（控制科学与工程专业论文）基于tscstatcom的无功补偿的仿真分析与研究.pdf

原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特另t l d n 以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均己在论文中作了明确的说明。 作者签名： 魄珥年卫月凼 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：导师 ,j1z矿 硕士学位论文摘要 摘要 电能质量问题，尤其是无功功率和谐波的问题，严重威胁着电网 的安全运行。t s c 是目前广泛使用的无功补偿方式，具有结构简单、 费用较低的优点；静止同步补偿器( s t a t c o m ) ，作为新一代无功功率 补偿装置，它以其平滑的无功调节、快速的动态特性等优良性能引起 了国内外科研与工程领域的广泛关注。所以考虑把两者结合起来，在 满足所需动态性能的前提下，把一部分容量的s t a t c o m 用t s c 取代， 从而可以在整体上降低成本。 文中详细介绍了t s c 和s t a t c o m 的电路结构、工作原理以及改善 电能质量的具体方法。讨论了采用电流间接控制的s t a t c o m 控制策 略。从改善电路结构和优化脉冲触发方式两个方面讨论了s t a t c o m 的 自身谐波消除技术。在m a t l a b s i m u l i n k 环境下分别对t s c 和s t a t c o m 电路建立了s i m u l i n k 仿真模型，并针对其无功补偿效果进行了仿真 分析，仿真结果显示t s c 和s t a t c o m 存在性能或者成本等方面的不足。 在m a t l a b s i m u l i n k 环境下建立了基于t s c + s t a t c o m 的并联无功 补偿系统的仿真模型。并对其仿真结果进行了分析，结果表明 t s c + s t a t c o m 无功补偿系统在提高功率因数、抑制自身谐波含量、稳 定系统电压等方面均具有良好的性能，显示出该无功补偿方式具有较 好的应用价值。 关键词：电能质量，无功补偿，晶闸管投切电容器，静止同步补偿器， 功率因数 硕士学位论文摘要 a bs t r a c t t h ep r o b l e mo fe l e c t r i ce n e r g yq u a l i t ym e n a c e ss e r i o u s l yt h es a f e o p e r a t i o no fp o w e rn e t w o r k ，e s p e c i a l l yr e a c t i v ep o w e ra n dh a r m o n i c s t s ch a st h ec h a r a c t e r i s t i c so fs i m p l es t r u c t u r e ，l o wi n v e s t m e n tc o s t ，i f c o u l dc o m b i n et h ea d v a n t a g e so ft h et w ok i n d so fr e a c t i v ep o w e r c o m p e n s a t i o nd e v i c e sh a v ev e r yh i g hp r o j e c tv a l u e s a san e wv a r c o m p e n s a t o r , t h es t a t i cs y n e h r o n o u sc o m p e n s a t o r ( s t a t c o m ) a t t r a c t s e x t e n s i v ea t t e n t i o nf o ri t sp e r f e c tp e r f o r m a n c es u c ha ss m o o t hr e g u l a t i o n o fv a ra n dd y n a m i cc a p a b i l i t y c o m b i n et h eb o t hd e v i c e s ，o n t h ep r e m i s eo fm e e tt h en e c e s s a r yo fd y n a m i cp r o p e r t i e s i fl e tt s c r e p l a c ep a r tc a p a c i t a n c eo fs t a t c o m t h ec o s tw i l lb er e d u c e d t h ec i r c u i td i a g r a ma n dw o r kp r