（电力系统及其自动化专业论文）基于dsp的静止无功发生器装置设计.pdf

d e s i g no fs t a t c o mb a s e do nd s p a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ep o w e re l e c t r o n i ct e c h n o l o g ya n dc o n t i n u o u s i m p r o v e m e n to ft h ed e m a n d so fp o w e rq u a l i t ya n dr e l i a b i l i t yf o rt h ep o w e r e q u i p m e n t ，r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o nf o rp o w e rs y s t e mi sb e c o m i n gm o r e a n dm o r ei m p o r t a n t a so n eo ft h em o s ta d v a n c e dw a yt od e a lw i t hr e a c t i v e p o w e rd y n a m i cc o m p e n s a t i o n ，d i g i t a l c o n t r o l l e ds 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 ( s t a t c o m ) h a sb e c o m e an e wr e s e a r c hf o c u si n p o w e r e l e c t r o n i c sf i e l d 。 t h ep u r p o s eo ft h i sp a p e ri st ob u i l das t a t c o ms y s t e mw i t hd i g i t a l c o n t r 0 1 t h eo p e r a t i n gp r i n c i p l eo fs t a t c o mi sa n a l y z e df i r s ti nd i f f e r e n t a s p e c t sa n da c c o r d i n gt ow h i c ht h es t e a d y d y n a m i cm a t h e m a t i c a lm o d e l sa r e e s t a b l i s h e d t h ed i r e c tc o n t r o la n di n d i r e c tc o n t r o lo fs t a t c o ma r ec o m p a r e d i n d e t a i la n dt h ei n d i r e c tc u r r e n tc o n t r o lm o d ew i t hi n v e r s ep ic o n t r o li s s e l e c t e di nt h i sp a p e r t h es i n u s o i d a lp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ( s p w m ) i sa l s o a n a l y z e di nt h e e n d b a s e do nt h es t u d ya b o v e ，a ne x p e r i m e n t a ls y s t e mo f + 2 k v a r 2 2 0 v s t a t c o mw a sd e v e l o p e di n c l u d i n gp o w e rc i r e u i t c o n t r o l ，s a m p l i n gc i r c u i t a n dp r o t e c t i n gd r i v i n gc i r c u i lt h ec o n t r o lc i r c u i tu s i n gd s pt m s 3 2 0 f 2 8 1 2a s t h ec o r ec o n t r o l l e ri sd e s i g n e da n dm a i nf u n c t i o n so fs t a t c o me x p e r i m e n t p l a t f o r ma r ei m p l e m e n t e dp r o p e r l y t h er e s u l t so ft h ee x p e r i m e n t sa r eg i v e ni n t h ee n d ，i ti ss h o w nt h a tt h ee x p e r i m e n t a le q u i p m e n t sm e e tt h ed e m a n do f k e e p i n