（电力电子与电力传动专业论文）statcom的控制方法与主电路研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t l lm ei i p r o v e m to f 绷l 咖t i 缸d i 】【s 打y ，伽s t o m e 娼b c j c o m es t r i c t 盯谢mt h ep o w e r q 岫l 咄c u n 饥t l y d 】屺p o 、v 贸s y 8 泐nl a c l 【s rc o m l 脚s a t i 、以t l l l eh a 姗o n i c p o l l u t i ，懿p e c i a l l ym ei m p u l s i v e 舷吣6 v el o a 也w h i c hi l o to n l yi n c 渤p o w 盯l o s s ，b u ta l s o s e r i o 璐l yd e t e i j o m t et h ep o w 盯q u a l i 够s 0h 锄o n i c 珥憾s i o n 锄dr c t i v e l o a dc o m p 伽鼢t i a n r a c t 懿t i 锄s i v ea n 锄t i o n 勰觚i m p o r t a n t 州e c ti i lt h ef i e l d so fp o w 盯e l e c 仃0 n i c 锄dp o w e r s y s t e m c 唧a 同、i t ht r a d i t i o n a i 掀i c i t i v c - l o a dc o m l x 舢撕伽e q i l i l 姐e m ，s 谢cs y n c h r o n o 峭 c 啪p s a t o “s n 虹o m ) h 舔f l a s t e r 豫s p o 璐e 嘶d 盯a d j l l s t a b l e 撇g e ，s m a l l 盯e q u i p m 锄t 弛d h i g l l e r 啪v eq u a l 时o fo 仃s e tc l l 玳m tw l l i c hb e o 咖懿t l l ed e v e l o p i i l g 缸珊d i i lt i l i sl l l e s i s ，6 k v 2 0 0 k 、，as w 盯c o mb a s e do ni 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w m n 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。 不保密一。 学位论文作者签名：火墟媚 确年6 月q 日 扣参叶 础年6 月c 7 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，本论 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。 学位论文作者签名： 文雅娟 日期：2 d 以年 6 月q 日 江苏大学硕士学位论文 第1 章绪论 近年来，随着全球经济与社会的快速发展，人们对高质量电能的需求日益增 加。在世界电力工业进一步发展与完善的同时，我国电力系统也取到了迅速的发 展，已经形成了华东、华北、华中、东北、西北和南方六大电力系统，目前发电 量居世界第二位。随着三峡电站的建设，全国电力系统联网的规划正在逐步实施。 然而，随着电力系统中非线性用电设备，尤其是电力电子装置日益广泛的应 用，电力系统中的无功和谐波污染问题也日趋严重，给电网带来了额外的负担， 严重影响供电质量。因此，谐波抑制和无功功率补偿已经成为电力电子技术和电 力系统等领域所面临的一个重大课题，引起人们越来越多的关注，成为近年来各 方面关注的热点之一。 本文所研究的静止同步补偿器( s t a t i cs y n c h r o n 0 邯c o m p e n s a t o r ，简称 s t a t c o m ) ，是柔性交流输电系统( f a c t s ) 中的重要成员之一，具有实时检 测和补偿无功功率、支撑网络节点电压、补偿高次谐波等功能。 1 1课题研究背景及意义 随着我国国民经济及科技水平的快速发展，电能质量成为电力部门和电力用 户共同关注的焦点，特别是随着各种电子装置和精密设备的广泛应用，使得用户 希望供电企业能够提供高效优质的电能。