（电力电子与电力传动专业论文）不平衡系统中statcom的控制方法和主电路研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 a bs t r a c t t h r e e - p h a s ev o l t a g eu n b a l a n c e dd e g r e ei st h ev e r yi m p o r t a n ti n d e xo fm e a s u r i n g t h eq u a l i t yo fn e t w o r kp o w e r i nt h et h r e e p h a s e s y s t e m ，b o t hu n b a l a n c e do u t p u t v o l t a g eo fg e n e r a t o ra n du n b a l a n c e dl o a da r et h em a i nr e a s o n st h a tc a u s eu n b a n c e d o u p u tv o l t a g e w h e nu n b a n c e dv o l t a g ei sv e r yb a d l y , i tc o u l dc a u s el o r so fh a r m sf o r s y s t e m r e c e n t l y , s t a t c o mw i t hf a s td y n a m i cr e s p o n dv e l o c i t y , l i t t l ec u r r e n th a r m o n y a n ds m a l ld e v i c ev o l u m ei sb e c o m i n gm o r ea n dm o r ea p p l i c a t i o n f i r s tt h i sp a p e rs t u d i e dt h em a i nc i r c u i to fs t 芦汀c o mb a s e do ni g c t i ti s n e c e s s a r yt ou s ei g c ti ns e r i e sf o rg e t t i n gh i g ho u t p u tv o l t a g e d i f f e r e n c e so f c h a r a c t e r i s t i c sm a yc a u s eu n b a l a n c eo ft r a n s i e n tv o l t a g ed i s t r i b u t i o nw h e nd e v i c e s a r eu s e di ns e r i e s t h i s1 c a d st og e n e r a t i n go v e r v o l t a g eo fs o m ed e v i c e sa n dt h r e a t i n g t h e i rs a f e t y t h e yc a nb eb u r n to u tw h e nt h i n g sg os e r i o u s l y s oi t si m p o r t a n tt ou s e e q u a l i z e rc i r c u i tt om a k ed i s t r i b u t i o nb a l a n c eo fs e r i e ss t r u c t u r e t h i sp a p e rc h i e f l y s t u d i e dt h ed e s i g nf o ri g c ts e r i e sa v e r a g e v o l t a g ea n ds n u b b e rc i r c u i t i ta n a l y z e d s e r i e sa v e r a g e v o l t a g ec i r c u i t ，a tt h es a m et i m e ，i tc a l c u l a t e dt h ev a l u er a n g eo f a b s o r p t i o nc a p a c i t o ra n da b s o r p t i o nr e s i s t a n c e t h e ni tm a d ep s p i c es i m u l a t i o no f s n u b b e rc i r c u i t t h er e s u l to fs i m u l a t i o nv e r i f i e dt h ew o r k i n ge f k c to fa v e r a g e v o l t a g e c i r c u i t t h er e s u l t ss h o w e dt h a t ，t h ev a l u e so fa b s o r p t i o nc a p a c i t o ra n da b s o r p t i o n r e s i s t a n c ew e r ea p p r o p r i a t et op r o t e c ts e r i e so p e r a t i o no fi g