（电力电子与电力传动专业论文）基于igct的静止同步补偿器（statcom）主电路的研究.pdf

基于l o c r 的静止同步补偿嚣( s t a t c o m ) 主电路的研究 a b s t r a c t 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 ) c a l ls t r e n g t h e n t h e s t a b i l i t y o fp o w e rs y s t e ma n de n h a n c ei t s c a p a b i l i t y t ot r a n s m i t e l e c t r i c i t y , t h u si th a sb e e nw i d e l ys t u d i e da n du s e da l lo v e rt h ew o r l d i n r e c e n ty e a r s ，t h ep o w e rs y s t e mo fo u rc o u n t r yi sd e v e l o p i n gc o n t i n o u s l y , i ts h o u l dh a v el a r g e rc a p a c i t ya n dh i g h e rv o l t a g e 1 1 1 ec a p a c i t yo f s t a t c o mm u s tb ee n l a r g e dt ob ea b l et ot a k ee f f e c t i ti sm o r ep r e s s i n g t o d o t h a t i l lt h i st h e s i s t h em a i nc i r c u i to f6 k v 2 0 0 k v as t j 盯c o mi s l u c u b r a t e d t h eo p e r a t i o np r i n c i p l ea n dt h em e t h o do fc o n t r o lo f s t a t c o mi s i n t r o d u c e d m a n yc o n f i g u r a t i o n su s e di nh i g hc a p a c i t y s t a t c o mi sa n a l y s e da n dc o m p a r e d an e wt y p ep o w e re l e c t r o n i c s w i t c hn a m e di n t e g r a t e dg a t ec o m m u t et h y r i s t o k i g c t ) i si n t r o d u c e di n t h i st h e s i sa n dt h ep r i n c i p l e e l e c t r i c sm o d e lo fi g c ti se s t a b l i s h e d t o s t u d yt h ev o l t a g eb a l a n c i n g f o ri g c ts e r i e s c o n n e c t i o n ，v o l t a g e b a l a n c i n gc i r c u i ti sd e s i g n e da n dt h ed y n a m i cc o u r s ei ss i m u l a t e d a sa nr e m a r k a b l es c h e m e ，c a s c a d ec o n f i g u r a t i o ni se m p h a s i z e d s t u d i e di nt h i st h e s i s t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h es i n g l ep h a s et h r e e l e v e l sc a s c a d es t p l t c o mi se s t a b l i s h e da n dt h em a c h a n i s mo ft h e v o l t a g eu n b a l a n c e o fc a p a c i t a n c ev o l t a g e so nd cs i d ei s c a r e f u l l y a n a l y s e d t h em a i np a r a m e t e r so ft h ec a s c a d es t a t c o mb a s e di g c