（电力电子与电力传动专业论文）50kvar用户端statcom的直接电流控制方法研究.pdf

耋囊薹萋孽曩翥篓藿主 霎搴姜霜量蓁萝奏囊蓁萋i ! 羹蕈至 ；耋耋i 霎茎! 荤茎薹? 塞；主鐾；霎薹薹! w 妻三薹i 垂主亏亏餮建l 薹! ! 三i 暮妻薹萋主i 三量i 羹拿；季；妻囊茎薹茎主霉；! 妻耋善 三妻；耋耋茎r 萎萋耋事搴i 窆i 雩奏鬟霪墓要冀i 妻妻荔蓁i 至i i i 蚕摹 垂耋蔫薹孽霞馨薹i 享自自；萋薹薹蓁l i 薹； 毛参耋黉羹爹i 囊三；i 主主至；茎薹喜；叁i i i i 耋囊薹一萋薹萋 i 霎i i 羹萋薹二薹薹| 羹萋霎霜至囊霎霎瓣薹羹荔薹霎薹蓁囊耋蓁竺萋耋秦菱霎垂；! 霎孽耋薹蕈 鬟! ：霪蓁；冀耋霪霎霎霎萋囊薹囊霎萋萋霎妻蠢；! 喜耋萋 i 塞；：羹“萋! j 荤：i璧耿耋量妻! ；季；i薹萋! | i 箨姜；i萋主翻睡i ：謇： 8 霎耋；! 曼薹；耋垂垂宝垂蚪筵差主萝霓封 雾萼i 冀l 琴妻室薹蓦i 蓦l 蒌萋譬圭型奏茎茎蠹窒妻三季圣霎誊l i 茎委l l l 羔舅薹舅l | ；萋l | r 主；萋委冀耋；健毒i 霉i 季蒌萋蓑l 薹i ；i 毫 江苏大学学位论文版权使用授权书 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i 。 学位做作者虢僵娶 2 0 0 8 年6 月3 日切。侈、乡 指导教师签名：郑宏 智免 2 0 0 8 年6 月3 日伊罗乡 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 随着现代电力电子技术的飞速发展，尤其是近年来电力电子装置在电力系 统、各工业部门和家电行业的广泛应用，电能质量受到严重影响，甚至危及到电 力系统的安全运行，给国民经济带来严重损失；与此同时，各种复杂的精密设备 对电能质量非常敏感，生产过程的自动化和智能化，对电能质量也提出了更高的 要求，因此电力部门与用户对电能质量的改善提出了迫切需求。由于大量的电能 质量问题都是由于负荷的非线性引起的，因此主要采取的控制措施是对负荷进行 并联补偿，防止负荷的非线性、不平衡引起供电电压的电能质量问题。由于负荷 可能造成供电电压波动、闪变、频率变化以及三相电压不平衡等电能质量问题， 因此负荷侧安装补偿装置改善电能质量应该根据负荷的特点采用不同的补偿技 术。负荷补偿技术主要包括无功补偿技术、谐波补偿技术、三相不平衡补偿技术。 电网电压波动与闪变主要是由于无功功率的波动与冲击引起的，有功功率的波动 对电网电压的影响较小，所以抑制电压波动与闪变应该以控制无功功率为重点。 由于电压的变化速度较快，因此必须安装动态无功补偿装置才能抑制电压的波动 和闪变，s t a t c o m 是一种很好的动态无功补偿装置。 研究容量大、响应速度快的无功补偿装置来抑制系统电压的波动及闪变，有 效提高电力系统的安全性和改善供电质量成为国内外电力系统行业的重点课题 之一。 1 1 无功功率的产生、危害及治理 1 、无功功率的产生： 在电网中由于大量感性负载的存在，使线路电压与线路电流在相位上存在一 个角度差，这样就引出了无功功率的概念。无功功率是一个反映电源与负荷间的 能量交换的物理量，它的大小表明了电源与负荷间能量交换的幅度，本身并不消 耗能量。同时，无功功率在系统中的流动对电力系统本身也产生了很大的影响。 在工业和生活用电负载中，感性负载占有很大比例。异步电动机、变压器、 荧光灯等都是典型的感性负载。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很大的比例。电力系统中的电抗器和架空线等也消耗一 江苏大学硕士学位论文 无功的治理主要指无功补偿。无功补偿对子维持电力系统的稳定、经济、安 全运行是十分重要的。电力系统中大多数负载呈感性，要消耗感性无功。系统网 络中不仪部分负载要消耗无功功率，部分网络组件也要消耗无功功率。隧络组件 和负载所需要的无功功率必须从网络中某个地方获得。显然，这些无功功率由发 电机提供并经过长距离传送是不合理的，通常也是不现实的。因此，合理的方法 应当是在需要消耗无功功率的地方产生无功功率，即进行合理的无功补偿。 无功补偿的主要作用有_ 以下几点： ( 1 ) 提高供电、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 ) 在电气化铁道等三相负载不平衡的情况下，通过适当的无功补偿可以平 衡三相的有功功率及无功负荷。由于无功补偿具有上述重要的作用，因此对于无 功补偿技术进行研究具有相当重要的实际意义。 1 2 无功补偿装置的发展f l l 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、静止无功补偿装置和今天引人注目的s t a t c o m 等几个不同的 阶段。 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。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，主要用作控制负荷功率因 数用，也可以作为无功功率补偿调节的手段。