（电力电子与电力传动专业论文）直接电流控制的dstatcom控制策略的研究.pdf

山东大学硕士学位论文 a bs t r a c t t h ed e v e l o p m e n to fm o d e mi n d u s t r y , o nt h eo n eh a n db e c o m ei n c r e a s i n g l y d e m a n d i n gf o rt h eh i g hq u a l i t yo fp o w e rs y s t e m ，s u c ha st h em a k i n go fd e l i c a t e s e m i c o n d u c t o r s ，o nt h eo t h e rh a n dc o n t a m i n a t et h ep o w e rs y s t e mm o r ea n dm o r e s e r i o u s l ya n de v e nm a k et h ep o w e rs y s t e mu n s t a b l e ，s u c ha st h ee l e c t r i f i e dr a i l w a y s w h i c hb r i n ga b o u tag r e a td e a lo fn e g a t i v e s e q u e n c ec u r r e n t t h et r a d i t i o n a l c o m p e n s a t i o nd e v i c e sw i t ht h ec h a r a c t e r i s t i co fl o n gr e s p o n s et i m e 1 0 wp r e c i s i o n a n dl a r g es i z e ，c a n tm e e tt h ed e m a n do fm o d e mp o w e rs y s t e m an e wt y p eo f r e a c t i v e - l o a dc o m p e n s a t i o ne q u i p m e n ti su r g e n t l yi nn e e d s t a t c o m ( 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 ) i san e wt y p eo fs t a t i cr e a c t i v e p o w e rc o m p e n s a t i o nd e v i c ed e v e l o p e dr e c e n ty e a r s w i t ht h eg o o dc h a r a c t e r i s t i co f s h o r tr e s p o n s et i m e ，h i g hp r e c i s i o na n ds m a l ls i z e w h e ns 1 ：a t c o mi su s e di nt h e d i s t r i b u t i o nn e t w o r k i ti sc a l l e dd s t a t c o m ( 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 s c o m p e n s a t o r ) ，w h i c hc a nc o m p e n s a t eq u i c k l yt h er e a c t i v ep o w e ra n dp a r to f h a r m o n i cc u r r e n tg e n e r a t e db yd i f f e r e n tk i n d so fl o a d t h i s p a p e rc o m p a r e st h et w om e a n so fc o n t r o l l i n gt h ec u r r e n t t l l r o u g h c o m p a r i s o n ，t h i sp a p e rt h i n k st h a tt h ed i r e c tc u r r e n tc o n t r o ls t r a t e g yi sm o r es u i t b l e f o rd s t a t c o m t h i sp a p e rb u i l d st h em o d e lo fd s l j a t c o m u s i n gs w i t c hf u n c t i o n m e t h o d t h i sp a p e ra d o p t st h ep a r kt r a n s f o r m a t i o nt og e tt h ea v e r a g i n gm o d e l e q u i v a l e n tc i r c u i tu n d e rt h es y n c h