（电力电子与电力传动专业论文）配电网statcom分析与控制研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ei m p r o v e m e n to fa u t o m a t i o ni n d u s t r y , t h ep o w e rc u s t o m e r sa r em o r ea n d m o r ep a r t i c u l a ra b o u tt h ep o w e rs u p p l yq u a l i t ya n dd e p e n d a b i l i t y a tp r e s e n t ，t h e p o w e rs y s t e ml a c k sv a rc o m p e n s a t i o n ，a n dt h er e a c t i v el o a d ，e s p e c i a l l yt h ei m p u l s i v e r e a c t i v el o a d ，w h i c hn o to n l yi n c r e a s e sp o w e rl o s s ，b u ta l s os e r i o u s l yd e t e r i o r a t e st h e p o w e rq u a l i t yo fc u s t o m e r s i no r d e rt oi m p r o v ep o w e rq u a l i t ya n dr e d u c ec o s t so f p o w e rs y s t e m ，i ti sm e a n i n g f u lt ou s ei m m e d i a t er e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o nw i t h w i d e ro p e r a t i o nr a n g ea n df a s t e rr e s p o n s et i m e ，t h 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 ) p o s s e s s e sb e a e rp e r f o r m a n c et h a no t h e rr e a c t i v ec o m p e n s a t ed e v i c e s u s e db e f o r e b u tm o s to ft h es t u d i e sa n da p p l i c a t i o n sa b o u ts t a t c o md e a lw i t hh i g h v o l t a g et r a n s m i tn e t w o r kw i t hl a r g ec a p a b i l i t y t h i sp a p e ra i m sa ts t a t c o mi n l o w v o l t a g ep o w e rd is t r i b u t i o ns y s t e m s ( d s t a t c o m ) t h em a i nw o r k s a r ea sf o l l o w s ： a tf i r s t ，t h ed e v e l o p m e n to fr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o nt e c h n o l o g ya n dt h e a p p l i c a t i o no fs t a t c o m a th o m ea n da b r o a dw e r ei n t r o d u c e d ，t h e nat h r e e p h a s e v o l t a g es o u r c ei n v e r t e rw a sc h o s e na st h em a i nc i r c u i to fd s t a t c o mt om e e tt h e r e q u i r e m e n to ft h et a s k b a s e do nt h et h e o r yo fd qr e f e r e n c ef r a m et r a n s f o r m a t i o nt h e d y n a m i cm a t h e m a t i c a lm o d e lo fd s t a t c o mi nd qr e f e r e n c ef r a m ew a sd e d u c e db y i n t r o d u c i n gs w i t c hf u n c t i o n af e wk i n d so fc o n t r o ls t r a t e g yf o rb