t s a r ep r e c i s e l yd e s i g n e d t ov e r i f yt h ec o r r e c t n e s so ft h ed e s i g n e d p r o d u c t i o n ，s i m u l a t i o nr e s u l t sa l ea l s op r e s e n ti nt h i st h e s i s k e yw o r d s ：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 ) ；i n t e g r a t e d g a t ec o m m u t et h y r i s t o r ( i g c t ) ；m a i nc i r c u i tc o n f i g u r a t i o n ；c a s c a d e c o n f i g u r a t i o n i i 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。 本学位论文属于 保密 口在年解密后适用本授权书。 不保密 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期：年月日 电话： 邮编： 该“r ，0 日 1 砂 一哆 作 力 文 期 论 日 位 字 学 签 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。 如呷j， 砂月昏 签 f 懿 年 作刀姗哆 敝 位 期 擎 日 江苏大学硕士擘位论文 第1 章绪论 近年来，随着经济的快速发展，我国的电力工业也取得了前所未有的成就。 目前，我国电力系统的装机容量及发电量均居世界第二，业已形成了华东、华北、 华中、东北、西北、南方六大区域网和山东、福建两个省网。随着以三峡水电站 为代表的一批新兴发电工程的开发，以及超高压、大容量、远距离输电技术的发 展，全国各大电网互联，直至出现全国性的大联网已成为必然的趋势。 随着电力工业的发展，电力电子装置的应用日益广泛，电网中的谐波污染也 f l 趋严重。另外，大多数的电力电子装置功率因数很低，也给电网带来了额外负 担，并且影响着供电质量。因此，如何抑制谐波和对无功功率进行补偿已经成为 电力电子技术、电气自动化技术以及电力系统研究领域所面临的一个重大课题。 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 ，简称s t a t c o m ) ，是柔 性交流输电系统( f a c t s ) 中的重要成员之一，具有实时检测和补偿无功功率、 支撑网络节点电压、补偿高次谐波等功能。本文将重点对基于新型电力电子器件 i g c t ( m t c g r a t e ag a t ec o m m u t et h y d s t o r ) 的s t a t c o m 主电路结构进行深入研 究，为s t a t c o m 的大容量和实用化寻求合适的解决方案。 1 。1 课题研究背景和本文研究的意义 在电力系统中，由于电感、电容元件的存在，系统中不仅存在着有功功率， 而且存在无功功率。无功功率的存在对于电力系统和负荷的运行都非常重要，但 其传输不仅会产生很大的有功损耗，而且沿着传输途径还会产生很大的电压降 落，并且使电网的视在功率增大，从而对系统产生一系列不良影响，主要可以归 纳为以下几个方面： ( 1 ) 电网总电流增加，使电力系统中的元件如变压器等的容量增大，从而 增加了投资费用，在传送同样有功功率的情况下，增加了设备和线路的损耗。 ( 2 ) 电网无功容量不足，会造成负荷端供电电压低，影响正常生产、生活 用电；反之，若无功容量过剩，则造成电网运行电压过高，电压波动过大。 ( 3 ) 降低了电网的功率因数，造成大量电能损耗。当功率因数由o 8 下降至 0 6 时，电能损耗提高了将近一半。 基于i g c t 的静止同步补偿嚣( s t a t c o m ) 主电路的研究 为了输送有功功率，需要送电端和受电端有一相位差，这可以在相当宽的范 围内实现，而为了输送无功功率，则要求两端电压有一幅值差，这只能在很窄的 范围内实现。不仅大多数网络元件消耗无功功率，大多数负载也需要消耗无功。 这些无功功率必须从网络的某个地方获得。显然，如果都要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。合理的方法是在需要无功功率的地 方进行补偿。 无功补偿的作用主要有以下几点： ( 1 ) 提高供用电系统及负载的功率因数，降低设备容量，减少功率损耗； ( 2 ) 稳定受电端及电网的电压，提高供电质量。