1111靜止無(wú)功補(bǔ)償器（SVG）的工作原理分析目錄TOC\o"1-3"\h\u23059靜止無(wú)功補(bǔ)償器（SVG）的工作原理分析 124111.1靜止無(wú)功發(fā)生器的基本原理 112871.2鏈?zhǔn)届o止無(wú)功發(fā)生器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3314181.3鏈?zhǔn)絊VG的數(shù)學(xué)模型 840241.4主電路參數(shù)的設(shè)計(jì) 980411.5主電路參數(shù)設(shè)計(jì)實(shí)例 10126821.5.1H橋逆變單元 11286681.5.2直流電容 11278621.5.3連接電抗 111.1靜止無(wú)功發(fā)生器的基本原理SVG的一個(gè)基本原理就是通過(guò)電抗器或者直接將自換相橋式電路并聯(lián)在電網(wǎng)上，調(diào)節(jié)橋式電路交流側(cè)輸出電壓的幅值和相位，或者直接控制它們電路中的無(wú)損交流側(cè)輸出電流，使電路吸收、發(fā)出滿(mǎn)足負(fù)載需要的無(wú)功電流，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償?shù)哪康摹VG通常分為電壓橋式和電流橋式兩種類(lèi)型。電壓橋式電路的基本結(jié)構(gòu)如圖2-1所示，采用的是IGBT逆變橋SVG。圖2-1電壓型橋式電路SVG的工作原理就可進(jìn)一步的釆用圖2-2所示的單相等效電路圖來(lái)說(shuō)明。圖2-2SVG等效電路設(shè)用Us表示電網(wǎng)電壓，Usvg表示SVG輸出交流電壓，Ul表示電抗X上的電壓，也是電網(wǎng)電壓Us和SVG輸出交流電壓Usvg的向量差。連接電抗從電網(wǎng)吸收的電流I可以由電壓控制其大小，改變SVG交流側(cè)輸出電壓Usvg的幅值及其相位,即間接地改變連接電抗的電壓Ul，從而控制了連接電抗吸收無(wú)功功率的性質(zhì)和大小。若忽略電抗器電阻，也就是說(shuō)等效電路中連接電抗器為純電感，不吸收有功，此時(shí)Usvg、Us相位一致，改變Usvg的幅值大小就能實(shí)現(xiàn)對(duì)SVG從電網(wǎng)吸收的電流I是超前還是滯后的控制。如圖2-3(a)所示，Usvg大于Us，電壓滯后電流90度，SVG吸收的無(wú)功功率為容性。圖2-3(b)中，Usvg等于Us，電流為零，SVG不吸收也不發(fā)出無(wú)功功率。圖2-3(c)中，Usvg小于Us，電壓超前電流90度，SVG吸收的無(wú)功功率為感性。圖2-3無(wú)功示意圖(純電感時(shí))考慮連接電抗器本身的損耗，并為連接電抗器的電阻考慮，SVG的實(shí)際等效電路中R不等于0,如圖2-2所示。SVG輸出交流電壓Usvg與電流相位差仍為90度，電網(wǎng)電壓Us與電流相位差比90度小了δ角。改變?chǔ)慕呛蚒svg的幅值，即可改變電流I的相位和大小，從而實(shí)現(xiàn)SVG的無(wú)功功率的調(diào)節(jié)。具體原理見(jiàn)圖2-4。當(dāng)Us超前USVGδ角時(shí),SVG吸收無(wú)功功率為容性，當(dāng)Us滯后Usvgδ角時(shí)，SVG吸收無(wú)功功率為感性。圖2-4無(wú)功示意圖(有損耗時(shí))1.2鏈?zhǔn)届o止無(wú)功發(fā)生器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)根據(jù)本文背景項(xiàng)目的要求，主電路設(shè)計(jì)指標(biāo)及參數(shù)如下：1） 補(bǔ)償容量：10kvar；2） 額定電壓：380V；3） 接線形式：三相三線制Y型聯(lián)接；4） 可實(shí)現(xiàn)全容量無(wú)功補(bǔ)償及三相不平衡補(bǔ)償；5） 效率：大于93%根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)及參數(shù)要求，主電路采用鏈?zhǔn)酵負(fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2-5所示。