r o n i z e dr o t a t i o nr e f e r e n c ef r a m ea n de m p l o y sd q d e c o u p l i n gc o n t r 0 1 i ta n a l y s et h em o d e lo fd s l j a t c o mu s i n ga cs m a l ls i g n a l a n a l y s i sm e t h o dt og e ta cs m a l ls i g n a le q u i v a l e n tc i r c u i t b a s e do nt h ec i r c u i t t h i s p a p e rb u i l d st h ev o l t a g e - a n dc u r r e n td o u b l e - l o o pc o n t r o ls y s t e m t h ee n g i n e e r i n g d e s i g nm e t h o di sa d o p t e dt od e s i g nt h ea d j u s t o r , w h i c hm a k e st h ed e s i g nm o r ec l e a r t h eu n b a l a n c ec o m p e n s a t i o nc o n t r o li sv e r yi m p o r t a n ti nt h i sp a p e r t h i sp a p e r c o m p a r e st h eu n b a l a n c ec o m p e n s a t i o nc o n t r o lb e t w e e nt h ei n d i r e c tc u r r e n tc o n t r o l m e t h o da n dt h ed i r e c tc u r r e n tc o n t r o lm e t h o d ，r e v e a lt h a ti nt h ed i r e c tc u r r e n tc o n t r o l m e t h o dt h el o a d u n b a l a n c ec a nb e c o m p e n s a t e db yd s t a t c o m w h i l et h e v o l t a g e - u n b a l a n c eb r i n g sa b o u tn od a m a g et o t h ed e v i c e ，o n l ym a k e st h ep o w e r f a c t o rl e s st h a n1 s e v e r ev o l t a g e u n b a l a n c es h o u l db et r e a t e da saf a u l t w h i c hc a nb e c o m p e n s a t e db ys e r i e sf a c t sd e v i c e s t h i sp a p e rs i m u l a t e st h es t a r tc o u r s eo ft h ed s t a t c o m c o m p e n s a t i o no f d i f f e r e n tk i n d so fl o a da n dc o m p e n s a t i o no fu n b a l a n c el o a d t h es i m u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h a tt h ed i r e c tc u r r e n tc o n t r o lm e t h o dp r o p o s e di nt h i sp a p e ri sr i g h ta n d e f f e c t i v e k e yw o r d s ：d s t a t c o m ；d i r e c tc u r r e n tc o n t r o l ；u n b a l a n c ec o n t r o l ；d qd e c o u p l i n g c o n t r o l ；s w i t c hf u n c t i o nm o d e l l i n g ；a cs m a l ls i g n a l i l l 山东大学硕士学位论文 符号说明 并网处的电压向量 u c d s t a t c o m 交流侧电压向量 连接电抗的电压向量 有功电流 乇 无功电流 万 虬与之间的夹角 9连接电抗器的阻抗角 p 输出电压方波宽度角 屹直轴电压 屹 交轴电压 吻直轴电流 z g 交轴电流 初相角 s a b 线开关 d i i 线性占空比 s 开关函数 c直流侧电容 三装置交流侧电感 直流侧电压瞬时值 r 装置等效损耗电阻 g d d 内环有功传递函数 g 。无功传递函数 k 电容电流 线电压 线电流 t a b 。