gs t a b i l i z a t i o na n dg e n e r a t i n gb e t t e ro u t p u tw a v e f o r m s k e y w o r d s ： 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 ；d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s i n g ；p ic o n t r o l ；s i n u s o i d a lp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n h 广西大学学位论文原创性声明和学位论文使用授权说明 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的 成果和相关知识产权属广西大学所有。除已注明部分外，论文中不包含其他人 已经发表过的研究成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本 文的研究工作提供过重要帮助的个人和集体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名： 歹对秒 学位论文使用授权说明 枷9 辟6 窍泅日 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文的研究内容； 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本； 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： | 团即时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 毒躲蝴u 臀名：降 蛾年月加 广西大学硕士论文基于d s p 的静止元功发生器装，置设计 致谢 衷心感谢陈延明教授对本人的指导，向陈老师致以诚挚的谢意，感谢导师 三年来对我的关怀。 感谢师兄弟在三年的研究生生活中给予我学习、生活上的诸多帮助，你们 的友情我永远难忘。 在这里我也要特别向一直关心、支持我的家人表示感谢。你们毫无保留、 无微不至的关怀和支持是我前进的最大动力! 最后，向审阅和评议本论文的各位专家老师们致以深深的谢意。 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的 研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出 贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 签名：日期：鲨啊彳汐 广西大学硕j 仑文 基于d s p 的静止天助发生器装置设计 第一章绪论 1 1 研究背景 无功功率是在电源和储能元件之间来回交换的变动功率，是在电能传输和 转换过程中建立电磁场和提供电网稳定不可缺少的功率之一，也是电能质量的 重要指标。无功功率的传输不但会产生很大的有功损耗而且沿传输途径还会产 生很大的电压降落，影响供电质量。随着我国国民经济的蓬勃发展，用户对 电能质量的要求越来越高：不仅要求供电连续可靠，而且希望供电电压频率稳 定、波形良好，因此，需要进行无功补偿来抑制系统的电压波动及闪变，有效 地提高电力系统的安全性和稳定性，改善供电质量。 1 2 无功补偿的作用与方法 无功功率对供电系统和负荷的运行都相当重要。电力系统中的网络元件和 负载所需要的无功功率都必须从网络中某个地方获得，这些无功功率不可能都 通过发电机提供并经过长距离传送，较合理的方法应当是在需要消耗无功的地 方就近产生无功功率来补偿无功功率的损耗乜1 。 无功补偿的作用主要有以下几点口蚰： 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。 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场合，通过适当的无功补偿可以平衡 三相的无功负载。 无功补偿应包含对基波无功功率的补偿和对谐波无功功率的补偿，后者实 际上是谐波补偿。本文只研究其中基波无功功率的补偿部分，即补偿时只检测 出补偿对象的基波无功电流，并对其进行动态补偿，使其功率因数为1 。 1 3 无功补偿装置的发展历程 无功补偿装置的发展经历了同步调相机、并联电容器、静止无功补偿器以 及静止无功发生器等几个阶段。同步调相机是早期无功补偿装置的典型代表： 它专门用来产生无功功率的同步电机，在过励磁或欠励磁的不同情况下，可分 广西大学硕士论文纛于d s p 的静止j 譬叻发生器装置设计 别发出不同大小的容性或感性无功功率。同步调相机能够补偿固定的无功功率， 同时对变化的无功功率也能进行动态补偿。随着控制技术的进步，同步调相机 控制性能有所改善，但是由于它运行维护复杂，损耗噪声大，总体上说这种补 偿手段已明显陈旧，自二十世纪七十年代后，逐渐被静止型无功补偿装置取代。 设置无功补偿电容器是补偿无功的另一种传统方法。