《电二STA》PPT课件.ppt

静止无功补偿技术,STATic synchronous COMpensator STATCOM 静止同步补偿器技术,STATCOM的优点,STATCOM是基于GTO或IGBT的电压型逆变器和直流电容器构成的。它是现代柔性交流输电系统（FACTS）的核心部分，同以往的静止无功补偿装置相比较，STATCAM具有以下优点： （1）静止运行，安全稳定，没有大型转动设备，没有磨损，也没有机械噪声，很大程度上提高了装置的使用寿命； （2）在提高系统的暂态稳定性，阻尼系统振荡等方面，STATCAM也是传统的同步调相机所不能比拟的； （3）在STATCOM装置中，采用直流电容器来替代交流电容器，可以省去常规装置中的大电感，大电容及相关的切换机构，故能减少STATCOM装置的体积，降低损耗； （4）STATCOM为电压源逆变装置，电容器的容量小，在网络中普遍使用，不容易产生谐振；,（5）STATCOM控制灵活，调节范围广，无论在感性还是容性的工况下，都可持续快速调节，响应时间为2030ms。基于PWM调制的STATCOM装置，其最快的响应时间可在10ms左右 （6）谐波量小。在STATCOM中，一般采用桥式交流电路的多重化技术和多电平技术，或者PWM技术进行处理，以消除较低此谐波，使较高次谐波如7，11次谐波等，减小到可接受的程度； （7）连接电抗小。STATCOM接入电网的连接电抗，除能将变流器和电网这两个交流电压连接起来，所以所需的电感量不大，量值远远小于补偿容量相同的TCR等SVC装置所需电感量。如果运用降压变压器将STATCOM接入电网，还可利用降压变压器的漏抗，进一步减小使所需的连接电抗； （8）STATCOM端电压，对外部运行条件和结构变化不敏感。当外部系统容量与补偿器容量接近时，SVC将会变得不稳定，但STATCOM仍可保持系统电压稳定； （9）STATCOM产生的无功电流，基本上不受系统电压的影响。对系统电压进行瞬时补偿，即使系统电压降低，仍可保持最大无功电流。 正因为如此，STATCOM作为一种新型的无功补偿调节装置，应该说是目前性能最好的无功补偿装置，也是现代无功补偿装置的发展方向。它是国内外电力系统行业的重点研究课题之一。,一、STATCOM的基本工作原理,1 STATCOM的等效电压源特性,设有一个并网电压源逆变器，通过某种控制方式，在其逆变输出侧产生一个这样的正弦电压 与电源电压同步（频率相同） 幅值可调 相位可调（以电源电压为参考）,可调电压源的一种实现方法示例,双极 2电平 载波比 调制深度 载波 调制波,2 低压STATCOM的典型电路,3 VSC变换器的四象限运行区间,4 STATCOM的理想运行区间,5 STATCOM的实际运行区间,6 STATCOM的损耗分析,本数学模型仅针对电容储能型和单变量控制。,7 基于损耗的潮流分析模型,交流侧,8 标幺化模型的基准选择,9 标幺化模型,二、STATCOM的工作参数估计,STATCOM系统的工作参数除了交流电源的参数和本身的额定容量外，主要有两个：控制角和直流侧电压。,1 STATCOM参数估计控制角范围,2 STATCOM参数估计直流电压范围,三、STATCOM的主要元件选择,STATCOM系统的参数主要有两个：滤波电抗器和直流侧电容器。其中，滤波电抗器对系统设计和运行性能有着全面而显著的影响。,(1) 滤波电抗器对系统结构的影响： 滤波电感越大，额定无功输出时的直流电压越高，对直流电容器和电力电子器件的耐压水平要求也越高。 由于器件耐压水平的限制，增大电感可能会导致逆变器结构的变化或增大装置结构的复杂程度。,1 滤波电抗器的选择,例：设三相桥式逆变器结构，电源电压380V，调制深度=0.9，直流电容为2200uF，采用SPWM控制，则空载直流电压为690V。 取X*=0.2，则Udc.N=828V，每个桥臂采用1只1600V耐压的IGBT器件，直流侧需要2串2并共4只2200uF/450V电容器； 取X*=0.5，则Udc.N=1035V，每个桥臂需要采用2只1200V耐压的IGBT器件串联，直流侧需要3串3并共9只2200uF /400V电解电容器。