而电力系统中异步电动机、变压器、电 弧炉尤其是电力电子装置广泛应用，工业领域中很多企业日耗电量巨大，负荷呈 非线性和冲击性，引发了多种电能质量问题，主要包括功率因数低、谐波含量高、 三相不平衡、功率冲击、电压闪变和电压波动。 目前，我国常用的无功调节设备仍为机械式并联电抗器、投切电容器，这些 静止型调压手段，因调节不连续、响应速度慢，很难满足系统运行方式快速变化 时的需求。而另一种调压装置s v c ，响应速度很快，但由于呈恒阻抗特性，使 得在电压低时，无法提供所需的无功支持，因此应付突发事件的能力较弱，并且 为了抑制谐波，必须装设滤波器，占地面积较大，此外，过多的s v c 装置容易 引发系统振荡。s r c o m 则是较为有效的调压手段，它的无功电流输出可在很 江苏大学硕士学位论文 大电压变化范围内恒定，在电压低时仍能提供较强的无功支撑，并且可从感性到 容性全范围内连续调节，使得其无功输出相当于同容量s v c 的1 4 倍2 o 倍， 据专家估计，当容量超过1 0 0 m v 茁时，s 毋虹c o m 的性价比与s v c 相当。另外 因s 可叮c o m 的灵活调压，还可以大大减少变压器分接头的切换次数，从而减少 分接头故障次数。此外，s 毋玎c o m 还可以抑制电压闪变，提高系统暂态稳定水 平，并且其可靠性已得到很大提高。结合我国国情和已有的技术，发展s t a t c o m 应是解决我国电压稳定问题的有效手段，并且是我国f a c t s 发展的主要方向【。 1 1 1电力系统中无功功率的产生及危害 1 无功功率的产生 无功功率是一个反映电源与负荷间的能量交换的物理量，它的大小表明了电 源与负荷间能量交换的幅度，本身并不消耗能量。现在的电力系统中的用电设备 大多数都为感性的负载，电流相位滞后于电压；同时，随着电力电子技术的飞速 发展，大量的非线性负载的使用，使得系统电流产生非线性的畸变一非正弦化。 这些均会导致电力系统出现无功功率。根据无功功率的定义和物理意义，无功功 率没有消耗，而是存在于系统的感性或容性储能元件中，在这个三者之间或者电 源与负载之间来回传递【i l 【2 j 。 电力系统中的无功功率主要分为两部分，一是基波电压和电流的相位差而导 致的基波无功功率，还有一个是由电流的非正弦畸变而导致的各个谐波的无功， 包括同频率谐波电压电流之间产生的无功功率和不同频率谐波电压电流之间产 生的无功功率。其中基波无功功率是由感性或容性负载引起的，容量较大且相对 稳定；谐波无功功率近年来也呈现日益严重的趋势，谐波不仅导致无功损耗，还 会造成电气绝缘威胁、系统谐振、电磁干扰等危害。想要实现真正的系统的单位 功率因数运行，必须实现对两种无功功率的同时补偿。 2 无功功率的危害性 ( 1 ) 设备容量增加。无功功率的增加会导致电流增大和视在功率增加，从而 使发电机、变压器等各种电气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，这是显而易见的； 2 江苏大学硕士学位论文 ( 3 ) 使线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，使供电质量严重降低； ( 4 ) 功率因数降低，设备容量利用少。 1 1 2 无功补偿技术的发展 谐波污染和无功问题主要有两种解决途径：一种是装设补偿装置，如有源滤 波器、无功功率补偿器等，设法对谐波进行抑制和对无功功率进行补偿；另一种 是对电力电子装置本身进行改造，使其不产生谐波的同时也不消耗无功功率，或 根据需要对其无功功率进行调节。其中后一种措施需要对现有的电力电子设备进 行大规模的改造和更新，其代价巨大，并且只适用于作为主要谐波源的电力电子 装置，因此有一定的局限性。相比较而言，前一种措施则适用于各种谐波源和所 有低功率因数的设备，实施起来方法简单，已经得到应用，并且应用前景十分广 阔【2 】【3 1 。无功补偿装置的发展概况如图1 1 所示。 无功补 偿装置 电容器补偿 霁翟委鍪h 同步黼机补偿装置ill ”。”1 ” 现代无功 补偿装置 饱和电抗器 s r 静止无功补偿 器s v c 静止同步补偿 器s t a t c o m 晶闸管投切电抗器 t c r 晶闸管投切电容器 t s c 晶闸管控制电抗器 十固定电容f c 机械投切电容 m s c 各种装置的混合 t c r 十f c ，t c r + m s c 图1 1 无功补偿装置发展概况 1 无功补偿电容器和l c 滤波器 传统的补偿无功功率和谐波的主要手段是设置无功补偿电容器和l c 滤波 器，这种方法结构简单，既能抑制谐波，又可以补偿无功功率，一直以来得到了 广泛的应用。