（电力电子与电力传动专业论文）静止同步补偿器无功电流检测和控制策略的研究.pdf

a b s t r a c t w t ht h ed e v e l o p m e n to fi n d u s t r i a la u t o m a t i o n t h em u c h h i g h e rq u a l i t y o f 吐1 e p o w e ri sr e q u i r e db yc u s t o m e r s t h ep o w e rq u a l i t yi s s e r i o u s l y i n f l u e n c e db yt h ec a p a c i t yo fr e a c t i v ec o m p e n s a t i o n t h e r e f o r et h er e a c t i v e c o m p e n s a t i o ni sp a y e dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o ni nt h ef i e l do fp o w e r e l e c t r o n i c t l l 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 ) ，b e c a u s eo f i t sf a s t e r r e s p o n s e ，w i d e ra d j u s t a b l er a n g ea n db e t t e rw a v eq u a l i t yo fc o m p e n s a t o r c u r r e n t ，h a sb e c o m et h ed e v e l o p m e n tt r e n d s t h es t r u c t u r eo fs t a t c o m ， d e t e c t i n ga l g o r i t h mo fr e a c t i v ec u r r e n ta n dc o n t r o ls t r a t e g yi ss t u d i e di nt h i s t h e s i s a tf i r s t ，t h ed e v e l o p m e n t ，r e s e a r c h i n gt r e n d sa n dw o r k i n gp r i n c i p l ei s i n t r o d u c e d t h ed i f f e r e n ts t r u c t u r e so ft h es t a t c o ma r ec o m p a r e di nt h i s t h e s i s i no r d e rt oo v e r c o m et h e d i s a d v a n t a g e t h a t l a r g en u m b e r so f i n d e p e n d e n tp o w e rs u p p l i e sa r en e e d e di nc a s c a d em u l t i 1 e v e lm a i nc i r c u i t t 】h y b r i dc a s c a d e 。 a d o p t e di nt h i st h e s i s t r i a n gcamehe h y b r i dc a s c a d ei n v e r t e ri sa d o p t e dmt h i st h e s i st h ei a ng l ec a r r i e r 上 p h a s e - s h i f t e d s w i t c h 仔e q u e n c yo p t i m a lp w m ( p s s f o p w m ) m o d u l a t i o n s t r a t e g yi sa d o p t e dt os i m u l a t et h em a i nc i r c u i tf o rv e r i f y i n gi t sf e a s i b i l i t y s e c o n d l y ，t h ed e t e c t i o na l g o r i t h mb a s e do nt h ei n s t a n t a n e o u sr e a c t i v e p o w e rt h e o r y i si n t r o d u c e d t h e t h r e e p h a s e r e a c t i v ec u r r e n td e t e c t i o n a l g o r i t h mw i t h o u tp l l ( p h a s el o c k e dl o o p ) i sa d o p t e dt om a k et h ed q d e t e c t i o na l g o r