（电力电子与电力传动专业论文）静止同步补偿器（statcom）的仿真与实现.pdf

东南大掣：坝上学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ei m p r o v e m e n to fi n d u s t r i a ll e v e l c u s t o m e r sb e c o m es t r i c t e rw i t ht h ep o w e r q u a l i t y t 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 er e a c t i v el o a d ，n 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 od e t e r i o r a t e st h ep o w e rq u a l i t yo fc u s t o m e r ss e r i o u s l y , s oi m m e d i a t er e a c t i v ep o w e r c o m p e n s a t i o ni sap o w e r f u lm e a n so fo p t i m i z i n gp o w e rf l o wo i lt r a n s m i s s i o nn e t w o r k sa sw e l l a se n h a n c i n gp o w e rq u a i l t y c o n v e n t i o n a lr e a c t i v ec o m p e n s a t o rh a sal o n gr e s p o n s i v et i m ec o n s t a n ta n db a d r e g u l a t i v eq u a l i t y i t sc o m p e n s a t i v ec a p a c i t yi sa l s or e s t r i c t e db yt h ec a p a c i t yo fi t s e l f b a s e d o nt h ee l e c t r o n i ci r i v e r t e dt e c h n o l o g y , s t a t c o mc a l lb ef a s t e ra n dm o r ee r i e c t i v et o c o m p e n s a t et h er e a c t i v ep o w e ri np o w e rs y s t e m i nw h i c hg t oa n di g b ta r eb eu s e d ， b e c a u s et h ec o m p e n s a t i v ec a p a c i t yi sn o tr e s t r i c t e db yt h ec a p a c i t yo fi t s e l f , i th a sab e t t e r r e g u l a t i v eq u a l i t y t h ec i r c u i td i a g r a ma n dw o r kp r i n c i p l ea sw e l la si t sa p p l i c a t i o n sa r ei n t r o d u c e di n d e t a i li nt h i sp a d e r t w oc o n t r o ls t r a t e g i e so fs t a t c o ma r ed i s c u s s e dw h i c hi n c l u d e s d i r e c t c u r r e n tc o n t r o la n di n d i r e c t c u r r e n tc o n t r 0 1 t h eh a r m o n i ce l i m i n a t i o nt e c h n o l o g i e so f s _ i a r c o ma r ed i s c u s s e d ，w h i c hc a l lb ea c h i e v e db yi m p r o v i n gc i r c u i tc o n f i g u r a t i o na n d o p t i m i z i n gp u l s e s g e n e r a t i n gm o d e s a c c o r d i n gt od i f f e r e n tc o n t r o ls t r a t e g i e s w em o d e lt w oe m u l a t es y s t e ma r c h i t e c t u r e s t h er e g u l a t i v eq u a l i t ya n dd y n a m i cq u a l i t yo fs 1 1 