c t i ta l s om a d ed e s i g n f o rp a r a m e t e r so fl0 0 k v a r 6 6 0 vs t a t c o m sm a i nc i r c u i t s e l e c t e dt y p eo fi g c t a n dm a i nc o m p o n e n t s i nt h i sp a p e r , w ef o c u so ns t u d y i n gt h ec o n t r o ls t r a t e g yo fs 仉盯c o mi n u n b a l a n c es y s t e m am a t h e m a t i c a lm o d e lo fs t a t c o mi se s t a b l i s h e db a s e do ni g c t a c c o r d i n gt ot h ec u r r e n tt r a n s i e n tm o d e lo fs t a t c o m w ec a r r i e do u tv o l t a g ea n d c u r r e n ts e q u e n c ed e c o m p o s i t i o na n dd qc o o r d i n a t et r a n s f o i t n a t i o n a n dt h e n e s t a b l i s ht h es t a t c o mm a t h e m a t i c a lm o d eo fp o s i t i v ea n dn e g a t i v es e q u e n c eu n d e r t h es t a t i cc o o r d i n a t e b a s e do nt h ee s t a b l i s h e dn e g a t i v es e q u e n c em o d e l w es t u d yt h e c o n t r o ls t r a t e g yo ft h es t a t c o mo nu n b a l a n c ec o n d i t i o n t h i sp a p e ra p p l i e s d e a d b e a tc o n t r o lt ot h es t a t c o mi m b a l a n c ec o m p e n s a t o r i na d d i t i o n w ei n t r o d u c e ar e f e r e n c ec u r r e n to b s e r v e ra n ds t a t eo b s e r v e rb a s e do nt h et r a d i t i o n a ld e a d b e a t c o n t r o la st h er e s u l to ft h ea c t u a lp r o b l e m sw h i c hw ee n c o u n t e r e dt oo p t i m i z et h e d e a d b e a tc o n t r o lm e t h o d ：s l o wc o n v e r g e n c e ，r e l yo naf i x e dl o a dm o d e l ，r o b u s t n e s s m a r g i n t h i sp a p e ri n t r o d u c eh o w t oi m p r o v et h es t r u c t u r eo fd e a d b e a tc o n t r o l l e ra n d d e s i g nt h er e l e v a n tc i r c u i ts p e c i f i c a l l y a n a l y s i sa n ds i m u l a t i o nt e s t i f i e dt h eg o o d p e r f o r m a n c eo ft h eu n b a l a n c ec o m p e n s a t i o n ，f a s td y n a m i cr e s p o n s ea n dg o o d r o b u s t n e s so ft h i sc o n t r o lm e t h o d k e yw o r d s ：s t a t i cs y n c h r o n o u sc o m p e n s a t o r ( s t a t c o m ) ，u n b a l a n c e dv o l t a g e ， i m p r o v e dd e a d b e a tc o n t r o l ，i g c t ，s e r i e sa v e r a g e - v o l t a g e ，o r d e r d e c o m p o s i t i o n ，o b s e r v e r l l 江苏大学学位论文版权使用授权书 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密雪。 