i t h mb e t t e r i ti sv e r i f i e d b yt h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h a tt h e a c t i v ec u r r e n ta n dr e a c t i v ec u r r e n to ft h r e e p h a s ef u n d a m e n t a lw a v ec a nb e a c c u r a t e l yd e t e c t e db yu s i n gt h ei m p r o v e dd qd e t e c t i o na l g o r i t h m ，w h e nt h e v o l t a g eo fp o w e rg r i di sd i s t o r t e d c o n s i d e r i n g t h en o i s ea n d p a r a m e t e rv a r i e t y o f statcom，thes f u z z y p ic o n t r o ls t r a t e g yi sd e s i g n e d g o o dd y n a m i cp e r f o r m a n c eo ff u z z y c o n t r o la n df a s tr e s p o n s es p e e do fp ic o n t r o li sc o m b i n e di nt h e s t r a t e g y , w h i c hm a k e sc o n t r o ls y s t e mh a v ef a s t r e s p o n s es p e e da n dh i g hc o n t r o l i i i p r e c i s i o n t h e s ea d v a n t a g e sa r ev e r i f i e db yt h es i m u l a t i o nr e s u l t i na d d i t i o n t h es i m u l a t i o nm o d e lo fs t a t c o mi sb u i l d t h er e s u l t sa r e c o m p a i r e db yu s i n gt h ep im o d e la n df u z z y p im o d e l ac o n c l u s i o n i s o b e t a i n e dt h a tt h er e a c t i v ec u r r e n tc a nb ef a s td e t e c t e da n dp r e c i s i l yt r a c e db y u s i n gt h ef u z z y p ic o n t r o ls t r a t e g yw h e nt h ep o w e rg r i dc u r r e n ti sd i s t o r t e d f i n a l l y , t h ei m p r o v e dd qd e t e c t i o na l g o r i t h mi se x a m i n e db yu s i n gt h e t 】s 3 2 0 f 2 4 0 7e x p e r i m e n t a lp l a t f o r m a n dag o o dr e s u l ti so b t a i n e d t h e c o r r e c t n e s so ft h ea n a l y s i sa n dt h ef e a s i b i l i t yo ft h ec o n t r o la l g o r i t h ma r e v a l i d a t e db yt h er e s u l t 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 u l t i l e v e l h y b r i di n v e r t e r ；p l l ( p h a s el o c k e dl o o p ) ；f u z z y p ic o n t r o l i v 声明尸明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 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 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。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。本声明的 法律责任由本人承担。 