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1、本科毕业论文能效测评系统中无功补偿方案设计 姓 名 学 院 光电信息与计算机工程学院 专 业 电气工程及其自动化 指导教师 完成日期 2013年6月上海理工大学全日制本科生毕业设计（论文）承诺书本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文） 是在导师的指导下，严格按照学校和学院的有关规定由本人独立完成。文中所引用的观点和参考资料均已标注并加以注释。论文研究过程中不存在抄袭他人研究成果和伪造相关数据等行为。如若出现任何侵犯他人知识产权等问题，本人愿意承担相关法律责任。 承诺人（签名）： 日 期：摘 要随着人类的快速发展，能源消耗的日益增多，人类发展与自然矛盾日益加大，能源和环境成为摆在人类面前亟待解决的
2、问题。在此背景下，旨在于合理、高效利用电力能源以及提高电能质量的能效测评系统应运而生。功率因数降低作为影响电能质量的三大公害之一，功率因数降低是因为电网中的负载产生大量的无功功率，提高功率因数必须对电网进行无功补偿，所以无功补偿成为能效测评系统的重要内容。 本文介绍了目前常用的静止无功补偿器（SVC）和静止无功发生器（SVG），通过分析，比较出静止无功发生器的优势所在。在第三章中，详细介绍了常用的瞬时无功检测方法p-q和ip-iq，通过理论分析和Matlab仿真验证得出ip-iq在电压畸变的情况下，仍能够无干扰的检测出瞬时无功电流，p-q法抗电压畸变效果较差。第四章中，分别建立了基于ip-iq
3、、p-q法来测取瞬时无功电流的静止无功发生器（SVG）模型，并通过仿真结果分析得出ip-iq、p-q法在电压无畸变的情况下，SVG补偿结果基本一样，但在电压畸变的情况下，基于ip-iq法的SVG补偿效果更好。ABSTRACT目 录中文摘要ABSTRACT第1 章 绪 论11.1引言11.1.1能效测评的背景11.1.2电能质量管理11.2无功功率的影响21.2.1无功补偿的作用21.3无功补偿的发展现状21.4本论文主要工作4第章无功补偿装置的原理52.1静止无功补偿器（SVC）52.1.1晶闸管控制电抗器（TCR）62.1.2晶闸管投切电容（TSC）92.2静止无功发生器（SVG）112.2
4、.1 SVG基本原理112.3 SVG与SVC比较13第3章 瞬时无功功率理论与测量方法133.1瞬时无功功率理论的发展历史143.2三相瞬时无功功率理论143.2基于瞬时无功功率理论的瞬时无功电流的检测方法分析与仿真153.2.1基于p-q理论的瞬时无功电流检测163.2.2基于ip-iq理论的瞬时无功电流检测173.2.3基于p-q理论和ip-iq理论的Matlab仿真与分析18第4章 基于瞬时无功功率理论的SVG Matlab仿真224.1 Matlab简介224.2 SVG电流直接控制的迟滞比较法224.3基于ip-iq法检测瞬时无功电流的SVG仿真234.4基于p-q法检测瞬时无功电
5、流的SVG仿真27第5章 结论与展望30第1 章 绪 论1.1引言1.1.1能效测评的背景随着我国经济的迅猛发展，工业企业开始迅速增加并不断壮大，现代社会的正常、有序、高效运转都必须依赖电力，电力开始在日常生活中起着无可替代的重要作用。据统计，我国能源消耗水平是发达国家的5-10倍，如果中国的人均能耗达到美国目前水平，那么我国的能源消耗总量将是146亿tce，而目前全世界的能源消耗总量也只有131亿tce，也就是说目前全世界能源供给都不够中国未来的消耗1。能源消耗的日益增加，人类发展与自然和谐矛盾日益加大，节约和高效使用能源成为摆在我们面前亟待解决的问题。而目前，常用的能效测评系统都是仅仅针对
