（电力系统及其自动化专业论文）基于改进补偿指令电流检测方法的statcom的设计与研究.pdf

学位论文版权使用授权书 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，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， 允许论文被查阅和借阅，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国 学位论文全文数据库并向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂 志社将本论文编入中国优秀搏硕士学位论文全文数据库并向社会提供查询。 论文的公布( 包括刊登) 授权江苏大学研究生处办理。 本学位论文属于不保密0 。 学位论文作者签名： 山，年6 月厂日 指导教师躲孤，彦乙 力，年石月j 一日 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，也不包 含为获得江苏大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。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： 嚣之 山，年占月f 日 摘要 无功功率在电气技术领域是一个必不可少的重要物理量。近年来，随着我国 电力工业的不断发展，对电网无功功率的要求也日益严格。静止无功发生器 ( s t a t c o m ) 是柔性交流输电系统中的一种新型设备，可以完成对电网无功功 率动态补偿的功能，即对电网发出感性或容性无功。相比于传统无功补偿装置， s t a t c o m 有着更好的工作性能，如工作范围宽，响应速度快等优点。因此正得 到越来越广泛的应用。 本文首先介绍了无功补偿装置发展情况以及s t a t c o m 的国内外研究现状， 介绍了s t a t c o m 的工作原理，并对其控制方法进行了详细的分析。 其次，基于瞬时无功功率理论，分析了传统的无功及谐波指令电流检测方法。 而后，在此基础上提出了改进的电流检测方法，通过理论分析，证明采用无锁相 环环节可以减少电网频率畸变对电流检测的影响；在低通滤波器后加入p i 调节 可以提高检测结果的精度；在电流反馈环节中加入p d 调节可以减少当负载突变 时，低通滤波器的固有延迟，起到补偿延迟的作用；基于上述理论，建立了两种 检测方法的m a t l a b 仿真模型，通过仿真将两种检测方法检测到的波形结果进 行了分析对比，证明了改进算法对检测s t a t c o m 补偿指令电流的可行性和优越 性。 。 随后，对s t a t c o m 的硬件电路进行了详细的说明，分析了器件参数选择的 方法并给出了系统各部分的电路原理图。设计了基于d s p 2 8 3 3 5 的数字控制系统， 对s t a t c o m 的软件结构进行了分析，并列出了流程图。 最后，利用m a t l a b 软件搭建了整个s t a t c o m 系统仿真模型，采用直接 电流控制算法进行仿真，对其中每个小模块进行了描述并给出模块框图。在实验 室中，对设计好的s t a t c o m 进行了模拟实验，实验结果证明了s t a t c o m 具 有良好的补偿效果。 关键字：s t a t c o m ；无功补偿；瞬时无功理论；电流检测方法；直流电流控制； m a t l a b 仿真 a b s t r a c t r e a c t i v ep o w e ri sai m p o r t a n tp h y s i c a lq u a n t i t yi nt h ef i l e do fe l e c t r i c a lt e c h n o l o g y i nr e c e n t y e a r s ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc h i n ap o w e ri n d u s t r y , t h er e q u i r e m e n ti si n c r e a s i n g l ys t r i n g e n tf o r t h er e a c t i v ep o w e ro ft h ep o w e rg r i d t h es t a t c o mi sa l le q u i p m e n to ft h ef l e x i b l ea c t r a n s m i s s i o ns y s t e m i ti su s e dt oc o m p e n s a t er e a c t i v ep o w e ra n dc a na b s o r bt h ei n d u c t i v er e a c t i v