（电力系统及其自动化专业论文）基于bp神经网络的statcom控制研究.pdf

a b s t r a ( x s t u d yo nt h ec o n t 氏o lo fs 谢e o 赫b a s e do n b pn e u r a ln e t w o r k a b s t r a c t a l o n gw i t ht h e i n c r e a s i n go fm o d e mp o w e rs y s t e m s s c a l ea n d 铡黼炳啦，薹l 曲醴磷榉f 嗽罐陵商眦遗瓣鹫蝴畦轴喇憾撕a n d 耥 c o m p l e x t h er e q u i r e m e n tt or e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o ni s m o r ea n dm o r e s t r i c t 。m o r ea d v a n c e dr e a c t i v el o a dc o m p e n s a t i o ne q u i p m e n t sa n dm o d e sa r en e e d 8 t a t c o mi san e wk i n do fr 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 tw i t ht h e k e r n e lo fc o n v e r t e r ；w h i c hi sd e v e l o p e di n7 0 sl a t e2 0c e n t u r i e s ，i th a ss u p e r i o r i t yi n f a s tr e a c t i o n 、h i g hp r m s i o n 、a n dt h ec h a r a c t e rt or e a l i z em u l t i f u n c t i o n 、m u l t i o b j e e t c o n t r o l ，s oi th a s g e tc o m p r e h e n s i v e l y a t t e n t i o ni nt h ef i e l do f p o w e r s y s t e m r e c e n t l y , s e v e r a lc o n t r o lm o d c sl i k eo p t i m u mc o n t r o l 、a d a p t i v ec o n t r o l 、 d i f f e r e n t i a lg e o m e t r yc o n t r o la n de t o 瓣a v a i l a b l ef o rt h es t a t c o mc o n t r o l , b u t e a c hh a si t ss h o r t c o m i n g t h i sp a p e rb a s e d0 1 1t h ed e d u c e dd y n a m i cm a t h e m a t i c m o d e l , b r i n gf o r w a r dak i n do fc o n t r o lm o d et h a tb a s e do nb a c kp r o p a g a t i o nn e u r a l n e t w o r k b a s e d0 1 1t h ec o o r d i n a t et r a n s f o r m a t i o n 氇e o r y , as e to fs t a t e e q u a t i o n sf o r s t a t c o mi sd e r i v e d ，a n di ti sl i n e a r i z e da tt h ep o i n to f 疏，a c c o r d i n gt ot h e o p t i m a lc o n t r o lt h e o r y , ae x p r e s s i o nw h i c hf a c i l i t a t e st oe x e r tac o n t r o lo v e r 艿b y u s eo f i a u d t 、a i q 、后i sf o u n d d i f f e r e n tk w h i c hc o r r e s p o n d i n gt od i f f e r e n t t 二a n d 氐 a r ee d u c e d b y r i c c a t ie q u a t i o n ，a n da p p l yi tt on e u r a ln e t w o r k s i m u l a t i o n i no r d e rt od e c r e a s es y s t e mh a r m o n i cc o m p o n e n t s ，t h em e a n so fc r