（电力电子与电力传动专业论文）低压静止同步补偿器的研究.pdf

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 fi n d u s t r i a ll e v e l ，c u s t o m e r sb e c o m es t r i c t e r w i t ht h e p o w e rq u a l i t y t h e r e a c t i v e l o a d ，e s p e c i a l l yt h ei m p u l s i v e r e a c t i v el o a d ，n o to n l yi n c r e a s e sp o w e rl o s s ，b u ta l s od e t e r i o r a t e st h e p o w e rq u a l i t yo fc u s t o m e r ss e r i o u s l y , s oi m m e d i a t er e a c t i v ep o w e r c o m p e n s a t i o n i sa p o w e r f u l m e a n so fo p t i m i z i n g p o w e rf l o w o n t r a n s m i s s i o nn e t w o r k sa sw e l la se n h a n c i n gp o w e rq u a l i t y t h ec i r c u i td ia g r a ma n dw o r kp r i n c i p l ea sw e lla si t sa p p l i c a t i o n so f s t a t c o ma r ei n t r o d u c e di nd e t a i li nt h i sp a p e r t w oc o n t r o ls t r a t e g i e so f s t a t c o ma r ed i s c u s s e dw h i c hi n c l u d e sd i r e c t c u r r e n tc o n t r o la n d i n d i r e c t c u r r e n tc o n t r 0 1 f u z z y p ic o n t r o lm e t h o do fs t a t c o mi sa l s o p u tf o r w a r dt oi m p r o v et h ed y n a m i cp e r f o r m a n c ea sw e l l c o m b i n i n g d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c so ff u z z y c o n t r o lw i t h r e s p o n ds p e e d o f p i c o n t r o l ，s t a t c o ms y s t e mn o to n l yh a sf a s tr e s p o n s e ，b u ta l s oh a s s a t i s f i e dc o n t r o lp r e c i s i o n t h e nm e t h o d sc a nb er e a l i z e de a s i l yb yd i g i t a l c o n t r 0 1 a tt h es a m et i m e ，t h ea p p l i c a t i o ni nt r a n s i e n t s t e a b i l i t yo ft h e p o w e rs y s t e mo ft h es t a t c o mb a s e do nf u z z yc o n t r o li sp u tf o r w a r di n t h i sp a p e r a c c o r d i n gt of u z z y p ic o n t r o ls t r a t e g i e s ，w em o d e lt h ee m u l a t e s y s t e ma r c h i t e c t u r e sb ym a t l a bs o f t w a r e t h er e g u l a t i v eq u a l i t ya n d d y n a m i cq u a li t yo fs t a t c o m a r ea n a l y z e df r o mt h ew a v e f o r m so fs o m e 江苏大学硕士学位论文 e l e c t r i cv