华北水利水电大学研究生论文答辩
EPWM斩控式无功补偿装置的研究,研 究 生：曾 浩 指导教师：侯树文 副教授 专业名称：水 利 水 电 工 程,论 文 整 体 思 路,本文分析研究了无功补偿的原理，介绍了国内外无功补偿的现状与发展趋势，并根据现有无功补偿装置的优缺点，给出了一种新型无功补偿装置EPWM斩控式无功补偿装置。EPWM斩控式无功补偿装置应用静止无功补偿器原理，使用新型电力电子器件IGBT组成的斩控调压电路搭建了无功补偿装置的主电路，利用等脉宽调制技术来控制IGBT的导通和关断，使用AT89C51单片机系统和8253计数器对电网无功功率进行实时监测，并根据单片机系统的自寻优无功补偿算法对电力系统进行合理的动态无功补偿。文中根据搭建出的电路结构，对EPWM斩控式无功补偿装置的原理进行了分析和计算，在MATLAB中的Simulink平台下对它的主电路搭建了模型并进行了相应的模拟仿真。仿真结果表明EPWM斩控式无功补偿装置操作方便、响应速度快，谐波量小易消除，满足系统无功补偿动态的要求。,论文结构,自寻优控制系统的软件实现,5,EPWM斩控式无功补偿装置的研究,3,EPWM斩控式无功补偿装置硬件电路,6,绪论,1,2,现有无功补偿装置的研究,3,4,5,EPWM斩控式无功补偿装置的MATLAB仿真,结论与展望,6,7,绪论,1,本课题的研究背景及意义 无功补偿的基本原理 无功补偿技术的研究现状 当前无功补偿技术的不足无功补偿的技术要求 无功补偿的发展趋势 本文研究目的和主要工作,本课题的研究背景及意义电力系统传统上可以分为发电、输电、配电和用电四大部分。发电系统输出的电能通过输电系统后，经过配电系统给各级用户使用。电网中数量巨大的变压器、配电线路和感性负载等无功负荷每时每刻都要消耗大量无功功率，无功功率传输会导致电网线路损耗增加，使电网电压和用户端电压下降，严重影响系统供电质量，对电网的发电、输电和配电三大系统都会产生不良影响，影响整个电网系统的稳定性和经济性。此外，电网在传输电能过程中，特别是在中低压配电网和感性负载中产生的无功损耗造成了电能的巨大浪费，大大降低了电能的利用率，所以有必要采取有效的措施减小配电网和感性负载的无功损耗，其中比较有效的措施是在电网中加入无功补偿装置。,绪论,1,无功补偿装置可以有效提高电能质量和电能利用率，节约电能成本，在电力系统规划运行中有着举足轻重的地位。合理的无功补偿，可以最大限度的减小电网中电能的损耗，最大程度的提高电能质量，有效地维持系统的电压水平，提高系统的电压稳定性；反之，如果选择不合适的无功补偿或无功补偿使用不当，就可能会造成电力系统电压闪变、电网稳定性下降、电能利用率降低、电网谐波增大等很多不良后果。因此，研究合适的无功补偿装置对电网进行无功补偿，有着重大实际意义。,绪论,1,无功补偿的基本原理 电网输出功率包括有功功率和无功功率两部分。有功功率是指直接消耗的电能或转换为其他形式的能并利用其作功的电能，无功功率指的是可以和其他形式的能相互转化但不能利用其作功的这部分电能。无功功率在电路中传输会加重电气线路和变压器负担，增加线路损耗，降低电能利用率，所以需要减小线路中的无功功率。 在电路中并联电容器，就可以提高电网功率因数，减小线路中的无功功率。当电路中并联的电容产生的电流能有效地减小负载的无功电流，就减小了无功功率的传输，这种在电路中安装补偿电容器用来减少无功功率的方式就叫做无功补偿。,绪论,1,绪论,1,无功补偿技术的研究现状 电网中无功补偿装置方式按照不同安装位置可分为集中补偿、分组补偿及就地补偿。目前配电网中装设的无功补偿装置主要有同步调相机、并联电容器、静止无功补偿器(Static Var Compensator-SVC)和静止无功发生器(Static Var Generator-SVG)等。基于综合性考虑电气性能和经济性的原则，静止无功补偿器和静止无功发生器目前的使用范围越来越广，而且在无功补偿控制中的地位也越来越重要。