（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp的statcom的研究与设计.pdf

a b s t r a c t 硕士论文 a b s t r a c t b a s e do nt h ew o r kt h e o r yo fs t a t i cv a rc o m p e n s a t o r , c o n s i d e r i n gt h es t a t u sq u ot h a t 1 1 i g hs w i t c hf r e q u e n c yl e a d st ol a r g ew a s t e ，i ti sn o te x a c tt or e f l e c td i f f e r e n tw a s t ew i t ha r e s i s t a n c e ，t h i sw i l la f f e c tt h ep a r a m e t e rd e s i g no ft h ec o n t r o l l e r t h i sp a p e ri m p r o v e st h e o l dm a t h e m a t i cm o d eb a s i n go nd e t a i l e d l ya n a l y z i n gd i f f e r e n tw a s t e ，t h ei m p r o v e dm o d e m o r ea c c o r d sw i t ha c t u a lw a s t e i nv i e w o ft h ea b s e n c eo ft h er e s e a r c ho fl a r g ec a p a c i t ys t a t i c s y n c h r o n o u s c o m p e n s a t o rm a i nc i r c u i tc o n f i g u r a t i o n ，t h i sp a p e rd e e p l yr e s e a r c h e ss e v e r a lt y p i c a lm a i n c i r c u i tc o n f i g u r a t i o n sw h i c ha r ef i tf o rl a r g ec a p a c i t ys t a t c o m ，t h eo u t p u tv o l t a g e e x p r e s s i o n sa n dw a v e f o r m so fd i f f e r e n tm a i nc i r c u i tc o n f i g u r a t i o n sa r eg i v e n ；s e v e r a l m a t e r i a lw a y sa n dg e n e r a ll a w sa b o u te n l a r g i n gc a p a c i t ya n de l i m i n a t i n gh a r m o n i ca r e s u m m a r i z e d ；b e s i d e s ，t h i sp a p e rd i s c u s s e sa n dc o m p a r e st h ea d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g e o fs e v e r a lm a i nc i r c u i tc o n f i g u r a t i o n s b a s e do nt h et h e o r yo fi n s t a n t a n e o u sv a t , t h i sp a p e ra d o p t sip i qw i t h o u tp h a s el o c k l o o pt od e t e c t ，n o to n l yt h i sm e t h o di sn o tr e s t r i c t e db yt h ea b e r r a n c eo fv o l t a g ef r e q u e n c y , b u ta l s ot h eb a s a lw a v ed e t e c t e db yt h i sm e t h o di se x a c ta n de f f e c t i v e b a s e do nt h i s ，t h i s p a p e rp r o p o s e st h ec i r c u i td i r e c tc o n t r o lw i t h o u tp h a s el o c kl o o p t h es i m u l i n km o d ew a sc o n s t r u c t e di nt h ee n v i r o n m e n to ft h em