作者签名：五边日期：型2 圭：丝 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原科技大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件、复印 件与电子版；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存 学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交 流为目的，复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 作者签名： 导师签名： 况况日期：硝堂，谚 日期：埘釜t 弓o 第一章绪论 第一章绪论弟一早三百下匕 随着电力系统中非线性用电设备，尤其是电力电子装置日益广泛的应用，电力系 统中的谐波与无功功率问题也越来越严重，而大多数电力电子装置功率因数较低， 给电网带来了额外的负担，严重影响供电质量。因此，谐波抑制和无功功率补偿已 成为电力电子技术和电力系统等领域所面临的一个重大课题，引起人们越来越多的 关注，成为近年来各方面关注的热点之一。 1 1 本文研究背景及意义 无功功率主要是用于电路内电场与磁场的交换，并用来在电气设备中建立和维 持磁场的电功率。它不对外作功，而是转变为其他形式的能量。无功功率为能量交 换、输送、转换创造必要的条件，但大量的无功功率在系统中经高低压供电系统流入 设备，会引起有功损耗，造成电压降落，影响电能质量n 羽。无功功率对电网的影响主 要有以下几个方面： ( 1 ) 无功功率的增加，会增加电网总电流和视在功率，从而使电力系统中的元件 如发电机、变压器及其它用电设备的容量增大。 ( 2 ) 如果电网的无功容量不足，会降低负荷端的供电电压，对正常的生产和生活 用电造成影响；反之，若无功容量过剩，则会增大电网运行电压，使电压产生剧烈 波动，影响供电质量。 ( 3 ) 降低了电网的功率因数，造成大量电能损耗。 电力系统中的网络组件和负荷都要消耗无功功率，如果这些无功功率都由发电 机提供，并经过长距离传送是不合理的。如果无功功率不能及时得到补偿，电力系 统的安全运行以及用电设备的安全就会受到影响。对无功功率进行补偿的作用有以 下几点： ( 1 ) 稳定受电端及电网的电压，提高供电质量。 ( 2 ) 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。 ( 3 ) 提高发电机的有功输出能力，减少线路损耗，提高电网的有功传输能力儿引。 正因为无功补偿在提高电网安全运行水平和改善电能质量方面的重要作用，无 功功率补偿技术受到国内外专家学者的关注，成为研究的热点。 1 2 无功补偿装置的现状与发展趋势 1 2 1 无功补偿装置的发展 静止同步补偿器无功电流检测和控制策略的研究 电力系统中的无功补偿装置从最早的电容器到同步调相机，再到静止无功补偿 装置( s v c ) ，直到今天引人注目的s t a t c o m 几个不同的阶段，其发展概况如图1 1 所示。 无 功 补 偿 装 置 早期无功 补偿装置 现代无功 补偿装置 电容器补偿 静止调相机 饱和电抗器 s r 静止无功补偿器 s v c 静止同步补偿器 s t a t c o m 晶闸管投切电抗器 t c r 晶闸管投切电抗器 t s c 晶闸管投切电抗器 固定电容+ f c 机械投切电容 m s c 各种装置的混合 t c r 师c ，t c r + m s c 图1 1 无功补偿装置发展框图 f i g1 1b l o c kd i a g r a mo f t h ed e v e l o p m e n to f s t a t i cv a tc o m p e n s a t o r 设置无功补偿电容器和l c 滤波器是补偿无功功率的传统方法之一，是目前应用 最多的无功补偿方法。这种方法具有结构简单，经济方便等优点。但它只能补偿感 性无功，容易引起变压器二次侧电压的升高，增加电能损耗，电容器的寿命受线路 电压影响较大，补偿特性受系统运行状态影响，容易和系统发生并联谐振；此外它 们只能对固定频率的谐波进行补偿，难以对电网动态变化时的无功功率进行有效的 补偿。 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 ) 是专门用来产生无功功率的同步电机。 自二十世纪二三十年代以来，同步调相机在电力系统无功功率控制中发挥着重要作 用。然而，由于它是旋转电机，损耗和噪声都较大，运行和维护比较复杂，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。 所以上世纪7 0 年代以来，同步调相机逐渐被静止无功功率补偿装置( s t a t i cv a r c 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。 饱和电抗器( s a t u r a t e dr e a c t o r s r ) 是早期的静止无功补偿装置。它比同步调相机 的响应速度快，但是由于其铁心需磁化到饱和状态，因此损耗和噪声都很大，动态 2 第一章绪论 补偿速度慢，饱和电抗器目前只在超高压输电线路才有使用晦1 。 