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PWM无功补偿资料
摘要
随着现代电力电子技术的发展,无功补偿是涉及电力电子技术、电力系统、电气自动化等领域的重要课题,也是近年来各方面关注的热点之一。
本文在深入研究国内外无功补偿装置的基础上,提出了一种新型静止无功补偿装置。
补偿装置由主电路、检测电路、控制电路、驱动电路四部分组成。
检测电路通过乘法和加法运算,得到实时补偿的无功功率大小。
控制电路产生PWM脉冲,从而使装置实现跟踪补偿。
由于补偿后的电流与电压在相位上接近,即补偿后的功率因数接近l,所以达到了动态无功功率补偿的目的。
装置在电路设计上有如下特点:
主电路采用的功率开关管比以往使用的晶闸管器件在性能上有了很大的改善;检测电路是基于供电线路的瞬时电压、电流值进行瞬时无功功率的计算,方法简单、易于实现;控制电路采用PWM控制技术,在跟踪补偿电网无功功率时,产生的谐波很少。
本文对所设计装置的基本原理通过软件MATLAB进行了电路仿真。
通过仿真和实验,表明该装置的基本原理和方法是可行、有效的。
关键词:
无功补偿;可调电压源;PWM控制
Abstract
Withthedevelopmentofmodernelectricalandelectronictechnology,reactivecompensationisnotonlyanimportantsubjecttouchinguponelectricalandelectronictechnology,powersystem,electricalautomation,etc,butalsooneofthefocusproblemsinrecentyears.Anovelstaticdeviceofvarcompensationispresentedinthethesis,basedonresearchofvarcompensatorsathomeandabroad.
Thecompensationdeviceincludes4mainparts:
maincircuit,measuringcircuit,controlcircuitanddrivecircuit.Themeasuringcircuitcanachievereal-timereactivepowertobecompensatedbyusinghardwareoperations,suchasmultiplicationandsummation.Thedevicecanrealizetracingcompensation,becausePWM(PulseWidthModulation)pulseisproducedinthecontrolcircuit.Theelectriccurrentandvoltageareclosetothephaseaftercompensating,namelythepowerfactoriscloseto1,sothepurposeofdynamicvarcompensationisachieved.
Thecharacteristicsinthecircuitdesignedareasfollows:
MOSFET(Metal-Oxide-SemiconductorField-EffectTransistor)thatisusedinthemaincircuithasgoodimprovementatperformancethanSCR(SiliconControlledRectifier)thatisusedinthepast.Instantaneousreactivepowercalculatedinthemeasuringcircuitisbasedoninstantaneousvoltageandinstantaneouscurrentvalueofthesupplypowerline,thecalculatingmethodissimple,easytorealize.ThecontrolcircuithasadoptedPWMcontrollingtechnology.Thetechnologycanproductlessharmonicwhiletracingcompensationreactivepowerofelectricnetwork.
