（电力系统及其自动化专业论文）svcstatcom在上海电网中的应用研究.pdf

a p p l i c a t l 0 nr e s e a r c ho fs v ca n ds t a t c o mi ns h a n g h a i m i i 咀c i p ：a le l e c t r i c a lp o w e rn e t w o r k a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m a a to fe l e c t r o n i c ，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 ( f a c t s ) b e c o m e so n eo ft h o s ei m p o r t a n tt e c i m o l c i g i e si np o w e rs y s t e m s ，w h i c hc a ng r e a t l y i n c r e a s et h eq u a l i t ya n dq u a n t i t yo f p o w e rs y s t e m s t a t i cv 缸c o m p e n s a t o r ( s v c ) a n d s t a t i cs v n c h “m o u sg e n e r a t o r ( s t a t c o m ) ，w h i c ha r em a i n l yu s e di nr e a c t i v ep o w e r c o m p e n s a t i o n , c a ni m p r o v es y s t e md a m p i n ga n dt r a n s m i s s i o na b i l i t y c o m p a r e dw i 血 t h ef i x e sc a p a c i t o r sa n di n d u c t o r s ，t h e i rm a j o ra d v a n t a g e sa l - et h ef a s tr e s p o n s ea n d c o n t i n u o u sc o n t r o la b i l i t y s h a n g h a im u n i c i p a le l e c t r i c a lp o w e rn e t w o r ki sah e a v y l o a dn e t w o r k , a n df r o m2 0 0 1 i ti sd i v i d e di ns e v e r a ls u b n e t w o r k s b e c a u s eo ft h ed i f f e r e n td i s t r i b u t i o no f g e n e r a t o r sa n dl o a d s ，s o m es u b n e t w o r k sw i l lh a v es t a b i l i t yp r o b l e m si ns o m e s i t u a t i o n s e s p e c i a l l yi nh u a n gd us u b - n e t w o r kt h e r e i sn og e n e r a t o r sa n df e w v o l t a g ec o m p e n s a t o r s ，s od u r i n gt h ef a u l t st h ev o l t a g eo f t h eb u s e si nt h i ss u b n e t w o r k w i l ld e c l i n e i ti sn e c e s s a r yt oa p p l yn e wf a c t st e e h n o l o g yi nt h i ss u b n e t w o r k f i r s t l yt h i sp a p e ri n t r o d u c e san e wi d e a , m u l t i e l e c t r i c a lp o w e rs i m u l a t i o np a c k a g e d a t ap 0 0 1 1 f l l ed a t ap o o ib a s e do nm i c r o s o f ts q ls e r v e rc a l lb eu s e dt oc o n v e r td a t a f i l ef r o mo n ek i n dt oa n o 也e r , i n c l u d i n gb p a ，n e t o m a c ，e r e t h e ns v c ，w h i c hi s m a d eo ff i x e dc a p a