e a t i n gp w m w a v eb a s e do nh a r m o n i cs u p p r e s s i o np r i n c i p l ei si n t r o d u c e df o rt h es t a t c o m d r i v e p u l s e ：a t t a c hf i l l i s t e rt oc e r t a i na n g l eo ft h es q u a r ew a v et od e p r e s su s e l e s s h a r m o m ca n dc o n t r o lf u n d a m e n t a lc o m p o n e n tm a g n i m d e ，t h e nu s eb pn e u r a ln e t w o r k t oc a l c u l a t ee a c ha n g l eo f t h ef i l l i s t e r kt h i sp a p e r , t h es i m u l i n ks i m u l a t i o ns o f t w a r ei su s e dt os t u d yv a r i o u s c o m p e n s a t i o ne f f e c t so fs t a t c o mu n d e rt h ec o n t r o lo fb pn e u r a ln e t w o r k i ti s n * p r o v e dt h a tt h i sc o n t r o lm e t h o di sp r a c t i c a b i l i t ya n ds u p e r i o d t y k e y w o r & ： s t a t i c s y n c h r o n o u sc o m p e n s a t o r , h a r m o n i c b a c k p r o p a g a t i o nn e u r a ln e t w o r k , s i m u l a t i o n i l l s u p p r e s s i o n , 符号说明 屯 珞 0 冁 国 绣 l 。 “出 磁 p q s s t a t c o m g t o p w m s v e t h d 符号说明 v i a 相瞬时电聪 a 相j | 舜时电流 毫流蠢囊分豢 电流无功分量 电压商功分蠢 电压燹功分爨 基波角频率 基浚角频率嫠准篷 电压基准值 电流簇准值 阻挠纂建崖 s n w c o m 电容电压 系统频率 系统襁电压 有功功率 无功功率 视在功率 静止无功发生器 f 1 缀霹关断鬣闻管 脉宽调制 静丘无功静嵇器 总谐波畸变搴 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解广西大学有关保留、使用学位论文的规定，即； 广巍大学攒有在蓑诈权法规定藏圈肉学谴论文靛使瓣粳，其中包 括：( 1 ) 已获学位的研究生必须按学校规定提交学位论文，学校可以 采用影印、缩印或其德复制手段保存研究生上交的学位论文；( 2 ) 为 教学帮科研曩的，学校可以将公牙的学位论文作为资料褒图书馆、资 料室等场所供校内师生阅读，或在校园网上供校内师生浏览部分内 容。， 本人保证遵守上述规定。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 作者签名：一犍哮羔2 宝一 日期：k d 压，羔名 导师签名： 日期： 望91 选 型：i ：妥 、- j 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 毫力怒蓬民经济的基撩，现代工监、农堑、箧茨、交遁运输释稀磅等各行 各北，对电力的需求和依赖正变得越来越强烈。现代电力系统以犬机组、超高 篷壤嚣为黪赢，箕瘫攘窝笺杂程魔苓羲增麓，缳谖亳力系统安全稳定运盼骥及 提搿电能质量就成为日趋箜要和紧迫的研究课题。 毫力系统霹终巾不仅大多数受载要瀵耗无功凌率，大多数羽络组终瓷器消 耗嚣功功率。网络组件和负载所需骚的无功功率必须从网络中某个地方获得。 这黧无功功率鼓发怒瓿提供劳经过长距离传送是不会理熬，逶豢氇蹙苓露戆兹。 因此，需要在消耗凭功功率的地方进行无功功率补偿。 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 ) 燕激变浚嚣为竣，戆毅鏊无功 补偿设备，可以实现快速的动态无功补偿，提高动态电压稳定性，维持长距离 输电线懿壤压在委渗水平，阻尼功率援荡，改善系统阻尼，挺裹竣电系统静态 稳定和暂态稳定【1 1 。 s t a t c o m 能黉象人们凝待懿那样在魄力系绞中起至莰速无功 偿、维持繁 点电压等作用，很关键的一点是在予其控制器的设计水平。由于电力系统的强耦 台、菲线性、网络参数时变性以及s t a t c o m 状态方程缎雏菲线燃，搜缮求鳃 非线性方程组非常困难而鼠所用时间很长，利用b p 神经网络求解j 线性方程快 速雀时，克服了以上的困难，并且具有很好蛉鲁棒性，将其应用- 7 ：s t a t c o m 控制器设计有广阔的前景。