【正文】 臺(tái) 50Mvar的 SVG在東京所屬新信濃變電所投入使用。美國電力研究院和西屋公司及美國 EPRI合作研制出到目前為止容量最大的 FACTS設(shè)備，由共享直流側(cè)電壓的并聯(lián)和串聯(lián)兩個(gè)基于大功率 GTO的電壓型逆變器組成，容量各位 177。 在我國， 90年代以前還沒有較全面的研 究成果，只是一些以清華大學(xué)為代表的科研機(jī)構(gòu)通過研究，做出了一些實(shí)際的工程，獲得了一定的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，并在理論上有了一定的發(fā)展。300kvar的 SVG,1999年清華大學(xué)和河南省電力局共同研制出具有工業(yè)應(yīng)用水平的采用GTO的 177。該裝置不僅能夠調(diào)節(jié)無功和電壓，還可以提高 輸電穩(wěn)定性和輸送能力。 表 11 各種無功動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置簡(jiǎn)要對(duì)比表 同步調(diào) 相機(jī) （ SC） 飽和電 抗器 （ SR） 晶閘管控制電抗器 (TCR) 晶閘管投切電容器 （ TSC） 混合型靜止 補(bǔ)償器（ TCR+TSC） 靜止無功發(fā)生器（ SVG） 響應(yīng)速度 慢 較快 較快 較快 較快 快 吸收功率 連續(xù) 連續(xù) 連續(xù) 分級(jí) 連續(xù) 連續(xù) 控制 簡(jiǎn)單 不控 較簡(jiǎn)單 較簡(jiǎn)單 較簡(jiǎn)單 復(fù)雜 諧波電流 無 大 大 無 大 小 分相調(diào)節(jié) 有限 不可 可以 有限 可以 可以 損耗 大 較大 中 小 小 小 噪聲 大 大 小 小 小 小 目前國內(nèi)外對(duì) 于 SVG的建模、控制模結(jié) 構(gòu)設(shè)計(jì)和不對(duì)稱控制等做了很多研究，但是至今仍有很多理論和實(shí)際應(yīng)用 的問題有待解決。而低壓無功補(bǔ)償中要求裝置體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于安裝和維護(hù)，因此 TSC 和 TCR 裝置非常適合于在無功就地補(bǔ)償領(lǐng)域推廣。 本設(shè)計(jì)所采用的方案 電力系統(tǒng)的負(fù)荷大多是感性的，會(huì)消耗無功電力，使得負(fù)載電流相位滯后于電壓，相角差越大，無功電力需求越大，要供給固定的有功功率，勢(shì)必提高電流而增加線路損耗。合理的方法應(yīng)該是在需要無功功 率的地方產(chǎn)生無功功率。 根據(jù)資料顯示，自 20 世紀(jì) 80 年代以來，國內(nèi)外已發(fā)表了大量關(guān)于靜止無功補(bǔ)償發(fā)生器的研究報(bào)告，并從不同方面對(duì)應(yīng)用靜止無功發(fā)生器進(jìn)行補(bǔ)償?shù)募夹g(shù)已日趨成熟。 SVG 的應(yīng)用范圍要比 SVC 大得多，這是 SVG 的一大優(yōu)點(diǎn)。這對(duì)于電力系統(tǒng)是非常有益的，而又是傳統(tǒng)的 SVC 裝置望塵莫及的。由于 SVG 采用的都是大容量的全控型器件，價(jià)格比 SVC的普通晶閘管要高得多， 但 隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展， GTO 和 IGBT 的普遍使用，必將 使 SVG 總共成本下降。 裝 置 項(xiàng) 目 安徽理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 鑒于此，本設(shè)計(jì)將以矢量控制技術(shù)為基礎(chǔ)，采用 SVG作為動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置，運(yùn)用 高性能的微處理器 DSP（ TMS320LF2407）作為控制芯片，并將結(jié)合控制電源、交流電壓電流檢測(cè)電路、直流電壓檢測(cè)電路、同步檢測(cè)電路以及驅(qū)動(dòng)電路等電路，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井提升機(jī)的動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償。 綜上所述，我認(rèn)為對(duì)于 SVG系統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行研究，研制出一種響應(yīng)速度快、自身產(chǎn)生的諧波少、 控制簡(jiǎn)單的 SVG 無功補(bǔ)償裝置 具有非常廣闊的經(jīng)濟(jì) 和社會(huì)價(jià)值。在電源電壓 abU 為正半周時(shí)，驅(qū)動(dòng) V3，使其導(dǎo)通，則 abU 經(jīng)交流回路電感器 L 短路， ai 增加。輸出能量的大小取決于 V3導(dǎo)通的時(shí)間。 三相橋工作在脈寬調(diào)制狀態(tài)，三相橋的交流側(cè)為被調(diào)制的三相交流電壓 upa 、 upb、 upc。