但是，它只能补偿感性无功，且不 能连续调节，更重要的是它的负电压效应，当电网电压下降时，电容器上的补偿 电流相应下降，使得补偿的无功量急剧下降，系统电压下降更大。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。 同步调相机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，在过励磁或者欠励磁的不同情况下，可以分别发出不同大小的容性或 感性无功功率。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，还可在短时间内强行励磁，对提高电力系统的稳定性有很 大好处。自2 0 世纪二三十年代以后几十年中，同步调相机在电力系统无功功率 江苏大学硕士学位论文 器元件的静止补偿器；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8 0 m v a r 的s r c o m 装置，于1 9 9 1 年投运，维持了该系统长距离送电线 路中间点电压的恒定，提高了系统的稳定性；美国e p 与田纳西电力局、西屋 电气公司合作，在纳西电力局电力系统的s u l l i v 孤5 0 0 k v 变电站建造了1 0 0 m v a r 的s t a t c o m 装置；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 装置在东京变电所投入使用。 在国内，9 0 年代之前还没有较全面的研究成果，只是一些以清华大学为代 表的科研机构通过研究，做了一些实际的工程，获得了一定的实际经验，并在 理论上有了一些发展。9 0 年代初，国内己开始了f a c t s 系统的理论研究及具体 f a c t s 装置和控制器的研究工作。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 0m v a rs t a t c o m 。为了进行基础 理论研究，首先研制了+ 3 0 0 k v a r 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 盯s r c o m 在河南洛阳的朝阳变电站并网成功，并于2 0 0 0 年6 月成功地通过了鉴定，这是国内首台投入应用的大容量柔性交流输电装置。该装 置不仅能调节无功和电压，还可提高输电稳定性和输送能力。 从现有的文献看，目前国内外已投入运行的s t a t c o m 装置均采用基于g t o 的逆变器，其具有大电压、高频率的优点，但随着电力电子技术的发展及对供电 质量要求的提高，g t o 的开关频率已经不能满足要求，为减少谐波和提高容量， 必须采用变压器曲折连接方式，这样使电路设计复杂化，且保护电路复杂；在 s t a t c o m 工作机理的研究上，现有s t a t c o m 装置的工作模型是建立在一个静 止的同步电压源基础之上，即由一个电压型变流器构成的s t a t c o m 装置经一个 串联电抗( 包括变压器的漏抗和电路中的其它电抗) 与电网相连，根据输入的无 功功率和有功功率指令，变流器如同同步发电机一样，产生相位与幅值均可以迅 速调节的基频分量对称的三相正弦电压叠加到电网上，从而吸收或发出满足电网 要求的无功功率。但由于电力系统具有多种非线性和其负荷参数的不确定性，并 且对实际电力系统而言，s t a t c o m 装置更多的是运行在三相不对称条件下，因 此，这种稳态的工作模型在应用上存在着很大的不足；从技术角度来看，目前国 内外已投入运行的s t a t c o m 的主电路大多都是采用多重化、多电平结构。多重 化的主电路形式达到增大装置容量的目的，但由于需要特殊设计复杂的变压器， 6 江苏大学硕士学位论文 既提高了造徐，又使系统变得复杂。譬翦己发展为以多毫平p w m 变流器相结合 的形式；在s t f 盯c o m 的控制策略上，现有的s t a t c o m 装置一般采用常规的 p l d 调节方式或零| 入线路功率的p s s ( p 御诧rs y ms 专曲i l i z e r ) 辅助控制方式。 这种控制方式由于直流电压回路与无功控制回路的时间常数为同一数量级的，再 加上系统本身的毒i 线性牲质，控制效果不理怒，难以满足电力系统提高功角稳定 和电压稳定的要求。 吾前，对于s 群疆c o 嗽的大觏模应用存在着三个制约因素：其一，出于高压 大容量可关断器件的单管容量还比不上一般晶闸管的单管容量，因此s 仉虹c o m 的装置容量还比较小，嚣前主要通过单相桥的串联或并联、霹关断器件的串联来 扩大容量，而单相桥串联或通过变压器并联较为复杂，可关断器件的串联实现起 来还比较困难，因此增加了整个s 觚o m 装置的复杂程度和造价；其二， s ，i ：f 玎c o m 装置容量造价较高，在许多对无功功率补偿速度要求不是很高或不存 在特殊要求的场合，用户愿意采用价格相对较低的s v c 装置；其三，用户对 s ，i ：f 虹c o m 的认可程度还不是很高。随着电力电子技术的不断发展，大容量器件 不断涌现，上述制约因素闷题可望得到解决。 