级联 H 桥型 SVG 功率单元设计及控制策略研究（可编辑）.doc

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1、 硕士学位论文级联 H 桥型 SVG 功率单元设计 及控制策略研究THE DESIGN OF POWER CELL OF CASCADEDH BRIDGE SVG AND RESEARCH ONCONTROL STRATEGY苏 健 哈尔滨工业大学 2012 年 7 月国内图书分类号:TM714 学校代码:10213 国际图书分类号:621.3 密级:公开工学硕士学位论文级联 H 桥型 SVG 功率单元设计 及控制策略研究硕士研究生:苏 健 导 师:国海峰 副教授 申请学位:工学硕士 学科:电力电子与电力传动 所 在 单 位:电气工程系 答 辩 日 期:2012 年 7 月 授予学位单位:哈尔

2、滨工业大学Classified Index:TM714 U.D.C.: 621.3 Dissertation for the Master Degree in EngineeringTHE DESIGN OF POWER CELL OF CASCADEDH BRIDGE SVG AND RESEARCH ONCONTROL STRATEGY Candidate: Su Jian Supervisor: Associate Prof. Guo Haifeng Academic Degree Applied for: Master of Engineering Specialty:Power El

3、ectronics andPower Drives Affiliation:Dept. of Electrical Engineering Date of Defence: July, 2012 Degree-Conferring-Institution: Harbin Institute of Technology 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 摘 要 随着人们对电能质量要求的不断提高,柔性交流输电系统(FACTS)近年来发展迅速。SVG 作为其中的重要一员,控制性能优越,补偿效果佳,能有效抑制电压波动与闪变,消除谐波,已经成为 FACTS 装置的研究方向与热点。 本文的研究对象是级联 H

4、 桥型 SVG,与多重化变压器的结构相比,它避免了价格昂贵、体积大、损耗大以及变压器的铁磁非线性等缺点,同时与其他多电平结构相比,级联 H 桥型 SVG 的结构简单、所需元器件少、易于实现模块化设计。本文首先分析了 SVG 的无功补偿原理,然后对常用的两种调制策略进行仿真分析,最后采用单级倍频 CPS-SPWM 的调制方法,使用一对反相的正弦调制波与三角载波进行比较,可以使等效开关频率提高 2N 倍,控制策略包括直流侧电容电压控制和交流侧控制,直流侧采用有功电压矢量叠加的控制方法,维持直流电容电压为恒值;交流侧则采用状态反馈解耦控制,能够实现有功电流和无功电流的完全解耦。仿真结果表明本文所采用

5、的调制策略和控制策略具有响应快、补偿效果好、直流侧电容电压保持平衡的优点。 其次,对级联 SVG 的功率单元进行了设计。根据功率单元要实现的具体功能,设计了 IGBT 驱动电路、信号采样电路、开关电源电路、光纤接口电路和FPGA 的 SPWM 产生电路,同时还分析了主电路的损耗,并设计了散热环节。 最后,通过实验对功率单元的电路功能进行调试。结果表明各部分组成电路工作正常、性能良好,证明本文所设计的功率单元基本达到要求,为级联 SVG装置的完成打下了坚实基础。关键词:级联 H 桥;SVG;单极倍频 CPS-SPWM;状态反馈解耦控制;电容电压平衡控制;功率单元 - I- 哈尔滨工业大学工学硕士

6、学位论文 Abstract With the raised requirement of electric power quality, flexible AC transmission system has been rapidly developed in recent years. As one of the important member in it, SVG has already become a hot research topic and direction of FACTS equipments because of its superior control perform

7、ance and good compensation effect. It can effectively suppress voltage fluctuation, and reduce harmonicsThis paper analyzed the cascaded H-bridge SVG which avoids the high cost, huge volume, high loss and transformer ferromagnetic nonlinear caused by multiple of transformer structure and has series

8、of advantages of simple structure, less devices, easy to achive modular design and packaging compared with other multilevel structure. This paper analyzed the basic compensation principle of SVG firstly, then compared and analyzed the two commonly used modulation strategies, finally, chose the unipo

9、lar of double frequence CPS-SPWM mode. It will raise the equivalent switching frequency 2N times, with using a pair of inverting modulation wave to compare with the triangle carrier wave. Control strategies include DC side capacitor voltage control and AC side control, active voltage vector superpos

