（电力电子与电力传动专业论文）基于igct的statcom主电路结构研究.pdf

基于i g c t 的s t a t c o m 主电路结构研究 a b s 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 eo p e r a t i o no f p 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 a san e wv a rc o m p e n s a t o r ， t h es 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 ) a t t r a c t se x t e n s i v ea t t e n t i o nf o ri t s p 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 no fv a ra n dd y n a m i cc a p a b i l i t y i nm i sd i s s e r t a t i o n ，t h em a i nc i r c u i to f6 k v 2 0 0 k v as t a t c o mi sl u c u b r a t e d f i r s t l yt h eb a s i co 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 fs t a t c o mi s e x p a t i a t e d t h e n ，t h i sp a p e rr e s p e c t i v e l yc o m p a r e st h ea d v a n c e sa n dd e f e c t so ff o u r k i n d so ft h em u l t i l e v e lm a i nc i r c u i t ，t h a ta r em u l t i p l em a i nc i r c u i to ft r a n s f o r m e r ， d i o d e c l a m p e dm u l t i l e v e l ，f l y i n g c a p a c i t o rm u l t i l e v e la n dc a s c a d em u l t i l e v e l t h e c o n f i g u r a t i o na n dt h eb a s i co p e r a t i o np r i n c i p l eo fm u l t i p l em a i nc i r c u i to ft r a n s f o r m e r a n dc a s c a d em u l t i l e v e la r ea n a l y z e di nd e t a i l ai m p r o v e dm e t h o do ns e l e c t e d h a r m o n i ce l i m i n a t i o np w mb a s e do nc a s c a d em u l t i l e v e li sp r o p o s e di nt h i sp a p e r i n t h i sm e t h o d ，t h es w i t c h i n gf r e q u e n c yo fe a c hs w i t c h i n gc o m p o n e n ti st h es a m e t h e m e t h o do fo b t a i n i n gi n i t i a lv a l u e sb ya d d i n gs i n g l eh b r i d g es w i t c h i n ga n g l e si s p r e s e n t e df o rn o n l i n e a rs h e p w me q u a t i o n s t h eo p e r a t i o np r i n c i p l ea n dn e w t e c h n o l o g yo fl g c ti sd i s c u s s e d a c c o r d i n gt ot h ep r o j e c tr e q u e s t ，t h ep a r a m e t e ro f o t h e ri m p o r t a n tc o m p o n e n t sa r ed e s i g n e d 。 