i n c i p l ea sw e l la si t sm e t h o di n i m p r o v i n gt h eq u a l i t y o fe l e c t r i c i t yo ft h et s ca n ds t a t c o ma r e i n t r o d u c e di nd e t a i li nt h i sp a p e r ac o n t r o ls t r a t e g i eo fs t a t c o ma r e d i s c u s s e dw h i c hi n c l u d e si n d i r e c t c u r r e n tc o n t r 0 1 t h eh a r m o n i c e l i m i n a t i o nt e c h n o l o g i e so fs t a t c o ma r ed i s c u s s e d w h i c hc a nb e a c h i e v e d b yi m p r o v i n g c i r c u i t c o n f i g u r a t i o n a n d o p t i m i z i n g p u l s e s - g e n e r a t i n g m o d e s t h es i m u l a t i o nm o d e lo fr e a c t i v e p o w e r c o m p e n s a t i o n d e v i c eo ft s ca n ds t a t c o ma leb u i l ti n m a t l a b s i m ，胍e n v i r o n m e n t a f t e ra n a l y z i n gt h es i m u l a t i o nf o r i t se f r e c to fr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t t s ca n ds t a t c o ms y s t e m se x i s tt h ep r o b l e m so fp e r f o r m a n c eo rc o s t g a p s t h es i m u l a t i o nm o d e lo fr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o nd e v i c eb a s e d o nt s c + s t a t c o mi sb u i l ti nm a 兀，a b s i m u l i n ke n v i r o n m e n t a f t e r a n a l y z i n g t h es i m u l a t i o n t h er e s u l ti n d i c a t e st h a tt s c + s t a t c o m r e a c t i v ec o m p e n s a t i o nc a nm e e tt h ed e m a n d so fi n c r e a s et h er e a c t i v e f a c t o r r e j e c ts e l fh a r m o n i ca n ds t a b i l i z et h es y s t e mv o l t a g e ，a n ds h o wt h e r e a c t i v ec o m p e n s a t i o nm e t h o dh a sg r e a ta p p l i c a t i o nv a l u e k e yw o r d s ：p o w e rq u a l i t y ，v a rc o m p e n s a t i o n ，t h y r i s t o rs w i t c h e d c a p a c i t o r , 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 , p o w e r f a c t i o n 硕士学位论文目录 目录 摘要i a b s t r a c t 1 ： 目录i 第一章绪论1 1 1 问题的提出及研究意义1 1 2 国内外传统无功补偿装置介绍3 1 2 1 同步调相机3 1 2 2 并联电容器3 1 2 3 静止无功补偿器4 1 2 4 静止同步无功补偿器6 1 3 国内外研究现状8 1 4 本文主要研究的内容；1 2 第二章t s c 和s t a t c o m 的基本原理、控制策略及仿真分析1 3 2 1 无功补偿的原理和意义1 3 2 2 无功检测算法1 