10、ition control algorithm was applied to DC side to balance the capacitor voltage; the AC side was controlled by state feedback decoupled control, which can achieve decoupling completely of active and reactive power. Simulation result showed that the above methods can achieve fast dynamic response, pr

11、ovide better effect of reactive power compensation, maintain the balance of DC capacitor voltageSecondly, completed the design of power cell, which in the cascaded SVGAccording to the specific functions, which to be achieved in the power cell, this paper designed the driving circuit of IGBT, signal

12、sampling circuit, power supply circuit, optical fiber interface circuit and the SPWM producing circuit of FPGAAlso, analyzed loss and heat dissipation of the main circuitAt last, debugging the functions of the power cell through the experiment. and the result were successful. The power cell designed

13、 in this paper is correct. All of these laid a solid foundation for cascaded SVGKeywords: cascaded H-bridges, SVG, unipolar dual-frequency CPS-SPWM, state feed-back decoupled control, capacitor voltage balancing control, power cell - II- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 目 录 摘 要 I?Abstract II?第 1 章 绪 论. 1?1.1 课题背景、研究

14、目的和意义1?1.2 无功补偿装置的发展概况 2?1.2.1 晶闸管控制电抗器 T CR. 2?1.2.2 晶闸管投切电容器TSC. 2?1.2.3 静止无功发生器SVG. 3?1.3 SVG 的研究现状. 5?1.3.1 SVG 拓扑结构的研究现状5?1.3.2 多电平逆变器调制策略的研究现状7?1.3.3 SVG 控制策略的研究现状8?1.4 本文的主要研究内容9?第 2 章 SVG 的基本原理与调制策略分析 10?2.1 SVG 的基本原理10?2.2 SVG 的主电路结构. 11?2.3 调制策略分析 12?2.3.1 CPS-SPWM 分析. 12?2.3.2 CPS-SPWM 仿真

15、验证14?2.4 本章小结. 16?第 3 章 SVG 控制策略研究及仿真分析. 17?3.1 SVG 的数学模型17?3.1.1 基于 abc 坐标系的数学模型 17?3.1.2 基于 dq0 坐标系的数学模型19?3.2 SVG 的控制策略21?3.2.1 直流侧电容电压控制21?3.2.2 交流侧控制25?3.3 SVG 的仿真分析27?3.3.1 开环仿真分析28?3.3.2 闭环仿真分析30?- III- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 3.4 本章小结. 34?第 4 章 功率单元设计 35?4.1 功率单元的整体结构 35?4.2 主电路参数选择36?4.2.1 开关器件 IGB

16、T 的选择36?4.2.2 连接电抗器的选择 36?4.2.3 直流侧电容的选择 37?4.3 IGBT 驱动电路. 37?4.4 信号采样电路39?4.5 辅助电源电路40?4.6 主电路损耗与散热分析43?4.7 光纤接口电路47?4.8 基于 FPGA 的 SPWM 电路47?4.9 本章小结. 49?第 5 章 系统总体设计及实验结果分析50?5.1 系统总体设计50?5.2 功率单元实验结果分析51?5.2.1 IGBT 驱动电路调试. 51?5.2.2 开关电源调试54?5.2.3 功率单元调试57?5.3 本章小结. 59?结 论. 60?参考文献 61?哈尔滨工业大学学位论文原

17、创性声明及使用授权说明. 65?致 谢. 66?- IV- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第 1 章 绪 论 1.1 课题背景、研究目的和意义 如今,电能已经成为人类社会发展过程中的重要能源之一,动力、冶金、照明等很多领域都离不开电能。我国是发展中国家,电能的主要产生途径是传统的火力发电和水力发电。用煤炭来进行火力发电,不仅成本高、对空气污染重,而且煤炭作为一种不可再生能源,不能长期使用;水力发电虽然成本低,但对自然生态环境的破坏比较严重。?随着用电需求的日益增长,现存的能源已经不能满足日常生活和工业需要,解决的方法主要有两种:一是开发新能源;二是提高现有的电能利用率。新能源开发与利用主要包

18、括风力发电、核能发电以及太阳能发电;而电能利用率的提高主要是依靠无功补偿技术。?当把感性或容性负载接入交流电网时,有一部分电功率并不做功,而是转变为其他形式的能量用来建立和维持磁场。这些没有做功的电功率,就是我们所说的无功功率。一般情况下,电网电压的波动主要是由无功功率引起的。?随着人类社会的进步,大量的新型电力电子设备出现在人们的日常生活、高新技术、医疗系统以及工业生产领域中。这些设备需要的大量的无功功率,严重破坏了电网电压的稳定性。例如,启动电动机时,会形成冲击性的无功功率,使得电网电压产生剧烈波动,造成接在同一电网的其他负载也无法正常工作。由于电网中的负载种类越来越多、容量越来越大,所以