a t l a b s i 町l i n k t h i sp a p e rs i m u l a t e dt h es t a t i ca n dd y n a m i ct r a i t so fs e n t i m e n t a la n dc a p a c i t i v el o a d s t h e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ec i r c u i td i r e c tc o n t r o lw i t h o u tp h a s el o c kl o o pt h a tt h i s p a p e rp r o p o s e dc a nm e e tt h ed e s i r eo f v a rc o m p e n s a t i o n t h eh a r d w a r ew h i c hi s r e q u i r e dw a sa m p l yd e s i g n e di nt h i sp a p e r , t h ec i r c u i t d i a g r a m sr e l a t e dw e r ea l s og a v e b a s e do nt h ec h i po fd s p2 812 ，t h i sp a p e rd e s i g n e dt h es o f t w a r eo fs t a t c o m 、v i t l l c l a n g u a g ei nt h ee n v i r o n m e n to fc c s2 0 0 0 ，t h ef l o wc h a r t sc a nb es e e ni nt h i sp a p e r a tl a s t ，t h i sp a p e rm a d es o m ee x p e r i m e n t sc o r r e l a t e d 晰t l lh a r d w a r ec i r c u i t s b e s i d e s ， t h es t a t c o mw h i c hw a sd e s i g n e db yt h i sp a p e rw a se x p e r i e n t e di nt h el a b ，t h er e s u l t s h o w st h a tt h ec o m p e n s a t i n ge f f e c ti sg o o d k e yw o r d ：s t a t c o m ，m a t h e m a t i cm o d e ，m a i nc i r c u i t ，w i t h o u tp h a s e l o c k l o o p ， s i m u l i n k ，d s p2 8 1 2 i i 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除- t ) j 口以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名：j 星童毋年名月咖 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名 笪二量 府年二月溯 研究生签名： ! ! 窆：立沿年厶月溯 硕上论文 基于d s p 的s t a t c o m 的研究与设计 1 绪论 1 1 无功补偿的意义 工业和生活用电负载中，阻感负载占有很大的比例，异步电动机、变压器、荧光 灯等都是典型的阻感负载，这些阻感负载是产生无功功率的主要因素。电力电子装置 如相控整流器、周波变换器、多重逆变器在工业和生活中的广泛应用，也产生了大量 无功功率，由于其功率因数低，给电网带来了沉重的负担。此外，这些大功率电力电 子装置还会产生大量的谐波电流。 无功功率对公用电网的影响主要表现在以下四个方面： 1 ) 增加设备容量。无功功率的增加会导致电流和视在功率的增加，从而使发电 机、变压器等各种设备的容量和导线的容量增加； 2 ) 设备及线路损耗增加。无功功率的增加，使总电流增大，因而使设备及线路 的损耗增加； 3 ) 使电路和变压器的电压降增大，若是冲击性无功功率负载，还会使电压产生 剧烈波动，使供电质量严重下降； 4 ) 功率因素降低，设备容量利用少。 而谐波会降低设备寿命，对设备的工作造成严重的干扰，在电网中引起局部谐振， 导致继电保护和自动装置误动作。 可见减小无功功率和消除谐波势在必行，也是提高电能质量的必要因素。 无功补偿是维持现代电力系统的稳定与经济运行所必须的，它对供电系统和负载 的运行都是十分重要的。网络组件和负载所需要的无功功率必须从网络某个地方获 得。显然，这些无功功率由发电机提供并经过长距离传送是不合理的，通常也是不可 能的。因此，合理的方法应当是在需要消耗无功功率的地方产生无功功率，即进行合 理的无功补偿。