并联电容器进行无功 补偿的成本较低而且结构简单，在相近的调节效果下，并联电容器比同步调相 机的费用要节省得多，但是和同步调相机相比，并联电容器只能补偿固定的无 功功率，不能跟踪负荷无功需求的变化，尤其当系统中有谐波出现时，可能发 生并联谐振，使谐波放大，造成并联电容器烧毁的事故。 随着电力系统对无功进行动态快速补偿的需求越来越大，静止无功补偿装 置在近年来得到了很大的发展，静止无功补偿器( s v c ) 可应用于输电系统补偿 和负荷补偿，其基本结构是控制两个反并联的晶闸管将电容器或电抗器投切到 电网，以实现发出或吸收无功功率。s v c 基本结构如图1 1 所示有：晶闸管控 制电抗器( t c r ) 、晶闸管控制的高阻抗变压器( t c t ) 、晶闸管投切电容器 ( t s c ) 、t c l h t s c 装置、t c r + 固定电容器( f c ) 、机械投切电容器( m s c ) i s 。s v c 可以为系统提供无功支持来抑制闪变和维持系统电压恒定，提高输电 能力和系统安全。但它在电网电压波动时不能充分发挥作用，并且会使系统产 生较多的谐波电流。 输 t s c 图卜1s v c 基本结构 f i g1 - 1b a s i cs t r u c t u r eo fs v c 随着电力电子技术的不断进步及其在电力系统中的深入应用，使静止无功 补偿技术得到了迅速发展，特别是提出利用变流器进行无功补偿理论以来，出 现了应用变流技术进行动态无功补偿的静止无功发生器( s t a t c o m ) ，其基本 结构如图1 2 示所。s t a t c o m 不需要储能元件与系统进行无功交换，而且使 2 基- 2 f - d s p 的静止曩力发生器装j l 设计 用直流电容来维持稳定的直流电源电压有效地降低了成本，在改善系统电压质 量，提高稳定性方面具有明显的优势嘲n 1 。 a 电流型 l b 电压型 图卜2s t a t c o m 基本结构 f i g1 - 2b a s i cs t r u c t u r e so fs t a t c o m 上述补偿设备中，s v c 和s t a t c o m 是目前应用最为广泛的无功补偿装置， s v c 需要大容量的电容器等储能元件，设备占地面积较大，并且其对电网电压 的波动表现出恒阻抗特性，从而在电网电压波动时不能充分发挥作用。与之相 比，s t a t c o m 只需要较小容量的电容器维持直流侧电压，大大减小了装置的 体积和成本。此外，s t a t c o m 启动无冲击，响应速度快，损耗小，在使用了 多重化技术和p w m 技术后，大大减少补偿电流中的谐波含量。加之s v c 采用 的是传统的材料，其价格随时间推移反而有逐渐增加的趋势，而s t a t c o m 采 用的是大功率电力电子器件，如门极可关断晶闸管( g t o ) ，其价格逐年递减， 新器件的出现，如绝缘栅双极型晶闸管( i g b t ) ，在价格上比g t o 更便宜，性能 和可靠性却优于g t o 。基于以上优越性能，目前对s t a t c o m 的研究已经成为 无功补偿领域的主要方向。 1 4 国内外研究现状及发展趋势 到目前为止，对静止无功发生器电路拓扑结构的研究以及对控制方式的研 究都取得了很大的进展： 1 4 1s t f 盯c o m 电路拓扑结构的研究现状 s t a t c o m 的主电路按构成基本单元逆变器模块有单相桥二电平、三相桥 3 广西大掌硕士论文 基于d s p 的静止更勇扫裳生器装置设计 二电平、三相桥三电平三种形式。由于目前开关器件的容量有限，需要扩大 s t a t c o m 的容量，主要技术思路是把多个逆变器组合成多重化结构、多级并 联逆变器结构和多电平结构n 。 多重化技术是由几个单相或三相逆变器产生相位相差若干度的方波电压， 再用变压器将不同相位的方波电压串联在一起，使形成的阶梯波趋近正弦波。 其优点是提高了容量和电压，减少了输出电压和电流中的谐波。采用多重化结 构的工程实例有：清华大学与河南电力局共同研制的= l = 2 0 m v a rs t a t c o m 采用 四个三相逆变器形成多重化结构，每个三相逆变器的输出电压之间有1 5 0 的相 位差，即通过普通三相双绕组变压器相移叠加。多重化技术的存在问题是在大 功率的应用场合，多重化逆变器方案中的电力变压器占整套装置中体积和成本 的很大部分，变压器的损耗大而且没有降低成本的前景。 多级并联逆变器结构是指由多个开关频率较高的小容量s t a t c o m 并联运 行，主要优点是：可以灵活扩大逆变系统的容量；易于实现逆变器模块化，组成 n + l 并联冗余系统，提高运行的可靠性和系统的可维护性。但是逆变器的并 联运行比发电机的并联运行难，需要从控制电路上解决电压同步、稳态和动态 均流等技术问题。 目前研究较多的是多电平逆变器，多电平逆变器具有以下优点：m 电平逆 变器可以产生m 层阶梯形输出电压，减少谐波含量；功率开关器件电压应力低， 串联均压；可以大大减轻电磁干扰；可以用较低的频率进行开关动作，减少损 耗，提高效率；节省了多重化变压器，大大降低了装置的损耗，避免了变压器 铁磁非线性带来的问题，因而在高电压大功率s t a t c o m 场合具有广泛的应用 前景。