从上世纪九十年代末以来，电力电子技术的发展使得世界范围内有关静止无 功发生器的研究和应用有了长是的进步和发展，s 曰疆c o m 在来来的工程应用研 究出现了两个明显趋势： 1 不断采用新器件。与普遍使用的g 1 相比，新型功率器件( 如i g b ti g c t 等) 具有很多的优点：饱和压降低、安全工作区宽、驱动功率低和工作频率高等。 在装置容量几十兆伏安以下的场合，采用i g b t 的趋势更为明显。 2 除了继续向高压大容量方向发展，另方面向中低压配电系统的应用，甚 至负荷补偿的各个层次发展，旨在提高用户侧的电能质量。国内这方面尚处于起 步阶段，国外已出现了一些小容量静止无功发生器在低压配电网中应用的例子。 s t f 疆c o m 系统立足于小容量无功补偿场合，负载需要的无功直接由就近的 s 豇疆c o m 系统提供，避免了无功通过远距离电网传输给配电系统造成的一系列 问题，同时也可避免了开关频率受限制的缺陷。选用新型功率器件( 如i g b t ，i g c t 等) ，使得新型静止无功发生器装置的响应速度更快、控制精度更高。虽然受限 于开发成本高的原因，这种小容量s 仉盯c o m 暂时还没有大范围普遍应用，但随 7 江苏大学硕士学位论文 着电力电子技术的发展，尤其是开关器件的发展和成本的降低以及未来电子设备 对电能质量越来越高的要求，这种面对配电系统的小容量s 仉盯c o m 将会有更广 泛的应用范围。再加上采用i g b t 这种性能更好器件的p w m 整流器，这是世界 上几家主要的电气制造公司在s m 盯c o m 领域大力开发研究和推广的热点。 1 4 新的电力电子器件和控制技术在s 必t c o m 中的应用1 3 l 目前，国内外研制的s t a t c o m 装置大都是基于g t 0 器件的二电平装置， 虽然g t o 耐压高、容量大，但需专门的缓冲电路，且损耗大。随着大功率i g b t 向g r o 方面的发展技术的进步，创造了新的集成门极换向型晶闸管( i g c t ) 。 i g c t 采用硬驱动技术，它将门极驱动电路、g t o 芯片和反并联二极管集成为一 体，结合了晶闸管的低通态损耗和晶闸管均匀关断能力两种优点，具有开关频率 高、损耗小、无需关断吸收电路、可用于串联等优点。同时，i g c t 还有成本低、 复杂程度低以及高效率的优势。基于该器件的第一台1 0 0 m v 盯的s n 订c o m 装 置己成功投入商业运行多年。如今，在中高压大容量电力电子应用中，i g c t 正 逐步取代g t o 。尽管如此，i g b t 由于采用简单的电压驱动门极，且开关速度快， 截止电压已经达到3 k v ，因而在中等功率变流器中仍得到广泛应用。但i g b t 也 有一些问题，例如工作电压低、容量小、通态压降和损耗高，这也限制了它的应 用。目前在i g b t 基础上发展而成的新一代大功率器件电子注入增强门极晶 体管( 匝g t ) 已进入实用阶段。i e g t 是一种集g t o 和i g b t 的优点集于一身 的新型器件，它具有导通压降低、工作频率高、电压型门极驱动、安全工作区宽、 易于串联使用等优点。这些良好的性能使之很适用于s t a t c o m 等大容量、工作 频率高的电力电子装置。有理由相信，在未来的柔性交流输电系统中，它会得到 广泛的应用。 另外，随着微机控制技术的发展，用微机进行实时检测和控制，跟踪无功功 率的变化，实现准确、快速的动态无功补偿技术的优越性日益突出。然而，基于 可编程控制器p l c 设计或基于单片机设计的s 仉虹c o m 装置的控制器运算速度 较慢，很难满足复杂控制算法的要求及具有快速的响应速度，而采用先进的、功 能强大的数字信号处理器d s p 为控制器核心的s t a t c o m 已经成为世界各先进 工业国家和国内科研机构普遍重视的科研课题【4 】。 江苏大学硕士学位论文 1 5 负荷无功补偿 对负荷进行动态无功补偿，在一般场合下简称负荷补偿，是改善电能质量的 有效措施5 1 。负荷补偿是相对输电补偿而言。负荷补偿器往往安装在靠近负荷的 用户建筑物中，通过对负荷的电压和电流的实时监视来跟踪负荷的变化进行动态 补偿。而输电补偿器安装在高压或超高压枢纽变电站以及高压直流输电的换流站 中，以稳定电网枢纽点，提高电网稳定性，增大输电能力，优化无功潮流等【6 】。 国际大电网会议( ( c i g i 砸) 在1 9 8 6 1 9 8 7 年发表的报告中提出了一些无功补偿 的规划设计准则，其中有一条是：不应远距离传送无功，电网在正常情况下，无 功的供需应就地平衡。中国原水利电力部在1 9 8 3 年及1 9 8 4 年颁发的全国供用 电规则及s d l 3 1 电力系统技术导则中，也规定了类似原则【7 】。 理想的负荷补偿器的主要功能有三【5 】： 1 将功率因数校正到1 ； 2 稳定电压在可接受的范围内； 3 平衡负荷电流或相电压。 这三者之间是相互关联的，特别是功率因数校正与相位平衡本身将有助于改 善电压调整。根据这三个主要功能，理想补偿器可以详细说明如下： 1 根据负荷的要求，无延迟、可控、精确地提供所需的无功功率； 2 其端电压具有恒定的特性； 3 三相可独立运行。 