a r i a b l e sg t h i sp a p e rd e s i g n sad i g i t a lc o n t r o ls y s t e mo ft m s 32 0 f 2 812d i g i t a l s i g n a lp r o c e s s o r s e tu pas e to fs t a t c o me x p e r i m e n t a lp l a t f o r mo f 10 k v a r 38 0 v , c o m p l e t et h ed e s i g na n dd e b u go fs y s t e mm a i nc i r c u i ta n d c o n t r o lc i r c u i t a n df i n i s ht h ef o u n d a t i o n a lf u n c t i o n so fs t a t c o m e x p e r i m e n t a lp l a t f o r m t h ee m u l a t i o na n dt e s tr e s u l t sc e r t i f yt h eg o o d r e a c t i v ec o m p e n s a t i o np e r f o r m a n c eo ft h ee q u i p m e n t ，a n di n d i c a t et h e v a l i d i t y k e y w o r d s ：s t a t c o m ，r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n ，d s p ， t i s 3 2 0 f 2 812 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。 口 保密，在年解密后适用木授权书。 本学位论文属于 一 不保密 学位论文作者签名：彰益指导教师签名： 2 0 0 9 年具日 2 0 0 9 年多月憎 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：象罐益 日期：7 哆年钿 江苏大学硕士学位论文 第1 章绪论 近年来，随着我围经济与社会的快速发展，人们对高质量电力能源的需求日 益增加。目前世界范围内掀起环境保护和节能的热潮，电力系统是一种的特定环 境，公用电网中出现的无功功率，由电网本身的运行规律所决定，但它给电网运 行带来了许多麻烦。现代电网中，电动机等感性负荷占据相当大比重。它们在消 耗有功功率的同时，也需要吸收大量无功功率。无功功率的出现不仅导致发电机 出力下降，降低了输配电设备效率，而且还增大了网损，严重影响供电质量。解 决这一问题，目前主要措施是增容，即扩大变压器和配电线路容量，从而提高供 电能力。但是，增容一方面投资大，施工工程量大，周期长，另一方面由于末端 无功仍需由低压侧集中补偿系统提供，输电线路利用效率仍然较低。因此，有效 减小线路无功电流，不仅可以增大有功输送能力，而且有利于降低变压器低压侧 到末端负荷间的线路损耗，改善末端电压质量。所以，研究开发线路终端用无功 功率补偿装置是十分必要的，同时也具有相当的经济意义和社会效益。 1 1 电力系统中的无功功率及其危害 根据无功功率的物理意义，能量并没有被消耗，而是由于系统中感性或容性 储能元件的存在，在三相之间或者是电源与负载之间来回传递。电力系统中的无 功功率主要由两部分组成：一部分主要是由电流与电压的相位差而导致的基波无 功功率，另一部分主要是由电流的非j 下弦畸变而导致的谐波无功功率。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。电力系统中的用电设备 绝大多数为感性负载，电流相位滞后于电压，因此主要表现为感性无功功率。近 年来，随着电力电子技术的飞速发展，大量的非线性电力负载投入使用，导致了 谐波无功功率呈现同益严重的趋势。电压与电流的相位差与电流的非正弦畸变均 会导致电力系统功率因数的下降与电能质量的恶化。因此，电力系统的无功功率 补偿问题应该包括基波无功功率与谐波无功功率的同时补偿，也只有实现了两者 的同时补偿，才能真正实现系统的单位功率因数运行，保证提供高质高效的电力 能源。 电力系统中无功功率的危害主要表现在三个方面：一是在输电容量不变的前 江苏大学硕士学位论文 提下，使输电线路损耗增加，从而降低了线路的电力传输效率与电气使用寿命； 二是影响系统电压的稳定性，使节点电压偏离额定值，甚至造成系统电压崩溃； 三是谐波无功功率的存在对电能质量的影响日益严重，主要表现为附加的谐波损 耗、产生振动和噪声、绝缘老化、系统电压畸变、电气设备寿命缩短、导致系统 谐振等，谐波还会引起继电保护和自动装置的误动作，对微机及通讯系统造成干 扰。