（电气工程专业论文）配电网静止同步补偿器技术研究.pdf

博士学位论文 摘要 配电网静止同步补偿器( d s t a t c o m ) 能稳定接入点电压、补偿负载所缺 无功，受到越来越广泛的重视，但存在很多技术问题有待解决。为此，论文从 d s t a t c o m 电压控制技术，d s t a t c o m 电流控制技术，正序电压和无功电流 实时检测方法，输出滤波器结构设计及参数优化等方面进行了深入研究，提出了 一些可行的解决办法。 论文在传统双环控制( 电压外环和电流内环控制) 的基础上，利用能量守恒 原理，在d q 坐标系中，推导了逆变器输出电压和输出电流之间的代数关系，从而 取代了双环控制中的电流内环，减少了p i 调节器，提高了响应速度。当三相负荷 不平衡时，往往会引起接入点电压的不平衡，为了解决这一问题，论文引入负序 电压前馈环节以维持接入点电压保持三相平衡，并推导了负序电压情况下逆变器 输出电压和输出电流之间的代数关系。同时，论文还提出采用模糊神经网络算法 在线调节p i 参数，将p i 参数分解为两部分之积：蛾( 七) 和k ，( 七) ，在误差较大时， 采用模糊推理算法快速调节p i 参数的k 。( 七) 部分，在误差较小时，采用单神经元 算法在线修正p i 参数的q ( 七) 部分，有效提高了系统的动态特性和鲁棒性。 为了有效补偿无功，论文还提出采用变结构空间矢量的d s t a t c o m 直接电 流控制方法。论文以无功电流瓦= 0 构造切换曲面，推导了使系统保持稳定的滑 模控制率，但是该控制率只有在电流跟踪误差不为o 的情况下才有控制量产生， 在误差为0 的情况下没有控制量产生。为此，当系统处于暂态时，论文直接选择 滑模控制率使暂态分量迅速减小，当系统处于稳态时，引入基于电压空间矢量的 直接电流控制方法，使误差电流趋于0 缓慢变化，在有效补偿系统无功的同时， 提高了系统的动态特性，并大大降低了系统振荡的可能性。同时由于电压空间矢 量控制方法的引入，还能有效降低逆变器开关频率，减少损耗，稳定直流电压。 为了提高d s t a t c o m 装置的工作性能，对正序电压和无功电流的快速准确 检测显得至关重要。论文仔细分析了传统同步坐标变换法，指出如果将该方法直 接应用于三相不平衡系统，将会出现很大的检测误差，这是由于在三相不平衡情 况下无法准确获得与电网基波同步的相位角而引起的。为此，论文将单相电压通 过一个微分器得到与该相电压正交的微分量，然后利用二者的正交关系直接通过 数学关系求解出同步旋转角，成功解决了锁相环带来的影响。在这种求解过程中， 微分器的性能决定了检测的精度，为此，论文还着重分析了数字微分器的实际微 分效果，结果表明利用差分方式设计的数字微分器性能优良，能准确地获得同步 旋转角。在此基础上，论文利用所检测得到的基波正序电压代替d s t a t c o m 接 入点电压进行i p i q 变换，克服了接入点电压不平衡对i p i q 变换法的影响，实现了 配电网静止同步补偿器技术研究 参考信号的快速、准确检测。 为了有效滤除逆变器产生的高频谐波，论文首先分析了各种形式滤波器的滤 波性能，指出对l c l 型输出滤波器的滤波电容串联一个阻值不大的电阻能有效抑 制与电网发生的谐振，然后从无功补偿能力和瞬态电流跟踪能力两方面分析了输 出滤波器对d s t a t c o m 装置的影响，并以此为基础提出运用改进遗传算法进行 输出滤波器参数的优化设计，将各优化目标对装置的影响程度考虑到适应度函数 中。实例设计表明该方法能够确保输出滤波器更好地满足d s t a t c o m 的要求。 在上述理论研究基础上，论文最后提出了容量为5 0 k v a r 的d s t a t c o m 实验 样机的研制方案，并详细给出了样机的设计技术和实验结果。实验结果表明，采 用所提出的技术后，d s t a t c o m 的工作性能具有满意的效果。 关键词：配电网静止同步补偿器；电压控制；- - t f l 不平衡；电流控制；检测；输 出滤波器 博士学位论文 a b s t r a c t d s t a t c o mh a sb e e np a i dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o ns i n c ei tc a ns t a b i l i z et h e v o l t a g eo ft h ec o m m o nc o u p l i n gp o i n ta n dc o m p e n s a t et h er e a c t i v ep o w e r b u tt h e r e a r es t i l lm a n yp r o b l e m st ob er e s o l v e d t h e r e f o r e ，ad e e pr e s e a r c hh a s b e e nd o n ef o r t h ev o l t a g ec o n t r o lt e c h n o l o g ya n dt h ec u r r e n tc o n t r o lt e c h n o l o g yo fd - s t a t c o m ， t