目前已公开的进入实用的s t a t c o m 控制器设计都 是激用经典p i d 或蜀部改避的p l 控制方式，因此研究簇于b p 神经嬲络的 s t a t c o m 控制器，是理论上的创新而且舆有重要实用价值。 1 2f a c t s 装置的研究历史与现状 睫羞电力系缓貔发袋，电溺结稳霾蓥笺杂，发电厂戆擎疑容量不叛溪大，对电 力系统中电器设备的性能和安全运行的控制手段也就提出了更高的要求。在现 代交流稳瞧系统中，虽然谤冀搬缛戮了广泛豹运弱，毽裁其羧割手段瑟畜，爨然是 机械式的。无论是发电机的调速器、断路嚣，还是有载变压器和移相器，在控制的 第一章绪论 终端。簸终还怒落实到机械动佟上。在电力系统的稳定控制中，遮度往往是成败韵 关键。因此电子化的掇制手段取代单纯的枫械控制已经成为现代电力系统的 种趋势。 2 l 世纪的输电系统的运行将承受烫大的卷自环保舜h 电力市场等方蕊的压力， 这就需要电两解决一系歹| j 问题。髓着魄力市场机制的逐步推遂，巨大静发电量由 发电公司先卖到市场，褥转卖给用户，这就需要增大输送能力。功率输送的变化次 数也簧快速增加，系统酌控翻会更复杂；电力市场还要求暴黉隧经过特定的“合黼 途径一去控制功率流向，在互联电网中如果再使用传统的控制方法已缀不能满足 大幅度调节静簧求。黻电子撩剃器来加强可控性秘增大电力健输能力的交流输 电系统可适应现今电力系统的发展。而f a c t s 技术磁是可解决此类问题的有效 途径。 所谓f a c t s 技术弓甏性交流输电系绕，是指裴有电力电子型或其它静止 鍪控铡器戳蠢霸强系统霹控毪帮灌翔功率传输镣力熬交流输奄系统。f a c t s 援宋 是利用现代大功率电力电子技术改造传统交流电力系统的一项重大改革，被认为 莛2 | 毽纪裙霹孩实藏躲技术敬苹接纛，已成为鍪今发达餮家戆秀赛磺兖戆热纛。 f a c t s 技术怒基于电力电子技术改造交流输电的系列技术，它对交流电的无功、 毫嚣、龟莸帮攘建霹貘透露控制，麸嚣黥有效撵裹交滤系统豹安全稳定经，满足电 力系统长距离、大功率安全稳定输送电力的要求。f a c t s 技术从根本上改变了 交滚壤嚣过去基本主廷藏靠缓攫、弱叛戳及誉壤礁设餐送霉搬藏控裁麴是委，隽 交流输电网撮供了空前快速、连续和精确的控制手段以及输遴优化潮流功率的 戆力，弱鞋保诞系统稳定缝，登骞助予嶷事放发生薅转止连续爱应造成豹大瑟辍 停电。 ” 农f a c t s 技术豹悫更方覆，美辔一室走农毽赛蓑劐。1 9 8 2 年美鬣在b p a 公 司的5 0 0 k v 变电站中投运了一台8 4 m w , 最大功率i o m w 的超导磁能存储系统 ( s e m e ) 。消除低频振荡，效果惑好。1 9 8 6 每l e 月，由美圈e p r i 髑疆屋公司礤铡的 - i - m v a r 静止冤功补偿器：( s t a t c o m ) 投入运行，这是世界上首台采用大功率g t o 作为逆变器元 牛的静止 b 偿嚣。1 9 9 1 簪美国a e p 公司在一条3 4 5 k v 输电线上浆 三相常规串补中一褶作了可控串： b ( t c s c ) i 业试验，次年就在h r i t n 的一条 3 0 0 k m 2 3 0 k v , 3 0 0 m w 的输魄线上装设三棚t c s c ，就把输电能力提高到了 4 0 0 m w , 效栗驻著。s l a t t 变电站5 0 0 k v 线路上的t c s c 是茸前世界上电压等级最 高的t c s c ；荚w a p a 电力公词的l i b e r t y 变电站利用t c p s 设蠡将l 瞄近的几座发 2 第一章绪论 电厂的电力通过该懿瘸转遴弱南热髑。至1 9 9 3 年，荛国e p i 组织t k 大电力公司 进杼了f a c t s 技术协作性全面应用研究。美国电力( a e p ) n 西屋公司以及美国 e p 鞑合作，轿制日静鲢界上唯一的u p f c 统一潮流控制器，并即将在k e n t u r k y 东部的i n e z 变电站装设，这是目前为止容量最大的f a c t s 设备。熬个u p f c 容 量为_ _ _ 3 0 0 m v a , 茭中串联部分为溺步静止帛联补德i l 嚣( s s s c ) ，是蟊前世界上在电 力输电线路上安装的第一台同类型装置，其并联部分为s t a t c o m ，两者作为一个 篓律裁是u p f c , 宝既霹缭持端瑰蓬，又萄调节线龉潮流。解藕稀可分掰千# 为 s t a t c o m 和s s s c 各自独立运行。除美国之外，法网、日本、英国、巴西等囤也 积搬开震络含本国特点静f a c t s 技术研究。1 9 8 0 年l 弱，疆本关谣电力公司与 三菱电机公司共同研制并投运了世界上首螽s t a t c o m 样机，采用了晶闸管强制 羧耀豹宅纛整递交嚣，容量为2 0 m v a r 。1 9 9 1 年，由瓣本关谣逛力公麓与三菱电杌 公司采用g t o 研制了8 0 m v a r s t a t c o m 在犬山变电站投运，在1 5 4 k v 系统中 运纾，维持了1 5 4 k v 系统长凝离送毫线路串溺电压懿恒定。