静止无功补偿器的研究课程设计

1 静止无功补偿器的总体设计1.1 静止无功补偿器的主电路ASVG 分为采用电压型桥式电路和电流型桥式电路两种类型。

两者的区别是直流侧分别采用的是电容和电感这两者不同储能元件，对电压型桥式电路，还需要串联上电抗器才能并上电网；对电流型桥式电路，还需要并联上电容器才能并上电网。

实际上，由于运行效率的原因，实际应用的ASVG 大多采用的是电压型桥式电路。

因此ASVG 专指采用自换相的电压型桥式电路作为动态无功补偿的装置。

ASVG 的基本结构如图1-1。

它由下列几部分组成：电压支撑电容，其作用是为装置提供一个电压支撑；由大功率电力电子开关器件（IGBT 或GTO ）组成的电压源逆变器（VSC ），通过脉宽调制（PWM ）技术控制电力电子开关的通断，将电容器上的直流电压变换为具有一定频率和幅值的交流电压；耦合变压器或电抗器，一方面通过它将大功率变流装置与电力系统耦合在一起，另一方面还可以通过它将逆变器输出电压中的高次谐波滤除，使ASVG 的输出电压接近正弦波。

图1-1 电压型补偿器结构图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。

1.2 静止无功补偿器的工作原理系统线路整流器..系统线路V dc电压源逆变器耦合变压器系统电压图1-2 SVG 工作原理图逆变器IPM 的输出经过一个数值不大的电抗XL(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Vi 的相位，使得Vi 与交流电网电压代同相(相角差δ=0)，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Vi 高于电网电压Ys 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Vi 低于电网电压Vs 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Vi 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。

1.3 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。

（1）经分析，在δ角绝对值不太大的情况下，δ与IO 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1-3 SVG 最简原理图当改变δ角时，VL 也随着变化。

VS 的变化是通过直流端支撑电压VD 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VD 的变化，从而引起VI 的变化。

当暂态过程完毕时，VI ，IQ 必然满足上述关系式。

(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：I QII QI Qrej图1-4 SVG加反馈环节的原理图在此基础上，产生了许多种控制方法，比如对δ角和逆变器脉宽角Ø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 静止无功补偿器硬件设计数字信号处理（DSP，Digital Signal Processing）是一门涉及多种学科且又广泛应用于许多领域的科学。

20世纪60年代以来，随着信息技术的飞速发展，数字信号处理技术应运而生并得到迅速的发展。

目前，数字信号处理技术及相应的DSP芯片因其强大快速的信号处理功能已经广泛应用于自动控制、图像处理、通讯技术、网络设备、仪器仪表和家电等领域；DSP为数字信号处理提供了高效而可靠的硬件基础。

由于本文采用电流直接控制的控制算法，需要对输出电流和负载电流的实时快速检测，并进行相应的控制输出，对实时性要求相当高。

因此本实验装置主处理器采用美国TI （德州仪器）公司生产的DSP芯片，又由于本控制系统中需要外围设备较多，所以选择外设较多的TI2000系列DSP，这里本文采用TMS320LF2407A。

TI公司的TMS2407LF240X系列DSP控制器是在24X的基础上低功耗改进型，它是为了满足控制应用而设计的。

2407A是此系列中的一个分支，通过把一个高性能的DSP内核和微处理器的片内外设集成为一个芯片的方案，2407A成为传统的微控制单元（MCU）和昂贵的多片设计的一种廉价的替代品。

每秒3000万条指令（30MIPS）的处理速度，使2407A 型DSP控制器可以提供超过传统的16位微控制器和微处理器的能力。

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2-1 SVG总体结构图2.1 电力电子主回路如下图所示，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。

图2-2 电力电子主回路图2.2 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。

2.3 逆变器IPM 的缓冲电路缓冲电路实质上是一种开关辅助电路，利用它可以减小器件在开关过程中产生的过压、过流、过热、dt du 和 dt di ，确保器件安全可靠运行，所以缓冲吸收电路设计对电力电子器件是十分重要的。

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：直流输入交流输出图2-3逆变器IPM 的缓冲电路图2.4 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2-4 IGBT 门极驱动控制电路图上图中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Up 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。