e a n d c a p a c i t i v e r e a c t i v ep o w e r c o m p a r e dt ot h et r a d i t i o n a lr e a c t i v e p o w e rc o m p e n s a t i o n d e v i c e ，t h es t a t c o m h a sm o r es u p e r i o rp e r f o r m a n c e ，s oi ti sw i d e l yu s e di nt h ep o w e rs y s t e m i nt h i sp a p e r , t h ed e v e l o p m e n ts i t u a t i o no ft h er e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o nd e v i c ea n dt h e r e s e a r c hs t a t u so fs t a t c o ma r ei n t r o d u c e df i r s t l y a n dt h e n ，i n t r o d u c et h ew o r k i n g p r i n c i p l eo f t h es t a t c o ma n da n a l y s i st h ec o n t r o lm e t h o d si nd e t a i l a n dt h e n ，t h et r a d i t i o n a lr e a c t i v ea n dh a r m o n i cc u r r e n td e t e c t i o na l g o r i t h mi sa n a l y z e dw h i c h b a s e do nt h ei n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e rt h e o r y a n dai m p r o v e dc u r r e n td e t e c t i o nm e t h o da r e p u tf o r w a r do nt h eb a s i so ft h ep r e v i o u sc o n d i t i o n a lm e t h o d t h r o u g ht h e o r e t i c a la n a l y s i st h a tt h e i m p r o v e dm e t h o dr e d u c e st h eb a de f f e c tb e c a u s eo ft h ec u r r e n tg r i df r e q u e n c yd i s t o r t i o nw i t h o u t t h ep l l a d dp il i n ka f t e rt h el p ft oi m p r o v et h ea c c u r a c yo fd e t e c t i o np r o c e s s a n da d dt h ep d l i n ki nt h ec u r r e n tf e e d b a c kt or e d u c en a t u r a ld e l a yo ft h el p fw h e nt h el o a ds u d d e n l yc h a n g e s b a s e do nt w od e t e c t i o nm e t h o d st oe s t a b l i s ht h em a t l a bs i m u l a t i o nm o d e l s t h r o u g ht h e s i m u l a t i o no ft h ec o m p a r i s o n ，t op r o o ft h ei m p r o v e da l g o r i t h mi se f f e c t i v ea n df e a s i b l e t h e n ，t h i sp a p e rp u tf o r w a r dad e t a i l e dd e s i g no ft h eh a r d w a r ec i r c u i to fs t a t c o m a n d t h ec h o i c eo fd e v i c e sa r eg i v e nb ya n a l y i n g ，a n dp r o v i d e st h ec i r c u i tp r i n c i p l ed i a g r a m s b a s e do n t h ed i g i t