（检测技术与自动化装置专业论文）statcom自抗扰控制与数字系统的研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 随着工业自动化水平的不断提高，电力用户对供电质量和可靠性越来越敏感， 柔性交流输电技术( f a c t s ) 作为一项有效改善电能质量的新技术，得到了飞速发 展。作为柔性交流输电系统中的一项核心技术，静止同步补偿器( s t a t c o m ) ， 由 于其无功调节连续、响应快、运行范围宽、体积小、产生谐波少、损耗低，成为 了当今电力系统柔性交流输电装置研制的热点。 本文首先分析了s t a t c o m 装置的基本工作原理，利用输入输出建模方法和 能量方程，建立了s t a t c o m 装置在d q 两相同步旋转坐标系下的数学模型，并 进行了稳定性分析。由于电力系统是一个强耦合的非线性系统，其各种负载时刻 都在发生变化，针对s t a t c o m 模型参数变化和噪声干扰，本文提出了自抗扰控 制方法，深入研究了自抗扰控制皋本原理，分析了白抗扰控制的内部结构及其各 基本组成部分的功能，并在此基础上设计了基于a d r c 控制的s t a t c o m 控制系 统。控制系统的参数选择与s t a t c o m 系统内部的参数无关，具有更好的适应性 和鲁棒性。脉冲波的发生采用直流侧电压利用率高、开关损耗低、谐波含量低的 电压空间矢量p w m ( s v p w m ) 调制方式。在理论分析的基础上建立了一个 s t a t c o m 实验系统，采用以t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 为控制核心的硬件平台，包括检测调 理电路、驱动电路、保护电路等外围电路，编制了相应软件，完成了试验样机的 联调。 仿真和实验结果表明，基于a d r c 控制和s v p w m 调制的s t a t c o m 控制系 统具有很快的动态响应，能实时地补偿电网的无功电流，且直流侧电压也能迅速 达到稳定值。 关键词：静止同步补偿器，自抗扰控制器，s v p w m ，数字控制系统 木本课题得到江苏大学高级人才专项基金资助项目( 0 7 j d g 0 3 6 ) 和江苏省工业科 技攻关项目( b e 2 0 0 7 0 6 9 ) 的资助。 江苏大学硕士学位论文 a bs t r a c t w i t ht h ei m p r o v e m e n to fa u t o m a t i o ni n d u s t r y , t h ep o w e rc u s t o m e r sa r em o r ea n d m o r ep a r t i c u l a ra b o u tt h ep o w e rs u p p l yq u a l i t ya n dd e p e n d a b i l i t y f l e x i b l ea c t r a n s m i s s i o ns y s t e m ( f a c t s ) h a sb e e nr a p i d l yd e v e l o p e da sa ne f f i c i e n tt e c h n o l o g yt o i m p r o v ee l e c t r i cp o w e rq u a l i t y a so n eo ft h ek e yt e c h n o l o g y o ff a c t s ，s t a t i c s 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 ) h a sc u r r e n t l yb e c o m eah o tt o p i co ft h e r e s e a r c ho nf l e x i b l ea ct r a n s m i s s i o ne q u i p m e n tb e c a u s eo fi t sc o n t i n u o u sa d j u s t m e n t o fr e a c t i v ec u r r e n ta td e p r e s s e dv o l t a g e ，f a s t e rr e s p o n s e ，w i d eo p e r a t i n gr a n g e ，s m a l l e r s i z e ，l o w e rh a r m o n i c sa n dl o w e rl o s s ，e t c i nt h i sp a p e r , t h ed e v e l o p m e n to fr e a c t i v ec o m p e n s a t i o nt e c h n o l o g ya n dt h e a p p l i c a t i o no fs t a t c o m a th o m ea n da b r o a da r ei n t r o d u c e df i r s t 。