在調(diào)節(jié) upa 、 upb、 upc的基波分量的幅值和相位時(shí)，可調(diào)節(jié)交流側(cè)電流的幅值和相位?；芈冯妱?shì)平衡方程 aa a padie R i L udt? ? ? （ 21） 式中： ae — a 相交流電源電壓； RaLaRbLbRcLcV1V3V5V4V6V2RLudOOC / 2C / 2PaPbPciaabc~安徽理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 ia — a 相交流電流； L — a 相回路總電感，含進(jìn)線濾波器電感、電源漏感； R — 交流回路總電阻； upa — a 相調(diào)制電壓。 (a) ia與 ea同相 (b) ia與 ea反向 (c) ia 超前 ea 90176。 圖 2– 3 調(diào)節(jié) upa時(shí)的 ea與 ia相量圖 a)整流狀態(tài)：相量圖的圖 23(a), paU 比 aE 滯后 δ ， aI 與 aE 同相，功率因數(shù)角 φ 為 ?0 。 b)逆變狀態(tài)：相量圖的圖 23(b), paU 比 aE 超前 δ ， aI 與 aE 反相，功率因數(shù)角 φ 為 ?180 。 c)容性 負(fù)載：相量圖的圖 23(c), paU 比 aE 滯后 δ ， aI 比 aE 超前 ?90 ，整流器為純?nèi)菪载?fù)載。 d)感性負(fù)載：相量圖如圖 23(d)所示 , paU 比 aE 超前 δ ， aI 比 aE 滯后 ?90 ，整流器為純感性負(fù)載。 矢量控制理論 對(duì)于 PWM 整流器的控制，主要是控制調(diào)制電壓 up。前者是通過對(duì)交流回路計(jì)算得到 up的大小和相位，后者是通過旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中計(jì)Laeaup aiaRIaEaULUP aUR.....o?IaEaULUP aUR.....o?IaEaULUP aUR.....oIaEaULUP aUR.....o安徽理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 算 up 的兩個(gè)分量 upd 、 upq。前者的技術(shù)性能不如后者。 借助于三相對(duì) 稱交流電源的空間電壓矢量概念，由三相交流電壓 ea、 eb、 ec合成以同步速 ω 旋轉(zhuǎn)的空間電壓矢量 E。在以 ω 速度旋轉(zhuǎn)的直角坐標(biāo)系 dq 中，定義 d 軸與 E 軸重合。 E 是空間電壓矢量的幅值，與相電壓幅值對(duì)應(yīng)。矢量圖如圖 24 所示。 同理，被調(diào)制的三相交流電壓 upa 、 upb、 upc 與經(jīng)坐標(biāo)變換得到的調(diào)制電壓空間矢量 up 的兩個(gè)分量upd、 upq之間的關(guān)系為 ： ? ? ? ?? ? ? ? ??????????????????????????????????pqpdpcpbpauuuuu????120s i n120c os120s i n120c oss i nc os32?????? (24) 三相交流電流 ia、 ib、 ic與經(jīng)坐標(biāo)變換得到的電流空間矢量 i 的兩個(gè)分量 id、 iq之間的關(guān)系為 ： ? ? ? ?? ? ? ? ??????????????????????????????????qdcbaiiiii 120s i n 120 c o s120s i n 120 c o ss i nc o s32?????????? (25) 由式 (23)～式 (25)求出 ea、 upa、 ia，然后代入式 (21)，可得 到： qdddpd LiRidtdiLEu ????? (26) dtdiLRiLiu qqdpq ???? ? (27) 式 (26)、式 (27)表示在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中調(diào)制電壓 upd 、 upq 與交流電源的電壓空間矢量的幅值 Ed 、電dqEd( E )aiφupup qθ0ωup d ?安徽理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 10 流有功分量與無功分量之間的關(guān)系 。 RSL ?L??RSL ??tg*di*qi++++dE *pdu+ qE+矢量運(yùn)算S P W M調(diào) 制A U R同 步 電 路*du du*pqu*pduup a*up b*up c*+電 壓 檢 測(cè)~UdUd檢 測(cè)?L? 圖 25 電壓閉環(huán)、電流開環(huán)的 PWM 整流器系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu) 若作為整流器使用，希望直流輸出電壓 ud穩(wěn)定，因此采用 ud閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)。調(diào)節(jié)器的輸出量表示期望的交流電流有功分量 id*。 