无功补偿的作用主要有以下几点： 1 ) 提高供用电系统和负载的功率因数，降低设备容量，减少功率损耗； 2 ) 稳定受电端及电网的电压，提高供电质量。在长距离的输电线中合适的地点 设置动态无功补偿装置还可以改善输电系统的稳定性，提高输电能力： 3 ) 在电气化铁道等三相负载不平衡的场合，通过适当的无功补偿可以平衡三相 的有功及无功负载。 因此在电力系统中适当的位置安装具有快速、灵活并能在正负两个方向( 容性和 感性) 调节无功功率的装置，对电力系统有很大的意义。 1 绪论 硕上论文 1 2 无功补偿装置的发展 从电力系统诞生开始，无功补偿装置就得以应用。历经了几代的发展，无功补偿 装置已经发展到s t a t c o m 时代。 随着电力系统的发展，各种并联补偿装置不断出现：如采用机械投切的电容器和 电抗器对系统进行无功补偿，改善系统的电压水平。由于机械投切电容器或电抗器会 造成较大的冲击，且惯性大，动作时间在秒级，满足不了电力系统对快速性的要求， 人们开始在负荷中心安装同步调相机。 同步调相机可以平滑地调节无功功率，而且既可以吸收也可以发出无功功率，因 此具有较强的补偿控制功能，对调节负荷中心的无功功率平衡和维持负荷中心的电压 水平有重要的作用。但是由于电力系统发电、输电、配电和用电必须同时完成，系统 要处于动态的平衡状态，电力系统的瞬时不平衡可能导致安全稳定问题，因此要求无 功功率补偿装置具有快速的响应，如达到周波级的响应速度，才能用于处理系统的问 题；同时由于同步调相机是旋转设备，运行维护都很复杂，响应速度也慢，且随着负 荷中心地区对环境要求的提高，旋转设备带来的噪声问题也使居民越来越不满意。 随着大功率电力电子技术的发展，采用高压大容量快速的电子开关代替传统的机 械开关已成为必然趋势。2 0 世纪7 0 年代，出现了一系列晶闸管投切并联补偿装置和 晶闸管控制的并联补偿装置，如t s c 、t c r 、t s r 及综合补偿装置s v c ，这些并联补偿 装置不仅可以快速投切( 响应时间在几十豪秒) ，而且t c r 还可以快速平滑调节无功 功率，使电力系统的无功补偿进入了一个新的阶段。晶闸管投切或控制的并联无功补 偿装置彻底改变了机械投切装置或旋转装置速度慢的缺点，控制速度快，维护简单， 成本较低。但这些无功补偿装置本身也存在一些问题：如可能导致出现振荡，而且由 于这些设备还保留了阻抗型装置的缺点( 如电压低、电流小导致补偿容量与电压平方 成正比下降) ，影响了配电系统电能质量补偿能力。 随着高压大容量可关断器件如i g b t 、g t o 、i g c t 器件的发展，2 0 世纪8 0 年代出 现了基于可关断器件的电压源或电流源变流器的并联补偿装置。这种并联补偿装置的 性能得到了较大提高，它完全脱离了阻抗型装置的特性，成为完全可控的电压源或电 流源，由于可关断器件工作频率较高，变流器输出的谐波小，变流器工作范围大，输 出电流独立于电压，因此在系统电压低时这种补偿装置具有较好的特性，而且基于变 流器的补偿装置不需要体积大的电力电容器与电抗器，所以体积小，调节速度快( 可 达l o m s 级) ，因此可以做成模块结构，代表作是s t a t c o m 装置，它可以快速平滑调节 无功功率。目前，美国和日本已经有大容量的s t a t c o m 装置投入运行。 如今，综合了并联型补偿器( 如s t a t c o m ) 能有效产生无功电流、补偿系统无功 电流、维持节点电压和串联型补偿器( 如s s s c ) 能有效补偿输电系统电路的电压、 2 硕士论文基于d s p 的s t a t c o m 的研究与设计 控制线路潮流的统一潮流控制器( u n i f i e dp o w e rf l o wc o n t r o l l e r ，u p f c ) 也已在 美国投运脚。u p f c 可以方便地控制输电系统的三大参数，即电压大小、线路阻抗及相 角，因而功能也最为全面。但其造价昂贵，远远超出了电力公司的接受范围。 与它们相比较，s t a t c o m 完全脱离了阻抗型装置的特性，因此，它避免了s v c 的 一些缺点，它不需要大容量的电容器或电抗器作为储能元件，避免了并联电容器组与 s v c 的体积大、占空间、不便放置的缺点。s t a t c o m 不仅能动态连续快速地对系统的 无功进行补偿而且还能满足吸收与发出无功的双重要求、响应速度快、无噪声、工作 范围广等特点。总的来说，s t a t c o m 克服了其他各种无功补偿装置的缺点，并且在原 来的基础上增加了新的功能。因此，就目前而言，从综合技术、经济因素考虑，s t a t c o m 将毫无疑问成为未来改善电能质量的主要方式。 