19、供电系统负担的无功功率也大幅增加,这种情况直接导致电网中电流增大,损耗增加。另一方面,1如果无功功率不足又会影响供电质量,造成设备启动困难 。?在我国,输配电技术手段比较落后,并且电网结构薄弱,谐波与无功调节非常不力,因此,需要对供电系统进行必要的无功功率补偿,以此来提高电网的功率因数和供电质量。在各种无功补偿装置中,静止无功发生器 SVG 是非常先进的补偿设备,发展前景广阔。SVG 的电路结构是由全控型电力半导体开关器件组成的桥式电路,通过正确合理的控制方法,使其不但能够发出无功,而且还能吸收无功,进而实现无功补偿的目的。?本课题的目的是研究应用于 10kV 电网中的 SVG 无功补偿装置,

20、主要工作是对级联结构的功率单元进行重点研制,主要用于补偿系统中的无功功率,提高功率因数,保证系统安全运行。?- 1- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 1.2 无功补偿装置的发展概况 早期的无功补偿装置为机械式的同步调相机,具有响应速度慢和开关周期长的缺点。固定并联电容器也是早期应用比较多的无功补偿设备,它的阻抗值固定,补偿能力有限,不能实时跟踪负载无功需求的变化,无法快速补偿,也不是理想的补偿装置。因此,电力系统急需新型的无功补偿装置。?新型的无功补偿装置主要有静止无功补偿器(Static? Var? Compensator,SVC)和 SVG,SVC 通过调节输出与电网交换容性或感性无功,以

21、此来提高功率因数。基于半控型晶闸管的 SVC 装置可以借助晶闸管的特性来实现可变的无功电抗,主要包括晶闸管控制电抗器(Thyristor?controlled?Reactor,TCR),晶闸管投切电抗器(Thyristor?switched? Reactor,TSR),以及晶闸管投切电容器(Thyristor?switched?capacitor,TSC)。?1.2.1 晶闸管控制电抗器TCR图 1-1 TCR 单相结构简图 TCR 的三相结构一般采用三角形连接,图 1-1 为 TCR 的单相基本结构图。它由两个反并联的晶闸管与一个电抗器串联组成,相当于一个感性负载的交流调压电路。触发延迟角的

22、移相范围为 90180 ,当? 90 ?时,晶闸管的导通角是180 ?,相当于直接把电抗器接入电网,这个时候补偿装置吸收的无功功率最大;当 90 180?时,晶闸管的导通角变小,在相同的周期内,电抗器2只有一部分时间接入电网,因此这时补偿装置吸收的无功功率变小 。综上所述,通过控制触发延迟角,就可以控制装置吸收的无功功率。?1.2.2 晶闸管投切电容器TSC 晶闸管投切电容器(TSC)的单相结构如图 1-2 所示。可知,反并联晶闸管不仅串联了电感,还串联了电容。电容器的加入主要是用于无功补偿,而电感的功能是用来抑制冲击电流。在实际应用中,通常将电容器划分成多个组,每组都由晶闸管控制投切。?-

23、2- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文图 1-2 TSC 单相结构简图 在实际系统中使用 TSC 进行无功补偿时,晶闸管的最佳开通时刻就是当电源电压和电容器充电电压相等时。如果在两者电压不相等时开通晶闸管,会2导致电容器两端电压发生跳变,产生冲击电流,对电路造成损害 。所以在实际使用时,一般把电容器两端电压预先充电到电网电压峰值,再开通晶闸管,因为电网电压在峰值点时的变化率为 0,由电容的特性可知,此时电容器上的电流变化率也为 0,不会产生冲击电流,是晶闸管的最佳开通时刻。?1.2.3 静止无功发生器SVG 静止无功发生器Static Var Generator,SVG出现于 20 世纪 80