t h es y s t e ms t r u c t u r e a n db a s i co p e r a t i o np r i n c i p l eo fs t a t c o ma r ei n v e s t i g a t e d u s i n gi n p u t o u t p u t m o d e l i n ga p p r o a c ha n de n e r g ye q u a t i o n s ，am a t h e m a t i c a lm o d e li s c r e a t e df o r s t a t c o mi n d q t w o p h a s es y n c h r o n o u s c o o r d i n a t e s a n dt h es t a b i l i t y p e r f o r m a n c ei sa n a l y s e da c c o r d i n gt ot h em a t h e m a t i c a lm o d e l a st h ep o w e rs y s t e mi sa s t r o n gc o u p l i n gn o n l i n e a rs y s t e ma n di t sl o a d sa r ec h a n g i n gc o n t i n u a l l y , t h ec o n t r o l m e t h o do fa c t i v ed i s t u r b a n c er e j e c t i o nc o n t r o l l e r ( a d r c ) i sp r e s e n t e da c c o r d i n gt o h i g h l yi n h e r e n tn o n l i n e a rs t a t c o mw h i c hi sd i s t u r b e da n dh a sv a r i a b l ep a r a m e t e r s n o to n l yt h eb a s i cp r i n c i p l eo fa d r cb u ta l s ot h es t r u c t u r ea n df u n c t i o no fe a c hp a r t a r es t u d i e dd e e p l ya n ds y s t e m i c a l l y a c c o r d i n gt ot h i s ，as t a t c o mc o n t r o ls y s t e m b a s e do na d r ci sd e s i g n e d t h ep a r a m e t e r so ft h ec o n t r o ls y s t e ma r ei n d e p e n d e n to f t h ep a r a m e t e r so fs t a t c o ms y s t e m s oi th a sb e t t e ra d a p t a b i l i t ya n dr o b u s t n e s s s v p w mm o d u l a t i o nm o d ew i t hw h i c ht h ed cv o l t a g eu t i l i z a t i o nr a t i oi sh i g h ，t h e s w i t c hw a s t a g ei ss m a l la n dt h eh a r m o n i cc o n t e n ti sl o wi sa d o p t e di np r o d u c i n gt h e p u l s ew a v e a ne x p e r i m e n t a ls t a t c o ms y s t e mb a s e do nt m s 3 2 0 f 2 812d s pi sb u i l tw h i c h i n c l u d e sc o n d i t i o n i n gc i r c u i t ，d r i v i n gc i r c u i t ，p r o t e c t i n gc i r c u i ta n ds oo n t h ep r o g r a m o ft h es y s t e mi s c o m p i l e d t h es i m u l a t i o n a n de x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a t s t a t c o mh a sg o o dd y n a m i cr e s p o n s ea n dt h er e a c t i v ec u r r e n ti sc o m p e n s a t e dt o s i n u s o i dw i t ht h es a m ep h a s ea ss o u r c ev o l t a g er a p i d l y a tt h