，由o p a r k 变换矩阵 o ，咖p a r k 反变换矩阵 直轴占空比 交轴占空比 有功电流调节器 无功电流调节器 电容电压调节器 装置有功损耗百分比 稳态直轴占空比 稳态交轴占空比 电网电动势峰值 装置交流侧电流峰值 并联点处正序电压 并联点处负序电压 内环i i 型外环i 型 装置交流侧电压 并联点处电压 v 九九蚴叫p见q厶?嵋删屹 原创性声明 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 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：彳客厶厶- 壶一 日 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东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、缩印或其他复制手 段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：筘船师签名：荔望墅砼i 广日期：j 牡 山东大学硕士学位论文 1 1 本课题的研究背景 第1 章绪论 在电力系统发展的早期，用电设备主要是电感、电容类的装置，其对电力 系统的影响主要是在系统中加入了大量的无功功率，进而导致电压低于额定电 压( 感性负载) ，或高于额定电压( 容性负载) 。传统的主要补偿措施是在电力 系统中加装并联电容器，无功调相机，无源滤波器等。但随着现代电力系统中 变频调速器、电弧炉、电气化铁路以及各种电力电子设备的大量使用，电网电 压发生波动、闪变和三相不平衡等电能质量问题越来越严重，对供电电能质量 造成了严重的干扰和污染【l 】【2 1 。同时现代科学技术的发展，越来越多的精密用电 设备，如精密的半导体制造业等，对电能质量的要求越来越高，不仅要求供电 连续可靠，还希望供电电压、频率稳定，正弦波形良好【3 】。 传统的电能质量改善技术主要的手段 4 1 有改变变压器分接头、同步调相机、 加装并联电容器或静止无功补偿器( s v c ) 、加装并联l c 无源滤波器、平衡分布 三相负载等。这些措施己大量投入使用，在一些场合下有很好的效果。但是， 它们己不能完全满足目前工农业用户及民用用户对电能质量的要求【5 】【5 1 。 改变变压器分接头和投入并联电容器只能有级的调节电压和无功功率，并 不能随着接入点的电压和负载的大小而实时准确的跟踪补偿。同步调相机虽然 能够跟踪功率因数角的变化进而实时的补偿无功功率，但由于同步调相机本质 上是一个不输出有功功率的发电机，其运行维护复杂，动态响应速度慢，且环 境噪声和占地面积己越来越难以满足现代电力系统的要求。加装l c 无源滤波 器( p a s s i v ep o w e rf i l t e r , p p f ) 可以用来抑制谐波，由于其结构简单、投资小，故 一直被广泛使用。但这种方法最大的缺点就是其性能要受到电网阻抗和运行参 数的影响，易和系统发生并联谐振，导致谐波电压放大，使l c 滤波器过载甚 至烧毁。当补偿低次谐波时，l c 滤波器的体积变大，占用大量的面积，加大了 总投资。抑制三相不平衡的方法主要是将不对称负载分散接到不同的供电点或 在各相加入并联电容器或电感器等方法。很明显这类方法无法动态的补偿三相 不平衡，对于像电气化铁路这类瞬时冲击性的大容量的单相负载是无能为力的。 山东大学硕士学位论文 因此，传统的补偿方法不能很好地解决当i j i 的电能质量问题，这就要求我们寻 求一些新方法、新途径。 作为新型无功补偿装置之一，静止同步无功发生器( 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 ) 是一种非常有效的新型电能质量装置，它不仅能够补 偿电力系统无功，而且能够抑制电力系统电压的闪变，电压降落，抑制不对称 负载产生的负序电流对电网的影响，同时能够动态滤除电力系统中的无规律的 谐波【6 j 。与传统的无功补偿装置同步调相机，晶闸管投切并联电容器，s v c 等 相比，s t a t c o m 具有补偿速度快，精度高，不与电网发生谐振，补偿容量不 受电网电压的影响，装置占地面积小等一系列优点【7 1 。s t a t c o m 应用在配电网 中称为d s t a t c o m ( 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 ) 。 作为新型的配电网动态无功补偿装置，d s t a t c o m 比较突出的特点【8 】有： 1 d s 己玎c o m 对电容器的容量要求不高，理论上d s 仉钮c o m 不需要储 能电容器来达到与系统交换无功的目的。实际上d s t a t c o m 使用直流 电容来维持稳定的直流电压。这样可以省去常规补偿装置中的大电感 和大电容及庞大的切换机构，使d s t a t c o m 的体积减少、损耗降低。 2 d s t a t c o m 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d s t a t c o m 产生无功功率基本不受系统电压 影响。 