无功补偿装置的发展如表1 1 所示，而s t a t c o m 相比其他无功补偿装置在各方面 的性能优势如表1 - 2 所示1 ： 表1 1 无功补偿装置的发展简表 时期装置优点缺点 早期 并联电容器 结构简单 寥 经济方便 不能进行动态补偿 噪声大，运行维修复杂， j2 0 世纪6 0 年代 同步调相机可以满足动态补偿 响应速度慢 响应速度快，维护简单， 存在非线性电路的问 毒2 0 世纪7 0 年代 s v c 题，不能分相调节，开 成本低 关频率低 快速平滑调节无功，体 2 0 世纪8 0 年代 s t a t c o m 积小，满足动态补偿要成本高 求 表i 2s t a t c o m 和其它补偿装置对比表 装置 同步调相 饱和电抗晶闸管控制晶闸管投切混合型静止补偿 静止无功发生器 机器电抗器电容器器 ( s t a l f c 伽) 项目 s cs r t c rt s c( t c r + t s c ) 响应 慢 较快较快较快较快快 速度 吸收无功连续 连续连续分级连续连续 控制简单不可控较简单较简单 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 损耗大较大中小小小 噪声 大 大小小小小 3 1 绪论 硕士论文 随着电力电子技术的日新月异以及各门学科的交叉影响，静止无功补偿的发展趋 势主要有以下几点： 1 ) 在城网改造中，运行单位往往需要在配电变压器的低压侧同时加装无功补偿 控制器和配电综合测试仪，因此提出了无功补偿控制器和配电综合测试仪的一体化问 题： 2 ) 快速准确地检测系统的无功参数，提高动态响应时间，以满足工作条件较恶 劣的情况( 如大的冲击负荷或负荷波动较频繁的场合) 。随着计算机数字控制技术和 智能控制理论的发展，可以在无功补偿中引入一些先进的控制方法，如模糊控制等； 3 ) 目前，无功补偿技术还主要用于低压系统。高压系统由于受到开关器件耐压 水平的限制，需要通过变压器降压接入，如用于电气化铁道牵引变电所等。研制高压 动态无功补偿的装置则具有重要意义，关键问题是要解决补偿装置开关器件的耐压和 触发控制的同步性问题等； 4 ) 由单一的无功功率补偿到具有滤波以及抑制谐波的功能。随着电力电子技术 的发展和电力产品的推广应用，供电系统或负荷中含有大量谐波。研制开发兼有无功 补偿与电力滤波器双重优点的晶闸管开关滤波器，将成为改善系统功率因数、抑制谐 波、稳定系统电压和改善电能质量的有效手段。 1 3s t a t c o m 的国内外研究现状 在国外，自日本三菱公司于1 9 8 0 年成功研制基于晶闸管的2 0 m v a rs t a t c o m 以 来，s t a t c o m 作为f a c t s 的重要成员已引起各国电力科研和工业界的广泛重视，并得 到了迅速发展和应用。1 9 9 1 年和1 9 9 4 年日本和美国分别成功研制了一套8 0 m v a r 和 l o o m v a r 的基于门极可关断晶闸管( g t o ) 的s t a t c o m 装置，并最终投入商业运行。 1 9 9 8 年由德国西门子公司研制的单机容量为8 m v a r 的s t a t c o m 装置也成功投入运行 【铂【5 】 0 在国内，为改变电网无功补偿装置落后的现状，1 9 9 4 年电力部将研制大容量 s t a t c o m 列入重点科研攻关项目。1 9 9 9 年3 月由清华大学f a c t s 研究所与河南电力局 共同研制的用于2 2 0 k v 电网的2 0 m v a rs t a t c o m 在河南电网成功投入运行哺1 。2 0 0 1 年2 月国家电力公司电力自动化研究院也将5 0 0 k v a rs t a t c o m 投入运行。继2 0 m v a r s t a t c o m 成功研制后，清华大学f a c t s 研究所继续研制上海西郊5 0 l j v a rs t a t c o m 的 关键技术口1 。5 0 m v a rs t a t c o m 装置是一种新型的动态无功补偿装置，采用了基于 i g c t 的链式逆变器，具有可分相控制和运行、输出动态无功响应速度快、输出电流 谐波小、输出无功电流大小与系统电压无关、无需多重化变压器、占地面积小等优点。 装置的研制在建模、主电路及参数设计方法、分布式链接控制与保护、系统控制策略 4 硕上论文基于d s p 的s t a t c o m 的研究与设计 等方面取得了重大突破，核心技术达到了国际领先水平。2 0 0 6 年2 月2 8 日，5 0 m v a r s t a t c o m 在上海黄渡分区西郊变电站并网试运行。 由于s t a t c o m 技术含量高，目前掌握并应用该技术的国家还仅限于日本、美国、 德国、英国和中国等。表1 3 列出了部分已投运的国内外s t a t c o m ： 表1 3 国内外已投运的s t a t c o m 简表 电压 序号研制者投运时间容量( m v a r )开关设备电路结构 ( k v ) 三菱电机， l1 9 8 02 07 7 晶闸管多重化 关西电力 西屋 21 9 8 6l1 3 2g m 多重化 e p r i 三菱电机， 31 9 9 18 01 5 4g t o 多重化 关西电力 东芝 41 9 9 21 0 06 6g t o 多重化 日立 5 东芝 1 9 9 32 06 6g t o 多重化 西屋 61 9 9 51 0 01 6 1g t o 多重化 e p r i 西屋 多重化 71 9 9 71 6 01 3 8g t o e p r i 多电平 清华大学 81 9 9 92 01 0g t o 多重化 河南电力局 a l s l o m 91 9 9 97 54 0 0g t l o 链式 n g c l o三菱电机2 0 0 11 3 31 1 5g t o 多重化 1 1纽约电力局2 0 0 12 0 03 4 5g t o 多重化 1 2 三菱电机 2 0 0 21 0 0 1 3 8g c t多重化 1 3a l s t o m2 0 0 31 5 01 1 5g t o 链式 早期的s t a t c o m ，其主电路多采用单相桥或三相桥，选用的开关器件是开关频率 较低的g t o ，控制策略也相对比较落后。