a tl a s t ，t h es i m u l a t i o nm o d e lb a s e do nm u l t i p l em a i nc i r c u i to ft r a n s f o r m e ra n d c a s c a d em u l t i l e v e la b o u tt h em a i nc i r c u i to fs t a t c o ma r ec o m p l e t e dw i t hm a t l a b r e s p e c t i v e l y a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l ti sp r e s e n t e dt ov e r i f yt h ec o r r e c t n e s sa n d f e a s i b i l i t yo fr e s e a r c ho nm a i nc i r c u i ti nt h i sp a p e r 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 ) ，m a i nc i r c u i t ，m u l t i p l em a i nc i r c u r o ft r a n s f o r m e r , c a s c a d em u l t i l e v e l ，s e l e c t e dh a r m o n i ce l i m i n a t i o np w m ，h - b r i d g e ，i g c t 江苏大学硕士学位论文 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。 保密，在2 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密f - i 。 学位论文作者签名：奔烙 i 签字日期：小b ；年占月山e l 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名：一歹矿 签字日期知名年 电话： 邮编： 基于i g c t 的s t a t c o m 主电路结构研究 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己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： ， 日期：莎驴6 年 6 月2 口日日期：莎驴扫年6月口日 江苏大学硕士学位论文 第1 章绪论 近年来，随着我国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。然而，电力电子装置等非线性负载的大量使用，电网中的无功和谐波问 题也日益严重，给电网带来额外的负担，并影响供电质量。因此，电力系统的无 功补偿和谐波抑制成为电力电子技术和电力系统等领域面临的一个重大课题，正 在越来越受到人们的关注，成为近年来各方面关注的热点之一。 解决无功和谐波污染的问题不外乎两种途径：一种是安装补偿装置，如无功 功率补偿器、有源滤波器等，设法对无功功率进行补偿和谐波进行抑制；另一种 是对电力电子装置本身进行改造，使其不消耗无功功率同时也不产生谐波，或根 据无功功率进行调节。后一种措施需要对现有的电力电子设备进行大规模的改造 和更新，并只适用于作为主要谐波源的电力电子装备，代价巨大，有很大的局限 性。相比而言，前一种措施则适用于所有低功率因数的设备和各种谐波源，实施 起来方便简单，应用前景十分广阔。 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 ) ，在美 国称之为静止调相机( s t a t i cs y n c h r o n o u sc o n d e n s o r 简称s t a t c o n ) ，在欧洲 称之为先进静止无功功率补偿器( a d v a n c e ds t a t i cv a rc o m p e n s a t o r 简称 a s v c ) ，在我国及日本过去习惯称之为静止无功功率发生器( s t a t i cv a rg e n e r a t o r 简称s v g ) 。1 9 9 5 年国际高压大电压会议与电力、电子工程师学会( g i g r e i e e e ) 建议统称为s t a t c o m ，把其定义为固态同步电源。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，因此近年来成为国内外研究的热点。电力电子技 术和现代控制理论的快速发展，大大推动了s t a t c o m 的研究，其技术也越来越 成熟，部分实现了实用化进程。 1 1 电力系统中的无功功率与其危害性 l 、 电力系统中的无功功率 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； 基于i g c t 的s t a t c o m 主电路结构研究 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正弦化。这些均会导致电力系统出现无功功率。