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《静止无功补偿器的研究》课程设计综合课程设计任务书时间：2007－2008年度第二学期一设计的目的和意义掌握所学课程的知识并综合应用，充分认识理论知识对应用技术的指导性作用，进一步加强理论知识与应用相结合的实践和锻炼。通过本次设计实践能够进一步加深对专业知识和理论知识学习的认识和理解，使学生的设计水平、对所学的知识的应用能力以及分析解决问题的能力得到全面提高。1对电力系统中的无功功率进行分析；2掌握无功补偿器的特点；3对静止无功补偿器的控制方法和硬件、软件实现有一些认识。二设计题目及要求设计题目：静止无功补偿器的研究基本要求对电力系统中无功功率的危害进行分析，简单分析传统无功补偿器的工作过程和特点，认识静止无功补偿器的主电路结构，工作原理，并简单介绍其常用控制方法。进一步要求能够介绍静止无功补偿器的硬件电路设计思路；对静止无功补偿器的软件设计有一定的认识。尽量指出一种合适的控制方法。三给定条件1运用所学知识，如《电力电子技术》，《电路基础》，《模拟电子技术》等2设计过程可参考校园的电子资源。四课程设计要求1认真查阅资料；2遵守课程设计的时间安排；3按时进行试验，验证相关的控制算法；4认真撰写设计报告。五报告书写格式1课程设计封皮2课程设计任务书3正文（1）设计题目分析；（2）总体设计方案分析、讨论；（3）硬件原理设计，简单说明实现过程；（4）软件设计思路，最好形成流程图。4设计总结和心得体会5参考文献六工作计划1查阅资料及方案论证（1天）2电力系统无功功率分析（0.5天）3控制方法的论证（1天）4硬件电路的思路（1天）5软件流程图的设计（1天）6撰写报告（0.5天）七成绩评定参考每位同学的设计报告，根据下面的标准给每位同学评定课程设计考试成绩。1静止无功补偿器控制方法合理、正确（60％）2知识点运用得当（10％）3原理设计合理（20％）4报告撰写规范、准确（10％）编制：（指导教师签名）审定：（教研室主任签名）一．设计题目的分析在电网中由于大量感性负载的应用，使线路电压与线路电流在相位上存在一个角度差，这样就引出了无功功率的概念。无功功率是一个反映电源与负荷间的能量交换的物理量，它的大小表明了电源与负荷间能量交换的幅度，本身并不消耗能量。同时，无功功率在系统中的流动对电力系统本身也产生了很大的影响。下面就先简单的分析无功功率对电力系统本身有哪些危害：(l)增加设备容量。无功功率的增加会导致电流增大和视在功率增加，从而使发电机，变压器等各种电气设备的容量和导线的容量增加。同时，也使得电力用户的起动及控制设备、测量仪表的规格也要相应的加大。(2)设备及线路损耗增加。无功功率的增加，使总电流增大，因而使设备及线路的损耗增加，这是显而易见的。设线路中电流I由有功分量Ip和无功分量匆组成，线路电阻为R，则线路损耗为:ΔP=I2R=（Ip2+Iq2）R=（P2+Q2）R/U2其中（P2+Q2）R/U2这一部分损耗就是无功功率引起的。(3)使线路和变压器的电压降增大，若是冲击性无功功率负载，还会使电压产生剧烈波动，使供电质量严重降低。在一般的电网中，1\S比1小得多，因此可以得出这样的结论:电网电压的波动主要是由无功功率的波动引起的，而有功功率的波动对电网电压一般影响较小。例如:电动湘袍动时功率因数很低，这种冲击性无功功率会使电网电压剧烈波动，甚至使接在同一电网上的用户无法正常工作。电弧炉、车阵n机等大型设备会产生频繁的无功功率冲击，严重影响电网供电质量。(4)功率因数降低，设备容量利用少。在工业和生活用电负载中，感性负载占有很大比例。异步电动机、变压器、荧光灯等都是典型的感性负载。异步电动机和变压器所消耗的无功功率在电力系统所提供的无功功率中占很大的比例。电力系统中的电抗器和架空线等也消耗一些无功功率。感性负载必须吸收无功功率才能正常工作，这是由其本身的性质所决定的。近年来，随着电力系统中非线性用电设备，特别是电力电子装置应用的日益广泛，而大多数电力电子装置功率因数较低(如:相控整流器)，工作时基波电流滞后于电网电压，要消耗大量的无功功率，也给电网带来额外负担，并影响供电质量。因此提高功率因数己成为电力电子技术和电力系统研究领域所面临的一个重大课题，正在受到越来越多的关注。怎样提高功率因数？怎样把电网消耗的大量无功功率补回来呢？对于这一系列问题，在大量消耗无功功率的地方产生无功功率，进行合理的无功补偿，就是最佳的答案。无功补偿的作用主要有以下几点：（1）提高供用电系统及负载的功率因数，降低设备容量，减少功率损耗。（2）稳定受电端及电网的电压，提高供电质量。在长距离输电线(3)在一些三相负载不平衡的情况下，通过适当的无功补偿可以平衡三相的有功功率及无功负荷。(4)提高发电机有功输出能力。（5）减少线路损耗，提高电网的有功传输能力。（6）降低设备发热，延长设备寿命，改善设备的利用率。（7）避免系统电压崩溃和稳定破坏事故，提高运行安全性。