实现了提离系统稳定往 的目的。此外，英国阐家电网公司在其4 0 0 k v 系统内安装由法国a l s t o m 输配电公 司磅稍静静壹无功李 偿系统。餐嫠寨曩为0 , - - 2 5 5 m v a r , 麸瑟掇蔫英国魏部往南整豹 电力输送功率。 在f a c t s 毅术戆磅究瘟建方露，我国逐楚在发震除段，还不够成熬。焱灏蔻 的风凰山炎、广东江门变、河南小刘变、湖南云冈变、东j b 沙窝变等5 家已将 静止无功发生n ( s v c ) 应麓予50 0 k v 线路中，杰矮s v c 动态控毒l 电溺无功功率方 面积累了大量的经验。1 9 9 4 年，清华大学与河南省电力局合作研制了我国酋台新 型鲍f a c t s 控制爨生2 0 m v a r 戆錾型黪壹无功发生嚣( a s v a ) , 予1 9 9 7 年运 行于河南电网。a s v g 与电网同步，根据发出或吸收的无功q ，计算出逆变器应该 发感的电蹶嚷篷毽露魏援褒了电婀控制功率、电蕊憨毙力戳及稳定蕤力。毫力 科学研究院、清华大学等许多科研单位和高等院校在分析应用程序中建立了他 们豹模型麾。电科院积东她电管局及涛华大学等合俘疆铡戆5 0 0 k v 验可按串 可c s c 装置，应用于东北伊敏火电厂的出口输电线上以提高输电线的输电容 量及系统稳定性。1 9 9 9 年，+ _ _ 2 0 m v a r s 豇玎c o m 在河南珞姻螅朝阳变电站莠网成 功，并依次通过了河南电力试验研究所和中国电力科学研究院的性能试骏，测试 结果表明该装置这副了颈麓的各项设计指标。臣翦，三蛱电网工程廷在紧张进露， 四川电网与华中电网及华东电网联网已经实现，这就需要我们能够做到较大范围 内的水、火电补偿和跨区域调节。此外，还窍一批联瞬工毽在积极筹划或实施中， 3 第一章绪论 预计2 0 l o 2 0 2 0 年间中国将实现除西藏、台湾以外的全国大联网的态势。联网 后带来的电网运行控制问题将会十分突出，因此，我国对f a c t s 技术有着更大的 渴望和需求。 1 3s t a t c o m 的研究历史与现状 1 3 1s t a t c o m 理论研究 s t a t c o m 【2 j 是在2 0 世纪7 0 年代末随着电力电子技术的发展尤其是高压大 功率的门极可关断晶闸管g 1 d 的出现而逐渐发展起来的。1 9 7 6 年美国学者 l c , y u # 提出利用半导体变流器进行无功补偿，此后世界各国对s t a t c o m 的 理论与实践研究逐步兴起，8 0 年代中期灵活交流输电技术出现以后，对 s t a t c o m 的研究进一步深入。s t a t c o m 理论研究上的成果主要集中在系统模 型的建立、控制器设计以及装置在电力系统中作用等方面。 自s t a t c o m 问世以来，其控制器控制类型主要有以下几种方式： l 线性p d 控制口】【4 j ，迄今为止所有已公开的实用s t a t c o m 的控制器都 是采用p d 或局部改进的p i 控制。这种控制方法在一定范围之内通过向系统提 供有效的电力支撑，可以维持接入点的电压基本不变。缺点是大干扰下难以满 足提高系统电压稳定的要求。一 一 2 最优控制【5 】，2 0 世纪7 0 年代初引入到电力系统控制中，是目前现代控制 理论中应用最广泛的一项控制技术，有关论文也印证了，可以设计出线性最优 控制的控制器，它能增加系统的同步阻尼系数，利于电压的稳定。缺点是由于 针对局部线性化模型来设计，因此在强非线性的电力系统中的控制效果不理想。 3 自适应控制咖，自2 0 世纪8 0 年代中期开始研究，其控制效果优于固定参 数的控制器，仿真表明自适应控制的s 1 a r c o m 在较大的干扰下仍能保持良好 的阻尼特性，鲁棒性较强。缺点是该控制算法的参数在线辨识复杂程度较高， 计算速度慢，控制响应滞后影响了控制精度。 4 微分几何控制【1 克服了传统的局部线性化固有的局限性，几乎对所有的 运行点都起作用。缺点是要求系统参数确切可知，但电力系统是强耦合的非线 性系统，其负载处于时刻变化之中，参数不是确切可知；其次，微分几何控制 对接入点的电压不做考虑，理论上无法保证接入点的电压具有良好的动态响应。 第一章绪论 1 3 2s t a t c o m 装置发展 1 9 8 0 年1 月日本关西电力公司与三菱电机公司共同研制的世界首台 s t a t c o m 样机投入运行，它采用品闸管强制换相的电压型逆变器，容量为 2 0 m v a r 。1 9 8 6 年美国的e p r i 与西屋公司等研制的1 m v a r s t a t c o m 在纽约州 的s p r i n g v a l l e y 投入示范运行；1 9 9 1 年日本的三菱公司与关西电力公司共同研 制的8 弧知积弧射c o m 在l n u y a m a 开关站投入1 5 4 k v 系统运行；1 9 9 2 年东京 电力分别与东芝公司和目立公司开发的两台5 0 m v a rs t a t c o m 在新信浓电站 投入使用；1 9 9 5 年美国的电力科学院e p r i ，田纳西河流管理t v a 与西屋公司投 运了一台1 0 0 m v a r s r c o m ；1 9 9 7 年由德国西门子公司开发研制的 8 m v a r s t a t c o m 在丹麦的r e i s b yh e d e 风场投入运行；目前为止世界上最大 容量的s t a t c o m 是美国a e p 统一潮流控制器项目中的并联部分 1 6 0 m v a r s t a t c o m ，已于1 9 9 7 年开始运行。 