学位论文作者签名：苏静为礴睁 j 2 0 0 9 年4 月2 3 日 一一断专 2 0 0 9 年4 月23 f 日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本沦 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者躲苏静蜀骛 日期：2 0 0 9 年4 月2 3 日 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论弟一早三百t 匕 随着现代科学技术的发展，现代电力系统中用电负荷结构发生了重大变化。 一方面，造成电能质量问题的非线性、冲击性负荷等因素不断增加，对供电电能 质量造成严重的干扰和污染；另一方面，由于大量电力电子装置的投入使用，对 电能质量及供电可靠性的要求越来越高。因此迫切需要改善电能质量的控制设备。 三相电压不平衡度是衡量电网电能质量的一个重要指标1 1 】。随着电力电子装 置的普及，电压不平衡对并网的电力电子装置的危害问题得到了更大的重视f 2 - 5 1 。 对整流性负载而言，不平衡的电压会在交流侧产生大量的非特征次谐波，如2 次、 4 次等【6 j 。同时，电压不平衡也会增加系统损耗，降低系统效率。因此，如何利用 各种电力电子补偿装置来抑制电网电压的不平衡，是近年来电能质鼍控制领域的 研究热点之一。 静止同步补偿器( s t a t i cs y n c h r o n o u sc o m p e n s a t o r ，s t a t c o m ) 是并联于电 网的电力电子装置。往往并联在负荷侧用于改善电能质量，并且可以根据负荷的 特点采用不同的补偿技术。本文研究在不平衡系统中s t a t c o m 的不平衡补偿技 术。 1 1 研究的目的和意义 为了减小不平衡电压对系统供电性能的影响，使得系统平衡化，许多不平衡 补偿装置被应用到电力系统中，对电能质量的调节起到了积极的作用。现在应用 最广泛的是静止无功补偿装置( s t a t i cv a rc o m p e n s a t o r - - s v c ) ，因其响应速度快， 价格适中，在电力系统中得以迅速的推广。但s v c 的缺点在于谐波成分大，需要 与滤波器配合使用，体积庞大。s t a t c o m 的应用克服了s v c 依靠大容量电容器 和电抗器、自身产生谐波、多台工作易谐振等缺点，能够快速补偿不平衡电压， 并具有动态响应快和平滑调节等优点。 1 1 1 不平衡电压的产生及危害 电压不平衡的最大原因是单相电压的供给，这种情况通常在个别用户使用大 江苏大学硕士学位论文 容量、不平衡单相负载时发生。另外，不平衡现象也可能由于三相电源带不同负 载，或足某些大型三相设备在不平衡电网条件下操作造成的，例如工业中的弧焊 等设备。负载不平衡会恶化供电系统的性能，导致电流不对称，增加了系统传输 线路的损耗以及整个系统的损耗，同时也造成了资源的浪费，减小了能源利用率 和设备使用寿命。三相不平衡的危害丰要有以下几点【7 8 】： ( 1 ) 低压网损增大 三相四线制低压网络，当三相负荷平衡时，其中性线电压和电流均为零，此 时中性线上不消耗电能；如果各相电流不平衡，则中性线上有电流通过，中性线 上消耗电能。所以三相负荷不平衡较平衡时能量损失增大。 ( 2 ) 增加了变压器的损耗 众所周知，变压器在运行中会有功率损牦，其中包括空载损耗和负载损耗。空载损耗随 着变压器运行电压的大小变化而变化，当变压器接于一定的电网上，其运行电压基本不变， 空载损耗可以看成是一个恒量。负载损耗随变乐器的运行负荷的变化而变化，与负荷电流的 平方成正比。 ( 3 ) 降低了变压器的出力 在不对称运行时，当一相( 或- - - - 市n ) 绕组满载时，另外_ 相( 或一相) 绕组为欠 载，因此变压器不对称运行出力将下降。 ( 4 ) 出现三相输出电压不平衡并给电网注入谐波 当变压器负载不对称时，变压器各相电流就不一样，因此在变压器各相内部 的电压降就不相等，从而造成三相输出电压不对称。当电网电压不平衡时，会有 很大的负序电流流过电力电子设备。 ( 5 ) 变压器温升增高 变压器负载不对称，会产生零序电流，变压器不对称程度越大这个零序电流 越大。在变压器内部，由于零序电流存在，铁芯中产生零序磁通，由于高压侧没 有零序电流，高压侧的零序磁通不能抵消低压侧零序磁通。其零序磁通只能经过 变压器的油箱壁及钢结构件通过。山于这些铡构件设计时不考虑导磁，故滞磁和 涡流损耗较大，滞磁和涡流在钢构件内发热，使变压器温升增高。 ( 6 ) 降低用电设备的效率 2 江苏大学硕士学位论文 由于变压器负载不对称引起的不对称电压，可以分解为正序、负序、零序三 个电压分量。当接入电动机以后，负序电压就会产生一个与正序电压相反的旋转 磁场，起到制动作用，使电动机的输出功率减少，效率降低。 1 1 2 不平衡补偿装置的发展现状 静止无功补偿装置( s v c ) 是目前实际应用最广泛的不平衡补偿装置。可以对 不平衡负载进行分相补偿。其典型代表是固定电容器+ 晶闸管控制电抗器( f i x e d c a p a c i t o r + t h y r i s t o rc o n t r o l l e dr e a c t o r - - f c + t c r ) ，并且晶闸管投切电容器 ( t h y r i s t o rs w i t c h i n gc a p a c i t o r - - t s c ) 也获得了广泛应用。