在长距离输电线路合适的 地点设置动态无功补偿，还可以改善输电系统的稳定性，提高输电能力； ( 3 ) 在电气化铁道等三相负载不平衡的场合，通过适当的无功补偿可平衡 三相的有功及无功负载。 正因为无功补偿对于提高电网安全运行水平和电能质量有着如此重要的意 义，这一技术正越来越受到人们的关注，并已成为研究的热点。 f a c t s 是f l e x i b l ea ct r a n s m i s s i o ns y s t e m 的英文缩写，也可翻译为灵活交 流输电技术，是指装有电力电子型或其他静止型控制器以加强可控性和增大电力 传输能力的交流输电系统，是美国著名电力专家n - h h i n g o r a n i 博士于1 9 8 6 年提 出的。f a c t s 技术是利用现代大功率电力电子技术改造传统交流电力系统的一 项重大改革，被认为是2 l 世纪初可以实施的技术改革措施，已成为当今先进国 家电力界研究的热点。f a c t s 技术( 包括系统应用技术及控制器技术) 已被国内 外的些较权威性的输电技术研究者和工作组称为“未来输电系统新时代的三项 支撑技术f a c t s 技术、先进的控制中心和综合自动化技术) 之一”，或是“现代 电力系统中的三项具有变革性影响的前沿性课题( 柔性输电技术、智能控制、基 于全球卫星定位系统( g p s ) 的新一代动态安全分析与监测系统) 之一，4 2 1 。此概念 提出后，f a c t s 技术迅速成为各国电力界研究的热点。f a c t s 技术是基于电力 电子技术改造交流输电的系列技术，它对交流电的无功电压、电抗和相角可以进 行控制，从而能有效提高交流系统的安全稳定性，使传统的交流输电系统具有更 高的柔性和灵活性，使输电线路得到充分利用，以满足电力系统安全、可靠和经 济运行的目标嘲。 作为众多f a c t s 装置中最重要的一种并联型装置，s 豇玎c o m ( s t a t i c 2 江苏大学硕士学位论文 s y n c h r o n o u sc o m p e n s a t o r ，静止同步补偿器) 得到了各国电力科技界的重点关注 和研究。s t a t c o m 可看作直流侧由电容提供电压支撑的电压型逆变器，通过控 制输出电压与系统电压之差来决定吸收或发出无功。其优点在于低电压区域的特 性好、响应速度快，可以提高系统的动态电压调节能力、从而增强系统的稳定性 和输电能力。目前，美国、日本、德国等国家己先后研制出大容量s t a t c o m 装 置并投入工业应用。 在我国，1 9 9 4 年作为原电力部重大科技攻关项目，由河南省电力局和清华大 学共同研制了2 0 m v a ts t a t c o m 【4 】。为进行机理研究，首先研制了- 1 - 3 0 0 k v a t 的中间工业试验装置，于1 9 9 5 年并网运行。1 9 9 9 年3 月，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开始试运行，并于2 0 0 0 年6 月通 过电力总公司组织的鉴定。 可以断言，随着我国电力工业的发展，为了实现“西电东送、南北互济、全 国联网、厂网分开”，保证全国电力系统的安全稳定运行，f a c t s 技术必将发挥 重要的作用，具有广阔的应用前景。但是，我们也注意到，要在以高电压、大容 量、远距离输电为特点的现代电力系统中发挥作用，当前2 0 m v a r 的容量并不 能满足要求，必须研制百兆乏容量的s t a t c o m 。采用新型的功率器件和主电路 结构是进一步提高性能、增强可靠性、拓宽应用范围的有效途径。 本文正是在这一背景下针对以i g c t 为主要功率器件的s t a t c o m 主电路结 构进行了深入的研究。 1 2s t a t c o m 研究的意义与现状 1 2 1 无功功率补偿装置的发展 电力系统中的无功补偿装置从最早的电容器开始，历经了电容器、同步调相 机、静止无功补偿装置( s v c ) ，直到今天引人注目的s 联r c o m 凡个不同的阶 段，如图1 1 所示。 无功补偿电容器的优点是原理简单，安装、运行和维护都很方便。但是，它 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，使补偿的无功量急剧下降，系统电压下 3 基于i c k 7 1 的静止同步补偿器( s t a t c o m 】主电路的研究 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。 图1 1 无功补偿装置的发展 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 ) 是传统的无功功率动态补偿装置， 它是专门用来产生无功功率的同步电机。自二三十年代以来的几十年中，同步调 相机在电力系统无功功率控制中一度发挥着主要作用。