a t c o ma r ea n a l y z e df r o mt h ew a v e f o t l n so f s o m ee l e c t r i cv a r i a b l e s t h r e e l e v e lt e c h n o l o g ya n dm u l t i i n v e r t e rt e c h n o l o g ya r ea p p l i e di nt h em a i nc i r c u i t t h ec o n t r o lp a r to fs t a t c o mm a k e su s eo ft w op i e c e so fc p uw h i c ha r eu s e df o rc e n t r a l c o n t r o l l e rm a dp u l s e sg e n e r a t o r t h em a i nf u n c t i o n so fc e n t r a lc o n t r o l l e rj n c l u d ed a t as a m p l i n g a dc o n v e r t i n g ，d a t ap r o c e s s i n ga n du s e ri n t e r f a c e ，a c c o r d i n gt ot h ed a t ap r o v i d e db yt h e c e n t r a lc o n t r o l l e r , p u l s eg e n e r a t o rw i l lp r o d u c et h ep u l s es e q u e n c et ot r i g g e rt h ei n v e r t e r sa t t h es a m et i m e ，p u l s eg e n e r a t o rp r o t e c t st h ep o w e rs y s t e mw h e nt h ev a r i a b l e se x c e e dc e r t a i n v a 】u e s k e yw o r d s ：p o w e rq u a l i t y ；r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n ；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 s p ；p o w e rf a c t i o n 抬1 1 页 东南大学学位论文独创性声明 r6 4 5 0 9 5 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我 所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我同工作的同 志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：驻日期：鲻多护 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和 电予文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内 容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许沦文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的 全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：7 妒导师签名：二龃日期： 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 “在具有电感或电容的交流电路中，电感的磁场绒电释的电场在一个周期的一部分时间内从电源 吸收能餐，另一部分时间内将能嚣返回电源，在整个周期内平均功率是零，也就是没有能量消耗。但 能量是在电源和电感或电容之间米回交换的，能量交换率的最_ 人值叫做无功功率。在一般单相交流电 路中，无功功率的计算值篙丁电压有效值、电流有效值和电压、l h 流间相忙角麓的1 1 i 弦值的乘积。”以 上是辞海中关于无功功率的定义。从定义中可以看出，无功功率只是住电力网中流动，却没有能 量消耗，因此对我们来说，没有任何用处，而它所产生的危害却很火。它会引起供电电压f 降、电力 网线损增加、能量消耗加大、供电质量下降，同时也会影响供电企业的经济效益。冈此如何更好、更 有效、更优化的对无功功率进行动态补偿是摆在电力上作者面前亟待解决的问题。 1 2 无功补偿的意义 随着我国国民经济及科技水平的快速发展，各行各业对电能质量的要求也越米越高，特别是随着 各种电子装置和精密设备的j 泛应用，使得用户希望供电企业能蟛提供高妓优质的l 乜能。而往电力系 统中，异步电动机、变乐器以及电孤炉等装置婴消耗犬量的无功功率。