5 2 2 1 无功检测方法的概述1 5 2 2 2 基于瞬时无功功率理论的无功电流检测方法1 6 2 2 3 基于三相不平衡系统改进的无功电流检测方法1 9 2 3t s c 的基本原理分析2 2 2 3 1 基本原理2 2 2 3 2t s c 电路拓扑2 2 2 3 3t s c 投切过渡过程分析2 4 2 3 4 投切振荡的抑制2 6 2 3 5t s c 的仿真分析2 7 2 4s t a t c o m 的基本原理、控制策略以及仿真分析3 2 2 4 1s t a t c o m 电路基本结构3 2 2 4 2s t a t c o m 的基本工作原理3 2 2 4 3s t a t c o m 的控制策略3 4 2 4 4s t a t c o m 谐波消除技术3 7 2 4 4 1 改善电路结构3 8 硕士学位论文目录 2 4 4 2 优化脉冲触发方式4 3 2 4 5s t a t c o m 的仿真分析4 8 2 4 5 1s t a t c o m 主系统的结构组成4 8 2 4 5 24 8 脉冲变流器组结构组成5 0 2 4 5 3 触发脉冲发生器的结构组成5 1 2 4 5 4 仿真结果分析5 4 2 6 本章小结5 9 第三章t s c + s t a t c o m 并联无功补偿系统与仿真分析6 0 3 1t s c + s t a t c o m 并联无功补偿系统电路拓扑6 0 3 2t s c + s t a t c o m 并联无功补偿系统的控制策略6 l 3 3t s c + s t a t c o m 并联无功补偿系统的仿真模型6 2 3 4 仿真结果分析6 4 3 4 1 冲击负载未并入的仿真6 4 3 4 2 冲击负载并入后的仿真6 7 3 5 本章小结7 1 第四章结论与展望7 2 4 1 结论7 2 4 2 不足之处及可继续研究工作的展望7 3 参考文献7 4 致谢7 8 读研期间主要研究成果7 9 硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1问题的提出及研究意义 随着二十一世纪经济的飞速发展，电力系统的规模越来越大，用户对用电质 量有了更高的要求，而电力网中大量接入的感性负载在运行时形成电网无功功率 流，引起电网功率因数的下降，发电设备的容量不能充分被利用，输变电设备与 线路的利用率下降，功率损耗与电能损耗增加，电压损失加大，严重影响电 力系统的安全经济运行2 圳。另外，冲击性无功负荷所产生的无功功率冲击，还 将导致剧烈的电压波动和电压闪变，干扰测控，通讯，及计算机系统的正常工作， 甚至可能酿成事故。如国内华中电网1 9 7 2 年7 月2 7 日武汉、黄岗和黄石地区电压 崩溃事故，使受端电网全部瓦解：东北电网1 9 7 3 年7 月1 2 日发生在大连地区的电 压崩溃事故，造成大连地区全部停电。国外如法国、比利时、瑞典、同本、美国 等均出现过由于电压不稳定而造成的电网停电事故，尤其日本东京1 9 8 7 年7 月2 3 日的大停电事故，是一次典型的电压崩溃事故。为此国际大电网会议提出了电网 应当在满足其它各方面要求的同时，也要按防止电压崩溃的准则进行规划设计。 因此，对电网中的无功进行补偿，从而保证系统的电压质量。具有极其重大的社 会意义和经济价值。长期以来，国内外电力工作者一直极大地关注和致力于无功 补偿问题的研究和应用，由此可见，无功功率补偿问题的研究不仅具有广阔的应 用前景，而且具有实用价值，同时也是国际学术界的i j f 沿课题。 ， 在电网中，大多数负载( 如电机、电弧炉等) 和网络元件( 如变压器、传输线 等) 的运行不仅需要电源为其提供有功功率，而且还需提供相应的无功功率1 。 这些无功功率如果都要由发电机提供并经过长距离传送显然是不合理的、也是不 可能的t 6 - - 7 1 。合理的方法是在需要消耗无功功率的地方产生无功功率，这就是无 功补偿。无功功率的产生对供电系统和负荷的运行都具有非常大的危害，其主要 体现在以下几个方面： ( 1 ) 无功功率的增加，会导致电流的增大和视在功率的增加，从而使导线、 发电机、变压器及其它电气设备容量的增加。而进行无功功率补偿提高供用电系 统及负载的功率因数，对电网来说可以挖掘发供电设备潜力，降低设备容量，减 少设备及线路的功率损耗，对用户来说不但避免了因功率因数低于规定值而受 罚，而且减少了用户内部因传输和分配无功功率造成的有功功率损耗，从而减少 了电费的支出。因此无功补偿是电力系统及工矿企业节能降耗的重要手段； ( 2 ) 电网的无功容量不足，会造成负荷端的供电电压低，影响正常生产和生 硕士学位论文第一章绪论 活用电；反之，无功容量过剩，会造成电网的运行电压过高，电压波动率过大。 