然而，由于它是旋转电机， 因而损耗和噪声都较大，运行维护复杂，而且由于控制复杂造成响应速度慢，在 很多情况下已经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 相机丌始逐渐被静止型无功补偿装置( s t a t i cv a tc o m p e n s a t o r ，s v c ) 所取代， 目前有些国家甚至已经不再使用同步调相机。 早期的静止无功补偿装置是饱和电抗器( s a t u r a t e dr e a c t o r ，s r ) 型的。1 9 6 7 年，英国c e c 公司制成了世界上第一批饱和电抗器型静止无功补偿装置。此后， 各国厂家纷纷推出各自的产品。饱和电抗器与同步调相机相比，具有静止型的优 点，响应速度快；但是由于其铁心需磁化到饱和状态，因而损耗和噪声都比较大， 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。 电力电子技术的发展及其在电力系统中的应用，将使用晶闸管的静止无功补 偿装置推上了电力系统无功功率控制的舞台。1 9 7 7 年美国g e 公司首次在实际电 力系统中演示运行了使用晶闸管的静止无功补偿装置。1 9 7 8 年，在美国电力研 究院的支持下，西屋电气制造的使用晶闸管的静止无功补偿装置投入实际运行。 4 江苏大学硕士学位论文 随后，世界各大电气公司都相继推出了各具特点的系列产品。我国也先后引进了 数套这类装置。 由于使用晶闸管的静止无功补偿装置具有优良的性能，所以，近l o 多年来， 在世界范围内其市场一直在迅速而稳定地增长，已占据了静止无功补偿装置的主 导地位。因此静止无功补偿( s v c ) 这个词往往是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 e i rs w i t c h e dc 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 ) ，或者晶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 dc a p a c i t o r ，m s c ) 混合使用的装置( 如 t c r + f c ，t c i h m s c 等) 。其快速的响应，适中的价格，使其在电力系统中得以 迅速的推广。不足之处在于谐波成分大，需要大电感、大电容等元件，而且只有 在感性工况下才连续可调。 随着电力电子技术的进一步发展，2 0 世纪8 0 年代以来，一种更为先进的静 止型无功补偿装置出现了，这就是采用自换向变流电路的静止无功补偿装置，称 为静止无功补偿器( 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 ) 。s t a t c o m 在电力系统中具有多种功能：它在高压和超高压系统中能大幅度提高有功输送能 力，提高系统的静态、动态和暂态稳定性，加强功率震荡阻尼，稳定电压。 从根本上讲，s t a t c o m 的基本功能就是从电网中吸收或者向电网中输送连 续可调的无功功率，以维持接入点的电压恒定，并有利于电网的无功功率平衡， 随着大功率电力电子器件的日趋发展，s t a t c o m 在电力系统中的应用也将越来 越广泛。但是，由于电力系统的非线性及负荷参数多变等特点，围绕s t a t c o m 的工程化还有很多问题没有得到很好的解决，还需做大量理论和工程应用研究。 1 2 2s t a t c o m 研究与应用的现状 静止同步补偿器s t a t c o m 具有体积小、容量大、调节连续、响应速度快、 经济性能好等优点，对维持节点电压和抑制电压闪变、阻尼系统振荡以及提高系 统暂态稳定性发挥着重要的作用。近年来，世界上许多国家都在积极发展 s t a t c o m 设备的制造或应用研究，s t a t c o m 在电力系统中的应用受到日益广 泛的重视。 基于i g c t 的静止同步补偿器( s t a t c o m ) 主电路的研究 在国外，自日本三菱公司1 9 8 0 年研制成功2 0 m v a t 豹s t a t c o l d 起， s t a t c o m 作为f a c t s 的重要成员已经引起各国电力工业界的重视【4 1 。1 9 8 6 年 1 0 月，由美国国家电力研究院( e p ) 和西屋公司研制的1 m v a f 的s 日盯c o m 在美国纽约州投入示范运行【劓。随着g t o 容量的进一步增大，大功率s t a t c o m 开始应用于电力系统的稳定控制及系统振荡的抑制。