圖2-5SVG主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在圖2-5所示的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，SVG主電路采用鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，Y型聯(lián)接，每一相由N個(gè)獨(dú)立H橋逆變單元構(gòu)成，每個(gè)H橋逆變單元由四個(gè)IGBT模塊構(gòu)成，直流側(cè)電容都是獨(dú)立的交流側(cè)通過(guò)串聯(lián)接入380V系統(tǒng)。La、Lb、Lc分別是三相的接入電抗器,通過(guò)真空開(kāi)關(guān)與380V電網(wǎng)連接?？刂葡到y(tǒng)是鏈?zhǔn)絊VG裝置的重要部分,其性能直接影響裝置的性能。鑒于鏈?zhǔn)絊VG控制系統(tǒng)計(jì)算量大，控制復(fù)雜，控制精度要求高，本文采用分層控制結(jié)構(gòu)?？刂葡到y(tǒng)分為三層結(jié)構(gòu)，分別為控制層，中間層和驅(qū)動(dòng)層?？刂葡到y(tǒng)架構(gòu)如圖2-6所示。圖2-6中，控制層主要完成信號(hào)檢測(cè)、無(wú)功功率計(jì)算、實(shí)現(xiàn)控制算法及通信等功能；中間層主要完成脈沖信號(hào)的分配及通信等功能；驅(qū)動(dòng)層主要完成IGBT驅(qū)動(dòng)、保護(hù)及故障識(shí)別、處理等功能。圖2-6控制系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.2-6ControllerStructure1）控制層控制層需要完成的算法比較復(fù)雜，且需要完成SPWM調(diào)制及控制功能，因此這里選擇DSP+FPGA架構(gòu)構(gòu)建控制層，并采用TI公司的TMS320F28335型DSP與ALTERA公司的EP1K50QC208-3型FPGA構(gòu)建。如圖2-7。其主要完成功能有：a.電壓、電流信號(hào)檢測(cè)；b.無(wú)功功率計(jì)算；c.直流電壓均衡控制；d.CPS-SPWM調(diào)制；e.與上位機(jī)及中間層通信；f.故障報(bào)警及控制。圖2-7鏈?zhǔn)絊VG控制層2）中間層中間層是控制層和驅(qū)動(dòng)層之間的橋梁，中間層接收控制層的SPWM調(diào)制信號(hào)，并把每相調(diào)制信號(hào)進(jìn)行分配，分別把每相的驅(qū)動(dòng)信號(hào)傳送給驅(qū)動(dòng)層，中間層把調(diào)制信號(hào)通過(guò)光纖傳送給驅(qū)動(dòng)層，同時(shí)從驅(qū)動(dòng)層獲得驅(qū)動(dòng)層狀態(tài)信息及報(bào)警信息。這里擬采用ALTERA公司的FPGA構(gòu)建中間層。如圖2-7,其主要完成功能有：a.接收控制層的調(diào)制信號(hào)，并把狀態(tài)信息和報(bào)警信息傳送到控制層；b.分配SPWM調(diào)制信號(hào)信息給驅(qū)動(dòng)層；c.接收驅(qū)動(dòng)層傳送的狀態(tài)信息和報(bào)警信息；3） 驅(qū)動(dòng)層驅(qū)動(dòng)層主要完成IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)的產(chǎn)生，采集狀態(tài)信息及報(bào)警信息，與中間層交換信息。擬采用ALTERA公司的FPGA構(gòu)建驅(qū)動(dòng)層，如圖2-8,其主要完成的功能是：a.