由此可见，电力系统无功功率补偿基础理论与工程应用技术研究的重要性之 所在。 1 2 无功补偿装置的发展 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、静止无功补偿装置( s v c ) 、静止同步补偿器( s t a t c o m ) 几 个不同的阶段。下面介绍各种无功功率补偿方法的发展和应用。 1 、并联电容器 并联电容器是电网中用的最多的一种专用的无功功率补偿设备。它的特点是 价格便宜，易于安装维护。主要用作控制负荷功率因数之用，也可以作为无功功 率补偿调节的手段。并联电容器补偿无功功率方式有三种1 】： ( 1 ) 集中补偿电容器组集中装设在企业或地方总降压变电所的6 一1 0 k v 母 线上，用来提高整个变电所的功率因数，它可以使该变电所在其功率范罔内无功 功率基本平衡，可以减少高压线路上的无功损耗，而且提高本变电所的供电电压 的质量。 ( 2 ) 分组补偿将电容器组分别装设在功率因数较低的车间或农村变电所 内，也称为分散补偿。这种方式具有与集中补偿相同的优点，仅无功补偿容量和 范围相对小些。但是分组补偿效果比较明显，采用得较为普遍。 ( 3 ) 就地补偿将电容器组装设在异步电动机旁或感性用电设备附近，就地 进行无功补偿这种方式既能提高负荷的功率因数，又能改善用电质量，对中、 小型设备十分适用。虽然并联电容器有许多优点，但它容量有限，而且它的输出 无功功率与安装处电压平方成j 下比： rr2 q f = ( 1 一1 ) 2 江苏大学硕士学位论文 式中：x ：j lc 一电容器电抗谚a , 一 。 缈c 当电压降低时，特别是由于故障而电压降低时，系统需要电压支持，而并联 电容器输出无功功率却急剧下降。 2 、调相机 调相机实质上是一种不带机械负载的同步电动机，调节其励磁，既可以发出 无功功率，又可吸收无功功率，它是最早采用的一种无功补偿设备，在并联电容 器得到大量采用后，它退到次居地位。其主要缺点是投资大，运行维护复杂。因 此，许多国家不再新增同步调相机作为无功补偿设备。同步调相机的优点是：在 系统发生故障引起电压降低时，同步调相机可提供电压支持，还可在短时间进行 强行励磁，对提高电力系统的稳定性有很大好处。在以下场合，同步调相机能起 到良好的作用【2 j 【3 】： ( 1 ) 在接受远方大容量系统电源送电的弱系统中，可以在系统故障时提供 电压支持。 ( 2 ) 对于较弱的受端系统，在传送大容量电力的超高压长距离输电线的中 途，安装同步调相机作为并联补偿，提供动态无功支持，提高送电容量和系统的 稳定性。 ( 3 ) 高压直流输电出现后，为了对较弱的受电侧提供足够的短路电流和电 压支撑，也需要在交流受电侧装设足够容量的调相机。以上说明，同步调相机作 为一般无功补偿设备已经过时，但在有些情况下，仍然有其特殊作用。 3 、静止无功补偿器( s v c ) 从7 0 年代以来，同步调相机丌始逐渐被静止型无功补偿装置所代替。1 9 6 7 年，英国g e c 公司制成世界上第一批饱和电抗器型静止无功补偿装置。1 9 7 8 年 美国g e 公司首次在实际电力系统中使用晶闸管的静止无功补偿装置。同年美国 西屋电气公司制造的s v c 投入实际运行。静止无功补偿装置近年来获得了很大的 发展，已被用于长距离输电的分段补偿，也大量应用于负载的无功补偿。静止无 功补偿器主要有以下两大类型：一类是具有饱和电抗器的静止无功补偿装置 ( s a t u r a t e dr e a c t o r - - s r ) ；第二类是晶闸管控制电抗器( t h y r i s t o r c o n t r o l r e a c t o r - - t c r ) 、晶闸管投切电容器( t h y r i s t o rs w i t c h c a p a c i t o r - - t s c ) ，这两类装置通称为s v c ( s t a t i cv a r c o m p e n s a 3 江苏大学硕士学位论文 t o r y ) 。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 行噪音大等缺点，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出现系统振荡；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。 4 、静止同步补偿器( s t a t c o m ) 随着电力电子技术的进一步发展，特别是l g y u g y i 提出利用变流器进行 无功补偿的理论以来，逐步出现了应用变流技术进行动态无功补偿的静止补偿 器，它是通过将自换相桥式电路直接并联到电网上或者通过电抗器并联到电网 上。s t a t c o m 根据直流侧采用电容和电感两种不同的储能元件，可以分为电压 型和电流型两种。目前静止同步补偿器( s t a t c o m ) 得到发展并进入实用阶段。 