ThebasicprincipleofthedesigneddevicecircuithasbeensimulatedthroughsoftwareMATLAB,simulationandexperimentshowthatthebasicprincipleandmethodarefeasibleandeffectual.
Keywords:
ReactivePowerCompensationVariableVoltageSourcePWMControl
目录
1绪论1
1.1课题背景1
1.2无功补偿的现状1
1.3国内外现在使用的无功补偿装置2
2无功补偿装置的结构和原理5
2.1无功补偿的方法和补偿容量的确定5
2.1.1无功补偿的主要方式5
2.1.2确定无功补偿容量的方法5
2.2无功补偿的基本原理6
2.3可调电压源的电路结构9
2.3.1可调电压源的实现9
2.3.2PWM型无功补偿数学模型11
2.4装置的主电路结构12
3装置的算法与控制策略15
3.1无功补偿的控制方法15
3.2无功功率理论与无功电流检测16
3.2.1无功功率理论及其发展16
3.2.2基于电流分离法的无功电流检测方法17
3.3无功补偿控制策略18
3.3.1滞环比较控制方式19
3.3.2三角波比较控制方式20
3.3.3三角波比较方式和滞环比较方式的比较20
4装置软硬件的设计22
4.1硬件设计22
4.1.1主电路的设计22
4.1.2检测电路的设计25
4.1.3控制电路设计26
4.1.4驱动电路设计27
4.2软件设计28
4.2.1初始化模块29
4.2.2采样模块30
4.2.3数据处理模块30
4.2.4PWM控制模块31
5基于MATLAB的仿真分析32
5.1装置的仿真模型32
5.1.1检测模块33
5.1.2控制模块33
5.1.3补偿模块34
5.2仿真结果分析35
5.2.1控制调压电路仿真分析35
5.2.2感性负载突变补偿仿真分析35
结论37
致谢38
参考文献39
1绪论
1.1课题背景
在现代生活中,电能是最基本、最直接的能源形式,人们对电能质量和供电可靠性的要求越来越高。
世界各国都曾发生过多次电网瓦解电压崩溃,这些事故都促使人们采取各种措施以维持电网稳定,而系统中有效的无功补偿,并保持适量的无功余量是电网安全、稳定、经济运行的重要保障。
在电力系统中,许多用电设备均是根据电磁感应原理工作的,如配电变压器、电动机等,它们都是依靠建立交变磁场来进行能量的转换和传递。
为建立交变磁场和感应磁通而需要的电功率称为无功功率。
因此,所谓的“无功”并不是“无用”的电功率,只不过它的功率并不转化为机械能、热能而已。
供电系统的主要任务是输送有功功率,而为了实现有功功率的传输,一般也需要输送一定量的无功功率。
在工业用电中,异步电动机和变压器所需要的无功功率在电力系统所提供的无功功率中占有很高的比例。
此外,电力系统中的电抗器和架空线、电力电子装置等非线性装置、日常生活中的日光灯、以及工业用电弧炉等也都需要一定的无功功率。
无功功率使得这些装置的功率因数往往很低,给电网带来额外负担并影响供电效益。
因此,无功补偿就成为保证电网高质量运行的一种主要手段之一。
然而,我国和世界上的发达国家(美国、日本)相比,无论从电网功率因数还是补偿深度来看,都有较大的差距。
目前,美国、日本等发达国家补偿度达0.5以上,电网功率因数接近1.0,而我国补偿度仅为0.45。
我国的电网,特别是广大农村电网,普遍存在功率因数低,电网损耗较大的情况。
因此研究无功功率补偿对电网的安全经济运行有很重要的意义:
(1)解决现代电力系统中与无功功率相关的一系列新的技术问题;
(2)促进节能。
无功功率在电网中不断循环,造成很大的浪费。
如果无功功率问题处理得好,不仅节约电能,还可以减少系统变压器和输变电设备容量;
(3)通过研究无功功率测量,掌握无功功率的经济规律。
通过统计、理论分析和各项技术措施来达到经济运行的目的;
(4)保证电能质量,促使电力系统安全运行。
1.2无功补偿的现状
目前,国际上虽然有一些国家正在进行对电力电子装置本身进行改造的研究,也取得了一些成果,但只是针对新的电力电子装置的开发与研究,而对于大多数谐波源来说,通用的做法还是采用设置各种谐波补偿装置。
传统的无功功率补偿方法是设置无功补偿电容器,设置LC滤波器则是抑制谐波的传统方法,也是目前应用最多的方法。
随着电力电子技术的发展及其在电力系统中的应用,一些使用晶闸管的静止无功补偿装置(SVC)逐渐占据主导地位,如晶闸管投切电容器(TSC)和静止无功发生器(SVG)等。
