1、本科毕业论文（20 届）低 压 电 网 SVG 无 功 补 偿 装 置 设 计所在学院 专业班级 自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 摘 要I摘 要近年来，由于工业的迅速发展，大功率非线性负荷的不断增加，不但改变了电力系统的电网结构，对电网的冲击和谐波污染也不断上升，造成系统无功分布不合理，甚至可能造成局部地区无功严重不足和电压水平普遍较低的情况，以致出现种种电能质量问题，如功率因数低、谐波含量高、三相不平衡、功率冲击、电压闪变和波动等等。通过合理的方案对电网进行适当的无功补偿，能维持系统电压水平、提高系统电压稳定和设备利用率、提高功率因数避免大量无功的远距离传输、提高输
2、电能力、平衡三相功率、提高系统运行安全性和可靠性。此外，还可以减少网络有功损耗减少费用。本设计运用静止无功补偿(SVG)技术对低压电网进行无功补偿，SVG 采用基于瞬时无功功率理论的无功电流检测方式，采用 IGBT 组成的电压逆变电路模块。主要设计包括主电路设计、控制电路设计、测量单元设计、驱动电路以及滤波电路单元等。由于需要随时进行无功功率的检测和补偿，对控制器的速度要求较高，可以选择 DSP 进行控制控制单元的设计。本论文所设计的 SVG 系统总体结构包括以下几个部分：主电路、控制电路、测量电路、驱动电路和电源电路等几部分。测量电路采集负载电流信号、装置输出电流信号、系统接入点电压信号和直
3、流侧电容电压信号等数据，然后，将这些数据信号传输给控制电路，控制电路根据给定的控制策略对从测量电路输送过来的信号数据进行处理，产生触发逆变器的驱动信号，传送到驱动电路，驱动电路将从控制电路接收到的驱动信号进行功率放大，然后加到逆变器，从而控制逆变器输出端输出无功电流的变化，实现无功动态补偿的目的。关键词：静止无功功率发生器(SVG)，无功补偿，IGBTAbstractIIAbstractIn recent years, the rapid development of the industry, high power nonlinear loads increase, not only cha
4、nged the power system network structure, impact on the power grid and the harmonic pollution is increasing, causing system reactive power distribution is not reasonable, even may cause local reactive power shortage and voltage level is generally low, so that there are all sorts of power quality prob
5、lems, such as low power factor, harmonic content is high, three-phase unbalance, power shock, voltage flicker and wave etc. Through the reasonable scheme of power system proper reactive power compensation, can maintain the system voltage level, improve system voltage stability and the utilization ra
6、tio of equipment, to improve the power factor and avoid a large amount of reactive power for long distance transmission, improve the transmission capacity, balanced three-phase power system, improve the safety and reliability of the operation. In addition, also can reduce the network active power lo
7、ss reduction cost.The design of the use of static var generator (SVG) technology on the low-voltage reactive power compensation, SVG is based on the instantaneous reactive power theory of reactive current detection method, using IGBT consisting of voltage inverter circuit module. The main design inc
8、luding the main circuit design, control circuit design, measurement unit design, driving circuit and filter circuit unit. Due to the need to carry out reactive power detection and compensation, and the controller speed is higher, can select DSP control unit design.The design of SVG system structure