通常负荷分为两类：一类负荷在运行过程中本来就呈非线性，一类负荷当它 们投入和切除时对配电网产生较大干扰。总之，这些负荷都是因其运行引起较严 重的电能质量问题而被要求进行补偿的。无功补偿对维持电力系统的稳定与经济 运行，改善电能质量意义重大。 1 6 用户端s t a t c 0 _ 的特点及系统构成 1 6 1 用户端s t a t c o m 的特点 无功补偿分为输电补偿和负荷补偿两种，而用户端s t a t c o m 则是针对第二 种情况的无功补偿装置。 9 江苏大学硕士学位论文 当无功功率靠上级电网远距离传输时，得不到跟踪就地补偿，就会大大降低 电网的经济效益。采用用户端无功补偿的办法，可以就地消除负载对电网系统的 无功污染，避免无功的上级网络传输给电网带来的影响，取得较好的补偿效果和 经济效益，所以负荷补偿是合理的，而且补偿性能高，可以很好的满足无功负荷 的需求。 用户端s t a t c o m 作为并联型的电能质量调节器，其等效的结构图可如图 1 2 表示。s t a t c o m 主电路结构与系统并联，其接入点在电网和负荷之间。控 制模块检测和分析负载电流，计算出无功分量等，控制主电路生成相应的电流， 以达到无功补偿的目的。 用户端s t a t c o m 针对特定的负 载进行无功补偿，一般来说和高压配 电系统的s 汀c o m 比较起来容量较 小；它除了具备通用的s t a t c o m 补 偿无功的特点，如损耗小、动态跟踪， 避免常见的t s c 投切难题等等一系列 优点以外，还避免无功的上级网络传 v s i 图卜2 等效结构图 输给电网带来的影响；同时通过选择适当的控制方法，还可以抑制谐波在无功补 偿中的影响，在自身的控制性能如响应速度、控制精度上有较大的提高；同时可 以改善输出特性如避免大量的谐波电流输出。 1 6 2 用户端s t a t c o m 的系统构成 用户端s t f 盯c o m 容量不大，从 主电路结构上讲和通常所说的并联型 电能质量调节器或并联型有源 s t a t c o m ( a p f ) 类似，也是目前国际 上应用非常广泛的电能质量调节器的 接线形式。 并联连接的方式由于不需要改变 系统本来的接线，只需将调节装置并 图卜3 采用三相变流器的三相三线制结构 入即可，容易被用户接受。此外，即使当s 仉盯c o m 装置发生故障时也可自动切 1 0 江苏大学硕士学位论文 第二章5 0 k v a rs t a t _ 主电路的设计 2 1s 田订c o m 的主电路结构 s t a t c o m 的主电路分为电压型桥式电路和电流型桥式电路，直流侧分别采 用的是电容和电感这两种不同的储能元件。电压型桥式电路，还需再串联上连接 电抗器才能并入电网，电感的作用是滤除装置投入时产生的谐波给电网带来的过 电压；电流型桥式电路，还需在交流侧并联上吸收换相产生的过电压的电容器。 两种电路的结构图分别如图2 1 和图2 2 所示。实际上，迄今投入实用的 s t f 虹c o m 主电路大都采用电压型桥式电路，因此s 己盯c o m 专指采用自换相的 电压型桥式电路作为主电路的动态无功补偿装置。 1生 l 一! 士0 r 。jl l j _ ，v v v l - 一 一 1 1r ij r + 一jl。jjl 图2 1 电压型桥式电路 2 2s 1 a t c o m 的基本原理 1r1 r1 r 一一一 c 一土 一 - 一t! r1r 1r 一r 。 f 。 f 图2 2 电流型桥式电路 静止同步补偿器s 卫盯c o m 的基本原理是指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，抑 制系统的电压闪变，维持电压稳定，还可以吸收配电系统中的某些低次谐波，平 衡相间无功功率，实现动态无功补偿的目的。图2 1 中，c 为直流电容，电路中 的器件可以采用g t o 、i g b t 或i g c t 等。 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 成与电网同频率的交流侧输出电压。s 仉诃c o m 的工作原理可用图2 3 表示。 江苏大学硕士学位论文 直 系统 图2 3s r a t c o m 工作原理图 设为逆变器输出电压有效值，珞为系统电压有效值。其原理为在理想状 态下，首先与珞同步，然后通过控制的幅值，从而控制与珞的电压差， 以达到调节装置无功输出的目的。当 k 时，s t a t c o m 处于超前运行状态， 发出无功功率，起电容器作用；当 2 岛= 2 2 2 2 0 = 6 2 2 v 时才能保证任 何时候都能对指令电流进行跟踪，电压越高，电流的反应速度就越快。为了确保 跟踪性能，本系统直流侧电压定为7 0 0 v 。 上面已经算出流过i g b t 的电流为7 6 a ，此值是有效值，考虑到电流谐波造 成的畸变，电流峰值应该过1 5 0 a ；开关器件要承受的电压为7 0 0 v ，分别考虑到 安全裕量，主电路开关器件选用西门子的b s m 2 0 0 g a l 2 0 d n ，即2 0 0 a ，1 2 0 0 v 的i g b t 模块。 