o t hd e v i c e l e v e la n d e l e m e n t l e v e lw e r ea n a l y z e da n dc o m p a r e d ，w h i c hi st h ek e y s t o n eo ft h i sp a p e r b a s e d o nt i m e v a r y i n gc h a r a c t e r i s t i co fd s t a t c o m se q u i v a l e n tr e s i s t a n c e ，as i m p l en o r e s i s t a n c ef e e d b a c kc o n t r o ls t r a t e g yw a sp r o p o s e da td e v i c e - l e v e lc o n t r o l s t r a t e g y t h er e s u l to fs i m u l a t i o n ss h o w st h es t e a d y - s t a t ep e r f o r m a n c eo fs i m p l en or e s i s t a n c e f e e d b a c kc o n t r o ls t r a t e g yi ss u p e r i o rt ot h a to fd i f f e r e n t i a lg e o m e t r yc o n t r o ls t r a t e g y ， a n di t sd e c o u p l i n gp e r f o r m a n c ei ss u p e r i o rt ot h a to fi n v e r s es y s t e mc o n t r o ls t r a t e g y i na c c o r d a n c ew i t ht h er e q u i r e m e n t so ff u l lu s eo fd cs i d ev o l t a g ea n df a c i l i t y , s p a c e v e c t o rp w mw a sc h o s e na st h ee l e m e n t - l e v e lc o n t r o ls t r a t e g y a n dt h e nt h es t a b i l i t y o ft h ec h o s e nc o n t r o l s y s t e mw a sd i s c u s s e db yu s i n gs m a l ls i g n a lp e r t u r b a t i o n i l 兰茎垄兰翌主兰堡堡墨一一 _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一一 a a a l y s i s b a s e do np h y s i c a la n dm a t h e m a t i c a lm o d e l o fd _ s t a t c o m ，s o m e s i r e u l a t i o n sw e r ep e r f o r m e db yu s i n gm a t l a b s i m u l i n k t ov a l i d a t et h ea b i l i t yo f i m p r o v i n gp o w e rf a c t o ra n ds t a b i l i z i n gs y s t e mv o l t a g e t h es i m u l a t i o nr e s u l t sp r o v e d t h a tt h ed s t a t c o mc a nr e a l i z ed y n a m i cv a tc o m p e n s a t i o ne f f e c t i v e l y f i n a l l y , t h e s o f t w a r es t r u c t u r eo fc o n t r o lb a s e do nd s p ( t m s 3 2 0 f 2 4 0 7 ) w a sp r o p o s e d k e ” 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 ；d qr e f e r e n c ef r a m et r a n s f o r m a t i o n ； d y n a m i cm a t hm o d e l ；s i m p l en or e s i s t a n c ef e e d b a c k + s p a c ev e c t o rp w m ；s t a b i l i t y a n a l y s i s ；r e a c t i v ec u r r e n t ； 1 1 i 学位论文版权使用授权书 y1 0 1 3 8 0 4 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。 