这些无功功率如果不能及时地 得到补偿的活，会对电网的安全、稳定以及经济运行产生不利影响，主要体现枉以f 儿个方面： 1 引起线路电压损耗增大 下幽为局部电力网的等值电路幽： 。 r 篇三 f 一一 、八厂j l 一_ _ ，s ：= 咒+ l ，q 2 u 、s - 2 # + ，g 其中足、分别为线路的等值电阻和等值电抗：最、q 2 分别为局部电力网末端的有功负荷和 无功负荷；u 2 为术端电压。可以汪明，该局部电力网的电压损耗a u 的汁算公式如f v ：e ，l u ：。兰掣；掣( 1 - 1 ) u2v 8 其中u 。为该电力网络的额定电压。由式( 1 j ) 可知，由负荷的无功功率易引起的电压损耗为 u 。：盟 “ 己，。 而由负荷的有功功率哎引起的i u 压损耗为： 第l 叭 ( 1 2 ) 东南人学硕上学位论文 毗= 等 ( 1 _ 3 ) 因为在一般的公用电网中，r 比x 要小的多，所以电网电压的波动主要是由无功功率的波动日 起的，而有功功率的波动对电网电压的影响则相对较小。 图1 2综合负荷的电压静态特性 图1 2 为综合负荷的电压静态特性图，从图中可以看到，在额定电压附近，电压与无功功率的关 系比电压与有功功率的关系要密切的多。当无功负荷由0 0 增加到q i 时，如果系统的无功储备充足， 则负荷端将保持正常电压水平。如果无功储备不足，系统的无功电源不能提供相应的无功负荷增量， 则电压特性曲线上移到图中的虚线，此寸系统电压被迫由u 降为u i ，以此来达到新的无功功率平衡。 如果长时间在低压状态下运行，不仅影响工业生产的产品质量，而且会损坏机械设备，造成安全隐患。 甚至还有一些更为恶劣的状况：诸如异步电动机在启动期间功率因数很低，这种冲击性无功功率会使 屯网电压剧烈波动，甚至使接在同一电网上的用户无法正常工作。还有电弧炉、轧钢机等大型设备会 产生频繁的无功功率冲击，严重影响电网的供电质量。因此，拥有充足的无功电源，动态快速的对无 功功率进行补偿，是维持电力网电压稳定、提高供电质量的首要前提。 2 使设备及线路损耗增加 当电力网中的无功功率增加时，总电流亦随之增大，因而设备及线路的损耗就会增加，这是显而 易见的。在图1 1 中，该局部电力网的线损功率为： a s = s 。- s 2 警弘) 其中有功线损为： 凹砰县“警r 在有功线损中，困无功功率在电力网中的流动而引起的部分为： 峨“器r ( i - 4 1 n 一5 ) f 】- 6 ) 由式( 1 6 ) 可知，系统中的无功负荷越大，所引起的线路损耗就会越大。在我国电力网的线损率 是表征供用电企业经济效益和技术管理水平的综合性技术经济指标，也是国家贳彻节能方针，考核供 电部门的一项重要指标。因此，及时补偿系统无功负荷、提高系统功率因数，不仅能够节约能源、提 高供电企业经济效益，还能反应供电企业的技术管理水平。 3 。增加设各容量 第2 页 第一章绪论 无功功率的增加，会导致电流增大和视在功率的增加。从而使发电机、变压器及其他电气设备容 量和导线容量的增加。同时，电力用户的启动及控制设备、测量仪表的尺寸和规格也要加大。这不仅 会大大增加供电企业的运行成本，而且会增加用电企业的生产成本，使得电网的经济运行大打折扣。 在电力网中，不仅包括一些稳定的无功负荷，还有一些冲击性的无功负荷，只有对这些无功负 荷进行动态补偿，才能防止供电质量的进一步恶化，同时，对于节约能源，保障电网安全运行也具有 重要意义。 1 3 主要无功补偿装置及其工作原理 1 3 1 并联电容器 利用并联电容器是补偿无功功率的传统方法之一。在电力系统常用的无功补偿设备中，并联电容 器的单位容量费用最低，有功损耗最小，运行维护最简便，而且可以分散安装，实现无功就地补偿， 获得最好的技术经济效果，此外改变容量也方便，还可以根据需要分散拆迁到其他地点。因此以并联 电容器作为无功补偿方式目前在国内外均得到广泛的应用。 下图为电力网中利用并联电容器进行无功补偿的等效电路幽及相量幽： i u a ) 电路图b ) 相照圈 圈1 - 3 并联电容器补偿无功功率的电路和相量图 由图1 - 3 可以看出，当并联电容器未投入使用时，电力网中的感性无功电流都由系统电源承担， 使得系统功率冈数较低：并联电容器投入后，向系统供应感性无功功率，分担了系统的绝人部分无功 负荷，使得功率冈数人人提高。但是在补偿过程中，如果电容的容量过火，就会使补偿后的电流相位 超前于电压，出现过补偿，这会引起变压器二次电压的升高，而且容性无功功率在电力线路上传输同 样会增加电能损耗，使温升增大，影响电容器的寿命，因此，在利用并联电容器进行无功补偿时，一 定要认真计算补偿奔量。 由于电容器只能向系统供应感性无功功率，而且它所供应的感性无功功率与其端l 乜压的平方成正 比，所以以并联电容器作为无功枣卜偿方式存在以下一些缺点：首先是电压的调节特性差，当系统冈无 功负荷过大，出现电压f 降时，电容器的无功输出反而减小，这会导致电网电压的进一步下降，从而 威胁到整个电力系统的安全运行。其次，当电容器的补偿容量确定以后，其阻抗是固定的，因此在补 偿过程中不能跟踪负荷需求的变化，也就是说不能实现对无功功率的动态补偿。而随着电力系统的发 展，对无功功率进行快速动态补偿的需求越来越人。 