c i t o ra n dt c r 7a n dy t r a n s f e r l l l e rl i n k e ds t a t c o ma r e m o d e l e di nn e t o m a c a n ds i m u l a t e di na3 - g e n e r a t o ra n d9 - b u sp o w e rs y s t e m n 圯 r e s u l t sp r o v et h a tt h es t e a d y - s t a t ep e r f o r m a n c e so ft h e ma r es a r f l e 蠲t h e o r e t i c a l a n a l y s i s ，a n dt h e yc a ni m p r o v et h er o t o ra n g l es t a b i l i t ya n dv o l t a g es t a b i l i t yo ft e s t e d s y s t e mg r e a t l y b e c a u s e t h e h u a n gd us u b n e t w o r k i s s h o r t a g e o fr e a c t i v e c o m p e n s a t i o n s v co rs 1 a t c o ma r es u g g e s t e dt oi n s t a l li nx ij i a op o w e rs t a t i o n n l es i m u l a t i o nm s u l t so f1 5 0 m v a rs v ca n ds 1 = a t c o ma r ec o m p a r e dt ot h e s i t u a t i o nt h a tt h e r ei sn oc o m p e n s a t o r n ”yi m p r o v et h eb u sv o l t a g em a g n i t u d eo f t h e s u b - n e t w o r ki nn o r m a lo p e r a t i o na n df a u l ts i t u a t i o n , a n di n i t i a t ea n df i n a lr o t o ra n g l e o f t h eg e n e r a t o r s 。w h i c hi sc l o s e dt oh u a n gd us u b n e t w o r k , a r ea l li n c r e a s e d b a s e d o nt h es t u d y , t h i sp a p e rp r o p o s e st h a ti ti sn e c e s s a r yt oi n s t a l ls v co rs t a t c o mi n x ij i a op o w e rs t a t i o n k e yw o r d s ：p o w e rs y s t e m ，s i m u l a t i o np a c k a g e ，s v c ，s t a t c o m ，v a r c o m p e n s a t i o n 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。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。 莩位论文作者签名：绦虚一 日期，年i 月纱日 上海交通大学 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。本人授权上海交通大学可以将本学位 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、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 一 保密0 2 j ，在互年解密后适用本授权书。 本学位论文属于。 不保密口。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：万雾砬) 日期：翮蛑岁月为日 指导教师签名：佻倔 日期：务一，埠3 月文日 上海交通大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1s v c 和s d 订c o m 技术的发展现状 1 1 1 f a c t s 技术的兴起 灵活交流输电技术( f a c t s ) 的概念是由美国著名电力专家n qh i n g o r a n i 于1 9 8 6 年提出的。但实际上，属于f a c t s 控制器组的静止补偿器( s v c ) 的研制 和应用在7 0 年代就已经出现，当时只当作一个单一的新型装置对待，并未形成 一个整体的技术概念。