3 d s t a t c o m 具有相当快的响应速度，因此能快速地补偿系统无功的变 化，从而抑制电压闪变，提高供电电压质量。 4 d s t a t c o m 一般采用s p w m 电压型逆变电路，可以达到较理想的正 弦电压和正弦电流波形；由于其输出电压谐波含量很小，所以 d s t a t c o m 输出端一般不需要采用滤波器。 5 d s t a t c o m 的直流侧安装储能元件后，它不仅可以调节系统的无功功 率，还可以调节系统的有功功率。 6 d s t a t c o m 中直流侧的储能元件容量较小，在配网中普遍使用也不会 产生谐振，而s v c 或固定电容补偿有引起低频振荡的可能，因为大的 电容容量有产生低频谐振的趋势。 2 山东大学硕士学位论文 1 2 无功电流和谐波的来源、危害及补偿的意义 在工业和生活用电负载中，阻感负载占有很大的比例。异步电动机、变压 器、荧光灯等都是典型的阻感负载。异步电动机和变压器所消耗的无功功率在 电力系统所提供的无功功率中占有很高的比例。电力系统中的电抗器和架空线 等也消耗一些无功功率。 电力电子装置等非线性装置也要消耗无功功率，特别是各种相控装置。如 相空整流器、相控交流功率调整电路和周波变流器，在工作时基波电流滞后于 电网电压，要消耗大量的无功功率。同时，这些装置也会产生大量的谐波电流。 在电力系统中，只提供基波功率，因此，谐波电流也必须消耗无功功率。 工业用电弧炉在工作时电极处于短路状态，不但消耗大量的无功功率，且 因电弧不稳定，其所消耗的无功功率波动也很大，同时也产生大量的谐波电流。 公用电网中的谐波源主要是各种电力电子装置、变压器、发电机、电弧炉 和荧光灯等。在电力电子装置大量应用之前，最主要的谐波源是电力变压器的 励磁电流，其次是发电机。在电力电子装置大量应用之后，它成为最主要的谐 波源。 无功功率对公用电网的影响主要有9 】： 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、变压器及其他电气设备容量和导线容量增加。 2 设备及线路损耗增加。无功功率的增加，使总电流增加，因而使设备 及线路的损耗增加。 3 使线路及变压器的电压降增大，如果是冲击性无功功率负载，还会使 电压产生剧烈波动。 随着各种电力电子装置的迅速普及，使得谐波对公用电网的污染日趋严重， 谐波对公用电网和其他系统的危害大致有以下几个方面【9 】= 1 谐波使公用电网中的元件产生了附加的谐波损耗，降低了发电、输电 及用电设备的效率，大量的三次谐波流过中线时会使线路过热甚至发 生火灾。 2 谐波影响各种电气设备的正常工作。如产生机械振动、局部严重过热、 绝缘老化等。 山东大学硕士学位论文 3 谐波会引起公用电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放 大，甚至引起严重事故。 4 谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，并会使电气测量仪表不准 确。 5 谐波会对临近的通信系统产生干扰。 无功补偿的作用有如下几点： 1 提高供用电系统和负载的功率因数，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。在长距离的输电线中合适 的地点设置动态无功补偿装置还可以改善输电系统的稳定性，提高输 电能力。 3 在三相负载不平衡的场合，通过适当的无功补偿可以平衡三相的有功 及无功负载。 1 3d s t a t c o m 的研究现状 目前，从装置研究现状来看【4 】，大多数装置是在高电压等级，即s t a t c o m 装置研制的较多，专门应用在配电网中的d s t a t c o m 的应用较少，但考虑到 两者的原理基本一样，只是应用的电压等级不一样，因此本文后面对其并不加 以严格区别。在国外，1 9 8 0 年日本三菱公司和关西电力研制了第一台2 0 m v a r 采用强迫换相晶闸管桥式电路的s t a t c o m ，并成功地投入了电网运行。随着 电力半导体器件的发展，大功率门极可关断晶闸管( g t o ) 、绝缘栅极双极性晶 体管( i g b t ) 以及集成门极换流晶闸管( i g c t ) 等全控型器件开始应用于 s t a t c o m 中。1 9 8 7 年由美国国家电力研究院( e p r i ) 和西屋公司共同研制成 1 m v a r 的s t a t c o m 装置成功投入现场运行，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无功补偿器。之后，日本关西电力公司与三菱电机公司 又采用g t o 研制了一套8 0 m v a r 的s t a t c o m 装置，于1 9 9 1 年在犬山变电站 投运。1 9 9 3 年3 月东京电力分别与东芝公司和日立公司开发的2 台5 0 m v a r 的 s t a t c o m 装置在东京所属新信农变电所投运使用。