,(2) 滤波电抗器与STATCOM的谐波发生量： 在PWM控制方式下，逆变器输出电压为双极性PWM脉冲波形，含有基波电压分量和高次谐波成分。当逆变器输出电压施加到滤波电抗器的一端时，必将在补偿电流中产生相应的谐波电流。 滤波电抗器的主要作用之一是滤除逆变器输出电压中的高次谐波分量。 滤波电感越大，滤波效果越好，无功补偿电流中的谐波分量越小。,(a) X*=0.8 Q*=0.1 (b) X*=0.2 Q*=0.1,不同滤波电感下的实验波形,(a) X*=0.2 Q*=1.0 (b) X*=0.2 Q*=0.5 (c) X*=0.2 Q*=0.1,不同输出无功下的仿真波形,(a) X*=0.2 Q*=0.1 (b) X*=0.2 Q*=0.3,不同输出无功下的实验波形,滤波电感越小，补偿电流的总谐波畸变率越大。 STATCOM装置输出无功越小，补偿电流畸变越严重，总谐波畸变率越大。 在同等补偿电流下，输出容性无功时的总谐波畸变率比吸收感性无功时的值大。 因此，从谐波的角度来看，滤波电感不宜太小。当滤波电抗 X*0.2时，补偿电流谐波含量较大。此外，STATCOM装置不宜长期运行于轻载工况。,谐波影响小结,(3) 滤波电抗器与STATCOM的响应特性： 滤波电感小，则变换器回路的电磁时间常数小，直流电容器可以在较短时间内完成与电源之间的能量交换，无功补偿电流的动态响应速度较快。 下图所示为某80kvar/400V STATCOM装置从输出额定容性无功切换到输出额定感性无功时的电流变化过程。,(a) X*=0.25时 电压电流 (b) X*=0.5时 电压电流 (c) X*=1时 电压电流,滤波电感对动态响应特性的影响,STATCOM装置的滤波电感不仅决定着补偿装置的容量，对装置的性能也有全面影响。 滤波电感小，则对电力电子器件的耐压要求低，装置结构简单，体积小，成本低，动态响应较快。 滤波电感小，输出无功电流的谐波含量大，装置抗电源电压扰动的能力差，而且对控制系统的要求高。 因此，滤波电感的选择，需要根据现有器件和控制系统的水平，按照装置容量和性能要求，从技术经济等方面全面权衡而定。若从谐波特性和响应特性而论，滤波电抗标么值宜选择在0.20.5之间。,(4) 结论,理想情况下，三相STATCOM与电源之间没有能量交换，仅需要很小容量的直流电容器来提供直流电压支撑即可。 实际上，三相不平衡、非理想正弦逆变电源、动态调节过程等，都会使得STATCOM与电源之间存在暂态能量交换。因此，为了维持逆变器直流电压的稳定，直流侧必然需要一定容量的电容器。电容量的选择可参考如下经验公式： 式中，k为允许直流电压波动系数，常取为5左右；为电源角频率；IN为STATCOM额定电流；Udc为额定直流电压。,2 直流电容器的选择,四、STATCOM的控制策略,如何产生PWM信号，使得变换器的输出电压为幅值和相角均可控的正弦同步电压。,1 潮流控制特性分析,结论 有功功率 Ug 无功功率,2 STATCOM的能量平衡分析,结论 有功功率直流电压,3 STATCOM控制目标,4 STATCOM控制方法,5 STATCOM控制策略,6 STATCOM控制系统总体结构,7 基于的单变量控制策略,8 基于的单变量控制策略,9 基于的单变量控制策略（无能量交换）,10 基于和的双变量控制策略,11 基于滞环比较的直接电流控制策略,12 基于三角波比较的直接电流控制策略,五、STATCOM的基本调压方式,1 工频双极性（2电平）调制系统,调压方式 控制UdcUg 他励UdcUg =0,2 工频单极性（3电平）调制系统,调压方式 控制稳定Udc 控制Ug,3 工频级联多电平系统,调压方式 控制稳定Udc，或他励 调节各级Ug幅值及波形,4 高频SPWM/SVPWM调制系统,调压方式2 控制稳定Udc；他励 控制Ug幅值,调压方式1 控制Udc Ug =const,1、徐政译：高压直流输电与柔性交流输电控制装置第7章 2、陈建业等：电力电子技术在电力系统中的应用 ，机械工业出版社，2008.1，P105-127 3、谢小荣等：柔性交流输电系统的原理与应用第6、7章，清华大学出版社，2006.9，,阅读材料,1、