（电力系统及其自动化专业论文）智能配电网静止无功同步补偿器研究.pdf

i i ll li ii ! ii l li iii ifiii y 18 8 4 2 2 0 t h er e s e a r c ho ns t a t i cv a rs y n c h r o n o u sc o m p e n s a t o r f o rs m a r td i s t r i b u t i o nn e t w o r k b y x i a oh u a g e n b e ( c h a n g s h au n i v e r s i t yo fs c i e n c e & t e c h n o l o g y ) 2 0 0 5 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g l n d i s c i p l i n eo fp o w e rs y s t e ma n di t sa u t o m a t i o n l n c h a n g s h au n i v e r s i t yo fs c i e n c e t e c h n o l o g y s u p e r v i s o r s u s h i p i n gp r o f e s s o r m a y , 2 0 1 1 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。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 法律后果由本人承担。 作者签名：饼槛 溉驯年月二日 学位论文版权使用授权书 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。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 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。同时授权中国科学技术信息研究所将本论文收录到中 国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密叭 ( 请在以上相应方框内打“) 日期：y 侔多月2 日 、7 日期：搠年铲月2 日 摘要 智能配电网静止无功同步补偿器是在顺应国家建设坚强智能电网的形势下 涌现出的无功补偿技术，对节能降耗具有重要的社会与经济意义。本文分析了国 内外无功补偿技术的研究现状，结合我国智能电网的建设目标，重点研究了智能 配电网静止无功同步补偿器( d s t a t c o m ) 。 在本文中，d s t a t c o m 主电路拓扑结构采用两电平三相桥式电压型逆变电 路，详细分析了d s t a t c o m 的稳态工作特性和暂态工作特性，基于微分学建立 了d s 仉虹c o m 的稳态和暂态数学模型，为分析d s t a t c o m 运行的稳定性和进 行d s t a t c o m 过程建模提供了有效的理论基础。本文还深入阐述了逆系统非线 性p i d 控制的原理，深入分析了基于d q 正交变换的无功电流信号检测方法的原 理过程，对二者进行了计算机m a t l a b 仿真，并在d s t a t c o m 原理样机中得 到了成功应用。为了扩展d s t a t c o m 装置的功能，根据电路理论分析了引起电 网电压跌落的因素，提出了考虑补偿有功突率的用于抑制电压跌落的控制策略。 本课题以t i 公司的高性能浮点式d s p 芯片t m s 3 2 0 c 2 8 3 4 3 为信号采集与 控制核心，完成了d s t a t c o m 装置控制器的软、硬件的开发，以2 0 v 直流稳压 电源、光耦( t p l 5 2 1 ) 和r c 滤波电路为搭建了验证控制算法用的安全电压级 模拟系统。 先进的主电路拓扑结构、控制策略、信号检测算法和d s p 技术，为研制高 性能d s t a t c o m 提供了坚实的技术支持。本文通过理论分析、计算机仿真和样 机试验，验证了所研究理论、方法的可行性和科学性。 关键词：静止无功同步补偿器；智能电网；逆系统；非线性p i d a b s t r a c t t h er e s e a r c ho ns t a t i cv a rs y n c h r o n o u sc o m p e n s a t o rf o rs m a r td i s t r i b u t i o n n e t w o r ks t a t i cc o m p e n s a t o r ( d s t a t c o m ) i sat e c h n o l o g yf o rv a rc o m p e n s a t i o n p r o p o s e do nt h ec o n d i t i o n o fc o n s t r u c t i n gt h e s t u r d ys m a r tg r i d t h ep r e s e n t d e v e l o p m e n ts t a t eh a sb e e ns u m m a r i z e db yt h i sd i s s e r t a t i o n ，a n ds m a r td s t a t c o m i ss p e c i a l l yr e s e a r c h e da c c o r d i n gt ot h ed e s t i n et oc o n s t r u c t i n gs m a r tg r i do fc h i n a i nt h i sd is s e r t a t i o n t h ev o l t a g es o u r c et w o - l e v e lt h r e ep h a s ei n v e r t e ri sc h o o s e dt os e r v ea st h e t o p o r l o g yo fd s t a t c o mi nt h i sd i s s e r t a t i o n ，b o t ht h es t a d yw o r kc h a r a c t e r