s t a t c o m 己成为静止无功补偿技术的发展方向，是今后柔性交流输电系统的一 个重要元件。无功装置的发展状况概括如下图1 1 所示。 图1 1 无功补偿装置的发展概况 4 江苏大学硕士学位论文 1 3 静止同步补偿器( s t a t c o m ) 的研究现状 1 3 1 静止同步补偿器在电力系统中的作用 s t a t c o m 并联接入电力系统中，可以改变系统的导纳矩阵和对角元素，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，达到控制电力系统有功或无功功率平 衡的目的。因此，并联接入电力系统的s t a t c o m 具有如下作用： ( 1 ) 减小输电线路损耗，提高系统功率因数，提高线路传输能力； ( 2 ) 维持或控制节点电压； ( 3 )向电力系统提供或从系统中吸收有功功率； ( 4 )向电力系统提供或从系统中吸收无功功率； ( 5 ) 通过控制功率变化，阻尼系统振荡； ( 6 ) 提高电力系统的暂态与静态稳定性； ( 7 ) 改变系统的阻抗特性； ( 8 ) 补偿系统中的谐波功率，改善电能质量。 1 3 2 静止同步补偿器的发展方向和趋势 随着i g b t 、g t o 、i g c t 等高压大容量可关断电力电子器件的发展，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无功功率补偿装置， 即静止同步补偿器( s t a t c o m 或s v g ) 。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，使并联无功补偿装置的性能大为提升。 与s v c 装置相比，由于可关断器件的工作频率较高，再与多电平、多重化或p w m 技术相结合，使得s t a t c o m 网侧电流的谐波含量大为减少，调节速度快( 可以 达到l o 毫秒级) ，运行范围宽，对电能质量的补偿能力得到了提高。更重要的是 s t a t c o m 装置当中使用的电抗器或电容器的容量远远l ：l 二s v c 装置要小，这就大 大减小了装置的成本与体积。上述s t a t c o m 的种种优越性能使其成为真正意义 上的实时无功补偿装置，代表了电力系统动态无功补偿的发展方向。s t a t c o m 作为柔性交流输电技术( f a c t s ) 的重要设备成员之一，自2 0 世纪8 0 年代以来， 一直是国内外研究的热点。目前世界几大著名公司( 如瑞士a b b 公司、德国西门 子公司、美国西屋公司、以及日本东芝公司、三菱公司等) 都研制出了基于变流 5 江苏大学硕士学位论文 器的s t a t c o m 并联补偿装置，主要功能是用于稳定系统节点电压、补偿无功功 率。 1 9 8 0 年1 月，日本k a n s a i 电力公司( k e p c o ) 与m i t s u b i s i 电机公司共同研 制出了2 0 m v a r - 采用强迫换向晶闸管桥式电路的s t a t c o m ，并成功地投入了电网 运行。在此之后，美国w e s t i n g h o u s e ( 西屋电气公司) 、e p r i 公司、德国s i e m e n s ( 西门子) 公司也相继进行了s t a t c o m 的研制开发与工程应用。英国a l s t o m 公司于2 0 0 1 年初研制了首台基于链式结构士7 5 m v a r s t a t c o m 装置，并投入运 行。1 9 9 9 年3 月，由我国清华大学与河南省电力局合作研制的士2 0 m v a r s t a t c o m 装置在河南省朝阳变电站投入运行，使我国成为世界上继同本、美国、德国之后 第四个拥有该项技术的国家。目前清华大学与上海电力公司合作，正在研制基于 i g c t + 5 0m v a r 链式s t a t c o m 装置。东南大学、哈尔滨工业大学、西安交通大 学等院校与科研机构也在进行s t a t c o m 的相关研究。但国内对s t a t c o m 的 研究与应用还处于刚刚起步阶段，具有十分广阔的发展与工程应用前景1 4 j 。 1 3 3 静止同步补偿器目前的研究重点 ( 1 ) 更大容量如1 0 0 m v a r - - - ，2 0 0 m v a r 的s t a t c o m 主电路的研究 为了加强5 0 0 k v 网络的电压调节能力，对百兆乏级s t a t c o m 的需求将更大， 而由于g t o 单管容量的限制，必须采用多重化连接或其他方式来增大装置的容量 和提高装置的耐压水平，为此需要对更大容量s t a t c o m 的主电路进行深入研 究。 ( 2 ) 电力电子新元件的特性以及驱动电路、触发电路的研究 g t o 元件是s t a t c o m 装置的核心器件，价格昂贵并且容易损坏，因此每个 g t o 元件能否安全、可靠运行直接关系到s t a t c o m 装置能否可靠运行、能否投 入工业应用。