1 3 2 同步调相机( s y n c h r o n o u sc o n d e n s e r s c ) 传统的无功功率动态补偿装置是同步调相机，它实际上是不带机械负荷，空载运行的同步电动机。 它有过激和欠激两种运行方式：在过激运行时，向系统提供感性无功功率，成为无功电源，提高系统 功率因数和电压；在欠激运行时，则从系统吸收感性无功功率，成为无功负荷，降低系统电压。只要 改变凋相机的励磁，就可以平滑地改变其输出无功功率的大小及方向，| | 王j 而可以平滑地调节所在地区 的电压，这是同步调相机相对丁- 并联电容器的最大优点。 然而，由于同步凋相机属于旋转电机，冈此损耗和噪卢都很大，运行和维护复杂，而且相应速度 慢，在很多情况f 已无法适应快速无功功率控制的要求。所以7 0 年代以来同步调相机开始逐渐被静 第3 页 东南大学硕士学位论文 止型无功补偿装置所取代。 1 3 3 静l 七型无功补偿装置( s t a t i cv a rc o m p e n s a t o r - - s v c ) 静止型无功补偿器是属于“柔性交流输电系统”( 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 ) 范畴 的无功功率电源，它有各种不同的形式，目前常t i j 的有饱和电抗器型( s r 型) 、晶闸管控制电抗器型( t c r 犁) 、晶闸管开关电容器型( t s c 型) 三种。 早期的静止无功补偿装置是饱和电抗器( s a t u r a t e dr e a c t o r - - s r ) 型的，1 9 6 7 年，英国g e c 公司制 成了世界上第一批饱和电抗器型静止无功补偿装置。此后，各国厂家纷纷推出各自的产品。图1 4a 1 是其等效电路图，由s r 和若干组不可控电容器组成。与电容c 串联的电感三，与其构成串联喈振回跆， 兼作高次谐波的滤波器。而与饱和电抗器串联的电容c s c 月, i i i 以校止饱和电抗器伏安特性的斜率。图 i - 4b ) 是其伏安特性图，当s r 单独作用时，补偿器的基波电流如图中点划线所示，其斜率因c 取值 的不同而变化。当电容器单独作用时，补偿器的电流如图中虚线所示，即随其端电压的增人而增大。 而补偿器的整体伏安特性则如图中实线所示。可以看出，当系统电压高于参考电压时，补偿器产生感 性无功电流，降低系统电压，；而当系统电压低于参考电压时，补偿器则产生容性无功电流，提高系统 电压。 船 l 卞c 芒 c 。丰三，j 占占； 、譬j 少歹薷 a ) 等效电路罔b ) 伏安特性图 例】4s r 型静i e 无功补偿器等效电路与伏安特性图 s r 型静i l 无功补偿器与同步调相机相比，具有静止型的优点，响应速度快。但是由丁其铁心需 磁化到饱和状态，因而损耗和噪声都很大，而且存在非线性电路的一些特殊问题，又不能分相涧节以 补偿负荷的不平衡，所以未能占据静止无功补偿装置的主流。 进入7 0 年代后，随着电力电子技术的发展及其在电力系统中的应用使用品闸管的静【 无功补 偿装置受到越来越多的关注并逐渐占据无功功率补偿的主导地位。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，在美国电力研究院的支持下，西屋 电气公司制造的使用品闸管的静止无功补偿装置投入实际运行。我们目前所说的静止无功补偿装置 ( s v c ) 往往专指使崩晶闸管的静止无功补偿装置，主要包括晶闸管控制电抗器( t h y r i s t e rc o n t r o l l e d r e a c t o r - - t c r ) l j 品闸管投切电容器( t h y r i s t o rs w i t c h e dc a p a c i t o r - - t s c ) 。 t c r 型补偿器由t c r 和i 若干组不可控电容器组成。如图1 - 5 所示，与电容c 串联的电感上，与其 构成串联谐振回路，兼作高次谐波的滤波器，滤去由t c r 产生的5 、7 、11 ”等次谐波电流。t c r 由两个反并联的晶闸管与一个电抗器相串联，其一i = 作原理就是通过控制品闸管的触发延迟角d ，增大 或减小补偿器的等效电抗，从而达到动态改变其吸收的基波电流和无功功率的大小，图b ) 为t c r 型 补偿器的伏安特性剀当t c r 单独作用时，补偿器的基波电流如图中点划线所示，其值取决于晶闸管 的触发角，而后者又取决丁发定的控制规律和系统的运行状况等。当仅有电容器作用时，补偿器的电 流如图中虚线所示，即随其端电压的增人而增大。当t c r 与电容器同时投入时，补偿器的电流如剧中 第4 负 第一章绪论 实线所示。所以，通过控制晶闸管的触发延迟角，t c r 犁补偿器既可吸收感性无功功率，又可吸收容 性无功功率，从而达到对系统无功功率和电网电压的动态控制。 砌取 南三， t cu ：l t 。一) 一一。一 t c r 、j k ，( o a ) 等效电路图b ) 伏安特性图 图l 5t c r 型静止无功补偿器等效电路与伏安特性图 t s c 型补偿器的工作原理比较简单，其等效电路图如图1 - 6 a ) 所示，利用两个反并联晶闸管将电 容器并入电网或从电网中断开，其实只是以晶俐管开关取代了常规电容器所配置的机械式开关。 