静止无功功率补偿器( s t a t i cv a tc o m p e n s a t o r s v c ) 是指输出随电力系统特定的 控制参数而变化的并联连接的静止无功功率发生装置或无功功率吸收装置。同调相 机相比，s v c 是完全静止的设备，但它的补偿过程是动态的。它主要依靠晶闸管等电 力电子器件完成调节或投切功能，可以频繁地调节和投切，其动作速度是毫秒级的， 远比机械设备的动作速度要快口龇引。近2 0 年来在电力系统中得到了广泛的应用。s v c 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 ) 、晶闸管投切电容器 ( t h y r i s t o 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 ) 、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 y s 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 r + m s c 等) 。s v c 具有控 制速度快、维护简单、成本低等优点。但它需要大电感和大电容等元件，并且只有 在感性工况下才连续可调，不能实现瞬时无功功率控制1 盯3 。 随着电力电子技术的迸一步发展，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 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 ) ，又称静止无功发生器( s t a t i c v a rg e n e r a t o r - s v g ) 。s t a t c o m 具有控制灵活、调节速度快，调节范围广、体积小、 损耗低、能对系统电压进行瞬时补偿以及谐波含量小等优点。由于这些优点，使得 s t a t c o m 成为无功补偿装置的发展方向。 1 2 2s t a t c o m 国内外应用现状 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。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。 在国外，自日本三菱公司于1 9 8 0 年研制成功2 0 m v a r 的s t a t c o m 起，s t a t c o m 受到各国电力工业界的重视。1 9 8 6 年1 0 月，由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 r 的s t a t c o m 在美国投入示范运行。1 9 9 1 年5 月，日本三菱公司 与关西电力公司合作开发成功8 0 m v a r 的s t a t c o m 。美国于1 9 8 8 年在加利弗尼亚 州用4 5 0 0 v 2 5 0 0 a 的g t 0 开发了1 0 m v a r 的可四象限运行的电力变流器。1 9 9 6 年， 美国电科院和西屋科技中心合作完成1 0 0 m v a r s n 玎c o m 的研制；1 9 9 7 ，德国西门 子公司开发研制的8 m v a r 的s 己盯c o m 在丹麦投入运行眵引。 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 3 静l 卜同步补偿器无功电流检测和控制策略的研究 的s t a t c o m 实验装置；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 的s t a t 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；2 0 0 0 年上海电力公司和清华大学合作研制一台 5 0 m v a r 链式多电平s t a t c o m ，用于黄渡西郊变电站n 3 。 1 2 3 无功补偿技术的发展趋势 近几十年来，s n 玎c o m 在电力系统中得到广泛的应用，但是仍有很多问题没有 解决，为此各国学者做了大量理论和工程应用研究，s t a t c o m 存在的问题主要集中 在主电路结构的选择、检测方法和控制策略的设计这几方面。 ( 1 ) 主电路结构的选择直接影响到无功补偿装置的损耗、容量以及补偿效果。针 对不同的补偿对象，采用合理的主电路拓扑结构成为影响无功补偿装置发展的重要 因素。 ( 2 ) 在谐波电流与无功电流的实时检测方面，检测速度和检测精度是评价补偿装 置好坏的标准。如何采用检测精度高、检测速度快的检测方法成为国内外学者的研 究重点，也是本文的研究重点。 ( 3 ) 无功补偿装置的控制策略和控制器的设计也是目前研究的重点。在控制器的 响应速度方面有待于进一步提高。将微机控制技术应用到无功补偿装置中还有待进 一步研究。在满足系统实时性的控制要求的同时，必须考虑到电力系统及补偿装置 的非线性，需研究新的控制策略以改善补偿性能。 1 3 论文的主要研究内容 本文研究的内容主要包括下面几个方面： ( 1 ) 介绍了无功补偿的作用及意义，概述了无功补偿装置的应用现状及发展趋 势。 ( 2 ) 分析了s t a t c o m 的工作原理，比较了主电路拓扑结构及其特点。针对链 式多电平主电路所需独立电源个数多的问题，采用了混合级联式多电平主电路。分 析了其叠加原理，对输出电压谐波进行分析，并采用三角载波移相一开关频率最优p w m 调制策略对主电路其进行仿真，验证该方法的可行性。 ( 3 ) 介绍了基于瞬时无功功率理论的p g ，f ，一名，由电流检测方法，针对锁 相环造成的延时对内检测方法进行改进，并通过m a t l a b 对由检测算法和改进由 检测算法进行仿真，验证该方法的可行性。 ( 4 ) 介绍了常用的s t a t c o m 控制方法，概述了模糊控制理论，针对p i 控制 4 第一章绪论 器存在超调量较大、调节时间长等缺点，设计了模糊p i 控制器，通过仿真验证本文 所采用方法在跟踪能力和鲁棒性方面的优越性。 ( 5 ) 利用m a t l a b 软件对s t a t c o m 进行系统级建模仿真，搭建了系统各部分模块， 并对s t a t c o m 系统进行仿真，通过比较p 工控制器和f u z z y - p l 控制器的仿真结果，验证 本文所用控制方法的可行性。 ( 6 ) 在对s t a t c o m 主电路、检测和控制方法分析的基础上，利用t m s 3 2 0 f 2 4 0 7 d s p 实验平台作了静止同步补偿器的部分实验，对基于瞬时无功功率理论的改进砌电流 检测算法进行了实验验证。实验结果理想，进一步验证了检测算法的有效性和理论 分析的正确性。 1 4 本章小结 本章主要阐述了无功补偿的研究背景及意义，分析了无功功率的危害及进行无 功补偿的作用；介绍了无功补偿装置的应用现状及发展趋势。最后给出了本文的主 要研究内容。 5 静止同步补偿器无功电流检7 j ! u 幂r l 控制策略的研究 第二章s t a t c o m 工作机理及主电路选择 s t a t c o m 调节速度快，运行范围广，而且在采取多重化、多电平或p w m 技术等措施 后能够减小补偿电流中的谐波含量；s t a t c o m 使用的电抗器和电容远比其它无功补偿 装置中使用的电抗器和电容要小，减小了装置的体积和成本。本章将详细分析 s t a t c o m 的工作原理及主电路结构的选择。 2 1s t a t c o m 工作原理 s t a t c o m 的工作原理就是将自换相桥式电路通过电抗器并联在电网上，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，使s t a t c o m 吸收或发出满足要求的无功功率( 电流) ，从而达到补偿无功的目的。其补偿过程就 是s t a t c o m 将系统电压整流成直流并保存到一组直流电容内，同时经过逆变器将直 流逆变成所需的交流电压，通过电抗器与电网相连。如果逆变器的输出电压高于电 网接入点的电压，则s t a t c o m 就向系统提供无功功率，如果逆变器输出电压低于电 网电压，则s t a t c o m 吸收电网的无功功率。 2 1 1s t a t c o m 的基本工作原理 s t a t c o m 工作原理就是通过电力半导体开关的通断将直流侧电压转换成与电网 同频率的交流电压，只不过其交流侧输出接的不是负载而是电网。因此，当仅考虑 基波频率时，s t a t c o m 就可以等效地被视为幅值和相位可以控制的一个与电网同频率 的交流电压源n 2 l 。 当忽略电抗器和变流器损耗时，s t a t c o m 的工作原理就可以用图2 1 所示的单相 等效电路图来表示。 ( a ) 单相等效电路( b ) 电流滞后 ( a ) s i n g l e p h a s ee q u i v a l e n tc i r c u i t( b ) l a g i n gc u r r e n t u l ( c ) 电流超前 ( c ) l e a d i n gc u r r e n t 图2 1s t a t c o m 等效电路及工作原理图( 不考虑损耗) f i g2 1e q u i v a l e n tc i r c u i ta n dw o r k i n gp r i n c i p l ed i a g r a m so fs t a t c o m ( i g n o r i n gt h el o s s ) 图2 1 中吼和阢分别表示电网电压和s t a t c o m 输出的交流电压，而吼表示电抗 器l 上的电压，即吼和1 的向量差，根据基尔霍夫电压定律可知，吼= 玩+ 吼。连接 6 第二二章s t a t c o m 工作机理及主电路选择 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 ，可以通过d ，来控制。在图2 1 ( a ) 所示的等效电路中，将连接电抗器视为纯电感，不考虑其损耗和变换器的损耗。 在这种情况下，要使d ，和吱同相位，仅改变d ，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j 的大小和方向。当矽， d 。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 ) 所示。 