t s c 只能分组投切，和 t c r 配合使用，连续调节无功功率，对系统不平衡负载进行分相控制，可以达到 平衡负载的目的【9 j2 1 。静止无功补偿装置( s v c ) 具有可以分相补偿、连续调节补偿 装置产生的无功功率，容量大、成本低、响应速度快等优点【l3 1 。但足，也有其固 有的缺点。s v c 补偿装置含有较多的无源器件一电抗器或者电容器，体积庞大。 并且，t c r 这些类型的s v c 本身还会产生低次谐波电流，也需要安装滤波器。 通常采用无源滤波器与s v c 并联使用，这样会增加成本，而且如果设计不仔细， 实际运行时有可能由于系统发生或接近于谐振而使某些谐波严重放大而不是衰 减。另外，s v c 的工作范围较窄，当系统电压降低到一定程度时，输出无功将随 着电压下降而下降，无法对系统提供足够的无功支持。 同样可以实现分相补偿的静止同步补偿器( s t a t i cs y n c h r o n o u s c o m p e n s a t o r - s t a t c o m ) ，也可以实现不平衡负载的平衡化补偿，是一利叱匕s v c 更先进的补偿装置。它产生于上个世纪8 0 年代，早期的s t a t c o m 也称为静止无 功发生器( s t a t i cv a rg e n e r a t o r s v g ) 或高级静止无功偿器( a d v a n c e ds t a t i cv a r c o m p e n s a t o r - a s v c ) ，也有的称为s t a t c o n ( s t a t i cc o n d e n s e r ) 。与传统的以t c r 为代表的s v c 装置相比，s t a t c o m 的调：箝速度更快，运行范围吏宽，而且在采 取多重化、多电平或p w m 技术等措施后可减少补偿电流中谐波的含量。更重要 的是，s t a t c o m 使用的电抗器和电容元件远比s v c 中使用的电抗器和电容元件 要小，这将大大缩小装置的体积和成本。s t a t c o m 是基于瞬时无功功率的概念 和补偿原理，采用全控型开关器件( 如g t o 晶闸管、i g b t 等) 组成白换相交流器， 辅之以小容量储能元件所构成的瞬时无功功率补偿装置。其基本原理就是将自换 江苏大学硕士学位论文 相桥式电路并联在网上( 或者通过电抗器与电网并联) ，通过调节桥式电路交流侧 输出电压的相位、幅值或者直接调节其交流侧电流，都可以使桥式电路吸收或发 出符合要求的无功功率，从而达到动态补偿的目的【1 4 - 16 1 。因为s t a t c o m 比s v c 的调节速度更快、运行范围更宽，所用电抗器的容量也大为降低，所以s t a t c o m 在改善电能质量方面具有十分广阔的市场潜力。 1 2s t a t c o m 的研究现状及发展趋势 s t a t c o m 是柔性交流输电系统( f a c t s - f l e x i b l ea ct r a n s m i s s i o ns y s t e m ) 的核心装置和核心技术之一，它集中了电力电子技术、智能控制技术和微电子技 术的优点。利用电力电子变流器进行无功补偿的可能性虽然早在2 0 年前就已经为 人们所认识，但限于当时电力电子器件的耐压和功率水平，无法制造出输电系统 中具有实用价值的装置。直到近年来，随着以g t o 、i g b t 和i g c t 为代表的全 控型器件向大容量和高频化发展，才极大的推动了s t a t c o m 的开发和应用。 目前为止国际上只有少数几个国家掌握了s t a t c o m 的应用开发技术。在国 外，1 9 8 0 年1 月日本关西电力公司与三菱电机公司共同研制出了世界上首台 s t a t c o m 的样机，它采用了晶闸管强制换相的电压型逆变器，容量为+ 2 0 m v a r 。 19 8 6 年1 0 月，由美国国家电力研究院( e p r i ) 和西屋公司研制的+ 1 m v a r 的 s t a t c o m 装置投入运行，这是世界上首台采用大功率g t o 作为逆变器元件的静 止补偿器；之后，同本关两电力公司与三菱电机公司又采用g t o 研制了+ 8 0 m v a r 的s t a t c o m 装置，于1 9 9 1 年投运，维持了该系统长距离送电线路中间点电压 的恒定，提高了系统的稳定性；1 9 9 6 年，一个基于4 5 0 0 v 4 0 0 0 ag t o 的 1 0 0 mv a rs t a t c o m 由美国电科院和西屋科技中心合作完成【1 7 1 ，在田纳西州沙 利文变电站投入试运行；1 9 9 7 年4 月德国西门子公司基于4 5 0 0 v 3 0 0 0 ag t o 开 发研制的8 mv a rs t a t c o m 在丹麦投入运行【1 8 】；英国国家电网公司( n a t i o n a l g r i dc o m p a n y ，缩写为n g c ) 在其4 0 0 k v 系统内安装了由法国a l s t o m 输配电公 司研制的基于7 5m v a rs t a t c o m 的静止无功补偿系统d 9 1 。 在我国，于1 9 9 4 年研制大容量s t a t c o m 被列为电力部重点科研攻关项目， 同年在电力部的支持下，由清华大学和河南省电力局合作共同研$ 1 j + 2 0 m v a r 的 4 江苏大学硕士学位论文 s t a t c o m f 2 0 】【2 lj 。