但这种方法的主要缺点是它们的补偿特性受电网阻抗和运行状态影 响，易于和系统发生并联谐振。此外它们只能补偿固定频率的谐波，难以对电网 动态变化的无功功率和谐波进行有效的补偿。 3 江苏大学硕士学位论文 2 同步调相机 自二三十年代以来的几十年中，同步调相机( s c s y n c h r o n o u sc o n d e n s e r ) 在电力系统无功功率控制中一度发挥着主要作用乜钔。它是专用的空载运行的大 型同步电机。在过励磁运行时，向系统供给感性无功功率而起无功电源的作用， 能提高系统电压；在欠励磁运行时，从系统吸收感性无功功率而起无功负荷作用， 可降低系统电压。具有良好的电压调节特性，可提高电力系统运行稳定性。至今 在无功补偿领域，这种装置还在应用。但是由于它是旋转电机，损耗和噪声都很 大，运行维护复杂，而且响应速度慢，价格高，有功损耗较大，在很多情况下已 经无法适应快速无功功率控制的要求。 3 饱和电抗器 饱和电抗器( s r s a t u 】眦e dr e a c t o r ) 是早期的静止无功补偿装置，1 9 6 7 年 英国g e c 公司研制了世界上第一批该种装置【5 1 。饱和电抗器与同步调相机相比， 具有静止型的优点，响应速度快；但是由于其铁心需磁化到饱和状态，因而损耗 和噪声都很大，而且存在非线性电路的一些特殊问题，又不能分相调节以补偿负 荷的不平衡，所以未能占据静止无功补偿装置的主流。 4 静止无功补偿器( s v c ) 所谓静止无功补偿器是指采用快速的功率电子开关( 如晶闸管) 来代替机械 开关，以无机械传动部件提供无功的装置，具有调相机的功能。现代电力电子技 术的发展为谐波和无功功率补偿装置的动态控制提供了可能，且相控技术、脉冲 宽度调制( p w m p u l s ew i d 廿1m o d u l a t i o n ) 技术和四象限变流技术为各种形式的 静止无功功率补偿装置【6 l 提供了原型。因此近2 0 年来在电力系统中得到了广泛的 应用，占据了主导地位。s v c 也就往往成了专指使用晶闸管的静止无功补偿装置， 包括晶闸管控制电抗器( t c r n 妒s t o rc o n 仃0 l l e dr e a c t o r ) 和晶闸管投切电容 器( t s c n 蜘s t o rs w i t c h e dc 叩a c i t o r ) ，以及这两者的混合装置( t c i s c ) ， 或者晶闸管控制电抗器与固定电容器( f i x c dc a p a c i t o r ) 或机械投切电容器 ( m s 洲e c h a i l i c a l l ys 、) i r i t c h e dc a p a c i t i d r ) 混合使用的装置( 如t c r + f c 、 t c r + m s c 等) 。这些补偿装置的响应时间可以达到几十毫秒，而且t c r 还可以 快速平滑的调节无功功率，使电力系统的无功补偿进入了一个新的发展阶段。 s v c 装置克服了同步调相机与机械投切并联补偿装置响应速度慢、运行噪 声大等缺点，具有控制速度快、维护简单、成本较低等优点，从而在电力系统中 4 江苏大学硕士学位论文 得到大量应用。但s v c 装置也存在一些缺点，如工作于斩波状态的晶闸管会产 生较大的谐波，对电力系统造成污染；其次这些装置并联接入系统后会改变系统 的阻抗特性，过多安装这些设备可能导致系统振荡；而且由于这些设备保留了阻 抗型装置的一些特性，系统电压对s v c 装置的补偿效果会产生较大的影响，如 电压下降时补偿电流也减小，导致补偿容量成与电压平方比例下降；另外，由于 晶闸管的关断不能控制，开关器件的工作频率低，对电能质量的补偿能力相对减 弱，动态性能难以提高，装置的网侧电流谐波含量大阿引。 5 静止同步补偿器( s t a t c o m ) 8 0 年代以来，随着电力电子技术的进一步发展及瞬时无功功率理论【9 】的提 出，一种更为先进的静止无功补偿装置出现了，这就是采用自换相变流电路的新 型静止同步补偿器【l o 】( s 可盯c o m s t a t i cs y i l c h r o n o u sc o m p e n s a t o r ) 。它可被看作 是连接在三相传输线路上的一个电压源逆变器，并只从线路吸收无功电流。该类 静止无功发生器可以从感性到容性进行连续的无功调节，特别是在欠压条件下仍 可有效地发出无功功率。 