n gh i n g o r a n i 于8 0 年代初发明了一种基于电力电子技术 的次同步谐振阻尼器( s s r - d a m p e r ) ，这就引发了他对多种f a c t s 装置的设想， 于是f a c t s 这个科学概念于1 9 8 6 年诞生并立即迅速推动了f a c t s 技术的发展。 可控$ 卒b ( t c s c l 作为f a c t s 概念提出后的第一个控制器受到重视，它既能改进 暂态和动态稳定水平，提高输送能力，又能快速改变线路阻抗，控制功率潮流。 1 9 9 3 年，美国e p m 组织了八大电力公司进行协作性的f a c t s 技术的全面应用 研究。世晃各国的电力科研院所、高等学校、电力公司和制造厂家也纷纷开展了 对f a c t s 技术的研究和探索。 n gh i n g o r a n i 给f a c t s 技术早期的定义是：“f a c t s 就是基于晶闸管组件 的控制器，其中包括移相器、新型静止无功补偿器、电气制动器、串联电容调节 器、带负荷抽头调节器、故障电流限制器以及其它一些尚未发明的控制器”。这 个定义是有很大局限性的，到目前为止，灵活交流输电技术( f a c t s ) 的准确定 义仍在探讨中。本文采用中国学者何大愚先生的定义：灵活交流输电技术 ( f a c t s ) 是指除了h v d c 之外的所有安装于电力系统各环节中的且作用于交 流输电的各种电力电子控制器及其协调组合进行控制的技术。 目前的f a c t s 包括如下主要器件：静止无功补偿器、先进静止无功发生器、 可控串联电容补偿器、统一潮流控制器、串联潮流控制器、可控移相器、变压器 抽头有载可控调节器、可控制动电阻器、可控并联电容器、可控并联电抗器、次 同步谐振阻尼器、固态断路器、超导储能器、故障电流限制器、动态过电流限制 器、动态电压恢复器、有源电力滤波器等【1 i 。 上海交通大学硕士学位论文 1 1 2 无功补偿技术 电力系统中节点电压的大小不仅是电网电能质量好坏的标准，而且决定了电 网的输送能力和稳定程度。电网中流动的无功功率和节点电压有密切的关系，所 以无功功率补偿成为常用的调压手段。 无功功率补偿的原理可以用图1 - 1 来说明。其中，图1 1 a 为系统的单相等效 电路图，阢和吼分别表示电源端和负荷端的电压向量，z 和y 分别表示线路阻 抗和导纳，s l 、s 2 、霹和盈表示线路潮流，则d i 和6 2 的关系可以用图1 - 1 b 表 示o 1 。其中： 墨= 丑+ 凰 ( 1 - 1 ) ( ，：t r + q l x ( 1 - 2 ) “l 6 u ：p 1 x - q i r( 1 3 ) ， “l 若r ，x ，忽略不计，则： u ：q i x ( 1 - - 4 ) u 1 8 0 ：坐( 1 5 ) u l 可见，矾和口2 的幅值差主要由q i 决定，相位差主要由p i 决定。若口l 和霹不 变，则可以通过在a 点安装无功补偿装置来减小q l ，从而减小u ，增大吼的 幅值。 图l 一1 a 系统单相等效电路图图1 1 b 无功功率补偿的向量示意图 f i g u r e l l ao n ep h a s es y s t e mc i r c u i t f i g u r e l - 2 bd e s c r i p t i o no f r e a c t i v ec o m p e s a t i o n 常见的无功补偿装置有并联电容器、调相机、s v c 、s t a t c o m 等。其中调 2 上海交通大学硕士学位论文 相机已经渐渐不被使用。 并联电容器的优点【4 l ：并联电容器是自我调节的装置，不需要控制系统，设 计、安装、维护简单；并联电容器的价格低，损耗小；对提高电压稳定性方面， 并联电容器降低了崩溃电压：通过投切并联电容器，尤其是并联电容器组，可以 调节潮流分布，减少有功和无功损耗。 并联电容器的缺点：发生故障时，随着电压的下降，并联电容器发出的无功 功率成平方的下降，无法有效的支撑电压，使系统失去稳定的危险性增加。 s v c 和s t a t c o m 是采用f a c t s 技术的新型无功补偿装置，是无功功率补 偿的发展方向。与传统的并联电容器相比，它们响应速度快，可以根据电网运行 状况的变化，调整并联的等效电纳，从而达到连续平滑调节无功功率的效果。同 等容量的并联电容器、s v c 和s 似r c o m 价格依次增加，特别是s 1 - a t c o m 的 造价昂贵。另外s t a t c o m 的结构复杂，采用的可关断器件多，保护系统复杂， 控制和触发回路要求高，因此设计、安装、维护难度较大，s v c 的结构、控制 系统没有s t a t c o m 复杂，设计、安装、维护相对简单，并联电容器最简单。但 同等容量的s t a t c o m 与s v c 相比省去了大量的电容器、电抗器以及与之相配 套的开关和保护，设备体积减少约6 5 ，装置的安装面积大为减少，特别适合于 在地价昂贵的大城市中使用。 