带来的问题是补偿容量低、谐波含量高和补 偿延时等。随着现代电力电子技术、自动控制理论的发展，s t a t c o m 也得到了跨越式 发展。开关器件方面：结合了g t o 容量大和i g b t 开关频率高的i g c t 开始代替原来的 g t o ；主电路方面：出现了链式和变压器隔离型电路结构，使得s t a t c o m 的容量大大 提高；调制手段方面：出现了s p i b t 、s v p t i t 和s h e p 删以减小输出电压中的谐波含量； 控制策略方面：一些先进的控制策略如模糊控制、鲁棒自适应控制和人工神经网络控 制方法运用到s t a t c o m 中，以满足系统各方面的要求。今后，s t a t c o m 将会朝着补偿 大容量、不平衡系统的方向发展。 1 绪论 硕士论文 1 4 本课题研究的主要内容 论文对s t a t c o m 数学模型的建立进行了深入研究，分析了几种典型大容量 s t a t c o m 的主电路，采用无锁相环的电流直接控制法对s t a t c o m 进行了仿真分析，并 基于d s p 对s t a t c o m 的软硬件进行了设计。具体研究内容分以下几点： 1 ) 针对目前普遍用r 来代替s t a t c o m 总开关损耗却不能正确反映s t a t c o m 实际 损耗的现状，论文从分析各类损耗入手，力争能反映s t a t c o m 的实际损耗，为s t a t c o m 建立更精确的数学模型； 2 ) 针对目前对大容量s t a t c o m 主电路拓扑的研究相关文献比较少的现状，论文 对几种典型大容量s t a t c o m 的主电路结构进行研究，推导相关电路输出电压的表达 式，总结各电路控制与消谐的相关规律，通过比较各电路的优劣提出优选的主电路结 构； 3 ) 运用瞬时无功功率理论计算瞬时无功功率，针对目前普遍采用锁相环电路获 得电网频率和相位的现状，论文设想采用无锁相环f p 一乞检测法检测无功功率，无需 电压信号，省去锁相环电路； 4 ) 在m a t l a b s i m u l i n k 中搭建8 t a t c o m 的仿真模块，对s t a t c o m 补偿感性和容 性无功的静、动态特性进行仿真分析； 5 ) 基于t i 公司的d s p t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 进行系统的硬件设计，包括主电路的设计、 采样电路的设计、i g b t 驱动电路的设计、保护电路的设计、控制电路的设计和所需 电源电路的设计等； 6 ) 基于d s p t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 在c c s 2 0 0 0 环境下用c 语言对s t a t c o m 的软件进行程 序设计，具体包括初始化模块、数据采集模块、模数转换模块、数据处理模块、s p w m 脉冲生成模块和中断保护程序等； 7 ) 在实验室中搭建相关硬件电路并调试。 6 硕士论文基于d s p 的s t a t c o m 的研究与设计 2s t a t c o m 的基本原理及数学模型 2 1s t a t c o m 的等效电路 根据直流侧电压或电流极性是否会改变，可把s t a t c o m 的主电路简单分为电压型 逆变器( v o l t a g es o u r c e di n v e r t e r ，v s i ) 和电流型逆变器( c u r r e n ts o u r c e d i n v e r t e r ，c s i ) ，其等效电路分别如图2 1 和图2 2 所示： 图2 1 电压型逆变器图2 2 电流型逆变器 l 前者需串联电抗器接入系统，其直流侧电容电压极性不变，功率方向随着直流电 流方向的改变而改变：后者需并联电容接入系统，其直流侧电流极性不变，功率方向 随着直流电压的改变而改变。实际上，由于运行效率等原因，目前，实用的s t a t c o m 基本上都采用电压型变换器，本文也是基于三相电压型逆变器作为研究对象。下面以 基于电压型逆变器( v s i ) 的s t a t c o m 来说明其工作原理。 