根据无功 功率的定义和物理意义，无功功率没有消耗，而是存在于系统的感性或容性储能 元件中，在这个三者之间或者电源与负载之间来回传递【1 ，2 1 。 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，还有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间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。其中基波无功功率是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，谐波不仅导致无功耗损外， 还会造成电气绝缘威胁、系统谐振、电磁干扰等危害。想要实现真正的系统的单 位功率因数运行，必须实现对两种无功功率的同时补偿。 2 、无功功率的危害 大量的无功功率流入电网，会带来诸多不利影响，主要表现在以下几个方面 1 1 , 2 , 3 ： ( 1 ) 增加设备容量。 无功功率的增大，使总电流增大，导致视在功率增大，从而使设备容量、导 线规格、相应的控制设备、测量仪表和保护装置的规格容量也增加。 ( 2 ) 增加设备和线路损耗。 由于无功功率导致电流增大，设备和线路的损耗增加，电能的利用效率降低。 ( 3 ) 线路压降增大。 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。对于 冲击性无功负载还会引起电网电压剧烈波动，供电质量严重下降。 ( 4 ) 功率因数降低，设备容量利用少。 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 大。 1 2 无功功率补偿装置的发展过程 电网中的无功功率补偿装置的发展，随着电力电子技术和无功功率理论的发 展，基本经历了下面的- 4 发展阶段【1 捌：同步调相机( s c s y n c h r o n o u s 2 江苏大学硕士学位论文 c o n d e n s e r ) 、静止无功补偿器( s v c s t a t i cv a rc o m p e n s a t o r ) 、静止同步补偿器 ( s t a t c o m ) 。 l 、同步调相机( s c ) 传统的无功功率动态补偿装置是同步调相机( s o ) 和采用机械投切的电容 器和电抗器。自二三十年代以来的几十年里中，同步调相机在电力系统中一度发 挥着主要的作用，它运行于过励状态，可以产生平滑的感性和容性无功功率，对 调节负载中心的无功功率平衡和维持负载中心的电压水平具有很好的效果。但是 由于它是旋转电机，损耗和噪音都很大，运行维护复杂，而且响应速度也慢。机 械投切电容器和电抗器在动作过程中会产生很大的电气和机械冲击，并且可能会 与系统发生谐振。随着近年来电网的规模和容量的发展，同时对电网供电的高质 量的要求，对电力系统的动态特性要求越来越高，这就对无功功率补偿装置的响 应速度提出了更高的要求，上述两种装置都已经不能满足电力系统的要求，逐渐 被淘汰。 2 、静止无功发生器( s v c ) 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 锯鼯一菇釜r 开关的实现，将使用晶闸管酌静止羌珊 、偿装置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，所以在近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 c r - - t h y r i s t o r c o n t r o l l e dr e a c t o r ) 和晶闸管投切电容器( t s c 吨y r i s t o rs w i t c h e dc a p a c i t o r ) ， 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 c f i x e dc a p a c i t o r ) 或机械投切电容器( m s c - - 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 ) 混合使用的装置( 如t c r + f c 、t c r + m s c 等) 。但是由于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。 3 、静止同步补偿器( s 玑盯c o m ) 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，出前了一种更为先进的静止无功功 率补偿装置，这就是采用自换相变流电路的静止无功补偿装置( 如s t a t c o m ) 。 基于i g c t 的s t a t c o m 主电路结构研究 它调节速度快，运行范围广；主电路再与多电平、多重化或p w m 技术相结合， 明显的将装置侧的谐波含量大为减少，电能质量的补偿能力得到了很大的提高。 