1、1摘要静止无功发生器(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止无功补偿装置，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。它将电力电子技术、计算机技木坏口现代控制技术应用于电力系统，通过对装置输出电压相位的控制，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。电力系统的快速发展对电网电压的稳定性和系统动态稳定性提出了更高的要求。本文设计的静止无功补偿器采用了先进的数字信号处理器 DSP 作为控制核心。充分利用 DSP 强
2、大的数字信号处理功能，育瓣及时完成采样、控制、实时计算等任务，实珍睐寸系统快速的动态响应。DSP 在 SVG 的控制过程中表现出巨大的潜能，为以后越来越复杂的控制策略和方法提供了一种解决平台。其主电路及其辅助电路，并且应用能够有效抑制谐波的 SPWM 法进行控制，进一步改善了输出电压波形质量。关键词：静止无功发生器 数字信号发生器 SPWM DSP2目录目录 .21 绪论 .31.1 课题背景与意义 .31.1.1 无功功率的产生 .31.1.2 无功功率的影响 .31.1.3 无功补偿的作用 .41.2 国内外研究现状 .42 SVG 的基础理论 .52.1 无功功率和功率因数的定义 .52
3、.1.1 正弦电路无功功率和功率因数 .52.1.2 非正弦电路无功功率和功率因数 .62.2 无功功率动态补偿原理 .72.3 阻抗补偿方案 .82.3.1 晶闸管投切电容器 TSC .82.3.2 晶闸管控制电抗器 TCR.92.3.3 晶闸管控制串联电容器 TSC .102.4 电压源变流器型补偿方案 .102.4.1 无功功率发生器 .112.4.2 开关型串联基波电压补偿器 .123 静止无功发生器（SVG）的设计 .123.1 静止无功发生器(SVG)主电路 .133.2 无功电流检测电路 .153.3 无功控制电路 .174 系统仿真与分析 .184.1 仿真结果与分析 .20参
4、考文献 .233无功功率补偿器（5000VA）设计1 绪论1.1 课题背景与意义 1.1.1 无功功率的产生 在电网中由于大量感性负载的存在，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载间的能量交换的物理量，它的大小表明了电源与负载间能量交换的幅度，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。 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比例。电力系统中的电抗器和架空线等也消耗一些无功
5、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，电力系统中非线性用电设备，特别是电力电子装置的应用日益广泛，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，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，正在受到越来越多的关注。 1.1.2 无功功率的影响 (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、变压器等各种电气设备的容量和导线的容量增加。 (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
6、耗增加，这是显而易见的。 (3) 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。 41.1.3 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须的，它对供电系统和负荷的运行都是十分重要的。电力系统网络中不仅大多数负荷消耗无功功率，大多数网络组件也要消耗无功功率。网络组件和负荷所需要的无功功率必须从网络中某个地方获得。显然，这些无功功率由发电机提供并经长距离传送是不合理的，通常也是不可能的。因此，合理的方法应当是在需要消耗无功功率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)提高供用电系统及负载的
7、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。(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。 1.2 国内外研究现状 解决电力电子装置产生的低功率因数问题不外乎两种途径：一种是对电力电子装置本身进行改进，使其不产生谐波也不消耗无功功率，或根据需要对其功率因数进行调节；另外一种是装设无功补偿装置，如无功功率补偿器等，设法对无功进行补偿。前一种方法是对现有电力电子设备进行大规模更新，代价较大，并且只适用于作为主要谐波源的电力电子装置，因此有一定的局限性。而后一种方法则适用于各种谐波源和低功率因数设备，并且方法简单，已得到
8、广泛应用。 目前，使用较为广泛的无功补偿方法主要有以下几种。(1) 同步调相机 同步调相机是早期无功补偿装置的典型代表。同步调相机不仅能补偿固定的无功功率，而且对变化的无功功率也能进行动态补偿。在过励磁运行时，它向系统供给感性无功功率，提高系统电压；在欠励磁运行时，从系统吸收感性无功功率，降低系统电压。至今在无功补偿领域中这种装置还在使用，但其运行维护比较复杂，而且总体上说这种补偿手段已然落后。 5(2) 并联电容器 设置无功补偿电容器是补偿无功功率的传统方法之一，目前在国内外得到了广泛应用。这种方法有集中补偿、分散补偿、就地补偿三种方式。设置并联电容器补偿无功功率具有简单、经济、方便等优点。