h ep o s i t i v es e q u e n c ev o l t a g ea n dr e a c t i v ec u r r e n td e t e c t i o nm e t h o d ，a sw e l la st h e s t r u c t u r ed e s i g no fo u t p u tf i l t e ra n di t sp a r a m e t e ro p t i m i z a t i o n a tt h es a m et i m e ，t h e p o s s i b l es o l u t i o n sa r ep r e s e n t e di nt h i sd i s s e r t a t i o n i no r d e rt os t a b i l i z et h ec o m m o nc o u p l i n gp o i n tv o l t a g e ，b a s i so ft h et r a d i t i o n a l d o u b l el o o pc o n t r o lm e t h o d ( v o l t a g eo u t e rl o o pa n dc u r r e n ti n n e rl o o p ) ，t h ea l g e b r a i c r e l a t i o n sb e t w e e nt h ev s i ( v o l t a g es o u r c ei n v e r t e r ) o u t p u tv o l t a g ea n dt h ev s io u t p u t c u r r e n ti nd qc o o r d i n a t ea r ed e d u c e db yu s i n gt h ee n e r g yc o n s e r v a t i o np r i n c i p l e ，a n d r e p l a c et h ec u r r e n ti n n e rl o o po ft h ed o u b l el o o pc o n t r o lm e t h o d ，a n ds or e d u c et h ep i a d j u s t e r s w h e nt h el o a di su n b a l a n c e d ，i tw i l l c a u s ev o l t a g ei m b a l a n c eo nt h e c o m m o nc o u p l i n gp o i n t i no r d e rt os o l v et h i sp r o b l e m ，t h en e g a t i v es e q u e n c ef e e d f o r w a r dc o n t r o lm o d u l ei si m p o r t e d ，a n dt h en e wa l g e b r a i cr e l a t i o n su n d e rn e g a t i v e s e q u e n c ev o l t a g ec o n d i t i o n sa r ed e d u c e dt o o a tt h es a m et i m e ，t oi m p r o v et h e s y s t e m s s r o b u s t n e s sa n d d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s ，t h e f u z z y n e u r a l - n e t w o r k a l g o r i t h m i sa d o p t e dt oa d j u s tt h ep ip a r a m e t e r so nl i n ew h i c hd i v i d e st h ep i p a r a m e t e r si n t ot w op a r t s ，t h eq ( 七) a n dt h ek j ( 七) w h e nt h et r a c k i n ge r r o r i sg r e a t ， t h ef u z z ya l g o r i t h mi sc h o s et oa d j u s tk i ( 七) q u i c k l y , a n dw h e nt h et r a c k i n ge r r o ri s s m a l l ，t h en e u t r a l n e t w o r ki sc h o s et oa d j u s t 峨( 露) t oc o m p e n s a t er e a c t i v ep o w e re f f e c t i v e l y ，t h ed i r e c tc u r r e n tc o n t r o lm e t h o d b a s e do nv a r i a b l es t r u c t u r es p a c ev e c t o rm e t h o di sa d o p t e di nt h i sd i s s e r t a t i o n t h e s l i d i n gm o d ec o n t r o lr u l ew h i c hc a nm a i n t a i nt h es y s t e ms t a b i l i t yi sd e d u c e dw h e n c h o o s ei = 0t oc o n s t r u c ts w i t c h i n gs u r f a c e h o w e v e r 。