尤其新近出现的链式结构s t a t c o m ，摈弃了常规s t a t c o m 的多重化变压器， 在体积、性能等诸方面显著优越于常规的静止无功补偿装置。上述的种种优越性 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方向。 1 3s t a t c o m 的研究现状与发展趋势 1 3 1s v c 和s t a t c o m 的一些概念 在现在的电力系统中，s v c 通常是指使用晶闸管的静止无功补偿装置包括 t c r 、t s c 、t c r + f c 等多种装置1 1 一。 如图1 1 ( a ) 所示，t c r 的基本结构就是两个反并联晶闸管与一个电抗器相串 ( a ) t c r 的单相电路结构( b ) t s c 的单相电路结构 图l 。ls v c 的两种代表性装置的单相电路结构 联，而三相通常采用三角形联接。这样的电路并联到电网上，相当于电感负载的 交流调压电路结构。通过控制晶闸管的触发延迟角改变补偿器的等效感抗，或者 说是改变装置的等效电纳，从而调节补偿器的等效电抗，达到调节吸收无功功率 的作用。 如图1 1 ( b ) 所示，t s c 的基本结构中两个反并联的晶闸管只是起到将电容器 并入电网或从电网断开的作用，而串连的小电感只是用来抑制电容器投切入电网 时可能造成的冲击电流。t s c 实际上是分级可调的吸收容性无功功率的动态无功 4 江苏大学硕士学位论文 补偿器，其电压一电流特性按照投入电容器组数的不同而不同。电容器分组的方 法比较灵活，其中电容值级数越多，无功的分级调节就越平滑，通常采用所谓的 二迸制分级方案。 如图1 2 所示，静止同步补偿器( s 凡玎c o m ) 的电路基本结构分为两种， 分别为电流型和电压型，常用的为电压型电路。它的基本原理是：将自换相桥式 电路通过电抗器和变压器并联在电网上，适当地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，就可以使该静止无功补偿装置吸收或 发出满足要求的无功电流，实现动态无功补偿的目的。 ( a )电压型s t a t c o m 主电路结构框图 ( b ) 电流型s t a t c o m 主电路结构框图 图1 2s ”口c o m 主电路框图 1 3 2s t a t c o m 与s v c 的比较 s t a t c o m 和s v c 这两种无功功率补偿装置，它们的无功补偿基本原理是 一致的；但是由于它们的主电路结构和工作原理上的不同，因此两种装置的结构 配置、无功补偿控制原理、运行性能等多方面都不一样。应该说s t a t c o m 装置 在很多方面具有s v c 装置无法比拟的优点，具体表现在以下几个方面： 1 、储能元件 理论上讲，s t a t c o m 的桥式变流电路的直流侧可以不设储能元件。实际上， 考虑到变流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。为了维持桥式变流器的正常工作，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。因此，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。 基于i g c t 的s t a t c o m 主电路结构研究 2 、运行范围 典型的s v c 装置t c r + f c 的电压一电流特性如图1 3 所示。作为其特性左 边界的斜线，是晶闸管导通角为o 时，仅有固定电容器并联在母线上时的伏安特 性：对应右边界的斜线段是晶闸管完全导通时，其串连电抗器直接接在母线上， 并与并联电容器并联产生的总等效阻抗的伏安特性，它所对应的无功功率等于电 容器和电抗器无功功率对消后的净无功功率。可以看到，整个补偿装置的容量随 着电压的降低而减少，运行范围是向下收缩的三角形区域。其所能提供的最大无 功功率分别受其并联电抗器和并联电容器的阻抗特性的限制，当要求补偿器的范 围延伸到容性和感性无功功率两个领域的时候，电抗器的容量必须大于电容器的 容量。 i ：； s t a t c o m 的电压一电流特性如图1 4 所示，图中左边界s t a t c o m 装置所 能发出最大容性无功功率时的电流，右边界为所能发出最大感性无功功率时的电 icm戤0i h i 图1 3s v c 的电压一电流特性图1 4 s t a t c o m 的电压一电流特性 流。从图1 4 可以看出，当电网电压下降，补偿器的电压一电流特性向下调整时， s t a t c o m 可以调整其变流器交流侧电压的幅值和相位，以使其能提供的最大无 功电流i l m 联和i c m a x 维持不变，仅受其电力半导体器件的电流容量的限制，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 相比于s v c 的又一个优点。 3 、谐波问题 传统的s v c 装置中，谐波一直以来是一个令人头痛的问题，一般通过是设 置滤波器或者多相整流来抑制谐波，这两种方法不仅增加装置的体积，也增加成 本，同时由于电网电压和负载总是动态变化的，对谐波的抑制也随之变化，效果 6 江苏大学硕士学位论文 不够理想。