保密厂 ，在两年解密后适用本授权书。 i _ j 本学位论文属于 不保密一 学位论文作者签名 骱舢 l 指导教师签名：伊、7 阅夕岳 扎。6 彳 独创性声明 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以外，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。 学位论文作者签名：狞匀b 1 日期：2 0 0 6 年6 月 江苏太挚磺士擎_ 主论文 第一章绪论 随着社会高速发展，各领域的用电设备越来越多，其中一部分设备的运行会 引起电网中无功功率的流动，如异步电动机、变压器、荧光灯等等。另外，电力 系统中魏毫巯器秘架空线簿遣会产生秃功功率滚动。 这些设备的投入影响了供用电系统的电能质薰，增大了电力传输的成本。麟 此，世界备国都在加大力度进行无功功率补偿技术的研究i 卜5 1 。本文所述的静止 弱步 楼嚣( s t a t c o m ) 裁是一秘较为走避豹无功功率於嫠装甏t 6 1 ，荬应蠲强 盏广泛。 i 。1 无功毒 偿的意义 本文从电能质量和投入成本的关系来分析无功功率对电网的影响【7 j ： f ) 当发毫鏊羲毫冤功功率逐定( 投入袋本瞧定) 豹酵揍，惫瓣中感避( 餐 饿) 无功负荷增加会引起受电端电压降落( 升高) ，从而影响到受电端 的电压质量，使得各种用电设备安全运行髓到威胁。如巍电动机的电源 惫蘧过裹嚣，其瀑瘦秀毫，王 睾效率下黪，严重薅可以烧嚣电动撬。又 知照明设备，警电源电压过离时，其使用澎命将缩短。可见，由于电压 不合格而产生的后果是严重的，对社会和膀民都将带来经济损失。 岔) 为了满足备受电设鍪兹电压痰鬓，裁必须增翔发电羹输波功率，麸瑟一 方面使得发电设备以及电力传输设备的容爨增大，另一方面使得输电线 豁的损耗大大增加，因此增大了投入成本。 由以上分摄褥知：为了辕送无功璐攀，要求嚣鹚电疆有嘱毽麓，这只能在缀 窄的范霞聚实现，而输电线路和负载所需要的无功功率必须觚网络中的某个地方 获得。显然，这些无功功率如果都要由发电机提供并经过长距离传送是不经济的， 通常也是不爵能豹。合理豹方法应是程需要无功功警的地方产，圭无功功率，这载 是通常说黪无功补睡。 无功补偿的作用圭疆有以下几点： ( 1 ) 提篱供用电系统釉负载的功率翻数，降低设备容量，减少功率损耗。 ( 2 ) 稳定受电端毫纛，提高供惫质量。在长鞭辩豹输电线中合逶静缝点设鬻 渤态无功补偿艘置还可吼淑蒋输电系统的稳定性，提黼输电能力。 1 江苏大学硕士学位论史 ( 3 ，在三撩负载不平 舞懿场合，透过适娄戆纛功 经可以平褥三糖戆有功及 无功负载。 l 。2 无功替偿装置发展及其滗较 从无功补偿技术的发展过程来看，无功补偿装羲可以分为：传统无功补偿装 置和f a c t s 无功补偿装黄。下面分莉进行简要介绍。 1 2 。1 传统无功补傣装置1 5 i ( 1 ) 劳联电容器：铙点愚蔗理篱单，安装、运行稻维护都镶方便。餐跫，它 只熊 镁感性无功，且不戆连续调节，趸重要毂是它蠢负电压效应，当襄绞( 曝 网) 电压下降时，电容器上的 h 偿电流相应下降，使得毒卜偿的无功量惫速下降， 系统电压下降更大。在系统电压有谐波时，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。 ( 2 ) 同步调相机：种专门用来产生无功功率的嗣步电机，是一种不带机械 负载静可以避灏磁( 经常的运行旅态) 载欠翩磁( 较少的运行状态) 运行的嗣步电 极。在系统电压编低时，遂黝磁运毒亍供给无臻臻率焉将系统电压拾裹；在系统电 压捣高时欠励磁运 亍吸收系统多余的无功功率瑟熄系统龟爨调低。它可以双自、 连续地调节，能独立用调节励磁寒调节无功的大小，稳较大的过负苟驻力。缺点 是设备投资高启动、运行、维修复杂。 ( 3 ) 饱和电抗器( s a t u r a t e dr e a c t o r - s r ) ：1 9 6 7 年，英潮g e c 公司制成了世 界上第一批饱和电抗器翟静止无功补偿装置。此后，各国厂家纷纷推出各囱的产 品。饱和电抗器与同步调稻飘福眈，其有静止墅瀚优点：响应速度快；但楚由于 英铁心簧磁讫鹫键幂鬟状态，潮蠢攒耗帮嗓声豁缀大两虽存程菲线往电路静一些特 殊阕题，又不能分楣调节以 偿受莓毂不乎餐，援以来能占据静止无功於偿装鹫 的主流。 1 2 2f a c t s 无功 偿装置 s t o l f a c t s 鼹( 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 ) 的英文缩写，译作柔性交流输电 系统或灵活交流输电系统，其概念是由美国科学家h i n g o r a n i n g 于1 9 8 6 年提出 的。f a c t s 是装肖电力电子或冀它静止型控割器用以加强可控性和增大电力传 2 江苏失擎壤圭学位论丈 输能力的交流输电系统。