24、年代,它的主电路是一个桥式变流器,采用全控型的开关器件。通过控制全控型开关器件的通断,可以使交流侧产生幅值和相位均可调的电压或电流,从而实现无功2,3补偿 。?根据直流侧储能元件的不同,有电压型 SVG和电流型 SVG两种电路结构,如图 1-3 所示。电压型结构中直流侧的储能元件是电容,而电流型 SVG 的直流侧储能元件是电感。目前大多使用电压型 SVG进行补偿,逆变器由电抗接入电网,该电抗值要比相同容量的其他无功补偿装置所需的电抗值小很多,主要用于滤除交流侧输出的高次谐波。 VD VD VD A VD VD VDA B C B C1 3 5 1 3 5L1L2LCL3C C C1 2 3VD

25、 VD VD VD VD VD4 6 2 4 6 2 a电压型电路结构? b电流型电路结构?图 1?3? 电压型和电流型结构的 SVG - 3- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 静止无功发生器 SVG 是目前无功补偿领域最先进的补偿装置,对无功功率和谐波都能进行快速高效的补偿,具有广阔的发展前景。与其他类型的无功2,3补偿装置相比,具有如下优点 : 响应速度快。 SVG 的响应时间只有传统无功补偿装置响应时间的一半,大约为 10ms; 具有更强的抑制电压闪变的能力。抑制比可以达到5:1,而 SVC 最大只有 2:1; 直流侧不需要大容量的储能元件,成本更低、体积更小,装置容量相同时,SVG 的

26、占地面积和 SVC 相比只有后者的 40%; 运行范围宽、抗干扰能力强、鲁棒性好。调节特性与系统的工作状况无关,而且 SVG 产生的无功电流基本不受系统电压变化的影响,即使系统电压大幅度下降,SVG 仍然能够稳定地输出系统所需的无功电流; 补偿功能多样化。SVG 除了可以用来补偿系统的无功之外,还能解决系统的谐波电流和负序电流问题; 谐波含量少、输出特性良好。SVG 通过采用多重化、多电平和 PWM技术等可以解决传统补偿设备中由于谐波含量大而使滤波器设计比较困难的问题。不仅低次谐波被消除,高次谐波也能相应减少; 不会产生谐振。这是由 SVG 中的电容器容量小决定的,而传统的补偿设备采用投切固定

27、电容器的补偿方式,直流侧电容器的容量要比 SVG 的电容器容量大很多,如果系统中使用多台的话,很大情况下会产生谐振; 具有提供一定量有功功率的功能。SVG 直流侧的储能电容或直流电源在确保能够提供系统所需的无功功率的前提下,还能提供一定的有功功率。这对供电系统来说是非常有益的,具有传统补偿装置无法比拟的优点。 表 1-1 各种无功功率动态补偿装置的简要对比晶闸管控制同步 饱和 晶闸管投 混合静补装置 静止无功电抗器TCR调相机 电抗器 切电容器 TCR+TSC 或 发生器SC SR 或 FC+TCR TSC TCR+MSC SVG 响应速度 慢 较快 较快 较快 较快 快 吸收无功 连续 连续

28、 连续 分级 连续 连续 控制 简单 不控 较简单 较简单 较简单 复杂 谐波电流 无 大 大 无 大 小 分相调节 有限 不可 可以 有限 可以 可以 损耗 大 较大 中 小 小 很小 噪声 大 大 小 小 小 很小- 4- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 表 1-1 把各种无功补偿装置进行了简要对比,可以看出,SVG 更具有优势,它的响应速度快、谐波电流小。因此, 作为无功补偿领域中的一种新兴47技术已经成为许多国家的重点研究对象 。 1.3 SVG 的研究现状 SVG 的研究现状主要包括主电路的拓扑结构、多电平逆变器的调制方法和控制策略三个方面。 1.3.1 SVG 拓扑结构的研究现状

29、SVG 主电路分为电压型和电流型两种电路结构,电压型 SVG 的主电路又分为多重化和多电平两种结构。其中,多电平结构主要包括二极管箝位式、飞8跨电容箝位式和级联式三种 。 多重化结构 这种结构是将多个逆变电路通过变压器依次串联起来,把输出电压按照一定的相位差进行叠加组合,可以得到近似正弦的输出波形。目前国内外投入运行的 SVG 主电路大多采用这种结构。采用多重化电路结构具有输出谐波含量低、装置的电压和容量水平高的优点。但是这种结构的价格非常昂贵,占整套装置总成本的 1/3;损耗的能量占装置总损耗的 50%;占地面积达到总面积的840%;而且变压器的铁磁非线性也会使控制器的设计变得很复杂 。近些