t h es l i d i n gm o d ec o n t r o l r u l eh a sc o n t r o lq u a n t i t yo n l yw h e nt h et r a c k i n ge r r o ri sn o ti nz e r o s o ，w h e nt h e p o w e rs y s t e mi si nt r a n s i e n t ，t h es l i d i n gm o d ec o n t r o lr u l ei sc h o s ed i r e c t l yt om a k e t r a n s i e n tc o m p o n e n td e c r e a s eq u i c k l y , a n dw h e nt h ep o w e rs y s t e mi si ns t a b i l i t y ，t h e d i r e c tc u r r e n tc o n t r o lm e t h o db a s e do nv o l t a g es p a c ev e c t o rm e t h o di si m p o r t e dt o m a k et h ee r r o rc u r r e n tr e d u c et oz e r ob yi n c h e sa n da v o i ds u r g e f u r t h e r m o r e ，t h e e o n t r o lm e t h o dc a nr e d u c et h es w i t c hf r e q u e n c y , d e c r e a s et h es w i t c hl o s s ，a n d s t a b i l i z et h ed i r e c tv o l t a g e n i 配电网静止同步补偿器技术研究 t h er a p i da n da c c u r a t ed e t e c t i o no fp o s i t i v es e q u e n c ev o l t a g ea n dr e a c t i v e c u r r e n ti sc r u c i a lf o ri m p r o v i n gt h ep e r f o r m a n c eo fd s t a t c o m t h et r a d i t i o n a l s y n c h r o n i z a t i o nc o o r d i n a t et r a n s f o r m a t i o nm e t h o di s a n a l y z e di n d e t a i li nt h i s d i s s e r t a t i o n a n di ti sp o i n t e do u tt h a ti fu s et h i sm e t h o di nu n b a l a n c e ds y s t e m ，i tw i l l b r i n gg r e a te x a m i n a t i o ne r r o r t h er e a s o ni st h a ti tc a n to b t a i ns y n c h r o n o u sr o t a t e a n g l eu n d e ru n b a l a n c e ds y s t e m t os o l v et h i sp r o b l e m ，an e ww a yh a sb e e np r o p o s e d ， i nw h i c has i n g l e p h a s ev o l t a g e sd i f f e r e n t i a li so b t a i n e da tf i r s t ，a n dt h e nt h e s y n c h r o n o u sr o t a t i o na n g l ei sc a l c u l a t e db yt h eo r t h o g o n a lr e l a t i o n so ft h es i n g l e p h a s ev o l t a g ea n di t sd i f f e r e n t i a ld i r e c t l y b e c a u s et h ee x