1 9 9 1 年5 月，基于 4 5 0 0 v 3 0 0 0 a g t o 的8 0 材v 盯s 1 a r c o m 由日本三菱公司与关西电力公司合作 开发成功网；1 9 9 2 年3 月，日本东芝公司与东京电力采用6 0 0 0 v 2 5 0 0 a 的g t o 开发5 0 m w a r 的s t a t c o m i n ；在美国，继1 9 8 8 年在加利弗尼亚卅l 用 4 5 0 0 v 2 5 0 0 a 的g t o 开发了l o m v a r 的可四象限运行的电力变流器后【研：1 9 9 6 年，一个基于4 5 0 0 v 4 0 0 0 a g l d 的1 0 0 m v a rs t a t c o m 由美国电科院和西屋 科技中心合作完成【9 l ，在田纳西州沙利文变电站投入试运行；而德国西门子公司 基于4 5 0 0 w 3 0 0 0 ag t o 开发研制的+ 8 m v a rs t a t c o m 也于1 9 9 7 年4 月在丹 麦投入运行【。 在国内，s t a t c o m 领域的研究刚刚起步就取得了一定的成绩，华北电力学 院曾研制出强迫换相的可控硅元件无功发生器实验装置；东北电力学院研制了 g t o 器件的s t a t c o m 实验装置；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 l 的s r c o m 在河南洛阳 的朝阳变电站并网运行成功，这是国内首台投入运行的大容量柔性交流输电装 置；目前，应用于上海电力系统的5 - 5 0 m v a t 的s t a t c o m 工业装置也正在研制 中。 1 3 本文所做的工作 本论文主要针对s t a t c o m 的主电路结构进行研究。所做的工作主要有以下 几点： ( 1 ) 分析比较了s t a t c o m 的工作原理以及其控制策略； ( 2 ) 对新型电力电子器件i g c t 特性进行深入分析，构造了其构造其原理 性电学模型( h u - 鼬模型) ；以此为基础，对多个i g c t 串联运行出现的电压不 均问题进行了深入研究，针对引起电压不均的各种因素提出了有效的解决方案， 并通过仿真实验进行验证： 6 江苏大学硕士学位论文 ( 3 ) 对各种s t a f c o m 大容量化方案进行了分析和研究；建立了基于i g c t 的单相三级链式s t a t c o m 的数学模型，对构成s t a t c o m 的主要电路元件参 数进行了分析设计，并进行了仿真研究。 7 基于i g c t 的静止罔步补偿嚣( s t a t c o m ) 主电路的研究 第2 章s t a t c o m 的工作原理及控制策略 2 1s t a t c o m 的基本电路结构 与传统的以t c r 为代表的s v c 装置相比，s 1 猢r c o m 的调节速度更快，运 行范围宽，而且在采取多重化、多电平、p w m 技术和链式结构等措施后可大大 减少补偿电流中谐波的含量。更重要的是，s t a t c o m 使用的电抗器和电容元件 远比s v c 中使用的电抗器和电容元件要小，可大大缩小装置的体积。而且，考 虑到电力电子器件成本有大幅度降低的趋势，使用小参数的电容和电抗也将降低 装置的成本。正是因为s 1 肖r c o m 具有如此优越的性能，所以它代表着动态无功 补偿装置的发展方向。 s t a t c o m 的基本工作原理是将电压型逆变桥电路直接或者通过电抗与公用 电网连接起来，然后通过调节逆变桥交流侧输出电压的相位和幅值，或通过直接 控制交流侧电流，使逆变桥电路吸收或者发出需要的无功电流，达到动态无功补 偿的目的。 1圣+ ； 士+ j士 一 ，1 ”l ，v t n _ ，m 书耳j 丑 j 屯 i勺r勺rj 士勺 r勺r勺【 ( a ) 采用电压型桥式电路( b ) 采用电流型桥式电路 图2 - 1 $ t a t c o m 基本电路结构 根据直流侧电气元件不同，s t a t c o m 可分为基于电压型逆变器和基于电流 型逆变器等两种类型。其电路基本结构如图2 1 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。 s 江苏大学硕士学位论文 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。本 文也将只针对采用自换向电压型逆变器的s t a t c o m 为对象进行研究。 2 2s t a t c o m 的工作原理 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【l l j 。 s t a t c o m 的工作原理可以用如图2 2 所示的单相等效电路来说明。由于 s t a t c o m 正常工作时就是通过电力半导体开关的通断将直流侧电压转换成交 流侧与电网同频率的输出电压，类似于一个电压型逆变器，只不过其交流侧输出 接的不是无源负载，而是电网。 