6、单台用电设备的，而很少对整个电力系统开展测评和评估。并且，就目前而言，对整个电力系统的检测和管理，并实施电能优化管理方面，国内外都缺乏有效的技术手段。在实际的生产生活中，用电设备的效率可能非常的低，而我国电能能效测评的进展缓慢，尚未进行推广应用，综合来看我国的节能潜力很大。电力能效测评正是在此背景下应运而生。1.1.2电能质量管理电能作为目前最高效、方便的能源，提高电能的利用率和供电质量就显得尤为重要。在此背景下，产生了致力于提高电力资源合理、高效利用率以及电能质量的能效测评系统。能效测评系统是以数字化管理技术为基础，通过对不同能耗的设备安装相应的能耗计量装置，来实时采集用电数据，并进行远程传
7、输至控制中心，实现对用电情况的在线、实时检测和分析，为提出和制定合理、有效的节能方案提供数据依据。功率因数降低作为影响电能质量的三大公害之一，功率因数降低是因为电网中的负载产生大量的无功功率，提高功率因数必须对电网进行无功补偿，所以无功补偿成为能效测评系统的重要内容。就我国而言，生产生活中大量使用电动机、感应电炉、电弧炉、电焊机等设备，而且输电过程中大量使用的变压器，这些设备在运行中需要消耗大量的无功功率。并且电弧炉、电焊机工作在短路连接，短路连接会形成大量的冲击性无功功率，冲击性无功功率会造成电压波动，从而影响附近的用电设备。在输送同样多有功功率的前提下，无功功率越高，电网中的电流就越大，大
8、电流不仅造成线路损耗增大，而且，还会增加线路发热，加速电线的绝缘老化，同时线路压降增大，使得用户端电压偏低，如果，电网电压降为电网额定电压的70%，就会造成电网电压崩溃，造成停电事故，严重影响电网稳定运行。无功功率可由发电机提供，然后电网所需的无功功率全部由发电机提供，不仅减小发电机有功功率的输出，而且远距离大量传输无功功率从经济、和可行性角度上来说都是不现实的。1.2无功功率的影响无功功率是电气设备或系统正常工作的需要，它本身并不产生能耗，但当它在电网中传输时，会产生各种不良影响：1）无功功率增大了输电线路中的电流和增加视在功率，在线路电阻上产生额外的电能损耗，从而使变压器和发电器以及导线的
9、容量增加，增加了初次投入的费用。2）无功功率增大了系统供电容量，因而增大了线路和开关设备的规格以及变压器的容量需求。也就是，无功功率降低了线路和变压器的利用率。3）无功功率增大了线路电压降，如果是冲击性无功负载，还会使电压产生剧烈波动，降低电网的电压质量。在一般情况下，有功波动对电网影响不大，电网的电压波动主要是由无功功率引起的。4）对电力系统中的 发电机来说，无功电流的增大，对发电机转子的去磁效应增加，从而导致电压降低，为了达到电压恒定，则需要增大励磁电流，这样就会造成转子绕组温度升高，为了防止发电机的损坏，就必须减小发电机的出力。由上面，可以看出无功功率电力系统以及负载的稳定运行十分重要。
10、如果无功功率只由发电机提供，并进行长距离输送在经济上是不合理的，在技术上也是做不到的。因此，最合理的方法就是在需要消耗无功的地方提供无功功率，即进行无功功率补偿。1.2.1无功补偿的作用 无功补偿主要有下面几个作用：1） 稳定负载端以及电网的电压，提高供电质量。如果在长距离输电中的合适地点放置无功补偿装置，可以提高供电系统的稳定性。2） 减小视在功率，减小线路电流，降低设备容量，减少电网的线路损耗。3） 三相电路中可能存在负载不平衡，通过适当的无功补偿可以平衡三相电路的有功和无功功率。4） 提高发电机有功输出能力1.3无功补偿的发展现状电力系统中最早的无功设备是固定电容器，历经了固定电容器(F
11、C)、同步调相机（SC）、静止无功补偿器（SVC），直到静止无功发生器(SVG)的几个阶段。固定电容器（FC）的无功补偿的优点是原理简单、安装调试、运行维护方便，然而，它只能补偿固定的感性无功，不能跟踪负载无功需求的变化，对无功功率实施动态补偿；并且，如果系统中存在谐波，很有可能发生并联谐振，放大电网中的谐波，导致发生烧毁电容器的故障；同步调相机（SC）是传统的无功补偿装置之一，它是一种专门用来发出无功功率的同步电机，当输电线路负载过重时，让其过励磁运行，可以增加输电线路中滞后的无功电流分量，从而减少线路压降；在输电线路轻载运行时，让其欠励磁运行，吸收滞后的无功电流，可防止电网电压升高，从而维