g t o 的可靠性主要与主电路、g t o 保护以及g t o i - j 极驱动等因素 有关。由于g t o 串联的要求严格，应用起来较复杂，所以随着电力电子技术的发 展，研究性能优于g t o 的开关器件已经成为一种必要。 ( 3 ) s t a t c o m 在异常状态下的行为及新的保护和监测系统的研究 由于s t a t c o m 的最终目的是用于改善系统的稳定性，因此要求在系统异常 情况下仍能安全、可靠地运行，并且提供所需的无功支持。但是当系统电压幅值、 相位发生很大的突变或系统电压存在较大的不平衡度时，s t a t c o m 又可能出现 6 江苏大学硕士学位论文 过电流。目前采用的措施是当系统异常导致装置发生过电流时，立即封锁脉冲， 以保证装置的安全，等系统电压变化趋于缓和时再重新投入运行，因此为了加强 s t a t c o m 对系统电压变化的跟踪能力，充分发挥它的作用，需要系统地研究 s t a t c o m 在异常情况下的行为及其相应的保护对策。另外，为了保证s t a t c o m 在系统中的可靠运行，还需加强对s t a t c o m 的监测，尤其是遥控监测，以便及 时掌握装置的安全状态。 ( 4 ) s t a t c o m 布点优化规划、多个s t a t c o m 的协调控制、与其他控制 器的综合控制研究 为了充分发挥s t a t c o m 在系统中的作用，需要对s t a t c o m 的装设地点进 行优化，以提高系统的性能投资比：另外，由于电力系统是个统一的、元件间相 互耦合的整体，当装设多个s t a t c o m 时，则要求当系统发生故障时，各s t a t c o m 装置以及其他装置除了要维持自身的安全、稳定，还必须尽可能多地为全 系统的安全和动态性能的改善做出贡献，至少不恶化全系统的安全和动态性能， 这样就需要研究多个s t a t c o m 的协调控制以及与其它控制器的综合控制。 ( 5 ) s t a t c o m 控制方法的研究 电力系统本身是一个大的强非线性系统，而且很多是非光滑非线性或不可逆 非线性。其次，电力系统又是一个变结构、变参数的大系统。最后，电力系统对 控制的要求是多目标的。尽管国内外已先后研制出多台s t a t c o m 并投入运行， 但已有的s t a t c o m 装置的控制方法难以同时满足提高功角稳定和电压稳定的 要求。因为有时这些目标是相互冲突地，关键阶段只能保证重点目标的实现。而 多目标控制的措施有三类： 1 ) 辨识不同目标以后，采取不同控制方法，它的困难在于：需要在线辨识 不同的目标，而精确的在线辨识会以失去宝贵的控制时间为代价。即使有了不同 目标的控制方法，在不同控制方法间的简单过渡会引起新的外加冲击； 2 ) 对不同的控制规律采取折中的办法，这样虽然避免了过渡冲击，但没有 充分利用控制可能提供的潜力； 3 ) 采用自适应控制，最优控制，模糊控制等。在理论研究方面，s t a t c o m 的控制方法目前己有p i 控制、基于微分几何的非线性控制、神经网络控制和鲁棒 控制等。由于p i 控制的参数很难整定，所以也很难满足装置的实时性。而基于微 7 江苏大学硕士学位论文 分几何的非线性控制虽然取得了较以前更好的效果，但它需要复杂的坐标变换， 对数学基础要求较高，不利于工程中的广泛应用。基于专家系统设计具有学习功 能的控制器，在多目标问题上也取得了重大的突破，但也存在某一运行点控制效 果无法超越训练器，难以进行在线训练，难以选择最恰当的期望接入点电压以及 无法实现控制误差的实时反馈等不足。 所以s t a t c o m 的控制方法将是本文的重点工作之一。文中将基于模糊控制 方法设计一种s t a t c o m 模糊控制器，使s t a t c o m 能充分发挥其控制效果。 1 4 本课题研究的意义和主要内容 1 4 1 本课题研究的意义 静止同步调相系统( s t a t c o m ) 主要作用是实时快速地补偿动、静态无功， 减少功率损耗，并兼有电压调整和谐波抑制功能，能够稳定系统电压，提高电能 质量，对长距离输电系统有助于提高系统输电稳定性和输电能力，平衡三相负载 的有功和无功功率等。随着工业、农业和交通等领域的发展，电力系统中出现大 量冲击型负载和非线性负载，如大功率变流器、车l j l 变流调整系统、电弧炉等冶 炼装置、电气化车辆等，这些设备在运行中产生大量的动态无功、谐波电流和电 压，导致电网电压闪变和大幅度波动，甚至造成电网在某一频率下的谐振，严重 地影响供电系统的供电质量和供电系统的安全运行。对于这些现象，传统的静止 调相机以及s v c 系统很难获得满意的补偿和控制效果。s t a t c o m 响应速度快、 运行范围宽，如果采用多重化脉宽调制技术等措施，可以大大减少补偿电流中的 谐波含量。