a m i n a t i o np r e c i s i o ni s d e c i d e db yt h ed i f f e r e n t i a t o r p e r f o r m a n c e ，t h ed i f f e r e n t i a t o r sa c t u a ld i f f e r e n t i a l e f f e c ti sa n a l y z e de m p h a t i c a l l yi n t h i sd i s s e r t a t i o n ，a n dt h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h e d i g i t a ld i f f e r e n t i a t o rd e s i g n e db yd i f f e r e n c ee q u a t i o nh a sf i n ep e r f o r m a n c e o nt h e b a s i so fd i s c u s s i o na b o v e ，an e wi p - i qt r a n s f o r m a t i o nm e t h o d b yu s i n gp o s i t i v e s e q u e n c ev o l t a g ec o m p o n e n ti n s t e a do fc o m m o nc o u p l i n gp o i n tv o l t a g ei sp r o p o s e dt o e n s u r et h a tt h er e a c t i v ec u r r e n tc a nb ed e t e c t e da c c u r a t e l yu n d e ru n b a l a n c e dv o l t a g e s y s t e m i no r d e rt of i l t e ro u tt h eh a r m o n i c sv o l t a g e o u t p u tb yi n v e r t e r , t h ep e r f o r m a n c eo f e x i s t i n gf i l t e r sa r ea n a l y z e d t h e nt h en e wl c lt y p ef i l t e rw h i c hc o n n e c t e das m a l l r e s i s t a n c et ot h ec a p a c i t yi s p o i n t e do u tc a ns u p p r e s st h er e s o n a n c ee f f e c t i v e l y f u r t h e r m o r e ，t h eo u t p u tf i l t e r si n f l u e n c et ot h ed s t a t c o mi sd i s c u s s e df r o mt h e a b i l i t yo fr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o na n dt r a n s i e n tc u r r e n tt r a c k i n g a c c o r d i n gt o t h i s ，t h eo p t i m i z a t i o nm e t h o do fp a r a m e t e r sf o ro u t p u tf i l t e ri sp r o p o s e db yu s i n gt h e a d v a n c e dg e n e t i ca l g o r i t h mt h a tc o n s i d e r i n gt h ei n f l u e n c ed e g r e eo fe a c ho p t i m i z e d g o a lt ot h ed - s t a t c o mi n t ot h ef i t n e s sf u n c t i o n t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t t h eo p t i m i z a t i o nm e t h o dc a nm e e tt h er e q u i r e m e n to ft h er e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n b e t t e rt h a nt h eo n e sd e s i g n e dju s tb ye x p e r i e n c e b a s e do nt h e o r e t i c a l s t u d y , t h er e s e a r c hp l a no f5 0 k v a rd s t a t c o m e x p e r i m e