作模式,则是出现在另一种控制方式下,即最小电容电压控制方式。2.4.2最小电容电压控制方式图2.4.2(a)图2.4.2(b)最小电容电压控制方式下一个周期内的电流路径最小电容电压控制方式下的波形在此控制方式下,瞬时电容器电压Vc通过控制器必须维持一个最小的电压Vc.min,为了与相位角控制方式相区别,此处用γ来表示电压过零点与开关驱动点的夹角。通过控制Vc.min和γ两个参数,便可产生相应的波形。在此控制方式下,全桥型MERS在一个周期内的电流流通途径如图2.4.2(a),相应的波形如图2.4.2(b)。与相位角控制方式下全桥型MERS一个周期内的电流路径不同的是,当状态a中电容电压Vc降到Vc.min时就对开关U和X进行控制,而开关V和Y的状态保持不变,使得当前路径从放电模式变化到单旁路模式,经过2γ角度后,再改变开关V和Y的状态,使其由单旁路模式进入充电模式,其他地方的电流路径便和相位角控制方式下相同。2.5MERS用作可变电容的原理从以上的分析可看出,在全桥MERS中四个开关U、X、V、Y分别组成两对U-X和V-Y,这两个开关对开通与关断总是相反的,并联型MERS开关管互补导通180°,频率为工频50Hz,所以其控制简单。电容充电是由于IGBT的开关驱动的控制,电流流过二极管,电容放电是因为输入电压降低,电流流经开关器件,而且无论电流如何流动,电容都不存在承受反向电压的可能。图中的(b)和(e)是非常重要的两条路径,电容是短路的,可以达到电容中电压为零或电压为任意值。一个周期内,由工频50Hz的切换和控制电流路径,可以控制MERS一个周期内工作在电容短接状态的时间,这使得全桥型MERS可作为可调电容使用[16]。等效电抗如图2.5,通过控制波形,便可使SVC-MERS产生不同程度的无功功率进行补偿。图2.5全桥型MERS等效电抗图MERS现在已经在许多领域得到了实际的应用,比如脉冲电源、无功补偿、电源变换[17~19]等。不论负载阻抗如何变动,MERS都能自动校正功率因数,所以它在单相PFC(功率因数校正)乃至三相PFC等领域的应用潜力也是不可小觑的。 湖南大学毕业设计(设计)第12页第三章基于全桥型MERS的静止无功补偿器(SVC-MERS)3.1SVC-MERS工作原理本论文的MERS用作静止无功补偿器,称为SVC-MERS,其结构及等效电抗图如图3.1所示。在MERS结构上串联一个小电感,用来抑制冲击电。湖南大学毕业设计(设计)第13页图3.1SVC-MERS结构及等效电抗示意图 湖南大学毕业设计(设计)第13页湖南大学毕业设计(设计)第14页图中Vin是全桥型SVC-MERS的总电压,Vmers是MERS桥臂上的电压,Isvc.mers是总电流,XL是串联电感的电抗,Xmers是MERS的等效电抗,Xsvc.mers是SVC-MERS的等效电抗。可知Qsvc.mers=VinXsvc.mers=Xmers–XL所以,控制Xmers的大小,就可以控制SVC-MERS产生的无功功率的大小。当电网电压由负变为正,经过触发角δ后触发开关管U、Y导通,通过控制相位角δ,可得到不同的波形,从而控制MERS的电流大小,进而控制MERS的等效阻抗Xmers。事实上,通过有效的控制方法,理论上可以使SVC-MERS的等效阻抗从0~∞变化,进而获得很宽的无功补偿范围。3.2波形模式及控制方式由前文可知,设置不同的δ值,可以得到不同的波形。SVC-MERS有三种波形模式,不连续模式,平衡模式和直流偏置模式。图3.2显示了单相SVC—MERS产生的仿真波形[20],其中电网电压为100V,频率为50Hz,电容器为50F,电感为40mH,iSVC是该相电流,Vc(a)直流偏置模式(b)平衡模式(c)不连续模式图3.2SVC-MERS产生电压电流的波形 湖南大学毕业设计(设计)第14页3.2.1平衡模式 湖南大学毕业设计(设计)第14页图3.2(b)为平衡模式的波形图,相位角δ为0°。