而冲击性的无功负载会使电网电压产生剧烈的波动，使供电质量严重降低，对无 功功率进行动态补偿可以稳定受电端，提高供电质量； ( 3 ) 在长距离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，提高输电能力等等； ( 4 ) 对电力系统的发电设备来说，无功电流的增大，对发电机转子的去磁效 应增加，电压降低，如过度增加励磁电流，则使转子绕组超过允许温升，为了保 证转子绕组正常工作，发电机就不允许达到预定的出力。此外，原动机的效率是 按照有功功率衡量的，当发电机发出的视在功率一定时，无功功率的增加，会导 致原动机效率的相对降低。 无功补偿是维持现代电力系统的稳定与经济运行所必需的，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，因为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 8 - 9 1 。 在电力网中，不仅包括一些稳定的无功负荷，还有一些冲击性的无功负荷， 只有对这些无功负荷进行动态补偿，才能防止供电质量的进一步恶化，同时，对 于节约能源，保障电网安全运行也具有重要意义。 2 硕士学位论文 第一章绪论 1 2 国内外传统无功补偿装置介绍 无功补偿装置的发展经历了：同步调相机、并联电容器、静止无功补偿器以 及静止同步无功补偿器四个发展阶段。 1 2 1 同步调相机 传统的无功功率动态补偿装置是同步调相机t l o l , 它实际上是不带机械负荷， 空载运行的同步电动机。它有过激和欠激两种运行方式：在过激运行时，向系统 提供感性无功功率，成为无功电源，提高系统功率因数和电压；在欠激运行时， 则从系统吸收感性无功功率，成为无功负荷，降低系统电压。只要改变调相机的 励磁，就可以平滑地改变其输出无功功率的大小及方向，因而可以平滑地调节所 在地区的电压，这是同步调相机相对于并联电容器的最大优点。 然而，由于同步调相机属于旋转电机，因此损耗和噪声都很大，运行和维护 复杂，而且相应速度慢，在很多情况下已无法适应快速无功功率控制的要求。所 以7 0 年代以来，同步调相机开始逐渐被静止型无功补偿装置所取代。 1 2 2 并联电容器 利用并联电容器是补偿无功功率的传统方法之一。在电力系统常用的无功补 偿设备中，并联电容器的单位容量费用最低，有功损耗最小，运行维护最简便， 而且可以分散安装，实现无功就地补偿，获得最好的技术经济效果，此外改变容 量也方便，还可以根据需要分散拆迁到其他地点。因此以并联电容器作为无功补 偿方式目前在国内外均得到广泛的应用。 下图为电力网中利用并联电容器进行无功补偿的等效电路图及相量图： i ，二 a ) 电路图b ) 相量图 图1 - 1 并联电容器补偿无功功率的电路和相量图 。 由图卜1 可以看出，当并联电容器未投入使用时，电力网中的感性无功电流 都由系统电源承担，使得系统功率因数较低；并联电容器投入后，向系统供应感 硕士学位论文第一章绪论 性无功功率，分担了系统的绝大部分无功负荷，使得功率因数大大提高。但是在 补偿过程中，如果电容的容量过大，就会使补偿后的电流相位超前于电压，出现 过补偿，这会引起变压器二次电压的升高，而且容性无功功率在电力线路上传输 同样会增加电能损耗，使温升增大，影响电容器的寿命，因此，在利用并联电容 器进行无功补偿时，一定要认真计算补偿容量。 由于电容器只能向系统供应感性无功功率，而且它所供应的感性无功功率与 其端电压的平方成正比，所以以并联电容器作为无功补偿方式存在以下一些缺 点：首先是电压的调节特性差，当系统因无功负荷过大，出现电压下降时，电容 器的无功输出反而减小，这会导致电网电压的进一步下降，从而威胁到整个电力 系统的安全运行。其次，当电容器的补偿容量确定以后，其阻抗是固定的，因此 在补偿过程中不能跟踪负荷需求的变化，也就是说不能实现对无功功率的动态补 偿。而随着电力系统的发展，对无功功率进行快速动态补偿的需求越来越大。 1 2 3 静止无功补偿器 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 ) 是相对于调相机而言的一 种利用电容器和各种类型的电抗器进行无功补偿( 可提供可变动的容性或感性无 功) 的装置，简称静补装置或静止补偿器。由于大功率晶闸管的出现，产生了晶 闸管控制电抗器( t c r ) 及晶闸管投切电容器( t s c ) 等静止无功补偿器( s v c ) ，它们 的优势在于无机械磨损，响应速度较快，而传统的机械开关装置是远为逊色的1 。 然而，t c r 可以连续调节无功功率，但会产生低次谐波需要额外的滤波器，且由 于晶闸管门极控制的固有延迟，补偿器的响应速度受到了限制。另外，t s c 运行 损耗小且不产生谐波，但是其有分级控制不能连续调节无、相位平衡能力有限、 灵活性差等缺点。 t c r 型补偿器由t c r 和若干组不可控电容器组成。如图i - 2 所示，与电容c 串联 的电感三，与其构成串联谐振回路，兼作高次谐波的滤波器，滤去由t c r 产生的5 、 7 、1 1 等次谐波电流。