2 2s w 盯c o m 的工作原理 以基于三相v s i 的s t a t c o m 来说明工作原理，其简化电路如图2 3 所示： 厂y 一、r 丫、 l v s i 电 力 系 统 7 2s t a t c o m 的基本原理及数学模型硕士论文 管旁 訇j 带 嵫旁小嘲j 串 其中直流侧为储能电容，为s t a t c o m 提供直流电压支撑，逆变器由电压源逆变桥 串联或并联构成，其主要功能是将直流电压变换为交流电压，而交流电压的大小、频 率和相位可以通过控制逆变器中可关断器件( 如g t 0 、i g b t 等) 的驱动脉冲进行控制。 连接变压器将逆变器输出的电压变换到系统电压，从而使s t a t c o m 可以并联到电力系 统中。连接变压器本身的漏抗可以用于限制电流防止逆变器故障或系统故障时产生过 大的电流。理想情况下( 忽略线路阻抗和s t a t c o m 的损耗) ，可以将s t a t c o m 的输出 等效成“可控”电压源玩，系统视为理想电压源阢，连接电抗为x ，则装置输出的 电流为： j ：u , - u s ( 2 1 ) 1 x 因此，s t a t c o m 装置输出的单相视在功率为： s = 蚺以等 ( 2 2 ) 通常情况下，s t a t c o m 装置只吸收很小的有功功率或不吸收有功功率，因此其产 生的电压玩与系统电压以相同。因此，s t a t c o m 装置输出的单相无功功率为： q = i m ( s ) h ( 以等) = 半 ( 2 3 ) 当控制s t a t c o m 装置产生的电压小于系统电压即u ， 0 ，此时 s t a t c o m 装置相当于电容。当u = 时，系统与s t a t c o m 之间的电流为0 ，不 交换无功功率。由于s t a t c o m 装置产生的电压u ，的大小可以连续快速地控制，因 此s t a t c o m 吸收的无功功率可以连续地由正到负进行快速调节。可见，s t a t c o m 输出无功功率的极性和大小决定于u 和的大小，通过控制u 的大小就可以连续调 8 硕士论文基于d s p 的s t a t c o m 的研究与设计 节s t a t c o m 发出或吸收无功的多少。 2 3s t a t c o m 的数学模型 数学模型是一切系统运行规律的基础，它反映了系统中各个物理量之间的内在联 系，因此建立合理、准确的数学模型，对分析系统至关重要。这需要根据系统的实际 结构、参数精度的要求，略去次要因素，使模型既能准确反映系统的动态本质，又能 简化分析计算。到目前为止，对s t a t c o m 的研究一般都是建立在如下数学模型的基础 之上训，它采用输入一输出的建模方法来建立s t a t c o m 的数学模型。 图2 4 为s t a t c o m 装置原理接线图，先作如下假设： 1 ) 将s t a t c o m 装置中各类损耗包括器件的导通损耗、开关损耗等效为一固定电 阻，用r 表示，变压器漏电感及线路电感用等效电感l 表示，如图2 4 所示； 2 ) 由于s t a t c o m 装置输出电压由多个单相桥叠加而成，谐波含量低，因此只考 虑s t a t c o m 输出电压的基波分量，忽略谐波分量。 u k i 一j 。 图2 4s t a t c o m 装置原理接线图 三相 交流 系统 基于以上假设及单相桥输出电压的表达式，可得s t a t c o m 装置变流器总输出电压 f “埘= k u 出s i n ( c o t - 8 ) = k u d c s m ( c o t _ 2 州3 筇) 【= k u , es i n ( r a t + 2 z t 3 一回 = 旭s i l l ( 耐) h s b = 皿s i n ( 研一2 ；z 3 ) - - x 2 u , s i n ( c o t + 2 z t 3 ) ( 2 4 ) 为可控量。 根据s t a t c o m 装置的原理图，可以列出s t a t c o m 装置的a b c 三相动态方程： ( 2 5 ) 9 2s t a t c o m 的基本原理及数学模型硕士论文 警巩一啪) 一r i o ( ，) l d i b ，( ，t - - - - 尘) ：( f ) 一( r ) 一r i b ( ，) ( 2 6 ) 讲 三d i 西e ( t _ _ 2 = ( r ) 他( r ) 一g i c ( ，) 将式( 2 4 ) 和式( 2 5 ) 代入式( 2 6 ) 得： l d i a ，( 。t ) ：k u 出s i n ( c o t 一万) 一旭s i n ( c o t ) 一心( f ) l d i b ，( 。t ) ：k u , e s i n ( 甜一2 万3 一万) 一, - i v , s i n ( c o t 一2 万3 ) 一r i b ( f ) ( 2 7 ) l d i c ，( t ) ：k u 出s i n ( c o t + 2 万3 一万) 一互以s i n ( 刎+ 2 万3 ) 一尺( r ) 丢( 丢睨( f ) ) = 七“) 拍) 帆讹) 心删 ( 2 - 8 ) 掣= 百- k 叭啪i n ( 研胡+ i b ( f ) s i n ( 研一2 万3 棚+ i o ( f ) s i n ( c o t + 2 万3 - 剐( 2 9 ) 卜警= 玩s i i l ( 研一圆一风s i l l ( c o t ) 吨( ，) 卜鬻吨s i n 似砌3 - 沪慨眦咖2 棚m 删 工掣：砜s i n ( a t + 2 万3 一回一地s i n ( c o t + 2 万3 ) 一r i o ( t ) 。 