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 ，缩写为t v a ) 、西屋电气公司合作，在t v a 电力系 统的s u l h v a n 5 0 0 k v 变电站建造了- 4 - 1 0 0 m v a r 的s t a t c o m 装置，于1 9 9 6 年1 0 4 山东大学硕士学位论文 月投运。1 9 9 7 年德国西门子公司将开发研制的8 m v a rs 仉盯c o m 装置安装在丹 麦的r e j s b yh e d e 风厂投入运行。 在国内，这一领域的研究刚刚起步，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。2 0 0 0 年清华大学和河南省电力局联合研制的以g t o 为开关器件，通 过变压器连接到配电系统的多重化结构的2 0 m v a r s 仉盯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。 另外，国家电力公司南京自动化研究院在2 0 0 1 年也研制了5 0 0 k v a r 的 s t a t c o m 装置。这些标志着我国进入了柔性交流输电技术和用户电力技术发 展的一个新阶段。 1 3 1 主电路结构 按照直流侧采用电感或电容元件的不同，s t a t c o m 可以分为两种电路结 构，分别是电流型( 电感) 和电压型( 电容) 。目前，投入运行的s t a t c o m 大 都采用电压型桥式电路。按照电路拓扑结构的不同，其基本构成单元变流器模 块通常有三单相桥二电平，三相桥二电平和三相桥三电平三种形式【4 】。单相桥 变流器模块的优点在于方便地分相控制，适合不对称故障时的控制。若 s t a t c o m 的设置是为了解决三相平衡条件下的电压稳定问题，则采用较为经 济的三相系统，相应的变流器结构采用三相桥变流器。三电平电压型三相桥变 流器输出电压谐波含量小，控制方法较复杂。 1 3 2 控制策略 s t a t c o m 因其良好的动、静态性能成为理想的无功补偿设备。大容量 s t a t c o m 受功率器件的限制只能工作在较低的开关频率模式下，通常采用控 制逆变器输出电压与电网电压相角差等间接电流控制方法【l o 】【1 1 1 。为了提高间接 电流法的响应速度，文献【1 3 】和分别提出了两种万角和p 角配合控制的控制方 法，当给出控制指令万时，直接控制臼角的大小，从而使“迅速变化到新值而 无需电容电压的调整，因此大大提高了响应速度。 在间接电流控制法中，为了减小谐波，可以采用多个变流器多重化联结、多 山东大学硕士学位论文 电平技术或者采用p w m 控制技术，然而对万角和秒角的控制原理是一样的。 只不过方波变流器中对方波脉冲宽度角的控制，在多重化变流器中变成了对 每个变流器输出方波脉冲都要进行同样的控制，而在p w m 变流器中变成了对 一个周期中的每个p w m 脉冲进行成比例的脉冲宽度控制【7 】。 直接电流控制比间接电流控制具有更高的响应速度和控制精度，因而得到 了越来越深入的研究和广泛的应用【1 5 】【16 1 。由于电流的直接控制法采用跟踪型 p w m 控制技术，因此变流器的相关电流跟踪控制方法都可以应用到直接控制 法中，在电流跟踪方法上，考虑到静止无功补偿器的应用电压等级，相关文献 在降低开关频率上面进行了研究，如文献【1 7 】提出一种适用于s t a t c o m 的直接 电流双滞环控制方法。稳态时，该方法通过准确计算参考电压矢量空间位置， 控制误差电流矢量轨迹在内滞环空间运动，并选择优化开关状态输出，显著减 小输出脉冲的开关频率；暂态过程中，通过选择外环丌关状态有效的控制输出 电流快速跟踪指令电流的变化，保证其良好的动态响应性能。 此外，文献【1 8 j 阐述了直接电流控制的一般方法，结合其应用电压等级，提 出了可以使装置只补偿基波无功电流从而降低其开关频率的现实可行的方案， 而谐波通过多重化、多电平等方式加以消除。 文献【l9 1 根据无功指令电流形成的不同方法，提出了补偿无功电流的电流控 制模式和控制并联点处的电压控制模式两种运行模式。前者的无功电流指令从 负载电流检测出，后者从并联点处的电压与参考电压的误差得到，实际上后者 是不能补偿无功的。 考虑到在电流跟踪控制方面，电压型有源滤波器与d s t a t c o m 有共同点， 因此后者的直接电流控制也可参考前者的方法。文献【2 0 】提出了一种基于自抗扰 控制器的有源电力滤波器的直接电流控制方法。将负载电流和电源电压等因素 作为系统的未知干扰，用扩张状态观测器对未知扰动进行观测，然后利用非线 性反馈控制律进行补偿。无需检测谐波电流及无功电流，省去了复杂计算，简 化了控制器的设计。但控制规律复杂，系统设计要求较高。 但直接电流控制方法一般要求开关频率较高【2 1 1 ，因而在低压配电领域有着 巨大的应用潜力。 6 山东大学硕士学位论文 1 3 3 不对称检测及不对称控制 目前对s t a t c o m 的不对称控制的研究大多集中在间接电流控制方面。这 与之前对大容量的s t a t c o m 的研究较多是有关的。间接电流的不对称控制是 一个难点，主要是由其控制采用正序开关函数调制法，三相的开关策略一致， 无法做到对每相根据其不平衡进行控制。