12、持电压稳定；由于同步调相机是旋转运动的电机，因此会产生很大的损耗和噪声，运行和维护都很复杂，而且响应速度比较慢，所以，在很多情况下已无法适应实现快速无功控制的要求。早期的静止无功补偿器（Static Var Compensator，简称SVC）有自饱和电抗器（SR）。自饱和电抗器与同步调相机相比较，其具有静止型的特点，响应速度快，基本上和晶闸管控制电抗器相当；但是由于其磁化到饱和，存在高强度磁滞伸缩，因此其存在很大的损耗和噪声，而且存在非线性问题并且还不能分相调节来补偿三相负载的不平衡，所以没能成为无功补偿的主流；晶闸管投切电容器（TSC）随着电力电子器件以及计算机控制技术的发展在电力系统中得
13、到广泛的应用。与机械投切的电容器相比，晶闸管实现开关没有触点，所以其使用寿命几乎是无限长的，而且电容器的投切时刻可以被晶闸管精确控制，可以将电容器快速无冲击的接入电网，大大减少投切时的冲击电流。晶闸管投切电容器能够快速地跟踪冲击负荷的变化，实现动态无功功率补偿，同时减小电压波动，提高电能质量。晶闸管还具有不产生谐波、损耗较小的优点；然而，晶闸管投切电容器不能连续调节无功功率，只能实现分级补偿，而且电容器投切时的残余电压要和电网电压基本一致，所以，晶闸管投切电容器的响应时间较长，反应较慢，还有，TSC多用于低压配电系统。晶闸管控制电抗器（TCR）的优越性在于它能连续快速的调节补偿装置无功功率输出
14、，这种连续快速的调节是依靠调节TCR中晶闸管的触发延迟角来达到的。TCR的基本结构是两个反向并联的晶闸管与一个电抗器串联，再连接到交流电源u上，而TCR多接成三角形连接，这样有利于抑制谐波；由于TCR型无功补偿器只能提供感性无功，所以常将晶闸管控制电抗器（TCR）与固定电容性（FC）相组合。由于晶闸管控制电抗器（TCR）固定电容性（FC）响应较快而且能实现连续调节，所以得到广泛应用。静止无功发生器（SVG）也是一种电力电子器件控制的装置,是无功补偿领域的最新代表。其常用的电路就是三相桥式电压型或电流型变流电路，但目前主要使用的还是电压型。SVG和SVC差异较大，SVC需要使用大容量的电抗器和电
15、容器，而SVG采用全控型电力电子器件组成的桥式变流器来进行动态无功补偿，其直流侧只需要小容量的电容器即可。SVG通过调节桥式电路交流测输出的电压幅值和相位，或者直接控制其交流测电流，就可以实现电路吸收感性或容性无功功率，实现动态无功补偿的目的。不过，SVG虽然存在控制相对复杂，采用的全控型电力电子器件价格较高，同时，在运行中，开关损耗大以及成本高的缺点，但是SVG具有调节速度快，补偿范围宽，并且在采用PWM和多重化技术后大大减少补偿电流中的谐波，可以预料将来SVG将成为无功补偿的主流。1.4本论文主要工作本文简单介绍了电力能效测评系统，并详细分析了电力能效测评系统中无功补偿的意义。目前常用的静
16、止无功补偿器（SVC）和静止无功发生器（SVG），通过分析，比较出静止无功发生器的优势所在。在第三章中，详细介绍了常用的瞬时无功检测方法p-q和ip-iq，并且在Matlab/simulink环境下进行仿真分析。第四章中，分别建立了基于ip-iq、p-q法来测取瞬时无功电流的静止无功发生器（SVG）模型，并通过仿真结果分析得出ip-iq、p-q法在电压无畸变的情况下，SVG补偿结果基本一样，但在电压畸变的情况下，基于ip-iq法的SVG补偿效果更好。第章无功补偿装置的原理现在主要的无功补偿装置大致可以分为两类，一类是静止无功补偿器（SVC），一类是静止无功发生器（SVG）。静止无功补偿器又可以