9、includes the following parts: main circuit, control circuit, a measuring circuit, a drive circuit and a power supply circuit etc. Measuring circuit of load current signal acquisition device, the output current signal, system access point voltage signal and the DC side capacitor voltage signal data,
10、and then, the data signals are transmitted to the control circuit, the control circuit according to the control strategy from the measuring circuit transmitted signal data processing, generating a trigger inverter drive signal, is transmitted to the drive circuit, AbstractIIIdrive circuit from the c
11、ontrol circuit receives the driving signal of power amplifier, and then applied to the inverter, thereby controlling the inverter output reactive current change, achieve the purpose of dynamic reactive power compensation.Key Words: static reactive power generator(SVG), reactive power compensation, I
12、GBT目 录IV目 录摘 要 .IABSTRACT .II目 录 .IV第一章 绪论 .11.1 课题研究的背景及意义 .11.2 无功补偿技术的发展 .21.3 静止无功发生器国内外发展现状 .41.4 本设计的主要任务 .5第二章 SVG 无功补偿装置设计 .62.1 总体结构设计 .62.2 SVG 工作原理 .72.3 主电路设计 .92.3.1 整流电路设计 .92.3.2 逆变电路设计 .102.3.3 直流侧电容设计 .122.3.4 连接电抗器设计 .122.4 控制电路 .132.4.1 TMS320F2812 的主要特点 .142.4.2 片外程序和数据存储器 .152.4
13、.3 时钟电路 .152.4.4 电源电路 .162.4.5 JTAG 仿真接口电路 .172.4.6 复位电路设计 .182.4.7 串行通信 .192.5 驱动电路 .192.6 测量电路 .20第三章 控制策略及软件设计 .22目 录V3.1 控制策略选择 .223.1.1 直流间接控制 .223.1.2 直流直接控制 .243.2 瞬时无功功率检测 .253.3 软件流程及程序设计 .27第四章 结论 .324.1 主要工作 .324.2 需进一步完善的工作 .32参考文献 .33致 谢 .35第一章 绪论- 1 -第一章 绪论1.1 课题研究的背景及意义随着现代工业的不断进步，人们对
14、电能质量的要求越来越高，而现在各种大功率非线性设备的应用影响电能的质量。电力系统的特定环境决定电网本身运行规律中出现的无功功率，这给电网运行造成很多麻烦，尤其在现代电网中，由于感性负荷占据比重较大，如电动机在消耗有功功率的同时，也要吸收无功功率。无功功率会导致发电机功率下降、降低输配电设备效率、增大损耗等，这将会严重影响供电质量。为了解决这一问题，需要对电网进行无功补偿。本设计的目的就是对低压电网运用 SVG 技术进行无功补偿。静止无功发生器(SVG)是定制电力技术和灵活柔性交流输电系统技术的重要组成部分，用于供电系统的 SVG 可直接接入 400V35kV 等级的母线，能够克服传统无功补偿装
15、置的不足，可为电网和用电负载提供快速、连续的无功补偿，对提高电网电压稳定性、滤除负载谐波及提高功率因数有很大的帮助 1。人们对节约能源、减少电源污染重要性的认识不断提高，静止无功发生器在工业和生活中的应用得到推广，对其研究也正逐渐成为热点。SVG 具有以下优点：(1)平衡三相有功和无功功率，减少电网对通信系统的干扰。(2)提高供电质量，促使电力系统运行安全。(3)降低设备发热，延长设备寿命。(4)提高功率因数，抑制向系统输入无功功率，提高电网有功传输能力。(5)提高发电机有功输出能力。(6)提高输电能力，改善系统的稳定性。(7)减小电网功率损耗，增大电力运行的经济效益。第一章 绪论- 2 -1
16、.2 无功补偿技术的发展无功补偿是电力系统安全可靠、稳定运行、降损节能的必要措施。无功补偿方式有：同步调相机、固定补偿电容器、可控串联电容补偿(TCSC)、静止无功补偿器(SVC)以及静止无功发生器(SVG)等 23。(1)同步调相机：同步调相机是三相同步电机，过励磁运行时，向系统提供感性无功功率提高系统电压；欠励磁运行时，从系统吸收感性无功功率，降低系统电压。优点：可在暂态过程中提供动态无功功率，越靠近短路的地方输出的无功功率越大，并不受对称或不对称短路故障的影响，当系统电压下降幅度较大时，同步调相机有短时过载能了可支持系统电压的恢复。缺点：价格较高，多用于高压输电系统，运行维护复杂、环境噪