n t a lp r o t o t y p ei sp r o p o s e da tt h ee n do ft h i sd i s s e r t a t i o n t h ed e s i g n t e c h n o l o g ya n de x p e r i m e n t a lr e s u l t si sp r e s e n t e di nd e t a i l t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s s h o wt h a tt h ed s t a t c o mc a na t t a i nas a t i s f a c t o r y p e r f o r m a n c eb ya d o p t i n gt h e p r o p o s e dt e c h n i q u e s k e yw o r d s ：d i s t r i b u t i o ns 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 iv o l t a g ec o n t r o l l t h r e e p h a s ei m b a l a n c e ；c u r r e n tc o n t r o l ；d e t e c t i o n ；0 u t p u tf i l t e r i v 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。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 法律后果由本人承担。 作者签名：l 象侈 日期：，o 宕年刁月占日 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。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 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 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密日， ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 桀盈 日期：2 妒8 年9 月参日 日期：珈君年7 月6 日 博士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的目的及意义 电能作为一种基础能源，被广泛应用于工业、农业、国防和人民的日常生活 中。随着国民经济的发展和人们生活水平的提高，大量非线性、冲击性、不平衡 性负荷出现在人们的生产、生活中，比如整流器、变频调速装置、电弧炉、电气 化铁路等。这些负荷会带来一系列电能质量问题：使无功功率增加，功率因数降 低，电压波动，三相不平衡等，严重情况下还会使电网发生电压崩溃，系统解列 运行【。 国内外，无功不足或过剩都带来过严重的事故。1 9 8 7 年8 月，由于负荷过重， 无功功率严重不足，有载调压变压器二次侧电压始终不能恢复至额定值，导致日 本东京电压崩溃，损失负荷8 1 6 9 m w ，直接经济损失达5 0 0 0 万美元。2 0 0 4 年3 月，由于平旺林线开关保护动作跳闸，广西桂东电网解列运行，恢复并网过程中， 在切除一部分负荷后，系统无功严重过剩，导致1 1 0 k v 旺甫变、信都变、灵峰变 母线电压抬升至15 2 k v ，用户电气设备大量烧毁，造成很大的负面影响。2 0 0 5 年， 杭州桐庐升平冶炼厂在电弧炉运行过程中，消耗大量随机波动的无功功率，引起 供电母线电压波动，导致同一回线上大量用电设备烧毁。2 0 0 6 年，广东省云浮市 嘉能环保材料公司新厂投运，由于无功功率不足，生产车间电压偏低，电机甩负 荷，导致大量的废品、次品，带来巨大的经济损失。 为此，作为保持电力系统无功平衡、降低网损、提高供电质量的一种重要措 施，无功补偿设备已被广泛应用于各电压等级电网中。传统的无功补偿设备一般 都采用晶闸管投切电容器组( t s c )或者是固定电容器+ 晶闸管控制电抗器 ( t c r ) 的形式，这两种方式的体积偏大，动态响应速度慢，使用不太灵活。 自从美国学者l g y u g y i 在1 9 7 6 年提出利用半导体变流器进行无功补偿的理 论以来，静止同步补偿器( s t a t c o m ) 在工程应用方面取得了突飞猛进的发展 【2 8 】。1 9 8 0 年1 月，日本关西电力公司与三菱电机公司共同研制了世界上首台 s t a t c o m 样机，它采用了晶闸管强制换相的电压型逆变器，容量为2 0 m v a r 。 1 9 8 6 年1 0 月，美国国家电力研究院( e p r i ) 和西屋公司研制的1 m v a rs t a t c o m 装置投入运行，这是世界上首台采用大功率g t o 作为逆变器元件的静止同步补偿 器。之后，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 r 的 s t a t c o m 装置，并于1 9 9 1 年在犬山变电站投运。