a lc o n t r o ls y s t e mb a s e do nd s p 2 8 3 3 5a n dp u tf o r w a r dt h es o f t w a r es c h e m eo ft h e s t a t c o m ，a n dt h e ng i v et h ee v e r yp a r to f t h es y s t e m sf l o wc h a r t a tl a s t , u s et h em a t l a bt ob u i l dt h e e n t i r es t a t c o ms y s t e ms i m u l a t i o nm o d u l e s a n d a d o p tt h ed i r e c tc u r r e n tc o n t r o lm e t h o dt os i m u l a t e a n dt h e np r e s e n t se v e r ys i m u l a t i o np r i n c i p l e d i a g r a ma tt h ef i f t hp a r t i nt h el a b o r a t o r y w ec a r r yo u tt h ee x p e r i m e n to ft h es t a t c o ma n d a c h i e v e dag o o dc o m p e n s a t i o ne f f e c t k e yw o r d s ：s t a t c o m ；r e a c t i v ec o m p e n s a t i o n ；i n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e r t h e o r y ；c u r r e n td e t e c t i o nm e t h o d ；d cc u r r e n tc o n t r o l ；m a t l a bs i m u l a t i o n l i 目录 摘要i a b s t r a c t l l 目录1 i i 第一章绪论1 1 1 课题研究背景和意义1 1 2 无功补偿的作用和发展概况2 1 2 1 无功补偿的作用2 1 2 2 无功补偿的发展趋势2 1 3s t a t c o m 优点及国内外研究现状4 1 4 本文研究内容6 第二章s t a t c o m 的基本原理和控制方式7 2 1s t a t c o m 的主电路结构7 2 2s t a t c o m 的工作原理8 2 3s t a t c o m 的控制方法1 0 2 3 1 电流间接控制1 0 2 3 2 电流直接控制13 2 3 3 其它控制方法简介1 5 2 4 本章小结19 第三章无功和谐波电流检测算法2 0 3 1 基于瞬时无功功率理论的补偿指令电流检测方法2 1 3 1 1 基于p g 理论的补偿指令电流检测方法2 3 3 1 2 基于传统茹一岛理论的补偿指令电流检测方法2 4 3 2 基于i , - i 。理论的改进补偿指令电流检测方法2 5 3 2 1 无锁相环p l l 一2 6 3 2 2 低通滤波器之后加入p i 调节器2 7 3 2 3 比例微分环节( p d ) 作为负反馈2 8 3 3 仿真结果分析2 9 3 3 1 传统易一岛补偿指令电流检测方法仿真。2 9 3 3 2 改进i p i q 补偿指令电流检测方法仿真3 0 3 3 3 仿真分析对比说明3 1 3 4 本章小结3 7 第四章装置总体结构和主电路设计3 8 4 1 主电路的设计和参数的选择3 8 4 1 1 主电路中i g b t 的选择3 8 4 1 2 连接滤波电抗的选择4 0 4 1 3 直流侧电容器的选取4 l 4 2 主控制器及硬件电路设计4 1 4 2 1d s p 的j 筵择4 1 4 2 2 信号调理板的设计4 3 4 3 系统的软件设计4 6 4 3 1 系统主程序一4 7 4 3 2a d 采样中断服务程序4 7 4 3 3 过零中断服务程序4 8 4 3 4 故障保护中断一4 9 4 4 本章小结5 0 第五章s t a t c o m 的仿真及实验研究5 1 5 1m a t l a b 简介：5 1 5 2s t a t c o m 系统仿真研究5 2 5 2 1 系统仿真模型的建立5 2 5 2 2 直接电流控制系统仿真5 6 5 3s t a t c o m 实验结果和波形5 8 5 4 本章小结5 9 第六章结论与展望6 0 6 1 本课题的主要研究成果6 0 6 2 需要进一步研究的工作6 0 参考文献6 1 致谢6 5 在学期间发表的学术论文及参加科研项目一6 6 i v 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 电力电子学所代表的电力电子变换和控制技术，是一门综合了电子技术、控 制技术和电力技术的新兴交叉学科【i 】。