中点箝位的三电平逆变器是目前广泛采用的基本拓扑。 1 9 9 7 年，有学者提出链式s t f 盯c o m 的概念。链式h 桥型结构简单，易 于模块化、标准化，可用积木式方法灵活组建大功率逆变器，同二极管、电容箝 位型相比，所需器件数目最少，可实现更高电压、更低谐波的补偿装置。2 0 0 0 年英国a l s t o m 公司研制的首台+ 7 5 m v a r 链式s t a t c o m 在e a s tc l a y t o n 变 电站运行，标志着链式s t a t c o m 技术进入了工程实用。链式结构的s t a t c o m 存在的问题是：每个单相桥的直流电容电压不平衡和电容电压波动较大，需要通 过附加控制电路来控制电容电压平衡问题8 1 ；可以通过选择适当容量的电容器 来抑制电容电压波动量的幅度，减少电压波动对电容器寿命的影响。 4 基于d s p 的静止j 事叻发生器装置设i - i - 1 4 2s t a t c o m 控制方式的研究现状 电力系统的控制器设计在技术上通常存在三个难点：首先，现代电力系统 覆盖区域跨省甚至跨国，机组多，容量大，是典型的大系统，同时，电力系统 中许多特性为非光滑非线性或不可逆非线性，也是一个强非线性系统。其次， 电力系统是一个变结构、变参数的系统。电力系统的结构会因人为调整而变化， 在故障后也会因为继电保护动作而变化，因此是一个变结构系统。由于电力系 统经常发生短路或者其他故障而导致系统参数发生变化，因而电力系统还是变 参数系统。最后，电力系统对控制的要求是多目标的：一方面，电力系统要满 足电力用户对电能质量越来越高的要求；另一方面，电力系统不但要保证自身 的安全可靠性，也要提高整个系统的运行经济性。 s t a t c o m 之所以能够成为无功补偿的主要发展方向之一，就是因为 s t a t c o m 对于其他无功补偿装置而言，是一种动态的、灵活的无功补偿手段， 相对其他补偿方式可以较好地满足电力系统复杂的补偿要求，而这种优良的性 能正是由实时的控制实现的。s t a t c o m 能否按照其预期达到其控制目标，很 大程度上依赖控制器的性能。因此，如何为s t a t c o m 设计合理有效的控制器， 是s n 玎c o m 应用中的一个非常重要的问题。 一般地，电力系统对s t a t c o m 控制器的多目标要求主要有以下几点： 1 ) 维持s t a t c o m 与系统连接点处电压基本不变，抑制电压闪变； 2 ) 阻尼系统震荡； 3 ) 使电力系统在过渡过程中具有良好的动态品质； 4 ) 提高电力系统暂态稳定极限； 5 ) 提高电力系统静态稳定极限。嘲 虽然设计具备上述某一功能的s t a t c o m 控制器并不难，但要同时具备上 述五种功能则十分困难，主要原因是上述目标在一定条件下互相矛盾，如： 1 ) 提高暂稳态极限与维持节点电压不变有时会产生矛盾，为了提高暂稳 态极限，经常要求放开对节点电压的限制； 2 ) 为维持节点电压不变而增大p i 调节器的放大倍数，会使系统阻尼减 弱，容易引起系统振荡； 3 ) 过强的阻尼使系统动态响应变得呆滞，增加过渡过程时间。 如上所述，由于s t a t c o m 控制器设计存在多目标要求，同时多个目标之间 5 基于d s p 的静止曩，叻发生器装置设计 又存在矛盾，因此使控制器的设计变得复杂，如何同时协调控制器的多目标要 求，使控制效果达到最优，直到现在也没有出现很理想的解决办法，人们还在 不断寻找新方法解决设计中存在的问题。 按不同的功能和要求。目前s t a t c o m 的控制从控制策略上讲，有三种基本 结构：开环控制、闭环控制或者两者结合的复合控制。按照控制技术来分，主要 包括p i d 控制、逆系统p i 控制、p i d + p s s 控制、微分几何控制、非线性鲁棒 控制、模糊控制、递归神经网络自适应控制等等。根据控制物理量，由无功电 流参考值调节s t a t c o m 产生所需无功电流的具体控制方法，可以分为直接电 流控制和间接电流控制两大类口钔。 在实现控制的硬件手段上，微电子集成技术的发展为s t a t c o m 的控制提 供了新的思路，d s p 在数字处理技术上有很强的优势，能满足实时性的要求， 现在s t a t c o m 的控制系统多以d s p 为核心，实现对瞬时有功、无功等电气量 的实时高精度的测量。多电平逆变器的触发控制器可用复杂可编程逻辑器件 c p l d 实现，高密度可编程逻辑器件的储存容量大、时序逻辑运算能力强、输 入输出接口多、可以在线编程，具有灵活、快速、精确的特点，简化了逆变器 的设计，并提高了其性能，通过运行控制算法、策略，产生触发脉冲，保证装 置与系统同步：通过封锁脉冲、解除封锁脉冲使装置运行在安全范围内。由于 分离件的减少，整个装置的体积得以减小，稳定性及抗干扰能力得到提高。 1 5 本文研究内容 本论文研究目标是研制一个容量为2 k v a 的s t a t c o m 实验装置平台，采 用数字信号处理器d s pt m s 3 2 0 f 2 8 1 2 芯片作为控制核心，应用正弦脉宽调制 ( s p 删) 技术作为s t a t c o m 的控制方法，实现实验装置工作性能稳定，输出 电压波形幅值、相位可调，频率可跟踪系统频率的研究目的。 