而在s t a t c o m 装置中，完全可以采用桥式变流电路的多重化技术、 多电平技术或p w m 技术来进行处理，很方便地去除低次谐波，并使高次谐波分 量抑制到可以接受的程度。 4 、连接电抗器 电压源型桥式s t a t c o m 接入电网的连接交流电抗器，其主要作用是抑制 补偿装置和电网之间的冲击电流滤除电流中可能存在的较高次谐波，所需的电感 值也不大，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。如果使用降 压变压器将s v c 连入电网，在利用降压变压器的漏抗，所需的连接电抗器还将 进一步减少。 1 3 3s n 虹c o m 的研究现状 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。但限于当时电力电子器件的发展水平， 只能采用强迫换相的晶闸管来实现自换相桥式电路。 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 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 n 汀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的_ _ _ 7 5 m v a rs t a t c o m 装置，并投 入运行。 在国内，1 9 9 4 年研制大容量s t a t c o m 被列为电力部重点科研攻关项目。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 阳变电站并网成功，使我国成为世界上继日本、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 0 m 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空间与工程应用前景。 7 基于i g c t 的s t a t c o m 主电路结构研究 1 3 4 链式结构s 1 a t c o m 1 、链式结构s t a t c o m 的出现 4 1 传统的大容量s t a t c o m 装置都是采用变压器多重化的主电路结构，通过 升压变压器连接到电网中。学者p e n gfz 在1 9 9 5 年首次提出了一种全新的链式 结构逆变器的概念【5 1 。即逆变器的主电路由多个h 桥串联，输出波形的谐波含量 低，结构上易于模块化，作为s t a t c o m 主电路结构时不需要连接变压器等优点 引起了广泛关注。2 0 0 0 年英国a l s t o m 公司研制了首台基于链式结构的+ 7 5 m v a rs t a t c o m ，在英国的e a s tc l a y t o n 变电站投入运行，从工程实践的角度证 明了链式s t a t c o m 的可行性，同时充分展示了链式结构s t a t c o m 的优点， 初步显示了未来无功功率补偿装置的发展方向。 目前上海电力公司和清华大学合作研制的即是一台基于i g c t 的士5 0m v a r 链式多电平s t a t c o m 7 1 ，拟用于黄渡西郊变电站，以提高系统暂态电压稳定水 平。 2 、链式结构s t a t c o m 的优越性能 链式结构多电平s t a t c o m 与传统的多重化结构的s t a t c o m 比较，其优 点如下： ( 1 ) 链式多电平s t a t c o m 可以采用普通变压器接入系统，避免了多重化变压 器，减小了装置的体积，也大大降低了装置成本； ( 2 ) 链式多电平s t a t c o m 由于是采用相同的h 桥结构，易于模块化，十分便 于扩展装置的容量； ( 3 ) 由于链式结构逆变器的每一相都是由相互独立的h 桥串连而成的，因此， 可以采用冗余的功率模块，从而大大提高装置的可靠性； ( 4 ) 链式多电平s t a t c o m 可以通过增加每相的h 桥，降低开关器件的开关频 率，使得开关器件有低的d v d t ，较低的开关耗损。 ( 5 ) 链式多电平s t a t c o m 通过对h 桥加入谐振电感、电容，采用适当的控制 策略比较容易实现软开关，降低开关损耗，减少散热设备体积。 ( 6 ) 在电力系统受到扰动三相不平衡的情况下，链式多电平逆变器结构的 s t a t c o m 装置可以分相进行控制，从而能更好地提供电压的支撑作用； ( 7 ) 链式结构s t a t c o m 装置避免了，变压器多重化逆变器中存在的变压器激 江苏大学硕士学位论文 磁回路中剩磁饱和问题和非线性导致的装置过电压和过电流问题。 3 、链式结构s t a t c o m 存在的问题 链式结构s t a t c o m 是最新型的静止无功补偿装置，在其本身拥有诸多优 点的同时，也存在着一些缺点6 1 。首先，由于装置的各相由多个h 桥组成，每个 h 桥都需要一个独立的直流电容器，这就存在了直流侧电容电压不稳定的问题， 由于直流电容器数量多，也决定了其电压平衡控制策略的复杂性。