摘 要

随着经济社会的快速发展，电力网络的规模也在不断地扩大。由于电动机和变压器等感性负载在电力系统负载中占有较大的比例，电网规模扩大的同时也会因此而产生出一些尖锐的问题，例如功率因数低下、系统谐波以及三相不平衡等等。为了避免这些问题，人们在电力网络上加装了无功补偿装置，从而有效解决这些问题，提升了电能质量。早期的无功补偿装置主要是同步调相机和并联电容器，而后人们研发出了更为先进的基于晶闸管的静止无功补偿器，如今最为先进的无功补偿装置是基于可关断器件IGBT的静止无功发生器，它已经成为未来无功补偿装置进一步深化研究的方向。

本文首先介绍了无功补偿的基本原理、主要原则和具体作用，然后沿着无功补偿装置的发展历史，依此对各种无功补偿装置进行了简要的阐述，紧接着文章对它们的电路拓扑结构进行了分析讨论。然后本文探讨了基于IGBT的SVG控制策略，再接着根据SVG控制系统的设计要求完成对SVG控制系统总体框图的设计以及主电路设计。最后，文章根据SVG系统的总体框架，依次对每一个组成部分进行电路设计。

综上所述，针对基于IGBT动态无功补偿器的控制系统硬件设计，论文主要完成了以下工作：

1. 论文完成了SVG控制系统的总体方案设计。
2. 论文完成了SVG的主电路设计，它包括了多重化结构、钳位式多电平结构和级联式多电平结构。
3. 论文完成了SVG控制电路设计，它包括了采样调理电路、控制处理电路、驱动电路以及系统供电电路设计。

关键词：无功补偿;静止无功发生器;控制策略;电路设计

Abstract

With the rapid development of economics and society, the size of the power network is also constantly expanding. As the motor and transformer and other inductive load in the power system load occupies a large proportion of the scale of the power grid, some sharp problems will also be produced, such as low power factor, system harmonics and three-phase imbalance and so on. In order to avoid these problems, people in the power network installed on the reactive power compensation device, so as to effectively solve these problems and improve the power quality. Early reactive power compensation devices are mainly synchronous motor and parallel capacitors, and then people developed a more advanced thermistors based static var compensator, and now the most advanced reactive power compensation device is based on the device that can be turned off the static reactive power generator, it has become the future of reactive power compensation device to further deepen the research direction.

In this thesis, the basic principle, main principles and concrete functions of reactive power compensation are introduced, and then briefly introduces the various reactive power compensation devices along the development history of the reactive power compensation device, and then follows the circuit. The topology is analyzed and discussed. Then, this paper discusses the SVG control strategy based on IGBT, and then completes the design of the overall block diagram of SVG control system and the design of main circuit according to the design requirements of SVG control system. Finally, according to the overall framework of the SVG system, the article completes the design of each component in turn .

In summary, the hardware design of the control system based on IGBT dynamic reactive power compensator has completed the following work:

(1) The thesis completes the overall design of SVG control system.

(2) The thesis completes the main circuit design of SVG, which includes multiple structure, clamped multi-level structure and cascaded multi-level structure.

(3) The thesis completes the design of SVG control circuit, which includes sampling and conditioning circuit, control processing circuit, driving circuit and system power supply circuit design.

Key words: Reactive power compensation; static reactive power generator; control strategy; circuit design

目 录

第1章 绪论 1

1.1 课题研究背景和意义 1

1.2 无功补偿的原理原则及作用 2

1.2.1 无功补偿的原理 2

1.2.2 无功补偿的原则 4

1.2.3 无功补偿的作用 4

1.3 国内外研究历史和现状 5

1.4 本文的主要研究内容 7

第2章 无功补偿装置的拓扑结构 8

2.1 同步调相机和电容补偿器 8

2.2 静止无功补偿器 10

2.3 静止无功发生器 11

2.4 本章小结 12

第3章 SVG控制策略的研究分析 13

3.1 电流间接控制 13

3.2 电流直接控制 14

3.3 本章小结 14

第4章 SVG系统总体方案设计 15

4.1 系统的总体设计要求 15

4.2 系统的总体框架设计 15

4.3 主电路设计 16

4.3.1 多重化结构 16

4.3.2 钳位式多电平结构 17

4.3.3 级联式多电平结构 18

4.4 本章小结 20

第5章 SVG控制系统电路设计 21

5.1 采样调理电路设计 21

5.1.1 交流电压采样调理电路 21

5.1.2 交流电流采样调理电路 22

5.1.3 直流电压采样调理电路 22

5.2 控制处理电路设计 23

5.3 驱动电路设计 24

5.4 系统供电设计 25

5.4 本章小结 26

第6章 总结与展望 27

6.1 研究总结 27

6.2 未来展望 27

参考文献 28

致 谢 29

第1章 绪论

1.1 课题研究背景和意义

本课题是基于IGBT动态无功补偿器的控制系统硬件设计。通过查阅相关文献资料，了解动态无功补偿器的拓扑结构及其工作原理，在此基础上对主电路和控制系统进行硬件设计。

在当今社会，社会经济快速发展，科技水平日益提高，随之而来的结果是不断增长的电力负荷与不断扩大的电网规模。在这些负荷当中，感性负荷占据了很大的比例，它们主要是由异步电动机和变压器等含有电容电感的用电设备组成。这些用电设备在正常工作时，无功功率变化较为频繁^[1]。

在电力系统当中，电压是衡量电能质量的一个重要指标，电压过大或过小都会对用电设备造成影响，轻则导致设备不能正常工作，重则会影响到整个电力网络的运行安全。而事实上，电压质量和无功功率的分布与平衡有着密切的联系。异步电动机在电力网络中所占比重较大，以其为例，它的无功功率和端电压的关系如图1-1所示。