l 掣= - 等c k i o ( 啪m ( 卅卅i b ( f ) s 蚴- 2 n 3 - 圆+ i c ( 舢i n ( 纠+ 2 x 3 - 6 ) 由上式知，此数学模型中包含四个未知数和四个方程，只要已知s t a t c o m 的初始 电流和直流电压，即可解出此微分方程。但此数学模型为时变系数的微分方程，理论 上分析比较困难，故运用p a r k 变换( 也称d q 0 变换) ，将时变微分方程变换为常系数 微分方程。p a r k 变换的c 矩阵为： i c o s c o t c o s ( c o 一2 3 ，r ) c o s ( c o t + 2 3 x ) i c = i - s i n c o t - s i n ( c o t - 2 3 x ) - s i n ( c o t + 2 3 z r ) f ( 2 1 1 ) 。f 1 21 21 2 l 将式中a b c 三相电流进行p a r k 变换，即： 1 0 硕- 上论文基于d s p 的s t a t c o m 的研究与设计 阱c 嘲 尺 三 一c z ， o 0 o r 三 o 阱小儿， 由于s t a t c o m 是三相三线制系统，三相电流之和为零，故上面方程中f o 始终为零， 可将此方程去掉，由此可得s t a t c o m 的最终数学模型为： 尺 阱h 3 ， 该数学模型为常系数微分方程，便于进行理论分析。 下面讨论s t a t c o m 的稳定性： 设系数矩阵为a ，即t 其特征方程为： a = 足 三 一c o 国 一一8 1 1 1 d k 。 三 rk 一 - - - - e , o so - 三 1 2 e - a i = o 0 将h 代入上式化简得： n 警n 謦+ 豢m 等= 。 艿 c o 鸟 l 宝 唔 c o o k一k一工 一 一 彩 尺一三 一 万s o k c一2 万n弓； 坚圮 白毛 。l d 一出 艿 万 鸟 3 咯 c o k一三k一三 一 一 万s 缈r i 一 堑巧 万 忉 詈 一 些圮 r-，j 乞 l d 一衍 万s0c 坚圮 万ns 丝圮 2s t a t c o m 的基本原理及数学模型硕士论文 且有： a a = l o , 口2 = f 2 r 。，口l = 可r 2 + 面3 k 2 耐 。，口o = 器 。 吒i l = a s q i 3 k 2 r 2 l 2 c r 23 k 2， _ + + 缈 e2 l c ：2 r ；3 i罂i一2ra20-t- - f = = ) e2 cl 由劳斯判据n 订知，该微分方程对任意固定的万和常数k 都是稳定的，即s t a t c o m 可以稳定运行。 2 4 改进后s t a t c o m 的数学模型 由前文分析可知，s t a t c o m 传统数学模型的建立是将器件的导通损耗、开关损耗 等损耗等效为一个固定电阻，其等效电路图如图2 5 所示： 图2 5 原始s t a t c o m 等效电路图 随着应用领域要求的不断提高，开关器件的频率越来越高，开关损耗n 羽占装置损 耗的比例也越来越大，而且开关损耗是随输出电流变化而变化的，用固定电阻来模拟 该损耗是不够准确的。 本文通过详细分析i g b t 的导通损耗、开关损耗、直流侧电容损耗及电抗和线路 损耗，对s t a t c o m 传统数学模型进行了改进，在正确计算各类损耗的基础上为s t a t c o m 建立了精确的数学模型。 如前文，同样设、为系统三相电压，并假设电网电压是三相平衡 的：l 为滤波电抗器，主要是滤除开关频率附近的谐波；s 。s 。是由i g b t 与反并联 二极管组成的开关单元；c 为逆变桥直流侧电容，为逆变桥提供一个稳定的直流电压， 保证s t a t c o m 正常运行。 同样设逆变桥直流侧电容电压为魄，稳态时流经i g b t 稳态工作电流的瞬时值 为k r = 2 js i n ( 1 0 0 n t ) ，在某特定温度下，i g b t 的通态电压与其流经的电流满 足近似的线性关系： 1 2 2 k = ( d 2 2 幻+ k ；i i ( 2 i s ) 其中k 为斜率，则由上式可以推导出导通损耗功率近似为： 几2 u i 2 h + 肪2 ( 2 1 6 ) 妞托篓耋竺! 董粤挈为t ，开通和关断时间和为l 蹦，则在一个开关周期内，开关 损耗平均功率近似为： 。“一 2 苛h ( 2 1 7 ) 则在一个工频周期t 。内的开关平均损耗为： p i g b r2 r s p d , 0 + 了0 = 降+ 麓、2 z e l 卜 = + ，蚴刃= f 警+ 毽i ，+ 甜：( 2 1 8 ) i 万 一i 、一_ ， h 世妻三三鎏竺电容皇放电现象的存在，所以也存在一定的有功损耗，其大小和电容 的等效并联电阻吃满足如下关系： 。