a ) 等效电路图b ) 伏安特性图 图1 - 6t s c 型静止无功补偿器等效电路与伏安特性图 在工程实际中，一般将屯容器分成几组，每组都可由品闸管投切。这样，可以根据电网的无功需 求投切这些电容器，t s c 实际上就是断续可调的吸收容性无功功率的动态无功补偿器，其伏安特性按 照投入电容器组数的不同而不同，见图1 6 b ) 。电容器分组的具体方法比较灵活，一般希望能组合产生 的电容值级数越多越好，这样可以尽可能的实现平滑调节，但是也应综合考虑到系统复杂性以及经济 性的问题。另外，电容器的投切时刻必须是电源电压与电容器预先充电电压相等的时刻，否则将会产 生冲击电流，根可能会破坏品闸管或给电源带来高频振荡等不利影响。 所有形式的s v c 虽然能够快速动态的调节系统无功功率，但是我们应该注意到，这些s v c 设备 之所以能产生感性无功功率，依靠的还是其中的电容器，这就使得s v c 与静电电容器有同样不可逾越 的障碍，日i j 电压调节特性差，另外装置的补偿能力受其安装容量的限制，这些缺点，都是促使s t a t c o m 产生的必耍条件。， 第5 页 东南大学硕上学位论文 第二章s t a t c o m 补偿原理及其应用 随着g t o 、i g b t 等大功率全控型器件的出现，以及相控技术、脉宽调制技术俨w m ) 的日趋成熟， 使褥电力电子逆变技术得到快速发展，静i l 同步补偿器( 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 - - s t a t c o m ) 正是基于此技术而发展起来的，并成为当今无功功率控制领域的研究热点。 s t a t c o m 又称s v g ( s t a t i cv a rg e n e r a t o r 静i r 无功发生器) ，是f a c t s 家族中重要的并联型补偿 设备。自从1 9 9 1 年在日本投入运行以来，相继在美国、德国等国得到了成功的应用。我国首台由清华 大学和河南省电力局共同研制的2 0 m v a rs t a t c o m 己丁1 9 9 9 年4 月投入运行。s t a t c o m 的应用 大大提高了电力系统的可靠性、安全性和稳定性，给使用者带来巨大的经济和社会效益。 2 1 s t a t c o m 电路基本结构 严格地讲，s t a t c o m 的基本电路结构应该分为两种：即电压型桥式电路结构和电流型桥式电路 结构。如图2 1 所示： z 本妻本；哗 o f n q 一_ | u 矗 上f l l ，m i ) 2 本事本j a ) 采用电乐型桥式电路 一 卷j _ _ 二 z fz叵z b 1 采用电流型桥式电路 幽2 - 1s t a t c o m 的电路基本结构 对于电压型桥式电路，其直流侧以电容作为储能元件，将直流电压逆变为交流电乐，通过串联电 抗并入电网，其中串联电抗起剑阻尼过电流、滤除纹波的作用；对于电流犁桥式电路，其直流侧以电 感作为储能元件，将直流电流逆变为交流电流送入电网，并联于交流侧的电容可以吸收换相产生的过 电压。我们知道，在平衡的三相系统中，三相瞬时功率的和是一定的，在任何时刻都等于三相总的有 功功率。因此总的看来，在三相系统的电源和负载之间没有无功功率的往返，各相的无功能量是在三 相之间来回往返的。而s t a t c o m 正是将三相的无功功率统一以来进行处理的，所以理论上说， s t a t c o m 的桥式变流电路的直流侧可以不设无功储能元件。但实际上由于谐波的存在，使得总体看 来，电源和s t a t c o m 之问会有少许无功能量的往返。所以，为维持s t a t c o m 的止常工作，其直流 侧仍需一定大小的电容或电感作为储能元件，但所需储能元件的容量远比s t a t c o m 所能提供的无功 容量要小。而对传统的s v c 装置，其所需储能元件的容量至少要等于其所提供的无功功率的容量。因 此，s t a t c o m 中储能元件的体积和成本比同容量的s v c 要小的多。在实际运行中，由于电流型桥式 电路效率比较低，而且发生短路故障时危害比较大，所以迄今投入实州的s t a t c o m 大都采闩 电压型 桥式电路，因此s t a t c o m 往往专指采用白换相的电压型桥式电路作为动态无功补偿的装置。 2 ，2s t a t c o m 基本工作原理 以采用电压型桥式电路的s t a t c o m 为例，其基本工作原理简而言之就是通过适当调节桥式电路 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，从而吸收或发出满足要求的无功电流， 实现动态无功补偿的目的。 由丁s t a t c o m 在t 作的时候是通过g t o 等全控型器件将直流侧电压转换成交流侧与电网同频 率的输出电压，因此它就像一个电压型逆变器，只不过其交流侧输出接的不是无源负载，而是电网。 第6 页 笙三童! ：婴坚! ! 堡堕型塾茎坐旦一 所以，当仅考虑基波频率时，s t a t c o m 可以等效视为幅值荆i 相何均田控制聃一个与皑删l 刊坝半l | 刁父 流电压源。其工作原理可以用剧2 - 2 所示单相等效电路幽来说明。