t c r 由两个反并联的晶闸管与一个电抗器相串联，其工 作原理就是通过控制晶闸管的触发延迟角口，增大或减小补偿器的等效电抗，从 而达到动态改变其吸收的基波电流和无功功率的大小，图b ) 为t c r 型补偿器的伏 安特性图，当t c r 单独作用时，补偿器的基波电流如图中点划线所示，其值取决 于晶闸管的触发角，而后者又取决于设定的控制规律和系统的运行状况等。当仅 有电容器作用时，补偿器的电流如图中虚线所示，即随其端电压的增大而增大。 当t c r 与电容器同时投入时，补偿器的电流如图中实线所示。所以，通过控制晶 闸管的触发延迟角，t c r 型补偿器既可吸收感性无功功率，又可吸收容性无功功 4 硕士学位论文第一章绪论 率，从而达到对系统无功功率和电网电压的动态控制。 _ j 歹天c1 参 厂 l l ， | 、c u l ) ) k 多 一 、 础 lc q ll a ) 等效电路图b ) 伏安特性图 图1 - 2t c r 型静止无功补偿器等效电路与伏安特性图 t s c 型补偿器的工作原理比较简单，其等效电路图如图1 3a ) 所示，利用两 个反并联晶闸管将电并入电网或从电网中断开，其实只是以晶闸管开关取代了常 规电容器所配置的机械式开关。 土s c 一 、 、 厂 多 6 l a ) 等效电路图 b ) 伏安特性图 图卜3t s c 型静止无功补偿器等效电路与伏安特性图 在工程实际中，一般将电容器分成几组，每组都可由晶闸管投切。这样，可 以根据电网的无功需求投切这些电容器，t s c 实际上就是断续可调的吸收容性无 功功率的动态无功补偿器，其伏安特性按照投入电容器组数的不同而不同，见图 1 - 3b ) 。电容器分组的具体方法比较灵活，一般希望能组合产生的电容值级数越 多越好，这样可以尽可能的实现平滑调节，但是也应综合考虑到系统复杂性以及 经济性的问题。另外，电容器的投切时刻必须是电源电压与电容器预先充电电压 相等的时刻，否则将会产生冲击电流，很可能会破坏品闸管或给电源带来高频振 荡等不利影响。 硕士学位论文第一章绪论 1 2 4 静止同步无功补偿器 随着电力电子技术的发展，2 0 世纪8 0 年代以来，基于逆变器结构的静止同步 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 ) ，也有人称之为静止无功 发生器( s t a t i cv a rg e n e r a t o r - - s t a t c o m ) 、高级静止无功补偿器( a d v a n c e d s t a t i cv a rc o m p e n s a t o r - - a s v c ) 或静止调相器( s t a t i cc o n d e n s e r - - s t a t c o n ) 。 与传统的以t c r 、t s c 为代表的s v c 装置相比，s t a t c o m 能实现感性、容性无功双向、 连续调节，且由于使用的是g t o 和i g b t 等全控型器件，使其调节速度更快，运行 范围更宽，且能避免大量谐波注入系统1 1 2 1 。重要的是s t a t c o m 在原理上不需储能 元件与系统交换无功，实际中使用的电抗器和电容元件远l b t c r 和t s c 中使用的电 抗器和电容元件要小，这是无功补偿领域的重大原理创新，为区别于使用电容、 电抗无源器件的无源补偿器，s t a t c o m 属于有源补偿器。s t a t c o m 的优越特性，代 表了动态静止无功补偿装置的发展方向n 3 1 。 s t a t c o m 的基本电路结构分 1 5 1 为两种：即电压型桥式电路结构和电流型桥 式电路结构。如图卜4 所示： ( a ) 电压型桥式电路结构( b ) 电流型桥式电路结构 图i - 4s t a t c o m 的电路基本结构 对于电压型桥式电路，其直流侧以电容作为储能元件，将直流电压逆变为交 流电压，通过串联电抗并入电网，其中串联电抗起到阻尼过电流、滤除纹波的作 用；对于电流型桥式电路，其直流侧以电感作为储能元件，将直流电流逆变为交 流电流送入电网，并联于交流侧的电容可以吸收换相产生的过电压。我们知道， 在平衡的三相系统中，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。因此总的看来，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。而s t a t c o m 正是将三相的无功功率统 6 硕士学位论文 第一章绪论 一以来进行处理的，所以理论上说，s t a t c o m 的桥式变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 t a t 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e e s t a t 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，所以迄今投入实用的s t a t c o m 大都采用电压型桥式电路，因 此s t a t 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。