在实际应用中,这些补偿装置对补偿无功和谐波达到了一定的效果。
近年来,由于计算机技术的发展,无功补偿技术已得到很大改进,无功补偿装置的发展己进入一个新阶段。
然而,许多电网仍存在补偿不足,调节手段落后,电压偏低,损耗增大等问题。
负荷无功补偿主要有以下几个问题:
(1)无功补偿容量不足。
在供电方面,公用变压器在全国大中小城市中大量存在,而且伴随着一户一表等城网改造的开展,还会大量增加。
由于资金缺乏及重视程度不够,公用变压器区内无功补偿容量严重不足,有功损耗大,公用变压器的利用率不高。
在用户方面,由于公用变压器区内低压用户很多,供电企业管理不便,低压用户感性负荷很大。
由于各用户没有统一的无功功率补偿,造成补偿不合理,效果不明显。
而且,在高峰时从电网接收无功过多,低谷时往往向系统倒送无功。
(2)无功补偿装置落后。
在无功补偿装置上,大量的装置采用采集任选一相的无功信号或一相电流另两相电压得出的无功信号并以此作为投切容量的依据,但这种方式只适用于以三相动力为主的配电区,它可能会对非采样相造成过补或欠补。
在投切容量的确定方面,往往以功率因数为参考,电容器分组投切,当功率因数滞后时,则投入一组电容器;当有超前的无功分量时,则切除一组电容器。
按组投切电容器,无功补偿的精度不高。
这些装置常因为电容器容量级差大而投切精度低或频繁投切。
(3)集中补偿占大多数。
集中补偿只能减少装设点以上线路和变压器因输送无功功率所产生的损耗,而不能减少用户内部通过配电线路向用电设备输送无功功率所造成的有功损耗。
由于用户内部的无功损耗没有减少,所以降损节电效果必然受到限制。
负荷所需的无功功率,仍然需要通过线路供给,依然产生有功损耗。
1.3国内外现在使用的无功补偿装置
传统的无功功率补偿装置主要是同步调相机和并联电容器。
同步调相机是早期无功补偿装置的典型代表。
同步调相机不仅能补偿固定的无功功率,对变化的无功功率也能进行动态的补偿。
至今在无功补偿领域中这种装置还在使用,而且随着控制技术的进步,其控制性能还有所改善。
但是它属于旋转设备,运行中的损耗和噪声都比较大,技术上己显落后。
由于实际中遇到的大多数的是感性负载,所以后来多采用低成本的电容器并联作为无功补偿装置。
电容补偿可以根据系统所需无功的多少,由控制系统自动地投切补偿电容,因此是一种性价比较高的无功补偿方法。
目前在电力系统多采用开关投切电容器或接触器投切电容器。
开关投切的电容器的补偿措施的缺点是不能细调且响应慢,投切过程中会产生涌流和过电压问题。
另外,接触器投切电容器较开关投切方式的响应时间短些,该种功补偿设备曾一度占领配电(10kV和380V)市场,特别是低压配电网。
但是由于它投切的随意性,并未解决投切中的暂态过程过电压造成的接触器触头燃弧烧毁,寿命极短问题。
同时,接触器式补偿设备的响应时间也较大,在某快速变化负荷的场合,可能反调,达不到动态补偿的目的。
因此,广义上而言,接触器式的动态无功补偿设备并未超脱开关投切的范畴。
20世纪70年代以来,同步调相机(SC,SynchronousCondenser)开始逐渐被基于半控型器件晶闸管(SCR)的静止型无功补偿装置(SVC)所取代。
虽然在FACTS概念形成以前SVC就己存在,但由于SVC采用的阀元件也是电力电子器件,因此也把SVC归于FACTS控制器。
早期的SVC静止无功补偿装置是饱和电抗器(SR,SaturatedReactor)型的,1967年英国GEC公司制成了世界上第一批该型无功补偿装置。
SR比之SC具有静止、响应速度快等优点;但其铁芯需磁化到饱和状态,因而损耗和噪声还是很大,而且存在非线性电路的一些特殊问题,又不能分相调节以补偿负荷的不平衡,所以未能占据SVC的主流。
电力电子技术的发展及其在电力系统中的应用,将晶闸管的静止无功补偿装置推上了无功补偿的舞台。
由于使用基于晶闸管的SVC具有优良性能,所以十多年来占据了SVC的主导地位。
因此,SVC一般专指使用基于晶闸管的静止无功补偿装置。
SVC是利用晶闸管作为固态开关来控制接入系统的电抗器和电容器的容量,从而改变输电系统的导纳。
按控制对象和控制方式不同,可分为晶闸管控制电抗器(TCR)、晶闸管投切电容器(TSC)以及两者的混合装置(TCR+TSC),或者TCR与固定电容器(FC)配合使用的静补装置(TCR+FC)等。
由于静止无功发生器采用了较大容量的全控型开关器件,其成本目前依旧较高,而且运行时需精确控制变流器交流输出侧电压的幅值与相位,控制方法复杂,所以这些新型无功补偿装置还无法大量推广使用[1]。
