基于IEGT的静止无功发生器研究

2014-11-28李宇光付杰胡晓光

农业科技与装备 2014年7期

李宇光　付杰　胡晓光

摘要：概述静止无功发生器（SVG）的国内外研究应用现状，探讨其应用范围及工作原理，介绍基于IEGT的SVG补偿装置的结构设计思路及补偿方法，为快速有效进行无功补偿及维持电力系统稳定运行提供理论依据。

关键词：静止无功发生器；IEGT；设计；数学模型；主电路

中图分类号：TM761 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2014）07-0051-03

随着我国经济持续的稳定增长，人民生活质量水平显著提升，因此广大民众对用电质量提出了更高的要求。除要求供电安全可靠之外，还要求电压稳定、频率良好。特别是伴随着科技的进步，大量精密器件需要高品质的电能作保障。但在现代电力系统中，冲击性负荷的大量出现，对电能质量产生了极其严重的不良影响。目前，解决上述问题的最有效办法就是进行无功功率补偿。对无功功率进行及时、合理有效补偿，能够降低线损，提高电网系统功率因数，稳定系统电压，减少发、供电设备设计容量。静止无功发生器（SVG）作为FACTS技术最具有代表性的应用之一，也是无功补偿领域最先进、最有效的动态实时无功补偿技术，已成为建设智能化、清洁化电网不可或缺的重要部分。

1 SVG国内外研究现状

在1980年投入运行了全球首台SVG样机，它是由日本三菱电机公司与日本关西电力公司共同研制开发的。该样机采用晶闸管强制换相的电压型逆变器，设计容量为20 MVar。至此以后SVG迎来了飞速发展时期，1986年11月由美国研制成功并投入运行了全球首台以GTO晶闸管而作为逆变器开断元件的静止无功发生器。

我国对于静止无功发生器的研究起步较晚，与欧美、日等发达国家相比处于落后状态。但近些年来，静止无功发生器装置的研发在我国发展迅猛，取得了阶段性的突破。

2 SVG的应用范围和基本原理

在提高系统的暂态稳定性、维系电压稳定、阻尼系统振荡等方面，SVG无功补偿装置的效果大大优于同步调相机和静止无功补偿器等其他无功补偿装置。SVG无功补偿装置基于IGBT直接串联技术，目前已广泛应用于电力、矿山、冶金、风力发电等系统。

SVG可分为电压源型和电流源型，它们都并联于系统中，分别采用电容器和电感作为储能元件。SVG单向等效电路见图1。电源滞后及超前电压分别见图2和图3。

2.1 SVG电路组成结构

1）大功率电力电子开关器件（IGBT、IEGT）所组成的桥式电路，通过脉冲调制技术来控制功率器件的关断，把直流侧电压转变为一定频率、幅值与相位的交流电压。

2）直流侧电力电容器作为维系变流器正常工作的必要条件，为补偿装置提供一个稳定的电压支撑，使SVG直流侧呈现出低阻抗电压源的特性。

3）连接电抗器将逆变装置和电力系统耦合在一起，有滤波作用，可以滤除逆变器输出电压中的高次谐波，使SVG所输出电压波形无比接近于正弦波。

2.2 SVG数学模型建立

图4是SVG系统简化图，其中电网电压用三相电压源用U表示，主开关采用IEGT，各相损耗用等效电阻R表示；电感值用等效电感L表示。忽略逆变器交流侧电压谐波分量，电压A，B，C各相电压相等且呈现对称分布。

系统的三相电压为：

3 系统硬件结构设计

SVG系统设计结构图见图5。硬件部分由主电路、检测电路和控制电路三部分组成。主电路主要包括逆变电路、整流电路以及储能电容和滤波电感；控制电路包括电压过零检测电路、电流检测调理电路以及智能功率模块。整个系统集合了信号采样、驱动、检测、调制、主电路及电源等多种功能，补偿对象为三相电网和负载。

3.1 主电路设计

主电路设计采用AC-DC-AC的传统结构，主要包括功率开关器件（IEGT）的选取、直流侧所需电容器容量大小的选择计算、连接电网所需电抗器容量大小的选择等。SVG硬件设计各参数值见表1。

3.2 SVG系统软件电路设计

选择DSP所开发的软件工具CCS（Code Composer Studio）操作系统，集代码与源文件编辑、程序的调试、编译、跟踪与分析等多种功能于一体，且支持各种仿真器，编程支持包括汇编、C语言、C++以及三者的混合编程，可以让用户轻松的完成编辑、调试，数据分析等工作。主程序主要完成各变量的定义，并且对初始化、通用I/O端口的定义进行分配以及AD转换、数据采集单元寄存器的初始化等；当初始化操作完成后，将进入循环系统，从而等待中断的发生，进入空闲状态。这时候，通过共享存储区间内的各个功能模块变量的相对变化量，可辨别功能模块的进度与完成状况，相应的发出指令使各个模块稳定有序；之后，等待响应中断的发生。软件主程序模块流程见图6。

初始化的任务主要是对DSP控制板所固有的资源进行合理有效的配置。首先，它要完成A/D模块初始化设置、寄存器的常量与变量设置以及自动排序系统的正常触发模式等任务。其次，它需要完成捕获模块初始化，其中包括捕获单元合理设置，以及时钟分频和定时器的选择。再次，它要对管理模块进行初始化设置，其中包括正确设置I/O引脚、PWM引脚正确输出以及定时器时钟的计量设置等。软件系统初始化模块流程见图7。

4 结论

电力系统在实际运行过程中，电压三相不平衡问题始终是无法避免的，当三相不平衡额度较小时，对电网影响并不大，而当系统中三相不平衡额度过大时，将会对电网供电系统、用户端负载等造成严重的影响，造成线路耗损增大、中性点漂移和上升、发电机和电动机过热等一系列问题。尤其是最近国家一再提倡“节能、高效”的政策，因此更有利于无功补偿装置的发展。近些年，电力电子技术迎来了飞速发展时期，其在电网中的应用非常广泛，SVG作为FACTS技术最具有代表性的应用之一，是最有效的动态实时无功补偿设备，已成为建设智能化、清洁化电网不可或缺的重要部分。基于IEGT的SVG补偿装置的研究方法，可以快速有效的补偿无功，改善电网电压不平衡问题，从而优化电网电能质量。

参考文献

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