国内对s t a t c o m 的研究开始于9 0 年代。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。1 9 9 4 年，原河南电力局决定开发土2 0 m v a rs t a t c o m ，在 项目合作方清华大学的积极配合下。3 0 0 k v a r 的中间工业样机于1 9 9 6 年1 1 月 通过了电力部组织的专家评审，1 9 9 7 年在河南郑州的孟砦变电站进行了现场测试 和试运行。1 9 9 9 年3 月在河南洛阳2 2 0 k v 朝阳变电站2 0 m v a rs t a t c o m 并网 成功，成为中国f a c t s 研究应用领域的一个里程碑，杯志着我国成为国际上第四 个拥有大容量s t a t c o m 制造技术的国家。2 0 0 1 年2 月，国家电力公司电力自 动化研究院也将5 0 0 k v a r 的s t a t c o m 投入了运行【1 】o 1 4 无功功率的产生和影响 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。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。近年来，随着电力系统中非线性用电设 备，特别是电力电子装置应用的曰益广泛，而大多数电力电子装置功率因数较 低，工作时基波电流滞后于电网电压，要消耗大量的无功功率，也给电网带来 额外负担，并影响供电质量。无功功率正受到越来越多的关注，其主要有以下 影响： 第一带绪论 ( 1 ) 增加设备容量。无功功率的增加会导致电流增大和视农功率增加，从而 使发电机，变联器等各神电气设备的容量和导线的容爨增加。阕畦，魄使得电 力用户的起动及控制设备，测纛仪表的舰格也瑟相应的加大。 ( 妨设备及线路损耗增挽。无功功攀的增搬，使总魁巍增大，医嚣搜设备及 线路的损耗增加，这是驻而易j l i 的。设线路中电流j 由有功分豢而和茏功分篮 厶组成，线路电阻为r ，则线路损耗为； ! a p = ，2 r = ( ，：+ 露) r = ! 二；望一霹 ( 1 1 ) 其巾汜2 v 2 这部分掇耗就怒无功功率弓j 起的。 ( 3 j 使线路和变压器的电压降增大，若是冲击性无功功率负载，述会使电艨 产生剧翔波动，使供电质量严羹降低。 在圈l 一1 中 ” z s ：r s + 弘s “ ： # 图l l 等效电路 f i p1 1g 1 n l w l e nc , i m 1 l i t 函弓i 起静电压降a u 为： a u = e - 0 = z s j 另外，负载电流，可由下式求得： j = u ( g 一妒) + ：u 。2 ，g - j u 。，2 b ：= e 。- y q 把( 1 - 3 ) 代入( 1 2 ) 可得： 6 y g i b ( 1 2 ) ( i - - 3 ) 第一章绪论 肌：篡髯 她 卜。， ：墨：! 兰! 望+ ，茎：! 二墨! 翌 u 。 u 分析图中各参数可看出，左和口之间的夹角很小，因此 a 【，。r s p + x s q ( i - 5 ) ， 在一般的电网中，凰比墙小得多，因此可以得出这样的结论：电网电压的 波动主要是由无功功率的波动引起的，而有功功率的波动对电网电压一般影响 较小。例如：电动机起动时功率因数很低，这种冲击性无功功率会使电网电压 剧烈波动，甚至使接在同一电网上的用户无法正常工作。电弧炉、轧钢机等大 型设备会产生频繁的无功功率冲击，严重影响电瞬供电质量。 “) 功率因数降低，设备容量利用少。 1 5 无功补偿的作用 无功补偿是维持现代电力系统的稳定与经济运行所必需的，它对供电系统 和负荷的运行都是十分重要的。电力系统网络中不仅大多数负载要消耗无功功 率，大多数网络组件也要消耗无功功率。网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，通常也是不可能的。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。 无功补偿的作用主要有以下几点 ( 1 ) 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。 ( 稳定受电端及电网的电压，提高供电质量。在长距离输电线中合适的地 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 ) 在一些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 有功功率及无功负衙。 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。 