1 9 9 3 年3 月，东京电力局分 别与东芝公司和日立公司共同研制了2 台5 0 m v a r 的s t a t c o m 装置，并在东 配电网静止同步补偿器技术研究 京新信浓变电所投入使用。1 9 9 6 年l o 月，美国e p r i 与t e n n e s s e e 电力局、西屋 电气公司合作，在t e n n e s s e e 电力系统的s u l l i v a n 5 0 0 k v 变电站建造了1 0 0 m v a r 的s t a t c o m 装置。1 9 9 7 年4 月，德国西门子公司将开发研制的8 m v a r s t a t c o m 装置安装在丹麦的r e j s b yh e d e 风场。在我国，这一领域的研究也取得 了一定的成绩。1 9 8 3 年，华北电力学院利用晶闸管研制出了10 k v a r 的s t a t c o m 实验装置，为s t a t c o m 的研制进行了有益的探索。1 9 9 2 年，东北电力学院利用 g t o 研制成功1 2 k v a r 的s t a t c o m 模型装置，在原理上证实了s t a t c o m 收发 无功功率的可行性。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 装置在河南洛阳的朝阳变电站并网成功，这是国内首台投入应用的大 容量柔性交流输电装置。 s t a t c o m 与以往的无功补偿装置相比具有很多优点： ( 1 ) s t a t c o m 对电容器的容量要求不高。理论上s t a t c o m 不需要储能元 件达到与系统交换无功的目的，因而可以省去常规补偿装置中的大电感或大电容 及庞大的切换机构，使s t a t c o m 的体积减小、损耗降低。 ( 2 ) s t a t c o m 具有相当快的响应速度，一般只需要几十个毫秒就可达到稳 定，暂态特性较好，而自动投切电容器组装置的响应时间需要几秒钟，这是受电 容器放电时间所限制，如果放电时间太少，则电容器的剩余电荷不能放电干净， 如再次投入可能会导致电容器发生过压击穿现象。 ( 3 ) s t a t c o m 可以发出连续可调的感性无功和容性无功，不仅可以应用在 感性负荷场合，还可以应用在容性负荷场合，工作能力更强。 ( 4 ) 根据控制目的的不同，s t a t c o m 既可以补偿系统所缺无功，也可以稳 定接入点电压。并且通过采用一定的控制策略，可以实现对谐波分量、负序分量 和无功功率分量的综合补偿或单独补偿。 随着电力电子技术的发展，s t a t c o m 的工程应用研究出现了2 个明显趋势： 一是不断采用新器件 9 , 1 0 1 ，与原来s t a t c o m 普遍使用的g t o 相比，新型功率器 件( 如i g b t 、i e g t 等) 具有很多的优点：饱和压降低、驱动功率低和工作频率 高等。二是应用范围更广【l l 】，除了应用于高压输电网外，还出现了旨在提高用户 侧电能质量的配电网静止无功补偿器( d s t a t c o m ) 。文献 1 2 ，1 3 报道了利用 d s t a t c o m 改善澳大利亚远距离配电农网中的电压调节性能，取得了很好的效 果。 在配电系统中，由于容量较小，d s t a t c o m 所使用的功率器件倾向于开关 频率高的i g b t ，这是因为开关频率的提高可以加快响应速度，降低谐波。德国 西门子公司已生产出用于高电压等级的i g b t ，电压可达到5 0 0 0 v 以上；日本东 芝公司于1 9 9 3 年开发研制出的i e g t ( 电子注入增强门极晶体管) 已经形成商用 产品，其额定参数可达到4 5 k v 3 0 0 0 a ；a b b 公司于1 9 9 6 年开发研制出了i g c t 2 博七学位论文 ( 集成门极换向晶闸管) ，其开通、关断时间与开关损耗进一步减小( 关断时间小 于5 n s ) ，额定参数可达到1 0 k v 4 5 0 0 a 2 0 k h z ，并可在无关断吸收电路条件下工作。 此外，人们正在对碳化硅和金钢石等禁带很宽、击穿电场很高、又具有高热导率 的新型半导体材料进行不断探索与研究，并已获得了初步成果。随着技术的进一 步提高，此类新型电力电子功率器件应用于d s a t c o m 中必将逐步成为现实。 在中小容量d s t a t c o m 的场合，应用多重化技术的d s t a t c o m 装置结构 与控制复杂，占地面积大，成本较高，而直接采用p w m 控制技术的d s t a t c o m 装置可以克服上述缺点；同时，省去了多重化变压器，避免了由于多重化变压器 的非线性磁饱和引起的过电流；而且，还可以将已经研究成熟的多种三相p w m 交流器控制方法( 如滞环控制、三角波比较控制、空间矢量控制等) 直接运用于 d s t a t c o m 装置的控制系统设计当中。 可见，为了综合解决配电网中，功率因数低、三相不平衡、电压波动等电能 质量问题，开展基于v s i p w m 调制的d s t a t c o m 研究具有重要的现实意义。 