s t a t c o m 的运行范围比s v c 宽，且s n 玎c o m 所需储能元件的容量远比 s r c o m 所能提供的无功容量要小，而传统的s v c 装置，其所需储能元件的 容量至少要等于其所提供无功功率的容量，故s 吼订c o m 中储能元件的体积和 成本与同容量的s v c 相比将大大减小；传统的s v c 装置一般通过设置滤波器 或者多相整流来抑制谐波，这会增加装置的体积、成本，同时由于电网电压和负 载总是动态变化的，对谐波的抑制也随之变化，效果不够理想，而在s 吖汀c o m 装置中，完全可以采用桥式变流电路的多重化技术、多电平技术或p w m 技术 来进行处理，很方便地去除低次谐波，并使高次谐波分量抑制到可以接受的程度； 电压源型桥式s 吖汀c o m 接入电网的连接交流电抗器，其主要作用是抑制补偿 装置和电网之间的冲击电流，滤除电流中可能存在的较高次谐波，所需的电感值 也不大，远小于补偿容量相同的t c r 等s v c 装置所需的电感。所以说， s 丑玎c o m 装置在很多方面具有s v c 装置无法比拟的优点。 静止同步补偿器调节速度快，运行范围广，主电路与多电平、多重化或p w m 技术相结合，大大减少了装置侧的谐波含量，很大的提高了电能质量的补偿能力。 尤其新近出现的链式结构s m 盯c o m ，摈弃了常规s t a t c o m 的多重化变压器， 在体积、性能等诸方面显著优越于常规的静止无功补偿装置。上述种种优越性使 5 江苏大学硕士学位论文 得其成为真正意义上的实时无功功率补偿装置，成为近年来电力系统无功功率补 偿的研究热点，代表了电力系统动态无功补偿的发展。 1 2 s t a t c o m 研究现状与发展趋势 近年来，世界上许多国家都在积极发展s t a t c o m 的研究与制造，s t a t c o m 在电力系统中的应用受到日益广泛的重视。采用电力半导体变流器实现无功功率 补偿的思想早在7 0 年代就有人提出，1 9 7 2 年日本学者发表了用强迫换相的晶闸 管桥式电路作为调相装置的研究论文；1 9 7 6 年美国学者l g y u g y i 在其论文中提 出了用电力半导体进行无功功率补偿的各种方案【4 】【n 】，其中自换相桥式变流电路 的方案最受青睐。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，采用电力电子技术的各种新型动态补偿装置迅速发展，s t a t c o m 在理论研究上取得丰硕成果的同时，在工程应用方面也有了突飞猛进的发展 在国外，自日本关西电力公司与三菱公司1 9 8 0 年1 月研制成功2 0 m v a r 的 s t a t c o m 起，s t a t c o m 作为f a c t s 的重要成员引起了各国电力工业界的重 视【1 2 】。1 9 8 6 年l o 月，由美国国家电力研究院( e p r i ) 和西屋公司研制的1 mv 盯 的s 盯c o m 在美国纽约州投入示范运行【1 3 l 。随着电力半导体器件的发展，g t o 晶闸管等全控性器件开始达到了可用于s 可汀c o m 中的电压和电流等级，并逐渐 成为s 以r c o m 自换相桥式电路中的主力。1 9 9 1 年5 月，基于4 5 0 0 v 3 0 0 0 ag t o 的8 0 m v a r s t a t c o m 由日本三菱公司与关西电力公司合作开发成功【1 4 】；1 9 9 2 年3 月，日本东芝公司与东京电力采用6 0 0 0 v 2 5 0 0 a 的g t o 开发5 0 m v a r 的 s t a t c o m 【”1 ；1 9 8 8 年美国用4 5 0 0 v 2 5 0 0 a 的g t o 开发了1 0 mv a r 的可四象 限运行的电力变流器【16 】；1 9 9 6 年，一个基于4 5 0 0 、r 4 0 0 0 ag t o 的1 0 0 mv 盯 s 1 = a t c o m 由美国电科院和西屋科技中心合作完成【1 7 】，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 m v 盯s m 盯c o m 在丹麦投入运行；英国国家电网公司( n a t i o n a lg f i d c o m p 觚y ，缩写为n g c ) 在其4 0 0 k v 系统内安装了由法国越s t o m 输配电公司研 制的基于7 5m v 盯s 以r c o m 的静止无功补偿系统【1 9 1 。 我国s t f 虹c o m 领域的研究刚刚起步就取得了一定的成绩。