17、分为晶闸管控制电抗器型（TCR）、晶闸管投切电容型（TSC）、机械投切电容型（MSC）、以及固定电容（FC）。一般静止无功补偿器都是组合使用，比如TCR+TSC或是TCR+FC。目前，静止无功发生器（SVG）是无功补偿领域的前沿技术，以其快速、补偿范围宽、补偿精度高，而成为当前无功补偿领域研究的热门技术。2.1静止无功补偿器（SVC）1967年，世界上第一批饱和电抗器型静止无功补偿装置在英国GEC公司诞生。美国的西屋电气公司在美国电力研究院的支持下于1977年制造并试验运行了用晶闸管控制的静止无功补偿器。此后，虽然，瞬时无功功率、瞬时无功电流的理论以及无功补偿原理得到了很大的发展，并且一些电气
18、公司也推出了一系列无功补偿装置，但是，只有少数的几个公司能够真正掌握晶闸管控制电抗器的技术，例如德国的SIMENS，瑞士的ABB、美国的CANA公司、日本的FUJI公司等，并且他们还推出了相对比较成熟的规格化产品。如今，在国内的供电系统中，用于高电压、大功率的环境下的静止无功补偿器基本上还是国外的产品。例如在湖南云田、广东江门、辽宁沙岭、河南小刘以及湖北凤凰山（2套）的大容量SVC中，就有3套是ABB公司的产品。随着国内生产生活水平的不断提高，电气设备在日常生活中起着至关重要的作用，这些设备的稳定运行对电能质量提出了更高的要求，国内一些厂家也开始研制TSC型的无功补偿器，不过大多数还是低压型为
19、主，但也有一些研究高压型的产品，这些单位有中国电力科学院、鞍山荣信公司、北京金自大正公司、保定三伊公司、西安电力电子研究所、深圳波宏公司等。 电力科学院已经开发生产出动态响应时间小于15ms，并且可以直接挂于5KV电压的高压TCR型SVC装置。这套补偿装置采用DSP的全数字化控制器，具备快速响应、高精度控制的优点，串联连接的高压晶闸管阀，能够承受更大的电压和电流，并且采用的国外高质量的阀元件和水冷散热器，光电触发方式、高电位板高压取能、晶闸管BOD保护，增强了系统的抗干扰能力，提高了系统的可靠性。系统的多功能自动化扩展接口，还提供了远程自动化操作的功能。 中国最大的SVC厂商荣信，专业研制开发
20、的SVC型无功补偿产品，技术指标达到国际先进水平，拥有国内唯一的SVC高压全载试验中心，特有先进的全系列自冷及风冷结构，与国际同类进口产品相比具有最优性能价格比，他们的产品在国内已取得广泛的应用。1998年，国家发展计划委员会还立专项在荣信建立国内第一条SVC重点工业性示范生产线，能生产电压等级为635KV、TCR额定功率为6180Mvar、调节系统响应时间小于10ms的TCR型SVC装置。但是，从总体上看， 国内对无功功率实时补偿、自动调节的研究还比较落后，与国际先进技术相比还存在一定的差距，并且对高电压的无功补偿器的研究也处在起步阶段，加速无功补偿器的国产化，对推广国产补偿器，提高电能质量
21、，具有深远和长久意义。2.1.1晶闸管控制电抗器（TCR）图2-1所示的是单相的晶闸管控制电抗器（TCR）的结构，它就是由电抗器与两个反并联的晶闸管串联而成。这里的晶闸管就像一个开关一样，当电流在正半波时T1导通，在负半波时T2导通。图2-1晶闸管的触发角是从晶闸管开始承受正向阳极电压时刻起，到施加触发脉冲时止的点角度，用表示，当小于90时，由电力电子知识可知，电流中引入了直流分量，使得两个晶闸管不能对称运行，所以晶闸管的触发角在90到180之间。作为半控型的电力电子器件，晶闸管只能在电流过零点时关断，所以，晶闸管一旦导通，任何大小变化的触发角，只能在下一个周期有效，所以对于50Hz的电网来说