9、但由于电容器供给的无功功率与节点电压成正比，当节点电压下降时，供给无功反而减少，其无功功率调节性能较差。但其维护比较方便，装设容量可大可小，既可集中使用，又可分散装设。在国内，补偿无功用的最多的办法是并联电容器。 (3) 静止无功补偿 静止无功补偿装置是相对于调相机而言的一种利用电容器和各种类型的电抗器进行无功补偿（可提供可变动的容性或感性无功）的上网装置，简称静补装置或精致补偿器。1967 年，第一台静止补偿装置在英国研制成功后，受到世界各国的广泛关注，西德、美国、日本、瑞典、比利时、苏联等国竞先研制、大力推广，使得静止补偿装置比调相机具有更大的竞争力，广泛用于电力、铁道、科研等部门，成为补
10、偿无功、电压调整、提高功率因数、限制系统过电压、改善运行条件的有效设备。 (4) 变流器模块 由于 ASVG(Advanced Static Var Generator 新型静止无功发生器)的工作原理是建立在电压型变流器基础之上的，其基本构成单元是变流器模块，通常采用单相桥式二电平交流器，三相基本模块的器件利用率相同，所以单纯从器件利用率的角度，或者说从同容量装置所需的器件最小数量的角度而言，三种结构是大体相同的。 采用单相桥式变流器模块的明显优点是便于进行分相控制，这对于 ASVG 在系统电压不对称运行时，特别是不对称故障时的控制是一个重要的优点。 2 SVG 的基础理论2.1 无功功率和功
11、率因数的定义2.1.1 正弦电路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6可分别表示为： =2sinuUtpq=2sin(-)co-icos=+ItIIti其中， 是电流滞后电压的相角。电流 分解为电压同相位的分量 ，和比电压滞后 90的分量 。电路的有功功率i pi qi就是其平均功率，即：P220011=d()=(+)d(uituiqt= 201cos-cos-(sin)d(=cosUI UItUI电路的无功功率定义为： =sinQI工程上，把电压电流有效值的乘积作为电气设备功率设计极限，这个值也就是电气设备最大可利用容量，称为视在功率： =
12、SUI有功功率和视在功率的比值为功率因数： P2.1.2 非正弦电路无功功率和功率因数在含有谐波的非正弦电路中，有功功率、视在功率、功率因数的定义和正弦电路相同。经傅里叶分解，有功功率 P 为：2n011=d()=cosuitUI视在功率 为: S2211nnSII其中， ， 为第 次谐波电压、电流有效值， 为第 次谐波电压与电流相角nUI nQ差，( =1,2,3)。含有谐波的非正弦电路中的无功功率情况非常复杂，至今没有被广泛接受。可以定义无功功率：72-QSP其中，无功功率 只反映了能量的流动和交换，并不反映能量在负载中的消耗。 。Q因此，这一定义被广泛接受。但是，这一定义对无功功率的描述
13、是很粗糙的，它没有区别基波电压和电流之间产生的无功功率。也就是说，这一定义，对于谐波源和无功功率的辨识，对于理解谐波和无功功率的流动，都缺乏明确的指导意义。于是，为了更加清楚，也可以这样定义无功功率： fnn1siQUI其中， 是由同频率电压和电流正弦波分量之间产生的， 已没有度量电源和负fQfQ载之间能量交换幅度的物理意义了。2.2 无功功率动态补偿原理对电力系统进行快速的动态补偿，可以实现如下的功能：(1) 对动态无功负荷的功率因数进行校正，使其保持在一定范围内；(2) 改善电压，防止过电压和欠电压；(3) 减小电压和电流的不平衡；(4) 减少电压波动，抑制电压崩溃；(5) 减少谐波；(6
14、) 提高系统的稳定极限值；(7) 提高系统三相平衡化，使系统三相平衡程度提高。82.3 阻抗补偿方案2.3.1 晶闸管投切电容器 TSC(a）单相结构简图 (b）电压电流特性图 2-1 晶闸管投切电容器TSC(thyristor switched capacitor)电路如图 2-1 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。电容器 C 从电网吸收容性电流，相当于
15、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
16、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。92.3.2 晶闸管控制电抗器 TCR（）单相 （）三相图 2-2 晶闸管控制电抗器 TCRTCR(thyristor controlled reactor)电路如图 22 所示 TCR 采用相控原理，其有效移相范围为 90180 。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，max(sin)/LBmax1/LLBX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，
17、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，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 (TC
18、R +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。102.3.3 晶闸管控制串联电容器 TSC图 2-3 晶闸管控制串联电容器 TSC晶闸管控制串联电容器 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
19、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minCXminLX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ef频 率 ) ( 发电机转矩谐振频率 ) 发生次同步谐振，所以实际应用要防止与系统发mf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。2.4 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。