產(chǎn)生IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)，在發(fā)生故障時(shí)封鎖驅(qū)動(dòng)信號(hào)；b.采集底層狀態(tài)信息，包括各IGBT模塊狀態(tài)，直流電容狀態(tài)及溫度等信息；c.采集報(bào)警信息，包括IGBT過(guò)流、直流電容過(guò)壓、欠壓及溫度保護(hù)等報(bào)警信息;d.接收中間層傳送的SPWM調(diào)制信息，把狀態(tài)信息和報(bào)警信息傳送回中間層。圖2-8鏈?zhǔn)絊VG驅(qū)動(dòng)層基于以上分析，我們?cè)O(shè)計(jì)如圖2-9所示的控制器結(jié)構(gòu)。圖2-9控制器結(jié)構(gòu)圖圖2-9中，主控板完成信號(hào)檢測(cè)、無(wú)功計(jì)算及相關(guān)控制算法的計(jì)算，也就是系統(tǒng)的控制層，三相PWM板完成PWM調(diào)制信號(hào)的分配，并與主控板及驅(qū)動(dòng)板通信，是系統(tǒng)的中間層，驅(qū)動(dòng)板完成各個(gè)H橋模塊的驅(qū)動(dòng)控制，狀態(tài)采集及報(bào)警采集，是系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)層。本文所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)就是基于以上結(jié)構(gòu)的，具體設(shè)計(jì)方案和重要算法控制策略將在后續(xù)文中一一說(shuō)明。1.3鏈?zhǔn)絊VG的數(shù)學(xué)模型在建立數(shù)學(xué)模型之前，先假設(shè)以下條件：1） 采用三相對(duì)稱(chēng)電路，嚴(yán)格控制各逆變橋參數(shù)相同。2）要求系統(tǒng)電壓、SVG輸出電壓對(duì)稱(chēng)，其中的高次諧波忽略不計(jì)。3） 各H橋之間的損耗包括串聯(lián)型、并聯(lián)型和混合型損耗。串聯(lián)型損耗用串聯(lián)電阻表示，并聯(lián)型損耗用與電容并聯(lián)的電阻表示，而混合型損耗則用受控電流源表示，最后變壓器漏抗與連接電抗用端口的等值電感表示。4） 每相所有逆變橋的直流電容電壓相等。每一相的鏈?zhǔn)诫娐范伎梢缘刃閳D2-10(a)所示的結(jié)構(gòu)。將級(jí)聯(lián)的H橋組成的單相逆變器用理想電壓源替代，各種損耗用等效器件代替，可進(jìn)一步等效如圖2-10(b)所示的模型。圖2-10靜止無(wú)功補(bǔ)償器A相等效電路其中，UdcA=，，，設(shè)A相輸出電壓為uA=MudcAsin(ωt-δ),則有（2-2）求解時(shí)穩(wěn)態(tài)時(shí)的解有（2-3）由此可以看出，電容電壓穩(wěn)態(tài)分配僅與并聯(lián)損耗、開(kāi)關(guān)損耗和脈沖延時(shí)存在差異有關(guān)，與電壓電流中的諧波值以及電容容值無(wú)關(guān)，深入探究造成直流電容電壓不平衡的原因，與下文中提出的解決辦法相一致。進(jìn)一步求解穩(wěn)態(tài)時(shí)的無(wú)功功率和有功功率有［50_52（2-4）（2-5）從公式(2-4)、(2-5)可以看出，穩(wěn)態(tài)無(wú)功不僅與δ有關(guān)，還與調(diào)制比M有關(guān)，穩(wěn)態(tài)無(wú)功存在一個(gè)小的區(qū)間使得SVG吸收無(wú)功，因此存在一定的非線性區(qū)域，發(fā)出額定無(wú)功所需δ大于吸收額定無(wú)功時(shí)的δ,因而使得發(fā)出額定無(wú)功時(shí)的損耗大于吸收額定無(wú)功時(shí)的損耗。