进线电感的选取也是非常重要的，由式( 2 2 1 ) 可以看出进线电感厶的大小 与电流七的变化率成反比，即电感值越小，f c 变化越快，电感值越大，屯变化越 慢，同时厶的取值跟开关频率有关，开关频率高，进线电感可以取的相对较小 而0 不会有大的纹波，本系统中采用定时器控制的瞬时值比较方式，定时器时钟 为2 0 z ，开关器件的最高开关频率为1 0 m z 。式( 2 2 1 ) 可以写成以下形式： 叩= 誓= 圭( 乞+ 瓦以) ( 2 2 2 ) 如果s t a t c o m 工作时间足够长的话，上式交流电压p 。的平均作用为0 ，由 此可以得出7 7 的平均值刁为： 万= 轰 ( 2 - 2 3 ) 2 0 江苏大学硕士学位论文 露的取值可用下式确定： 露= 名每竖0 2 4 ) 式中一为补偿电流指令信号的最大值，本系统中取近似值l o o a ，2 通过 仿真的方法获得，名取0 3 o 4 时，补偿效果最佳。由式( 2 2 3 ) 和式( 2 2 4 ) 得出： 三篆= 3 观9 艚 ( 2 2 5 ) 2 o 4 等 、 本系统进线电感取笸l 斌。 调节器的性能跟直流侧电压的稳定性有很大关系，电压稳定性越好，工作性 能越好。电容量的选择影响了直流侧电压的波动，奄容越大，电压波动越小，德 成本也会相应增加。 由于采用闭环控制来调节直流侧电压，因此，即使s 粼o m 工俸时产生能 量损耗，也能保持直流侧电压恒定。但是，当负载发生突变时，电源电流相应发 生变化，从而弓| 起主电路的损耗也会发生变化。由于电压环调节时阆的影响， p w m 变流器直流侧电压将发生波动。因此，必须选取足够大的电容来将直流侧 电压波动维持在限定的范围内。 设电路损耗功率的最大变化量为皈。，电压环最大调节时间为，电压 波动的最大值为a 矿d 一，则可以得到在动态过程中，直流侧输出电容所提供的 能量为： = 廿。瓤f 。一 ( 2 2 6 ) 要使电压波动小于矿j 麟，则直流侧电容为： c 些墼 岔- 2 7 ) 屹圪一 、 电压环最大调节时闻，一可通过实验或仿真获得。得气她的值约为3 。2 黻s 。 电路损耗主要为开关器件的开关损耗，而开关损耗与器件所承受的电压、流 过器件的电流、开关频率以及器件的开关速度等因数有关，缀难精确计算。因此， 只能估算电路损耗。设系统的损耗为1 0 ，则电路最大损耗为5 0 0 0 w 。如果要 江苏大学硕士学位论文 求y d 一小于5 v ，有 q 型尝- 4 5 7 l f ( 2 - 2 8 ) 4 7 0 0 5 。、 本文最终选取直流侧电容的值为6 8 0 0 f ，采用日立公司生产的四个 6 8 0 0 f 4 5 0 v 电容两并两串获得。 2 5s t a t c o m 中i g b t 驱动电路的选择和设计 随着电力电子技术的发展，电力电子装置的集成程度也越来越高，开关器件 和驱动电路也有集成在一起的趋势。本系统采用的i g b t 驱动是由爱科公司开发 的针对b s m 2 0 0 g a l2 0 d n 的模块。 由于i g b t 是一种开关频率较高的器件，因而特别需要保证驱动电路能够满 足快速性的要求。 目前，用于i g b t 的集成驱动电路种类较多，比较常见的有e 8 4 1 ，h r 0 6 5 等混合集成电路( h y b 耐i n t e g m l i e dc 舢i t ) ，但都有较明显的缺陷。e x b 8 4 1 没 有短路保护功能；h i 如6 5 的短路保护稳定，但可靠性差。本文采用了日本三菱 公司生产的混合集成驱动模块m 5 7 9 6 2 l ，此模块为厚膜电路，可用于驱动 1 2 0 0 v 4 0 0 a 以下或6 0 0 v 4 0 0 a 以下的i g b t ；驱动信号延迟最大仅1 5 埚；最高 工作频率可达4 0 l 洫；内装用于主电路和驱动电路之间隔离的光耦，可承受1 分钟2 5 0 0 v 的交流有效值电压；内置保护电路，能在短路和过流情况下作出迅 速的反应。m 5 7 9 6 2 l 模块需外接一个+ 1 5 v 电源v c c 和一个1 0 v 电源强，以 提供i g b t 所需的+ 1 5 v 栅极开通电压和1 0 v 栅极关断电压。图2 - 8 所示为 m 5 7 9 6 2 l 内部电路功能框图。图2 9 为m 5 7 9 6 2 l 驱动i g b t 时接口图。 控制电路产生的控制信号由1 4 、1 3 脚接入光电耦合器，t 1 导通，i g b t 栅 极即得到一个+ 1 5 v 驱动信号并导通。当控制信号消失后，t 2 导通，i g b t 栅极 即得到一个1 0 v 栅源电压并截止。i g b t 的短路保护是在一定的短路时间t s c 内( 小于1 0 伪) 将其短路及保护关断时的i v 运行轨迹限制在i g b t 的安全工 作区内。i g b t 过载能力很差，承受短路电流的时间很短，一般只有十几埔或几 埚，因此，当p w m 变流器直流侧短路或上下桥臂直通时，必须马上关断i g b t 。 江苏大学硕士学位论文 m 5 7 9 6 2 l 内过流检测采用集电极电压识别方法。