平衡模式下,电容没有被短路的情况,只进行充电和放电的过程,相当于一个LC电路,所以电压和电流的波形是纯正弦波,如图3.2.1。此时产生的无功功率为Q其中E是输入电压Vin的有效值,Xc是SVC-MERS中电容的容抗,XL是串联电感的电抗。平衡模式中为了得到需要产生的无功功率,可以对Xc和XL进行相应的选择,本文选择的是XL=20%Xc,这个将图3.2.1平衡模式下电压电流波形图3.2.2不连续模式 湖南大学毕业设计(设计)第15页湖南大学毕业设计(设计)第16页图3.2(c)为不连续模式的波形图,相位角δ为0°~90°。不连续模式是因为MERS中每半周期内,电容都存在被短接的时间段,即电容电压为零而命名。从图3.2可以看出,在不连续模式下,SVC-MERS产生的无功功率比平衡模式的要高,而且可以由相位角δ控制,即等效阻抗Xmers可以由δ控制,计算公式是[21]:X式中XC=1WCmers,τ图3.2.2(a)是控制不连续模式的装置示意图,图中有一个电压传感器,用来检测电压的过零点,以此来进行相位δ的控制。δ的变化范围是0°~90°,所以全桥型SVC-MERS在不连续状态下,通过相位控制,Xmers的变化范围是0~Xc。当δ=0°时,SVC-MERS工作在平衡模式,即图3.2.2(a)控制不连续模式的装置示意图图3.2.2(b)不连续模式下电压电流波形图和电流流通图从图3.2可以看出,SVC-MERS桥臂两端的电压Vmers,具有比基波分 湖南大学毕业设计(设计)第16页开关管关断时,电容电压从零开始增加,在很短的瞬时时间内,电容电压提供给开关管的电压为零,而开关管开通时,电流是流经二极管后再经开关管流通,在开通瞬间开关管电流为零,所以,在不连续模式下,开关管可以达到软开关的特性。3.2.3直流偏置模式 湖南大学毕业设计(设计)第18页图3.2.3(a)控制直流偏置模式的装置示意图 湖南大学毕业设计(设计)第17页图3.2.3(b)直流偏置模式下电压电流波形图和电流流通图图3.2(a)为直流偏置模式的波形图,相位角δ为0°,SVC-MERS产生的无功功率比平衡模式的要小,且电容电压有最小直流分量Vc.min。直流偏置模式中不能只用δ控制无功功率的大小,还要通过该直流电压来进行控制,这种最小电容电压控制方法,比相位角控制方法要较为复杂,直流偏置模式的控制装置示意图如图3.2.3(a),电压电流波形图和电流流通途如图3.2.3(b)所示。从图3.2.3(b)中可以看出,两个开关对U、Y和X、V并没有同时进行开通/关断,而是存在一个时间差,为了与不连续模式相区别,这里的移相角用γ表示,从图3.2.3(b)可看出,直流偏置路径持续时间为2。如图3.2.3(b)的波形图中第一个直流偏置模式的产生,在电容放电,电容电压下降的过程中,当电容端电压低于Vc.min时,湖南大学毕业设计(设计)第18页电流流通图中如第二个图所示,开关管X断开,开关U中的二极管开通。此时电流仅经过U开关中二极管和开关V,形成一条支路的路径。不同于两条平行支路,此湖南大学毕业设计(设计)第22页时电容并没有完全放完电,而是存在一个残留直流电压VC.min。直流偏置模式下,等效阻抗Xmers计算公式如下[21]Xmers=Xc(1-2γπ–sin2可以看出,Xmers随着γ的增大而减小,随着Vc.min的增大而增大,且Xmers是可以小于Xc的。这里有两个变量,不同的组合会得到不同的结果,也体现出了直流偏置模式下控制方法更复杂。直流偏置模式下开关管关断时,电容电压提供给开关管的电压不为零,因此不具有软开关的特性,但是开关管开通时情况与不连续模式相同。从图3.2.3(a)的直流偏置模式控制装置示意图可以看出,直流偏置的控制中需要检测电容的瞬时电压,并使用比较器使其保持最小残留直流电压Vc.min。这里还出现了一个新的参数,控制区间Φ,用来表征暂态过程的特性。