1 9 9 4 年研制大 容量s t f 盯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 6 江苏大学硕士学位论文 华大学和河南省电力局合作共同研制士2 0 m v a r 的s r c o m 【2 0 】【2 。为进行机理研 究，先研制了一台士3 0 0 k v 盯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l o 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 士2 0 m v 盯s 可订c o m 【捌在河南朝阳变电站投入运行【2 3 】【2 4 】【2 5 1 。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 b 订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。此外，还有国家电力公司电力自动化研究院、 中国电力科学研究院、华北电力大学、东北电力学院、哈尔滨工业大学等单位都 曾在这个领域进行过装置级的研制，分别作出了自己的贡献。西安交通大学、华 中科技大学、重庆大学、上海交通大学等高校也在s t a t c o m 的建模、稳态调控、 抑制谐波等方面有一定的研究【2 6 】【2 7 】【2 8 】。 s 卫玎c o m 是f a c t s 领域一个重要的研究课题，具有十分广阔的发展与工程 应用前景，主要从构成大功率s t a = r c o m 主电路拓扑结构、多电平逆变器的调制 方法、无功补偿与储能系统的结合、s 虹c o m 的控制方法等几个方面进行。i g c t 器件结合了g t o 和i g b t 的优点，开关容量大、频率较高；链式主电路结构的引 入提高了s 曰盯c o m 的工作性能。因此采用i g c t 等新型器件的链式结构 s 仉虹c o m 是当今乃至今后一段时间研究的热点，如何采用优化的控制策略来提 高工作性能也是今后研究的热点。这也是本文研究的重点。 1 3 本文研究的主要工作 本课题为江苏省高新技术项目，所研制的静止同步补偿器容量为：2 0 0 k v 缸， 电压等级：6 k v 。本文主要针对s t f 盯c o m 的控制方法和主电路结构进行研究， 主要做了以下工作： ( 1 ) 介绍了课题研究背景及意义，分析比较了s 毋虹c o m 的工作原理及其 控制策略； ( 2 ) 对s 毋盯c o m 进行机理分析，根据d 咽坐标变换理论，建立s 1 = f f 订c o m 的动态数学模型。对s 玑虹c o m 的装置级控制进行了分析，提出了无功电流的灰 色预测控制，经分析与仿真验证了该方法在跟踪能力和鲁棒性方面的优越性；对 s m 盯c o m 的器件级控制进行了研究，选取载波相移p w m 法进行调制，经仿真 7 江苏大学硕士学位论文 证明该方法在提高等效载波频率和降低输出谐波含量方面的显著优势。 ( 3 ) 深入分析了新型电力电子器件( i g c t ) 的特性，建立其原理性电学模型， 并针对i g c t 串联运行出现的电压不均问题提出了有效的解决方案，并经仿真进 行验证。对基于i o c t 的链式多电平主电路参数进行设计，并建立仿真模型，通 过p s p w m 调制，仿真结果表明链式多电平电路在滤除谐波方面达到良好效果。 ( 4 ) 设计了s t a t c o m 系统电路主要参数、检测电路、p w m 波发生器， 并对i g c t 的驱动与保护进行研究。 8 江苏大学硕士学位论文 第2 章s t a t c o m 工作原理及控制策略 与传统的以t c r 为代表的s v c 装置相比，s 可叮c o m 的电路结构、工作原 理、控制策略都有较大不同。s t a t c o m 的调节速度更快，运行范围更广，而且 在采取多重化、多电平、p w m 技术和链式结构等措施后可大大减小了补偿电流 中谐波的含量；s 尉盯c o m 使用的电抗器和电容远比s v c 中使用的电抗器和电 容元件要小，大大减小了装置的体积和成本。本章将详细分析s t a t c o m 的电路 结构、工作原理及控制策略。 2 1s t a t c o m 的基本电路结构 s t f 盯c o m 分为采用电压型桥式电路和采用电流型桥式电路两种类型，其电 路基本结构分别如图2 1 ( a ) 和( b ) 所示，直流侧分别采用的是电容和电感这两种不 同的储能元件。对电压型桥式电路，还需要串联连接电抗器才能并入电网；对电 流型桥式电路，还需要在交流侧并联上吸收换相产生的过电压电容器。 t ! 