1 1 3s v c 的原理 图1 2 a 晶闸管控制电抗器b 晶闸管控制电容器ct c r 与f c 组成的s v c f i g u r e l 2ad i a g r a mo f t c r bd i a g r a mo f t s ccd i a g r a mo f t c ra n df c 静止无功补偿装置s v c ( s t a t i cv o l t a g ec o m p e n s a t o r ) 包括如图1 2 a 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 ) 和如图1 2 b 晶闸管控制电容器 ( t h y r i s t o rc o n t r o l l e dc a p a c i t o 卜- t s c ) ，以及这两者的混合装置( t c r 盯s c ) ， 或者如图1 2 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 ys w i t c h e d c a p a c i t o r - - - m s c ) 混合使用的装置( 如t c r + f c 、 上海交通大学硕士学位论文 + m s c 等) 嘲。 1 1 3 1 移相控制单相交流调压电路的功率因数和谐波分析 如图1 3 所示阻感负载的单相交流调压电路。口为触发延迟角，而电源电压 为 l r 图1 - 3 阻感负载的单相交流调压电路 f i g u r e l - 3o n ep h a s ev o l t a g er e g u l a t i o nc i r c u i t e = b s i n c o t = 4 2 e s i n c o t ( 1 - 6 ) 电路的工作情况由触发延迟角口与负载的功率因数角吼的关系决定。其中 9 l = 甜c t g 百c o l ( 1 - 7 ) 在这种情况下，口角的移相范围为吼- 1 8 0 0 。 根据电路图，可列出如下电路方程： l a i + r i ：劢s i n c o t( 1 8 ) 电源电流i 的表达式 f：熹sin(cot-伊d-sin(asm(cot s m ( 嘞弦等】( 1 - 9 ) i = f 5 = = = = = = l一彩r ) p4 l【l j r 2 + ( 越) 2 。 “”。 所以 s i n ( 口+ 万一妒) = s i n ( a 一伊) e 慨 ( 1 - 1 0 ) 此式给出了口、仇和6 这三个角度之间的关系。当口和吼已知时，即可由 此式确定6 角，从而确定式( 1 - 9 ) 所示的电源电流表达式。 根据电源电流表达式，可对其波形进行傅氏分解，即 i = ( 口。c o s n c o t + b 。s i n n c o t ) ( 1 i 1 ) 式中的傅里叶系数分别为 4 - 海交通大学硕士学位论文 口j 12嘉2口_伊l)一c。s(2i口+2万一伊)一2占伊c。，2， “咖吼蚴叩。l 艘c o s n 吼卜c o s 岬。j 6j1。嘉8in；2口：伊)一sill(2i口+2占一伊)+2jc；8伊。，。， “如吼蚴叩。卜嘶w 岬d 一蚴岬。j 铲舞音 c o s ( ( 斛1 ) 吼) - c o s “村) - 吼) 】 一三： c o s ( ( n - d o t 一妒) 一e o s ( ( n 一1 ) ( 口+ 万) 一妒) 】+ ( i i 万一1 凳c 鬻t g 卜 卿一s 讹悯幽劝七却一幽| ) 行+ 吼ii 2 j 南 南【s 似o + 1 一吼卜s 衄o “+ 回一吼) 】 一三_ s i n ( ( n 1 ) 口一伊) - s i n ( ( n d ( a + j ) 一妒) 】+ ( 1 1 5 ) r7 一 筝老鬻p 一胁矿脚跏”鳓吨却p m ，j ) 九+ 咏伊li 于是按下式可得电流基波的有效值和初相角： l = 去口：+ 砖 ( 1 1 6 ) 静止无功补偿装置的晶闸管控制电抗器( c t r ) ，是电感负载的一个特例。 以上各式中令妒，= 石2 ，且艿= 2 协一口) ，电感负载的单相调压电路移相调压范 围是9 0 0 - 1 8 0 0 。 可求得电感负载时电流基波和谐波有效值，以及总有效值表达式为 ，es i n 2 a t 一2 0 t + 2 x 1 - 2 瓦丐一 ，：_ 呈e_2sin(n+1)(a-7r2)sin(n-1)(ct-x2) ”m l 万一蚪+ 1雄一1 2 s i n ( a - ：, r 2 ) c o s n ( a - t c 2 ) ( 1 1 7 ) ( 1 1 8 ) 鳢塑型塑墼 ( 1 1 9 ) 萎镤黧一黧鬻 相串联，而三相多采用三角形连接。这样的苫矗；妻二i 詈：9 ：例罢主：里抗器 载的交流调压电路的结构。其基本工作原妄二- ：j ? ：3 ：三罢f 就利当于电感负 黧蝻勰相相9 0 1 8 0 0 0 其位善妄蒸她也就脱 罢兰：篓竺竺耋功电流口= 如。时，晶闸管完全导通，导通角万：，8 0 0 ：。