Φstart由相应的Vc.min上升时的速度决定,Φstop由相应的Vc.min下降时的速度决定。图3.2.3(c)显示了在一定条件下,对Φstart和Φstop进行瞬时仿真的结果。可以看出,Φ越大,Vc.min上升时的暂态过程响应越快,但越不稳定;而Vc.min下降时的暂态过程变化不明显。 湖南大学毕业设计(设计)第20页湖南大学毕业设计(设计)第18页(b)图3.2.3(c)一定条件下,当Φstart和Φstop设置为4degree、6degree和8degree时,Vc.min上升(a)和下降(b)的暂态特性,横坐标为时间,纵坐标为电容电压 湖南大学毕业设计(设计)第19页第四章SVC-MERS的仿真验证和性能分析此次仿真应用的是PSIM软件,全称是PowerSimulation,PSIM高效的算法克服了其它多数仿真软件的收敛失败、仿真时间长的问题,因此应用范围比较广泛。4.1相位角控制的仿真验证4.1.1全桥型SVC-MERS的单相仿真搭建 湖南大学毕业设计(设计)第20页图4.1.1SVC-MERS相位角控制仿真电路图左上角的交流电压源用来产生电路所需的电压Vs,其峰值为141V,有效值即为100V,频率为50Hz。是一个电压传感器,用来检测电压的过零点,再与比较器连用,就可产生矩形波。是延时装置,若输入电压与开关驱动的相位角为δ,延时时间则表示为t=δ360×0.02+0.01,其中0.02是50Hz电压的一个周期,后面还加上了0.01是因为门电压检测选择的是相异的两个开关。并联在电路中用来测量SVC-MERS中的无功补偿量。 湖南大学毕业设计(设计)第21页是全桥型SVC-MERS电路的主体部分,四个开关管都有门控信号,并联电容大小为212.31uF,Vc测量的是电容两端的电压。以及中,Vmers测量的是桥臂电压,并检测了电压的基波Vfund,基波有效值Vrms1和谐波含量THD1。Isvc_r测量的是总电流,并检测了电流的基波Ifund,基波有效值Irms1和谐波含量THD。此次仿真设定的仿真步长为1E-005,即0.00001s,总时间为1.5s。4.1.2仿真结果图4.1.2(a)显示的是SVC-MERS在相位角δ=0°,即t=0.01s时输入电压Vrs,门电压Rgate,桥臂电压Vmers和电路电流Isvc_r的波形。此时SVC-MERS工作在平衡模式下,电感和电容产生的无功功率大概为-748.97var,即产生748.97var的容性无功。图4.1.2(b)显示的是SVC-MERS在相位角δ=36°,即t=0.012s时输入电压Vrs,门电压Rgate,桥臂电压Vmers和电路电流Isvc_r的波形。此时的0°<δ<90°,所以SVC-MERS工作在不连续模式下,Vmers的波形中明显存在电容被短接,即Vmin=0的时间段。此时,产生的容性无功功率为2280.86var。Time(s)图4.1.2(a)δ=0°时SVC-MERS仿真波形(平衡模式)Time(s)图4.1.2(b)δ=36°时SVC-MERS仿真波形(不连续模式)在这个仿真试验中,只对相位角δ进行了控制,并没有对最小电容电压Vc.min进行控制,所以不能得到直流偏置模式的波形。 湖南大学毕业设计(设计)第24页湖南大学毕业设计(设计)第22页4.2最小电容电压控制的仿真验证4.2.1全桥型SVC-MERS的三相仿真搭建 湖南大学毕业设计(设计)第23页湖南大学毕业设计(设计)第25页图4.2.1SVC-MERS最小电容电压控制仿真电路图图4.2.1显示的是三相系统的仿真图,其中包含了最小电容电压控制方式的系统。三相电路中,每相均含有单相全桥型SVC-MERS电路结构。要进行最小电容电压控制的仿真,需要设定一个最小直流电压Vdc,用来设定最小直流电压,当电容电压降至该电压时,便停止放电,进入单旁路模式,所以电容电压的最小值不会低于Vdc。