【正文】 本科畢業(yè)設(shè)計說明書 基于矢量控制的無功動態(tài)補償系統(tǒng)的設(shè)計 DYNAMIC VAR COMPENSATION SYSTEM DESIGN BASED ON VECTOR CONTROL 學(xué)院（部）： 電氣與信息工程學(xué)院 專業(yè)班級： 電氣 076 學(xué)生姓名： 陳練練 指導(dǎo)教師： 孫全才講師 安徽理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計 2 2021 年 6 月 6 日 基于矢量控制的無功動態(tài)補償系統(tǒng)的設(shè)計 摘要 無功補償 不僅可以為用戶節(jié)約用電、 穩(wěn)定電 壓， 而且能夠 降低輸電損耗和減少供電設(shè)備的容量。 雖然無功補償技術(shù)發(fā)展 至今 ，但在動態(tài)無功補償方面仍 存在一些問題有待解決。本文首先分析了當(dāng)前正在使用中的各種動態(tài)無功補償裝置的現(xiàn)狀，并在此基礎(chǔ)上提出了采用靜止無功補償發(fā)生器 (SVG)為核心的動態(tài)無功補償裝置。 數(shù)字信號處理器 TMS320LF2407 具有控制精度高，運行速度快和可靠性高等特點，十分適合于電能質(zhì)量動態(tài)補償裝置的控制。本文主要 討論了靜止無功補償發(fā)生器 (SVG)的原理，并在理論分析的基礎(chǔ)上，提出了基于矢量控制的 SVG 實驗裝置研究方案。重點探討了無功動 態(tài)補償裝置的結(jié)構(gòu)、控制方法，并以 DSP 芯片 TMS320LF2407 為主要的核心控制芯片設(shè)計了整個控制系統(tǒng)， 并使之 能夠滿足我們對實時 動態(tài) 補償?shù)男枨蟆? 目前電力系統(tǒng)中負(fù)荷功率因數(shù)偏低而且諧波污染也比較嚴(yán)重，這些問題都影響著電網(wǎng)的電能質(zhì)量。針對這種情況，論文中 還 設(shè)計了 LC 諧波濾波器，并給出了參數(shù)計算。 關(guān)鍵詞： 無功動態(tài)補償 ， 靜止無功補償發(fā)生器 ， 矢量控制 ， 諧波濾波器，DSP 安徽理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計 II DYNAMIC VAR COMPENSATION SYSTEM DESIGN BASED ON VECTOR CONTROL ABSTRACT Var pensation not only for the user to save electricity,stable voltage,but also can reduce transmission losses and reducing the capacity of power supply the development of reactive power pensation so far, but in the Dynamic Var Compensation ,there are still some problems to be resolved. This paper analyzes the current is being used in a variety of dynamic reactive power pensation device status, and based on this proposed generator using Static Var Compensation(SVG) as the core of the Dynamic Var Compensation devices. Digital the signal handler TMS320LF2407 has high precision, high running speed and reliability in high quality electricity, are suitable for the dynamic of the quality control. this paper mainly discusses the work principle of generator Static Var Compensation(SVG), in theory the analysis on the basis of the experiment of device SVG vector control research scheme. The key to the work of the structure and dynamic control method, and with a chip TMS320F240 DSP for the main core of the control of chip design Control system, to meet the demand for pensation for realtime and dynamic. The electricity system of the load power factor is low and that of harmonics pollution is serious relatively, all these problems affect the quality of power grid. Light of this situation, the paper also designed LC harmonic filters, and gives the parameters to calculate. KEYWARDS： dynamic var pensation， generator static var pensator， vector control, harmonic filter,dsp 安徽理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計 i 目錄 摘要 II ABSTRACT II 1．