课题主要任务如下： ( 1 ) 根据工作原理建立s t a t c o m 的数学模型，并由数学模型分析控制规 律，探讨提高s t a t c o m 补偿性能的控制策略和参数。 ( 2 ) 研究s t a t c o m 装置软硬件设计方法，进行主电路、相关控制电路设 计，开发2 k v a l r 2 2 0 vs t a t c o m 实验装置。 ( 3 ) 研究主电路相关参数以及平波电抗器对s t a t c o m 性能的影响，通过 仿真及实验验证电路参数以及电抗器滤波电感的选择对系统性能的 影响，给出有关参数选择的原则和方法。 6 广西大国蚧页j 仑文 基于d s p 的静止j 矗方发生器装置设- h - ( 4 ) 对实验装置进行工作运行测试，验证设计方法的正确性。 7 g - 西大学硕士论文基于d s p 的静止无功发生器装置设计 第二章静止无功发生器的工作原理及其控制方式 2 1s t a t c o m 的工作原理及其数学模型 s t a t c o m 由于运行效率的原因大都采用电压型桥式电路，因此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动态无功补偿的装置。s t a t c o m 工 作时通过电力半导体开关的通断将直流侧电压转换成交流侧与电网同频率的输 出电压，类似一个电压型逆变器，只不过其交流侧输出接的不是无源负载，而 是电网。当仅考虑基波频率时，s t a t c o m 可以等效地视为一个与电网同频率 且幅值和相位均可以控制的交流电压源，通过交流电抗器连接到电网上，适当地 调节逆变器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。 s t a t c o m 的实际等效电路与其电流超前和滞后工作的相量图如图2 1 所示。 ( a ) 单相等效电路 邕破而 ( b ) 相量图噼= 0 ) 电流超前 ( c ) 相量图( i 洋0 ) 图2 - 1s t a t c o m 单相等效电路及其相量图 f i g2 - 1s t a t c o ms 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 sa n di t sp h a s ec h a r t 图2 1 ( a ) 给出了s t a t c o m 的单相等效电路，其中吹为系统母线电压，玩为 s t a t c o m 输出电压的基波分量，r + 为连接电抗器的阻抗，其中足用来等效 电抗器和变流器本身的损耗。图2 1 ( b ) 和图2 - l ( c ) 分别给出了r = 0 ( 不考虑损耗) 以及r 0 时，s t a t c o m 输出容性无功功率和输出感性无功功率的稳态相量 8 矽 军 广西大聋i 硕j 仑文基于d s p 的静止曩力袅生a f 装置设计 图。图中万为矽。与玩的相位差。在稳态工况下，由于万的存在使s t a t c o m 能 从交流系统吸收有功功率，补偿s t a t c o m 内部的各种损耗并使直流电容器c 充电或放电，从而逆变器输出电压幅值也发生相应的变化，并达到调节 s t a t c o m 输出无功功率的大小和性质的目的。 以图2 1 ( c ) 中s t a t c o m 发出感性无功功率时的稳态相量图为例，图中系 统母线电压d 。、装置输出电压玩及连接电抗器阻抗电压d ，构成电压三角形， 由此三角形可得如下关系阱3 ： 为： 殳sin&sin(90南2南sin(90 ( 2 _ 1 ) 。+ 妒)。一伊一艿) 、。叫 式中缈一连接电抗器的阻抗角。 由上式可得： u ：坠! ! 坐塑 c o s 矽 = 等 ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) 由此可得稳态时s t a t c o m 从电网吸收的无功电流和有功电流有效值分别 乇2 坠x x 2 + r 2s i n ( 9 0 - j ) 。丽u s s i n & s i i l ( 9 0 - - 8 ) = 丝2 rs i l l 2 万船4 ) = 面u 霄l c 。s ( 9 0 - g ) = 轰( 1 一c o s 2 万) ( 2 _ 5 ) 于是，可得稳态时s t a t c o m 从电网吸收的无功功率和有功功率分别为： q = 易= 篆s 证2 万 p = l 鄹r u | - j s 2 k ( 1 - c o s 2 & ) ( 2 - 6 ) ( 2 - 7 ) 由以上分析不难看出，通过控制万即可控制s t a t c o m 从系统吸收或发出 无功率的大小，以及从系统吸收的有功功率的大小。在理想情况下，不计 9 g - 西大学硕哇叶仑文 基于【) s p 的静止无功发生器装置设计 s t a t c o m 消耗的有功功率，可将s t a t c o m 看作是个可控的无功电流源， 通过其快速的无功功率的可控性，从而实现与系统无功功率的交换，以维持接 入点电压的恒定和提高电力系统的暂态稳定性。 