7 第一_ 簟绪论 1 6 无功补偿装置的发展 鬃决电力电子装鬟产生熬低功率麓数翔瑟芩终乎鼹秘途经：一秘燕薅电力 电子装鬣本身进行改进，使其不产生谐波也不消耗无功功率，戚根据需要对其 功率嚣数进弦调节；另一静是装设秘繁装置，妇、无功癸率 偿器等，设法瑟 无功进行补偿。前一种方法需疆对现有电力电子设备进行大规模更新，代价较 大，并且只适髑予终为主要谐波源的电力电予装萋，毅梵有一定豹贯隈性。薅 后一种方法则适用于各种谐波源和低功率因数设备，并且方法简单，融得到广 泛应用。 目前，采阁较广泛的无功补偿方式主要有以下几种： ( 1 ) 同步发电极调整励磁电流，使其凌超兹功攀爱数下运行，输出玄功 功率的间时输出无功功率。 ( 2 ) 同步电动机与藏者的区剐擞要在予同步发电枫位予鑫发电厂，两阉 步电动机位子犬用户熟。 ( 3 ) 同步调相机当同步电动机不带负载丽空载逡行，专门向电网输送尧 功功率时，称为同步调相机。燕要装设于枢纽变电站。 ( 4 ) 并联电容器可提供超前的笼功功率，多装设于降压变电站内，也w 以实彳亍魏施李 傣。 ( 5 ) 静止羌功补偿装置典有调棚机的功能，使用日益广泛，但投资较大。 1 6 1 阔步调相机的工作原理 晕期无功耱嫠装鬟静健表建丽步调稳祝( s y n c h r o n o u sc d e n 刚? 一s c ) 宅 是一种传统的无功功率动态补傣装置，实质是专门用来产生无功功率的同步电 凝。嚣步调稳梳在遂熬磁或欠戆戳懿举嚣凌态下能发滋不霜大夺的容经或感後 无功功率。至今在无功补偿领域，这种装置还在应用。但是，它是旋转电机， 运簿串矮耗帮噪声露院较大，运行维护复杂，晌癍速溲馒，愁难鞋满足抉速动 态无功补偿的骤求。 1 6 2 并联电容器补偿无功功率的原理及方式 教实际懿魄力系绫中，霹犍受载等效成毫骧置鼹电感三串联的邀鼹，其功 率因数为： 8 第一章绪论 嘟尹= 丽r ( 1 - - 6 )嘟舻丽 式中x l = c o l 。 将电容c 并接于r 、l 串联电路后，电路如图1 - - 2 所示： 疗圈 【c ) 图1 2 并联电容补偿无功的电路和向量图 ( a ) 电路( b ) 向量图( 欠补偿)( c ) 向量图( 过补偿) f i g 1 - 2 c i r c u i t sa n dv e c t o r so f s h u n tc a p a c i t o rc o m p e n s a t o r c i r c u i t s ( b ) p h a s o rd i a g r a m ( d e f i c i e n tc o m p e n s a t e ) r c 、d h a s o rd i a m a m ( e x c e s s i v ec o m d e n s a t e i 该电路的电流方程为： 1 = i c + k ( 1 7 ) 由向量图1 - 2 b 可知，并联电容后驴和j 的相位差变小了，即供电回路的功 率因数提高了。这时n 带后d ，称为欠补偿。 如果电容c 过大，使线路电流超前电压，这种情况称为过补偿，如图l - - 2 c 所示。通常不希望出现过补偿的情况，因为这样会引起变压器二次侧电压的升 高，且容性无功功率在线路上传输同样会增加电能损耗，还会增加电容器自身 的损耗，影响电容器的寿命。 9 第一章绪论 电容器补偿通常采用集中、分组、就地三种补偿方式。集中补偿设在企业 或变电站的6 一1 0 k v 母线上用于提高整体的功率因数；分组补偿设在功率因数 较低的终端，补偿范围和容量相对较小但效果更明显；就地补偿设在电感性用 电设备附近，既能提高线路的功率因数，又能改善用电设备的电压质量。 与同步调相机相比，并联电容器的成本较低，费用要节省很多因此，电 力电容器的迅速发展几乎取代了同步调相机。但是电力电容器只能补偿固定 的无功功率，不能实现对无功的动态补偿。在系统中有谐波时，可能发生并联 谐振，使谐波放大。电容器因此而烧毁的事故时有发生 1 6 3 静止无功补偿器的工作原理及方式 从7 0 年代以来，同步调相机开始逐渐被静止型无功补偿装置所代替。1 9 6 7 年，英国g e c 公司制成世界上第一批饱和电抗器型静止无功补偿装置。1 9 7 8 年 美国g e 公司首次在实际电力系统中运行了使用晶闸管的静止无功补偿装置。同 一年，美国西屋电气公司( w e s t i n g h o u s e e l e c t r i c c o r n ) 制造的使用晶闸管的静止无 功补偿装置投入实际运行。 静止无功补偿装置近年来获得了很大的发展，已被用于长距离输电的分段 补偿，也大量应用于负载的无功补偿。静止无功补偿器主要有以下两大类型： 一类是具有饱和电抗器的静止无功补偿装置( s m r m d 鼬妇一- - s r ) ；第二类 是晶闸管控制电抗器c r h y d s c o rc o n t r o l 融邪衄一一t c r ) 、晶闸管投切电容器 f r h y r i s t o rs w i t c hc a p a c i t o r 一一t s q ，这两类装置通称为s v c ( s t a t i cv a t c o m p e n s a t o r ) 。