es a n l et i m e ，d cv o l t a g e c a nr e a c has t a b l ev a l u er a p i d l y k e yw o r d ：s t a t i c s y n c h r o n o u sc o m p e n s a t o r , a c t i v e d i s t u r b a n c e r e j e c t i o n c o n t r o l l e r , s p a c ev o l t a g ev e c t o rp w m ，d i g i t a l c o n t r o ls y s t e m 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沦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。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密幽。 学位论文作者签名：瓤肛 签字同期：炒7 年易月驴日 导师签名： 签字日期：1 1月矿日 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。除文中已经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 文的研究做出熏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：韩岛肛 日期：2 0 0 9 年月妇 江苏大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 本课题研究背景及意义 随着科技的飞速发展，人类社会由传统的工业社会跨入了信息社会，这无疑 是社会的进步，同时也对电力系统的供电质量提出了新的挑战，因为众所周知信 息技术所依赖的核心装置几乎无一不对供电质量的要求更加苛刻。而大多数电力 电子装置功率因数较低，对电网构成谐波和无功污染，使得电网的电能质量日益 下降，其中电压跌落、电压波动和负荷不平衡已成为影响用户设备正常、安全运 行最严重的问题，严重威胁了信息化社会供电质量。因此，对电网的供电质量进 行有效地控制，进行合理的无功补偿和谐波抑制势在必行【l , 2 1 。 1 1 1 电力系统中无功功率的危害 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j 下弦化。因此，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，另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问产生的无功功率和 不同频率谐波电压电流之间产生的无功功率。其中基波无功功率足由感性或容性 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【l 3 , 4 1 。 想要实现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。 电力系统中的无功功率危害主要表现在： ( 1 ) 增加设备容量。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，造成电能的利用效率降低； ( 3 ) 使线路和变压器的电压降增大。由于线路阻抗的存在，大量的无功电流注 入电网会引起电网电压下降。若是冲击性无功功率负载，还会使电网电压 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 江苏大学硕士学位论文 大。 由此可见，电力系统无功功率补偿理论与其工程应用技术的研究意义相当重 1 1 2 无功补偿技术的发展 电力系统中的无功补偿装置从最早的电容器开始发展到今天，历经了电容器、 同步调相机、饱和电抗器、静止无功补偿器、直至今天引人注目的静止同步补偿 器【1 ，5 - 7 1 五个不同阶段。 图1 1 无功补偿装置发展框图 1 无功补偿电容器和l c 滤波器 作为传统的补偿谐波和无功功率的装置，无功补偿电容器和l c 滤波器的原 理简单、安装、运行和维护都很方便，一直以来得到了广泛的应用。但该装置只 能补偿感性无功，且不能连续调节，更重要的是它有负电压效应，当电网电压下 降时，电容器上的补偿电流相应下降，使得补偿的无功量急剧下降，系统电压下 降更大。在系统有谐波时，还可能发生并联谐振，使谐波电流放大，甚至造成电 容器的烧毁。 2 同步调相机 早期的动态无功功率补偿装置是同步调相机( s y n c h r o n o u sc o n d e n s e r ，s c ) ， 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，能提高系统功率凶素和电压；在欠励磁运行时，则从系 统吸收感性无功功率而起无功负荷作用，可降低系统电压。