i g b t 集电极通态饱和压降与集 电极电流成正比，集电极电流越大，则通态饱和压降也越大，因此，根据通态饱 和电压的大小可以确定流过i g b t 的电流的大小。i g b t 导通期间过流或出现短 路时，通过d 1 检测到这一状态，在1 0 胪内逐步降低栅压，使i g b t 进入软关 断状态，同时通过8 脚输出故障信号。 图2 8m 5 7 9 6 2 l 内部电路功能框图图2 9m 5 7 9 6 2 l 驱动i g b t 的接口电路图 2 6s t a t c o m 的保护电路 保护电路是在意外事故发生时，能够及时采取措施封锁装置的p w m 波，使 装置安全退出运行。 故障电流的危害性极大，这就要求s t a t c o m 必须能在极短的时间内开断， 因此，s t a t c o m 在动作的时候必然承受了极高的罢和掣，这就要求s t a t c o m 玎d f 中包含有合适的保护电路以提高自身的可靠性。 关断i g b t 时，它的集电极电流下降率较高，极高的电流下降率将引起集电 极过电压，降低i g b t 集电极和射极之间的电压u c e 的方法有两种：一种是增加 栅极电阻r 0 ，然而r g 值的增加将影响到固态断路器的开关速度。另一种则是采 用缓冲电路。 缓冲电路( s n u b b e rc i r c u i t ) 又称为吸收电路，可分为关断缓冲电路和开通缓冲 电路，主要用于抑制电力电子器件的内因过电压、掣、罢，减小器件的损耗， d td t 关断缓冲电路又称为掣抑制电路，其最基本的思路是将电容跨接于器件的两端， 讲 ： 利用电容器上的电压不能突变的原理来抑制尖峰电压。开通缓冲电路又称为半 江苏大学硕士学位论文 抑制电路，是利于电感与器件串连来抑制器件开通时电流的过冲和半，减小器 d t 件的开通损耗。由于i g b t 开通时能承受较大的电流上升率和瞬时短路电流，所 以不必采用抑制开通电流的电感，因此本文所说的缓冲电路专指关断缓冲电路。 i g b t 的缓冲电路常用的有以下两种，图2 9 ( a ) 的i 犯型缓冲电路能有效地抑制 振荡的发生，关断浪涌电压抑制效果好，由于吸收回路串入了电阻，使得i g b t 关断时过电压吸收效果比单纯的电容缓冲电路要差，足值越大，吸收的效果越 差，因此该缓冲电路主要用于小容量器件。在图2 9 ( b ) 所示缓冲电路中，利用快 速恢复二极管可有效抑制瞬变电压，从而抑制谐振的发生，能够控制皇兰和减小 讲 过电压，可用于中大容量器件，但由于i 坨时间常数设计必须满足开关周期的1 3 ， 以保证缓冲电容c 上吸收的尖峰电压在每个开关周期内通过电阻r 放掉，因此受 开关频率的限制。 本文采用图2 9 ( b ) 所示的电路，即r c d 吸收电路直接并联在i g b t 的c 、e 极两端，如图2 - 9 ( b ) 所示，当i g b t 关断时，电源经二极管r 向电容q 充电，e 上的电压从零开始上升，可以取得较好的过电压效果。使得i g b t 关断时的电流 运行轨迹沿着低电流、低电压坐标轴a - d - c 动作( 如图2 - 9 ( c ) 所示) ，提高了i g b t 关断时的安全性。 鼬 c 8 图2 9 ( a ) r c 缓冲电路图2 9 ( b ) r c d 缓冲电路图 2 9 ( c ) i g b t 关断时的负载线 通常情况下，在设计关于i g b t 的缓冲电路时要从i g b t 应用的主电路结 构、器件容量以及要满足主电路各种技术指标所要求的i g b t 开通特性、关断特 性等几个因素综合考虑，根据理论分析和经验总结，i g b t 缓冲电路的设计有2 个基本的参考特性： 1 参考功率开关的关断特性，r c d 参数选取过程如下：功率开关i g b t 在 关断时间。的关断损耗能量为 2 4 江苏大学硕士学位论文 第三章s t a t c o m 的控制方法与控制策略 3 1 无功功率理论与无功电流检测 无功电流和谐波电流检测技术是推动静止同步补偿器发展的关键技术之一， 是保证静止同步补偿器工作性能的关键，而交流功率理论又是无功电流和谐波电 流检测的理论基础。静止同步补偿器是一种动态补偿装置，它对无功电流的实时 检测提出了很高的要求。无功电流检测的快速性、准确性及灵活性直接影响到 s t a t c o m 的跟踪、补偿特性以及应用范围。因此，在选择无功电流的实时检测 方法时，应保证：精度高、具有瞬时性、算法简单、配合使用的硬件简单、实现 方便、具有多种功能等。 早期曾使用的是模拟滤波器来检测无功电流和谐波电流，后来随着电子技 术的发展，又采用了傅里叶分析的方法来检测无功电流和谐波电流。但是在这些 方法中，有的对电力系统元件的参数变化十分敏感，误差较大；有的由于计算量 较大因而存在较长的时间延迟，检测的实时性不强盼盯嘲。 8 0 年代以来提出的电流瞬时无功功率法，在许多方面得到了成功的应用， 尤其是在无功电流的检测方面优势明显，该理论突破了传统的以平均值为基础的 功率定义，系统地定义了瞬时无功功率、瞬时有功功率量。经过不断改进，现已 出现了p 、g 运算方式和f p 、运算方式两种常用的无功电流检测方法汹绷。 