太 、 1 _ _ _ _ _ - j1 卒卒! 本 i 广广广 212i2i 。l 广 广广 l j z、z、2i ( a ) 采用电压型桥式电路( b ) 采用电流型桥式电路 图2 1s 似r c o m 的电路基本结构 众所周知，在平衡的三相系统中，不论负载功率因数如何，三相瞬时功率的 和是一定的，在任何时刻都等于三相总的有功功率。因此总的来看，在三相系统 的电源和负载之间没有无功功率的往返，各相的无功能量是在三相之间来回往返 的，这就需将三项各部分统一起来进行处理。而s r c o m 正是将三相的无功 功率统一进行处理，所以理论上说，s 丑盯c o m 的桥式交流电路的直流侧可以不 设无功储能元件。但实际上由于谐波的存在，使得总体看来，电源和s t a t c o m 之间会有少许无功能量的往返。所以，为维持s m 盯c o m 的正常工作，其直流 侧仍需一定大小的电容或电感作为储能元件，但所需储能元件的容量远比 s 似r c o m 所能提供的无功容量要小。而对传统的s v c 装置，其所需储能元件 9 江苏大学硕士学位论文 的容量至少要等于其所提供的无功功率的容量。因此，s t a t c o m 中储能元件的 体积和成本比同容量的s v c 要小的多。 在实际运行中，由于电流型桥式电路效率比较低，而且发生短路故障时危害 比较大，所以迄今投入使用的s t f 盯c o m 大都采用电压型桥式电路，因此 s r c o m 往往专指采用自换相的电压型桥式电路作为动态无功补偿的装置。本 文也将只对采用自换向电压型逆变器的s t a t c o m 进行研究。 2 2s t a t c o m 的工作原理 s t a t c o m 的工作原理就是将自换相桥式电路通过电抗器或直接并联在电 网上，适当地调节桥式电路交流侧输出电压的相位和幅值，或者直接控制其交流 侧电流，就可以使该静止同步补偿器吸收或发出满足要求的无功电流，实现动态 无功补偿。 2 2 1s t a t c o m 的基本工作原理 由于s t a t c o m 正常工作时就是通过电力半导体开关器件的通断将直流侧 电压转换成交流侧与电网同频率的输出电压，就象一个电压型逆变器，只不过其 交流侧输出接的不是无源负载，而是电网。当仅考虑基波频率时，s 可汀c o m 可 以等效为一个幅值和相位均可以控制的与电网电压同频率的交流电压源。 因此，当忽略其损耗时，s t f 盯c o m 的工作原理就可以用如图2 2 ( a ) 所示的 单相等效电路图来表示。 ( a ) 单相等效电路( b ) 电流滞后( c ) 电流超前 图2 2s 1 a t c o m 等效电路及相量图( 忽略损耗) 图2 2 中和u ，分别表示电网电压和s t a t c o m 输出的交流电压，而叽表 示电抗器l 上的电压，即和【，的相量差，根据基尔霍夫电压定律可知， l o 江苏大学硕士学位论文 = u ，+ 叽。连接电抗器的电流就是s t a t c o m 从电网侧吸收的电流，可以 通过叽来控制。在图2 2 ( a ) 的等效电路中，将连接电抗器视为纯电感，不考虑 其损耗和变换器的损耗，因此不必从电网吸收能量。在这种情况下，只需使u ，和 u 。同相位，仅改变u ，的幅值大小即可控制s m 盯c o m 从电网侧吸收的电流，的 方向和大小。如图2 2 ( b ) 所示，当 时，电流超前电压9 0 。， s t a t c o m 吸收容性的无功功率。 考虑到连接电抗器的损耗和变流器自身的损耗( 如线路损耗、开关损耗、管 压降等) ，并将总的损耗集中作为连接电抗器的电阻考虑，则s t a t c o m 的实际 等效电路和电流分别滞后、超前工作的相量图如图2 3 所示。 ( a ) 单相等效电路电流滞后( c ) 电流超前 图2 3s 1 猢陀o m 等效电路及相量图( 计及损耗) 在这种情况下，因为变流器不需要消耗能量，变流器电压u ，与电流，仍相 差9 0 。而电网电压u 。与电流，的相差则不再是9 0 。，而是比9 0 0 小了万角，因 此电网提供了有功功率来补充电路中的损耗，也就是说相对于电网电压来讲，电 流j 中有一定量的有功分量。这个万角也就是变流器电压u ，与电网电压u s 的相 位差。通过改变这个相位差的大小，并且改变变流器电压u ，的幅值，就可以改 变电流，的相位与幅值，使得s t a t c o m 从电网吸收的无功功率也得到调节。 在图2 3 中，将变流器本身的损耗也归算到了交流侧，并归入连接电抗器电 阻中统一考虑。实际上，这部分损耗发生在变流器内部，应该由变流器从交流侧 吸收一定有功能量来补充。