静止无功功率补偿器的设计.docx

静止无功功率补偿器的设计设计要求:认识静止无功补偿器的主电路结构，工作原理,并简单介绍其常用控制方法 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尽量指出一种合适的控制方法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。

目录一•前言二•静止无功补偿器的总体设计1 •静止无功补偿器的主电路2•静止无功补偿器的工作原理3•静止无功补偿器的常用控制方法 三•静止无功补偿器具体设计(1) 电力电子主回路(2) 主回路直流电容(3) 逆变器IPM的缓冲电路(4) IGBT门极驱动控制电路(5) 工作电源(6 ) TMS320LF2407 DSP的结构和特点(7) 采样信号预处理装置(8) 滤波器(9) 程序流程图参考文献自我评价一•前言采用自换相变流技术的静止无功补偿装置一一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。

二•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:IG0T° A jt 4 C一 ~WWi 丰 L— WYWV ■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6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6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：I~~~QO图2逆变器IPM的输出经过一个数值不大的电抗X （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的相位，使得V与交流电网电压代同相（相角差 5=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高于电网电压Y时，这时无功功率发生器输出滞后的无功即感性 i s的无功功率当输出电压V低于电网电压V时，这时无功功率发生器输出超前的无功即容性 i s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） 1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 Wid th Modula tion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1)经分析，在6角绝对值不太大的情况下，6与I接近线性正比关系 因止通过控6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：厂一 古 1/的 比例系数 — 営VG主屯路 》1q图3当改变6角时，V也随着变化。

V的变化是通过直流端支撑电压V变化而实L S d现6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的变化，从而引起V的变化当暂态过程完毕时，V, I必然D I I Q满足上述关系式2)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：丄图4在此基础上，产生了许多种控制方法，比如对6角和逆变器脉宽角0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技术三•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：C枚隱信号检测到的系统鑫数www显頭电路匕二”蘑敷绘定fTMS320LF2407nsp控制梳心图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2200UF/ 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/d或者过电流d/d，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：THTBTHr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：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端，电路中连接的10UF和0. 1UF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 Q )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 Q)引到IGBT门极，另两个输出端分 别接十15V电源和地，电容C1 (0.1UF)起到稳定直流电源的作用，电容C2 (10UF) 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。