电力电子装置

1目录无功功率发生器（7000VA）设计........................................21无功补偿装置概述..................................................21.1无功补偿的作用和意义.........................................21.2阻抗补偿方案.................................................51.2.1晶闸管投切电容器TSC...................................51.2.2晶闸管控制电抗器TCR...................................61.2.3晶闸管控制串联电容器TSC................................71.3电压源变流器型补偿方案......................................71.3.1无功功率发生器.........................................81.3.2开关型串联基波电压补偿器...............................92静止无功发生器（SVG）的设计.......................................92.1静止无功发生器(SVG)主电路..................................102.2无功电流检测电路...........................................132.3无功控制电路...............................................143系统仿真及分析...................................................153.1系统仿真模型...............................................153.2仿真结果与分析.............................................17结束语.............................................................21参考文献...........................................................222无功功率发生器（7000VA）设计1无功补偿装置概述1.1无功补偿的作用和意义自二十一世纪以来，我国经济飞速发展，电力系统作为国民经济基础，也因需求的不断增大，其规模也越来越大。而各行各业，对电力的需求和依赖变得越来越强烈，使得电力系统得到了迅速的发展。在保证电能质量的前提下，如何保证电力系统稳定、安全、经济的运行及提高用电效率是目前面临的一个重大而迫切的问题。电网中电力设备大多是根据电磁感应原理工作的，它们在能量转换过程中建立交变磁场，在一个周期内吸收的功率和释放的功率相等。电源能量在通过纯电感或纯电容电路时并没有能量消耗，仅在用电负荷和电源之间往复交换，由于这种交换功率不对外做功，因此称为无功功率。无功功率反映了内部与外部往返交换能量的情况，它并不像有功功率那样表示单位时间所做的平均功率，但是它和有功功率一样是维护电力系统稳定，保证电能质量和安全运行必不可少的。如果电网中的无功功率不足，致使用电设备没有足够的无功功率来建立和维持正常的电磁场，就会造成设备的端电压下降，不能保证电力设备在额定的技术参数下工作，从而影响用电设备的正常工作。具体表现在以下三方面：（1）降低有功功率，使电力系统内的电气设备容量不能得到充分利用。在额定电压和额定电流下，由cosPUI可以看出，若功率因数降低，则有功功率随之降低，是设备容量不能充分利用。（2）增加输、配线电路中的有功功率和电能损耗。设备功率因数降低，在线路输送同样有功功率时，线路中就会流过更多的电流，是线路中的有功功率损耗增加。（3）是线路的电压损失增加。使负载端的电压下降，有时甚至低于允许值，从而严重影响电动机及其他用电设备的正常运行。特别是在用电高峰季节，功率3因数太低，会出现大面积的电压偏低。基于上述情况，在电力系统中经常要进行无功补偿。无功补偿的主要作用就是提高功率因数以减少设备容量和功率损耗、稳定电压和提高供电质量，在长距离输电中提高系统输电稳定性和输电能力以及平衡三相负载的有功功率和无功功率。安装并联电容器进行无功补偿，可限制无功功率在电网中传输，相应减小了线路的电压损耗，提高了配电网的电压质量。无功补偿应根据分级就地和便于调整电压的原则进行配置。集中补偿和分散补偿相结合，以分散补偿为主；高压补偿与低压补偿相结合，以低压补偿为主；调压与降损相结合；并且与配电网建设改造工程同步规划、设计、施工、同步投运。无功补偿的作用具体体现在以下四方面：（1）提高电压质量配电网中无功补偿设备的合理配置，与电网的供电电压质量关系十分密切。合理安装补偿设备可以改善电压质量。由于越靠近线路末端，线路的电抗X越大，因此，越靠近线路末端装设无功补偿装置效果越好。（2）降低电能损耗安装无功补偿主要是为了降损节能，如输送的有功功率P为定值，加装无功补偿设备后功率因数由cos提高到1cos，因为cosPUI，负荷电流I与cos成反比，又由于2PIR，线路的有功损失与电流I的平方成正比。当cos升高，负荷电流I降低，即电流I降低线路有功损耗就成倍降低。反之当负荷的功率因数从1降低到cos时，电网元件中功率损耗将增加的百分数为%LP，计算公式如下：2%(1/cos1)*100%LP（3）提高发供电设备运行效率1)在设备容量不变的条件下，由于提高了功率因数可以少输送无功功率，因此可以多输送有功功率。