由于无功补偿具有上述重要的作用，因此对于无功补偿技术进行研究具有相当重要的实际意义。下面就介绍无功补偿的器件：20世纪70年代以前，国内以传统无功补偿设备为主流，传统的无功补偿设备有并联电容器、调相机和同步发电机等，由于并联电容器阻值固定，不能动态的跟踪负荷无功功率的变化;而调相机和同步发电机等补偿设备又属于旋转设备，其噪声、损耗都很大，而且还不适用于太大或太小的无功补偿。所以这些设备已经越来越不适应电力系统发展的需要。20世纪70年代以后，随着研究的进一步加深，出现了一种静止无功补偿技术。这种技术经过30多年的发展，经历了一个不断创新、发展完善的过程。所谓静止无功补偿是指用不同的静止开关投切电容器或电抗器，使其具有吸收和发出无功电流的能力，用于提高电力系统的功率因数，稳定系统电压，抑制系统振荡等功能。目前这种静止开关主要分为两种，即断路器和电力电子开关。由于用断路器作为投切开关，其开关速度较慢，不可能快速跟踪负载无功功率的变化，而且投切电容器时，常常会引起较为严重的冲击涌流和操作过电压，这样不但容易造成接触点烧焊，而且使补偿电容器内部击穿，维修量大。随着电力电子技术的发展及其在电力系统中的应用，交流无触点开关SCR,GTR,GTO和IGBT等的出现，将其作为投切开关，速度可以提高500倍(约为l0us)。对任何系统参数，无功补偿都可以在一个周波内完成，而且可以进行单相调节。那个时期静止无功补偿器件分为三类：第一类是具有饱和电抗器的静止无功补偿装置（SR）。这些装置组成的静止无功补偿装置属于第一批静止补偿器。饱和电抗器分为自饱和电抗器和可控饱和电抗器两种，相应的无功补偿装置也就分为两种。具有自饱和电抗器的无功补偿装置是依靠电抗器自身固有的能力来稳定电压，它利用铁心的饱和特性来控制发出或吸收无功功率的大小。可控饱和电抗器通过改变控制绕组中的工作电流来控制铁心的饱和程度，从而改变工作绕组的感抗，进一步控制无功电流的大小。第二类是晶闸管控制电抗器(TCR)和晶闸管投切电容器(TSC)。两个反并联的晶闸管与一个电抗器相串联，就构成了简单的晶闸管控制电抗器，其单相原理图：三相多接成三角形，这样的电路并入到电网中相当于交流调压器电路接电感性负载，此电路的有效移相范围为900一1800。当触发角s=900时，晶闸管全导通，此时导通角a=1800，电抗器吸收的无功电流最大。而为了解决电容器组频繁投切的问题，TSC装置应运而生。其单相原理图如图：两个反并联的晶闸管只是将电容器并入电网或从电网中断开，串联的小电抗器用于抑制电容器投入电网运行时可育铲生的冲击电流。TSC用于三相电网中可以是三角形连接，也可以是星形连接。一般对称网络采用星形连接，负荷不对称网络采用三角形连接。无论是星形还是三角形连接都采用电容器分组投切。为了对无功电流能尽量做到无级调节，总是希望电容器级数越多越好，但考虑到系统的复杂性及经济性，这样的电容器组又不能太多，电容器组太多的话，还会带来使设备体积增大的缺点。TSC的关键技术问题是投切电容器时刻的选取。经过多年的分析与实验研究，其最佳投切时间是晶闸管两端的电压为零的时刻，即电容器两端电压等于电源电压的时刻。此时投切电容器，电路的冲击电流为零。这种补偿装置为了保证更好的投切电容器，必须对电容器预先充电，充电结束之后再投入电容器。第三类是采用自换相变流技术的静止无功补偿装置—一高级静止无功发生器(ASVG).目前静止无功发生器(SVG)得到了快速的发展并进入实用阶段。SVG己成为静止无功补偿技术的发展方向，是今后柔性交流输电系统的一个重要元件。它的主要功能是在电力系统中起到动态无功发生、无功补偿、电压支撑和改善系统电压稳定的作用。总的说来，静止无功发生散器由于具有响应速度快、可以在从感性到容性的整个范围内进行连续的无功调节，特别是在欠压条件下仍可有效地发出无功功率和在系统对称运行条件下所需储能电容容量较小，从而具有可以减小装置体积等优点，而得到了电力工业界越来越大的关注。因此本课题研究的无功补偿器为静止无功补偿器。二．静止无功补偿器的总体设计静止无功补偿器的主电路静止无功补偿器（ASVG）分为电压补偿器和电流补偿器两类。其简单主电路结构：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。静止无功补偿器的工作原理静止无功补偿器的主电路出来了，那么它是如何工作的呢？它的具体工作原理是什么？首先我们先看看SVG的工作原理图：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=o)，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。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(SinusoidalPulseWidthModulation)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SP