但 是当补偿无功容量大时，s t a t c o m 的容量也需很大，由于目前全控型器件的电流、 电压承受能力所限，需要采用串并联或多重化技术，这样使得制造大容量的 s t a t c o m 成本仍然较高；另外，应用于低压配网无功补偿的配网静止同步补偿器 d s t a t c o m 为了取得理想的输出电流波形品质，开关器件要工作在较高的开关频率 下，随着其容量的增大，补偿电流增大，开关损耗显著增加，这使得设备的运行 效率下降。这些因素限制了大容量的s t a t c o m 在电力系统中的广泛应用。 第一章绪论 无功补偿 装置 早期无功 补偿装置 现代无功 补偿装置 饱和电抗器 同步调相机 静止无功 补偿器s v c 静止同步补偿 器s t a t c o m 直到今天引人注目的 的发展情况。 晶闸管投切电 抗器t c r 晶闸管投切电 容器t s c t c r + 固定电 容f c 机械投切 电容器m s c 各种装置的 混合 关代替机械 投切的并联 硕+ 学位论文 第一章绪论 补偿装置和晶闸管控制的并联补偿装置，使电力系统的并联补偿进入了一个新的 阶段。如t s c ( t h y r i s t o rs w i t c h e dc a p a c i t o r ) ，t s r ( t h y r i s t o rs w i t c h e dr e a c t o r ) ，t c 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 ) 及其综合体s v c ( s t a t i cv a rc o m p e n s a t o r ) 等。s v c 可以快速的调节补偿的无功功率( 响应时间在几十m s ) ，而且没有旋转部件、维 护简单、成本较低，很快成为电力系统并联补偿的主要选择。但s v c 本身也存 在一定的问题：如晶闸管控制只能以斩波方式工作，会产生较大的谐波。 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特性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，使得并联补偿装置的性能得到较大的提升。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很好的特性。而且基于变流器的并联补偿 装置不需要大体积的电力电容器与电力电抗器，体积小，调节速度快，根据电力 系统需要灵活配置。基于变流器并联补偿装置的典型代表是静止同步补偿器 ( s t a t c o m ，s t a tics y n c h r o n o u sc o m p e n s a t io n ) 装置。 1 9 8 0 年，日本三菱公司采用晶闸管和强迫换相技术成功研制出世界上第一 台基于变换器的静止同步补偿器( s t a t c o m ) ，并投入工业试运行。此后， s t a t c o m 作为一种先进的动态并联补偿设备，得到了迅速发展。随着高压大容 量的可关断器件( 如i g b t 、g t o 等) 的实用化，s t a t c o m 主电路已用自换相 器件取代了最初的晶闸管，基于g t o 的大容量s t a t c o m 被广泛运用于实际工 程中。s t a t c o m 具有一系列优越性t 1 7 1 如具有可控电流源或电压源特性，响应 速度快( 达到1 0 m s 级) ；连续控制的精度高，可调范围大，输出谐波特性好。 2 0 世纪9 0 年代以来，基于变流器的并联补偿装置在输电系统和配电系统中 获得了越来越广泛的应用。它在电网中吸收和发送无功，使传输容量更接近热稳 极限，调节电压，以及抑制电压闪变提高系统的暂态稳定水平，而在配电网中主 要起补偿交流负载所需的无功分量，维持节点电压稳定，以及补偿可能出现的谐 波这些作用。 国内在1 9 9 5 年8 月，由河南省电力局和清华大学共同研制了一台3 0 0 k v a r 的s t a t c o m ，并在清华大学并网成功。作为原电力部重大科技攻关项目，1 9 9 9 年3 月，由河南省电力局和清华大学共同研制的2 0 m v a r s t a t c o m 在河南洛阳的 朝阳变电站并网成功，通过河南省电力实验所的7 2 h 满载测试，和中国电力科学 研究院进行的测试，测试结果表明2 0 m v a r s t a t c o m 达到了预期得各项指标， 2 0 0 0 年6 月2 7 同在洛阳成功的进行了鉴定。