其特点是把现代电力电子技术和现代自动控制技术、微 处理投术秘微电予技术弓l 入交流输奄系统，傻输电系统的母线电压、输魄线路阻 抗秘穗位惫可戳俊速灵活的调熬，对提高输电系统的输送功率和潮流控制能力以 及改藩电力系统稳定性，控制系统振荡等具肖明显作用。f a c t s 技术从根本上 改变了交流电鼹过去基本上只依靠缓慢、间断以及不精确设备进行机械羟裁的最 鑫，为交流输毫阐掇 盘了空藩後速、连续嚣精确的控割手致敬及输送优化潮滚功 率的能力，同时保证了系统的稳定性。 f a c t s 控制凌嚣包括静止无功补偿嚣( s v c ) 、静止同步补偿器( s t a t c o m ) 、 静杰嗣步事联於绥器( s s s c ) 、统一潮流控裁嚣( u p f c ) 、溆渔德麓系统( b e s s ) 、 超导磁能储存器( s m e s ) 等等，目前国内应用较多的是s v c ，而s t a t c o m 的应 用尚处于起步阶段，下面对这两种装置进行简要介绍： ( 1 ) 静壹无功 嫠器( s v e ) ：第一栈f a c t s 控割装鹫，趣是霾裁嚣肉应爱最 多，最为成熟的并联无功功率补偿设备。s v c 包括与负荷并联的电抗器或电容 器或二者的组合，具有可调可控部分。可调可控电抗器包括晶闸管控制电抗器 f t c r ) 或鑫凌警羧识电蕊器( t s r ) 嚣穆影式。瞧骞器透鬻彀惩与港波滤滚器电路 结台成为一体的嗣定的或机械投切的电容器，或在需要对电容器进行高遂或非常 频繁投切时所采用的晶闸管投切的电容器( t s c ) 等形式。s v c 装置无功输出呈连 续交 皂，静态秘动态逢笈电压爨耩在一定蔻漏肉，凌裹系统戆稳定性，毽鑫予这 种设备在电网电聪的波动超出一定范围时表现出恒阻抗特性，因而在电网电压波 动大时不能充分发挥其作用。并且由于t c r 装置采用相挖原理，在动态调节无 功黪嗣时， 偿瞧渡中也产生了大量嚣谐泼。 ( 2 ) 静止同步补偿器( s t a t c o m ) ：第二代f a c t s 控制装置，指由自换相的 电力半导体变流器来进行动态咒功补偿的装麓，主回路主疆是由大功率电力电子 嚣传( g t o 、i g b t 、i g c t 等) 缀盛篱毫压登瞧滚型遂交爨耱著联壹滚彀容，拳联 直流电感构成。静止同步补偿器的基本原理是指将自换桐桥式电路通避电抗器， 电容器连接到配电网上，适当调节桥式电路交流侧输出电压或电流的相位和幅 谴，簸可臣傻该怒路吸收或耆发爨满足要袋熬无功电流，耱裁系绞弱壤添闲交， 维持电压稳定，实现动态无功 偿的琶的。蕻输出的电流与系统电压蕊本无关， 这必功能原理上类似于同步调相机，但它是完全的静态装鼹，因此s t a t c o m 又 栋淹耱止调相嚣。它茨动态瞧远伐予固步调程援，囊动笼净壹，调节连续范围 大，响应速度抉，损耗小。 3 江苏免擘碳士学醢论文 与s v c 耀就，s t a t c o m 蠢以下懿娩纛； 1 s v c2 2 律范围榴对较窄，潞系统魄疆降低铡一逡程艘粒，输 鲍凭驹会 淹蔫遗愿下鬻搿下簿，霹麓无法撬供给系统砖够静无功。掰s t a t c o m 静纛功曦 滤瓣毽怒力只赘冀德爰静镑予额定漆潦的敝制，在祭统欠臌时表现为值电流源特 链。霆瑟瑟鸯瑟交翡孟翡溪繁葱滋。 2 t c r 这黧突璧翁s v c 零崧公产生鬣凌 警滚，添鼗嚣要安装辩蕊熟滤渡 装鬟。逶常悬聚鼹惩滤滤波嚣与s v c 婺联镁怒，邃撵魏勰太了袋本，显罴靛奎 置振两譬数谐波放大。蕊s t a t c o m 缆爝逆变器多霪倔食娥技术或嚣p w m 豫戆 调制技术可以大埔麇减少谐波，茏辫滤波器。 3 ，s v c 含有较多翁无滚器 争， 鼹慧撬黎鬻逛寒嚣，蒋萼致了装嚣髂鞭庭 大：褥穆簸s t a t c o m 静滚餐器苓黔与冤珐窝挟，容熬饕浓藏大大降低。饼泓阐 容爨下s t a t c o m 黪髂器夸予寒弩。 缘上，褪对予传统枣 臻装篷瑷没s v c ，s t a t c o m 有整鞭显熬貔势，寝糟宝 溪燹为广藤。 1 。3s t a t c o m 瓣磷冀蠛捩与黢展憝势 1 3 1s t a t c o m 晒分樊 黎蘩s t a t c o m 戆耩矮，零淡麓旗下是耱骞羲难葵势燮： 披主魄路蕊本缀成荦冗，可以= ! i 争为魄难型s t a t c o m 粒瞧溅燮s t a t c o m 。 电压鍪s t a t c o m 主电路的鏊率缀成肇元悉电压熬逆凝虢，黼迄瀛墼s t a t c o m 主瞧鼹酌基本缀麟擎元是电流型道变嚣。强前投入工炊鹰爝的都是魄愿溅 s 勰0 戮。 按痊溪露会，露分灸藏匿赣惫瓣s t a t c o m n 孛诋滕嚣惫瓣s t a t c o m 。麓 艇戆魄爨s t a t c o m 装鬟容量较文，妻瞧爨薅捺鬟激，蒸量霉溺主婺是掇离输穰溺 终戆憩力抟楼魏力，暹嵩辏邀蓉缀繇邂装，减少线路撰裁。申惩蕊琵避爨绻 s t a t c o m ，叉称为d - s t a t c o m ，系缝蜜爨鞍，l 、，主瞧路缝褥楚攀，主嚣懋乎 箍离蘩统功率鬻索，漆拷鬻毫瀑线憩艇稳定。 