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，因而具有良好的电压调节特 2 江苏大学硕士学位论文 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 a t u r a t e dr e a c t o r ，s r ) 是早期的静止无功补偿装置，1 9 6 7 年英 国g e c 公司研制了世界第一批该种装置。饱和电抗器与同步调相机相比，具有静 止型的优点，相应速度快；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 随着电力电子技术的发展及其在电力系统中的应用，尤其是晶闸管代替机械 开关的实现，将使用晶闸管的静止无功补偿装置( s t m i cv a rc o m p e n s a t o r ，s v c ) 推上了电力系统无功功率控制的舞台。由于它具有控制速度快、维护简单、成本 较低等优点，近2 0 年来在电力系统中得到了大量的应用，占据了主导地位。因此 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 h y r i s t o rc o n t r o l l e dr e a c t o r , t c r ) 和晶闸管投切电容器( 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 , t s c ) ，以及这两者的混合装置( t c r + t s c ) ，或者品闸管控制电抗器与 固定电容器( f i x e dc a p a c i t o r , f c ) 或机械投切电容器( m e c h a n i c a l l ys w i t c h e d c a p a c i t o r , m s c ) 混合使用的装置( 如t c i h f c 、t c r + m s c 等) 。但由于晶闸管工 作于斩波状态，会产生较大的谐波，对电力系统造成污染，而且当这些装置并联 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，更重 要的是晶闸管的关断不能控制，开关器件的工作频率低，使得对电能质量的补偿 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较大。 5 静止同步补偿器 8 0 年代以来，随着电力电子技术的进一步发展，尤其是i g b t 、g t o 、i g c t 为代表的全控型器件向大容量和高频化发展，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无功发生器( 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 ) 。这种补偿装置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，使无功补偿装置的性能大为提升。该类静止无功发生 器可以从感性到容性的整个范围中进行连续的无功调节，特别是在欠压条件下仍 江苏大学硕士学位论文 可有效地发出无功功率。 s t a t c o m 调节速度快，运行范围广，在采用多电平、多重化或p w m 技术等 措施后大大减少了s t a t c o m 网侧补偿电流中谐波的含量，电能质量的补偿能力 得到了很大的提高。上述种种优越性使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 2s t a t c o m 的功能与技术发展概述 1 2 1s t a t c o m 的功能与特点 被誉为“静止的凋相机”的s t a t c o m 装置是一功能、原理类似于同步调相机 的静态装置，是现代柔性交流输电系统( f a c t s ) 的核心组成部分【8 。1 0 】。它的主回 路主要是由大功率电力电子全控器件组成的电压型逆变器和并联直流电容器构 成，利用逆变原理产生无功功率。s t a t c o m ) t - 联接入电力系统中，可以向系统注 入滞后于网侧电压基波的感性或超前于网侧电压基波的容性电流，从而方便地对 系统进行实时平滑的无功功率补偿。和其它常规无功补偿装置相比，具有以下几 大优点： ( 1 ) 在提高系统的暂态稳定性、阻尼系统振荡等方面，s t a t c o m 的性能大大 优于传统的无功补偿装置； ( 2 ) 控制灵活，调节范围广，在感性和容性运行工况下均可连续快速调节，响 应速度可达毫秒级； ( 3 ) 静止运行，安全稳定，没有调相机那样的大型转动设备，无磨损，无机械 噪声，将大大提高装置的寿命，改善环境影响； ( 4 ) 对电容器的容量要求不高，这样可以省去常规装置中的大电感和大电容及 庞大的切换机构，使s t a t c o m 装置的体积小，损耗低； ( 5 ) 连接电抗小。