为了进行基础理论研究，先研制了一台士3 0 0 k v a r 的中间工业试 验装置，该装置已与1 9 9 5 年8 月在清华大学并网运行成功，并在实际电网中经受 了电弧炉冲击负荷和1 0 电压不对称运行工况的考验【2 2 1 。1 9 9 9 年3 月，由清华大 学和河南省电力局合作共同研制的土2 0 m v a rs t a t c o m t 2 2 1 在河南朝阳变电站投入 运行【2 3 】【2 4 】【2 5 】，这是国内首台投入应用的大容量柔性交流输电装置。该装置不仪能 调节无功和电压，还可提高输电稳定性和输送能力。2 0 0 0 年上海电力公司和清华 大学合作研制一台士5 0m v a r 链式多电平s t a t c o m ，用于黄渡西郊变电站，以提 高系统暂态电压稳定水平。 目前国内外已投入运行的s t a t c o m 主电路拓扑主要有以下几方面的缺点： ( 1 ) 广泛采用基于g t o 的逆变器，其具有大电压、高频率的优点，但随着电力电 子技术的发展及对供电质量要求的提高，g t o 的，l ：关频率已经不能满足要求；( 2 ) 现有s t a t c o m 装置的工作模型基于线性对称负载，根据输入的补偿电流指令， 变流器如同同步发电机一样，产生相位与幅值可以迅速调节的基频分量对称的三 相补偿电流。但由于电力系统具有多种非线性和其负荷参数的不确定性，并且对 实际电力系统而言，s t a t c o m 装置更多的是运行在三相不对称条件下，因此， 这种稳态的工作模型在应用上存在着很大的不足；( 3 ) 从技术角度来看，目前国内 外己投入运行的s t a t c o m 大多都是采用多重化的主电路拓扑。变压器多重化方 式可成倍增加装置容量并降低输出凿波。然而，多重化变压器的价格非常昂贵， 约为成本的l 3 1 4 。 针对以上问题，s t a t c o m 在未来的工程应用的研究上呈现出了几个明显趋 势： ( 1 ) 不断采用新器件。i g c t 结合了g t o 和i g b t 的优点。i g c t 采用硬驱动 技术，它将门极驱动电路、g t o 芯片和反并联二极管集成为一体，结合了晶闸管 的低通态损耗和均匀关断能力两种优点，具有开关频率高、损耗小、无需关断吸 收电路、可用于串联等优点。同时，i g c t 还有成本低、复杂程度低以及高效率 的优势。 ( 2 ) 链式多电平主电路结构的引入。它增加了装置容量，引发了大容量化 s t a t c o m 技术的一次大飞跃。是向高压大容量方向发展的丰要趋势1 8 】。 江苏大学硕士学位论文 ( 3 ) 在低压配电系统中的应用。虽然受限于开发成本商的原因，这种小容量 s t a t c o m 暂时还没有大范围普遍应用，但随着电力电子技术的发展，尤其是开 关器件的发展和成本的降低以及未来电子设备对电能质量的要求越来越高，这种 面对配电系统的小容量s t a t c o m 将会有更广泛的应用范围。 1 3 各种电力电子器件在s t a t c o m 中的应用1 9 1 s t a t c o m 的核心器件是逆变桥各个桥臂上的电力电子器件。因此，可以说 电力电子器件的发展，直接关系到s t a t c o m 的发展与更新。经过几十年的发展， 出现了很多类型的电力电予器件。这些器件已被成熟地应用于低压和中压场合， 但是在高压场合，其应用仍受到一定的限制。晶闸管( t h y r i s t o r ) k 现于2 0 世纪5 0 年代，这以后的2 0 多年里，在电压不大于2 5 k v 的应用场合，晶闸管是唯一的选 择1 2 0 1 。但是，晶闸管的门极驱动仅在器件开通的瞬问起作用，其关断则需要通过 负载电流的换向来实现，所以当时基本上只能进行a c a c 或者a c d c 转换，一 旦涉及带d c d c 或者d c a c d c 转换，实现起来就相当麻烦。 1 9 6 0 年，门极可关断晶闸管( g t o ) 面世，但是直至7 0 年代后期，由于电压型 逆变器( v s i ) 电路拓扑的出现，g t o 才被引入高压大功率应用场合，并使逆变器 和工业电传动的性能得到显著改善1 2 1 1 。尽管解决了许多问题，但是从理论上来讲， 从晶闸管到g t o 只的进了一小步。这是因为，它们同为四层结构，通念时都工作 于擎住状态，因而具有高阻断电压下的低通态压降。而g t o 门极关断能力仅仅是 靠其精细的门极结构，即将整个晶闸管区域分割成众多的小晶闸管单元，细小到 足以通过负门极电流关断阴极的载流子注入。但是由于门极驱动技术的限制， g t o 的进一步应用受到严重制约。它要求在尽量小的门极电流上升率 ( d i d t 叫 p + x(um)x(um) (a)gto(b)gct 图2 8 引入缓冲层前后的内部磁场和电场变化图 采用基区穿通型设计后，在n p + 层之间引入+ 缓冲层，并降低一区掺杂浓 度。由于电场被+ 缓冲层阻挡，形成一个四边形电场分布( 图2 8 中曲线( b ) 所示) 。 这样采用较薄的硅片即可达到相同的阻断电压，从而提高了器件的效率，降低了 通态损耗和开关损耗。 ( 2 ) 透明阳极技术。在传统g t o 设计中，采用阳极短路技术可使导通中的器 件存储电荷在关断时快速释放。然而，阳极短路技术与缓冲层的结合造成极高的 触发和维持电流，为此，引入了透明阳极。透明阳极是一个发射极效率依赖电流 密度的薄的p n 结，其损耗和开通阈值电压都很低。小电流时，透明阳极的发射率 很高，因而g c t 要求