1.4主電路參數(shù)的設(shè)計(jì)決定鏈?zhǔn)絊VG系統(tǒng)的主電路參數(shù)主要有級(jí)聯(lián)的單元數(shù)、直流側(cè)電容電壓、電容值、連接電感等【53-55】，如圖2-11。圖2-11鏈?zhǔn)絊VG樣機(jī)的主電路負(fù)載、等效電阻和連接電感1）級(jí)聯(lián)單元數(shù)級(jí)聯(lián)元件的數(shù)量需要考慮系統(tǒng)的電壓、選擇的開(kāi)關(guān)器件、成本等因素來(lái)確定。在考慮一定安全裕度的前提下，根據(jù)開(kāi)關(guān)管的電壓等級(jí)確定直流側(cè)電容電壓值。作為初始值，進(jìn)一步確定H橋輸出電壓的有效值。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)相電壓的有效值進(jìn)行劃分，確定H橋的個(gè)數(shù)，并留有一定的裕量。2）直流側(cè)電容電壓直流側(cè)電容電壓有兩種計(jì)算方法。方法一:根據(jù)連接的電感確定最大輸出電壓，進(jìn)一步確定直流側(cè)的電容電壓。電感的大小存在一定的誤差，在計(jì)算時(shí)需要考慮。方法二:根據(jù)調(diào)制比建立公式，并考慮開(kāi)關(guān)管電壓降、死區(qū)等因素的影響，計(jì)算直流電容電壓。3）電容值電容值的選擇主要考慮直流側(cè)電壓波動(dòng)，一般在10%額定值范圍內(nèi)。各H橋吸收和傳輸?shù)臒o(wú)功功率直接影響電容器電壓的波動(dòng)。在設(shè)計(jì)電容值時(shí)，應(yīng)在吸收和傳輸最大無(wú)功功率的情況下，根據(jù)功率守恒定律進(jìn)行計(jì)算。4）連接電感器連接電感的大小與逆變器的容量成正比?？紤]到耦合電感在限制短路電流和抑制諧波方面的作用，并考慮到系統(tǒng)的成本，耦合電感不宜過(guò)小或過(guò)大。因此，標(biāo)準(zhǔn)值一般為10%-20%1.5主電路參數(shù)設(shè)計(jì)實(shí)例主電路設(shè)計(jì)指標(biāo)及參數(shù)：1)補(bǔ)償容量：10kvar；2)額定電壓：380V；3)接線形式：三相三線制；4)可實(shí)現(xiàn)全容量無(wú)功補(bǔ)償及三相不平衡補(bǔ)償；5)效率：大于93%。1.5.1H橋逆變單元鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)SVG的基本功率單元就是H橋逆變單元，每一相由多個(gè)H橋逆變單元串聯(lián)組成，每個(gè)H橋逆變單元由4個(gè)IGBT模塊組成。設(shè)定每個(gè)H橋逆變單元直流側(cè)電壓額定值為170V,考慮冗余，采用耐壓為600V的IGBT模塊，在380V,10kvar額定容量的鏈?zhǔn)絊VG中，通過(guò)IGBT模塊集電極最大電流有效值為：Imax=Q/√3V=10×103÷(√3×380)≈15.2A則流過(guò)IGBT模塊集電極峰值電流為21.5A?？紤]容余，選取在最大殼溫額定值大于30A的IGBT。樣機(jī)我們采用兩個(gè)H橋逆變單元就能滿(mǎn)足要求。1.5.2直流電容鏈?zhǔn)絊VG電路的每個(gè)支持H橋電壓逆變器的直流側(cè)都分別設(shè)置了一個(gè)獨(dú)立的直流穩(wěn)壓電容器,它們都可以直接作為支持H橋電壓逆變器直流側(cè)的一個(gè)儲(chǔ)存功能控制元件，起著電流控制和驅(qū)動(dòng)支持H橋逆變器直流側(cè)輸出電壓的重要調(diào)節(jié)作用。理論上電容越大，電壓波動(dòng)越小，但成本也就越高。選取直流電容應(yīng)滿(mǎn)足如下條件:（2-7）式（2-7）中，Is為相電流;M為調(diào)制比，取0.9;λ為裝置允許的最大波動(dòng)量，取值范圍為±5%～10%，取5%;Udcmax為直流電容電壓;ω為系統(tǒng)電源角頻率。則∶(2-8)實(shí)際中，可以選取兩個(gè)750μF/450V