若 φ *=0， iq*=0， 由式 (26)、式 (27)的運(yùn)算可得到在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的調(diào)制電壓 upd*、 upq*，經(jīng)矢量運(yùn)算得到三相調(diào)制電壓期望值 upa*、 upb*、 upc*，再經(jīng)正弦波脈寬調(diào)制電路，得到六相調(diào)制脈沖，去驅(qū)動(dòng) 六個(gè)橋臂的開關(guān)器件。 id、 iq檢測(cè)環(huán)節(jié)的原理是通過檢測(cè)三相交流電流 ia、 ib、 ic，經(jīng) 3/2 變換，旋轉(zhuǎn)變換得到 id、 iq。 ACQR 調(diào)節(jié)器是調(diào)節(jié) iq的，亦采用 PI調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器的輸出量 是 upq1*。 Ed、 ω Liq、 ω Lid為前饋控制量。采用電流閉環(huán)系統(tǒng)可克服上述缺點(diǎn)。根據(jù)電壓空間矢量的概念， ? 就是交流電源的相位角 wt 。 由式 (24)可得 ： ? ? ? ?? ? ? ???????????????????????????tuuuuuuupppppqpdpac o s32c o s32s i ns i nc o sc o s32s i nc o s32(211) 式中， pu — 三相調(diào)制電壓合成的電壓空間矢量的幅值。 0?qE安徽理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 12 當(dāng)采用式 (24)計(jì)算三相調(diào)制電壓的期望值時(shí)， ? 的起算點(diǎn)應(yīng)是 a相電源電壓的峰值處 ，據(jù)此，設(shè)計(jì)的 ? 檢測(cè)電路如圖 27 所示。經(jīng)軟件鎖相后，定時(shí)給出 ? 角的值。 由于 d軸與矢量 E重合， Ed=E， Eq=0。 1） LC濾波部分： 由于電力系統(tǒng)的負(fù)荷大部分是感性負(fù)荷 ,且電力系統(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(jī)、電弧爐、電氣化鐵路等，導(dǎo)致電網(wǎng)產(chǎn)生大量的無功功率，并出現(xiàn)嚴(yán)重的電網(wǎng)諧波污染。 通過 LC 諧波濾波安徽理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 14 器不僅可以濾除大部分的諧波，而且還可以對(duì)電網(wǎng)的無功功率進(jìn)行補(bǔ)償，能夠達(dá)到總補(bǔ)償無功功率的 40%?，F(xiàn)有的瞬時(shí)無功功率 Q 為負(fù)載無功與濾波器已補(bǔ)償?shù)娜菪詿o功合成。 3） SVG靜止無功發(fā)生器主電路控制部分： SVG靜止無功發(fā)生器承擔(dān)著總無功補(bǔ)償容量的60%。 總之， 當(dāng)負(fù)載電路中感性無功過大的時(shí)候，則諧波濾波器中會(huì)產(chǎn)生容性無功對(duì)其補(bǔ)償。 無功動(dòng)態(tài)補(bǔ)償策略 在三相對(duì)稱電路中，各項(xiàng)電壓、電流均為對(duì)稱，功率因數(shù)也相同。在三相電路中，影響功率因數(shù)的因素除電流和電壓的相位差、波形畸變外，還有一個(gè)因就是三項(xiàng)不對(duì)稱。可以看出即使三相都是電阻負(fù)載，只要三相不對(duì)稱，功率因數(shù)仍小于 1。在單相正弦電路或三相對(duì)稱正弦電路中，功率理論比較完善，各種概念很清晰。 而 另一種補(bǔ)償方式為瞬時(shí)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，根 據(jù)瞬時(shí)無功功率 Q，有功功率 P，期望功率因數(shù)，確定瞬時(shí)的無功的瞬時(shí)期望 ?Q ，以保證瞬時(shí)的 cos? =，本文采用的是第一種平均補(bǔ)償方式。已知 NP =1250KW，整流變壓器 NS =1600KVA，則根據(jù)已經(jīng)給出的圖 32可有如下計(jì)算： 1）有功功率： 在提升機(jī)的加速階段： 10P =10KW 11P =? eNT ? 2V = NP =1625KW 其中 10P 為加速階段剛開始時(shí)的有功功率， 11P 則是加速階段結(jié)束時(shí)的有功功率，而 2V 是等速段時(shí)的提升機(jī)的速度。 在減速段中： 30P = 30eNT ? 30V == NP 225KW 31P = 30eNT ? 4V = eNT ? 2V = NP =9KW 其中 30P 為減速段剛開始時(shí)的有功功率，則 31P 是減速段結(jié)束時(shí)的有功功率，而 30eNT 是 減速段時(shí)的轉(zhuǎn)矩， 30V 為減速段剛開始時(shí)的速度， 4V 是爬行段的速度。 根據(jù)以上各段的有功功率，可得出整個(gè)過程的有功功率 AVP ： KWPPPPPPP AV 6 21 0 0712248132 40313021110???????????eNTVP ??安徽理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 16 ttVV1 0 m / s1 36 1 7 3 8 0 1 0 01 36 17 3 8