要对s t a t c o m 进行比较精确的控制，还需要得到它的动态数学模型，本 文利用开关函数法来建立由0 坐标系下的s t a t c o m 非线性数学模型。 本章对s t a t c o m 的建模基于以下假设： a ) 设a 、b 、c 三相参数对称； b ) 变压器为理想变压器； c ) 将装置损耗等效为并联和串联电阻两部分：其中等效并联电阻( 即 图2 2 中的足。) 主要来等效缓冲电路的损耗；等效串联电阻( 即图 2 2 中的辟) 主要来等效开关器件以及系统与s t a t c o m 输出之间 电路的损耗等。 根据以上假设可令s t a t c o m 单相等效电路如图2 - 2 所示： l上 v s c r亍 图2 - 2s t a t c o m 单相等效电路 f i g2 - 2t h es i n g l e p h a s ee q u i v a l e n tc i r c u i to fs t a t c o m 设系统三相电压、为： “埘= 4 - i u ss i n r o t , s t , = 地s i n u , b = , f 2 u s s i n 式中是系统相电压的有效值。 2 c o t 一一万 3 2 r o t + 一万 s t a t c o m 的输出电压、u t b 、为： l o 3 ( 2 - 8 ) 基于d s p 的静止天另扫发生器装置设计 = 孚群m 喇n ( 川) 亍孚巧肌嘣n ( 一纠 材曲2 二笋砗，”u 。s ；n ( 耐+ 万+ 詈万) 。2 9 ， 式中砗是变压器的变比，7 7 是v s c 输出电压的幅值调制率，是v s c 直流侧电容电压。将s t a t c o m 的并联损耗折算为直流侧并联电阻，以如表示； 将其串联损耗折算为交流侧串联电阻，以咫表示，则可得s t a t c o m 的暂态数 学模型为： 哮= 一一b 屯 哮= 一一愿 哮= 如一一玛 c u w d 西u d c = ( z k 屯+ + ) ( 2 1 。) 式中，三为输出等效串联电感，c 为直流侧电容的电容量，乞、毛、之为 s t a t c o m 输出的相电流。待变换量由正弦表示，对式( 2 1 0 ) 进行p a r k 变换， 可得s t a t c o m 在由坐标下的暂态模型为： d 斟汁 匙 - - o ) 亟所c 湖 2 c 国 匙 三 亟肌血万 2 c 一亟所c o s 万 f j l 一垫朋s i i l 艿 3 l l c 爵 卧 痢s 三 o 0 ( 2 - 1 1 ) 广西大d 明页士论文 基于d s p 的静止元功发生器装置设计 令导数项为零，求解方程组： ； = 匙 三 一c d 亟s 万 2 c 国 匙 三 ，一 坐生聊s i n 万 2 c 一亟s 万 3 一亟朋s i n 万 3 三 1 c 以 褂 虬。；型墅t m ! ! a 坠t ! ! ! 堕厨， v j a，o u 5 i 口十( ，仄， 。2 k 2 m 2 r c c o so + 2 4 r 。；+ 0 9 2 2 # 。吖z u s k 2 m 2 尼s i n 2 万+ 4 尺g1 b 。2 2 k ；。m l 2 r c r s + 4 ( r s 2 + o ) 2 一_ , 2 ) z u s k 2 m 2 bs i n 2 8 + 4 c o l，： 铲一面菇i 桐也虮 式中秒= a r c t a n 譬 4 5 u s 上 0 0 ( 2 - 1 2 ) ( 2 - 1 3 ) ( 2 - 1 4 ) ( 2 - 1 5 ) 如果不计及直流侧并联损耗，即将所有的损耗都折算为交流侧的串联电阻 匙，则得到的相应稳态值为：小警 弘警 ( 2 - 1 6 ) ( 2 - 1 7 ) 。2 u 。s i n 2 8 。一遮一 ( 2 - 1 8 ) j 、o，n1o 、 对比( 2 一1 3 ) ( 2 1 5 ) 和( 2 1 6 ) ( 2 - 1 8 ) 这两组式子可以看出，采用损耗折算 模型时，当装置与系统间无功交换为零时，装置有一个很小的有功输出而并不 为零，比较符合实际情况。 根据瞬时功率理论，s t a t c o m 装置注入系统的瞬时有功、无功功率分别 1 2 基于d s p 的静止j 叻发生器装置设计 为： 而 lp ( ，) = 乳( f ) 荆+ ( ，) 荆 ) = 号k ( ，) 一蚴( ，) 荆 阱卧 ：华毛( ，) k ) ；- 3 v r ：2 u s i d ( f ) ( 2 - 2 0 ) ( 2 - 2 1 ) 2 2s t a t c o m 的控制策略 从上一节无功发生器的原理分析得出，由无功电流( 或者无功功率) 参考 值调节s 卫虹c o m ，控制s t a t c o m 发出无功的性质和大小，就可以补偿负载 所需的无功。在s t a t c o m 控制中，外闭环调节器输出的控制信号则被视为补 偿器应产生的无功电流、电压或无功功率的参考值，并且由参考值调节 s t a t c o m 真正产生所需的无功电流或无功功率。根据补偿要实现的功能和应 用场合，目前s t a t c o m 的控制主要从控制策略和外闭环的反馈控制量的选取 两方面来考虑，可以分为间接控制和直接控制两种方式。 