30、年,国际上投运的大容量 SVG 大多舍弃了多重化结构,而是采用多电平结构。 多电平结构 由于多重化的变压器结构有很多不足之处,而多电平结构恰恰能够避免这些缺点,因此成为解决大功率应用难题的有效方法。多电平的电路结构一般是由直流电压源和半导体开关器件组成,通过控制开关通断来产生多电平的阶梯9,10电压,进而很好地逼近正弦电压 。 目前,多电平逆变器的拓扑结构主要分为以下三种: 二极管箝位式多电平结构 二极管箝位式多电平逆变器是开发最早的一种电路结构,不需要精确的电压匹配,输出电压就能成倍地有效增加。若 M 代表相电压的电平数,则线电压的电平数为21 M,直流侧所需电容数为 M ?1,开关器件的个

31、数为 6M-1,那么,需要的箝位二极管的个数 N 为:N?M ?1M2? 3 (1-1) 图 1-4 为二极管箝位式的三电平结构,直流侧串联两个大电容 C 、C ,d1 d211,12需要 6 个箝位二极管。通过开关器件的不同组合输出侧可以产生三电平 。- 5- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 这种结构的主电路简单,控制电路和算法也简单,能够控制功率的双向流动。但是,当电平数 M 比较多时,系统中的二极管数量会很多,实际应用时难度很大,而且直流侧电容的均压比较复杂和困难。图 1-4 二极管箝位式的三电平电路图 飞跨电容箝位式多电平结构 为了解决二极管箝位式结构的缺点,即二极管数量过多的问题,出

32、现了飞跨电容式的多电平结构。在这种结构中,电容取代了二极管对开关器件的电压箝位,这样由箝位二极管引起的二极管反向电压恢复困难的传统难题,在飞跨13电容箝位式多电平结构中都得到了解决 。 图 1-5 为三相五电平飞跨电容箝位式逆变器, M 代表输出相电压的电平数,则输出线电压的电平数为 2M ?1,直流侧由电源 V 和 M ?1个电容组成,d开关器件数为 6M-1,那么,需要的箝位电容数 N 为: 3N? M ?1?M2 (1-2) 2飞跨电容式结构的直流电源数只有一个,整流电路设计起来会变得更加容易。但是如果电平数目太多,箝位器件会太多,很难做到平衡控制,而且每个电容都需要单独的预充电电路,增

33、加了主电路的复杂程度和控制难度。所以实际应用中,采用这两种电路结构时一般都要求电平数不能超过 5 电平。图 1-5 三相五电平飞跨电容式结构 - 6- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 级联式多电平结构 图 1-6 为单相级联多电平结构的逆变器,总的输出电压为逼近正弦波的阶梯波,每个 H 桥单元都带有独立的直流电源,相互之间没有直接的电联系,14不存在均压问题 。直流侧电源决定功率单元中开关器件的耐压水平。 UdcUdc图 1-6 单相级联结构示意图 在图 1-6 所示的单相级联结构示意图中,每个 H 桥单元具有相同的直流电压,经过 PWM 调制可以输出+U 、0、-U 三个电平。 N 个 H

34、桥级联,可以输d d出21 N个电平。 1517级联结构相比于多重化结构和箝位式多电平结构具有明显的优点 : (1)损耗小、成本低、无变压器的铁磁非线性问题、且占地面积小; (2)主电路结构简单,不需要箝位器件,控制器设计简单,当输出相同电平数的电压时,所需要的开关器件数量最少; (3)每个单元的直流侧采用相互独立的电源供电,电容分压问题不存在; (4)可采用 PWM 技术使输出电压的谐波含量很低; (5)级联结构易于实现模块化设计,设计、制造、安装方便。1.3.2 多电平逆变器调制策略的研究现状 级联多电平结构之所以比箝位式多电平结构的输出谐波小,不单只是由它的电路结构决定的,还与其所采用的

35、调制策略有很大关系。目前,多电平结构的 PWM调制策略种类很多,主要有以下几种: 阶梯波脉宽调制策略 阶梯波脉宽调制就是用阶梯波来逼近正弦波,对功率器件的开关频率没有很高的要求,用低开关频率的大功率器件也能实现,例如 GTO,但是开关频率如果过低,输出谐波会非常大,因此,该调制策略不能应用在对输出电压质18量要求高的场合 。 - 7- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 基于载波组的 PWM 调制策略 对于 N 单元的级联多电平逆变器,每相采用 N 个相同频率相同幅值的三角载波与同一个正弦调制波相比较,这些三角载波排成一排,对称放置在零参考的两侧,当正弦波大于某个单元的三角载波时,则这个单元的开关