下面简要介绍一下这两类装置的原理。” 1 具有饱和电抗器的无功补偿器( s r ) 饱和电抗器分为自饱和电抗器和可控饱和电抗器两种，相应的无功补偿装 置也就分为两种。具有自饱和电抗器的无功补偿装置是依靠电抗器自身固有的 能力来稳定电压，它利用铁心的饱和特性来控制发出或吸收无功功率的大小 可控饱和电抗器通过改变控制绕组中的工作电流来控制铁心的饱和程度，从而 改变工作绕组的感抗，进一步控制无功电流的大小s r 的缺点是：造价高；损耗 大；有振动和噪声；调整时间长，动态补偿速度慢。由于具有这些缺点，所以 饱和电抗器的静止无功补偿器应用的比较少。 2 晶闸管控制电抗器( t c r ) 1 0 第一章绪论 单相t c r 由两个反并联的晶阐箭与一个电抗器审联组成。其兰桶多接成三 角形，这样的电路并入到电网中穰巍子接入丁电感性负载蠹孽交流调妪电路。此 电路的有效移相范瀚为9 0 。1 8 0 。根据晶闸管的导通角6 与t c r 的等效电 纳间的关系# 既= 吼一( 艿- s i n 5 ) # ，吃。；i x t 可知，当触发角t l - - 9 0 。时， 晶阚管全鲁通，导邋焦6 = 1 8 0 。，匆晶闸管串联的电抗全部接入电稠上，此时 电抗嚣吸收的无功电流最大。当触发角在9 0 。l 踟。间时8 1 8 0 。，晶闸管 都分区阕荨邈。增大麓茇霜鼯霹减参粹嫠器褥等效墩缡，途样就会减夺祷馁电 流中的基波分量，即减少了吸收的免功功率。所以通过调熬触发角的大小就可 班改变李 谣器掰蔽蔽的无葫分量，遮戮调整无功功率躲效聚。 由于单独的t c r 只能吸收无功，而不能发出无功，为了解决此问题，常常 将势联电容嚣与t c 轻配合筏焉祷蘸冤功李 嫠器。稷据授镯魄容器静元俘不秘， 又研分为t c r 与固定电容器配合使用的静止无功补偿器( t c r + f c ) 和t c r 句断 路器援凌电容器配会佼羽煞静壹无凌李 偿器( t c r + m s c ) 。这耱吴有t c r 登豹餐 偿器反应速度快，炙活性大，目前线输电系统和工业企业中应用最为广泛。 3 鑫麓管投切邀容器 。i u s 。一v s i a 之 、 。1 一 逆变器连接变压器 电力系统 图2 - 1s t a t c o m 调节无功的原理示意图 f i 9 2 - 1s c h e m a t i cd i a g r a mo f s t a t c o mm o d u l a t i n gr e a c t i v ep o w e r 其中直流侧为储能电容，为s t a t c o m 8 1 9 1 1 0 】提供直流电压支撑，逆变器通常 由多个逆变桥串连或并联而成，其主要功能是将直流电压变换为交流电压，而交 流电压的大小。频率和相位可以通过控制逆变器中可关断器件( 如 g t o ，i g bt ，i e g t 等) 的驱动脉冲进行控制连接变压器将逆变器输出的电压变换 到系统电压，从而使s t a t c o m 装置可以并联到电力系统中连接变压器本身的漏 抗可以用来限制电流，防止逆变器故障或系统故障时产生过大的电流整个 s r c o m 装置相当于一个电压大小可以控制的电压源设s t a t c o m 装置产生 的归算到系统侧的电压为u ，系统相电压为u s ，连接电抗为x ，则s t a t c o m 装 置输出的电流为 ，：u 1 - u s ( 2 一1 ) j x 因此，s t a t c o m 装置输出的嗥相视在功率为 ji 咖s ；= 吼警 ( 2 - 2 ) 通常情况下，s t a t c o m 装置只吸收很少的有功功率或不吸收有功功率，因此 第二章s t a t c o m 装置的基本原理 其产生的电压与系统电愿相位相同因此s t a t c o m 的单相无功为 “ 亡e 硭t q = i m ( s ) = 嘲等产半 浯3 ) 当浚割s t a t c o m 装置产黛豹电鏊奎于系绕窀压弛 0 ， 此时s t a t c o m 相当于电容由于s t a t c o m 装置产生的电压u ，的大小可以连 续抉逮蟪控割，霆踅s t a t c o m 吸牧豹爱功霹叛盘歪裂受遂行快速调节。 2 。2s 糯0 m 主电路结梅 蚕2 - 2 基本递交耩三籀桥宅路 f i 9 2 - 2t h r e ep h a s eb r i d g ec i r c u i to f b a s i ci n v e r t e r 如图所示：s t a t c o m 主电路f l i 】由臼换相桥式电路，电抗器，电容镣元件缎 藏。根据壹浚壤镳戆元l 孛是电容还是嗽感，叁换糖撰式奄蹙分隽电基燮褥式黾 路和电流型桥式电路两种类型。对电服型桥式电路，还需要串连电抗器才能并 上电鼹；对电浚型辑式电路，逐嚣要莠联上电褰器才戆并上惫嬲。由予运行效 率的原因，7 实际运用的静止无功发生器大多采用的魑电压型桥式电路，因此 s c o m 专攒采用自换辐的嘏压型耩式电路佟为动态无功於壤的装受。 由于以下两个原因栩：l 三相桥或三单相桥电路输出电压谐波含量大，直接 接入电力系统，会造成谐波污染；2 由予受到g 1 o 等嚣关器传的容量翻安全王 1 4 第二章s t a t c o m 装置的摹本原理 作电压的限制，三相桥或三个单相桥不能构成真正满足电力系统谐波要求与容 量要求的大容量电压型逆变装置。