由以上概述可知,补偿无功功率的方法先后采用了同步调相机、并联电容器、静止无功补偿装置等,这些补偿装置的特性对比如表1.1所示[2][3]。
表1.1各种无功补偿装置的简要对比
同步调
相机
饱和电
抗器
TCR或FC+TCR
TSC
TCR+TCS
SVG
响应速度
慢
较快
较快
较快
较快
快
吸收无功
连续
连续
连续
分级
连续
连续
控制
简单
不控
较简单
较简单
较简单
复杂
谐波电流
无
大
大
无
大
小
分相调节
有限
不可
可以
有限
可以
可以
损耗
大
较大
中
小
小
很小
噪声
大
大
小
小
小
很小
前面谈到,随着电网的不断发展,对无功功率进行补偿、控制的作用变得越来越重要。
系统中有效的无功补偿,并保持适量的无功余量是电网安全、稳定、经济运行的重要保障。
本文完成的工作是设计一种新型的可以连续调节容性无功的连续动态补偿技术。
设计思路是将交流BUCK电压变换器与补偿电容串联直接并入电网,使补偿器能够输出连续变化的容性无功,对感性无功进行补偿,使电网的无功得到动态连续的改善。
并且不会出现过补或欠补带来的电压不稳定现象,零电流投入,不对电网产生附加谐波污染,响应速度快,控制易于实现。
2无功补偿装置的结构和原理
2.1无功补偿的方法和补偿容量的确定
2.1.1无功补偿的主要方式
无功补偿的方式主要分为三种:
就地补偿、分组补偿和集中补偿[2]。
(1)就地补偿。
指将补偿设备直接装设于用电设备附近,例如将补偿电容器直接并联于电动机的供电回路上。
这种补偿方式适用于需要补偿的无功容量较大,运行时间长并且远离供电母线的负荷,主要应用于大型电动机等补偿。
其优点是可以减少配电网和变压器中的无功流动从而减少有功损耗,还可以减少配电线路的导线截面积配电变器的容量。
缺点是用电设备停用后补偿设备就没有作用了,利用率比较低、投资大,并且对于运行在变速运行、正反向运行、反接制动等电机不适用。
(2)分组补偿。
指补偿设备接在分组配电母线开关外侧,适用于负荷比较分散且补偿容量又较小的电力用户。
其优点是有利于进行内部无功分区控制,实现无功负荷分区平衡,有利于降低损耗,补偿设备利用率较高,但维护上不方便,若补偿设备容量不可变,容易造成过补或欠补。
(3)集中补偿。
指将补偿设备装于变电站或用户降压变电站高压母线,也可装设于用户总配电室低压母线,适用于负荷较集中,离配电母线较近,补偿容量较大的场所。
在实际应用中,考虑到补偿的效果和经济效益,这种补偿方式使用的最多。
其优点是补偿设备利用率高,维护方便,在同等有功功率需求下,可有效减小需要的变压器容量,且当负荷变化时能起到调压作用,可以改善电压质量。
综上所述,三种补偿方式各有利弊,在实际使用中应该根据具体的情况分析,合理采用。
但是对于一般的配电网和电力用户来说,考虑到补偿的经济性和方便性,使用最多的还是在变压器出口侧进行集中补偿。
2.1.2确定无功补偿容量的方法
在进行无功补偿前,需要对系统所需要补偿的无功容量进行计算,以找出最佳的补偿容量,这样才能使得设备的成本较低并且利用率较高,做到经济性和技术性的统一。
一般来说,无功补偿的方法有如下几种[1]:
1.从提高功率因数来确定补偿容量
如果电网最大负荷日的平均有功功率为
,补偿前的功率因数为
,补偿后的功率因数为
,则补偿容量可用式(2.1)和式(2.2)计算:
(2.1)
或表示为:
(2.2)
应采用最大负荷日平均功率因数,
要在考虑经济效益的情况下选取一个适当的值。
比如将功率因数从0.9提高到1所需的补偿容量与将功率因数从0.72提高到0.9所需的补偿容量相同。
因此,在高功率因数下进行补偿其补偿效益将显著下降,所以如果没有特殊要求一般只需要补偿到比要求的功率因数稍微高一点即可。
2.从提高运行电压需要来确定补偿容量
一般来讲在配电线路的末端运行电压都较低,尤其是在重负荷、细导线的线路。
进行无功补偿之后,可以提高运行电压,这就产生了按提高电压的要求选择多大的补偿容量比较合理的问题。
此外,在电网电压正常的线路中装设补偿装置时,电压的压升不能越限。
根据这些约束条件,可以求出补偿容量和电压增量之间的关系。
当未进行补偿时,电网电压可用下式计算:
(2.3)
假设投入补偿装置之后,电源电压
不变,装设点母线电压
上升到
:
(2.4)
所以系统电压的变化
为:
(2.5)
可得需要的补偿容量:
(2.6)