1 2 国内外研究现状 在中低压配电网中装设d s t a t c o m 装置能有效的解决配电网中常见的电能 质量问题。随着电力电子技术、自动控制技术、信息处理技术和计算机技术的迅 猛发展，基于电力电子器件的d s t a t o m 装置得到了广泛和深入的研究。从目前 国内外研究现状来看，国外发达工业国家，如美国、日本等在这方面的研究起步 较早【1 4 , 1 5 ：国内还处于理论研究和实验阶段，真正应用于电网和工业企业中的工 业装置不多见。究其原因，主要是一些关键技术和难点问题尚未得到解决。从本 小节开始将对d s t a t c o m 的几个关键技术及其目前的研究现状进行综述。 1 2 1d s w 盯c o m 控制策略的研究现状 d s t a t c o m 的控制方法根据无功电流的产生方式可以分为间接电流控制和 直接电流控制。所谓间接电流控制，就是将d s t a t c o m 看成一个等效的交流电 压源，然后控制该交流电压源的相位和幅值以得到所需的无功电流，这种方法多 应用于高压大容量的d s t a t c o m 场合。所谓直接电流控制，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，这种控制方法的响应速度和 控制精度都比间接控制有很大的提高。在这种控制方法下，d s t a t c o m 实际上 已经相当于一个受控的电流源。直接电流控制由于是对电流瞬时值的跟踪控制， 因而要求主电路电力开关器件有较高的开关频率，这对于较大容量的s t a t c o m ， 目前是难以做到的【l6 1 ，因而多应用于容量较小的配电网d s t a t c o m 。近年来， 也有文献报道采用直接电压和直接功率控制的方法【1 7 , 1 8 】。 d s t a t c o m 的作用之一是稳定接入点( p o i n to fc o m m o nc o u p l i n g ，p c c ) 3 配电网静止i 司步补偿器技术研究 电压【l 弘2 1 】。在这种情况下，一般采用电压控制策略，使接入点电压稳定在期望值， 其工作原理是通过向接入点注入或者吸收一定的无功电流来实现的。为了使 d s t a t c o m 装置具有较好的电压控制性能，在d s t a t c o m 电压控制策略方面， 传统的p i 控制、基于状态方程的现代控制理论【2 2 2 5 1 、智能控制理论【2 6 叫】等均在 d s t a t c o m 电压控制器的设计中得到了尝试。 d s t a t c o m 电压控制的目的是使公共连接点的电压维持恒定，同时为了使 d - s t a t c o m 在运行过程中有较好的补偿性能以及考虑到d s t a t c o m 装置本身 的损耗，必须对直流侧电容电压加以控n t 3 2 3 4 1 ，也就是说d s t a t c o m 装置除了 与电网交换无功功率外，还要与电网交换少量的有功功率用来补偿装置的损耗和 维持直流侧电容电压的恒定。因此d s t a t c o m 的电压控制系统是一个典型的两 输入( 公共连接点电压和直流侧电容电压) 两输出( 有功电流和无功电流指令信 号) 系统，且两个控制通道存在耦合。在采用直接电流控制时，传统的p i 控制是 采用电压外环、电流内环的控制方法。这种控制方法存在的缺陷是电压控制器中 嵌入了多个p i 调节器，给控制器的设计带来了困难，p i 参数难以整定。为了克 服这一缺陷，文献【3 5 】给出了采用常规p i 控制时电压控制器的设计方法与详细的 设计过程，给d s t a t c o m 电压控制器的设计提供了思路；文献【3 6 】利用输入输 出反馈线性化的方法将d s t a t c o m 的非线性模型进行线性化处理，然后利用自 适应的方法进行控制器参数设计：文献【3 7 3 9 】首先建立d s t a t c o m ( 或 s t a t c o m ) 状态方程，然后利用零极点配置的方法设计电压控制器；文献【4 0 ， 4 1 致力于公共连接点电压和直流侧电压的协调和解耦控制。 上述控制方法的一个共同特点是，认为三相电压平衡，而实际配电网中的电 压不平衡现象经常发生，特别是当负载三相不平衡时，极易引起d s t a t c o m 接 入点电压的不平衡，因此在设计d s t a t c o m 的电压控制器时要充分考虑到这一 点。在三相电压平衡情况下设计出来的电压控制器，当电网电压不平衡时其控制 性能会变差，降低了d s t a t c o m 的可靠性。清华大学在与河南省电力公司合作 开发2 0 m v a r 工业化s t a t c o m 装置时，对电网电压不平衡时s t a t c o m 的运行 性能和不平衡控制策略进行了深入的研究【4 2 4 7 】，将三相进行分相单独控制，取得 了一些有意义的研究成果。 d s t a t c o m 的作用之二是补偿电网所缺无功，提高功率因数，降低线路损 耗，以及防止非线性负荷、冲击性负荷和不平衡性负荷产生的畸变电流向电网“传 播。此时，d s t a t c o m 通常采用电流控制策略【4 扣5 2 】，使逆变器注入到电网的 电流抵消负载所产生的无功、谐波和负序电流( 统称为广义无功电流) 。