36、器件开通;当正弦波小于某个单元的三角载波时,则这个单元的开关器件关断。这种方法19虽然输出谐波小,但是实际应用并不多 。 空间矢量 PWM 调制策略(SVPWM) 这种调制方法的控制思想与两电平 SVPWM 的控制思想相同,但是多电平调制方法的电压矢量更密集,能够合成更接近于圆形磁场的磁链,控制效果更加精确,因此,输出的谐波更小。但是,如果需要输出的电平数比较多时,这种方法的计算会变得十分复杂。 载波相移 SPWM 调制策略(CPS-SPWM) o每相 N 个 H 桥单元都采用相同的调制波进行调制,三相之间互差120 ,三角载波互相错开相位,都采用 SPWM 技术进行控制,易于实现模块化设计,

37、N 个单元的输出叠加后形成一个多电平的阶梯波,而且输出电压的开关频率20与调制度 M 无关,一般广泛应用在级联结构中 。 1.3.3 SVG 控制策略的研究现状 控制策略是决定 SVG 补偿效果好坏的重要因素,可以从不同角度进行划分:从实现的功能角度可以分为开环、闭环和复合控制;从电流控制角度又可以分为间接电流控制和直接电流控制;从控制方法角度可以划分为 PID 控制、线性最优控制、自适应控制、微分几何控制和智能控制等。 对于级联型 SVG,直流侧电容电压的平衡控制也是主要研究对象。正常工作时各个直流电容相互独立,互不影响,理想情况下,由于每个单元的结构参数和触发脉冲完全相同,所以直流侧电容电

38、压会自动保持均衡。但实际工作时,相与相之间、每一相内部的电容电压都会存在不均衡。因此,必须采取相应的均衡措施。硬件方式需要采用外部电路,结构复杂,但可以简化控制算法;软件方式虽然不需要外部的硬件电路,但有可能使程序算法计算复杂。 表 1-2 是当前国内外的 SVG 的工程应用现状。世界上的第一台 SVG 是由日本的三菱电机和关西电力公司联合研制的,主电路为晶闸管强迫换相的桥式结构,容量为20Mvar,于 1980 年成功投运。之后两家公司又继续合作,于1991 年研制成功了80Mvar 的 SVG。自此之后,越来越多的更大容量的 SVG被成功研制并投入运行。 1995 年美国电力研究院 EPR

39、I 和西屋电气公司开发了2123100Mvar 的 SVG,还有 1997 年的160Mvar 的 SVG 等等 。 - 8- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 表 1-2 国际上部分 SVG 工程项目应用情况 研制者 投运地点 容量(Mvar) 主电路 投运时间三菱电机关西电力 日本 20 6 重化变压器耦合 1980 年 西屋公司、EPRI 美国 20 2 重化变压器耦合 1986 年 三菱电机关西电力 日本 80 8 重化变压器耦合 1991 年 东芝、日历 日本 502 4 重化VSI 1993 年 西屋公司、EPRI 美国 100 8 重化变压器耦合 1995 年 西门子 德国 8 3

40、电平 2重化变压器耦合 1997 年 西屋、EPRI、美国电力 美国 160 3电平 8重化变压器耦合 1997 年 清华大学、河南电力公司 中国 20 4 重化变压器耦合 1999 年 ALSTOM、NGC 英国 75 链式结构 1999 年 美国纽约电力局 美国 200 多重化变压器耦合 2001 年 美国 752 ? 2003 年 ALSTOM 上海电力、清华大学 中国 50 链式结构 2006 年相比之下,我国开始在这方面的研究时间比较晚,但是并不影响我们取得的成果。1994年,清华大学在电力部的政策下联合河南电力公司开始合作研制20Mvar 的 SVG,并在 1999 年于河南洛阳的