近年来，随着我国电力工业的不断发展， 大范围的高低压输电线路网络渐渐形成，同时对电网无功功率的要求也日益严格 起来。在现代电网中，非线性用电设备和无功设备的使用越来越多，使得无功不 足和谐波污染的问题越来越严重，另外大多数用电没备的功率因数不高，需要大 量的无功功率，这样也给电网带来了额外负担，因此会对电能质量造成不良的影 响，而且，现在的电能质量不能使越来越多的先进用电设备的要求得到满足。所 以，如何有效地控制用电设备的无功功率已经成为电力电子技术和电力系统研究 领域所面临的一个具有重大意义的课题，正在被越来越多的学者所关注和重视。 1 1 课题研究背景和意义 在电力系统中，存在着大量电容和电感元件，不仅存在有功功率，而且存在 着无功功率。无功功率的传输伴随着有功损耗的产生，而且会沿着传输线路带来 电压降落差，从而使电网的视在功率增大，产生一系列的负面影响【2 j ： ( 1 ) 无功功率的提高，会增加电网视在功率和总电流，从而使电力系统中 的用电设备的容量增大。 ( 2 ) 电网的无功容量发生不足，负荷端的供电电压会降低，对正常生活和 生产用电造成影响，而无功容量过剩，电网运行电压则会增大，并产生剧烈波动， 影响供电质量。 ( 3 ) 无功功率的不足，会降低电网的功率因数，造成大量电能损耗。 由此可见无功功率对于电力系统起着十分重要的作用，如果不进行无功补 偿，在系统正常运行时，会反复的使负载的无功功率在很大的范围内波动，这不 仅使电气设备得不到充分的利用，甚至还会导致设备损坏，系统瘫痪，因此研究 无功功率具有重要的现实意义。归纳如下【3 】： ( 1 ) 对无功功率的研究，可以使得电网中与无功功率相关的一系列技术问 题得到解决。关系到无功功率的问题很多，主要有：无功功率的稳定性问题；难 以对冲击性负荷进行调节的问题；无功功率中含有的高次谐波对电网的危害和闪 、 江苏大学硕士学位论文 变问题等。 ( 2 ) 对无功功率的研究，可以促进节能，符合国家节能的号召。如果无功 功率在电网中不断的循环，会造成很大的电能损失。 ( 3 ) 对无功功率的研究，可以掌握它的经济规律。通过统计和计算，理论 分析指导和各项技术节能措旋的实行来达到经济运行的目的。 ( 4 ) 对无功功率的研究，可以保证电能的供电质量，促使电力系统能够安 全稳定的运行。 1 2 无功补偿的作用和发展概况 1 2 1 无功补偿的作用 电力系统网络中大多数的无功功率主要是由无功负荷和网络组件消耗掉的。 这些消耗掉的无功功率就必须从网络中获得，补偿电力系统中负荷和网络组件所 需要的无功功率。如果这些用电设备所需要的无功功率不能得到及时补偿，电力 系统的安全稳定运行就会受到影响。电力系统无功功率补偿的作用如下1 4 j ： ( 1 ) 稳定受电端及电网电压，提高供电质量。 ( 2 ) 提高供用电系统及负载的功率因素，降低设备容量，减小功率损耗。 ( 3 ) 改善系统的稳定性，提高输电能力，并提供一定的系统阻尼。 ( 4 ) 提高发电机有功输出能力。 ( 5 ) 减少线路损失，提高电网的有功传输能力。 ( 6 ) 降低电网的功率损耗，提高变压器的输出功率及运行经济效益。 ( 7 ) 降低设备发热，延长设备寿命，改善设备的利用率。 ( 8 ) 高水平平衡三相的有功功率和无功功率。 ( 9 ) 避免系统电压崩溃和稳定破坏事故，提高运行安全性能。 1 2 2 无功补偿的发展趋势 电力系统中无功补偿装置从最早的电容器开始发展到现在的静止无功补偿 器，历经了电容器，同步调相机，s v c ，一直到现在研究的s t a t c o m 等几个不 同的发展阶段【5 1 。 2 江苏大学硕士学位论文 在交流电网发展的初级阶段，无功补偿装置并不是特别需要的，而是通过调 节发电机的励磁电流来实现无功的调节。随着电力系统的不断发展，规模的逐步 扩大，这种调节方式已不能满足无功补偿的需求了。同步调相机的产生满足了当 时无功补偿的需要，它是一种专门用来产生无功功率的同步电机，在不同的激磁 情况下，可以分别发出不同性质和大小的无功功率。在电网发展的近几十年中， 同步调相机在电力系统的无功功率控制中一度起着非常重要的作用。但是，由于 它是旋转电机，噪声大并损耗多，系统运行维护程序复杂，再加上响应速度慢， 在很多场合己无法满足快速无功功率控制的要求。因此自上个世纪七十年代以 来，静止型无功补偿装置( s v c ) 正在逐渐取代同步调相机，于此同时，同步调相 机正在退出无功补偿装置的舞台。 饱和电抗器( s 鼬型是早期的静止无功补偿装置。1 9 6 7 年，世界上第一批饱 和电抗器型静止无功补偿装置由英国g e c 公司制成。饱和电抗器和同步调相机 相比具有响应速度快等优点，但是由于其损耗和噪声都很大，而且存在非线性电 路的一些特殊问题，又不能分相调节不平衡负荷，所以没有能够在静止无功补偿 装置领域起到主导作用。 