3 1 1 传统的功率理论 1 正弦电路的无功功率和功率因数 在电路中，如果负载是由电阻、电容、电感等线性器件组成的，则电路中的 电压和电流都是正弦波。设电压和电流可分别表示为： “：而s i n 研( 3 1 ) f = 2 ，s i n ( 研一咖= 2 ，c o s 缈s i n 国，- 2 ，s i n 矽c o s 烈= + ( 3 2 ) 式中口电流滞后电压的相角。 电流f 被分解为和电压同相位的分量和与电压向量相差9 0 。的分量。和 2 7 江苏大学硕士学位论文 兄= c o s 够 ( 3 1 0 ) 即：在正弦电路中功率因数由电压与电流的相角差来决定。 2 非正弦电路的无功功率和功率因数 在含有谐波的非正弦电路中，分为电流畸变和电压畸变两种。有功、无功、 视在功率和功率因数等概念与在正弦电路中的定义相同。下面我们对电流畸变和 电压畸变分别进行分析： ( 1 ) 电流畸变的功率理论 当系统电压为标准正弦量，负载电流为畸变的周期信号时，负载电流可 以分解成频率为电压频率整数倍的多个正弦信号的和： 为： 砸) = 2 厶s i i l ( 门研+ 纯) 打= l = 函c o s 仍s 似研) + 弘s i l l 仍c o s ( 研) + 凰血( 删+ 纯) 则其基波有功功率p ： 基波无功功率q ： p = c o s 仍 q = s i n 仍 ( 3 - 1 1 ) ( 3 1 2 ) f ( f ) 中的基波有功电流，( ，) 、基波无功电流k ( f ) 和高次谐波电流( f ) 分别 i l p ( f ) = 弘c o s 仍s i i l ( 国f ) f l 。( ，) = 瓦s i n 仍c o s ( 耐) 厶( f ) = 弘s i n ( 甩研+ 纯) 一= 2 ( 2 ) 电压电流畸变的功率理论 当电网电压也为畸变正弦信号时： 甜( r ) = 旭s i n ( 聊研+ ) 尸= 去r 4 甜埘( 研) = 喜乩厶c 。s 2 万句、7 鲁“ “ 2 9 ( 3 1 3 ) ( 3 - 1 4 ) ( 3 - 1 5 ) 江苏大学硕士学位论文 巳= 幻s i n 研 = 劢s i l l ( 耐一2 刀3 ) 乞= 劢s i n ( 功f 一4 刀3 ) ( 3 - 4 5 ) = 撕s i n ( 刎一缈) ( 3 4 6 ) 毛= 互衫s i n ( 国f 一伊一2 石3 ) = 互u s i n ( 研一伊一4 万3 ) 所以有： 讣河 兰= 协4 7 ， 卧痂 篇， c 3 把上面的方程式代入( 3 3 2 ) 得 p = 3 叩c o s 缈 ( 3 - 4 9 ) g = 3 s i l l 缈( 3 - 5 0 ) 可以看出，对于三相正弦电路，使用瞬时功率理论计算得出的功率值和使用 传统功率理论得出的功率值完全相同，所以说瞬时功率理论包含了传统功率理论 的内容，同时它又是传统功率理论的扩展和延伸。 瞬时无功功率理论本质是矢量控制理论，我们把三相静止坐标a b c 转为两相 静止坐标口的变换称为c i ，a r k e 变换，其逆变换称为c i ，a r k e 反变换；把 两相静止坐标口转为两相旋转坐标p g 的变换称为p _ 蝴【变换，其逆变换称 为p a r k 反变换；把三相静止坐标口施转为两相旋转坐标p g 的变换称为小g 变 换，其逆变换称为小g 反变换。 3 1 3 基于瞬时无功功率理论的无功电流检测法 基于瞬时无功功率理论的谐波检测方法一个最重要的特点就是实时性好。该 方法在仅检测无功电流时，可以完全无延时地得出检测结果。对于谐波电流的检 测，因为被检测对象电流中谐波的构成和采用滤波器的不同，会有不同的延时， 但是延时最多不超过一个电源周期。采用傅立叶分析方法进行谐波检测时，首先 江苏大学硕士学位论文 要采集一个电源周期的电流值，才能进行计算，而且计算量很大，运算时间较长。 以三相电路瞬时无功功率理论为基础，计算ag 或f ，、为出发点可以得 到三相电路无功检测的两种方法，分别称之为p 、g 运算方式和矿运算方式。 1 基于队g 运算方式的无功电流实时检测方法 该检测方法的框图如图3 2 所示。该方法根据定义算出p 、g ，经低通滤波器 ( l p f ) 得办g 的直流分量万、石。电网电压波形无畸变时，；为基波有功电流与 电压作用所产生，g 为基波无功电流与电压作用所产生。于是，由p 、g 即可计 算出被检测电流乞、屯的基波分量0 、磅、0 。 1 止 1 l 由 图3 2n g 运算方式的原理图 2 基于、运算方式的无功电流的实时检测 该检测方法的框图如图3 3 所示。 此检测方法的基础步骤如下： ( 1 ) 采用口相电压乞，通过一个锁相环( p l l ) 获取口相电压巳的相角， 并由它产生与乞同相位的正弦信号s i n 研和对应的余弦信号c o s 研： ( 2 ) 采用负荷侧的三相电流，并进行动c 三相坐标变换转变为口- 两相坐 标的变换，求出在口、坐标下对应的值； ( 3 ) 利用下面的公式求出口两相坐标下电流的有功分量和无功分量。 兰三二岛嘲 协5 ， 3 6 江苏大学硕士学位论文 ( 4 ) 将电流的有功分量经过一个数字低通滤波器，从而得到电流的基波有 功分量；p 。 ( 5 ) 将如经过c 。