2 0 0 2 年，“上海电网黄渡分区 5 0 m v a rs t a t c o m 示范工程”作为公司重点科技项目正式立项，2 0 0 6 年2 月2 8 同，5 0 m v a rs t a t c o m 在上海黄渡分区西郊变电站并网试运行。 9 硕十学位论文 第一章绪论 国内外学者对s v c 进行了大量的研究，使得s v c 在无功补偿领域得到广泛的应 用；而s t a t c o m l 匕s v c 更先进，是无功补偿的发展方向，国内外学者对s t a t c o m 的 主电路拓扑结构、控制方法以及无功补偿与储能系统的结合等方面也都进行了广 泛的研究。但由于采用单一的无功补偿装置进行补偿都或多或少存在一部分诸如 稳定性、谐波、精确度、成本等方面的问题，当今国内外仍一直在致力于寻找一 种相对完善的无功补偿系统，而其视线也由单一的无功补偿装置转移到了复杂的 综合并联无功补偿系统上来。 几种无功补偿装置的简要比较如表i - i 所示。 表i - i 无功补偿装置简要比较表 装置 t c r 或 f s ct s ct c r + t s cs t a t c o mt s c + s t a t c o m 项目 t c r + f c 响应速度 2 0 m sl o r e sl o m sl o m s q c 无投切振荡 图2 1 4q h 线，可以防止投切振荡。确定绋时，还应考虑补偿 精度，当稳定带对称于p 轴时，最大欠补偿量= 最大过补偿：量= i 2 q n 。 2 3 5i s c 的仿真分析 用s i m u l i n k 建立t s c 的仿真模型如图2 - 1 6 所示，采用了等容方式的分组， 一共分3 组，给一个阶跃信号触发。t s c 采用电容器预充电与检测晶闸管两端电 压的为零时刻投切电容器，采用这种方式能最大限度地降低了t s c 投切时刻的冲 击电流。同时，同相上各个t s c 投切时间相差0 0 2 s ，即一个工频周期，这样有 效的降低了电流的波动。图中的3 组s u b s y s t e m 模块为反并联晶闸管的封装模块， 开关是用来预充电的，控制系统产生的晶闸管触发信号并不是直接给反并联晶闸 管，而是经过零检测“钉后再给晶闸管，如图2 1 5 所示。 图2 - 1 5 过零检测 2 7 p u l s e 硕士学位论文第二章t s c 和s t a t c o m 的基本原理、控制策略及仿真分析 硕士学位论文第二章t s c 和s t a t c o m 的基本原理、控制策略及仿真分析 图2 - 1 7t s c 支路投切电流( a ) 波形 图2 - 1 8t s c 支路电容电压( v ) 波形 i 删 。 ： 5 m l i1 鬣 l 龋 缓 雕- 。嘲 璺i l , 硕士学位论文 第二章t s c 和s t a t c o m 的基本原理、控制策略及仿真分析 图2 - 2 0 投入t s c 后系统无功功率( v a r ) 变化 图2 - 2 1 投入t s c 后系统无功电流( a ) 变化 硕士学位论文第二章t s c 和s t a t c o m 的基本原理、控制策略及仿真分析 在闭环控制方式时，也可能出现投切振荡；负载设备无功功率无变动时，补偿电 容器频繁投切，大大缩短了补偿电容器的寿命，而且使电网电压出现持续低频振 荡，引起电能质量的下降。所以，单纯的t s c 投切来无功补偿是不能满足当前高 标准的补偿需要的，也不能对保护电器元件有积极的作用，但是由于其成本低， 运行时不产生谐波，自身能耗小，也有一定的可取之处，所以我们需要积极去寻 求一种混合型的无功补偿系统，取长补短，以满足高标准的补偿需要。 硕士学位论文第二章t s c 和s t a t c o m 的基本原理、控制策略及仿真分析 2 4s t a t c o m 的基本原理、控制策略以及仿真分析 2 4 1s t a t c o m 电路基本结构 严格来说，根据直流侧采用电容和电感两种不同的储能元件，s t a t c o m 的基 本电路结构可分为两种：即电压型桥式电路结构和电流型桥式电路结构。如图1 4 所示： 对于电压型桥式电路，其直流侧以电容作为储能元件，将直流电压逆变为交 流电压，通过串联电抗并入电网，其中串联电抗起到阻尼过电流、滤除纹波的作 用；对于电流型桥式电路，其直流侧以电感作为储能元件，将直流电流逆变为交 流电流送入电网，并联于交流侧的电容可以吸收换相产生的过电压。 2 4 2s t a t c o m 的基本工作原理 以电压型桥式电路的s t a t c o m 为例，其基本工作原理简而言之就是通过适当 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，从而 吸收或发出满足要求的无功电流，实现动态无功补偿的目的。 