“ 气= 等 ，。雩警竺竺磐出通过电抗器l 接入系统，设x 是该电抗器的感抗，逆变器的调制 竺望肌装置的输出电流有效值为i ，忽略电抗器的电阻等影响，则直流侧磊苫善 = 粤产 ( 2 2 0 ) 电抗及线路的损耗等效电阻为弓，其损耗功率为： 卑一蛔2 ，2 局 佗2 0 综合考虑电抗、线路及逆变桥的功率损耗，则由式( 2 1 8 ) ( 2 2 1 ) 得： 2 等哪属 足= 竽 = 飞2 + 堡丝+ 鱼( 2 2 2 ) 万”刀聊m 2 足 = 后+ r ，+ 鞋+ 蔓 4 2 ，r t mm 2 足 由式( 2 2 2 ) 可得改进后s t a t c o m 的等效电路如图2 ，6 所示： 2s 1 ：a t c o m 的接本原理及数学模型 硕士论文 u s 图2 6 改进后s t a t c o m 的等效电路图 u 。为系统电压，s t a t c o m 可以等效为一个幅值和相位控制的交流电压源，其基 波电压为以，由于s t a t c o m 不含低次谐波，高次谐波被电抗器基本全部滤除，所以 忽略其谐波的影响。冠是电抗、线路及逆变桥中和输出电流平方成正比的损耗综合 等效电阻：以是逆变桥损耗中和电流成正比的部分，将其等效为一受控交流电压源， 其相位和输出电流同相；砖是电容器损耗折算到交流侧的等效电阻。i 为装置的输出 电流，为逆变桥等效输出电源的输出电流，为纯无功电流，k 是流过直流侧电容 的等效电阻的电流，其相位与逆变桥输出电压相同。 在逆变桥的损耗中，直流侧的电容损耗所占的比例很小，为了分析方便，忽略其 影响，设足为无穷大。选取系统电压为电压参考相位，图2 7 中分别表示了s t a t c o m 输出电压相位超前和滞后于系统电压的相量图。 ( a ) 相位超前( b ) 相位滞后 图2 7s t a t c o m 的向量图 i + ub u ，表示系统与补偿器的电压差，矽表示补偿电流与u ，的夹角。由相量图容易看 出，当s t a t c o m 的输出电压的相位滞后于系统电压时，其输出电流超前于电压，发 出容性无功功率；当s t a t c o m 的输出电压的相位超前于系统电压时，其输出电流滞 后于电压，发出感性无功功率。根据s t a t c o m 工作的相量图，以电流滞后为例，分 析s t a t c o m 输出无功功率与其输出电压相对于系统相位差6 的关系。 由图2 7 可知，u 。、阢和u 所构成的三角形满足如下的三角关系： 旦：堡：笙 ( 2 2 3 ) s i i l 万 s i n ( 9 0 + 妒)s i n ( 9 0 一缈一万) 、 1 4 硕：上论文基于d s p 的s t a t c o m 的研究与设计 s t a t c o m 的输出电流的幅值与系统和逆变桥输出电压差u ，幅值满足如f 关系： ( 飓+ ) 2 + ( 材) 2 = u 2 ( 2 2 4 ) s t a t c o m 输出电流i 与电压珥的相位差伊满足： 伽伊= 丽x = - ( 2 2 5 ) 由式( 2 2 3 ) 可得： u i - - - u , s i n 8 ( 2 2 6 ) 由式( 2 2 4 ) ( 2 2 6 ) 可得： ，= 半 ( 2 2 7 ) s t a t c o m 输出电流方向与逆变桥输出电压方向垂直，输出电流相对系统电压的相 角为9 0 0 一伊，则系统侧其有功和无功功率为： e = 学s i n 万 q = 芈c o s 寥 2 5 本章小结 本章首先介绍了s t a t c o m 的工作原理，接着将s t a t c o i d 的开关损耗等效为一固定 电阻分析了s t a t c o m 的数学模型，并得出该数学模型并不能精确反映s t a t c o m 的实际 损耗。针对以上不足，本文通过详细分析i g b t 的导通损耗、开关损耗、直流侧电容 损耗以及电抗和线路损耗，对s t a t c o m 的数学模型加以改进，在正确计算各类损耗的 基础上为s t a t c o m 建立了精确的数学模型。 1 5 3s t a t c o m 的主电路及控制方法硕士论文 3s t a t c o m 的主电路及控制方法 3 - 1s t a t c o m 主电路结构 前文2 1 节简单介绍了s t a t c o m 的两种主电路结构，由于现代电力系统正向高压 发展，这要求s t a t c o m 的补偿能力也要相应向大容量发展。有两种方式：一是在 s t a t c o m 接入系统时加入升压变压器；另一个是使s t a t c o m 本身容量做大，这要求从 主电路入手，即使电路增容增压。 迄今为止，s t a t c o m 主电路结构主要有：三相桥结构、三单相桥结构、三相桥串 联、三相桥并联n 引、单相桥直接串联( 即链式结构) 1 4 - 1 6 、单相桥通过隔离变压器串 联n 卜伽及多电平结构。其中大容量s t a t c o m 主电路采取的主要措施及拓扑电路主要有： ( 1 ) 采用新型大功率开关器件，如i g c t 、i e g t ；( 2 ) 开关器件的串联：( 3 ) 逆变桥 的多重叠加；( 4 ) 多电