按主电路糕孚 ，可以分为赳煎化结槐s 盯e o m 协1 ) 和链式燎梅 s t a t c o m 。多熬 慧缓鞫s t a t c o m 麓交蕊器对箕蒸本缀藏纂元邋零亍藕合，番慕 江苏大学硕士学位论文 本组成单元共用一个直流电压，而链式结构s t a t c o m 则是将基本组成单元进行 串联各基本组成单元的直流电压是独立的。 按控制原理分为直接电流控甫t j s t a t c o m 和间接电流控制s n 盯c o m 。直接 电流控制是指采用跟踪型p w m 控制技术对电流波形的瞬时值进行反馈控制：间 接电流控制是指将s t a t c o m 看作受控电压源，通过对s t a t c o m 逆变器交流侧 基波电压的相位和幅值的控制，来间接控制s n 玎c o m 的交流侧电流。阳j 接电流 控制里又分为单变量控制和双变量控制。单变量控制是指保持调制系数恒定，只 改变s t a t c o m 逆变器输出侧基波电压与电网基波电压的相位差，从而通过直流 侧电容的充放电来达到改变s t a t c o m 逆变器交流输出侧电压的目的，针对这种 控制原理，许多学者对进行了大量研究，并提出了p i 控制方法，逆系统p i 控制方 法递归神经网络逆动力学控制方法，基于微分几何的精确反馈线性化方法等等 。4 j ；双变量控制是指同时改变调制系数和相位差，从而达到满足无功补偿要 求的同时，维持直流侧电压的稳定，这种控制原理提高了系统响应速度，减少了 直流侧电容的充放电损耗。 1 3 2 国内外研究现状及趋势 自日本三菱公司于1 9 8 0 年成功研制基于晶闸管的_ 2 0 m v a rs t a t c o m 以 来，s t a t c o m 作为f a c t s 的重要成员已引起各国电力工业界的重视，得到迅 速发展和应用。由于s t a t c o m 的技术含量较高，目前掌握并应用这一技术的 国家还只限于少数国家( 如日本、美国、德国、英国和中国等) 。下表列出了一 部分已投入运行的s t a t c o m 1 5 - 1 5 1 ： 表1 1s t a t c o m 国内外研制与应用情况 序研制者投运容量电压开关设备电路结构 号时间m v a r( k v ) 1 三菱电机、 1 9 8 0 2 0 7 7晶闸管多重化 关西电力 2西屋1 9 8 611 3 2g t 0多重化 e p r i 3三菱电机1 9 9 1 8 0 1 5 4g t 0多重化 关西电力 江苏天擎点嚣士擎往论交 4 衮芝 1 9 9 21 0 06 6g t o多墓馋 日立 5 寒芝 1 9 9 32 06 6镄0多纛纯 6西屋i 9 9 5l o o1 6 l鼹0 多煎 毛 e p r i 7 嚣屋 1 9 9 71 6 01 3 8g t o多覆伍 e p r i三电平 8渍华失攀1 9 9 92 0l s 零8多羹纯 溺褰趣力 同 9a l s t o m 、1 9 9 9士7 54 0 06 t o链式 n g c 挎 三餮毯瓿 2 0 0 l1 3 3l i 5g 筠多羹豫 l l纽约电力2 0 0 l2 0 03 4 5g t o多燕化 扁 1 2三菱电机2 0 0 21 0 01 3 8g c t多爨化 1 3a l s o 虢2 0 0 31 5 0 1 1 5g 鞠链式 我毯在这方疆超步较晚，1 9 9 4 年磷利大骞量s t a t c o m 较剜为电力薜露点 科研攻关项目。同年在电力部的吏持下， 酉南省电力局决斑和清华大学共同研制 + _ 2 0 m v a r 豹s 2 a t c o m 。为送行祝遴磷竞，先磅霸一台3 0 0 k v a r 鞠中闻王盈试 验装置。该装跫己予1 9 9 5 年8 月在瀵攀大学劳鹚运行，势程 霹奄孟岩经受了锻 弧炉挣壹受蘅巍彀压不霹称运露工琵瓣考验。1 9 9 9 年笺，蒸于g t o 蕊_ + 2 0 m v a r 的s t a t c o m 已程淄南省电网试逶行。通过啦上磺究获搿徽多实践经验，并在壤 论上有最著的黢髓。随后国家电力蕊公司下达科技任务，- ：海电力公司立颈建设 “上海电网黄渡分隧+ 5 0 m v a rs t a t c o m 示范王l 黔，装燮计划安婕在黄螋分区 惩龌交邀活，其输墩与2 号交莲嚣熬1 1 0 k v 霉线糖连，攥予提蓬2 2 0 k v 蹲线貔 电压稳定犍，辩斜簿线惫压振荡，强擒离系统謦怒亳运稳定承乎 2 s - 2 辩。嚣藩正 在进行样机的试制和工程的土建施工。 国悫是终蛾蔫嫒酝踬到测黧予穆糕蘧配电嬲d s t 麓f f c o m 戆聚究，妻瓣华 中科技大学、中南大学、话安理工大学、话南交通大学簿，但是箕研究还处予越 磊 江苏大学硕士学位论文 步阶段 2 8 - 3 1 1 。 早期输电网s t a t c o m 大多选用g t o 器件，由于g t o 的开关频率较低， 因此采用多电平或者多重化技术来消除变流器自身产生的低次谐波。随着电力电 子器件的发展，当g c t i g c t 弛1 的出现以后，由于该器件结合了g t o 和i g b t 的优点，丌关容量大、频率较高，因此学者开始研究p w m 控制技术用于大容量 的输电网s t a t c o m 【3 ”，另一方面链式主电路结构的引入使得s t a t c o m 的工作 性能又得以提高。