,当前无功补偿技术的不足国内现有无功补偿装置的功率因数检测大多数采用独立电路对每一相的电压和电流(或三相中的两相电压和剩下的一相电流)进行过零点检测，然后根据相电压和电流过零点的时间差来计算出其相角差，再得到功率因数值，最后把测量出的功率因数的值作为补偿电容投切的判据。这种检测方法设计简单，而且控制起来方便，但是它也存在着以下缺点：(1) 精度不高。(2) 三相负载不平衡时会出现无功过补偿或无功欠补偿的情况。(3) 在轻负载时容易出现补偿电容器投切振荡。(4) 电网谐波较大时，补偿电容器容易损坏。(5) 无功补偿投切瞬间产生很大的冲击电流，降低电网稳定性。,绪论,1,无功补偿的技术要求随着电力系统的快速发展及日益严格的无功要求，无功补偿的发展技术要求如下： (1) 无功补偿装置和配电线路综合测试仪器一体化，以适应城市电网改造，实现电网的实时监控。(2) 实时准确地测量系统无功参数，并根据无功参数快速准确投切补偿电容器，提高系统动态稳定性，以适应无功负荷不太稳定的电力系统。(3) 减小甚至消除无功补偿过程中产生的谐波。研发兼有无功补偿和滤波器双重功能的无功补偿装置，将成为电网无功补偿的研究趋向，成为稳定电网功率因数、稳定电网电压、抑制系统谐波、提高电能质量的有效手段。,绪论,1,无功补偿的发展趋势根据无功补偿技术的要求，无功补偿发展的趋势有：无涌流电容投切器，电力有源滤波器，综合潮流控制器等。其中，无涌流电容投切器的研究积累的经验最深厚，也是目前无功补偿技术领域的研究重点。对于无功补偿技术的发展，还要在快速准确检测无功信号、优化精简主电路、实时保护电力系统、抑制谐波和优化算法上下很大功夫。在未来，无功补偿技术将更加经济有效，更加准确迅速。,绪论,1,本文研究目的和主要工作(1)介绍无功补偿控制技术的背景和现状及无功补偿的发展趋势。(2) 对现有的无功补偿装置进行研究分析，发现现有无功补偿技术中的优缺点。(3) 提出一种新的无功补偿装置EPWM斩控式无功补偿装置。(4) 采用ATMEL公司推出的AT89C51单片机为处理核心配合计数器，利用新型电力电子器件IGBT，设计无功补偿装置的硬件电路和单片机的最小系统。(5)给出自寻优控制系统的程序流程图，并用汇编语言写成了自寻优控制系统各个组成部分的运行程序。(6)在MATLAB中Simulink平台下，对主电路进行仿真，证明EPWM斩控式无功补偿装置的可行性。,绪论,1,现有无功补偿装置的种类 同步调相机 并联电容器 静止无功补偿器 静止无功发生器,2,现有无功补偿装置的研究,2,现有无功补偿装置的研究,现有无功补偿装置的种类目前无功补偿装置主要有：同步调相机、并联投切电容器、静止无功补偿器 ( Static Var Compensator SVC)、 静止无功发生器( Static Var GeneratorSVG)等。,2,现有无功补偿装置的研究,同步调相机同步调相机的实质就是空载运行的同步发电机或同步电动机，只不过它只是用来提供或吸收无功功率，以补偿系统的无功需求，改善电网功率因数。同步调相机有三种运行方式：过励磁运行、欠励磁运行、负励磁运行。同步调相机的过励磁运行可以补偿电网无功功率，提高功率因数。同步调相机的欠励磁运行用于吸收电网中多余的无功功率，从而达到调整电网电压的目的。同步调相机负励磁运行在理论上可以提高吸收电网无功功率的能力，扩大调压范围，但是目前尚未开发。在正常励磁条件下，同步调相机既不会吸收无功功率，也不会产生无功功率；在过励磁条件下，同步调相机向电网输送感性无功功率；在欠励磁条件下，同步调相机从电网吸收感性无功功率。,2,现有无功补偿装置的研究,并联电容器并联电容器是电网中常用的一种无功补偿设备。传统的无功补偿装置中，让补偿电容器与电感支路并联在一起，电感吸收无功功率时电容器发出无功功率，电感发出无功功率时电容器吸收无功功率，这样就实现了由电容器发出的无功功率来补偿感性负载(如电动机、变压器等)需要吸收的无功功率。它的特点是价格便宜、易于安装维护，主要用来控制电路功率因数和调节无功功率补偿。