考虑到连接电抗器的损耗和变流器本身的损耗( 如线路损耗、开关损耗、管压降 等) ，并将总的损耗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 分别滞后、超前工作的向量图如图2 2 所示。 ( a ) 单相等效电路( b ) 电流超前( c ) 电流滞后 ( a ) s i d l e p h a s ee q u i v f l e n tc i r c u i t( b ) l e a d i n gc u r r e n t( c ) l a g i n gc u r r e n t 图2 2s t a t c o m 等效电路及相量图( 计算损耗) f i g2 2e q u i v f l e m c i r c u i ta n dv e a o rd i a g r a m so fs t a t c o m ( c o m i d e f i n gm el o s s ) 在这种情况下，因为变流器不需要消耗能量，s t a t c o m 电压【7 ，与电流j 仍相差 9 0 。而电网电压d 。与电流，的相差则不再是9 0 。，而是比9 0 。小了6 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j 中有一定 的有功分量。这个角6 是变流器电压沙，和电网电压d 。的相位差( 后面简称控制角) ， 通过改变控制角的大小，并且改变变压器电压d ，的幅值，就可以改变电流j 的相位 与幅值，s t a t c o m 从电网吸收的无功功率也就因此得到调节n 3 1 4 1 。 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 一定的有功能量来补偿。因此，变流器交流侧电压d ，与电流j 的相位差并不是严格 的9 0 。，而是比9 0 。略小。 另外，工程实际中还有一种由直流侧提供损耗能量的方案。与以上所述由电网 侧提供有功能量的方案不同，其工作向量图如图2 3 所示n 列n 钔。电流与电网电压的 7 静止同步补偿器无功电流检测和控制策略的研究 相位差是9 0 。，与变流器交流侧电压的相位差为9 0 。+ 6 。 入，；矽s u7 ri ( a ) 电流滞后 ( a ) l a g i n g c u r r e n t ( b ) 电流超前 ( b ) l e a d i n gc u r r e n t 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 f i g2 3v e c t o rd i a g r a m so fw o r k i n gs t a t c o m w h e nc o n s u m e de n e r g ys u p p l i e db yp o w e rs u p p l yo n d cs i d e 2 1 2 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 是电网。图2 4 为s t a t c o m i 作于感性和容性状态时的四象限工作向量图n 刚n 7 m 引。 0 j ，、 t u s 。- ( a ) 吸收感性无功功率( b ) 吸收容性无功功率 ( a ) a b s o r b i n gi n d u c t i v ev a r( b ) a b s o r b i n gc a p a c i t i v ev a r 图2 4s t a t c o m f l 皂量流动向量图 f i g2 4v e c t o rd i a g r a mo fs t a t c o me n e r g ys t r e a m i n g 当以电网电动势v s 为参考向量时，电压型变流器的工作点在以0 为圆心，以矽，为 半径的圆周上运动。其中横坐标轴以下的半个圆周为整流工作状态，横坐标轴以上 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l 上电压d ，的大小可 8 第二章s t a t c o m 工作机理及主电路选择 以改变圆的半径，通过控制矽，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。当s t a t c o m 吸收感性无功功率运行时，工作于图2 4 ( a ) 中的a 点，此时电流j 滞后于电压d ，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。当s t a t c o m 吸收容性无功功率运行时，工作于图2 4 ( b ) 中的b 点，此时电流j 超前于电压d ，9 0 。，容性无功功率从电网流入s t a t c o m 。通过控 制矽，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， 2 2s t a t c o m 主电路结构比较 s t a t c o m 主电路分为电压型桥式电路和电流型桥式电路两种类型，电压型桥式电 路的电路结构如图2 5 ( a ) 所示，直流侧采用的是电容来储存能量，交流侧串联连接 电感后并入电网；电流型桥式电路的结构图如图2 5 ( b ) 所示，直流侧利用的是电感 来储存能量，在交流侧并联上电容器n 9 l 。 