因此采用i g c t 等新器件的链式结构s t a t c o m 及其高性能控 制是当今乃至今后一段时间研究的热点。 对于中低压配电网s t a t c o m ，主电路结构简单，多采用单桥路或者二重化 结构，开关器件多采用1 g b t 3 4 。”。因此，装置的控制策略成为研究重点，那么 女u 何采用优化的控制策略来提高d s t a t c o m 的工作性能是今后研究的热点。 这也是本文研究的重点。 1 4 本文的研究目的及内容 本课题为江苏省高新技术资助项目，所研制的静止同步补偿器容量为： 2 0 0 k v a r ，电压等级：6 k v 。本课题组拟先研制一台实验样机，容量为5 0 k v a r ， 电压等级为o 4 k v 。本文研究目的是选择可行的控制方案，为d s t a t c o m 的研 制打下坚实基础。 本文的研究内容包括以下几个方面： ( 1 ) 说明无功补偿的意义，介绍无功补偿装置发展情况以及s t a t c o m 的研 究现状。 ( 2 ) 对d s t a t c o m 进行机理分析，根据d q 坐标变换理论，引入丌关函数， 建立d s 孔玎c o m 的动态数学模型。 ( 3 ) 对d s t a t c o m 的控制策略进行探讨选取。在装置级控制方面，提出一 种简化型无电阻反馈控制方法，并与逆系统控制方法、微分几何控制方 法进行对比，验证其优越性：在器件级控制方面，分析三种常用的p w m 控制方法：s p w m ，s h e p w m ，s v p w m ，根据本课题实际情况，选用 s v p w m 控制方法。根据选用的控制方案进行系统稳定性分析，得到相 关控制参数的选取范围。 ( 4 ) 选取主电路的相关参数，进行d s t a t c o m 系统仿真，验证d - s t a t c o m 7 江苏大学硕士学位论文 对电劂功率因数的改羲作髑和对系统电压的稳定作_ 皤；l 。 ( 5 ) 控制系统的软件设计。 8 江苏大学硕士学位论文 第二章d s t a t c o m 的系统结构、工作原理及其数学模型 本章以容量为：b 5 0 k v a r 的d s t a t c o m 为研究对象从系统的主电路结构 入手，进而对系统进行机理分析，建立系统的动态数学模型，为控制策略的选取 打下理论基础。 2 1 系统结构分析 i r 百”! _ 。一。：一i bo 0 + 卜+ l r 一 i ， 。童j 王，j 苦+ 0 1 江莓失擎磺士学缘论囊 魏主黾漆臻魏，遴遘毫拣器与奄瓣连羧。黎下瓣掰暴t 电i j c 2 ，2 互巷覆溪努爨 辫2 2 皋更d - s t a t c o m 系统鹤畿 d * s t a t c o m 楚攒蕊蠢按壤瓣恕鸯拳誉搭褥式暹燹器寒避抒瀚卷竞谚祷臻 的装谶。其基本原理就怒将自换枢蟒式瞧路激避露抗嚣滚考炎溅撩并联到惑瓣 主，懑擞辩调节骄式嘏路交流黼输出愈压自稳能和躐戆，麟可泓筏浚吃鼹啜收戴 誊发器淹跫簧袋靛无功鼠浚，癸凌凌卷嚣麓襻搂熟麓鳃。 穗子d - s t a t c o m 瑟鬻王箨霹藏愚遂遵魄力睾番髂开关酌邋颟将激流翻彀 篷挨娥交滚铡与褒弱瓣凝辫翡簸窭窀攥，裁像个邀鬟邀遵变嚣，霹不避箕交溅 铡辕撼攘斡不怒无漂受羧，褥麓瞧瓣。麓憝，懑辍考虑蒸滚频率簿，静* 8 t a t c o m 可戳簿散琏竣戏受蝠德箨搂髓蟪露淡绞赣鹣个与逮鬻阏簇辜戆交流窀蕊添。它 透过登滚毫魏瀑连接戮邀辩童。爨鞋d - s t a t c o m 戆王露爨瑾赣磷竣爝鼹篷2 ，3 鳓 黪示懿苹爨簿簸激黪鬻求邋竣。设耄瓣毫蕊瓣d - s t a t c o m 蕊漱懿变滚邀莲静 副篇糟瓣氓j 羊【j u ，表示，则连按电抗搿上的电聪c ，。即为酞和，的槌爨差，廷 遮袋憩拣翡港滚慧虿戡瀚麓奄疆来控麓静。+ 这个毫流藏蔻s t a t c o mj , a 亳瓣 江苏走擎硕士学位论戈 吸收的电流，。因此，敬变d s t a t c o m 交流侧输出电压u ，的幅值及其相对于 殴戆韬擅，裁可以改变造接毫抗上熬毫莲，获露援耧d s t a t c o m 麸毫踺缴牧 电流的楣能和幅值，也就是说控制了d s t a t c o m 吸收无功功率的性质和大小。 将逢接电抗器视为纯电感，没有考虑逆变器的损耗，因此不要从电网吸收有 功能量。在这转跨况下，只需往u l 与u s 月楣，仅改变u ，的蠛德大，j 、裁可以笈 翩d s t a t c o m 从电两吸收的电流，建超前还是浠詹9 0 。，著飘能控制该电流的 大小。当u f 大于时，电流超前电压9 0 。，d s t a t c o m 吸收容性的无功功率， 如图2 3 ( b ) 所示；当( ，小予以时，魄浚滞后电鹾9 矿，d s t a t c o m 吸l | 芟感性豹 无功功率，如图2 3 ( o ) 所示。 