u s x ：l u l 纠新二 ( a ) 单相等效电路 ( b ) 电流超前( c ) 电流滞后 图2 - 2s t a t c o m 等效电路及工作原理( 不考虑损耗) 9 举萼 基于i g c t 的静止同步朴偿器( s t a t c o m ) 主电路的研究 因此，当仅仅考虑基波频率时，s t a t c o m 可以等效地被看作是幅值和相位 均可以控制的一个与电网同频率的交流电压源，通过交流电抗器接到电网上。 设电网电压和s r c o m 输出的交流电压分别用相量和u ，表示，则连接 电抗x 上的电压u 。即为酞和u ，的相量差，而连接电抗的电流是由其电压来控 制的。这个电流就是s t a t c o m 从电网吸收的电流，。因此，改变s t a t c o m 交 流侧输出电压u ，的幅值及其相对于u s 的相位，就可以改变连接电抗上的电压， 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 1 肖r c o m 吸 收无功功率的性质和大小。 在图2 - 2 的等效电路中，将连接电抗器视为纯电感，没有考虑其损耗以及变 流器的损耗，因此不必从电网吸收有功能量。在这种情况下，只需要使u ，和u 。 同相，仅改变u ，的幅值大小即可控制s t a t c o m 从电网吸收的电流j 是超前还 是滞后9 0 。，并且能控制该电流的大小。如图2 3 所示，当【，大于玑时，电流 超前电压9 0 。，s 似r c o m 吸收感性的无功功率。 考虑到连接电抗器的损耗和交流器本身的损耗( 如管压降、线路电感) ，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 的实际等效电路和电 流分别超前、滞后工作的相量图如图2 3 所示。 f 罄篇4 齿 每型h w ( a ) 单相等效电路 ( b ) 电流超前 ( c ) 电流滞后 圈2 - 3s t a t c o m 等效电路及工作原理( 考虑损耗) 这种情况下，变流器电压( 厂与电流，仍框差9 0 。因为变流器无需有功能量。 而电网电压u 。与电流，的相差不再是9 0 。，而是比9 0 。小了占角，因此电网提供 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，中有一 定量的有功分量。这个j 角也就是变流器电压【，与电网电压u 的相位差。改变 这个相位，并且改变( ，的幅值，则产生的电流，的相位和大小也就随之改变， s 似r c o m 从电网吸收的无功功率也就因此得到调节。 在图2 3 中，将变流器本身的损耗也归算到了交流侧，并归入连接电抗器电 l o 江苏大学硕士学位论文 阻中统一考虑。实际上，这部分损耗发生在变流器内部，应该由变流器从交流侧 吸收一定的有功能量来补充。因此，实际上变流器交流侧电压u ，与电流，的相 位差并不是严格的9 0 。而是比9 0 。略小一些。 如图2 - 3 和( c ) 所示，s t a t c o m 分别工作在容性工况和感性工况。图中， 万是虬和珥之间的相位差，以滞后以为正。矿为等效电抗器的阻抗角，巩 为等效阻抗器的两端电压。 s t a t c o m 从系统吸收容性或感性无功功率的计算公式为， rr 2 q ：兰笪s i n 2 8 ( 2 1 ) 一 2 r 当u ，滞后于虬时( 艿 0 ) ，s t a t c o m 工作于感性工况，此时电流j 滞后于系统电压 u s ，s t a t c o m 从系统吸收感性无功功率。 通过控制艿的大小，可以动态平滑地调节s t a l 0 m 吸收的感性或容性无功 功率的大小。由图中还可以看出，因为变流器无需有功能量，所以不管是容性工 况还是感性工况，【，都与，保持垂直。由于电网需要提供有功功率来补充 s n 玎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，所以电网电压与 电流，则不再保持9 0 。，而是比9 0 。小了万角。 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。 u q 矿 ，+ + ，一一 ， ! 一 一_ 一 ! - 一 一一 ! 一 一 ! ，一 一一 。一一 ， i 。- ，一 乇艘0屯。 基于 g c t 的静止同步补偿嚣( s t a t c o m ) 主电路的研究 通过改变控制系统的参数( 电网电压的参考值u 。) ，可以使伏安特性上下 移动。与传统的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 1 煳r 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，c 一和l 一维持不变，其值仅受电力半导体器件 的电流容量的限制。