传统的s t a t c o m 装置大都控制为电 压源，并且不输出负序电压。当系统电压不平衡时，就会导致s t a t c o m 过流 而无法正常工作【2 2 1 。目前相关的文献在间接电流不平衡控制方面的研究集中在 两个方面：只能补偿平衡负载但能够在不平衡电压下工作，如文献【2 3 】【2 4 】【2 5 】；在 补偿无功的基础上进一步扩展s t a t c o m 的功能，如文献【2 6 1 1 2 7 】【2 8 】，文献例采 用的不对称控制方法是在传统的将s t a t c o m 作为受控电压源的基础上，在三 相电压对称时补偿无功，三相电压严重不对称时补偿不平衡电压，使负载的三 相电压达到平衡，但不能同时补偿无功电流。 直接电流的不对称控制的研究相对较少，其控制的关键是如何在三相电压 不对称时检测出负序电流，因此在控制回路中必须采用滤波器，将负序电流参 考信号滤出，以使变流器能够补偿跟踪负序电流。因此滤波器的性能必然影响 到装置在三相不平衡负载下的补偿性能。文献【2 9 】分析了高通和低通滤波器在性 能上的差异，以及截止频率和阶数对滤波动静态的影响，认为在谐波检测时， 低通b u t t e r w o r t h 滤波器是较适合的，截止频率可选在1 0 3 0 h z 之间。 1 4 本课题的主要工作 本文主要研究应用于配电网的静止同步无功补偿器( d s t a t c o m ) 的控制 策略，主要内容有： l 本文介绍了d s t a t c o m 的基本原理，并在此基础上阐述了间接电流法 和直接电流法的基本控制方法，本文采用直接电流控制方法。在电路的拓扑结 构方面，由于三相电压型拓扑结构在经济方面的优势，本文采用三相二电平电 压型变流器。直接电流控制方法的研究很少，采用三相二电平电压型拓扑结构 在补偿不平衡负荷方面的相关资料更少，不平衡控制是采用该拓扑结构的难点， 本文分析了不平衡控制的本质，提出了新的不平衡控制策略，控制方法简单， 7 山东大学硕士学位论文 效果良好。 2 本文分别采用线向量开关函数建模法和相向量开关函数建模法建立了其 数学模型。采用旋转坐标变换对数学模型进行处理，然后进行d q 解耦控制，解 除了有功电流通道和无功电流通道之间的耦合，得到了旋转坐标系下的状态空 间平均模型。模型中直流电容电压的控制仍然与无功电流存在着耦合，但很少 有文献对其进行分析，本文从理论上分析了其耦合的强弱及影响耦合程度的条 件，指出减少装置的有功损耗是采用d q 解耦控制的d s t a t c o m 去除直流侧电 容控制与无功电流相互耦合的必要条件。 3 本文采用交流小信号法对状态空间平均进行处理，对相关扰动量按照内 外环响应速度的差别进行取舍，得到了交流小信号电路模型。在此基础上，本 文得到了内外环的传递函数，众多文献虽然也建立了d s t a t c o m 的数学模型， 然而在内外环的传递函数上却采用经验公式，使模型丧失了意义。在此基础上， 本文采用调节器工程设计方法，调节器设计思路清晰，避免了盲目的试凑。p w m 脉冲的产生采用三角波s p w m 控制方式，开关频率固定，数字实现容易。 4 本文对直接电流控制的d s t a c o m 进行了仿真，以电流跟踪精度和动态 稳定性为比较对象，对内外环的调节器的结构型式进行了比较，得出内环i i 型 外环i 型的调节器型式是最佳的。对线向量建模法和相向量建模法的系统性能 进行了仿真，得出前者在同样的元件电路参数时谐波含量更小，补偿不平衡负 载时，系统侧的不平衡度更小。为进一步研究系统的性能，对感性负载、容性 负载、负载突变以及不对称负载分别进行了仿真，结果表明，系统性能优越。 8 山东大学硕士学位论文 第2 章d s t a t c o m 的工作原理和无功电流的检测 2 1 工作原理及控制方法 d s t a t c o m 的基本原理就是将自换相桥式电路通过电抗器或者直接并联 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，就可以使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流，实现动态 无功补偿的目的。 图2 - 1d s t a t c o m 原理图 f i g 2 - 1t h es c h e m a t i cd i a g r a mo fd s t a t c o m d s t a t c o m 的控制方法按照如何产生指令电流可以分为两大类，即间接电 流控制方法和直接电流控制方法。 2 1 1 间接电流控制法 间接电流控制法，简单来说，就是将d s t a t c o m 电压型逆变器视作电压 源，通过控制d s t a t c o m 的交流侧电压幅值和相位，从而与并网连接点处的 电压共同产生无功电流，该无功电流正好可以补偿负载所需要的无功电流。交 流侧电压幅值和相位的指令值是通过将检测出的无功电流指令转化而来的，因 此必须建立无功电流和交流侧电压幅值和相位的准确关系。 