另外，s t a t c o m 使用的电抗器或电容器比s v c 系统中的要小，大大 缩小了装置体积、成本和运行损耗。s t a t c o m 是电力系统无功补偿、谐波抑制 设备的发展方向，具有十分广阔的市场潜力。 1 4 2 本课题研究的主要内容 1 、根据国内外关于无功补偿及静止无功发生器的研究现状，对静止同步补 偿器( s t a t c o m ) 进行了理论研究和系统设计。 2 、研究基于i g b t 三相桥式电压型s t a t c o m 的系统结构形式，设计实验装 置的硬件电路，包括基于数字信号处理器芯片的全数字控制电路，信号检测和调 8 江苏大学硕士学位论文 理电路，逆变器主电路及其驱动保护电路等。 3 、运用模糊控制理论设计一智能控制器并建立静止同步补偿器系统数字仿 真模型，应用仿真m a t l a b s i m u l i n k 技术进行仿真和模拟试验，验证本论文中 所提控制策略的正确性和可行性。 4 、根据控制要求设计软件的流程，采用实现本论文中所提算法和控制系统功 能。 5 、研制了容量为1 0 k v a r 的静止同步补偿器。 9 江苏大学硕士学位论文 第2 章s t a t c o m 补偿原理及其应用 随着g t o 、i g b t 等大功率全控型器件的出现，以及相控技术、脉宽调制 技术( p w m ) 的日趋成熟，使得电力电子逆变技术得到快速发展，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 ) 是基于此技术而发展起来的，并 成为当今无功功率控制领域的研究热点。s t a t c o m 又称s v g ( s t a t i cv a r g e n e r a t o r 静止无功发生器) ，是f a c t s 家族中重要的并联型补偿设备。自从 1 9 9 1 年在日本投入运行以来，相继在美国、德国等国得到了成功的应用。我国 首台由清华大学和河南省电力局共同研制的+ 2 0 m v a rs t a t c o m 已于1 9 9 9 年4 月投入运行。s t a t c o m 的应用大大提高了电力系统的可靠性、安全性和稳定性， 给使用者带来巨大的经济和社会效益。 2 1 s t a t c o m 电路基本结构 严格地讲，s t a t c o m 的基本电路结构应该分为两种：即电压型桥式电路结 构和电流型桥式电路结构。如图2 1 所示【1 】： a ) 电压璎桥式电路 b ) 电流型桥式电路 图2 一ls 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 1 0 江苏大学硕士学位论文 率统一以来进行处理的，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i f 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 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。 2 2s t a t c o m 基本工作原理 以采用电压型桥式电路的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。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 所示单相等效电路图来说明。其中变压器及线路损耗用r 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。 图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 3 所示。图 中，6 为和u 之间的相位差，以虮滞后u 为正，p 为等效电抗器的阻抗角， 巩为等效阻抗器的两端电压。 江苏大学硕士学位论文 u u i a ) 容性丁况 图2 3s t a t c o m 向量图 、 u l i b ) 感性_ t 况 当滞后于时( 6 0 ) ，s t a t c o m 工作于感性工况，此时电流i 滞后于系统电压虮， 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i 吸收容性或感性无功功 率的计算公式为： q = 等s i n 2 万 ( 2 1 ) 其中，q 为s t a t c o m 三相电路从系统中吸收的总的无功功率，虮为系统 相电压。当f i 0 时，q o ，s t a t c o m 吸收感性无功功率；当f i 0 时，q o ， s t a t c o m 吸收容性无功功率。因此，通过控制6 的方向，我们可以在系统无功 不足时提供无功支撑，在系统无功过剩时吸收多余无功；另外通过控制6 的大小， 可以动态平滑地调节s t a t c o m 吸收的感性或容性无功功率的大小。