： 笑，黧黧警主导黑篓瑚其吸收的蒜磊功蠹 冀竺舰蝴扣n ，s o o 之吼晶高；蒜善：誉薯 兰三墨，三警黧撇果就是减小懈的基波绳相当于磊 偿慧耋繁哩嫠黧电纳，因而减少了其i 磊萎i 茹灭例、 可篙黧紧，岂罂一磊甚拦淼晶线。 昙慧兰墨碧妻譬黧繁是二荠豢基麓麓誉蠹紫 羹晨熏嬲：繁鬯竺效感抗的筷蒜葚盖二嚣t 册每c r 之叶- p ) i ：都 禁嚣蒙雾篓的纛警三! ；荔荔蠡：豢兰嚣，都是控制系 黧黧繁黧二筌黧絮磊嘉萝茹结主篙；翥耋嚣 蓑耋篱蝴鞭池靛耐偿时的正常三磊茗蔷。妄巍耋篡豢 小l 曲；，j l g u r e l _ 4 、厂0 1 t a g e - c u r r e n tc h 黝c t e r i s t i co f t c r 由上节的推论可知，t c r 电流的基波分量与晶闸；通；之间的关系为： ( 1 - 2 0 ) 等。 上海交通大学硕士学位论文 其中u 是系统电压，x l 与晶闸管串联电抗的感抗值。因此t c r 的等效电 纳为： 耻百8 - s i n 8 啦一半( 1 - 2 1 ) 其中，等效电纳最大值为b l 一= l x 。可见，导通角万与t c r 等效电纳 之间非线性的关系。将其绘成曲线，如图1 - 5 所示。 1 o 8 术 j0 6 昱 脚0 4 较 淞o 2 0 02 0 4 06 08 01 0 01 2 01 4 01 6 0 1 8 0 导通角( 度) 图1 5 导通角万与t c r 等效电纳之间的非线性关系 f i g t l r e l 一5 f i r e a n g l e - i n d u c t a n c ec h a r a c t e r i s t i co f t c r 为了克服这种非线性的影响，通常在触发电路的输入端与触发脉冲形成环节 之间插入一个非线性化环节，称为线性化环节，以补偿导通角与实际等效电纳之 间的非线性，在数字控制电路中采用查表的方法实现，如图1 - 6 所示。 一- 一一一一 磊闰虿犀 触发脉冲l8 形成环节r 塑茎堂j 输 输入 blmzx(8-sins)# t c r 主电路 输 输入 图1 6 触发电路前端的线性化环节及其功能 f i g u r e l - 6d i a g r a mo fn o n l i n e a rm o d e l i ns v cf i r ec i r c u i t 7 一 兰丝塑塑塑丝丝 t c r 的控制策略以闭环控制为主，大多以改善电压调整为目标。图1 7 1 9 是几种控制方式的示意图。 图l 一7 只有电压反馈的控制方法示意图 f i g u r e l - 7d i a g r a mo fs v cc o n t r o l l e r ( v o l t a g ef e e d b a c k ) 图1 - 8 带电流内环的电压反馈控制方法示意图 f i g u r e l - 8d i a g r a mo fs v cc o n t r o l l e r ( c u r r e n tf e e d b a c k ) 图i - 9 具有附加电流反馈的电压反馈控制示意图 f i g u r e l - 9d i a g r a mo fs v cc o n t r o l i e r ( a d d i t i o n a lc u r r e n tf e e d b a c k ) 1 1 3 3 晶闸管控制电容器( t s c ) t s c 的基本原理与t c r 类似。如图1 - 2 b 所示，t s c 是两个反并联的晶闸管 与电容器相串联，晶闸管控制电容器并入电网或从电网断开，同时要串联一个小 电感用来抑制电容器投入电网时可能造成的冲击电流。因此，当电容器投入时， t s c 的电压一电流特性就是该电容的伏安特性，如图1 1 0 。在工程实际中，一 般电容器分成几组，每组都由晶闸管投切。这样，可根据电网的无功需求投切这 些电容器，t s c 实际上就是断续可调的吸收无功功率的动态无功补偿器用。 8 上海交通大学硕士学位论文 图1 1 0t s c 的电压电流特性 f i g u r e l - 1 0v o l t a g e c u r r e n tc h a r a c t e r i s t i co f t s c t s c 设计和运行的关键是电容器投入时刻的选择，也就是晶闸管开通的时 刻，必须是电源电压与电容器预先充电电压相等的时刻。如果不等，由于电容两 端电压不能跃变，将产生一冲击电流，很可能破坏晶闸管或给电源带来高频振荡 等不利影响。一般来讲，希望电容器预先充电电压为电源电压峰值，而且将晶闸 管的触发相位也固定在电源电压的峰值点。因为根据电容器的特性方程 ， = c = ，如果在导通前电容器充电电压也等于电源电压峰值，则在电源峰 。dt 值点投入电容时，由于在这一点电源电压的变化率( 时间导数) 为零，因此，电 容电流为零，随后电源电压( 也即电容电压) 的变化率才按正弦规律上升，电容 电流即按正弦规律上升。这样，整个投入过程不但不会产生冲击电流，而且电流 也没有阶跃变化，就是所谓的理想投入时刻。 