其次，开关器 件较多，决定了控制开关器件触发策略的复杂性。再次，在链式结构s t a t c o m 装置，在级联单元较多的情况下，故障检测和诊断也变得比较困难。这些都是此 装置的主要难点。 截至目前，国内外有关链式结构s t a t c o m 的文献较少，从所查阅若干相关 文献可见，目前已有的主要研究包括：主电路结构、优化控制、数学模型、新型 功率器件的应用和直流电容电压平衡等方面，内容很不系统也不完善，还有很多 问题没有解决。 虽然链式结构s t a t c o m 自身有一定的缺点，但是由于其在f a c t s 中具有 显著优势，无论是从理论还是实际意义上，对其的研究都是必要的，且具有重要 意义的，其越来越成为电力系统中研究的热点。 1 4 本文的主要研究内容 一、课题的来源 本课题为江苏省高新技术项目，项目题目为基于i g c t 的静止同步调相技 术与智能控制研究，项目编号：b g 2 0 0 4 0 2 4 。所研制的静止无功发生器容量： 2 0 0 k v a ，电压等级：6 k v 。 二、本文研究的主要内容 本文研究的内容主要包括下面几个方面： ( 1 ) 介绍了s t a t c o m 的国内外研究现状，然后对s v c 和s t a t c o m 装 置进行比较，结果表明s t a t c o m 在动态性能和无功功率补偿整体效果上优势明 显。 ( 2 ) 分析了s t a t c o m 的系统结构，工作原理和控制方法。 ( 3 ) 分析了s t a t c o m 装置的主电路结构，并分别采用多重化叠加和链式 9 基于i g c t 的s t a t c o m 主电路结构研究 结构多电平设计了s t a t c o m 装置的主电路。 ( 4 ) 介绍了新型电力半导体开关器件i g c t 。 ( 5 ) 对s t a t c o m 装置的主电路参数进行了相关的设计。 1 5 本章小结 本章首先阐述了电力系统中的无功功率及其危害，介绍了到目前为止，无功 功率补偿装置发展的三个阶段，即同步调相机、静止无功补偿器、静止同步补偿 器。其次介绍了一些s v c 和s t a t c o m 装置的相关概念，并比较了两者的优缺 点，结果显示无论从动态性能上，还是整体的无功功率补偿的性能上s t a t c o m 装置都具有明显的优势。然后分析了s t a t c o m 装置的国内外研究现状，重点指 出了链式结构多电平电路的出现对s t a t c o m 装置研究的重大影响，分析了其电 路结构的优缺点。最后给出了本文的主要研究内容。 1 0 江苏大学硕士学位论文 第2 章s t a t c o m 的工作原理和控制方式 与传统的以t c r 为代表的s v c 等其他装置相比，s t a t c o m 的工作原理和 控制策略都有较大的不同。s t a t c o m 的调节速度更快，运行范围更广，而且在 采用多重化、多电平或p w m 技术等措施后可大大的减少补偿电流中的谐波含 量，无功调节特性更为理想。更重要的是使用较小的电抗器和电容，使得装置的 体积和成本大大的减小。 2 1s t a t c o m 的基本工作原理 上面已经介绍过，s t a t c o m 主要分为两种，一种是电压型桥式电路，另一 种是电流型桥式电路，直流侧分别采用的是电容和电感这两种储能元件。对电压 型桥式电路，还需要串联连接电抗器才能并入电网；对电流型桥式电路，还需要 在交流侧并联上吸收换相产生的过电压电容器。在实际中，考虑到运行效率的原 因，到目前投入实用的s t a t c o m 主要是电压型桥式电路，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 。 2 1 1 忽略装置损耗的s t a t c o m 工作原理 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器件的通断将直流侧电 压转换成交流侧与电网同频率的输出电压( 实际上是由阶梯波组成的正弦调制 波) ，就象一个电压型逆变器，只不过其交流侧输出接的不是无源负载，而是电 ( a ) 单相等效电路( b ) 电流滞后。( c ) 电流超前 ， 图2 1s t a t c o m 等效电路及相量图( 忽略损耗) 网。当仅考虑基波频率时，s t a t c o m 可以等效为一个幅值和相位均可以控制的 基于i g c t 的s t a t c o m 主电路结构研究 与电网电压同频率的交流电压源。因此，在忽略其损耗时，s t a t c o m 的工作原 理就可以用如图2 1 ( a ) 所示的单相等效电路图来表示。 图2 1 ( a ) 中u s 和u ，分别表示电网电压和s t a t c o m 输出的交流电压， 而己厂表示为电抗器l 上的电压，同时也是己，s 和u ，的相量差，根据基尔霍夫电 压定律可知，u s = u ，+ u l 。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 r ，可以通过叽来控制。