i s t i c a n dt h et r a n s i e n tw o r kc h a r a c t e r i s t i co fd s t a t c o mi s a n a l y z e d ，t h es t a d y m a t h m a t i cm o d e la n dt h et r a n s i e n tm a t h m a t i cm o d e li sb u i l d e db a s e do nt h e d i f f e r e n t i a l d i s c i p l i n e ，a l l t h e p r e c i o u s w o r k s u p p l i e d t h e t h e o t y b a s i sf o r a n a l y z i n gt h es t a b i l i t yo fd s t a t c o mi no p e r a i o na n dm o d e l i n gd s t a t c o m m o r e o v e r ，t h ep r i n c i p l eo fi n v e r s es y s t e ma n du n l i n e a rp i dh a sb e e ni n d e e p t h d e s c r i b e di n t h i sd i s s e r t a t i o n ，t h es i g n a ld e t e c t i o nm e t h o db a s e do nd qc h a n g eo f d s t a t c o mi sa n a l y z e d ，t h et w op r e c e d e n c e si st e s t e db ys i m u l a t i o ni nm a t l a b a n dp h y s i c a lt y p ed s t a t c o m a c c o r d i n gt ot h e c i r c u it h e o r y , t h ef a c t o ro f g e n e r a t i n gt h ev o l t a g es a gi sa n a l y z e d ，a n dt h es u p p r e s s i n gv o l t a g es a gc o n t r o l m e t h o dt h a tt h el o a da c t i v ec u r r e n tw a st a k e ni n t oc o n s i d e r a t i o na tt h es a m et i m e i sp r o p o s e da n ds i m u l a t e df o re x t e n d i n gt h ef u n c t i o no fd s t a t c o m t h i st o p i cf o rs t u d yh a sd e v e l o p e dt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo fc o n t r o l l e ru s e d f o rd s t a t c o mb a s e do nt h et m s 3 2 0 c 2 8 3 4 3 ，w h i c hi sat a y eo ft i se x i s t i n g h i g h p e r f o r m a n c ef l o a t i n g - p o i n td i g i t a lp r o c e s s o r as a f ev o l t a g e r a t e p h y s i c a l s y s t e mu s e df o rv e r i l y i n gt h ec o n t r o la l g o r i t h mh a sb c c ne s t a b l i s h e db a s e do nt w e n t y v o l td i r e c tc u r r e n ts t e a d ys o u r c e ，o p t o e l e c t r o n i cc o u p l e dd e v i c e s ( t p l 5 2 1 ) a n dr c f i l t e r a d v a n c e dm a i nc i r c u i tt o p o r l o g y ，c o n t r o lm e t h o d ，s i g n a ld e t e c t i o na l g o r i t h m a n d d i g i t a lp r o c e s st e c h n o l o g ys u p p l i e ds t e a dt e c h n o l o g ys u p p o r t i o nf o r d e v e l o p i n gh i g h - p e r f o r m a n c ed s t a t c o m t h ef e a s i b i l i t ya n ds c i e n c e o ft h e t h e o r y a n dm e t h o dp r o p o s e di nt h i sd i s s e r t a t i o nh a v ev e r i f i e d b yt h e o t y a n a l y s e ，c o m p u t e rs i m u l a t i o na n dp h y s i c a lt y p ed e v i c et e s t v a rs y n c h r o n o u sc o m p e n s a t o r ；s m a tg r i d ；r e v e r s es y s t e m ； a rp i d n 目录 摘要“i a b s t r a c t i i 第一章绪论 1 1 课题的背景及意义l 1 2 无功补偿的发展概况3 1 3 智能配电网静止无功同步补偿器的研究现状一6 1 4 本课题的主要工作内容1 3 