9 山东大学硕士学位论文 i l 电流超前 电流滞后 图2 2d s t a t c o m 单相等效电路及向量图 f i g 2 - 2s i n g l e p h a s ee q u i v a l e n tc i r c u i ta n dv e c t o rd i a g r a mo fd s t a t c o m 皖表示d s t a t c o m 并网处的电压向量，眈表示d s t a t c o m 交流侧的电 压向量，j 表示流入d s t a t c o m 的电流向量，衫，表示连接电抗的电压向量， 皖= j o j l i ，因此向量图的吮始终超前j9 0 “。由图2 2 看出，不考虑电阻时，喀 始终与吮同相位，因此有： j ：邋( 2 1 ) j a i l 因此通过调节d s t a t c o m 交流侧的电压向量晚的大小，即可改变j 的大 小和相位，即改变了d s t a t c o m 吸收的无功电流的大小和性质。 当考虑d s t a t c o m 消耗的能量时，将消耗的能量用电阻表示，如下图： 0 c u l 电流超前电流沛后 图2 - 3d s t a t c o m 考虑损耗时的等效电路及向量图 f i g 2 - 3d s t a t c o mc o n s i d e r i n gp o w e rl o s s 在图2 - 3 中，以吸收滞后电流为例，分析有功电流，p 、无功电流，口、交流侧 输出电压与万的关系，且规定吸收滞后电流为正，吸收容性电流为负。由图 中电网电压吮、变流器交流侧基波电压皖和连接电抗压降皖构成的三角关系， 同时注意到j 与晚垂直，可得如下等式7 】： 旦：坠： 丝： ( 2 2 ) s i n d s i n ( 9 0 。+ 伊)s i n ( 9 0 。一伊一d ) i v = ，s i n 8 ( 2 3 ) ，q = ，c o s ( 2 4 ) l n 山东大学硕士学位论文 式中艿一以与坑的相位差，以皖超前坑时为正： 缈一连接电抗器的阻抗角。 ( 2 4 ) ( 2 - 6 ) f l j ( 2 2 ) 得： u t ：u ss i n 8 ( 2 - 7 ) c o s 口 将( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 分别代入( 2 3 ) ( 2 4 ) 得： i p = 轰( i c o s 2 8 ) ( 2 5 ) i o = 瓦u s s i i l 2 占( 2 6 ) 当d s t a c o m 从电网吸收超前无功功率时，( 2 8 ) ( 2 9 ) 仍然成立，只不过 此时万和，d 均为负。( 2 8 ) ( 2 9 ) 表明，通过控制超前角8 ，即可控制变流器输 出的有功电流和无功电流的大小和性质。 另外，f l 了( 2 2 ) 还可得： vc=警(2-7)cos口 下图是间接电流控制法电压电流示意图 万 i 一 ：l 一 图2 4 间接电流控制法电压电流示意图 f i g 2 - 4v o l t a g ea n dc u r r e n ts c h e m a t i cd i a g r a mf o rt h ei n d i r e c tc u r r e n tc o n t r o l 由式( 2 1 0 ) 可知，当控制超前角艿时，变流器输出基波电压会改变， 而由图2 4 可知，的大小受由方波的幅值和宽度决定。当只控制万时，改变 只能通过改变其幅值的大小，即电容电压的大小。因此，当给出一个指令 万，到变流器实际产生一个超前角为艿的方波电压，需要经过一个直流电容电 压的调节过程，因此，大大减慢了d s t a t c o m 对无功电流的响应速度。图2 5 当一 孪一 缈 i i 唧 扛 山东大学硕士学位论文 即为简单的间接电流控制法的示意图。 ， 一 竺砸丽蓊h v g 主电爵一 图2 - 5 简单的间接控制法 f i g 2 - 5s i m p l ei n d i r e c tc u r r e n tc o n t r o l 在图2 5 的基础上对无功电流进行反馈控制，如图2 6 所示，大大提高 了对无功电流的控制精度和响应速度【1 2 1 。 图2 6 对无功电流进行闭环控制的间接控制法 f i g 2 - 6i n d i r e c tc u r r e n tc l o s e d l o o pc o n t r o lo fi n a c t i v ec u r r e n t 2 1 2 直接电流控制法 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。跟踪型p w m 控制技术可以采用滞环比较方式，也可以采用三角波 比较方式。 直接电流控制方法中，无功电流指令值就是检测出的负载的无功电流，而有 功电流指令值则由电容电压参考值与其反馈值积分而得，这样电容电压便能保 持为恒定值。 