s t a t c o m 接入电网的连接电抗，其作用是滤除电流中存在 的较高次谐波，另外起到将变流器和电网连接起来的作用，因此所需的电 感量并不大，也远小于补偿容量相同的t c r 等s v c 装置所需的电感量， 如果使用变压器将s t a t c o m 连入电网，则还可以利用变压器的漏抗， 所需的连接电抗器将进一步减小； 4 江苏大学硕士学位论文 ( 6 ) 对系统电压进行瞬时补偿，即使系统电压降低，它仍然可以维持最大无功 电流，即s t a t c o m 产生无功电流基本不受系统电压的影响； 从技术上讲，掌握s t a t c o m 的主电路逆变器结构、控制及保护的研究方法对 研制其它f a c t s 设备具有重要的意义：将s t a t c o m 的直流侧电容换成电池或是超 导线圈就成了能够吸收和发出有功功率的电池储能调节装置( b t t e r ye n e r g y s t o r a g es y s t e m s ，b e s s ) 或是超导磁能存储系统( s u p e r - c o n d u c t i n gm a g n e t i ce n e r g y s t o r a g e ，s m e s ) ；将变流器输出变压器串联接入系统则成为可控串联补偿器 ( s s s c ) ，串并联相结合则成为功能强大的统一潮流控制器( u p f c ) ；在配电端 应用的并联有源滤波器( p a r a l l e la c t i v ep o w e rf i l t e r , p a p f ) 、串联有源滤波器 ( s e r i e sa c t i v ep o w e rf i l t e r , s a p f ) 、配电端静止同步补偿器( d i s t r i b u t i o ns t a t i c s y n c h r o n o u sc o m p e n s a t o r , d s t a t c o m ) 以及动态电压恢复器( d y n a m i cv o l t a g e r e s t o r e r , d v r ) 等电能质量调节器也与其有着相同的技术特征。因此，s t a t c o m 作为一种新型的无功调节装置，已经成为现代无功补偿装置的发展方向，成为国 内外电力系统行业的重点研究课题之一。 1 2 2s t a t c o m 的控制方法研究 由于在确定了s t a t c o m 主电路结构和控制对象后，其补偿无功的控制方法 是决定s t a t c o m 运行性能和效率的关键环节，因而对s t a t c o m 控制策略的研 究是研究s t a t c o m 的热点。近年来，随着非线性控制理论在电力系统中的应用 得到广泛地研列1 1 舶】，电力系统s t a t c o m 控制器设计思路也逐渐从传统的p i 控 制转向非线性控制。从控制的角度来看，s t a t c o m 的控制器设计方法大致集中 于以下几个种： ( 1 ) 线性p i d 控制 自2 0 世纪8 0 年代初第一台实验性s t a t c o m 投入电网运行以来，所有己公 开的实用装置的控制器设计都是采用经典控制理论p i d 或者引入线路功率的p s s 辅助方式来完成，或者进行局部改进的p i 控制。该控制方法原理简单、使用方便， 但只能保证系统在运行点附近小范围内的稳定性，而电力系统本身具有很强大的 非线性特性，如果发生大的扰动或运行点偏离证常值太远，p i d 控制的效果就会 大大减弱，因而难以满足提高系统电压稳定的要求。 ( 2 ) 非线性系统反馈线性化方法【1 7 之6 】 江苏大学硕士学位论文 该方法以包含s t a t c o m 装置的电力系统非线性数学模型为基础，通过对系 统非线性因素的精确处理，将原系统变换成线性系统，然后结合线性系统的控制 方法( 如二次型最优控制) 来设计满足电力系统要求的s t a t c o m 控制器。线性 化方法主要包括以下三种： 基于微分几何理论的线性化方法它是以微分几何精确线性化方法为依据，通 过选择适当的微分同胚坐标变换和非线性反馈，将原来的仿射非线性系统映 射成线性系统，利用线性最优控制理论设计控制舰律。用这种方法束设计 s t a t c o m 控制器，国内外皆有过研究，但因它涉及到人量复杂的数学运算， 工程应用困难，现在已经逐渐被取代。 直接反馈线性化方法( d f l ) 它可以看作是输入、输出线性化的一个特例。 与微分几何线性化方法相比，d f l 方法不局限于仿射非线性系统，数学过程 简单，便于实际工程应用，但它没有给出函数方程求逆的一般方法，因此在 处理多输入、多输出的复杂系统时较困难。 逆系统方法它是用受控对象模型的逆系统构造出一种可用反馈机构实现的 “口阶积分逆系统”，将原受控系统补偿为规范化的线性系统。该方法具有易 于分析和设计的特点，不需进行复杂的坐标变换和大量的数学推导。但它需 要精确的系统模型，且当系统参数出现较大的波动特别是在时变负载时，系 统将出现很强的振动。 ( 3 ) 非线性巩鲁棒控$ 1 j h - 法t 2 7 , 2 s 】 仉鲁棒控制理论是解决不确定系统扰动问题的一种优化控制策略。非线性 从控制2 3 】【2 4 1 是近年来十分热门的一个研究方向，它是一种基于能量耗散理论， 通过构造能量函数直接推导出l 2 增益干扰抑制的控制律，从而绕开对h j i 不等式 的求解。但它只能在可允许的不确定性界内保证系统的鲁棒稳定性要求，超出这 一范围就不一定能满足要求，甚至系统可能出现不稳定。 ( 4 ) 滑模变结构控铝l j 2 9 , 3 0 该方法既适用于一般线性系统的变结构控制设计，也适用于非线性系统的变 结构控制设计。