其中变乐器及线路损耗用，等值表 示，图中u 。为s t a t c o m 接入点处系统电压，u ，为s t a t c o m 交流侧电压。 图2 2s t a t c o m 等效电路 s t a t c o m 有两种工作状况：即容性工况利感性工况，如图2 - 3 所示。图中，j 为u s 和u ，之间 的相位差，以u 。滞后u ，为正，旁为等效电抗器的阻抗角，u l 为等效阻抗器的两端u 乐。 a ) 容性工况 b ) 感性 _ 况 图2 - - 3s t a t c o m 相量图 当u ，滞后于u s 时( j o ) ，s t a t c o m 1 ：作于感性= 况，此时电流，滞后于系统电压u s ，s t a t c o m 从系统吸收感性无功功率。s t a t c o m 从系统吸收容性或感性无功功率的计算公式为： 。：堑s i n 2 6 ( 2 - 1 ) 2 r 其中，q 为s t a t c o m 三相电路从系统中吸收的总的无功功率，u s 为系统相电压。当d o 时， q 0 ，s t a t c o m 吸收感性无功功率；当占 o 时，q o ，s t a t c o m 吸收容性无功功率。冈此，通过 控制占的方向，我们可以在系统无功不足时提供无功支撑，在系统无功过剩时吸收多余无功；另外通 过控制占的人小，可以动态平滑地调节s t a t c o m 吸收的感性或容性无功功率的人小。由图中还可以 看出，不管是容性工况还是感性j r 况，u ，都与，保持乖直，因为变流器无需有功能量。电网电压与电 流似u 不再保持9 0 。，而是比9 0d , t 占角，因为电网需要提供有功功率来补充s t a t c o m 电路中的 有功损耗以及维持直流1 0 1 1 l 电容电压的稳定。 通过对s t a t c o mt 作原理的分析，可以知道s t a t c o m 的伏安特性如幽2 4 所示： 身三南大学硕士学位论文 图2 4s t a t c o m 的伏安特性图 通过改变控制系统的参数( 电网电压的参考值【名，) ，可以使伏安特性上r 移动a 与劁1 - 5 b ) 所示的传统 s v c 伏安特性不同的是，当电网电乐下降，补偿器的伏安特性向下调整时，s t a t c o m 可聪通过调整 其变流器交流侧电压的幅值和相位，以使其所能提供的最人无功电流，( 和，。维持不变，其值仅 受其g t o 等电力半导体器什的电流容量的限制。而对丁传统的s v c ，由丁_ 其所能提供的母大电流分 别受其并联电抗器和并联电容器的阻抗特性限制，随着电网电压的降低反而减小。囡此，s t a t c o m 的运行范围比传统的s v c 人，s v c 的运行范嗣是向f 收缩的三角形区域，而s t a t c o m 的运行范同 是上卜等宽的近似矩形的区域这是s t a t c o m 优越与传统s v c 的一人特点。 另外，对于那些以输电孙偿为目的的s t a t c o m 来说，如果直流侧采儿i 较大的储能电容，或者其 他直流电源( 如蓄电池组等) ，则s t a t c o m 还可以在必要时短时间内向电网提供一定量的有功功率。 这对丁电力系统来说是非常有益的，而又是传统s v c 装置所望尘莫及的。 2 3s t a t c o m 在改善电能质量中的应用 我们利媚s t a t c o m 来改善电能质量主要有两个目的：提高功率田数帮l 调协系统电压。虽然这m 个目的都是通过s t a t c o m 向系统中注入无功电流来实现，但补偿的1 = _ _ | 的不同，其实现原理也不尽相 同，下面分别加以讨论。 2 3 1 提高系统功率因数 下图为s t a t c o m 的系统接线图 s t a t c o m 图2 - 5s t a t c o m 的系统接线幽 其中b 为无穷大系统的等效电势，r j + 为由负荷端视入的无穷大系统等效戴维南阻抗，r + 肛 是s t a t c o m 的等效阻抗，v 为s t a t c o m 接入点处的系统电压，也就是负荷的供电电压。当 s t a t c o m 没有投入运行时，负荷电流口中的无功分筻如完全由系统承担，即i s q = i l q 。如果i l q 较大 功率冈数会很低，线路损耗也会大大增加。当s t a t c o m 接入系统斤，将产生容性无功电流三。g ，补 第8 页 第二章s t a t c o m 补偿原理及1 0 应用 偿负荷无功电流均，为系统提供无功支持。理想情况f ，当f c q = 砌时，s t a t c o m 将完全抵消负 荷无功电流，使系统功率冈数等于1 。 2 3 2 调节系统电压 由公式( 1 1 ) 及阁( 1 2 ) - y 知，在电网中，两个节点之间电压的幅度菱主要是由无功功率决定的，如 果系统中无功功率过大，会产生很大的电压损耗，如果不能及时进行无功补偿，在负荷处会出现欠压 现象。在图2 - 5 中，假定无穷大系统提供的有功功率和无功功率分别为p 、平| 】q 。，负荷的有功分嚣和 无功分量分别为0 和9 ，s t a t c o m 补偿的无功功率为q ( 、。则当s t a t c o m 没有投入运行时，负荷 的无功功率完全由系统承担，此时q s = q 。