41、 10kV 变电站并网成功;2006年,我国自主研发的国际上首台基于 IGCT 的50Mvar 的 SVG在上海西郊变24电站投入运行,标志着我国在此研究领域已经处于世界领先地位 。 1.4 本文的主要研究内容 本文的主要内容主要包括以下几点: (1)分析 SVG 的基本工作原理,通过对现有主电路拓扑结构进行分析比较,最终选择级联 H 桥型的电路结构,并对该拓扑的连接方式和调制策略进行分析,选择单极倍频 CPS-SPWM 的调制策略,并进行仿真验证; (2)建立 SVG的数学模型,分别研究级联 H桥型 SVG的直流侧电容电压的均衡控制和交流侧的状态反馈解耦控制。最后搭建 SVG 的仿真模型,分

42、别在开环和闭环条件下进行仿真验证; (3)根据功率单元要实现的具体功能,对其硬件电路和软件系统进行设计,主要包括主电路参数选择、IGBT 驱动电路、信号采样电路、辅助电源电路和基于 FPGA 的 SPWM 电路,同时分析了主电路的损耗和散热问题; (4)对所设计的功率单元进行各部分性能调试,主要有 IGBT 驱动电路调试、开关电源调试和功率单元整体调试。?- 9- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第 2 章 SVG 的基本原理与调制策略分析 静止无功发生器 SVG 是无功补偿技术的主要发展方向,它在电力系统中除了可以快速地动态补偿无功之外,还能提供电压支撑,并且提高系统电压的稳定性。SVG 与

43、传统的无功补偿装置相比性能更加优越,可以进行连续的无功调节,这与它的主电路拓扑结构和调制策略都是息息相关的。 2.1 SVG 的基本原理 SVG 分为电压型和电流型两种电路结构,电压型电路结构的直流侧储能元件是电容,交流侧通过串联一个连接电感接入电网;电流型结构正好相反,直流侧用电感储能,交流侧用并联电容。由于电容和电感相比,电容的储能效率高,所以目前采用的电路结构大多是电压型的。本文所设计的 SVG 也是电压型结构的。 SVG 产生的三相电压与电网电压频率相同,仅考虑基波频率时,SVG 可以等效成一个交流电压源,通过调节它的幅值和相位就可以控制 SVG 与电网25之间的无功功率交换 。图 2

44、-1 为考虑损耗时的单相等效电路图,交流系统电压用 U 表示,SVG 的输出电压为 U ,电阻 R表示系统的损耗。改变 U 与 US C S C的相量差就可以改变 X 的两端电压值,流过其中的电流也会随之改变,这样L就可以改变 SVG 产生的无功补偿值。图 2-1 计及损耗的单相等效电路 理想情况下不考虑连接电抗器的损耗和逆变器的损耗,此时电网电压与SVG 的输出电压频率相同,相位也相同,只需改变输出电压的大小就可以控制 SVG 从电网吸收的电流 I 的大小和相位,从而控制无功。如图 2-2a所示,当 U U 时,U 与 U 方向相反,电流通过连接电感由变流器流入交流系统,C S L S由于流

45、过电感上的电流滞后于其电压 90,因此对于单相等效电路来说,电路中的电流相位超前电网电压 90, SVG 装置吸收电网中的容性无功即等效于向电网输出感性无功;相反,当 U U 时,如图 2-2b所示,电感电压与电网电C S压同相,电流从交流系统经过电感流入变流器,SVG 单相等效电路中的电流- 10- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 相位滞后于电网电压 90, SVG 装置吸收电网中的感性无功即等效于向电网输出容性无功。 UU ICUSUCtUS ULa U U 时,电流超前 b U U 时,电流滞后 C S C S图 2-2 理想情况下的补偿原理 实际应用时装置不可能工作在理想情况下,电路中

46、必然存在损耗,如图2-3 所示,U 与 U 间的相位差角为 。此时,电流 I 与 SVG 输出电压 U 仍相C S C差 90,因为变流器无需有功能量。而电网电压 U 与电流 I 之间的相位差角比S90小了 角,也就是说电流 I 有一定量的有功分量,使得电网需要提供一部分的有功功率来补偿装置的损耗。图 2-3a为容性工况,电流超前;图 2-3b为感性工况,电流滞后。a 容性工况,电流超前 b 感性工况,电流滞后 图 2-3 有损耗时的补偿原理 通过分析 SVG 的补偿原理可知,调节逆变器的输出电压的幅值和相位即可调节补偿的无功大小。 2.2 SVG 的主电路结构 级联式 SVG 将三个单相级联多电平逆变器以星形或角形的方式连接起来,每相分别由连接电抗器接入电网。两种连接方式分别如图 2-4a、b所示。 星形连接的 SVG 将每相的一个输出端连在一起,另一端