从原理上讲，滑模变结构控制的稳定性及系统性能对参数变化和 外部扰动不敏感，具有较强的鲁棒性，这是它的优点。但滑模变结构控制必须以 数字形式实现才能有更大的实用价值，而数字式滑模变结构控制只有当采样频率 6 江苏大学硕士学位论文 足够高时才能实现较好的性能，并且滑模变结构控制在本质上的不连续开关特性 将会引起系统的“抖振”。利用滑模变结构控制，补偿后电源电流含有较大的高次 谐波，而且谐波电流频谱随机分布，不易校正或滤波。 以上比较评价了目前各种静止无功发生器控制器的设计方法，可以看出， s t a t c o m 控制器的设计还是不尽完善，还有待改进。寻找一种简单有效的控制 算法也是本文的目的之一。 1 2 3s t a t c o m 工程应用现状及发展趋势 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，其中自换相桥式变流电路的方案最受青睐。1 9 8 0 年1 月，同本关两电力 公司与三菱电机公司共同研制并投运了世界上首台s t a t c o m 样机晶闸管强制换 相的电压型逆变器1 3 ，容量为2 0 m v a r 。自此以后，s t a t c o m 作为f a c t s 的重 要成员才引起各国电力工业界的重视。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。1 9 8 6 年l o 月，由美国e p r i 和西屋公司研制的1 m v a rs t a t c o m 投入运行，这是世界上首台采用大功率g t o 作为逆变器的静止补偿器【3 2 1 。1 9 9 1 年日本关西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 rs t a t c o m ，并 在犬山变电站1 5 4 k v 系统中投入运行，维持了1 5 4 k v 系统长距离送电线路中间 点电压的恒定，实现了提高系统稳定的目的【3 3 ，3 4 1 。1 9 9 3 年3 月，东京电力分别与 东芝公司和日立公司开发的5 0 m v a rs t a t c o m 在东京投入使用【3 5 1 。美国e p r i 与田纳西电力局( t e n n e s s e ev a l l e ya u t h o r i t y ，t v a ) 、西屋电气公司合作，在t v a 电力系统的s u l l i v a n5 0 0 k v 变电站建造了l o o m v a rs t a t c o m 8 , 3 6 ，并于1 9 9 6 年 1 0 月投入运行至今，运行状态良好。1 9 9 7 年，德国西门子公司开发研制的8 m v a r s t a t c o m ( 又称g t o s v c ) 【3 7 j 在丹麦安装运行。19 9 8 年，美国电力( a m e r i c a n e l e c t r i cp o w e r , a e p ) 和西屋公司及美国e p r i 合作，在k e n t u c k y 东部的i n e z 变 电站装设了容量为1 6 0 m v a 的s t a t c o m 并投入了试运行【3 8 1 。此后，英国国家 电网公司( n a t i o n a lg r i dc o m p a n y , 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 7 江苏大学硕士学位论文 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，整个静止无功 补偿系统的容量将是0 - 2 5 5 m v a r ，从而提高英国北部往南部的电力传输功率【3 9 , 4 0 】。 此后，三菱公司又于2 0 0 1 年和2 0 0 2 年为美国分别研制了1 3 3 m v a r 和1 0 0 m v a r 的s t a t c o m 装置。 在国内，1 9 9 4 年研制大容量s t a t c o m 被列为电力部罩点科研攻关项目，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制2 0 m v a r 的 s t a t c o m f 4 1 4 3 1 。为进行机理研究，先研制了一台3 0 0 k v a r 的巾间工业试验装置， 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。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2 0 m v a rs t a t c o m 在河南朝阳变电站投入运行。2 0 0 0 年 上海电力公司和清华大学合作研制一台5 0 m 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。2 0 0 1 年2 月围家电力公司电力自 动化研究院也将5 0 0 k v a r 的静止同步补偿器投入了运行【4 4 】。 