緒論 3 課題的意義 3 國內(nèi)外無功動態(tài)的技術(shù)概況 3 本設(shè)計所采用的方案 6 2．矢量控制相關(guān)的基本理論 7 PWM 整流器的基本原理 7 矢量控制理論 8 12 無功動態(tài)補償系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 12 無功動態(tài)補償策略 14 無功動態(tài)補償需求量的計算 14 補償裝置容量的計算 17 裝置設(shè)計 18 SVG 理論分析 18 主電路 18 主電路圖 18 整流變壓器設(shè)計 19 IGBT 開關(guān)器件的選擇 19 濾波電感、電容的選擇 19 交流回路斷路器選擇 22 IGBT 驅(qū)動電路的設(shè)計 22 控制電路設(shè)計 22 基于 DSP 處理器的控制圖 22 程序模塊組成 25 電壓、電流檢測電路及信號處理電路 31 控制電源 34 5．無功補償容量期望值的計算和設(shè)計 36 動態(tài)無功補償控制器綜述 36 交流電壓檢測電路 37 安徽理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計 ii 交流電流檢測電路 37 同步檢測電路 38 母線總斷路 器的選擇 38 6．濾波器的設(shè)計 38 諧波電流的產(chǎn)生及其計算 38 各次諧波濾波電路參數(shù)選擇 39 斷路器的選擇 40 總結(jié) 41 參考文獻(xiàn) 42 致謝 44 安徽理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計 iii 1．緒論 課題的意義 自從 1831年法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)定律以來，電能成為主要的二次能源，至今已有 170多年的歷史。 近 年來，隨著電力系統(tǒng)中非線性用電設(shè)備，特別是電力電子裝置的應(yīng)用日益廣泛，而大多數(shù)電力電子裝置的功率因數(shù)偏低，工作時 基 波電流滯后于電網(wǎng)電壓 ，要消耗大量的無功功率，給電網(wǎng)帶來了額外的負(fù)擔(dān)，嚴(yán)重地影響了電網(wǎng)的 供電質(zhì)量，因此提高功率因素已成為電力電子技術(shù)和電力系統(tǒng)研究領(lǐng)域所面臨的一個重大課題。 無功給電力系統(tǒng)帶來的影響主要有以 下幾點： （ 1）增加設(shè)備的容量。無功功率的增加會導(dǎo)致電流的增大和視在功率的增加，從而使發(fā)電機 、變壓器等各種電氣設(shè)備的容量和導(dǎo)線的容量增加。同時，也使得電力用戶的起動及控制設(shè)備、測量儀表的規(guī)格也要相應(yīng)的加大。 （ 2）設(shè)備及線路的損耗增加。無功功率的增加，使總電流增大，因而使設(shè)備及線路的損耗增加，這是顯而易見的。 （ 3）使線路和變壓器的電壓降增大，若是沖擊性無功功率負(fù)載還會使電壓產(chǎn)生劇烈波動，市 供電質(zhì)量嚴(yán)重下降。 （ 4）功率有所降低，設(shè)備容量利用少。 據(jù)有關(guān)部門的統(tǒng)計，我國供配電系統(tǒng)由于無功電源不足，使整個電網(wǎng)功率僅達(dá)到 ，安徽理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計 2 如欲達(dá)到先進(jìn)國家 ，尚需補裝大量的無功電源，這一問題解決后每年可以為國家節(jié)約大量電能，因此無功功率對供電系統(tǒng)和負(fù)載的運行都是十分重要的。在電力系統(tǒng)中，大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)元件和負(fù)載都要消耗無功功率，顯然，如果這些所需的無功功率都要有發(fā)電機提供并經(jīng)過長距離輸送是不合理的，通常也是不可能的。合理的方法應(yīng)該是在需要消耗無功功率的地方產(chǎn)生無功功率，即對無功功率進(jìn)行補償。 無功補償 的的作用主要有以下幾點： 提高供電系統(tǒng)及負(fù)載的功率因數(shù)，降低設(shè)備容量，減少功率損耗。 穩(wěn)定受電端及電網(wǎng)的電壓，提高供電質(zhì)量。在長距離輸電線路中的合適地點設(shè)置動態(tài)無功補償裝置，還可以改善輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高輸電能力。 在電氣化鐵道等不對稱的場合，通過適當(dāng)?shù)臒o功補償可以平衡三相負(fù)載。 目前，世界各國都將無功補償電網(wǎng)規(guī)劃的必不可少的一部分。然而我國與世界發(fā)達(dá)國家相比，無論從電網(wǎng)功率因數(shù)還是補償深度來看，都有較大差距。