1 1 4s t a t c o m 的原理 s t a t c o m 分别采用电压型桥式电路和电流型桥式电路两种类型，直流侧分 别采用的是电容和电感这两种不同的储能元件。对于电压型桥式电路，还需在交 流侧串联上电抗器才可以并入电网。电抗器一方面可以减少桥式电路输出电压中 的谐波含量，另一方面可以使桥式电路输出电压幅值和电网相匹配。s t a t c o m 在正常工作时是将装置并联在电网上，通过调节电力半导体开关的通断，从而改 变交流侧与电网同频率的输出电压的幅值和相位，使该电路吸收或发出满足要求 的无功功率，来实现无功补偿的目的。 其工作原理可以用图1 1 l 所示的等效电路来说明。电网电压和s t a t c o m 的交流电压分别用相量疗，和d ，表示，j x 和r 分别表示线路电抗和电阻，则z 和r 上的总电压降落口j p 7 ，和d ，的相量差，而流过它们的电流就是s t a t c o m 从电网吸收的电流，。因此，改变电压d ，的幅值及相对于d ，的相位就可以控制 9 上海交通大学硕士学位论文 s t a t c o m 从电网吸收电流的幅值和相位，也就是控制了其吸收无功功率的性质 和大小p ”。 l 、，- j u l 图1 1 1s t a t c o m 与系统连接图 f i g u r e l - 1 1d i a g r a mo f s t a t c o m c o n n e c t e dt os y s t e m 分析可知，s t a t c o m 共有四种工作状态，分别如图1 1 2 a 所示。 as t a t c o m 吸收有功和无功功率bs t a t c o m 吸收有功功率发出无功功率 p = u i c o s _ ( o 0 q = u l i s i n o 0p = u j ，i c o s o 0 q = u i s i n o o 图1 1 2s t a t c o m 工作原理图 f i g u r e l - 1 2p r i c i p l es c h e m a t i c so f s t a t c o m 1 1 4 2s t a t c o m 的谐波消除技术 采用电压桥式电路的s t a t c o m 可以工作在两种运行方式下：正弦脉宽调 制( s p w m ) 和方波运行，两者各有优缺点。正弦脉宽调制( s p w m ) 下，交流 侧电压谐波含量小，但自关断器件的工作频率高，产生的功耗相应增加，易造成 装置工况恶化。方波运行方式下，自关断器件功耗小，但由于一个周波内只关断 1 0 上海交通大学硕士学位论文 一次，交流侧电压的谐波含量比较大，需采取措施对输出电压加以改进1 7 “| l 。 多重化技术是方波运行方式下改进交流侧输出电压的常用方法。它借助变 压器对多个逆变器进行串并联，通过适当地选取各逆变器触发脉冲的时间，将多 个逆变器输出的方波型号叠加，来逼近正弦波，从而在不提高自关断器件工作频 率的情况下达到消除此谐波的目的。常用的多重化技术包括采用曲折连接变压器 和星三角连接变压器两种结构形式。1 9 9 1 年日本研制成功的8 0 m v a ra s v g 装 置采用了曲折变压器。它由变压器以曲折方式将多个电压源逆变桥串并联，分别 记为0 0 、卢o 、2 p o 、，l o 桥。其中对应于0 0 桥的变压器输出侧和逆变器输出 侧电压的基频分量相位相同，而对应于桥的变压器输出侧电压超前逆变器输 出侧电压的基频分量卢o ，这样当o 桥触发脉冲滞后0 0 桥触发脉冲卢。时，两者 输出侧电压基频分量的相位相同，但高频分量相位相差( 研一1 ) o ( m ：谐波次 数) ，相互抵消得到消除。通过分析可知，由此构成的n 重化三相对称装置的最 低谐波为( 6 n - i ) 次。 曲折连接变压器尽管有效，但由于需要特殊设计变压器，提高了装置成本和 复杂程度。由于当三相变压器采用y 接法时也会产生3 0 0 的相移，所以同理， 可利用此相位差，配合适合的触发脉冲来消除谐波。1 9 9 5 年美国研制成功 1 0 0 m v a ra s v g 装置，利用多个y 接法和y y 接法的单相变压器来消除谐 波，其输出侧电压基 b 相 c 相 图1 1 3 星三角连接变压器输出侧电压基波分量 f i g u r e l 一1 3y a t r a n s f o r m e rv o l t a g eb a s e 丘e q u e n c yc o m p e n s a t e 1 1 4 3 主电路分析及采用开关函数法对s t a t c o m 进行稳态分析 本文以四重化，单相全桥电源逆变器的电路结构，利用星三角连接变压器 上海交通大学硕士学位论文 消除谐波的电路如图1 1 4 为例，利用开关函数法建立s t a t c o m 的暂态模型， 再由暂态模型推出稳态模型【”。 分析时假设： 1 ) 三相电路参数对称； 2 ) 逆变器和变压器为理想器件，整个装置的损耗用等效电阻表示，电感用 等效电感表示： 3 ) 不考虑变压器输出侧电压高次谐波分量。 