在相继研制成功大容量s t a t c o m 后，装置的另一个分支向中低压配电网的 应用发展【4 5 1 ，旨在提高用户侧的电能质量，称为用户电力技术。 1 9 9 7 年7 月，美国华盛顿州的s e a t t l e 钢铁公司安装了一台三菱公司制造的 5 m v a r 4 1 6 k v 配电端静止同步补偿器( d s t a t c o m ) ，该装置已于2 0 0 0 年完成 最后的试运行并投入工作【4 6 1 。1 9 9 8 年，德国西门子公司将其8 m v a 的s t a t c o m 安装于丹麦的r e j s b yh e d e 风场，用于改善2 4 m w 的风力发电厂的电能质量，并 评价和研究s t a t c o m 用于动态控制网络电压的效果，为以后增加j x l 力发电机组 并连接到现存的脆弱电网提供经验；同时还研究使用电压型s t a t c o m 进行无功 补偿，改善电力质量，并防止风力发电系统成为孤网后有可能造成火难性的过电 压等问题1 4 7 j 。 1 3 本文的主要研究内容 通过以上分析，从发展的角度考虑，基于自换相逆变器电路静止无功发生器因其 可实现无功功率连续双向快速调：符，响应速度快，结构简单，体积小等许多突出 的优点，必将成为无功补偿未来发展的重要方向。本文根据现在电力系统非线性 无功负荷急剧增加的特点和用户对用电质量不断提高的要求，针对目前s t a t c o m 在实际应用中的不足，着重研究s t a t c o m 的控制系统设计。 本文研究的内容主要包括下面几个方面： 8 江苏大学硕士学位论文 ( 1 ) 介绍课题研究的背景意义及发展现状，分析了s t a t c o m 控制方法及 s t a t c o m 的技术发展概况； ( 2 ) 在理解s t a t c o m 电路结构的基础上，分析了s t a t c o m 基本工作原理、 数学模型及其稳定性分析，并介绍了s t a t c o m 的基本控制方法； ( 3 ) 在分析自抗扰控制器基本原理的基础上，设计了基于自抗扰控制器和 s v p w m 调制技术的s t a t c o m 控制系统，并详细介绍了s v p w m 调制 原理及算法； ( 4 ) 立足于配电网小容量无功补偿场合的s t a t c o m 应用，完成了基于i g b t 的+ 5 0 k v a r 的s t a t c o m 控制系统的软硬件设计，并对系统进行仿真与 实验； ( 5 ) 总结本文所做的主要工作，并对今后需要进一步研究的问题进行简述与展 望。 9 江苏大学硕士学位论文 2 1 引言 第2 章s t a t c o m 的结构及工作原理 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 的主电路结构、工作原 理、运行性能等都有较大不同【4 8 - 5 7 1 。 ( 1 ) 理论上讲，s t a t c o m 装置的直流侧不需要储能元件，实际上考虑到变流器电 路吸收的电流不只含基波，其谐波的存在也多少会造成总体看来少许无功能量 在电源和s t a t c o m 之间往返。为了维持变流器的j 下常1 1 ：作，其直流侧仍需 要一定大小的电感或电容作为储能元件，但所需储能元件的容量远比 s t a t c o m 所能提供的无功容量要小。而对应传统的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。凶此，s t a t 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。 ( 2 ) 在控制策略上，s t a t c o m 和传统的s v c 有所不| 一j 。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，以此将s v c 调节到所需要 的等效电纳；而在s 可玎c o m 中，由外闭环调节器输出的摔制信号则被视为 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 t a t c o m 多种多样的具体控制方法。主要可以分 为电流的i 日j 接控制和直接控制两种。 ( 3 ) s t a t c o m 的调节速度更快，运行范围更广，特别是在采取多重化、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。 2 2s n 盯c o m 的基本工作原理 s t a t c o m 装置可分为采用电压型桥式电路和电流型桥式电路两种类型。其 电压型和电流型的基本结构如图2 1 ( a ) 、( b ) 所示。电压型桥式电路需要串联上连 接电抗器才能并入电网；对电流型桥式电路则需要在交流侧并联上吸收换相产生 的过电压的电容器。但是在实际运行中，由于运行效率的原因，投入使用的 s t a t c o m 大都采用电压型桥式电路【l 】，因此，本文在以下内容中所说的s t a t c o m 都是电压型桥式电路的s t a t c o m 。 l o 江苏大学硕士学位论文 u ps 善js 。u 0 秘。 图2 - 1 静止同步补偿器主电路图 图2 一l 为s t a t c o m 装置的典型电路，下面基于此电路来分析整个系统的工 作过程。