山公式1 - 1 可知，系统的i 乜压损耗为 u = e 。一矿“t p s r s + q s x s = ! 半 ( 2 2 ) 当s t a t c o m 投入运行斤，s t a t c o m 对负荷的无功功率进行补偿，以s t a t c o m 向系统发出感 性无功功率为无功补偿的正方向，则有： 幺= q g 、 ( 2 - 3 ) 此时系统的电压损耗为： u = b 一半= 盟掣 陋a ， 小式( 2 4 ) 可以看山，只要适当控制s t a t c o m 无功输出q ，的大小，就能调节系统的电压损耗 从而调节系统的j u 压水平。5 7 由公式( 2 1 ) 可知，绞的人小和占有关。冈此，只要调一讧逆变器输出电 压和系统l 乜压间的微小相位差( 一般只有儿度) ，就能实现我们的目的。 下幽给f i 了s t a t c o m 在进行无功补偿前和无功补偿斤的相簟图： a ) s t a t c o m 补偿前 b ) s t a t c o m 补偿后 图2 - 6s t a t c o m 补偿前斤系统相量图 由h 中可以看出，在补偿j i ，负荷端的电压水平很低，供电质量差。利川s t a t c o m 进行补偿后 电压水平得到很大改善。 2 4s w 盯c o m 控制策略 s q ； t c o m 作为动态无功补偿装置，在电力系统中的应用主要实现两个功能：即改善系统功率冈 数干调忸系统电压。冈此，其控制策略的选择应该根据补偿器要实现的功能和应用的场合来决定采用 开环控制、闭环挖制或者艇者相结合的控制策略。而外削环反馈控制董和调1 ，器的选取也应该根据补 偿器要实现的功能米i 殳定。例如我们要提高系统功率冈数时，控制系统可阻采耳又开环控制，对负荷无 功功率进行完全补偿；而要实现润1 ，系统电压功能时，控制系统则需要采刖系统电压的外闭环反馈控 筇9 页 东南大学顸- t + 学位论文 制，设置电压调节器，如果还要附加其他补偿功能，则可以另外附加削环利调节器米修止系统l 也压参 考值。 在控制策略上，s t a t c o m 和传统的s v c 有所不同，在s v c 中，南外闭环调节器输出的控制信 号用作s v c 等效电纳的参考值，以此信号来控制s v c 调节到所需要的等效屯纳；而在s t a t c o m 中， 由开环或外闭环调节器输出的控制信号则被视为补偿器应该产生的无功屯流( 或无功功率) 的参考值。 正是砷：如何由无功电流( 或无功功率) 参考值调节s t a t c o m 真正产生所需要的无功l h 流( 域无功功 率) 这个环节上二，形成了s t a t c o m 多种多样的具体控制方法，主要可以分为l u 流的间接控制和电流 的直接控制两种方法。 2 4 1 电流的问接控制 所谓电流的间接控制，就是按照s t a t c o m 的j ，作原理，将s t a t c o m 肴作一个交流l h 乐源，通 过对s t a t c o m 变流器所产生的交流侧电压基波的相位和幅值的控制，来间接控制s t a t c o m 的交流 侧电流。 分析图2 3 所示的s t a t c o m 工作相量图，以容性工况为例来进行说明。山幽可以得到以f 三角 关系式： 萧u l = j l u i s i n ( 9 0 。+ o ) s i n ( 9 0 。+ 妒- 5 ) 2 - 5 ) 萧3 。2 5 其中艿是u ，滞后u s 的角度，由此可以得到等效电抗器两端电压为 u l ：u s _ _ s i n 6 ( 2 6 ) 冈此可以推导出稳态时s t a t c o m 从电网中吸收的容性无功电流和有功电流的有效值分别为： 铲等s i n ( 9 0 0 - d ) = 铷2 j ( 2 ) r + x f 仁等c o s ( 9 0 0 - 万) = 等( 1 - c o s 2 6 ) p s ， 可以证明，在感性工况下，s t a t c o m 从电网中吸收的电流同样满足式( 2 - 7 ) 和( 2 8 ) ，不过此时吸 收的是感性电流，占的值是u ，超前u s 的角度a 5 3 外，由式( 2 5 1 可以得到： u ，：堕掣 ( 2 - 9 ) 可见，在稳态下艿的值与s t a t c o m 交流侧基波电压的幅值大小也是一一对府的。一f i s h l 0 、一及u ， 与占的关系曲线： 第1 0 页 么 二迫烙专 6 由图可以看_ l f j ：当占在绝对值较小的范围内变化时，占与乇接近线性的l 比关系。而在式f 2 n ? 州蛐慨蜘瓤种柚于s t a t c o m 懒蛐蝴扎碱眈 。酬、的变彳七都会弓 起s 丁a t c 。m 根人的无功输此s t a 丁c 。m 在实际的运行中，万都是在绝 啪戮覃要警黧燮篓捌万米在较大范围内控制s 姗。m 输出的无功慌 怙，黧篡? 豫们删衔慑觯蝴舫圳慨滋：麓滋戮参考 剧 吏s 计t a t c 篙羔向黧凝缎黧嘶摊舻米蝴w c 。帔流磊焉 o m 交流侧输出的电流值跟随参考值动捌匕。其利划神；相姜菱淼酬峨啪甲 在波形闭中 a ) 控制方法示意剧譬b 图2 8 简单的电流间接控制方法b ) 也压雨电流波形 “ 为s t a t c o m 搂入点处系统的相电压，“，为s t a t c 。