u s u 喇x l u ， f 酗等效逛蹬 ( b ) 啜收容性秃动 b ! u 嘲x i - i | l ( c ) 暇牧感瞧无功 图2 3d * s t a t c o m 帮投电路与相量鼹( 忽略损耗) 考虑刹连接电抗器的损耗和逆变器本身的损耗( 如管压降，线路电阻等) ， 并将总鳃臻糕集中佟为连接泡抗器鹣电阻考惠，辩 jd 。s 曩锤c 0 m 筑实际等效电 路如图2 4 ( a ) 所示，箕电流超前和滞厝工作的耨薰瞄如图2 4 ( b ) ( c ) 所示。在这种 情况下，逆变器交流侧电压u ，与电流，仍相差9 0 0 ，因为逆变嚣无需有功能髓。 两电网电压皈与电漉j 款相差则不搿是9 0 。，丽怒跑9 0 0 小了拶楚，困戴电嬲提 供了有功功率来补偿电路中薛损耗，也就是说j c 重予电隧电压来谬，电流f 中程 定量的有功分量。这个占角也就是逆爱器电压，与电网的相位差。改变这个相 位差，持且改变u ，的幅值，则产生的电流，缒据位彝大小也簸追之改变， d s t a t c o m 胰电丽吸收的无功功率瞧就因蓝褥戮调节。 ，： ij j “：!。 b _ 兰1 露f ；。一嚼妒 。 u 。 ( a ) 等效电路 ( b ) 设蛀窖往无功 ( e ) 暇设惑缝无功 图2 4d s t a t c o m 等效电路与栩薰匿( 计及损耗) 。坼 、 + 1 l 一 ， 一 x 一。魄 一 十 一 p _ * + l + 一 。 嚣 r 叠。u ，唬 “ 童 、一p、， 1。r；i 。u ：一 生l i 1 皖 _ 。 江苏大学硕士孝摭论文 根据对d s t p ( f c o m 的工作原理的分析，可得其电压电流特性如图2 5 ( a ) 所示。 l u + 一 一一 i 1b0 k 图2 5 ( a ) d s t a t c o m 电脏电流特性蹋2 5 ( b ) s v c 电压电流特性 同t c r 等传统s v c 装置一样，改变控制系统的参数( 电网电压的参考值 瓯，) 可以蔹得到懿瞧压电滚跨戆楚线上下移动。毽是可以瑟逡与嚣2 5 ( b ) 簸示 的传统s v c 电压电流特性的不同的是，当电网电压下降，补偿器的电压电流特 性向下澜整时，d s t a t c o m 可以调整其逆变器交流侧电压的幅值和相位，可以 搜箕获裁提供斡簸大无功电流矗，。窝毛一缕戆不变，纹受葵逄力半导体器 孛戆 电流密量限制。而对传统的s v c ，由于其所熊提供的最大电流分别受其并联电 抗器和并联电容器的阻抗特性限制，因而随着电压的降低而减小。因此 d s t a t c o m 载运行菠嚣魄簧绞魏s v c 要大。至于在建绞s v c 装置中瓣谨渡藏 题，在d s t a t c o m 中则可以来用桥式变流电路的多重化技术，多电平技术或 p w m 技术来进行处理，以消除次数较低的谐波，并使较高次数的谐波电流减小 到露以接受的程凌。 2 3d s t a t c o m 数学模型 2 3 1d q 坐标变换瑕论 采用d q 矢量变换理论可以强旋转坐栝系中戏察装鹫的錾态过程，同时在不 平衡系统中，逶过该变换可爨获褥基波正亭鸯确及无功分餐、鳌波负序分蕊瞄及 谐波分量。从电机工程的观点来看，d q 坐标属于同步转予坐标系。假定同步电 机定予a b c 三相绕组硅l 平衡的三捆正弦交流电压供电，则变换至同步转予坐标 系，a b e 三穗正枣餐臻电流稻当- j ：d 轴绕缝静盔滚分藿，帮凌同步电枫转孑上看， 1 2 u ， l ，t 一 一 ， 一 一 一。 江苏犬学硕士学位论文 定子三相绕组通以平衡的三相正弦交流，相当予转子d 轴绕组通以直流的作用 3 6 - 3 7 。进行d q 坐标变换可分为两个过程： 1 ) 三辐静壹a b c 坐标系一秀籀赘壹毡垒稼系 对于三相交流系统，当电压和电流满足以下条件： “口十+ “。= 0 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 可用三相一二相娥标变换将a b c 三相交流量变换到正交的“b 坐标上，如图 2 6 ( a ) ：f i t t , ，胰三糨静皮坐标系到灏据静止坐标系霹以逶过式( 2 3 ) ，( 2 - 4 ) ，( 2 5 ) 实现。 ：，：历i ： fu - 9 2 - 2 , ：1 2 一x f s 2 ( 2 一 ( 2 - 5 ) 羁2 6 ( a ) 三籀静止一两籀静止鞠2 6 国) 两秘静止一两稿商步旋转 ( 2 ) 两相静止“p 嫩标一两相同步旋转d q 坐标 在静止坐标系的搽礁上g l 入旋转坐标系，d 鞭与瞬时电压向曩u 鲍方囱熏合， 著以角颁率。同步旋转，d 辅落麓予q 辘9 0 瘦a 电流矢量f 可以分解为0 和屯。 则两相静止坐标系变换到两相旋转嫩标系变换方程为： i a ，口= c 2 j - 2 ，+ 毛口 1 3 ( 2 罐) 耋工苏走学硕士擎饭论文 下 r s i n c o t c o s t c 2 s - + 2 r2 l c o s 珊r s i n 国， ( 2 - 9 ) 练主，可颤接簿接三裰静壹a b e 坐标系变换为两稳静斑曲坐标系懿方程翅 喇啦寺蝴+ 了2 r e ) c 如s ( a t ) c o s ( a t 与c o s ( a t + 筝 j j ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 挖1 2 ) 另外根据瞬时无功功率理论，三相电路瞬时有功功率p 和瞬时无功功率g 的 表达式分爱为： q 。