电力电子技术的发展及其在电力系统中的应用，使基于晶闸管器件的静止无 功补偿装置得以发展。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 使用晶闸管的静补装置。1 9 7 8 年，在美国电力研究院的支持下，西屋电气公司 制造的使用晶闸管的静补装置投入实际运行。随后，世界各大电气公司都竞相推 出了各具特点的系列产品。我国也先后引进了数套这类装置并具备自行制造能 力。由于使用晶闸管器件的静止无功补偿装置具有优良的性能，所以，近十多年 来，在世界范围内其市场一直在迅速而稳定地增长，已占据了静止无功补偿装置 的主导地位。因此静止无功补偿装置( s v c ) 这个词往往是专指使用晶闸管器件的 装置，包括晶闸管控制电抗器( t c r ) 并f l 晶闸管投切电容器( t s c ) ，以及这两者的 混合装置( t c r + t s c ) ，或者晶闸管控制电抗器与固定电容器( f c ) 或机械投切电容 器( m s c ) 混合使用的装置( 如t c r + f c 、t c r + m s c 等) 。而最新最重要无功补偿 装置发展方向是s t a t c o m ，它利用电力电子变流器进行无功控制，但是由于当 时电力电子器件的耐压和功率水平达不到要求的标准，所以无法制造出输电系统 中具有实用价值的无功补偿装置【3 j 。图1 1 为无功补偿装置的发展框图。 江苏大学硕士学位论文 图1 1 无功补偿装置的发展 1 3s t a t c o m 优点及国内外研究现状 静止无功补偿装置( s t a t c o m ) 是现代柔性交流输电系统( f a c t s ) 的核心组 成部分，主要是由电压型逆变器和直流电容构成，另外还有电流型逆变器，但是 由于其明显的缺点，电流型逆变器应用较少。s t a t c o m 与其它常规的无功补偿 装置相比，具有以下优点【6 - 8 】： ( 1 ) 采用数字控制技术，系统可靠性高，基本不需要维护，可以节省大量维 护费用；同时，可通过调度中心e m s 实现无功潮流和电压最优控制，它是建设 中的数字电力系统( d f s ) 的组成部分； ( 2 ) 对电容器的容量要求不高，这样可以省去常规装置中的大电感和大电容 及庞大的切换机构，使s t a t c o m 装置的体积小，损耗低； ( 3 ) 谐波量小。s t a t c o m 装置采用桥式交流电路的多重化技术，多电平技术 或p w m 技术来消除次数较低的谐波，从而使较高次数如7 ，1 l 等次谐波减d , - n 可以接受的程度； ( 4 ) 控制灵活，调节范围广，在感性和容性运行工况下均可连续快速调节， 4 江苏大学硕士学位论文 响应速度可达毫秒级； ( 5 ) 连接电抗小，s t a t c o m 接入电网的连接电抗，其作用是滤除电流中存在 的高次谐波，另外起到将变流器和电网这两个电流电压源连接起来的作用，因此 所需的电感量并不大，也远小于补偿容量相同的t c r 等s v c 装罱所需的电感量， 如果使用变压器将s t a t c o m 连入电网，则还可以利用变压器的漏抗，所需的连 接电抗器将进一步减小； ( 6 ) 在提高系统的暂态稳定性、阻尼系统振荡等方面，s t a t c o m 的性能大大 优于传统的无功补偿装置； ( 7 ) s t a t c o m 的端电压对外部系统的运行条件和结构变化不敏感。当外部系 统容量与补偿装置容量可比时，s t a t c o m 仍然可以保持稳定，即输出稳定的系 统电压； ( 8 ) 静止运行，安全稳定，没有调相机那样的大型转动设备，无磨损，无机 械噪声，将大大提高装置的寿命，改善环境影响； ( 9 ) 对系统电压进行瞬时补偿，既使系统电压降低，又可以维持最大无功电 流，即s t a t c o m 产生无功电流基本不受系统电压的影响； ( 1 0 ) s t a t c o m 的直流侧采用较大的储能电容，或者其他直流电源( 如蓄电池 组) 后，它不仅可以调节系统的无功功率，还可以调节系统的有功功率。 ( 1 1 ) s t a t c o m 中的电容器容量小，即使在网络中普遍使用也不会产生谐振。 从s t a t c o m 装置研究现状来分析，在国外，1 9 7 9 年日本三菱公司和关西 电力推出世界上第一台采用晶闸管强迫换流的2 0 m v a r 的s t a t c o m 装置并并网 运行。随着电力电子器件的发展，尤其是高压大功率的门极可关断晶闸管g t o 等自关断器件开始达到了可用于s t a t c o m 中的电压和电流等级，并逐渐成为 s t a t c o m 的白换相桥式电路中的主力，才极大地推动了s t a t c o m 的开发和应 用。