t 图1 - 1 4s t a t c o m 的主电路结构 f i g u r e l 一1 4d i a g r a mo fs t a t c o mc i r c u i t 装置中每个单相桥逆变器如图1 - 1 5 所示，整个装置如图1 - 1 6 接入系统。 每个单相变压器交流侧电压“0 ) = 勋l r ( ，) ，k 为绕组变比，“l r ( f ) = s ( 8 ，0 ，t ) ， s ( 8 ，占，0 为开关函数，如图1 - 1 7 所示，其中万是对应于系统参考电压的参考角， 即每重桥的触发角，0 是脉冲宽度。根据付氏分解，则 s p 川= 昙s i n 罢s i n 向一艿) ( 1 - 2 1 ) k 臣( f ) 图1 1 5 单相桥逆变器 f i g u r e l 1 5o n ep h a s ec o n v e t o r 1 2 上海交通大学硕士学位论文 三二u s 图l - 1 6s t a t c o m 装置与系统连接图 f i g u r e l - 1 6d i a g r a mo f s t a t c o mc o n n e c t e dt os y s t e m 图l 一1 7 开关函数s ( 8 ，0 ，t ) i q g u r e l l - v u n c t m ns 【，0 ， 因此，星三角连接变压器输出侧a , b 间线电压为： ( r ) 2 “a i d + “a o ) + “r k + “r ( f ) ( 1 - 2 2 ) = “地，盈+ “巩：孤+ “l r , 3 k - u t & 3 七+ 甜地k - u z e b ( k 根据假设( 3 ) ，只考虑其中的基频分量，并且将式( 1 2 1 ) 代入上式，则 o ) = 昙s i n 缸( f ) 廊s i n ( c o t 叼+ 二4s i n 0 2 “出( t ) x 3 k s 凇一万一刃 + 导s i i l 罢“出( r ) 孤s i n ( c o t 一万一3 0 。) 一= 4s i n 呈“出( f ) 孤s i n ( 耐一j 一1 5 0 。) 石z石 2 一 + 昙s i n 詈“出( f ) 孤s i n ( 研一占- 3 0 。- f 1 ) 一昙s i l l 昙“如( r ) 豇s 似研一万- 1 5 0 0 - f 1 ) 2 冗二霄 一 = 竽s 血譬触删s 坳岳争 ( 1 2 2 ) 其中，是每重桥触发角间的相位差，同理，可以得到b , c 间和c , a 间线电压分 别为 o ) = 半s i n 知譬妇删s i l l ( 删一譬刎) ( 1 - 2 3 ) “。( f ) = 三鱼鱼s i n 导c 。s 譬妇出( f ) s i n ( 埘一j 一拿+ 1 2 0 。) (124)7 2 zz 由线电压，可知a c 相电压分别为b 苎堑至堡塑兰兰丝垄苎 ( f ) = 警s h 詈c 。s 鲁妇。( f ) s i n ( 研一万一等一3 0 。)( 1 2 5 ) = 萼s i n 詈c 。s 生2 砌。s i n ( 研一j 一譬一1 5 0 。) ( 1 2 6 ) 一1 ，r 6 s i n2 0 c o s f l k u e ( t ) s i 嘶一艿一等+ 9 0 。) ( 1 2 7 ) 根据图2 - 1 5 ，则a , b ，c 相电路方程分别为 工竺笋一1 万6 s i n 0 2 s 譬b 出( t ) s i n ( r o t 小等_ 3 0 。) 一皿。i n 妇) 吨( r ) ( 1 1 2 8 ) 三掣= 警s m 罢c o s 譬勉出s m 一占一譬一s 0 0 ) 一弛。加白一，2 0 0 ) 一心( ，) ( 1 一：9 ) 三掣= 等s 如知譬砌删n ( 一一譬+ 9 0 0 ) - q 呸u , 咖( o r 化。) 啦( f ) ”，0 ) 其中，玑是系统电压有效值。另一方面，由能量守恒可得 c 堕笋= 一k 乇 + p ) + o ) 之。) 】( 1 - 3 1 ) 由以上各式得 c 掣一* 0s 譬p 砸耐- 州8 - f l 啪- 撕3 0 。) 小+ i b ( t 铀) s i n ( c 0 0 ) o t - + 6 1 5 呐卜 式( 1 ，2 8 ) ( 1 - 3 2 ) 组成了s n 虹c o m 接入系统肘的方磊。 。 竺篓奎量控制理论和瞬时无功功率的定义，三相平衡时，s t a t c o m 送入系统的 有功功率和无功功率分别为： p ( r ) = 吾k ( f ) 乞+ 和( ，) 移( ，) 】 ( 1 3 3 ) g ( 。= 三k 芦( f ) ( f ) 一( d - ( r ) 】 ( 1 - 3 4 ) 根据口，坐标系统与a ，b ，c 坐标系统的变换关系 阱咿 以及系统三相电压对称的假设 o | 蠕 、 矗 一怖 h 一洲x 引 a 。