由于s t a t c o m 在工作的时候是通过g t o 等全控型器件将直流侧电压转换成交 流侧与电网同频率的输出电压，因此它就像一个电压型逆变器，只不过其交流侧 输出接的不是无源负载，而是电网。所以，当仅考虑基波频率时，s t a t c o m 可以 等效视为幅值和相位均可控制的一个与电网同频率的交流电压源。其工作原理可 以用图2 2 2 所示单相等效电路图来说明。其中变压器及线路损耗用，等值表示， 图中u 。为s t a t c o m 接入点处系统电压，u ，为s t a t c o m 交流侧电压。 u ! s t a t c o m i 。一1 二熊u广ry yy 、 o l n v 卜 i 图2 2 2s t a t c o m 等效电路图 s t a t c o m 有两种工作状况：即容性工况和感性工况，如图2 - 2 3 所示。图中，万 为己，s 和u ，之间的相位差，以u s 滞后u ，为正，为等效电抗器的阻抗角，u 为 等效阻抗器的两端电压。 3 2 硕士学位论文第二章t s c 和s t a t c o m 的基本原理、控制策略及仿真分析 ( a ) 容性工况 l ( b ) 感性工况 图2 - 2 3s t a t c o m 向量图 当u ，滞后于u 。时( 万 0 ) ，s t a t c o m 工作于感性工况，此时电流，滞后于系 统电压u 。，s t a t c o m 从系统吸收感性无功功率。s t a t c o m 从系统吸收容性 或感性无功功率为t 2 1 ，2 d = 竺s i n 2 万 ( 2 1 0 ) 一 2 厂 其中，q 为s 仉町c o m 三相电路从系统中吸收的总的无功功率，u s 为系统相 电压。当6 0 时，q 0 ，s t a t c o m 吸收感性无功功率；当万 0 时，q 韶糍q ，| ，嚣i 建h “ 札* ? 。 ( a ) s t a t c o ma 相电压幅频特性 j 。l “”。1 、。： 。+ j 。? j “ 。? 。“ f u n d a m e n t a l ( 5 0 h z ) = 1 5 5 6 。t h d = 1 1 5 o 旦 c e 刁 c 了 k 葛 爨 _ ， 西 至 f r e q u e n c yf h z ) ( b ) s t a t c o ma 相电流幅频特性 图2 4 7s t a t a c o ma 相电压及电流0 10 0 0 h z 幅频特性 图2 4 8 的波形图分别给出了a 相系统电压波形以及a 相系统电流在补偿前后 的波形比较。从图中可以看出，在s t a t c o m 进行补偿前，系统电流滞后系统电压 较为明显，理论上应为4 5 。，且幅值为2 2 2 a 。补偿后，系统电流的相位与系统电 硕士学位论文 第二章t s c 和s t a t c o m 的基本原理、控制策略及仿真分析 压的相位已趋于一致，如果s t a t c o m 完全补偿系统的无功电流：则相位关系应完 全一致，而且电流的幅值也降到1 6 0 a ，所以系统中的无功电流( 或无功功率) 已经 得到有效的补偿。 ，。 雨m 8 舫 。 ( a ) 系统a 相电压波形 。i ： 。h 。一t i r o s 镝、。 ，簪”- ，? ，_ 。：。一p 。i 茸w r _ ，濑 ( b ) 补偿前系统a 相电流波形 t i m e ( s ) t i m e ( s ) ( d ) 补偿后系统a 相电流波形 图2 4 8 系统a 相电压( v ) 与补偿前后系统a 相电流( a ) 波形比较 5 7 硕士学位论文第二章t s c 和s t a t c o m 的基本原理、控制策略及仿真分析 由图2 4 4 所示的系统功率因数曲线以及图2 - 4 5 所示的s t a t c o m 三相电压和三 相电流波形图都可以看出，在s t a t c o m 投入运行的起始时刻，系统要经历数个周 期的幅度较大的暂态振荡过程，这主要是因为s t a t c o m 并入系统时，要吸收大量 的有功功率对变流器直流侧电容进行充电。当电容电压稳定后，s t a t c o m i i p 进入 稳定工作状态。下图所示的即是s t a t c o m 直流侧电容电压的充电过程曲线图。 图2 - 4 9s t a t c o m 直流侧电容电压( v ) 曲线 上图所示的是s t a t c o m 直流侧电容的充电过程曲线图，两个电容的充电过程 完全相同。从m a t l a b 示波器放大的波形图中可以看出，经过数个周期之后，两个 电容两端的电压稳定在2 6 8 0 0 v 左右。而单个电容两端电压是其一半，可见，利用 三电平技术，在降低谐波的同时，也使每个电容承受的直流电压大大降低。 s t a t c o m 能实现感性、容性无功双向、连续调节，且由于使用的是g t o 和i g b t 等全控型器件，使其调节速度更快，运行范围更宽，且能避免大量谐波注入系统。 重要的是s