目前，日本、美國等發(fā)達(dá)國家補償度達(dá)到了 ，干網(wǎng)功率因數(shù)接近 ，而我國的補償度僅為 ，因此在我國大力推廣無功補償技術(shù)尤為迫切。 無功補償就其補償方式來說分為高壓補償和低壓補償。高壓補償通常就是在變電所高壓側(cè)進(jìn)行，僅能補償補償點前端的無功功率，對補償后的輸電線路和負(fù)載的無功功率起不到補償作用。低壓補償可直接補償輸電線路和負(fù)載的無功功率，補償效果最為理想。但在低壓補償時，負(fù)載具有分散大，數(shù)量多的特點，這就要求無功補償裝置成本低，操作方便，易于維護(hù)和安裝，而且必須能進(jìn)行無功補償。 目前，電力網(wǎng)中的負(fù)荷大部分是感性負(fù)荷，因此在電網(wǎng)中安裝并聯(lián)電容器可以供給感性電抗消耗部分無功功率。并聯(lián)電容器補償 簡單經(jīng)濟(jì)，靈活方便。但是如今的電力系統(tǒng)的用戶存在著大量無功功率頻繁變化的設(shè)備，如軋鋼機、電弧爐、電氣化鐵路等，這就要安徽理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計 3 求補償裝置能夠根據(jù)負(fù)荷的變化進(jìn)行動態(tài)補償。而并聯(lián)電容器只能補償固定無功，容易造成過補或欠補，無法滿足電力系統(tǒng)的實際需要，還有可能和系統(tǒng)發(fā)生諧振，導(dǎo)致諧波放大。因此，采用對電容器分組，利用微機進(jìn)行控制，根據(jù)負(fù)荷無功功率的變化，對電容器進(jìn)行自動投切，以實現(xiàn)對無功功率動態(tài)補償?shù)难b置，目前在國內(nèi)外得到廣泛的應(yīng)用 。 目前世界各國都在進(jìn)行智能電網(wǎng)的研究和建設(shè)，美國、日本先后都提出了各自的智能電網(wǎng)計劃，而且 新加坡已經(jīng)建立了具有自己特色的智能電網(wǎng)，我國國家電網(wǎng)公司也提出了建設(shè)堅強的智能電網(wǎng)的計劃，并已經(jīng)進(jìn)行了許多實踐。而解決目前電網(wǎng)尤其是低壓城網(wǎng)和農(nóng)網(wǎng)有功功率損耗大、壓降大的問題作為其中重要的一環(huán)，就擺在了我們的面前。采用高性能的無功功率補償裝置無疑是最切實可行的方法，就地補償負(fù)載的感性無功功率，減少無功功率在線路上的傳輸，降低 輸配電設(shè)備上的有功功率損耗和電壓降落，提高系統(tǒng)的輸配電能力。由此可見 ，本課題研究的動態(tài)無功補償裝置具有非常廣闊的應(yīng)用前景和巨大的市場潛力。 國內(nèi)外無功動態(tài)的技術(shù)概況 傳統(tǒng)的無功功 率補償裝置主要為同步調(diào)相機和并聯(lián)電容器。同步調(diào)相機雖然能進(jìn)行動態(tài)補償，但它屬于旋轉(zhuǎn)設(shè)備，運行中的損耗和噪聲都比較大， 由于價格問題， 目前依舊在現(xiàn)場使用，但在技術(shù)上已顯落后。并聯(lián)電容器補償簡單經(jīng)濟(jì)，靈活方便，有取代同步調(diào)相機的趨勢，但只能補償固定無功，還可能與系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振，導(dǎo)致諧波放大。 但是綜合各種原因， 目前， 傳統(tǒng)的無功功率補償 方式 在我國仍是主要的無功補償方式。 隨著現(xiàn)在電力電子技術(shù)在電氣傳動領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，相控技術(shù)、脈寬調(diào)制技術(shù)被引入到電力系統(tǒng)，與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)技術(shù)相結(jié)合，產(chǎn)生了近年來出現(xiàn)的新技術(shù) —— 柔性交 流輸電系統(tǒng)，其本質(zhì)就是將高壓大功率的電力電子技術(shù)應(yīng)用于電力系統(tǒng)中，以增強對電力系統(tǒng)的控制能力，提高原有電力系統(tǒng)的輸電能力。 安徽理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計 4 FACTS的多個類型都具有諧波抑制和無功補償能力。靜止無功補償器是它的一個類型，靜止無功補償技術(shù)是 20世紀(jì) 70年代以后發(fā)展起來的，是指用不同的靜止開關(guān)投切電容器或電抗器，使其具有發(fā)出和吸收無功電流的能力，用于提高系統(tǒng)的功率因數(shù)和穩(wěn)定系統(tǒng)的電壓等。目前這種開關(guān)主要是交流接觸器和電力電子開關(guān)。但用接觸器來投切會出現(xiàn)巨大的沖擊涌流，而且閉合時觸頭顫動導(dǎo)致電弧燒毀嚴(yán)重，現(xiàn)在靜止無功補償器一般專指使用晶閘管的無功補償設(shè)備。晶閘管投切電容器（ TSC）和晶閘管控制電抗器 (TCR)是其典型代表。 TSC補償器可以很好的補償系統(tǒng)所需的無功功率，如果級數(shù)分的夠細(xì)，基本上可以實現(xiàn)無級調(diào)速，瑞典某鋼廠的兩臺 100t電弧爐安裝 60Mvar的 TSC后，有效地使130KV的電網(wǎng)電壓保持在 15%的波動范圍。 TCR是用來吸收系統(tǒng)的無功功率的。瑞士勃朗 .鮑威利公司已經(jīng)此種補償器用于