5 ( ，) + ( r ) + & ( f ) = 0( 1 - 3 6 ) t 4 上海交通大学硕士学位论文 可将上式化为： p ( f ) = 2 u 毛( f ) ( f ) + 甜屯0 ) 乇( f ) + 2 u 矗( f ) ( f ) + u s b ( f ) 屯o ) ( 1 3 7 ) q ( t ) = 1 3 u j ( t ) i , ( t ) - l - 3 u 毛( f ) 乇( f ) ( 1 - 3 8 ) 当系统电压恒定时可得： p = 普s i n 2 ( 万+ 譬枷0 ) q = 普2 s mz ( 稚2 枷。 一 r lj ( 1 - 3 9 ) ( 1 4 0 ) = 磊3 也d 2 7 r u 。, 鲥f c a l s m ( j + 知。卜。s ( 占+ 扣o ) c - 圳 22 即得到s t a t c o m 接入系统时的稳态模型。 1 1 4 4 控制策略 s t a t c o m 的控制器通常由内环控制器和外环控制器两部分组成。外环控制 器用于提供内环控制器所需的无功功率参考值，常用的外环控制器包括电压镇定 器( a 、佩) 和功率振荡阻尼器。内控制器的基本任务是产生一个同步的驱动信号， 从而在变流器的输出电流和无功之间建立一种线性的关系。而为了达到对电流快 速控制的目的，在目前的装置中均采用基于瞬时有功与瞬时无功理论的所谓空间 矢量法。 由于电力系统的非线性和其负荷参数的不确定性，使得f a c t s 控制器必须 具有很强的自适应性，迄今还没有一种控制策略可以从根本上解决所有问题。常 规的p i 控制用于s t a t c o m ，由于电力系统的非线性时变性质难于找到一个在 全局范围内均适用的优化的调节器参数。而通过反馈线性化的方法将非线性系统 变换成线性系统，然后再以线性系统理论完成对控制器设计的方法简单易行，可 使控制器的适应性在大范围内得到改善。图1 1 7 和1 1 8 所示为恒无功功率p i 控制和恒电压p i 控制。其它的控制方式还有v o 控制法，模糊控制等9 “m 。 上海交通大学硕士学位论文 图l - 1 7 恒无功功率p i 控制策略框图 f i g u r e l - 1 7d i a g 撇o fs t a t c o m c o n s t a n tr e a c t i v ef l o wc o n 订o l l c r 图1 1 8 恒电压p i 控制策略框图 f i g i l r e l - 18d i a g 锄o fs t a t c o mc o n s t a n tv o l m g ec o n 订o l l c r 1 1 5s v c 的发展现状 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其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( e p 融) 的支持下，西屋电气公司制造的使用晶闸管的静止无功补偿装 置投入实际运行。随后，世界各大电气公司都竞相推出各具特点的系列产品。我 国也先后引进了数套这类装置。西安电力机械制造公司已具备了自行设计制造这 类装置的能力弼。 目前，由于s 1 ：f 虹c o m 的出现及其显著的优越性使得从事s v c 装置和策略 研究的机构减少，但是由于s v c 的技术成熟，在国内外得到广泛的应用，各生 产部门对其在实际电网中的应用研究投入了很多力量【1 1 1 ”。 1 6 上海交通大学硕士学位论文 近年来国外的s t a t c o m 研究发展相当迅速，其示范性工程不断出现，其中 有 6 1 ： 夺1 9 8 0 年，日本关西电力公司与三菱电机公司合作在世界上首次研制出应用于 高雅输电网的采用晶闸管( s c r ) 的强制换相逆变器型静止无功发生器( s t a t i c v a rg e n e r a t o rs v g ) 装置( 7 7 k v 2 0 m v a r ) ： 夺1 9 8 7 年，日本东京电力公司( t e p c o ) 和日立、东芝公司联合研制出采用可 关断晶闸管( g t o ) 的2 5 0 m v a r 的自励式a s v g ( 日立与东芝公司各生 产一套) ，安装在t e p c o 的新信浓1 0 0 k v 变电站并投入运行； 夺1 9 9 1 年，日本关西电力公司与三菱电机公司又联合研制出容量为8 0 m v a r 的a s v g 装置，安装在关西电力公司所属的1 5 4 k v 犬山开关站并投入运行； 夺1 9 9 6 年1 0 月，美国电力科学研究院( e p ) 、美国田纳西电力局( t v a ) 和 西屋电气公司合作，研制出目前世界上最大容量的一套1 0 0 m v a r 的 s t a t c o m 装置，安装在t v a 电力系统所属的1 0 0 k v 变电站并投入运行； 夺最近德国s i e m e n s 公司正在研究容量为2 4 m v a r 的对风力发电机群进行动 态调节的s t a t c o m 装置，将安装在和朗的r e i j s b y 风电厂的6 0 k v 变电站中。 相比之下，我国在s t a t c o m 的研究工作上还处于比较落后的阶段。1 9 9 6