而对手传统的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 似r c o m 的运行范围比传统的s v c 大，s v c 的运行范围是向下收缩的三角形 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 优越与传统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 装置所望尘莫及的。 2 3s t a t c o m 的控制策略 作为动态无功补偿装置的类型之一，s t a t c o m 的控制不论是从大的控制策 略的选择来讲，还是从其外闭环反馈控制量和调节器的选择来说，其原则都与传 统的s v c 装置是基本致的。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、 闭坏控制或者两者相结合的控制策略。丽外i 罚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，控制系统可以采取歼环控制，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，控制系统贝町需要采用系统电 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 r 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 1 2 江苏天学硕士学位论文 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 3 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 和幅值的控制，来间接控制s t a t c o m 的交流侧电流。 以吸收滞后的电流为例，如图2 - 4 所示，图中电网电压【，。、连接电抗器电压 u ，和变流器交流侧基波电压u ，构成一个三角形，由正弦定理可以得到： u ， s i n 占 s i n ( 9 0 。+ 力 ：坠(2-2) s i n ( 9 0 。一每一们 式中，万为u ，与c ，。的相位差，以u 超前虮时为正；盯为连接电抗器的阻抗角。 因此得到： u ，：u ss i n 8( 2 3 ) 。 c 0 s 口 这样，就可以推导出稳态下的s t a t c o m 从电网吸收的无功电流和有功电流 有效值分别为； 乇= 杀杀蛳舭回= 轰s 址2 艿 c 2 4 ， = 毒杀c o s ( 9 0 - 8 ) = 善”c o s 2 8 ) 协s ， 以吸收滞后无功时无功电流为正，吸收超前无功时为无功电流为负。当u ，滞 后于u s ，s t a t c o m 从电网中吸收超前无功电流时，其稳态仍然满足公式( 2 3 ) 和公式( 2 - 5 ) ，只不过此时其中的艿和易都为负值。 同时，还可以得出： u ，：u sc o s ( 8 + 9 )( 2 6 ) 基于i g c t 的静止同步补偿嚣( s t a t c o m ) 主电路的研究 可见，稳态下j 角与变流器交流侧基波电压u 的大小也是一一对应的。稳 态下将乇、，p 与j 角的关系曲线如图2 5 所示。 一c ， 么7 l 孑 图2 - 5 乇、，与万角的关系 从图中可看出：当艿在绝对值较小的范围内变化时，艿与厶接近线性的正比 关系。但是，由于s t a t c o m 的等效电阻很小，而以的值很大，万值很小的变 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，j 都 是在绝对值很小的范围内变化。所以可以通过控制万来在较大范围内控制 s n 虹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 - 4 ) 变换得到艿的值，然后 用万来控制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： ：6 ： ( a ) 控制方法示意图( b ) 电压和电流波形 图2 6 简单的电流间接控制方法 在波形图中，材。为s t a t c o m 接入点处系统的相电压，“，为s t a t c o m 变 流器桥式电路经触发后在交流侧形成的相电压，其幅度等于直流侧电容电压的 值，而i ，则是s t a t c o m 吸收电流中的基波分量。 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。如图2 7 所示： 1 4 江苏大学硕士擘位论文 图2 - 7 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，产生的万值控制s t a t c o m 的脉冲触发。 2 。