1 9 8 6 年美国的e p r i 与西屋公司等研制的士1 m v a rs t a t c o m 在纽约投入示 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士8 0 m v a r s t a t c o m 在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 芝公司和日立公司开发的两台s 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 ，田纳西流域管理局t 、，a 与西屋公司投运了一台士1 0 0 mv a r s 仉盯c o m ；1 9 9 7 年由德国西门子公司开发研制的1 8 m v a r s t a t c o m 在丹麦投入 江苏大学硕士学位论文 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 中的并联部分士1 6 0 m v a r 的s t a t c o m ，己于1 9 9 7 年开始运行。在国内，1 9 9 4 年清华大学与河南电力局联合开发的士2 0 m v a r 的s t a t c o m 装置于1 9 9 9 年3 月在河南洛阳2 2 0 k v 朝阳变电站并网成功。另外，国家电力公司南京自动化研 究院在2 0 0 1 年也研制了5 0 0 k v a r 的s t a t c o m 装置。 1 4 本文研究内容 本文研究内容包括一下几个方面，第一章为概述，介绍了s t a t c o m 的国内 外研究现状和课题研究的意义；第二章详细阐述了s t a t c o m 无功补偿的原理及 其装置结构，并对其控制策略进行了介绍；第三章提出了s t a t c o m 系统补偿指 令电流检测的改进方法，并通过和传统方法的仿真结果对比，验证了改进算法的 可行性和优越性；第四章对s t a t c o m 的主电路结构进行了说明，并对整个系统 元器件及其参数的选择进行了详细的分析；第五章运用m a t l a b s i m u l i n k 软 件对s t a t c o m 进行了建模仿真，通过仿真验证了s t a t c o m 具有很好的补偿 性能，最后通过实验验证了仿真理论的正确性。第六章为结论和展望，提出需要 进一步研究的内容。 6 江苏大学硕士学位论文 第二章s t a t c o m 的基本原理和控制方式 - 传统的无功补偿装置，比如开关控制的并联电容器，固定容量的电容器，同 步调相机等可满足相当容量的无功补偿需求，但其响应速度慢，维护困难，连续 的可控性较差。尽管可控硅型的静止无功补偿器s v c 在电力系统中的应用取得 了不错的效果，但其也存在不少缺点，例如占地面积大，运行成本高等，而且它 对电网电压的波动表现出恒阻抗特性，因此当电网电压波动时不能充分发挥其作 用。 而s 仉虹c o m 的调节速度快，运行范围广，而且在采用多电平，多重化或者 p w m 技术等措施后可以大大减少补偿电流中的谐波含量。更重要的是， s t a t c o m 使用的电抗器和电容元件的容量远比s v c 中使用的电抗器和电容元 件要小，这将大大压缩补偿装置的体积和成本。s t a t c o m 的这些优越性能，显 示了动态无功补偿的发展方向。 2 1s 仉奸c o m 的主电路结构 s l 虹c o m 的主电路结构分为电压型桥式电路和电流型桥式电路两种类型， 直流侧分别采用电容和电感这两种储能元件。电压型桥式电路需要串联上电抗器 才能并入电网，而电流型桥式电路，需要在交流侧并联上吸收换相产生的过电压 的电容器。电压型桥式电路( v s i ) 的储能元件电容器与电流型桥式电路( c s i ) 中的储能元件电抗器相比，储能效率和体积以及价格都有着明显的优势。正是基 于电压型桥式电路的这些优点，所以目前投入的s t a t c o m 主电路结构都是采用 电压型桥式电路。两种类型的电路结构框图分别如图2 1 和图2 2 所示。 l 0 1r 土 1 j 二j 。j l i _ j j v v v l 一 1r 1r 1r j。jlj。jlj。ji 图2 1 电压型桥式电路 7 1r 1 r1r 。 j 一 一 c 一上 一 一 一t ! r1 r1r _ j 。 。 二 。 j 图2 2 电流型桥式电路 江苏大学硕士学位论文 2 2s t a t c o m 的工作原理 s t a t c o m 的基本工作原理1 】就是将自换相桥式电路直接或者通过电抗器 并联在电网上，通过调节其主电路交流侧输出电压的幅值和相位，就可以得到满 足系统需要的无功电流，从而来实现动态无功补偿的功能。本章下面篇幅将对 s t a t c o m 的无功补偿基本原理进行详细的分析。s t a t c o m 的单相等效电路图 为图2 3 所示。 