静止无功补偿器的直接电流控制由于要控制两个目标，即直流侧电压和无 功电流，一般采用d q 两个通道分别控制的方法，基于p i 调节器的位置，一般 有两种结构，分别如下： 1 2 图2 7d q 变换法直接电流控制方式一 f i g 2 - 7f i r s tc o n s t r u c t i o no fd i r e c tc u r r e n tc o n t r o lu s i n gd qt r a n s f o r m a t i o n 山东大学硕士学位论文 图2 8d q 变换法直接电流控制方式二 f i g 2 - 8t h es e c o n dc o n s t r u c t i o no fd i r e c tc u r r e n tc o n t r o lu s i n gd qt r a n s f o r m a t i o n 本文侧重点在d s t a t c o m 的建模分析和控制侧略分析上，因此本文采用 常规的三角波比较法。三角波的优点在于开关频率固定，谐波分布有规律，便 于滤波，数字实现容易。 2 2 无功电流的检测方法 d s t a t c o m 控制的目标就是检测负载电流中的无功及谐波以及不对称负 载时的负序电流，然后让d s t a t c o m 输出相应的电流，从而使系统电流为与 系统电压同相位的三相对称正弦波。因此，无功、谐波及负序电流的检测就成 为首先要解决的。 目前，电流的检测主要有以下几种方法： 1 基于f r y z e 功率定义的检测方法： 其原理是将负荷电流分解为与电压波形一致的分量，将其余分量作为广义无功 电流( 包括谐波电流) 。它的缺点是：因为fr y z e 功率定义是建立在平均功率基础 上的，所以要求得瞬时有功电流需要进行一个周期的积分，再加其它运算电路， 要有几个周期延时。因此，用这种方法求得的“瞬时有功电流”实际是几个周期 前的电流值。 2 用模拟带带通滤波器捡测的方法： 用模拟带通滤波器( 或陷波器) 检测有害电流。由于滤波器中心频率固定，当电网 频率波动时，滤波效果会大大下降。此外滤波器的中心频率对元件参数十分敏感， 这样要使滤波器得到理想的幅频特性和相频特性是很困难的，并且这种方法也 不能同时分离出无功电流和谐波电流。 山东大学硕士学位论文 3 基于瞬时无功功率的检测方法 基于瞬时无功功率的检测方法主要有三种方法，分别是p q 法、i p i q 法、d - q 法 2 2 1 瞬时无功功率理论 三相电路瞬时无功功率理论首先由赤木泰文【3 0 】于1 9 8 3 年提出，此后该理论经 过不断研究逐渐完善，而赤木最初提出的理论亦称p q 理论。这个理论以瞬时实 功率p 和瞬时虚功率q 为基础，克服了传统功率定义中的采用的周期定义法，只要 知道任意时刻的电压电流值就可计算出其有功功率和无功功率，没有周期延时， 因此在无功和谐波补偿方面获得了广泛的应用。下面是瞬时无功功率理论的主要 内容： 设三相电路的各相电压和电流分别为e o 、e b 、乞和f 4 、。将它们由三相 a b c 坐标系变换到口- 两相正交坐标系。由下面的变换可得两相瞬时电压和瞬时 电流： 黔：圈 浯8 ， 牡 ； ( 2 - 9 ) 肌祭部压- 1 - 肌1 2 经过推导可得瞬时有功功率和瞬时无功功率的矩阵形式为： ： = 乏- 勺e 。 屯i p = c - w 乏 c 2 一- 。， 式中= 臣羔 理论分析表明，瞬时无功功率理论包容了传统的无功功率理论，而且比传 统无功功率理论有更大的适用范围。以三相瞬时无功功率理论为基础，计算p - q 或i p - i q 为目标可得出三相电路谐波和无功电流检测的两种方法，分别称之为 山东大学硕士学位论文 p - q 运算方式和i p i q 运算方式。 p - q 运算方式【3 0 】检测方法的框图如下： 2 2 2i p - i q 检测法 图2 - 9p - q 运算方式的检测原理图 f i g 2 - 9s c h e m a t i cd i a g r a mo fp - qd e t e c t i o n i p i q 运算方式【3 l 】检测原理框图如下： k b 图2 - 1 0 i p i q 运算方式检测框图 f i g 2 10s c h e m a t i cd i a g r a mo fi p - i qd e t e c t i o n 上图中c ：c 一：l5 1 蚴吖? 蚴l i c o s 彩fs l n c o t 两种方法的比较： 1 相同点： ( 1 )这两种方法都需要低通滤波器，因此存在滤波延时。滤波器的阶数和 截止频率直接影响到检测环节的稳态精度和动态响应速度。 ( 2 )都需要进行五次矩阵变换，计算量较大，因此适合于利用数字芯片控 制。 ( 3 ) 在检测目标上，两者既可以只检测无功电流，也可以同时检测无功电 流和谐波电流。特别指出的是当只检测无功电流时，无需低通滤波器， 山东大学硕士学位论文 因此没有滤波延时。 2 不同点： ( 1 ) p - q 检测方式( 以下简称前者) ，需要采样三相电压值，而i p i q 方式 ( 以下简称后者) 则只需测量a 相电压，减少了检测电量的数目，但 增加了一个锁相环。 ( 2 )在三相电压无畸变时，两者都可准确检测出无功电流和谐波电流。但 当三相电压畸变时，前者的检测结果存在误差，而后者的检测结果无 误差。 2 2 3d - q 检测法 d - q 检测法即p a r k 变换法，p a r k 变换可以将三相静止坐标系转换成以电网 基波频率同步旋转的坐标系。有两种p a r k 变换矩阵，分别是“等量”变换和“等 功率”变换。 “等量”坐标变换，是指电压电流矢量在变换前后相等的坐标变换。“