22、，最快改变触发角也要10ms。当晶闸管的触发角为90时，晶闸管完全导通，电抗器等同于直接挂在电网上，此时电流为连续的正弦波，无功补偿器发出最大的感性无功；当触发角在90到180之间时，电流出现断续，无功补偿器提供的感性无功随着触发角的增大而减小。当触发角达到180时，电流为0，相当于TCR从电网上断开。通过改变触发角，改变通过TCR的电流，相当于改变TCR的电纳，从而改变TCR发出的感性无功。图2-2分别给出在Simplorer5.0软件环境下单相TCR在触发角为95和130情况下的流过电抗器的电流大小的仿真图。=95 =130ITCRVL VVT 图2-2 不同触发角TCR的电流电压波形（1
23、） TCR的补偿特性和谐波分析单相的TCR补偿电路的电源电压表达式为： u(t)=2Usint （2-1）；期中U为电源电压的有效值，为电源电压的角频率，L为电抗器的电感，则流过TCR的电流由微分方程表示： Ldidt - u(t) =0 (2-2);假设电路的初始条件有 i（t=）=0，则由式（2-1）和（2-2）解得： i(t)= 2 UL（cost-cos ） （2-3）；上式中是晶闸管的触发角，即晶闸管两端电压从负变到正时起一直到触发晶闸管时的电角度。 对式（2-3）进行傅里叶分解： i=12 a0 +n=1，2，3，4（ancosnt+bnsint） (2-4);由于，电流的表达式满
24、足f(x)=f(-x)，呈现偶对称性，所以bn=0，又因为电流的表达式还满足f(x)=f(xT2)，符合流过TCR的电流没有偶次谐波和直流分量，只存在奇次谐波。 a1=10f(t)cost dt =2UL（sin2-2+2） （2-5）； an=10fntcosnt dt =2UL（2n+1sin（n+1）-2n-1-4ncos sinn） （n=1，3，5） （2-6）；TCR基波分量有效值: I1=12（a12+b12） =UL（sin2-2+2） (2-7)；于是，可以得到TCR基波等效电纳： B（）=I1U =1L（sin2-2+2）= - sinL （2-8）；由式（2-8）可以看出
25、TCR基波的等效电纳与晶闸管触发角成非线性关系，并且等效电纳还可以看作是受控制的可变电纳，当改变时TCR的等效电纳就会改变，所以，可以控制晶闸管触发角的大小，来改变TCR输出的感性无功功率。TCR电流的其它各次谐波的有效值可以求得：In=12（an2+bn2）=UL（2n+1sin(n+1)-2n-1-4ncos sinn）（n=1，3，5） (2-9);从式（2-8）和（2-9）可以看出，TCR也是谐波源，在TCR正常工作时将产生大量奇次谐波，由两式可以得出下图2-3（其中I*=1UL），由图可知各次谐波对应比例的最大值，也随着触发延迟角的改变而不同。图综上可知，TCR的基波等效电纳可以连续
26、调节，可以为电网提供连续可变的感性无功，但是，TCR也是谐波源，向系统注入大量奇次谐波，会对电网造成谐波污染，降低电能质量，给供电系统带来负面影响，所以必须，采取措施，减少或消除谐波的影响。2.1.2晶闸管投切电容（TSC）图2-4 晶闸管投切电容器原理图图2-4是晶闸管投切电容器的原理图，从图上可以看出，TSC一般是由降压变压器、晶闸管、电容器组和控制器组成，其基本工作原理就是，利用两个反并联的晶闸管构成的交流无触点开关将单组或是多组电容器投入到电网或是从电网上切除。电容器是一种电压不能突变的电气元件，所以电容器不能随时投入电网，必须当电网电压和电容器的残压相等时，电容器才能投入电网，因此，
27、TSC不能像TCR那样通过控制触发角的大小来改变等效电纳，只有通过分组投切电容器，所以，TSC不能连续调节，只能实现有级调节。为了对无功功率尽量做到无级调节，总是希望设置的电容器的级数越多越好，然而在实际应用中并不追求这种灵活方式，因为当电容器分级越多控制越复杂，控制起来就越困难，故障率就会显著增加，所以一般根据实际需求选用恰当的分级级数。在实际的应用中电容器支路一般会串联电抗器，如图2-5所示。支路串联电抗器是为了限制因晶闸管误触发或发生事故的情况下引起合闸涌流抑制高次谐波，限制短路电流。当串联电抗器主要是为了抑制谐波时，其参数应根据实际存在的谐波情况进行选择。目前，串连在电容器上的电抗器，