图2 3s t a t c o m 的单相等效电路 图2 3 中，参数三和r 是总电感和总电阻( 包括连接电抗和逆变器阻抗) ，其 中攻是网侧电压，砟是s t a t c o m 的系统输出端电压，乃是连接电抗x 和r 上 的总电压，j 是由网侧流入s t a t c o m 电流，此通过改变矿可以进行电流j 控制， 而矿是坎和以的相量差，通过改变s t a t c o m 交流侧输出电压吃的幅值和相对 于吱的相位，就可以改变相量矿，从而就可以控制s t a t c o m 从屯网吸收电流 的相位和幅值，也就控制了s t a t c o m 吸收感性或者容性无功功率及其大小。 在理想情况下，连接电抗器可被视为纯电感，忽略其损耗和逆变器的损耗， 则逆变器就不需要从电网吸收有功能量，与此同时吃与吹同相，若仅改变诈的 幅值即可控制s t a t c o m 从电网吸收的电流j 是超前还是滞后9 0 度，而且此电 流的大小还能得到控制。图2 4 中所示，如果蟛的幅值大于呔幅值，电流j 超前 电压9 0 度，则s t a t c o m 吸收容性无功功率，此时s t a t c o m 相当于电容；若 吃，的幅值小于吱幅值，电流，滞后电压9 0 度，s t a t c o m 则吸收感性的无功功 率，此时s t a t c o m 相当于电感。由于可以连续快速地控制s t a t c o m 产生电 压吃的大小，所以s t a t c o m 吸收的无功功率性质可以快速的进行调节。 8 江苏大学硕士学位论文 圪 上卜竺! 丝兰! ) 容性r - i ) l 时，电流超前感性工况时，电流滞后 图2 4 理想工况下电压相量图 但在实际运行中，由于系统存在内部损耗，如连接电抗器的损耗和逆变器本 身的损耗，电网系统与逆变器之间的有功功率交换是必然存在的，反映为图2 3 中的情况就是电阻r 不为零，它表示系统所有的有功损耗。若不对直流侧电压采 用控制策略，直流电压下降，将导致系统不能稳定的运行工作。为了防止直流侧 电压波动，维持在电压稳定状态，吃与吱间需要设置一个相位差万，在图2 5 中，电流j 与s t a t c o m 输出电压吃仍相差9 0 度( 损耗全体现在电阻r 上) ，此 时电网电压成与电流，不再相差9 0 度，而是比9 0 度小了万角，使得电网能够提 供一部分有功功率来补偿无功发生装置的损耗，也就是相对于电网而言，电流j 具有一定量的有功分量。其中电流j 在唿上的投影为厶，与唿正交的分量为， 改变相位差万和膨，的幅值，则j 的相位值和幅值也随之改变，也就可以控制 s t a t c o m 与电网的无功交换。 容性工况，电流超前感性工况，电流滞后 图2 5 实际工作时电压相量图 另外，工程中的运用还可以采用由直流侧提供损耗能量的方法。这种方法与 上文提到的由交流电网侧提供有功能量的方法有所不同，在直流侧并联上直流电 压源。第二种方法工作相量图如图2 6 所示。电流与交流电网电压的相位差是9 0 0 ， 9 江苏大学硕士学位论文 与变流器交流侧电压的相位差为9 0 0 + 万。 分q j 唿 7 l r 容性工况，电流超前感性工况，电流滞后 图2 6 损耗能量由直流侧电源提供时电压相量图 2 3s 卧汀c o m 的控制方法 s t a t c o m 的控制系统是一个包括检测，控制和驱动等多个环节的复杂系 统。s t a t c o m 所采用的控制方法与s v c 触发角移相控制原理是完全不同的， 它是通过无功电流的参考值调节s 曰虹c o m 所需产生无功电流。在系统电压的幅 值维持稳定时，控制无功电流的也就是控制无功功率，所以通常以控制无功电流 来介绍s t a t c o m 。在实际运行中，补偿装置的电流控制还应有对有功电流的控 制，来对电路中有功损耗进行补偿。s t a t c o m 电流控制可以分为问接控制和直 接控制这两类具体的控制方法，本小节将对这两种方法分别进行介绍。 2 3 1 电流间接控制 所谓电流间接控制1 5 j 就是按照s t a t c o m 的基本工作原理，将s t a t c o m 当 作交流电压源来对待，通过对s t a t c o m 装置中逆变器所产生的交流电压基波的 相位和幅值的控制，来对s t a t c o m 交流侧电流间接控制。因此电流间接控制也 可以称作电压控制，而电流的间接控制又可以分为单万控制和0 与万( 逆变器导通 角) 配合控制两类方法。 分析如图2 5 中所示的s t a t c o m 工作相量图，以发出超前无功电流为例。 图中电网电压哝，变流器交流测基波电压吃，和连接电抗压降蟛构成的三角关 系，得到如下等式f 1 2 】【1 3 】： l o 江苏大学硕士学位论文 。 咖vl万2jsin(90南。南sin(90-。p-5 ( 2 t ) s i n 万 。+ 艿) 。 ) 卜“7 可得： 圪：坠堕( 2 2 ) 由此可推导出稳态时，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： 乇= 杀杀s i n ( 9 0 0 - ) = 堕2 r s i n 2 万 ( 2 3 ) = 杀c o s ( 9 0 0 - 8 ) = 轰( h 啦万) ( 2 4 ) 因此可以通过控制圪相对屹的超前角万来控制s t a t c o m 吸收的无功电 流。 