由图中还 可以看出，不管是容性工况还是感性工况，u ，都与i 保持垂直，因为变流器无 需有功能量。电网电压与电流i 则不再保持9 0 0 ，而是比9 0 0 小了6 角，因为电 网需要提供有功功率来补充s t a t c o m 电路中的有功损耗以及维持直流侧电容 电压的稳定。通过对s t a t c o m 工作原理的分析，可以知道s t a t c o m 的伏 安特性如图2 4 所示【引。 通过改变控制系统的参数( 电网电压的参考值u 一) ，可以使伏安特性上下移 动。与传统s v c 伏安特性不同的是，当电网电压下降，补偿器的伏安特性向下 调整时，s t a t c o m 可以通过调整其变流器交流侧电压的幅值和相位，以使其所 能提供的最大无功电流l 。觚和t 。缸维持不变，其值仅受其g t o 等电力半导 1 2 江苏大学硕士学位论文 体器件的电流容量的限制。而对于传统的s v c ，由于其所能提供的最大电流分 别受其并联电抗器和并联电容器的阻抗特性限制，随着电网电压的降低反而减 小。因此，s t a t c o m 的运行范围比传统的s v c 大，s v c 的运行范围足向下 收缩的三角形区域，而s t a t c o m 的运行范围是上下等宽的近似矩形的区域， 这是s t a t c o m 优越于传统s v c 的一大特点。另外，对于那些以输电补偿为 目的的s t a t c o m 来说，如果直流侧采用较大的储能电容，或者其他直流电源( 如 蓄电池组等) ，则s t a t c o m 还可以在必要时短时间内向电网提供一定量的有功 功率。这对于电力系统来说是非常有益的，而又是传统s v c 装黄所望尘莫及的。 u _ 。 i 垂至 乏兰 l c t r m x o l l n ，“ 图2 4s t a t c o m 的伏安特性图 2 3s t a t c o m 在改善电能质量中的应用 我们利用s t a t c o m 来改善电能质量主要有两个目的：提高功率因数和调节 系统电压。虽然这两个目的都是通过s t a t c o m 向系统中注入无功电流来实现， 但补偿的目的不同，其实现原理也不尽相同，下面分别加以讨论。 2 3 1 提高系统功率因数 下图为s t a t c o m 的系统接线图： ，一一s y a t c o m 一一， 置孙 l r + j x i n v r s 广y 丫n 三+m _ ， i 。1 i i 宣 l o a d 图2 5s t a t c o m 系统接线图 其中b 为无穷大系统的等效电势，b + 成为由负荷端视入的无穷大系统 1 3 江苏大学硕士学位论文 等效戴维南阻抗，。r + j x 是s t a t c o m 的等效阻抗，v 为s t a t c o m 接入点处 的系统电压，也就是负荷的供电电压。当s t a t c o m 没有投入运行时，负荷电 流屯中的无功分量k 完全由系统承担，即= k 。如果k 较大，功率因 数会很低，线路损耗也会大大增加。当s t a t c o m 接入系统后，将产生容性无 功电流0 ，补偿负荷无功电流k ，为系统提供无功支持。理想情况下，当 b = 一么时，s t a t c o m 将完全抵消负荷无功电流，使系统功率因数等于l 。 2 3 2 调节系统电压 在电网中，两个节点之间电压的幅度差主要是由无功功率决定的，如果系统 中无功功率过大，会产生很大的电压损耗，如果不能及时进行无功补偿，在负荷 处会出现欠压现象。在图2 5 中，假定无穷大系统提供的有功功率和无功功率分 别为b 和g ，负荷的有功分量和无功分量分别为只和q ，s t a t c o m 补偿 的无功功率为q 。则当s t a t c o m 没有投入运行时，负荷的无功功率完全由系 统承担，此时g = q 。系统的电压损耗为： a u = e s v p s r s + qsxs y 垒垒苎望墨茎兰 ( 2 2 ) y 当s t a t c o m 投入运行后，s t a t c o m 对负荷的无功功率进行补偿，以 s t a t c o m 向系统发出感性无功功率为无功补偿的正方向，则有： q s = q l q c ( 2 3 ) 此时系统的电压损耗为： au = e s v 垦墨苎望兰垄点= 垒墨兰! 垒墨二望2 茎苎 vv ( 2 4 ) 由式( 2 - 4 ) n - - i 以看出，只要适当控制s t a t c o m 无功输出q c 的大小，就能调节系 统的电压损耗，从而调节系统的电压水平。又由公式( 2 1 ) 可知，q c f 的大小和6 有关。因此，只要调节逆变器输出电压和系统电压间的微小相位差( 一般只有几 度) ，就能实现我们的目的。图2 - 6 给出了s t a t c o m 在进行无功补偿前和无功 补偿后的相量图： 1 4 江苏大学硕士学位论文 由图中可以看出，在补偿前，负荷端的电压水平很低，供电质量差。利用 s t a t c o m 进行补偿后，电压水平得到很大改善。 