由于整机启动时启动应力较大，对系统内的元器件及电网都有很大的冲 击，所以要先利用一定的手段给直流侧电容就进行充电。设整个系统已经处于稳 态，吒、眈6 、吒分别表示静止同步补偿器相电压在电抗器上所表现的基波分 量；阢口、玩6 、吼c 表示电网的相电压。由于s t a t c o m 正常工作时就是通过开 关的通断将直流侧的电压转换成与电网同频率的交流电压，可将其等效为一个幅 值和相位均可以控制的交流电压源。对于三相对称系统，以一相为例，单相的等 效电路图如图2 2 所示。吠和眈分别表示电网电压和s t a t c o m 输出的交流电压， 而d ，表示电抗器上的电压，根据基尔霍夫电压定律可知，d 。= 谚+ 矽，。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j f ，可以通过d ，来控制。因此， 通过改变s t a t c o m 交流侧输出电压吐的幅值及其相对于矾的相位，就可以改 变连接电抗器上的电压，从而控制s t a t c o m 从电网吸收电流的相位和幅值，也 就控制了s t a t c o m 吸收无功功率的性质和大小。 基于图2 2 所示的等效模型，若将电抗器视为纯电感，不考虑其损耗以及变 流器的损耗，则装置不必从电网吸收有功能量。在这种情况下( r = 0 ) ，只需晓与 d 。同相，仅改变眈的幅值大小就可以控制s t a t c o m 从电网吸收的电流j 是超前 还是滞后电网电压9 0 。，并且能控制该电流的大小。当晚大予0 。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，相量图如图2 - 3 ( a ) ；当眈小于吠时， 电流滞后电压9 0 。，s t a t c o m 吸收感性的无功功率，相量图如图2 - 3 ( b ) 所示。 江苏大学硕士学位论文 尺 图2 2 电压型静l ：同步补偿器等效电路模型 u cu l = j x i ( a ) 电流超前( 吸收容性无功)( b ) 电流滞后( 吸收感性无功) 图2 - 3 理想条件下s t a t c o m 相量图 若考虑到连接电抗器的损耗和交流器本身的损耗( 如管压降、线路电阻等) ， 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 的实际等效电路如 图2 2 ( r 0 ) 所示，其电流超f i 和电流滞后工作的相量图如图2 4 所示。 ( a ) 电流超前( b ) 电流滞后 图2 4 记及损耗时s t a t c o m 相量图 在这种。t n 况t ( r 0 ) ，变流器交流侧电压眈与电流，仍t , 13 1 差9 0 。，因为变流 器无需有功能量。而电网电压氓与电流j 的相角差不再是9 0 。，而是比9 0 。小了占 角，因为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。这个万角也就足变流器电压与电网电压的相位 差，改变这个相位差，并且改变眈的幅值，则产生的电流j 的相位和大小也就随 之改变，s t a t c o m 从电网吸收的无功功率也就囚此得到调节。 在此，定量分析s t a t c o m 各有关电量之间的关系： u s = ，( r + ，) + 虬 ( 2 一1 ) 设以力。相位为参考相位，则存在如下关系： u s = u s + j o( 2 2 ) 1 2 江苏大学硕士学位论文 眈= u c c o s 8 + j 虬s i n 万 ( 2 3 ) 由式( 2 1 ) ，忽略等效电阻r 情况下得： 丘：笋：一半一，坠宰型( 2 - 4 ) xx j x s t a t c o m 向电网提供的复功率为： 砚e = _ 半一牢 - p + j q ( 2 5 ) 装置吸收的有功功率和无功功率可分别表示为： p ：一u s u c - s i n 8 ( 2 6 ) v 、 q ：燮掣 ( 2 - 7 ) 由式( 2 6 ) 、( 2 - 7 ) 可得出如下结论： ( 1 ) 万 0 ；此时，s t a t c o m 从电源吸收功率，其中一部分补偿 s t a t c o m 的功耗，另一部分用于向电容器充电，升高直流侧电压； ( 2 ) 艿 0 时，则p 时，s t a t c o m 吸收容性的无功功率； ( 4 ) 0 。 = 一- 一一) i ， e2 芒c l 由劳斯判据可知，特征方程的所有根均具有负实部，因此s t a t c o m 在d q 坐标下的数学模型( 2 - 1 5 ) 对任意固定的万角和常数k 都是稳定的。 2 4s t a t c o m 的基本控制方法 2 4 1 电流间接控制 所谓电流间接控制，就是将s t a t 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 t a t c o m 的交流侧电 流。分析图2 - 4 所示的s t a t c o m 相量图，以吸收滞后电流为例，图中电网电压吼、 连接电抗器电压吼和变流器交流侧基波电压眈构成一个三角形，由正弦定理可以 得到： u ， j 一= s i n 6 s i