补偿电容器一般并联在变压器的低压母线上或大型负载设备旁边，用来改善母线或负载的功率因数，减少电网电压损耗，提高系统电压水平，保证供电质量。补偿电容器安装方便、成本较低，在调节效果接近的条件下，补偿电容器比同步调相机的成本低很多，因此，补偿电容器逐渐取代了电力系统中的同步调相机。,2,现有无功补偿装置的研究,静止无功补偿器静止无功补偿器(SVC)是一种没有旋转部件，快速、平滑可控的动态无功功率补偿装置，它将可控电感元件和电力电容器组，并联在降压变压器低压母线上。SVC是通过控制饱和电抗器饱和度或晶闸管导通时间来改变系统中电抗器和电容器的容量之和，即输电系统的导纳，从而达到改善无功的目的。SVC按控制对象和控制方式不同，可分为饱和电抗器、晶闸管控制电抗器和晶闸管投切电容器，以及晶闸管控制电抗器和晶闸管投切电容器的混合型静止无功补偿器等。,静止无功补偿器SVC的无功调节是通过控制电力电子开关器件的导通时间来改变其容量，以控制主电路中电流的大小，使整个装置平滑地从发出无功渐变到吸收无功或从吸收无功渐变到发出无功，从而改变电路中的无功大小和性质，达到动态无功补偿的目的。SVC中电容器提供固定的容性无功，补偿电抗器输出可控的感性无功，感性无功可以抵消容性无功，只要控制系统无功即系统所需无功与SVC的容性无功和感性无功三者之和保持为常数，就能控制电网功率因数为常数，保持电压稳定。,2,现有无功补偿装置的研究,静止无功发生器静止无功发生器(SVG)的基本工作原理就是利用可关断大功率电力电子器件 (如IGBT)组成自换相桥式电路，与电抗器一起并联在电网上，通过调节桥式电路交流侧输出电压的相位和幅值或者直接控制交流侧电流，就可以控制该电路吸收或者发出满足要求的无功功率，从而实现无功动态补偿的目的。因为电力系统的负载多为阻感性负载，需要从电网中吸收无功功率，降低系统的功率因数，所以可以利用静止无功发生器(SVG)对其进行无功补偿，稳定系统的功率因数。,2,现有无功补偿装置的研究,EPWM斩控式无功补偿装置的基本原理 EPWM斩控式无功补偿电路的分析,EPWM斩控式无功补偿装置的研究,3,3,EPWM斩控式无功补偿装置的研究,3,3,EPWM斩控式无功补偿装置的基本原理 EPWM斩控式无功补偿装置主电路的基本原理EPWM斩控式无功补偿主电路实际上是一个斩控式交流调压电路，是用一组频率恒定、占空比可调的脉冲来控制IGBT的导通时间，从而改变流过电感的无功电流，达到调节补偿装置容性无功和感性无功之和的目的。其原理图如图3-1所示,图 3-1 EPWM斩控式无功补偿主电路等效原理图,EPWM斩控式无功补偿装置的研究,3,3,设Uo为主电路的输出电压，us1、us2、us3、us4分别为S1、S2、S3、S4工作时的电压，如果只考虑电压波形，不考虑电压大小，则图3-2就是EPWM斩控式无功补偿装置中四个开关的电压和主电路的输出电压波形图。,图 3-2 EPWM斩控式无功补偿电路中感性负载的电压输出波形图,EPWM斩控式无功补偿装置的研究,3,从图3-2的波形图可以看出，EPWM斩控式无功补偿方式是一种连续的控制方式，它采用高频率的等脉宽脉冲来控制开关的周期性导通和关断，改变导通比，就可改变输出电压，改变电路中感性电流的大小，从而改变装置中感性无功和容性无功之和，达到电力系统的动态补偿。对于理想的EPWM斩控式无功补偿电路，仅改变感性负载上电压的幅值即可改变流过感性负载的电流，从而改变系统的无功补偿。设电容对应的无功功率为-QC，为容性无功，是一个固定值；电感对应的无功功率为QL，为感性无功，它会随着电感的电压变化而变化，则整个电路的无功功率为Q=QL-QC，那么只需控制电感产生的无功功率大小，保证系统无功Qn=QV(系统所需)+QL-QC保持为一个常数，则电网功率因数就能保持稳定，电压就可以维持在一定水平，就达到了无功补偿的目的。当系统所需无功功率Qv变化时，通过调节IGBT的导通比，可以调节电感上的电压，从而调节感性无功QL，从而使得整个系统的无功功率保持在所要求的范围，就达到了无功补偿的要求。,