2 2 1 电流的间接控制 根据2 1 节中的推导，稳态时s t a t c o m 从电网吸收的无功电流和有功电 流有效值分别为： i q - - 2 篆- s i n 2 万 1 3 ( 2 - 4 ) s o 西旷 一 基于d s p 的静止厌房6 发生器装置设计 ip = - 砉( 1 - c o s 2 8 ) ( 2 5 ) 可以证明，当s t a t c o m 吸收超前无功电流的时候，其稳态方程仍满足关 系式( 2 4 ) 和式( 2 - 5 ) ，只不过此时其中的万和乇均为负。当系统进入稳态时，实 验证明万角绝对值的变化范围很小，在这种情况下，s i n 2 8 近似于2 万，所以万与 乇成正比，当s t a t c o m 吸收超酊无功电流时也可以得出上述关系式，因此在 稳态下，乇与万角的关系曲线如图2 3 所示： jlj 够 。 r o 图2 - 3 乇与万角关系 f i g2 - 3r e l a t i o nb e t w e e n l oa n d8 电流的间接控制可以分为艿角直接控制和万与0 ( 逆变器导通角) 配合控 制两类方法删引1 ： a ) 万角直接控制。 单变量万控制主要有常规p i 控制和逆系统p i 控制。本方案控制结构 如图2 - 4 所示。由式( 2 2 ) ，( 2 4 ) 及( 2 5 ) 可以看出，稳态时在万不致太大 的范围内，万与变流器无功电流厶、输出电压的基波分量u ，存在一一对 应的关系。因此，通过控制万就可以控制，从而控制无功电流的大小和 方向。通过对无功电流的反馈控制，可以提高无功电流的控制精度和响应 速度。 图2 - 4 单变量6 电流间接控制示意图 f i g2 - 4i n d i r e c tc o n t r o lo fc u r r e n tw i t hs i n g l e6 1 4 广西大掌硕j 砖分文基于d s p 的静止天勇6 发生器装置设- v l - b ) 万与( 逆变器导通角) 配合控制。 此控制方法依靠改变万控制直流侧电压使其稳定，并采用砌0 变换法检测 s t a t c o m 吸收的无功和有功电流。另外该法还采用了直流电压的反馈控制， 并将直流电压p i 调节器的输出作为有功电流的参考值。由于该方法中包含系统 参数，而电力系统的参数具有极大的不确定性，所以要求s t a t c o m 控制器必 须具有很强的自适应性，实现难度较大，本论文不去详细介绍。 2 2 2 电流的直接控制 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，直接控制的s t a t c o m 控制系统有两种基本结构。第一种控制结构 如图2 - 5 ( a ) 所示，采用了a b c 轴上的瞬时电流控制系统。控制系统完成直流侧的 电压恒定控制和无功电流的实时跟随两个功能。直流电压指令矿树与直流反馈 电压经电压p i 调节器后生成有功电流指令k ，对流入s t a t c o m 的有功电流 控制可以控制直流侧电压。k 和无功电流指令。通过由一咖变换成三相瞬 时电流指令k 、k 、o ，三相电流指令与瞬时电流通过恒频三角波电流比 较生成逆变器的开关信号。通过上述控制实现直流侧电压的稳定和无功电流的 跟随。 钿之江母 ：亡 互 叫 由 o w ? 浮咂 0 叫 a b c j 。 州江母 o 吨 ( a ) a b c 轴电流控制 ( a ) a b cc u r r e n tc o n t r o l 1 5 基于d s p 的静止j 叻发生器装置设计 ( b ) 面轴电流控制 ( b ) 面c u r r e n tc o n t r o l 图2 - 5 电流直接控制 f i g2 - 5d i r e c tc o n t r o lo f c u r r e n t 第二种控制方法如图2 - 5 ( b ) 所示，s t a t c o m 发出的电流瞬时值经由坐标 变换变为l ，l ，它们与有功电流、无功电流参考值作比较后，经p i 调节器所 得值，再经面变换，得到三相电流信号，进行三角波比较电流跟踪型p w m 控 制。其中，有功电流参考值由直流侧电压参考值与直流侧电容电压反馈值比较 后经p i 调节器得到。由于参考值- 和钿，反馈值l 、l q 在稳态时均为直流信 号，因此通过p i 调节器可以实现无稳态误差的电流跟踪控制。也就是说，该方 法采用了双闭环反馈控制，内环是电流环控制，外环是电压环控制。 s t a t c o m 采用电流直接控制后，其响应速度和控制精度比间接控制法有 很大提高。在这种控制方法下，s t a t c o m 实际上相当于一个受控电流源。由 于受电力半导体器件开关频率限制，这种控制方法对小容量s t a t c o m 较适用。 总结对比s b 玎c o m 的两类控制方法可知： ( 1 )电流的间接控制方法相对简单，技术相对成熟，但间接控制与直接 控制相比，控制精度较低，电流响应速度较慢。 ( 2 )直接控制比间接控制的系统稳定性高。电感的电流控制环是一阶系 统，无条件稳定。 ( 3 ) 电流直接控制法对电力半导体器件开关频率要求高，因此适用于较 小容量s t a t c o m 控制；间接控制法适用于较大容量s t a t c o m 控 制。 ( 4 )电流直接控制相对于间接控制对相位的检测精度要求不高，有利于 1 6 基于d s p 的静止哭助发生器装置设计 控制器的设计。 ( 5 )采用电流间接控制的大容量s t a t c o m 可采用多个变流器多重化联 结、多电平技术或p w m 控制技术来减小谐波。而采用电流p w m 跟踪控制的直接控制方法，电流谐波少。 2 2 3 本文s t a t c o m 的控制策略 由绪论部分对电力系统中s t a t c o m 控制目标的介绍可知，s t a t c o m 在 电力系统不同运行状态下应起到不同作用，本文设计的装置主要发挥维持节点 电压，抑制电压闪变的作用，根据上面对s t a t c o m 现有控制策略的介绍，结 合本文研究目标、实现难度和现有实验条件，本课题拟采用间接控制的方式对 s t a t c o m 装置进行控制。 对于联络线中间带s t a t c o m 装置且短路电抗为墨的系统，由潮流计算理 论可知，在电阻可忽略不计时，输电线上电压降落的大小主要与无功功率有关， 即下式成立： 警丘 2 4 j 其中t r s 为系统电压，q 为节点瞬时有效值，q 为s t a t c o m 向系统注入 的无功功率，q 为负载的无功功率。 在绞= 0 时，满足： 簪 2 5 ， 而当s t a t c o m 发出一定无功功率使u 等于系统电压参考值时，满足： 虮 管五 浯2 6 ， 根据( 2 2 5 ) 、( 2 2 6 ) 两式，并考虑u 与在正常情况下相差一般不超过 1 0 ，因此可得： 甜2 如考五 2 7 ， 即有o 1 7 广西大学硕士论文基于d s p 的静止j 0 叻发生器装置设计 q 半 8 ， 在以上各式中，u 为系统电压与其参考值的差值，即在已知u 和五后， 可立即计算出s t a t c o m 要发出的无功功率。根据上一节得到的s t a t c o m 稳 态模型，可以求出s t a t c o m 输出电压与系统电压的相角差，即s t a t c o m 的 控制角为： 万l s i n - , f 型坐、| 2 3 u , t r x kj ( 2 2 9 ) 由( 2 2 8 ) 可知，只要已知装置的等效电阻r 、短路电抗五和系统电压参考 值u 耐，就可以计算出控制角万，从而可以控制s t a t c o m 向系统输出的无功 功率，从而维持节点电压和抑制系统c i ；| 变。 在调节器的设计中采用常规p i 控制，系统的参数强烈依赖于工作点，难以 找到一个全局范围内均适用的调节器参数，实际应用时只能以折中的参数代入， 从而降低了系统的品质。近年来，通过反馈线性化方法将非线性系统变换为线 性系统，然后再以线性系统理论完成对控制器的设计的方法日益得到重视。作 为反馈线性化方法的一个分支，逆系统方法由于物理概念清晰，应用简便得到 了广泛的应用。本文对间接控制的研究将主要针对这种控制方法。 逆系统控制的设计，可以分为以下几个步骤： ( 1 ) 根据原系统求出其逆系统n 。 ( 2 ) 由n 进一步求出相应的口阶积分逆系统n 。 ( 3 ) 由n 。与一起构成伪线性系统兀口，并将其实现为尽可能简化的 和采用反馈结构的等价形式。即并非简单的将n 。放在之前，而 是根据系统之间的关系，将n 。中可由的状态直接决定的那一部 分状态量直接由中的状态反馈回来产生。 ( 4 ) 将上述具有反馈结构的伪线性系统作为被控对象，根据设计目标， 按线性系统的方法设计出所要求的控制系统。 s t a t c o m 采用万角单变量控制，将逆系统作为原系统的前馈控制，则逆 系统与原系统可等效为伪线性系统，与p i 反馈控制相结合，即可组成逆系统 p i 控制，控制方案如图2 6 所示： 1 8 基于d s p 的静, n - 舅舅力发生器袭置设计 6 图2 - 6 逆系统p i 控制示意图 f i g2 - 6i n v e r s ep ic o n t r o ld i a g r a m 图中为系统电压参考值，u 为节点电压瞬时有效值，如为系统三相 电压，五为短路电抗，q c 为s t a t c o m 向系统注入的无功功率，k 口和k 分别 为比例积分调节系数。s o ) 实现的功能为节点电压瞬时有效值的快速计算，根 据瞬时无功功率理论可知厂( 1 ) = + 明+ 昵，厂( 2 ) 实现的功能为公式 ( 2 2 7 ) 。 j 2 3s t a t c o m 的s p w m 调制技术 p w m ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 控制技术是逆变电路中应用最为广泛，影 响也最为深刻的控制方法，在逆变电路的控制方面显示了突出的优越性。本课 题中采用s p w m 技术对s t a t c o m 实施调制。 2 3 1s p w m 调制原理 s p w m 调制就是对脉冲的宽度进行调制的技术，即通过对一系列脉冲的宽 度进行调制，来等效地获得所需要的正弦波。s p w m 控制技术的主要理论基础 是面积等效原理：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