单万控制就是控制系统电压与s t a t c o m 的输出电压之间的相位差，本质就 是控制逆变器的触发角。这种控制方法最大的优点是逆变器的开关频率低，只有 工频频率的2 倍，因此适合大容量的s t a t c o m 。单万控制主要有传统p i 控制 和逆系统的控制。逆系统的p i 控制具有比传统p i 控制更快的响应速度。 ( 1 ) 单万常规p 1 控制的原理框图如图2 7 所示。稳态时，在艿变化较小的 范围内，万与变流器无功电流乞，输出电压的基波分量咋存在一一对应的关系。 因此，圪可以通过控制改变万来控制，从而进一步控制无功电流的幅值和方向。 而目可以通过对无功电流的反馈控制，来提高无功f 乜流的响应速度和控制精度。 ( a ) 单万开环控制框图 i 州! q 。 万 l q 一k y p i 调= 肖器s t a t c o m i ( b ) 单万闭环控制框图 图2 7 单万常规p l 控制的原理框图 l l 江苏大学硕士学位论文 与唿同相和超前9 0 。相位的分量有效值和形表示，变换为用超f ； 唿的 图2 9 万与秒配合控制 由于万与矽配合控制的方法中含有系统参数，而这些参数又有不确定性，使 得s t a t c o m 的控制器本身必须具有很强的适应性，但是目前为止没有哪种控制 器能够实现上述的功能。 1 2 江苏大学硕士学位论文 2 3 2 电流直接控制 所谓电流直接控制，就是采用跟踪型p w m 控制技术对s t a t c o m 输出的电 流波形瞬时值进行反馈控制。其中跟踪型p w m 控制技术，可以采用滞环比较方 式，也可以采用三角波比较方式。理论上，各种p w m 技术都可以对s t a t c o m 的交流测电流进行控制，但是电流直接控制比电流问接控制更能精确的控制 s t a t c o m 输出的无功电流。由于电流直接控制法是对电流瞬时值的跟踪控制， 这样就要求主电路电力半导体器件有着较高的开关频率，因而只能适用于容量较 小的s 仉虹c o m 。 ( 1 ) 三角波比较法 图2 1 0 是恒频三角波的比较原理图，瞬时无功功率参考电流，村和反馈电 流，相减，再将结果通过调节器进行运算，而后再与恒频三角波比较，决定 功率开关管的状态。三角波比较法突出的优点是输出的开关频率恒定，等于三 角波频率。其缺点是当调制信号的变化率大于三角波的变化率时，会产生多次 开关的现象，会使相位和幅值产生一定的误差。 图2 1 0 电流跟踪型三角波比较方式 三角波比较法的两种基本结构。一种是采用a b c 轴的瞬时电流控制方法，其 控制框图如图2 1 1 所示，其控制系统可以完成两个功能，分别是直流侧的电压 恒定控制和无功电流的实时跟随。 直流电压指令吃村与直流电压反馈进行电压比较，结果经过钟调节器，生 成有功电流指令。对流入s t a t c o m 的有功电流进行控制，来维持直流侧电压 的恒定。有功电流指令k 和无功电流指令乞珂通过由a b c 变换成三相瞬时电流 指令切钿锄，三相电流指令与瞬时电流通过恒频三角电流波比较生成主电路 开关器件的开关信号。 江苏大学硕士学位论文 吃珂 图2 1 1a b c 轴的瞬时电流控制方法 另一种是采用由0 变换或筇变换的直接电流控制方法，而筇变换要比由0 变换实现起来要困难很多，这里仅仅以由0 变换为例进行分析。由0 变换的电流 直接控制原理图如图2 1 2 所示。图2 1 2 中，钿，可分别为有功电流和无功电 流的指令参考值；乙、乞、乞分别为s t a t c o m 发出电流的三相瞬时值；屯，艺 分别是由s t a t c o m 发出电流的三相瞬时值经幽0 变换后，所得的有功电流和无 功电流。这种方法法中的有功电流参考值。是由直流侧电压参考值与直流侧电 容电压反馈值相减后，再经过p i 调节器得到的。此方法中采用了双闭环反馈控 制，其中内环控制是电流环控制，外环控制是电压环控制。将s t a t c o m 发出的 瞬时电流值经由0 变换为t ，和艺，与有功电流和无功电流指令参考值经过比较器 后，经过调节所得到的值，再经过由0 反变换，得到三相电流信号，再与三 角波进行比较，来完成电流跟踪型p w m 控制。 图2 1 2 由0 直接电流控制框图 第二种方法同样采用了双闭环控制，内环是电流环控制，外环是电压环控制。 和第一种控制方法相比，两者实现的功能一样，差别在于p i 控制器数目，位置 和调节信号的性质。第一种控制结构有三个p i 调节器，第二种控制结构只有两 个p i 调节器。第二种控制结构中电流p i 调节器是直流信号，而第一种控制结构 中电流p i 调节器的给定和反馈的信号是交流信号。交流信号变化率大，p i 调节 时有静态误差，调节参数设计也较为困难。从上述比较中可以得出，从调节器的 1 4 江苏大学硕士学位论文 数目和控制参数的选择上，第二种控制结构优于第一种控制结构。 ( 2 ) 滞坏比较法 滞环比较法是另一种应用较多的开关控制方法。电流滞坏比较法的控制原