l i| 、厶石5乙杏 。r y !j 寻 + - - 。一_ - _ _ _ _ _ 一 、l 、乙石5 a e - + i ，p 一a 芒 z j 1 c= 2止芒s z ( a ) 电压型变流器 ( b ) 电流型变流器 ( a ) v o l t a g es o u r c e dc o n v e r t e rm v e r t e r( b ) c u r r e ms o u r c e dc o n v e r t e r 图2 5s t a t c o m 基本电路结构 f i g2 5b 弱i ce k c u i ts t r u c t u r eo fs t a t c o m 由于电容储存能量效率高于电感储存能量，因此目前投入使用的s t a t c o m 大多使 用电压型桥式电路。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。本文也将只对采用自换向电压型逆变器主电路形式的s t a t c o m 进行研究。 基于电压型桥式s t a t c o m 主电路主要有两种结构，即多重化结构和多电平结构。 多电平结构又分为二极管钳位式、飞跨电容钳位式和链式三种结构。下面主要比较 基于多重化技术和多电平技术的主电路结构。 2 2 1 多重化技术 多重化变换器是将多组变流器的输出矩形波在相位上错开一定角度进行叠加， 使输出波形尽可能接近正弦波。多重化可以减少s t a t c o m 本身发出的谐波，减轻滤 波器的负担乜0 】。图2 6 为三相多重化逆变器主电路图。 9 静止同步补偿器无功电流检测和控制策略的研究 图2 6 三相多重化逆变器主电路图 f i g2 6m a i nc i r c u i to f t h r e e p h a s em u l t i p l ei n v e r t e r 2 2 2 多电平技术 多电平技术就是由几个电平台阶合成阶梯波以逼近正弦波输出的处理方式，由 此构成的多电平变流器不仅能降低所用功率开关器件的电压定额，减少了输出电压 中的谐波含量，而且大大地改善了输出特性，也不需要像多重化结构那样使用变压 器进行连接。近二十年来，多电平技术在电力电子领域得到了飞速的发展。它可以 在不使用变压器的情况下，用于4 6 k v 1 3 8 k v 的中高压场合。多电平的拓扑结构己 经被用于各种各样的工业应用中，比如交流电源、无功补偿器、交流调速系统等。 在减少电网谐波和补偿电网无功功率方面有非常好的应用前景乜别。 多电平变流器有三种典型拓扑结构，即二极管箝位型、浮动电容筘位型( 或称 飞跨电容型) 、链式h 桥型( 或称级联型) 。 ( 1 ) 二极管箝位型多电平变换器结构 二极管箝位多电平变换器( d i o d ec l a m p e dm u l t i l e v e lc o n v e r t e r d c m c ) 是采 用一组串联的电容分担直流母线的电压，每个g t o 经过一个筘位二极管与串联电容 器组中的一个电容器的电极相连。通过开关的作用，将不同电容器连接到输出端， 产生不同的电压等级。图2 7 给出了三相七电平变换器的主电路图晗3 2 们。 1 0 第二章s t a t c o mf t 作机理及主电路选择 舾z 砬 桓 c i 兰= 。 l 。 j本j! 杠障 ji 盔j 2i丕!12l态!z2i本! c 2 ：= 】i 越 zji 越 z】 越 2i 越 12i 越 z2i 越 c 3 ：一j i 碰z ji 越 z】玉 越 n 避 _避z醒堕zz c 4 ： 2i函z2赶72l赶 c 5 ： 2本jzj本5z】 本! 2【本j ， 】 赶12本j - - ji蠡z】本jzjl赶 c 6 ： 雹z 丕51态! 图2 7 三相七电平二极管箝位变换器主电路图 f i g2 7m a i nc i r c u i to ft h r e e - p h a s es e v e nl e v e ld i o d ec l a m p e dc o n v e r t e r ( 2 ) 飞跨电容多电平变换电路 飞跨电容多电平变换器的特点是箝位二极管被箝位电容所代替，直流侧电容不 变，其工作原理与二极管箝位多电平变换电路相似。飞跨电容多电平变换器主要用 于解决直流电压不平衡以及二极管箝位多电平变换器中需要大量额外的二极管的问 题。直流母线侧电容器电压形成梯形结构，每个g t 0 两端的电压为直流侧飞跨电容器 的电压差、从而在结构上实现了均压。图2 8 所示为三相七电平飞跨电容变换器的主 电路图2 5 1 2 刮。 l 一 桓 !态j ， c l = - l 。5越z l c b 5越 7 c 2 ：m c 口。翟 zu 。4 翟 l 糈霰 z 。 z 一 _ 甜- c 襞b 3 2 酗 z z c 3 ：斗! i 镡 ! 7 1 c c l n i 也 = 鹕_ 1 c b l 一 拦 。