17、音严重，技术比较落后。(2)固定补偿电容器：可以改善线路参数，减少无功功率。维护方便，装置容量可灵活使用。缺点：它供给的无功功率与节点电压平方成正比，借电压下降时，提供的无功功率反而减少，调节性能差。(3)TCSC：基于晶闸管控制的串联补偿装置，主要用于电力输电系统，可提高电网的传输能力与系统稳定性。缺点：只能在一定的范围内连续调整串联电容的等值容抗和补偿度。(4)SVC：SVC 之前主要运用与负荷冲击性较大的用户中，近年来也用于提高电网输电能力和主网架的稳定性方面，主要分为晶闸管投切电容(TSC)和晶闸管控制电抗器(TCR)两种类型。可连续而迅速的控制无功功率，响应速度快。技术成熟、维修简单
18、、工作可靠、应用广泛。晶闸管投切电容器(TSC)TSC 电路主要是靠两个晶闸管的正反并联的开关来完成电容器投切的。运用晶闸管的优点在于投切的过程中不会出现过电压、冲击电流。电容器是接入在晶闸管两端电压过零时刻瞬间完成的而电容器切断是在晶闸管电流过零时刻瞬间完成的，电容器可以以任意频率投切，在电容器回路中串一电抗器可以起到限制放电电流和抑制次谐波谐振的产生。缺点：TCS 只能实现有级调节，一般应用在配电系统中。第一章 绪论- 3 -晶闸管控制电抗器(TCR)TCR 由一个电容器和可控电抗器并联组成，通过晶闸管控制电抗器的电流。当系统电压较低需要无功时，通过 TCR 调节减小电抗电流；而当系统电压
19、升高，需要吸收无功时，通过 TCR 调节增大电抗电流。由于 TCR 本身会产生谐波，因此常常会用滤波器代替部分滤波电容。(5)SVG：又称 STATCOM，静止无功发生器(SVG)是用具有自换相功能的电力半导体器件组成的桥式变流器来进行动态无功补偿的装置，SVG 并联在需要补偿装置的母线上，交流无功功率是通过直流励磁电压产生的，而 SVG 与系统交换无功功率并不依赖于母线的电压。SVG 的控制非常灵活，当电压下降时，补偿效果也很好。可以通过控制电压输出幅值的大小，来控制系统无功功率交换。当输出的电压比系统电压小时，电流会从交流系统流向逆变器，逆变器从系统吸收无功功率；反之则提供无功功率。SVC
20、 的内部电力电子开关器件一般为晶闸管，晶闸管在导通时不可控，这会使得 SVC 的每步补偿的时间间隔变大，当补偿的负载变化较大或补偿干扰性较大负载时，SVC 会因固有的时间延迟因响应不够快而影响补偿效果。而 SVG 则适于变化较大的负载的无功冲击电流的实时补偿。随着对 IGBT 等电力电子元件的不断研究开发，大功率和高电压变流器的应用可靠性有了保障，随着现代控制设备的性能提高和大规模集成电路器件的运用，复杂的控制电路经济性和可靠性也得到了提高，从而使新型 SVG 得到开发应用。SVG 分为电压型桥式电路和电流型桥式电路 4，由于电压型控制方便、损耗小，在实际应用中比较广泛。与 SVC 相比，SV
21、G 可以在任何系统电压下提供全范围的无功输出电流，SVG 调节速度更快、调节范围更宽、欠电压条件下的无功调节能力更强，具有良好的补偿特性。缺点：成本投资高距离大范围使用还有一段距离。与以 TCR 型为代表的 SVC 装置相比，SVG 的调节速度更快，运行范围宽，而且在采取多重化、多电平或脉冲宽度调制(PWM) 技术等措施后可大大减少补偿电流中谐波的含量。本设计采用 SVG 静止无功发生器进行低压电网的无功补偿，以达到快速补偿和大范围调节的功能。第一章 绪论- 4 -1.3 静止无功发生器国内外发展现状随着高压大容量如 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor
22、)可关断器件的不断发展和半导体变流器进行无功补偿理论的应用，20 世纪 80 年代出现了基于可控器件的电流源和电压源变流器的并联补偿装置，该装置的特性脱离了阻抗型装置的特性，是完全可控型的电流源或电压源，这使得并联补偿电容装置性能得到了提升。这种补偿装置在低电压的情况下具有良好的特性，因为可控开关器件的开关频率较高，变流器输出的谐波较小，变流器的工作范围更广，输出的电流独立于电压变化。SVG 是基于变流器并联补偿装置的典型代表。1980 年 1 月在日本诞生了世界上首台 SVG 样机，它是由三菱电机公司和关西电力公司共同研制的，该样机容量为 20MVar，逆变器采用晶闸管强制换相型元件。随后由
23、美国国家电力研究院(EPRI)和西屋公司共同研制的 1MVar的 SVG 装置于 1986 年 10 月投入运行，其逆变器元件采用的是大功率 GTO，这也是世界上首台采用大功率 GTO 的静止补偿器。 1991 年日本在犬山变电站投入运行了 80MVar 的采用 GTO 研制的 SVG 装置 6。1996 年 10 月美国EPRI 与田纳西电力局和西屋电气公司联合，在田纳西电力系统的变电站研制了100 MVar 的静止无功发生器装置。1993 年 3 月东京电力与东芝公司、日立公司分别开发了 2 台 50MVA 的 STSTCOM 装置，并在东京投入使用 15。1997年，丹麦的 Rejsby
24、 Hede 风场的 8MVA 的静止无功发生器装置是由德国西门子公司开发研制的。同年 7 月，美国 AEP 在肯塔基州一变电站投入运行了士160MVA 的 STATCOM 装置。 2001 年 5 月，美国 VELCO 投入使用了+133/41 MVA， 115kV 的 STATCOM 装置。2003 年 9 月，日本中央铁路公司开发了60MVA 的 SVG 装置。2005 年 1 月，由美国 Austin 能源公司研制了 100MVar的 SVG 装置并在 Holly 变电站投入运行。我国在静止无功发生器这一领域的研究是从上世纪 90 年代开始的，并在试验和应用方面取得了一些的成绩，如华北电力学院开发了基于可控硅元件强迫换相的 STATCOM 实验装置，东北电力学院研制了基于 GTO 器件的无功发生器的实验装置。为了对机理进行更全面的研究，清华大学首先研制了 300 kVar 的中间工业试验装置，并于 1996 年投入运行。我国首台投入应用的大容