缸9 1 8 一u p l c t 将式( 2 1 3 ) n ( 2 1 4 ) 映射到d q 坐标系下，得到相应的表达式为： p 。“d + q 。畅屯一0 2 3 2d s t a t c o m 动态数学模擞 下图是d s n 桴c o m 的三相简化电路 电压烈逆变器交流输出侧相电服用u ，表示 乍翔下援设： ( 1 ) 开关元件为理想器件； ( 2 - 1 3 ) f 2 - 1 4 ) ( 2 - 1 5 ) ( 2 一 6 ) 电网电压用三相交流电压源玑表示， 主开关管采用 g b t ，为了便于分析， ( 2 ) a 、b 、c 三相参数对称鼠电网电压对称； ( 3 ) 整个装萋懿损耗鬟等效宠阻墨表示； ( 4 ) 忽略逆变器交流侧的电聪谐波分量； 1 4 江苏走拳矮圭擎缓论文 系统三相电_ 瞰为 ，一 ， 魄 u c u ， 7 i 图2 7d - s t a t c o m 三相简化电路 s i n ( o t ) s i n ( 卅娶) 鼬( 0 x 警 其中v 。为系统( 电网) 线电压有效值。 忽略逆变器交漉侧静电压谐波，褥出逆变器开关函数为： s = 圈 = 厉d 陋搿一等埘 s i n ( 出f + _ 2 7 r + 占) j ( 2 1 7 ) ( 2 一1 8 ) 其中，d 为逆变器输出端线电愿有效值与壹流侧电压值的跑傻，5 为逆变器输出 翡壤愿与电翻电压豹相位差，敬超静电阏窀聪相位为正。 逆变器交流侧电压为： = j d x s i n ( c o t + 6 ) s i n ( 卜了2 7 r 十拶) s i n ( 斛孥+ d j 上述三相简化电路的电压阐路方程为： l s ( 2 1 9 ) 江苏大学硕士学位论文 三掣= 魄去一是x k 鸭，。( 2 - 2 0 ) 舅辨爨缝鬟守裰爵褥： 警= 啵嗨毛魄冬 露2 t ) 蜀噬_ 羲毽：在a b e 璧繇下拣邀黪方程跪较复杂，对式( 2 2 回稻( 2 2 i ) 进行a b e d 连坐标系变换，露缮爨蘩予馥垒标系下蕊d s t a t c o m 动惫数攀攘蘩： ， l 矗 ? z g 龆出 一曲 一 d c o s ( a ) d s i n ( 8 ) ! ，l 二c o 0 其中各变量耨参数含义魏下： 芬遂变器浚澎溅线电歪有效篷写蓬浚激垂篷戆毙餮； 艿为逆变器竣出侧电压与电网电压蛉摆位篷： d q 坐标下d s t a t c o m 吸收的有功电滤； 乇d q 娶标下d s t a t c o m 暇收的无功电流； d s t a t c o m 崴流侧电聪： 致系统( 电嚣) 线窀压商散俊； 秘瞧嬲毫蓬蒸渡麓频率； 鼠衰鬣d ，s t a t c o m 育璃臻耗懿等效毫錾； d s t a t c o m 连接秀撬； 在d q 坐标系下，逆变器竣出侧电压装达式为： 盼慨d u a l , c 豳o s ( d ) 邀网铡电压襄达式为： 皓闭 在状态方程中，d ，5 为控毒输入。其状态变量稼态值分别为： ( 2 - 2 3 ) 0 之萄 0 2 5 ) 1，；，；j ，啦0 枷 ，旷iojiop 暇馘 。 努 努 ，汔 跫 一 江苏大学硕士学位论文 沁净2 占 p 熹s i n 2 艿 ( 2 2 国 虬c o s ( a + d 、 魄2 灵菥 其中毋= a r c t a n ( 妊) e 从式( 2 2 6 ) n - i 以看出：通过调节8 角可以改变无功电流和宥功电流的大小， d 郛5 的配台控制则可以保持羹漉傩电察电压慷定。 另外，根摊式( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ，d - s t a t c o m 从电网吸收的有功和无功功率表达 式为： 口：鲨s i n 2 拶 霆 疗：一堡s i n 2 6 1 2 霆 2 4 小结 f 2 2 7 ) f 2 2 8 ) 本颦从系统结构的分析入筝，选择了单个三相电压型桥式逆变电路作为本系 统靛主篷路缝稳，避蕊对箕工棒琢理进行了详缁分辑，撩蕹坐栋交换瑾论，采爝 开关函数法推导出d q 坐标系下d s t a t c o m 的动态数学模型，并得出锫状态交 量豹稳态表这式，为下一章控制策略静选取打下了基确。 1 7 江莓戈拳鞭毒攀 蠡论吏 第三章轴s t a t c o m 控制策略的研究 海雯电路缝褥确定戳薅，整戳策赡懿选取褥决定妻按彩嗡慈缎运行懿效果。 辫既，本攀番篷s 毛锻e o 麓狡麓羡醛遴褥涤入擦讨，为零系绞速耩合遭蕊蓑 制袋略。 3 1 控制策略概要 簌控镶策貉主寒潞，我们可戳分为兰个壕次：系统缀，装鬣缀，耩搏缀。 邃三个屡次控戮浆滗瓣关系翔下强辨示： 鹚3 t 控裁盛次邂辑美系 添统缓洼稍妻鬻怒针对整个舔统要蜜蕊的磊椿丽奢，闭就输电网s t a t c o m 甏跳酲毫惩s 赋o m 翁系绞缓控裁簧繁杂。装鹜渣攀交学磷潮邀2 0 m v a r s t a t c o m 裁