j x s i s a ) s t a t c o m 补偿前b ) s t a t c o m 补偿后 图2 6s t a t c o m 补偿前后系统向量图 2 4s t a t c o m 控制策略 s t a t c o m 作为动态无功补偿装置，在电力系统中的应用主要实现两个功 能：即改善系统功率因数和调节系统电压。因此，其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。而外闭环反馈控制量和调节器的选取也应该根据补偿器要实现的功 能来设定。例如我们要提高系统功率因数时，控制系统可以采取开环控制，对负 荷无功功率进行完全补偿；而要实现调节系统电压功能时，控制系统则需要采用 系统电压的外闭环反馈控制，设置电压调节器，如果还要附加其他补偿功能，则 可以另外附加闭环和调节器来修正系统电压参考值。在控制策略上，s t a t c o m 和传统的s v c 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 t a t c o m 中，由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 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间接控制和电 流的直接控制两种方法。 2 4 。1 电流的间接控制 所谓电流的间接控制，就是按照s t a t c o m 的工作原理，将s t a t c o m 看 作一个交流电压源，通过对s t a t c o m 变流器所产生的交流侧电压基波的相位和 1 5 江苏大学硕士学位论文 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 3 所示的 s t a t c o m 工作相量图，以容性工况为例来进行说明。由图可以得到以下三角关 系式： 旦l ： 竺点 ： 竺( 2 5 ) s i n 万 s i n ( 9 0 0 + 痧)s i n ( 9 0 0 + 矽一万) 其中6 是u 滞后的角度，由此可以得到等效电抗器两端电压为： u ，：u s , s i n 8 ( 2 - - 6 ) “ c o s 矽 因此可以推导出稳态时s t a t c o m 从电网中吸收的容性无功电流和有功电流的 有效值分别为： 乇= 海s i n c 9 0 0 - d ) = 2 万 c 2 刊 l 2 海c o s ( 9 0 0 - d ) 22 - 象- ( 1 - c o s 2 d ) ( 2 一s ) 可以i i e n ，在感性工况下，s t a t c o m 从电网中吸收的电流同样满足式( 2 7 ) 和 ( 2 - 8 ) ，不过此时吸收的是感性电流，6 的值是u 超前u s 的角度。另外，由式 ( 2 5 ) 可以得到： u ，：u sc o s ( 8 - 矽)( 2 9 ) c o s 矽 可见，在稳态下6 的值与s t a t c o m 交流侧基波电压的幅值大小也是一一对应 的。下图为1 q 、及u ，与6 的关系曲线： u l 艺 - - _ 沁 。q 一 6 图2 7i o ，i p ，u i 和6 的关系图 由图可以看出：当6 在绝对值较小的范围内变化时，与6 与乇接近线性的正 比关系。而在式( 2 1 ) 所示的s t a t c o m 输出的无功功率公式中，由于s t a t c o m 1 6 江苏大学硕士学位论文 的等效电阻r 的值很小，而玑的值很大，6 值很小的变化都会引起s t a t c o m 很大的无功输出。因此s t a t c o m 在实际的运行中，都是在绝对值很小的范围内 变化。所以可以通过控制6 来在较大范围内控制s t a t c o m 输出的无功电流。 通过以上分析，我们可以得到最简单的电流间接控制方法：即将我们想要补偿的 无功电流的参考值。作为指令值，通过公式( 2 7 ) 变换得到6 的值，然后用6 来 控制s t a t c o m 变流器的触发脉冲，使s t a t c o m 交流侧输出的电流值跟随 参考值动态变化。其示意图和相关波形如下： l 匪三卜臣 ， 图2 8 简单的电流间接控制方法 如果在上述方法中，对s t a t c o m 吸收的无功电流( 或无功功率) 进行反馈 控制，则对无功电流的控制精度和响应速度都将得到显著提高。原理图如下所示： 图2 9 进行闭环反馈控制的电流间接控制方法 其工作原理就是将需补偿的电流参考值与s t a t c o m 吸收的电流值进行实 时比较，对其差值进行比例积分调节，产生的6 值控制s t a t c o m 的脉冲触发。 2 4 2 电流的直接控制 所谓电流的直接控制，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。此时，s t a t