因此，实际上变流器交流侧电压u ，与电流，的相位 差并不是严格的9 0 0 ，而是比9 0 0 略小。 江苏大学硕士学位论文 另外，工程实际中还有一种由直流侧提供损耗能量的方案。与以上所述由交 流电网侧提供有功能量的方案不同，直流侧并联直流电压源( 如蓄电池) 。其工 作相量图如图2 4 所示。电流与交流电网电压的相位差是9 0 。，与变流器交流侧 电压的相位差为9 0 。+ 艿。 ( a ) 电流滞后 ( b ) 电流超前 图2 4 损耗能量由直流侧电源提供时s 似r c o m 的j r 作相量图 2 2 2 从能量流动角度分析s 己盯c o m 的工作原理 通过以上分析可知，电压型s t a t c o m ，实际上是一个可以实现能量双向流 动的三相变流器，它可以实现四象限工作，既可以工作在整流状态，也可以工作 在逆变状态。在s n 盯c o m 的实际工程应用当中，直流侧一般采用带有充电装置 的电容器或者直流蓄电池组( 即直流电源) 。因此，当作为s t a t c o m 运行时， 它相当于一个电压型逆变器，负载是三相交流电网。图2 5 为s t a t c o m 工作于感 性和容性状态时的四象限工作向量图。 ( a ) 吸收感性无功功率( b ) 吸收容性无功功率 图2 5s n 疆c o m 能量流动相量图 当以电网电动势【，。为参考向量时，电压型变流器的的工作点在以o 为圆心， 以u ，为半径的圆周上运动。其中坐标横轴以下的半个圆周为整流工作状态，坐 标横轴以上的半个圆周为有源逆变工作状态。由此可见，通过控制电抗器三上电 压u ：的大小，可以改变圆的半径，通过控制u ：的相角，可以使工作点在圆周 上滑动。从而可以使电压型变流器实现四象限运行。作为吸收感性无功功率的 1 2 江苏大学硕士学位论文 s t a t c o m 运行时，工作于图2 5 ( a ) 中的a 点，此时电流，滞后于电压u ，9 0 0 ， 感性无功功率从电网流入s n 盯c o m ，而理论上两侧没有有功功率的流动；作为 吸收容性无功功率的s t a t c o m 运行时，工作于图2 5 ( b ) 中的b 点，此时电流，超 前于电压u ，9 0 。，容性无功功率从电网流入s t a t c o m ，理论上两侧也没有有功 功率的流动。通过控制u 。的幅值与相位，就可以改变s n 盯c o m 的工作点，从 而实现无功功率的平滑调节，这就是s n ”c o m 的工作原理【2 1 。 2 3s 丑虹c o m 的基本控制方法 作为动态无功补偿装置的类型之一，s n 盯c o m 的控制不论是从大的控制策 略的选择来讲，还是从其外闭环反馈控制量和调节器的选择来说，其原则都与传 统的s v c 装置是基本一致的。如控制策略的选择应该根据补偿器要实现的功能 和应用的场合，来决定采用开环控制、闭环控制或者两者相结合的控制策略。 s t a t c o m 和传统的s v c 在控制策略上有所不同：在s v c 中，由外闭环调节 器输出的控制信号用作s v c 等效电纳的参考值，以此信号来控制s v c 调节到所需 要的等效电纳；而在s 1 = f c 盯c o m 中，开环或外闭环调节器输出的控制信号则被 视为补偿器应该产生的无功电流( 或无功功率) 的参考值。正是在如何由无功电 流( 或无功功率) 参考值调节s t a t c o m 真正产生所需要的无功电流( 或无功功 率) 这个环节上，形成了s 毋玎c o m 多种多样的具体控制方法，大致可以分为电 流的间接控制和电流的直接控制两种方法。因为在系统电压值基本位置恒定的情 况下，对无功电流的控制也就是对无功功率的控制，因此以下均以无功电流的控 制来说明。实际上，s 仉玎c o m 的电流控制任务中还应该包括对有功电流的控制， 以补偿电路中的有功损耗m j 。 2 3 1电流间接控制 所谓的电流间接控制，就是将s r c o m 当作交流电压源来看待，通过对变 流器所产生交流电压基波的相位和幅值的控制，来间接控制s 仉盯c o m 的交流侧 电流。分析图2 3 所示的s 玎c o m 工作相量图，以吸收滞后电流为例，图中电网 江苏大学硕士学位论文 电压u s 、连接电抗器电压吮和变流器交流侧基波电压u ，构成一个三角形，由 正弦定理可以得到： 叽 s i n 万 s i n ( 9 0 。+ 伊)s i n ( 9 0 。一万一缈) 式中万为u 与的相位差，以u ，超前时为正； 仃为连接电抗器的阻抗角。 