静止无功功率补偿器的设计 2

柔性交流输电系统应用技术期末考察论文FACTS中静止无功补偿器(SVC)的设计

姓名：李杰

学院：电气工程学院

班级：电自 104 班

学号： 1008040224

指导老师：邹晓松

2013.12.16

FACTS中静止无功补偿器(SVC)的设计

李杰（电自104班：1008040224）

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:静止无功发生器静止无功补偿装置电压波形质量设计0.引言

采用自换相变流技术的静止无功补偿装置—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。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。

1·静止无功补偿器的总体设计

(1)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：

图1

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，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δ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δ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。

(2)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：

图2

逆变器IPM的输出经过一个数值不大的电抗X L(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 i的相位，使得V i与交流电网电压代同相(相角差δ=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 i高于电网电压Y s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 i低于电网电压V s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)输出电压V I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。(3)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SPWM是十分关键的。

SPWM (Sinusoidal Pulse Width Modulation)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SPWM控制方式，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SPWM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。

a.经分析，在δ角绝对值不太大的情况下，δ与I O接近线性正比关系。因止通过控δ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：

图3

当改变δ角时，V L也随着变化。V S的变化是通过直流端支撑电压V D变化而实现。δ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V D的变化，从而引起V I的变

化。当暂态过程完毕时，V I，I Q必然满足上述关系式。

b. 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：

图4

在此基础上，产生了许多种控制方法，比如对δ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。

2.静止无功补偿器具体设计

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：

图5

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 DSP为控制核心的控制回路，其中控制工GBT管门极的SPWM脉冲由DSP 来产生。

(1)电力电子主回路

图6

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信号的输入、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，

SVG直流侧不需储能元件。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2200μF/ 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d v/d t或者过电流d i/d t，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：

图7

(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输出的0-3.3V的PWM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：

图8

上图中PWM1是DSP输出的开关信号，经光耦隔离器件TLP250隔离和电平转换后送入IPM的U p端，电路中连接的10μF和0. 1μF 的电容是用于从控制信号PWM1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SPWM脉冲经过电阻Rl (100 Ω)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 Ω)引到IGBT门极，另两个输出端分别接十15V电源和地，电容C1 (0.1μF)起到稳定直流电源的作用，电容C2 (10μF)起到增大驱动能力的作用。

当2407的PWM引脚输出高电平时，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PWM引脚输出低电平时，光电二极管随之截止，，三极管T2导通，T1截止，输出端OUT输出约OV的低电平，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：

图9

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 DSP的结构和特点

TI公司的TMS320LF2407 DSP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TMS320LF2407 DSP芯片产生SPWM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：

图10

（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的电压电流信号预处理的原理图：

图11

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测，即可得到方波信号。

图12

（8）滤波器

为了把逆变器输出的SPWM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。

图13

（9）程序流程图

要想使SVG控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TMS320LF2407 DSP的SVG控制程序的开发工具为Code Comaoser软件，它是用汇编语言程序设计的。

整个SVG程序模块组成：

1）有初始化模块

2）电网频率跟踪模块

3）模数转换模块

4）FFT及电量计算模块

5）人机接口模块

6）SPWM脉冲输出模块

SVG的主程序流程图：

图14

为了提高整个SVG控制程序的实时性，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:

图15

3.结论

认识静止无功补偿器的主电路结构，工作原理，并简单介绍了其常用控制方法。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。并提出了一种合适的控制方法。

个人认为，静止无功发生器这项新技术在我国具有广阔的应用前景。我国大多数电网的结构比较薄弱，结构不甚合理，耐受事故冲击的能力比较差，高压输电线路的输送能力远未发挥出来。

从系统运行方面讲，系统稳定性指标也不高。由于SVG技术具有与现行系统完全兼容的优点，可以对现有设备不做重大改动的条件下，充分发挥现有电网的潜力，以渐进的方式改变电力系统的面貌，

这点适合我国发展资金比较紧张的状况。因此有必要尽快研究和掌握这一崭新的技术。DSP是一种专为进行数字信号处理而设计的处理器，它以其高速的运算能力、卓越的性能而被世人所认可。随着DSP 应用范围的不断扩大，近年来DSP开始被引入到电力工业的控制领域当中。因此，研究DSP在电力工业控制领域中的应用将是非常有意义和有广阔的市场空间的。

目前国内其他FACTS装置的发展也为掌握SVG的技术奠定了一定的基础，随着国内电力电子制造技术的快速发展和理论研究的不断深入，工业级的SVG装置很快就应该面世。

本课程设计给出了静止无功补偿的一种方案，能基本完成电力系统的无功补偿问题。

4.参考文献：

[1]王兆安，黄俊，电力电子技术，机械工业出版社，2003. 2

[2]陈苗新基于DSP控制的静止无功发生器的研究与试验，2005，5

[3]王强，姜齐荣，姜旭峰，，享畔岭，20Mvax静止无功发生器((SVG)控制器的设计，电力电子技术，1999. 6, 4

[4]陈贤明，许和平，王小红，王彤，士500kvar静止无功发生器的研究，电力系统自动化，2001,12, 53-58

[5]张崇巍，张兴，PWM整流器及其控制，机械工业出版社，2003. 10