3 2 电流的直接控制 所谓的电流直接控制，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。其中的跟踪型p w m 控制技术通常为滞环比较方式或者三角波比 较方式，其简单的原理图如图2 8 ( a ) 和2 8 ( b ) 所示。 嚷 ( a ) 滞环比较方式( b ) 三角波比较方式 图2 - 8 电流的跟踪型p w m 控制 三角波比较方式的跟踪型p w m 技术原理如图2 9 所示。图中。是总的瞬时 电流，它是根据s t a t c o m 装置对有功能量的要求，以瞬对电流无功分量的参考 值阿为主，通过对附的相位进行修正来得到的；也- i 以i t l 瞬时电流无功分量 的参考值与瞬时电流有功分量的参考值相加而得到。 图2 - 9s t a t c o m 电流直接控制的一种方法( 一相示意图) 瞬时电流无功分量的参考值可以由滞后电源电压9 0 9 的正弦波与无功电流参 考值如可相乘得到，而s t a t c o m 对有功能量的要求，可以由直流侧电压的反馈 l s 基于i c , c t 的静止同步朴楼嚣( s t a t c o m ) 主电路的研究 控制来体现。 在电流直接控制方法中，也可以引用d q 变换和瞬时无功理论。引入d q 坐标变 换的电流直接控制方法原理如图2 l o 所示。图中参考值易可、k 矿和反馈值，口( 即 l q ) 、，( 即，。) 在稳态时均为直流信号，所以通过p i 调节器可以实现无稳态 误差的电流跟踪控制。相比于图2 9 中参考值。和反馈值f 都是正弦信号，最终 电流的控制是有稳态误差的。 去s t a t c 0 1 a 主电路驱动 图2 1 0 采用d q 变换的电流直接控制 与电流间接控制方法相比，电流直接控制方法动态响应速度和控制精度都有 了很大的提高。在电流直接控制方法下，s t a t c o m 装置实际上可以认为是一个 受控的电流源，不适合用等效交流电压源的概念来分析s r c 0 m 装置的工作原 理了。电流直接控制方法在进行d q 变换时需要锁相环( p l l ) 以及同步信号 ( s i n c a t ，c o s a t t ) 参与，这增加了硬件和软件的实现难度，不但使得控制系统 更加复杂，而且影响系统的控制精度。同时由于是对电流瞬时值的跟踪控制，要 求主电路电力半导体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 装置目前还难以做到。 2 4 本章小结 本章主要介绍了s t a t c o m 的理论基础、工作原理以及控制策略。阐述了传 统无功理论的不足以及瞬时无功理论在s t a t c o m 中的应用，对s t a t c o m 基 本工作原理进行了详细分析，并对两种用于s t a t c o m 的控制策略，即电流的i b j 接控制和电流的直接控制进行了研究。 1 6 江苏大学硕士学位论文 第3 章s t a t c o m 主电路结构分析 随着我国电力工业的发展，如何利用大容量s t a t c o m 提高电力系统动态电 压的稳定性日益成为电力工业界关注的焦点和发展趋势。为了使s t a t c o m 在电 力系统中更好的发挥作用，通常要求其容量应达到1 0 0 m v a 级以上。而在目前 的电力电子水平下，单个的三相桥逆变器的容量最大仅仅可达到7 - 1 5 m v a ，因 此必须采取多种措施来提高s t a t c o m 的容量。从现有的研究成果和应用实例来 看，已投入运行的s t a t c o m 大都采用了两电平或者是三电平逆变器结构，通过 变压器的多重化来增加装置的容量以及消除谐波。以下将主要介绍适合于大容量 s t a t c o m 的几种主电路形式。 3 1 逆变器多重化技术 所谓的多重化，就是对几个输出电压为方波的相同的变换器，将它们依次错 开相同的相位角，然后把他们叠加起来，形成一个接近于正弦波的阶梯波，以达 到消除某些含量高的低次谐波的目的【j2 】。 s t a t c o m 的多重化方法有两种，一种是利用星型三角形变压器移相进行 多重化，另外一种是利用特殊的曲折联接变压器移相实现多重化。 3 1 1 星型_ - 角形变压器移相原理 在星型- - 角形变压器中，三角形侧输出的相电压基波分量与星型侧相电压 基波分量相差3 0 。利用这一移相特性，可以将星型- - 角形和星型星型( 或者 三角形，三角形) 变压器组合起来，变压器原边接入同样的电压，在副边将各相 绕组输出串接，即形成多重化的连接方法，但是这种多重化的方法只能够移相 3 0 4 ，如果需要移相任意角度，则需要采用曲折联接的变压器。 3 1 2 曲折联接变压器移相原理 曲折联接变压器移相原理是寻找一电压与原电压进行叠加，使叠加后的电压 1 7 基于i g c t 的静止同步补偿嚣( s t a t c o m ) 主电路的研究 与原电