故得： ( 2 一1 ) u ：墅型 ( 2 2 ) 这样，就可以推导出稳态下的s n 虹c o m 从电网吸收的无功电流和有功电流 有效值分别为： 乇= 了等s i n ( 9 0 。删= 2 万 ( 2 3 ) 仁若杀c o s ( 9 0 0 卅= 熹( 1 _ c 础万) ( 2 4 ) 以吸收滞后无功时无功电流为正，吸收超前无功时无功电流为负。当u ，滞 后于u s ，s t a t c o m 从电网中吸收超前无功电流时，其稳态仍然满足公式( 2 - 3 ) 和公式( 2 4 ) ，只不过其中的万和，d 都为负值。可以看出，在万角绝对值相对比较 小的范围内，万与，q 近似为线性的正比关系。可以通过控制u ，相对于的超 前角万来控制st f c 盯c o m 装置吸收的无功电流。其控制方法如图2 6 所示。 图2 6 简单的电流间接控制 在改变万角时，u 就随着变化。实际上u ，的变化是通过变流器直流侧电压 的变化实现的。万角变化时，交流器将吸收一定的有功电流，因而直流侧电容被 充电或者放电，引起直流电压虬的变化，从而使得交流侧输出方波的幅值变化， 也就改变了其基波的有效值。暂态调节过程结束后，系统进入新的稳态，此时万 角与交流侧基波电压关系如式( 2 5 ) 所示，可以看出它们的大小是一一对应的。 1 4 江苏大学硕士学位论文 u ：丝型 c o s 缈 ( 2 - 5 ) 这种控制方式存在着一定的缺点：万角的变化范围很小，在工频情况下无功 功率对艿角的变化灵敏度非常的高，因此对装置及其控制系统软、硬件的精度要 求都非常的高，同时响应速度比较慢，控制精度也不够高。 为了提高无功电流的控制的精度和响应速度，可在这种控制方法基础上对 s t a t c o m 吸收的无功电流进行反馈控制，如图2 7 所示。也可对万角和脉宽角矽 ( 也就是u ，) 联合起来控制。即利用万角和u ，存在的一一对应关系，直接通过 改变变流器交流侧输出方波脉冲的宽度来使u ，调节到当前万角对应所需的稳态 值，而不必通过直流侧电容充放电改变直流电压这样的较慢过程来自动调节u ， 的值进入下一个稳态。这样，由于没有了直流电容充放电的动态调节过程， s t a t c o m 的响应速度便会提高，而且直流电压也可以维持不变，这对装置也非 常有利。 图2 7 带反馈的电流间接控制 电流的间接控制方法多应用于较大容量s t a t c o m 的场合( 如输电补偿) 。因 为容量较大时，受电力半导体开关器件开关频率的限制，一般无法像直接控制法 那样对电流波形进行跟踪控制。同理，在大容量的场合，s t a t c o m 也只能通过 多重化、多电平，同时集合p w m 技术来降低装置自身的谐波。 2 3 2 电流直接控制 所谓的电流直接控制，就是采用跟踪型p w m 控制技术对电流波形的瞬时值 进行反馈控制。 1 电流直接控制方式 跟踪型p w m 控制技术通常采用滞环比较方式或三角波比较方式。其简单原 理如图2 8 所示。 1 5 江苏大学硕士学位论文 ( a ) 滞环比较方式( b ) 三角波比较方式 图2 8 电流的跟踪型p w m 控制 ( 1 ) 滞环比较方式 滞环比较方式原理如图2 8 ( a ) 所示。其中瞬时电流参考值。与电流j 比较， 其差小于滞环的最大值时，控制功率开关在电流增大状态，反之，在差值小于滞 环最小值时，控制功率开关器件在电流减小状态。这样输出电流就会按照参考电 流的轨迹，在滞环宽度带内跟踪参考电流。滞环带宽度越窄，跟随效果越好，但 开关频率越高、开关损耗越大。滞环比较有较好的跟踪效果，控制参数也简单， 但是功率器件的开关频率变化给输出滤波器的设计带来困难。滞环比较的上述特 点使其更适合于容量小、开关频率高、电流变化不大的场合。 ( 2 ) 三角波比较方式 三角波比较方式原理如图2 8 ( b ) 所示。其中瞬时电流参考值。与电流f 相减 后，通过p i 调节器运算，再与三角波比较，决定功率开关的状态。比较器的输 出一般有逻辑锁存器，保证在一个三角波周期内，同一桥臂上的两个开关器件的 状态保持不变，这样使得开关器件的开关频率恒定不变。三角波比较控制克服了 滞环比较控制开关频率变化的缺点，但电流波形的谐波成份较滞环比较要大一 些。在较大功率和大功率场合，多用三角波比较。 2 电流直接控制方法 电流直接控制的s t a t c o m 控制系统有两种基本结构。第一种控制结构如采 用了a b c 轴下的瞬时电流控制系统。如图2 9 所示。这里采用三角波比较方式的跟 踪型p w m 技术原理。f 一是总的瞬时电流，它是根据s t f 盯c o m 装置对有功能量 的要求，以瞬时电流无功分量的参考值j q 呵为主，通过对i 鲥的