因此，通过改变s t a t c o m 交流侧输出e g 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 t a t c o m 吸收无功功率的性质和大 。 小。 在图2 1 ( a ) 的等效电路中，将连接电抗器视为纯电感，不考虑其损耗和变 换器的损耗，因此不必从电网吸收能量。在这种情况下，只需使u ，和u s 同相位， 仅改变u ，的幅值大小即可控制s t a t c o m 从电网侧吸收的电流，的方向和大 小。如图2 1 ( b ) 所示，当u ， u s 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；如图2 1 ( c ) 。 2 1 2 考虑装置损耗的s t a t c o m 工作原理 当考虑到连接电抗器的损耗和交流器自身的损耗( 如线路损耗、开关损耗、 管压降等) ，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 ( a ) 单相等效电路( b ) 电流滞后 u l6 l ( c ) 电流超前 图2 2s t a t c o m 等效电路及相量图( 计及损耗) 际等效电路如图2 2 ( a ) 所示，其电流滞后和超前工作的相量图如图2 2 ( b ) 和 江苏大学硕士学位论文 图2 2 ( c ) 所示。 在这种情况下，因为变流器不需要消耗能量，变流器电压u ，与电流，仍相 差9 0 。而电网电压与电流，的相差则不再是9 0 。，而是比9 0 。小了万角，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u ，与电网电压u s 的相 位差。通过改变这个相位差的大小，并且改变变流器电压【，的幅值，就可以改 变电流，的相位与幅值。这样，就使得s t a t c o m 从电网吸收的无功功率也得到 调节。 在图2 2 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 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。 ( a ) 电流滞后 u 己参， ( b ) 电流超前 图2 3损耗能量由直流侧电源提供时s t a t c o m 的工作相量图 另外，工程实际中还有一种由直流侧提供损耗能量的方案。与以上所述由交 流电网侧提供有功能量的方案不同，直流侧并联直流电压源( 如蓄电池) o 其工 作相量图如图2 3 所示。电流与交流电网电压的相位差是9 0 。，与变流器交流侧 电压的相位差为9 0 。+ 万。 2 1 - 3 从能量流动角度分析s t a t c o m 的工作原理 通过以上分析可知，电压型s t a t c o m ，实际上是一个可以实现能量双向流 动的三相变流器，它可以实现四象限工作，既可以工作在整流状态，也可以工作 基于i g c t 的s t a t c o m 主电路结构研究 在逆变状态。在s t a t c o m 的实际工程应用当中，直流侧一般采用带有充电装置 的电容器或者直流蓄电池组( 即直流电源) 。因此，当作为s t a t c o m 运行时， 它相当于一个电压型逆变器，负载是三相交流电网。图2 4 为s t a t c o m i 作于感 性与容性状态时的四象限工作向量图。 ( a ) 吸收感性无功功率 ( b ) 吸收容性无功功率 图2 4s t a t c o m 能量流动相量图 当以电网电动势u 。为参考向量时，电压型变流器的的工作点在以0 为圆心， 以【厂，为半径的圆周上运动。其中坐标横轴以下的半个圆周为整流工作状态，坐 标横轴以上的半个圆周为有源逆变工作状态。由此可见，通过控制电抗器上电 压：的大小，可以改变圆的半径，通过控制u 。的相角，可以使工作点在圆周 上滑动。从而可以使电压型变流器实现四象限运行。作为吸收感性无功功率的 s t a t c o m 运行时，工作于图2 4 ( a ) 中的a 点，此时电流，滞后于电压u ，9 0 。， 感性无功功率从电网流入s t a t c o m ，而理论上两侧没有有功功率的流动；作为 吸收容性无功功率的s t a t c o m 运行时，工作于图2 4 ( b ) 中的b 点，此时电流 ，超前于电压【厂，9 0 0 ，容性无功功率从电网流入s t a t c o m ，理论上两侧也没有 有功功率的流动。通过控制u ，的幅值与相位，就可以改变s t a t c o m 的工作点， 从而实现无功功率的平滑调节，这就是s t a t c o m 的工作原理【3 1 。 2 2s t a t c o m 的控制方式 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 装置是基本一致的。他们区别在于，在s v c 中，由外闭环调节器输出的 1 4 江苏大学硕士学位论文 控制信号用作s v c 等效电纳的参考值b 一，而在s t a t c o m 中，外闭环调节器输 出的控制信号则被视为补偿器应产生的无功电流( 或无功功率) 的参考值。