图中电感为9.55mH,电容为212.31uF,电源线电压有效值为200V,频率为50Hz,仿真总时间为1.5s。4.2.2仿真结果图4.2.2(a)显示的是γ=0°,Vdc=100V时,输入电压Vps,电容电压Vcr_1,桥臂电压Vmers_r和单相电流Imers的波形。图中可以看出,电容电压存在明显的残留直流电压,大小为100V,此时产生的容性无功功率为6Kvar,每一相即为2Kvar。 湖南大学毕业设计(设计)第24页湖南大学毕业设计(设计)第26页Time(s)图4.2.2(a)γ=0°,Vc.min=100V时SVC-MERS仿真波形(直流偏置模式)Time(s)图4.2.2(b)γ=30°,Vc.min=100V时SVC-MERS仿真波形(直流偏置模式)当γ=30°,Vdc=100V时,相应的波形图显示如图4.2.2(b),此时产生的容性无功功率为13.415Kvar,每一相即为4.272Kvar。在上面的仿真中,通过改变相位角δ的控制方式和改变最小电容电压与γ的控制方式,达到了对SVC-MERS的工作模式的控制,得到了不同的无功补偿量,实现了SVC-MERS的基本功能。在三相仿真系统中,由于三个SVC-MERS是采取△连接,所以三次电流谐波在内部被抵消掉了。图4.2.2(c)给出了三种模式下的总电路电流Isvc_r的波形图。 湖南大学毕业设计(设计)第27页Time(s)Frequency(Hz)Time(s)Frequency(Hz)Time(s)Frequency(Hz 湖南大学毕业设计(设计)第25页湖南大学毕业设计(设计)第20页图4.2.2(c)三种模式下总电流Isvc_r4.3SVC-MERS的性能分析4.3.1SVC-MERS无功功率的控制当SVC-MERS工作在不连续模式下时,可以通过相位角控制,即控制输入电压与开关驱动的相位差δ来控制无功功率的补偿量,二者呈线性关系。当SVC-MERS工作在直流偏置模式下时,可以通过控制Vc.min和γ来控制无功功率的补偿量。而平衡模式可以视为在不连续模式下δ=0时的状态,也可以视为在直流偏置模式下最小瞬时电压VC.min和γ为零时的状态。由仿真得到的不连续模式和直流偏置模式下产生的无功功率分别如图4.3.1(a)和4.3.1(b)所示,图中纵轴表示的是产生的无功功率大小Q与平衡模式下产生的无功功率QQ/Qbalance2.52.5 湖南大学毕业设计(设计)第26页Vc.min(p.u)δ(deg.)(a)(b)图4.3.1SVC-MERS产生的无功功率图的右边部分为不连续模式,可以看出,无功功率的补偿量可由唯一的量δ决定,两者呈线性关系,δ越大,无功补偿量也越大。平衡模式下QQbalance的值为1。图的左边部分为直流偏置模式,无功补偿量由电容最小瞬时电压Vc.min和γ共同决定。直流偏置模式中,Vc.min相同时,γ越大Q就越大;γ相同时,Vc.min越大,Q就越小;这与之前公式推导的结论是一致的。很明显,直流偏置模式中,Vc.min=0时产生的Q与不连续模式下δ=γ时产生的Q相同。由图4.3.2SVC-MERS的电容电压峰值在不同的模式下,SVC-MERS除了产生的无功补偿量不同,还存在一些其他性能上的差异,比如总谐波失真THD和电容电压峰值。在前面的仿真验证中,控制参数的改变可以得到不同的无功补偿量,也可使总谐波失真THD和电容电压峰值发生改变,而设计参数,如XL/Xc的值发生改变,也会对其性能有一定的影响。在对性能分析的过程中,为了直观,用无功补偿量代替δ和Vc.min作为横坐标,Q以平衡模式下的无功补偿量Qbalance为基值,电压以电源线电压有效值200V为基值。图4.3(a)作出了当XL/Xc分别等于0.15、0.2和0.25时电容峰值电压和电流谐波与无功补偿量的关系。峰值电压/V
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