因此如何采用g t o 等器件配合变压器、电抗 裕、电容器等等构成满足电力系统电压等级璺求、谐波璺求与容量璺求的大容 量电压型逆变装置就成为各种以电压型逆变器为核心的大容量s 1 a r c o m 主电 路设计关键。 目前电力电子技术水平下经常使用以下六种方法提高逆变器的容量： i 多重亿技术。是大幅提高装置甚容量的最有效的办法，采用2 、4 或s 个 三相桥逆变器或三单相桥逆变器组合使用的方怯，可成信提高装置的总容量。 采用多重化时，必须考虑交流侧变压器的连接方式、不同逆变器间的移相角度、 交流侧输出是采用并联还是串连，同时，还要结合其他的一些问题，如谐波、 动态响应，及是否要采用三电平结构或p w m 脉宽调制等问题进行综合考虑。 2 多电平结构。可有效地消除输出电压中的谐波，同时提高输出电压的等 级和增加逆变器的容量。虽然理论上也可以采用5 、7 电平等多电平结构，但采 用5 电平以上的电路时，电路结构和控制都很复杂，直流侧电容电压的平衡控 制也非常困难，因此实际应用不多。目前运行的大容量电压型逆变桥一般只采 用3 电平的结构。 3 单相逆变桥串联。即所谓的链式连接技术。由于采用单相桥串联，因此 总的电压输出和整个装置的容量可以成倍提高，而且可以对串联的每个桥采用 不同的驱动脉冲，使每个桥输出电压所含谐波大小和相位不一样，使最终叠加 而成的总输出电压谐波含量很小。 4 开关器件串连。将多个电力电子器件串连组成一个开关，器件串连最主 要的问题是串连器件的均压问题，需要采用s n u b b e r 均压电路或其他均压电路， 同时还必须留出较大的器件电压冗余量。 5 桥臂并联。即将两个桥臂并联后作为一个桥臂使用。桥臂并联的方法是 用一个带中间抽头的电抗器将两个并联桥臂的中点连接起来，电抗器中间的抽 头做为并联后混合桥臂的中点。 2 3s t a t c o m 与s v c 的比较 1 无功功率特性： 羔蔓幽塑幽坦 ： 4 ”。投互与3 t a t c o m 装置的无功电流电压特性对比 f i g2 - 3c h 嬲慨e r i 嘶cc o n t r a s to f r e a c t i v ec u r r e ma n d v o l t a g e 。f s v c 柚ds t a t c o m d e v i c e 燎。；：竺征三v c 竺s t a t c o m i 竭装设点对无功功率的需要在补偿装置的额定 篓翟竺竺是o m 在功能上无优劣之分。当系蒜主豸磊藿骀 萋耋塞翌翌銎! 竺要要超出其额定容量对，s v c 退化为苫茹嘉；磊茹磊 翼兰竺无蝥兰至竺压平方成比觚姗o m 输出赢赢菇荔茹 竺型：宝竺竺，降时，s t a t c 0 m 装置输出无功功率磊菥琵磊丢“筹 竺至统塞苎! 熙蔓婴o m 装置吸收无功功率的磊；琵磊釜；荔 主统中因2 蚕篓竺蛩蝥障后的动态过程中主要出现的问题是电主淼_ 矗 8 t a t c o m 装置的无功功率特性比同容量的s v c 装置覃辑。 ”“ 培眦二晤雾二! ! ，苎电抗型的，接入电力系统之后有可能改变原电力系统的阻 篓譬篓竺要墨要竺皇现谐振，特别是电力系统安装多台s 、胛, - 。三g a ：x ：- ：毛p ：# j 2 ：i t ? - , ：p 9 1 ：r 且酋 彗望要i 曼些挚翌竺系统安装s v c 时必须予以考虑。而s t a t c o m 装置为 电压翼竺耋装苎，釜入系统后不会改变系统的阻抗特性，因此不善磊纂蠢 。、，! 。矍篓。曼! 巷苎皇t c r 部分由于晶闸管的非全- 开通_ 必r 然产生谐菱：。菡孟 篓。黧黧煮耋翟竺滤波器，而s 姗o m 装置通过逸磊施蒜 器输出的电压谐波含量较低，般情况不需要安装额外的滤聂i 1 “2 x 酏办：筌篓：。；s v c 篓 琶用皇容器、电抗器作为无功补偿器件，需要较大容量 璧翌皇三黧登量因此整个s v c 装置占地面积较大os t a t ”c o 。m 煳“8 无需大容量的交流电容器和电抗器，占地面积较小。 一。 1 6 第= 章 s t a t c 伽装置的基本原理 左右。 7 成本：s v c 装置采用一般的晶阐管而s t a t c o m 装置采用可关断器件， 由于可关断器件的价格比较贵，因此到目i 0 为止同容量s i a c o m 装置的成本 比s v c 装置的成本高。目前s v c 装置普遍应用而s t a t c o m 装置只在某些要求 较高的场合应用。 2 4 p w m 波的形成 s t a t c o m 正常工作所需的脉冲信号，由p w m 波【1 3 】【1 4 l 提供，通过p w m 调 节网侧电流幅值和相位，能够实现无谐波连续的动态无功补偿。 2 4 1p w m 波的原理 根据采样控制理论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上 时，其效果基本相同。冲量也就是指窄脉冲的面积。所谓效果基本相同，就是 指环节的输出响应波形基本相同。例如图2 - 4 a b 、c 所示的三个窄脉冲形状不 同，其中2 - 4 a 为矩形脉冲，