另外,还有按从降低线损需要、年运行费用或者年支出费用最少等方法来确定补偿容量。
在实际使用时,可以根据实际的情况遵照其中一项或者几项标准来定最优的补偿容量。
2.2无功补偿的基本原理
本文为了实现无功的连续补偿,与传统方法不同,在固定电容的补偿支路串联一个可调电压源
,
是与电源电压U同相位、同频率的正弦交流电压,其大小可在0~U之间变化,以单相为例如图2.1所示[4]。
图2.1基于可调电压源无功补偿原理图
设补偿电容器的电容为C,则该支路产生的补偿电流Ic,及提供的容性无功功率Qc分别为:
(2.7)
(2.8)
定义该补偿支路产生的最大补偿电流
与最大补偿无功
,则:
(2.9)
(2.10)
显然,当
变化时,实际补偿的电流或补偿的无功均可连续变化,具体如图2.2所示。
根据理论分析知,可调电压源的容量
为补偿支路能提供最大无功的
,即:
(2.11)
图2.2无功连续变化示意图
为了提供较大补偿容量,同时又不过于增加因引入可调电压源而新增的成本,可采用混合式方案(如图2.3所示)[6]。
即将电网需要提供的无功
分为n级,其中第一级能提供0~
的连续可调节的无功,而其他n-1级均可提供固定的无功
。
通过第一级连续调节与其他(n-1)级投切,可实现0~n之间无功的连续调节而可调电压源的容量仅为:
(2.12)
图2.3混合式投切方式
除增加一可变电压源外,该技术可充分利用传统补偿装置的电容及切投开关,极适宜于对现有传统补偿装置的技术改造。
该技术既可用于产生容性无功也可用于产生感性无功,且对电网不产生谐波污染,已成功应用于低压领域。
2.3可调电压源的电路结构
2.3.1可调电压源的实现
从系统构成上说,基于可调电压源的连续无功补偿部分是系统的核心,而其中可调电压源的实现又可谓是该核心实现的关键所在。
本节就从此入手,确定一下可调电压源的最终实现方案。
可调电压源就是要能产生与电网电压同频、同相、幅值大小连续可调的电压。
考虑到,在调节功率因数时不允许附加谐波,可调电压源应具有较强的负载适应性。
对于无功补偿动态响应要求不高的电网,可以通过有触点的方案实现,即可由单相或三相自耦变压器产生[1]。
将自耦变压器的原边直接接在电网上,副边作为电压幅值连续可调的电压源与电容串联接在电网上,通过适当的控制电路改变自耦变压器滑动触头的位置便可获得所需的可变电压UV,保证电网达到设定的功率因数值,结构如图2.4所示。
图2.4自耦变压器实现结构图图2.5电力电子方案实现结构图
对电网无功功率需要进行快速动态补偿的情况下,可调电压源的实现要采用无触点的电力电子方案[5]。
以现有的开关滤波型电力电子电源为例,结构如图2.5所示,即电网电压经过交流斩波调压后,再通过低通滤波输出。
图中S为可关断的功率管(如:
MOSFET)组成的理想开关,当它按某一频率开通和关断时,即可控制每一个周期波内电源电压接负载的通断时间比,达到改变输出电压有效值的目的,而图中两个反并联的晶闸管分别在电网电压正、负半周时和S一起配合使用,保证S关断时电路存在续流回路。
综合比较上述两种方案看出,虽然无触点的电力电子方案设计和控制的实现相对比较复杂,但在性能指标和应用前景上明显优于前一种。
考虑对电网无功快速动态补偿,可调电压源UV采用无触点的电力电子方案,由AC_Buck电压变换器实现,其主电路拓扑结构如图2.6所示[4]。
图2.6可调电压源电路
其电路结构是基于直流Buck变换器,用两个双向导通开关、代替直流Buck变换器中的单向开关和续流二极管变化得到[8]。
采用PWM控制虚线框内所示双向导通开关S1、S2,通过S1、S2的交替导通对输入电压进行斩波,然后经过LC滤波后得到与输入电压ui同频同相的输出电压uo,通过控制开关S1、S2的开关占空比可使uo的幅值连续可调。
其中主开关S1、S2由单相整流桥,全控型开关器件(MOSFET)组成。
其等效电路与斩波原理如图2.6b、2.6c所示。
为了防止双向导通开关管S1、S2同时导通使短路,对开关管造成损坏,需设置必要的死区时间,故必须增加RCD缓冲电路以限制电流电压尖峰,因此在一个高频开关周期内,存在功率传输、死区和续流3种工作模式。
图2.7是以电阻负载为例,给出了输入电压正半周时的工作模式。
(1)如图2.7a所示,S1导通、S2关断,电路通过D1、T1、D4及Lf构成导通回路,输入电压向输出侧供电,电路工作在功率传输模式。
在S
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