在这 个环节上，s t a t c o m 装置形成了多种多样的具体控制方法。 这些控制方法根据对无功电流的控制，可大致分为间接控制和直接控制两大 类”】。因为在系统电压值基本位置恒定的情况下，对无功电流的控制也就是对 无功功率的控制，因此以下均以无功电流的控制来说明。实际上，s t a t c o m 的 电流控制任务中还应该包括对有功电流的控制，以补偿电路中的有功损耗。 、； 2 2 1 电流间接控制 所谓的电流间接控制，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。以吸收滞后的电流为例，如图2 2 ，图中电网电压u s 、连接电抗器电压【厂l 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： 旦：坠：坠 ( 2 1 ) s i n 8 s i n ( 9 0 。+ 缈)s i n ( 9 0 。一万一妒) 式中 万为u ，与u s 的相位差，以u ，超前u s 时为正； 盯为连接电抗器的阻抗角。 所以可以得到： u ：u ss i n 8 c o s 缈 ( 2 2 ) 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= 格s i n c 9 0 。- d ) = 铷2 万 协3 ， 仁若杀c 90。8)usos(90-8 ( 1 - c o s 2 8 r 2 r ) ( 2 - 4 ) ，p = 7 告c ) = ：( 1) ( 2 - 4 ) 0 x2 +2 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 - 2 ) 基于i g c t 的s t a t c o m 主电路结构研究 和公式( 2 4 ) ，只不过此时其中的6 和，q 都为 负值。稳态下将乇、尸与万角的关系曲线如图 2 5 所示。可见在万角绝对值相对比较小的范围 内，万与，q 近似为线性的正比关系。因此可以 _ 再 。 j 一 l q 0艿 通过控制u ，相对于u s 的超前角占来控制 图2 5 1 口、l p 与6 角的关系 s t a t c o m 装置吸收的无功电流。 同时，还可以得出： u ，：u sc o s ( 8 + 9 )( 2 5 ) 。 c o s l 9 0 可以看出，稳态下万角与变流器交流侧基波电压u ，的大小也是一一对应的，其 关系图如图2 5 中所示。 以交流侧输出为方波的变流器为例，因此在改变6 角时，不用改变方波的脉 宽秒，u ，就会自动跟着变化。实际上，【，随着万的变化而自动变化是通过变流 器直流侧电压的变化实现的。在改变万角的暂态调节过程中，交流器将吸收一定 的有功电流，因而直流侧电容被充电或者放电，引起直流电压的变化，从而 使得交流侧输出方波的幅值变化，也就改变了其基波的有效值。暂态调节过程结 束后，系统进入新的稳态，直流电压稳定在某个新值，这个值和对应的u ，一定 满足公式( 2 5 ) 。 这种控制方式存在着一定的缺点。表现在实际工程应用当中为：艿角的变化 范围很小，在工频情况下无功功率对万角的变化灵敏度非常的高，因此对装置及 其控制系统软、硬件的精度要求都非常的高；响应速度比较慢，控制精度也不够 高。 提高s t a t c o m 响应速度的一个办法就是，根据万角和u ，存在的一一对应的 关系，在控制万角的同时，配合进行方波脉冲宽度角p ( 也就是u ，) 的控制，。 这样就直接通过改变变流器交流侧输出方波脉冲的宽度来使【，调节到当前万角 对应所需的稳态值，而不必通过直流侧电容充放电改变直流电压这样的较慢过程 1 6 江苏大学硕士学位论文 来自动调节u ，的值进入下一个稳态。这样，由于没有了直流电容充放电的动态 调节过程，s t a t c o m 的响应速度便会提高，而且直流电压也可以维持不变，这 对装置也非常有利。不过，这种控制方法要求占角和口角的控制信号必须密切配 合，同时要维持直流侧电压稳定，往往还需要引入直流电压的反馈控制。 以上都是在变流器交流侧输出电压为方波作为例子对电流间接控制方法的 介绍。为了减小谐波，s t a t c o m 装置可以采用多重化、多电平或者p w m 技术， 但是其对万角和口角的控制原理都是一样的。只不过是在多重化技术中，对每个 变流器输出的的方波脉冲宽度秒进行控制，在p w m 技术中对每一个周波中的 p w m 脉冲进行成比例的脉冲宽度控制。 电流的间接控制方法多应用于较大容量s t a t c o m 的场合( 如输电补偿) 。因 为容量较大时，受电力半导体开关器件开关频率的限制，一般无法像直接控制法 那样对电流波形进行跟踪控制。此外，同样的原因，在大容量的场合，s t a t c o m 也只能通过多重化、多电平，同时集合p w m 技术来降低装置自身的谐波。 2 2 2 电流直接控制 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