可多送的有功功率P可由下式计算，其中1P为补偿前的有功功率11*(coscos)PPPS42)如需要的有功不变，则由于需要的无功减少，所需配电变压器容量S也相应减少。即：11*[(1/cos)(1/cos)]SSSP可减少的供电设备容量占原容量的百分比为/SS，即：111/(coscos)/cos1cos/cosSS3)安装无功补偿设备，可使发电机多发有功功率。系统采取无功补偿后，使无功负荷降低，发电机即可少发无功，多发有功，充分达到铭牌出力。(4)减少用户电费支出1)可避免因功率因数低于规定值而受罚。2)可减少用户内部因传输和分配无功功率造成的有功功率损耗，电费可相应降低。无功功率补偿可在高压输电线路进行，也可在配电网络进行，一半选择后者。早期的无功补偿是利用同步调相机和电容补偿装置。同步调相机是专门用来尝试无功功率的同步电机，在对励磁电流大小的调节，就能调节无功功率的大小。但同步调相机油机械噪音、成本高等缺点。电容补偿则利用并联电容器来吸收系统容性电流，相当于为负载提供感性电流，至今仍是主要的无功补偿方式之一。随着电力电子技术的发展，出现了开关型静止无功补偿装置，主要有阻抗补偿和开关变换电路补偿两种方案。51.2阻抗补偿方案1.2.1晶闸管投切电容器TSCa）单相结构简图b）电压——电流特性图1-1晶闸管投切电容器TSC(thyristorswitchedcapacitor)电路如图1-1所示，通过控制晶闸管开关在电网上投切并联电力电容器C，改变电网负载的总阻抗性质。其中的两个反并联晶闸管只是起将电容器并入电网或从电网断开的作用，而串联的小电感只是用来抑制电容器投入电网时可能造成的冲击电流的。因此，当电容器投入时，TSC的电压——电流特性就是该电容的伏安特性，即如图1-1（b）中OA所示。电容器C从电网吸收容性电流，相当于为电网提供感性电流，从而补偿电网的无功，负载无功功率的大小是随机变化的，因此一般设置多个小容量的TSC，根据情况分级投切，才能得到较好的补偿效果。其电压——电流特性按照投入电容器组数的不同可以是图1-1（b）中的OA、OB或OC。当TSC用于三相电路时，可以是连接，也可以是Y连接，每一项都可以设计成分组投切的。尽管这种方法的调节是有限的，但补偿电流不含谐波。电容器的分组投切在较早的时候大多是用机械断路器来实现的，即投切电容器，和机械断路器相比，晶闸管的操作寿命几乎是无限的，而且晶闸管的投切时刻可以精确控制，以减少投切时的冲击电流和操作困难。另外与TCR相比，TSC虽然不能连续调节无功功率，但具有运行时不产生谐波而且损耗较小的优点。61.2.2晶闸管控制电抗器TCR（ａ）单相（ｂ）三相图1-2晶闸管控制电抗器TCRTCR(thyristorcontrolledreactor)电路如图１－２所示TCR采用相控原理，其有效移相范围为90°～180°。当触发角α=90°时，晶闸管全导通，导通角δ=180°，此时电抗器吸收的无功电流最大。根据触发角与补偿器等效导纳之间的关系式max(sin)/LLBB和max1/LLBX中可知：增大触发角即可增大补偿器的等效导纳，这样就会减小补偿电流中的基波分量。所以通过调整触发延迟角α的大小就可以改变补偿器所吸收的无功分量，达到调整无功功率的效果。在工程实际中，可以将降压变压器设计成具有很大漏抗的电抗变压器，用晶闸管控制电抗变压器。这样就不需要单独接入一个变压器，也可以不装设断路器。电抗变压器的一次绕组直接与高压线路连接，二次绕组经过较小的电抗器与晶闸管连接。如果在电抗变压器的第三绕组选择适当的装置回路，例如加装滤波器，可以进一步降低无功补偿。由于单独的TCR只能吸收无功功率，而不能发出无功功率，因此可以将并联电容器与TCR配合使用构成无功补偿器。根据投切电容器的元件不同，又可分为TCR与固定电容器配合使用的静止无功补偿器(TCR+FC)和TCR与断路器投切电容器配合使用的静止无功补偿器(TCR+MSC)。这种具有TCR型的补偿器反应速度快，灵活性大，目前在输电系统和工业企业中应用广泛。71.2.3晶闸管控制串联电容器TSC图1-3晶闸管控制串联电容器TSC晶闸管控制串联电容器TCSC(ThyristorControlledSeriesCapacitor)由串联补偿电容器和与其并联的晶闸管控制的电抗器组成，在实际中一般用几个基本TCSC模块串联而成以得到所需的电压等级和工作特性。TCSC基本思想是通过控制TCSC并联支路的晶闸管的触发延迟角控制电抗器来部分抵消串联电容以实现串联补偿电容值的连续调节。TCSC可以控制为合适的电容或者电抗，从而通过调节传输线的阻抗来调节线路的功率潮流传输。然而TCSC存在一些缺点：第一，由于TCSC的等效阻抗是通过控制其晶闸管导通延时角来调节，所以其晶闸管是部分导通的，这样会在线路中注入低次谐波电压;第二，TCSC的阻抗调节不是连续的，在其最小等效容性阻抗minCX和最小等效感性阻抗minLX间存在一个不可控区，若TCSC是由基本单元串联而成，则它的阻抗不可控区将很大，使TCSC无法完全对系统动态稳定的控制。一般系统传输线路中分设多个TCSC元件，协调调控有效减小整个系统阻抗不可控区;第三，TCSC只实现对线路阻抗的补偿，而不改变线路感性性质，所以TCSC只可调节潮流大小而不改变潮流方向;第四，串联电容与传输线路电抗会在次同步频率点ef=f(电网频率)－mf(发电机转矩谐振频率)发生次同步谐振，所以实际应用要防止与系统发生同步谐振，常在电感支路中串联一个小电阻R，阻尼电力系统的此同步谐振。1.3电压源变流器型补偿方案电压源变流器型补偿是利用电力电子开关组成变换器，向电网提供负载需要的无功功率，达到补偿的目的。变换器可以和电网并联，向电网注入无功电流，8也可以串联在电网中，补偿基波电压。1.3.1无功功率发生器（a)电压型桥式电路（b）电流型桥式电路图1-4无功功率发生器无功功率发生器为并联型，电路结构如图1-4所示