_ 1_ !z1 z一! = z ( 4 ： ! - - c 5 ： zzz z：z：z c 6 ： 抵z ! 7 _ r 桓 z 毽 !态jz 图2 8 三相七电平浮动电容箝位变换器主电路图 f i g2 8m a i nc i r c u i ts t r u c t u r eo ft h r e e p h a s es e v e nl e v e lf l o a t i n gc a p a c i t o rc l a m p i n gc o n v e n e r 静止同步补偿器无功电流检测和控制策略的研究 ( 3 ) 链式多电平结构 链式多电平电路( c a s c a d e dm u l t i l e v e lc o n v e r t e r s c m c ) 由采用了基于全桥结 构的基本单元h 桥构成。其特点是将h 桥进行串联，通过合成输出多电平波形，是 一种较为新颖的拓扑结构。可根据系统对输出电压、电平数的要求来决定串联h 桥 的个数。每相的输出电压，根据串联基本单元的个数，形成一个接近正弦波形的阶 梯波，达到消除低次谐波和某些特定的谐波的目的乜7 28 | 。每相串联的h 桥为m ，则输 出相电压波形为( 2 m + 1 ) 电平，输出线电压波形为( 4 m + 1 ) 电平。图2 9 为链式结构多 电平电路。 n 图2 9 三相七电平链式a 桥变流器主电路图 f i g2 9m a i nc i r c u i ts t r u c t u r ed i a g r a mo ft h r e e - p h a s es e v e nl e v e lc a s c a d ehb r i d g ec o n v e r t e r 三种主电路所需器件有所不同，所需类型和数量如下表所示， 表2 1 不同类型主电路所需器件个数( m 为电平数) t a b2 1n e e d e dc o m p o n e n t sf o rd i f f e r e n tt y p e so fm a i nc i r c u i t s 直流侧电容 主电路所需器 主开关管反并二极管箝位二极管器( 电压源箝位电容器 件 ) 二极管箝位型 6 ( m - 1 )6 ( m - 1 ) ( m - 1 ) ( m 一2 )( m - 1 ) 0 浮动电容器箝 6 ( m - 1 )6 ( m - 1 )o( m - 1 )3 ( m - 1 ) ( m 一2 ) 2 位型 链式h 桥型 6 ( m - 1 )6 ( m 一1 )0 3 ( m - 1 ) 2 0 1 2 第二章s t a t c o m 工作机理及主电路选择 二极管箝位型多电平变换器输出功率大，器件开关频率低，开关损耗小，动态 响应好，但是需要大量的箝位二极管，不但提高了成本，而且在线路安装方面比较 困难。 飞跨电容多电平变换器除具有二极管箝位多电平逆变器的优点外，还可以通过 灵活控制电压合成方式实现电压平衡，但是电容器的数量多，增加了装置的体积， 提高了装置的成本。并且它的控制方法复杂，难以解决电容电压不平衡等问题。 链式结构输出的电平数越多，输出电压谐波含量就越少，器件的通断频率低、 损耗小，并且易于封装，不存在电路电压平衡等问题。但是需多个独立电源，不易 实现四象限运行。 针对链式多电平逆变器需要独立电源个数多的缺点，本文选用能够在不增加独 立电源个数的情况下增加电平数的混合级联式多电平主电路。 2 3 混合级联式多电平s t a t c o m 主电路 2 2 2 节所述的链式多电平逆变器通常是具有独立直流电源的2 h 桥( 两个两电平 半桥逆变器组成的逆变桥) 级联式多电平逆变器，采用的是相同开关器件( 相同的开 关管、相同的耐压) 2 h 桥的串联叠加，它存在两个缺点：一是由于所有的2 h 桥都工作 在p i l l 状态，因此不宜采用低速开关器件，j z i g t o 等；二是所需的独立直流电源的电 压较低，不能采用低频高耐压的开关器件，同时所需的独立直流电源的数目较多。 这就限制了这种多电平逆变器的使用范围，也不利于提高输出电压、扩大功率和降 低成本啪儿3 0 1 。因此，本文选用了混合级联式多电平逆变器。 2 3 1 混合级联式多电平逆变器叠加原理 混合级联式多电平逆变器其含义是将采用不同类型的开关器件( 如g t o 晶闸管 和i g b t ) 和不同直流电源电压的2 h 桥进行串联叠加，这样可以使低频高耐压的大功 率开关器件( g t o ) 和高频低耐压的中功率开关器件( i g b t ) 混合应用。采用低频高 耐压器件的2 h 桥担任提高输出电压的重任，采用高频低耐压器件的2 h 桥则担任改 善波形和调节电压的任务。这样既提高了链式多电平逆变器的性能，又可以降低制 造成本。本文选用的是两个2 h 桥的混合级联，其单相结构图如图2 1 0 所示。下面 对其基本原理进行阐述。 1 3 静l i 同步补偿器无功电流检测和控制策略的研究 图2 1 0 两个2 h 桥混合级联主电路 f i g2 10m a i nc i r c u i to ft w o2 hh y b r i dc a s c a d eb r i d g e s 一般的级联式多电平逆变器