1 变换可以得到口- 坐标下的基波有功分量电流屯，、0 。 ( 6 ) 利用式c 2 ，得到相应的口6 c 三相坐标的基波有功电流分量0 、幺、匆。 ( 7 ) 再与采样电流o 、f c 作减法，就得到了运用瞬时功率理论进行无 功补偿时需要的无功检测电流。 图3 3f 。、屯运算方式的原理图 由于队g 运算方式要采集电网的电压和电流，且受电网电压畸变和三相不 平衡的影响，而f 一乞运算方式以标准的正弦信号代替电压信号，通过线性查表 插值法，可以快速准确地得到不同角度所对应的理想的正弦和余弦值。 根据以上分析，我们在进行负载无功电流检测和s 仉盯c o m 出口处无功电流 的反馈的计算都是采用f ，、运算方式。此种方法减小了采集电网电压的硬件资 源，只要角度检测准确，可比较准确的检测出系统的无功电流，并且受电网电压 畸变的影响相对较小。本文采用f 。、屯运算方式获得无功和谐波检测电流。 3 2s m 订c o m 的控制策略 s t a t c o m 是一种快速可控的无功补偿设备。s t a t c o m 能否像人们期待的 那样在电力系统中起到维持节点电压、阻尼系统振荡、提高输电系统静态稳定和 暂态稳定等作用，关键在于其控制器的设计水平。一个性能优越的控制器应当能 江苏大学硕士学位论文 够利用所能获得的系统信息，适时地诊断系统的运行状态，尤其是不稳定状态和 功率振荡状态，并根据诊断到的状态选用合适的控制策略以得到最佳的控制效 果。随着人们对装置本身和系统的深入了解，s t a t c o m 控制器的设计经历了一 个从简单到复杂的过程，最早的s t a t c o m 采用传统的p i 控制方法，控制器控 制输出无功功率和维持直流侧电容电压的能力【2 5 1 ，由于装置的输出无功功率和直 流侧电容电压相互耦合使得这一控制方法的参数很难整定。为了解决这一问题， 有人针对6 、0 可控的s 仉虹c o m 提出了解耦控制方法【拥，以实现s r c o m 无 功功率控制和直流侧电容电压控制的相互解耦。对于直流侧电压支撑元件为直流 恒压源的s t a t c o m 来讲，运行时可以用0 调节脉宽，用6 维持s t a t c o m 的损 耗，从而控制s 仉虹c o m 输出的有功和无功功率。如果s l 玎c o m 的直流侧电 压支撑元件为直流电容，s t a t c o m 的性能与上述情况完全不同，这时仅靠0 调 节脉宽难以达到改变s t a t c o m 稳态无功功率的目的，必须同时对6 进行调节。 文献【2 6 】利用s t a t c o m 输出无功功率和直流侧电容电压可以静态解耦的性质提 出了逆系统p i 控制方法，用来控制s 似r c o m 输出无功功率和维持s t a t c o m 直流侧电容电压取得了不错的效果。文献 2 8 】设计的s t a t c o m 控制器既可以维 持节点电压也可以阻尼系统振荡。文献 2 9 】所设计的s n 虹c o m 控制器同时具有 电压控制( a v r ) 、阻尼系统振荡控制( p s s ) 、无功功率控制( a q r ) 和维持装 置直流侧电容电压控制的功能。以上几种控制器都已经在现场装置上得到应用。 在s t a t c o m 运行过程中发现，系统不对称会引起s m 盯c o m 逆变器过流， 从而导致装置退出运行。在电力系统的实际运行中，各种不对称的存在是不可避 免的。为了使s t f 玎c o m x 江苏大学硕士学位论文 控制规律的研究、控制器的软件设计和硬件实现等许多方面，建立在对装置本身 和系统深入了解的基础上。s t a t c o m 装置的控制系统具有如下特点： ( 1 ) 控制速度快。由于s t a t c o m 装置本身的响应速度在十毫秒级，因此 对控制系统的快速性提出了很高的要求，通常要求控制系统本身的反应时间在 1 m s 以下。 ( 2 ) 高精度的控制脉冲。采用电压源逆变器结构的s t a t c o m 装置，连接 电抗( 或等值电抗) 较小，驱动脉冲产生一个小的角度误差可能导致s t a t c o m 装置出现过电流，同时由于s t a t c o m 装置的损耗很小( 大型s t a t c o m 装置 的效率都要求在9 0 以上) ，因此，等效电阻r 很小，根据s t a t c o m 装置稳态 无功的表达式，控制角度很小的偏差将导致s 耵订c o m 装置无功功率的变化，因 此也要求控制脉冲具有很高的精度，通常要求s t a t c o m 装置的驱动脉冲误差小 于0 1 0 电角度。 ( 3 ) 多功能、多目标控制。s t a t c o m 装置响应速度快，可以快速平滑地 从容性到感性调节无功功率，因此对维持系统电压、改善电力系统的动态特性、 阻尼电力系统振荡、提高电力系统的静态稳定性、暂态稳定性具有良好的应用前 景。为充分发挥s t a t c o m 装置的潜力，s t a t c o m 装置的控制必须具有多种功 能和目标，如调节无功功率、稳定电压、改善系统的动态特性、阻尼系统振荡、 提高系统暂态稳定水平等，因此要求s t a t c o m 装置的控制必须是具有完成多种 功能和目标的控制系统。 s t a t