28、其电抗百分数主要分为一下四种类型：0.5%、4.5%、6%、12%13%。选择0.5%电抗百分数的电抗器，主要是为了限制电容器的合闸涌流；采用电抗率为4.5%或者6%的串联电抗器，可以用于抑制5次以上的谐波电流；采用电抗率为12%13%的串联电抗器，可以抑制3次以上的谐波电流。由于串联了电抗器，提高了电容器端的电压，所以应该选择电容器的额定电压高于电网的额定电压，用来确保电容器的长期、高效运行。在选择电抗器时，由于空心电抗器限流效果好，但是价格较高，而铁芯电抗器限流效果较差，却价格低，所以在选择电抗器时要综合衡量技术和经济要求。晶闸管、电容器、电抗器的串联一般分为两种连接，如图2-5，（a）为
29、电抗器前置连接，这种连接串联的电抗器本体对地绝缘，当串联的电抗器与电容器发生对地短路或者电容器组发生击穿，串联电抗器将承受短路电流和电源电压，因此，电抗器的动、热稳定要求与断路器相同，其额定电压与电源额定电压相同。（b）为电抗器后置，此时电抗器对地是半绝缘，对其动、热稳定要求可以降低，但是在支路发生对地短路时，由于串联电抗器被旁路，使滤波器支路阻抗增大，造成短路电流小于滤波器正常工作电流，以致继电保护系统无法识别这种短路故障而形成保护死区，所以，在晶闸管投切电容器中电容器支路串联电抗器一般采用电抗器前置方式。（a） （b）图2-5由于当电容器投入电网后，晶闸管一般可认为处于完全导通的状态，所以
30、通过电容器的电流不存在断续，所以，与TCR相反，TSC不但不会产生谐波，而且由于电感的存在与电容器形成滤波器，可以起到一定的滤除电网谐波的功能。TSC虽然随着电力电子器件性能的提高有了一定的发展，而且具有噪声小无谐波的有点，但是由于它动态响应时间较长，只能实现有级容性补偿，并且不能直接接于超高压，而且运行维护复杂，所以很难成为未来无功补偿的主流。2.2静止无功发生器（SVG）1980年1月，日本关西电力公司与三菱电机公司共同研制的SVG样机，投入运行，该SVG采用了晶闸管强制换相的电压型逆变器，容量达到20Mvar2。1986年10月，美国的西屋公司和电力研究协会投入运行了共同研制的1MVA的
31、SVG设备，是当时世界上第一台使用大功率GTO作为逆变器的SVG设备3。日本关西电力公司和三菱电机又于1991年成功研制80MVA的SVG设备并在犬山变电站152KV的电网中运行，达到了维持电压恒定、提高系统稳定的效果4。之后，世界各大电力公司相继推出自己的SVG设备。而我国的静止无功补偿器发展于上世纪90年代，目前，我国的部分高校以及电力企业和研究院开始研究FACTS设备技术，但是大多局限于数学、物理模型的建立研究，因此，我国还需对SVG的给予更多的关注和研究。2.2.1 SVG基本原理（a） （b） （c）图2-6 （a）为不考虑损耗的单相等效图（b）电流超前吸收容性无功（c）电流滞后吸收
32、感性无功静止无功发生器（SVG）是指由自换相的电力半导体桥式变流器来进行发生和吸收无功功率的无功功率动态补偿装置。图2-6（a）是SVG不考虑电感和线路损耗的单相等效图，设电网电压Us，SVG电压为USVG，则电感的电压可以用电网电压和SVG电压的相量差表示，则通过电感的电流I可以表示为： I=Us-USVGjL （2-10）；有上式可以看出电流I的大小和相位可以通过USVG大小和相位的改变而改变，电流I实质上就是SVG从电网上吸收的电流。假设电网电压和SVG电压同相位，则当USVG大于Us时，电流超前电压90，SVG吸收容性无功，当USVG小于Us时，电流滞后电压90，SVG吸收感性无功，所