m 变流器桥式屯路经触发后在 其t 忭原理就是将 积分调节，产生的 第1 i 贞 值进行比例 一一 超 黧懈纂 吼断 砉| 篙腻豢罴 贼私糯 鬻一 罴 东南人学硕士学位论文 2 4 2电流的直接控制 所谓电流的直接控制，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。此时 s t a t c o m 相当与一个受控电流源。其一l 作原理如下所示： 丝瓤，麓! 至乏磐筹瑟繁亟懈亟! 丝p 堕 百十怔乎匕划r 一一m 一一 图2 - 9 采用p w m 技术的电流盲接控制疗法 在该控制方法中，引入d q o 坐标系统。其中，j 。是需要补偿的无功电流参考值( 电流参考值的交轴 分量) ，将其反向后，就是s t a t c o m 交流侧应该吸收的无功电流( 指令l h 流的交轴分鼙) 。直流侧l u 容 需要吸收一定的有功电流维持其两端电压的稳定，可以通过反馈控米实现，将电容电压的参考值和其 瞬时值相比较之后再经过比例积分环节，就可以得到s t a t c o m 应该吸收的有功电流( 指令电流的直轴 分量) 。对s t a t c o m 交流侧电流的控制可以通过闭环反馈来实现，s t a t c o m 交流侧二相瞬时电流经 过滤波电路和检测电路之后，将其瞬时值转换到d q 0 坐标系统，分别得到直轴和交轴分量，闸l ， 然后分别和指令电流的直轴和交轴分量相比较后进行比例积分，得剑s t a t c o m 交流侧电压的直轴分 最甜。和交轴分量“。将“，、“。反变换为- - - - n 交流嚣作为调制信号送入p w m 电路，经三角载波信号 调制之后，产生触发脉冲序列，依次触发s t a t c o m 变流器桥式电路的各桥臂，这样，在s t a t c o m 的交流侧就会得到我们需要的补偿电流。 在该控制方法中，由丁引入了d q 0 坐标系统，指令电流值干【ls t a t c o m 的反馈电流值，”，。在 稳态时都是直流信号，所以通过p i 调节器可以实现无稳态误荠的电流跟踪控制。s t a t c o m 采_ l j 电流 直接控制方法后，由丁直接对s t a t c o m 吸收电流的瞬时值进行了跟踪控制，而不像间接控制方法中 那样，通过占这个中间环节，因此，其响应速度和控制精度都有很大的提高。在该控制方式下， s t a t o m 的_ _ l = 作特性更像一个受控【b 流源。由于采用了p w m 技术，冈此要求变流器的g t o 等全控 型器件有较高的开关频率，这对目前较大容量的s t a t c o m 来说还难以做到，月外，较高的开芙频率 也引起较大的开关损耗，这是其不足的地方。 2 5 s t a t c o m 谐波消除技术 s t a t c o m 在进行无功功率补偿的时候，其交流侧输出的是幅值等丁二商流侧电锌电压的方波序列， 而不是正弦波的交流电压，因此，不可避免的会产生谐波分量。传统的做法是附加滤波器进行滤波， 但这会人大增加设备成本。对丁采用电力电子逆变技术的无功补偿方法，我们可以通过适当的控制技 术来消除输出电压和输出电流中的谐波成分，主要可以从电路结构年脉冲触发方式两个方面来进行优 化。 第1 2 兜 第二章s t a t c o m 补偿原理及j 麻用 2 5 1 改善电路结构 1 多重化技术 山于单个变流器的输山波形是一系列的方波，因此含有较多谐波成分。如果我们设计多个变流器， 将它们并联或串联连接，使它们各自的输波形在相位上相差一定的角度，那么我们最终得到的将是 接近正弦波的阶梯波形，这是由于各变流器输出波形相互叠加的结果，这就是变流器的多重化技术。 另外，利用多重化的方法，还可以增大s t a t c o m 的装置容量，从而对系统的稳定发扦重要作j u 。电 压型和电流型的变流器都可以实现多重化，其中电压型要串联连接，电流酗要并联连接。f 幽是四个 电压型变流器四重化的简单示意图： 图2 - 1 0s t a t c o m 四重化主电路幽 四个变流器各相输山电压在相位上依次相差1 5 。，经串联后接入交流电力网。各变流器的相位关系可 以在触发脉冲产生环节进行控制。其中各变流器a 相电压波形和最终得到的a 相电压波形如图2 1 1 所示： 倒中，“。o 、“、“、“分别表示0 。、1 5 。、3 0 。、4 5 。逆变器交流侧的a 相电压波形 它们在相位上依次相差1 5 。，“。是四个逆变器的连接变乐器在次级绕组串联之后，得到的总的a 相电 压波形( 其中”女是直流侧电容的电压) 。由图中可以看出，此时得到的电压波形是接近正弦波的阶梯波 形。理论上说，多重化的级数越多，谐波消除的效果就越好，但是由于土同路的相互作用，以及控制 电路、输出变压器连接复杂化等原因，实际上采_ l | j 的多重化的级数并不是很高。 图2 - 11四重化s t a t c o m 电乐波形图 第1 3 页 s t a t c o m 通常采州的都是两电平( 2 1 e v e l ) 的变流器，其交流侧输出电压只订v ，kn 4 电平，所 以谐波成分鞍多；而且随着输i 电线路电压水平的越来越高，对g t o 等开关器僻的耐压水平提出了较 高的要求。