这种控制 的实质是电流跟踪控制，也就是使d s t a t c o m 逆变器的输出电流在满足开关器 件开关频率的前提下快速、无静差的跟踪指令电流信号。此时的d s t a t c o m 装 置除了具有一般的有源电力滤器( a c t i v ep o w e rf i l t e r ) 的功能外，还具有补偿负 4 博上学位论文 载电流中无功和负序分量的功能。比较常用的电流跟踪控制方法有瞬时值比较方 式( 滞环比较方式) 和三角波比较方式 瞬时值比较方式的特点是：属于实时控制方式，电流响应速度很快：不需要 载波，输出电压中不含特定频率的谐波分量；若滞环宽度固定，则电流跟踪误差 范围是固定的，但是电力半导体器件的开关频率是变化的。三角波比较方式的特 点是：跟随误差较大；器件的开关频率固定，且等于三角载波的频率；电流响应 速度比瞬时值比较方式慢。可见，瞬时值比较方式和三角波比较方式各有优缺点， 实际应用时可根据系统要求选择。近年来，在这两种基本的电流跟踪控制方法的 基础上发展起来一系列新型的电流跟踪控制方法，但并没有哪一种方法被认为是 最优的，有关电流跟踪控制方法的研究还在进一步探索。 文献【5 3 】对传统的三角载波比较方式进行了改进，分析了传统的三角载波电 流控制方法的频率特性和p i 调节器中的积分系数取值对频率特性的影响。根据对 给定扰动进行预先补偿的原理，在反馈控制的基础上，加入对给定扰动的补偿环 节。该文提出的电流跟踪控制方法在跟踪性能方面比传统控制方法有一定的优越 性。文献【5 4 提出一种基于优化电压矢量的有源电力滤波器定频滞环电流控制方 法，利用一组滞环比较器判断参考电压矢量所在区域，并据此选择适当的两相开 关，独立地用定频滞环控制技术控制相应的相间电流，以实现良好的电流跟踪。 这一方法的主要特点是无需估计系统阻抗参数即可用优化电压矢量实现定频滞环 控制，因此具有较高的直流电压利用率和控制精度。文献 5 5 1 利用空间矢量对传 统的滞环电流控制进行改进，在保持滞环电流控制响应快的特点上，减少了开关 的动作次数。这些方法都在某一方面提高了滞环电流控制方法或三角波比较方法 的控制性能，但是都难以兼顾较好的动态和静态特性。 1 2 2 参考电压、电流检测技术的研究现状 从d s t a t c o m 的控制原理可以看出，对参考电压、电流的快速准确检测是 整个装置的工作基础。由于对电流的检测方法一般也可用于对电压的检测，为此 可以将二者统一起来考虑，统一称为参考信号。从目前国内外文献所报道的情况 来看，对参考信号的检测主要有基于瞬时无功功率理论的变换法、d q 变换法、离 散傅立叶分析法、基于自适应原理的检测方法及其它各种智能检测法等【5 6 6 们。其 中，由日本学者赤木泰文提出的基于瞬时无功功率理论的补偿电流检测法应用最 i - 6 1 6 5 1 ，o 基于瞬时无功功率理论的参考信号检测方法是在电网电压平衡且无畸变的情 况下提出的。当三相电压不平衡时，这种检测方法存在固有的缺陷。这是由于当 三相电压平衡且无畸变时，根据瞬时无功功率理论计算出的瞬时有功电流的直流 分量对应于被检测电流的基波有功电流，瞬时无功电流的直流分量对应于被检测 5 配电网静止f 司步补偿器技术研究 电流的基波无功电流，瞬时有功电流和瞬时无功电流的交流分量对应于被检测电 流的负序和谐波分量。当三相电压不平衡且( 或) 包含畸变分量时，根据瞬时有 功电流的直流分量反变换得到的电流与三相电压波形形状相同，三相也不平衡且 ( 或) 畸变。严重影响了d s t a t c o m 的补偿性能。 为此，一些文献提出了各种各样的改进方法。文献 6 6 1 针对电网电压三相不 平衡时i 。一厶法检测瞬时有功电流和无功电流时存在的误差，提出了一种基于低通 滤波器的基波正序电压提取单元代替传统的电压检测电路。这种电路中，提取单 元能检测出电压正序分量的相位，从而在三相不平衡时仍能检测基波有功、无功 电流。文献 6 7 1 提出了在三相电压不平衡并含有高次谐波的情况下采用双闭环方 式检测谐波和无功电流的方法。文献 6 8 1 提出了并联型有源电力滤波器在不平衡、 非正弦电源电压情况下补偿电流指令的计算方法。该方法基于同时对三相电压、 电流进行旋转坐标变换和投影变换，所求得的补偿电流指令为非线性负载电流中 除了基波正序有功分量之外的全部电流分量。 在对基于瞬时功率理论的补偿电流检测方法研究的同时，电力科技工作者也 从不同的角度提出了一些新的功率理论和功率定义，试图从另外的视野来对负载 电流中的谐波、无功和负序电流进行检测。文献 6 9 1 提出一种在电网电压畸变情 况下依然适用的广义无功电流和无功功率定义，给出了广义无功电流的检测和补 偿方法。文献 7 0 】在三相电路综合矢量的基础上定义了三相电路的有功功率和无 功功率，并定义基波电压综合矢量与基波电流综合矢量的点积的直流分量为有功 功率，基波电压综合矢量与基波电流综合矢量的叉积和它们点积的脉动分量构成 了无功功率。 1 2 3d s w 汀c o m 输出滤波器设计现状 电压型逆变器( v s i ) 是d s t a t c o m 赖以工作的核心元件，通过控制v s i 各桥臂的通断即可以控制d s t a t c o m 注入到电网的无功电流，从而实现提高功 率因数，稳定电压，抑制闪变等功能。由于逆变器开关器件的开关频率不可能无