33、以可以通过USVG的改变达到无功补偿的目的。 图2-6没有考虑电抗器损耗，如果考虑电抗器及其他损耗则如图2-7所示。由图2-7可以看出I和USVG间的相位仍然是90而I与Us之间相位差则小于90，比90小角，所以是电网发出一定的有功功率来提供电路的损耗，角也就是电源电压与SVG交流侧电压的相位差，所以可以通过改变SVG输出交流电压的大小和相位来改变输出的电流，以达到无功补偿的目的。图2-7（a）为考虑损耗的单相等效图（b）电流超前吸收容性无功（c）电流滞后吸收感性无功图2-8电压型SVG结构原理图图2-8是电压型SVG结构原理图，该装置由直流侧电容和IGBT电压型逆变器组成，T1T为全控型电力
34、电子器件IGBT，D1D为续流二极管，如果把直流侧的电容换成电感，则成电流型SVG，如果是电流型SVG需要给直接侧提供大电流，但是目前制造大电流变流器还很困难，所以目前主要都是选用电压型SVG。2.3 SVG与SVC比较（1）SVG和SVC都可以采用数字控制技术，但是，SVG采用IGBT全控型电力电子器件不同于SVC一般采用的半控型电力电子器件晶闸管，所以SVG响应速度更快、控制更加灵活。（2）对于感性的负载SVC进行无功补偿时，并需要并入大的电力电容，而SVG对电容的容量要求不高，这样就可以省去SVC装置中的大电感和大电容及庞大的切换机构，使SVG装置的体积更小、损耗更低。（3）SVG接入电
35、网需要连接电抗器，其作用主要是为滤除电流中的高次谐波，并且将SVG与电网相连，因此，这个电感并不大，远远小于补偿相同无功的TCR所需要的电感。（4）SVC装置中能实现连续无功调节的只有TCR，所以，SVC要实现连续调节一般都是将TSC或FC与TCR组合使用，由TCR的特性可知，TCR在工作时，将产生大量谐波，尤其是5、7次谐波，能占到基波值的5%到10%。而SVG完全可以采用多重化、多电平或PWM技术来消除低次谐波，使谐波达到可以接受的程度5。（5）SVG直流侧如果采用大电容或是直接采用直流电源，在补偿无功的同时，还可以对有功功率进行调节，这是SVC无法达到的。正是由于SVG那么多的优势，SV
36、G正逐步取代SVC，成为现代无功补偿的发展方向和研究热点。本文也将对SVG进行仿真研究。第3章 瞬时无功功率理论与测量方法 在谐波电流和无功电流影响下，电能质量受到很大的影响，为了改善电能质量，实时补偿无功功率，必须要对瞬时无功功率或者瞬时无功电流进行实时、准确、快速地检测。三相电路的瞬时无功功率理论自上世纪80年代提出以来得到了广泛的应用。瞬时无功功率理论打破了传统的平均值定义功率的禁锢，系统地提出了瞬时有功和无功功率，并以此为基础得出了瞬时无功电流的检测方法，本章主要介绍p-q和ip-iq两种检测瞬时无功电流的方法。3.1瞬时无功功率理论的发展历史传统的无功功率理论都是建立在平均值的基础上
37、，这种理论对于单相正弦电路和三相平衡的正弦电路的无功功率概念非常清晰，但是，对于含有谐波和三相不平衡的电路，却无法准确描述。所以建立起完善、准确、同用的无功功率理论相对重要。 科学界对功率理论的争论可以上溯到上世纪二、三十年代，Budeanu和Fryze分别提出了基于频域和时域的功率定义，频域分析法，是利用傅里叶分解，将电压、电流分解为不同频率的分量，而时域分析法，是将负载电流分解为两个正交的分量，一个相位与电压一致，一个与电压正交，与电压相位一致的为有功电流，正交的为广义无功电流。之后，各种理论相继推出。尤其，80年代功率理论更是层出不穷，为了解决无功功率实时补偿中要求对无功准确、快速测量的
38、要求，1984年日本学者Akagi H最早提出了瞬时无功功率概念。1991年以来，科学界曾多次举办关于非正弦电路的功率定义和测量的研讨回忆，但是直到目前仍未找出一个公认的能彻底解决问题的理论或方法6。3.2三相瞬时无功功率理论赤木提出的理论被称为p-q理论，该理论建立在瞬时有功功率p和瞬时无功功率q的基础之上。设三相电路的各相瞬时电压分别为ua、ub、uc，三相瞬时电流为ia、ib、ic， 分别把电压和电流变换到-两相正交的坐标系上，通过变换可以得到在-坐标系上的瞬时电压u、u和瞬时电流i、i； uu= C32 uaubuc （3-1） ii= C32 iaibic （3-2）式中C32=23
39、 1-12-12032-32 图3-1 -坐标系中电压电流矢量如图3-1在-坐标系中电压、电流矢量分别可以合成电压和电流矢量u和i： u=u+u=uu (3-4)i=i+i=ii (3-5)式中，u、i为矢量u、i的模，u和i分别为矢量u、i的相位角。三相电路中瞬时有功电流和瞬时无功电流，分别表示为矢量i在u上和其法线上的分量： ip=icos （3-6） iq=isin （3-7）其中=u-i则三相电路的瞬时有功功率为瞬时电压和瞬时有功电流的乘积，瞬时无功功率为瞬时电压与瞬时无功电流的乘积： p=e ip （3-8） q=e iq （3-9）结合（3-6）、（3-7）、（3-8）、（3-9）
40、可用矩阵表达出瞬时无功功率和瞬时有功功率： pq =uuu-u ii （3-10） 3.2基于瞬时无功功率理论的瞬时无功电流的检测方法分析与仿真 利用瞬时无功功率理论检测瞬时无功电流是瞬时无功功率理论的经典应用，它成功解决了难以检测瞬时无功电流的问题。瞬时无功电流检测的成功应用大大促进了瞬时无功功率理论的进一步发展。最初，该理论是以检测实时有功功率p和实时无功功率q为基础，所以称之为p-q理论，后来在此基础上，又发展为基于ip-iq的检测方法，一般称为ip-iq理论。下面将主要分析这两种检测方法。3.2.1基于p-q理论的瞬时无功电流检测 假设三相供电系统的电压没有发生畸变，而电流含有谐波，以
41、a相为例： ia = iac + iaf （3-11）上式中iac为a相基波电流，iaf为a相谐波电流。经过瞬时无功功率理论-变换后： ii=23 1-12-12032-32 iaibic (3-12) i、i 都含有由基波分量和谐波分量变换而得的部分，不妨设ic、ic 是由电网电流的基波分量转换得来，if、if 是由电网电流的谐波分量转换而得，则：ii=ic+ific+if （3-13） 同理，瞬时电压经过瞬时无功功率理论-变换后：uu=23 1-12-12032-32 uaubuc (3-14) pq =uuu-u ic+ific+if = p+pq+q （3-15） 当电力系统满足电压正
42、弦且三相对称，电流中含有谐波时，可带入上式计算，由上式可以得到电网电压与基频电流产生的功率的直流分量p和q，电压和谐波电流产生的交流功率分量分别为p、q。如果想得到基波功率分量，只要对p-q进行低通滤波，取其直流分量，再进行反变换，即可得到三相电流的基波分量。图3-2基于p-q理论的检测方法图如果，只需要检测无功电流，只要对p进行反变换，就能得到基波无功电流。由上面的检测原理可以看出，基波无功电流的检测精度很大程度上受到电网电压的影响，所以，当电网电压存在畸变时，无功电流的检测存在很大误差，则这个时候，p-q检测方法不适用。3.2.2基于ip-iq理论的瞬时无功电流检测 p-q检测方法不适用于
43、电压畸变的电网，当电网电压发生畸变时，可以采用不涉及电网电压的检测方法，ip-iq就是一种不涉及电压量的一种瞬时无功功率理论。定义一个矩阵：C=sint-cost-costsint （3-16）上式中的正弦信号和余弦信号与电网电压的a相一致，可以通过锁相器（PLL）和正余弦发生器取得。图3-3坐标系中的电压和电流矢量图3-3表示三相瞬时无功电流为瞬时电流矢量在瞬时电压法线方向上的投影，瞬时有功电流为瞬时电流矢量在电压矢量上的投影。则有： ip =icos（1- 2） （3-17） iq= isin（1- 2） （3-18）由（3-16）、（3-17）、（3-18）可以得到： ipiq =sint-cost-costsint ii