第二章d s t a t c o m 工作原理与数学建模 2 1d s t a t c o m 的工作原理15 2 2d s t a t c o m 的数学建模1 6 2 2 1 d s t a t c o m 的动态数学模型1 6 2 2 2 d s t a t c o m 的稳态数学模型1 9 第三章无功电流检测技术 3 1 无功功率理论一2 1 3 1 1 正弦电路的无功功率理论2 1 3 1 2 非正弦电路无功功率理论2 3 3 2 三相电路瞬时无功功率理论2 6 3 2 1 三相电路电压与电流的旋转矢量表示2 6 3 2 2 基于d q 0 坐标变换的瞬时无功功率2 7 3 3 瞬时功率与平均功率之间的关系“2 8 3 4 基于i d i q 的无功电流检测2 9 3 5 基于i d i q 的无功电流检测仿真3 0 第四章d s t a t c o m 的逆系统非线性p i d 控制方法 4 1 逆系统与非线性p i d 控制的基本理论3 2 4 2 逆系统非线性控制方法3 4 4 3 基于有功电流突增率的抑制电压跌落方法”4 0 4 4 仿真实验4 2 4 4 1 无功补偿仿真试验一4 2 4 4 2 抑制电压跌落仿真试验4 4 第五章d s t a t c o m 装置研制 5 1d s t a t c o m 的主电路设计4 5 5 2 控制系统设计4 6 5 2 1 硬件设计4 6 5 2 2 软件设计5 2 第六章模拟实验 6 1 控制算法验证试验5 4 6 2 装置级模拟试验一5 6 第七章总结与展望 7 1 总结5 8 7 2 展望5 8 参考文献5 9 致谢6 3 附录攻读学位期间的主要科研成果6 4 1 1课题的背景及意义 第一章绪论 自从“智能电网( s m a r tg r i d ) 一词于2 0 0 3 年6 月份在美国“未来能源联盟智 能电网工作组报告 中首次出现以来，智能电网便成了电力领域的研究热点。报 告中的“智能电网”定义是“智能电网即集成了传统的现代电力工程、高级传感 和视频技术、信息与通信技术的输配电系统，具有更加完善的性能并且能够为用 户提供一系列增值服务 。实际上，2 0 世纪6 0 年代出现的计算机技术在电力系统 中的应用、2 0 世纪8 0 年代发展起来的柔性交流技术( f a c t s ) 以及2 0 世纪9 0 年 代出现的广域向量测量系统( w a m s ) 等都是智能电网的雏形，只是至1 j 2 0 0 3 年才 正式提出“智能电网”这一说话并给出了其定义。随着电力领域新技术的不断出 现，“智能电网 的定义也将不断得到修正，到目前为止，智能电网尚未形成统 一的定义，但从文献 1 6 可以看出，智能电网是一种利用先进传感器技术、计 算机技术、通信技术、控制技术和智能决策系统对整个电网进行实时监控、保护 和智能调度，能实现安全可靠、高效经济、电能质量优质、用户互动和可容纳分 布式发电接入的可持续发展的电网。 智能电网包括智能输电网和智能配电网两个方面，其中智能配电网( s m a r t d i s t r i b u t i o ng r i d ，s d g ) 是电网与用户的接口，随着用户侧负荷结构越来越复杂， 新型用电设备不断出现等，智能配电网在智能电网中具有举足轻重的地位，且与 传统的配电网相比，智能配电网具有新的功能特征： ( 2 ) 自愈能力。自愈即指智能配电网能够及时检测出已发生或正在发生的电 力故障并产生相应的补救措施，使其减小对用户正常用电的影响或不影响用户的 正常用电。 ( 2 ) 更高电能质量。随着技术发展，各种精密仪器设备的使用对电能质量提 出了更高要求，智能配电网要求能够实时监测并控制电能质量，使电压幅值与波 形满足用户需求。 ( 3 ) 方便分布式电源大量接入、支持与用户互动。大量分布式绿色电源的使 用，如家庭光伏发电等，要求智能电网能够方便、安全地接入分布式电源，并能 实现双向互动计费，鼓励用户在用电高峰期向电网输送电能；在智能配电网中分 布式电源的接入口，必须配备相应的无功补偿设备，以满足负荷对无功的需求， 这是智能配电网与传统配电网的重要区别。 ( 4 ) 实时监测与优化管理。智能配电网对配电网及其设备的状态参数进行实 时监测，全面掌握电网及其设备的安全状况、经济运行状况等，利用智能决策系 统实现调度管理，提高设备容量利用率和优化潮流分布，从而防止故障电力故障 发生，降低配电线损。 因为配电网直接面向用户、电网结构复杂和用电设备类型众多，是保证用户 电能质量、提高电网运行效率、降低线路损耗的关键环节。近年来，随着非线性、 冲击性和不平衡性用电设备的增加，使网络中的电压、电流波形发生畸变，或引 起电压波动、闪变和三相不平衡【丌。此外，由于用电负荷和新建电源的不断增加， 改变了电力系统原来的网络结构与电源分布，从而导致系统中的无功分布不合 理，进一步造成局部区域的无功严重不足、线损增加和用户端电压下降等问题， 当系统受到较大干扰时，还可能导致电压稳定性原来就差的局部电网发生电压崩 溃现象。同时，随着现代工业技术的不断发展和计算机技术的广泛应用，用电设 备对电能质量更加敏感。低劣的供电质量将导致低劣的产品质量，特别是在重要 工业生产过程中，供电的突然中断将会带来巨大的经济损失。目前电力用户遭受 的停电时间，9 5 以上是由于配电系统原因造成的( 扣除发电不足的原因) ；配电 网是造成电能质量恶化的主要因素；电力系统的损耗有近一半产生在配电网；分 布式电源接入对电网的影响主要是对配电网的影响；与用户互动、进行需求侧管 理的着眼点也在配电网【s 】。据美国官方统计，近2 0 年来全球范围内因电能质量 引起的重大电力事故已达2 0 多起，每年因电能质量扰动和电气环境污染引起的 国民经济损失高达3 0 0 亿美元，电能质量直接关系到国民经济的总体效益【9 】。因 此，如何提高和保证电能质量、提供电网运行效率和降低线损，已成为建设智能 配电网迫切需要解决的重要课题之一。 从上述分析的智能配电网新特征中特征( 2 ) 和( 3 ) 可以得知，提高电能质 量和进行无功补偿是建设智能配电网的重要组成部分。目前，提高配电网的经济 性和电能质量的主要措施是对配电网进行无功补偿和谐波治理，而实现这一目标 的设备主要包括同步调相机、静止无功发生器( s v c ) 、静止无功同步补偿器 ( s t a t c o m ) 、有源电力滤波器( a p f ) 、动态不停电电源( u p s ) 、动态电压恢复 器( d v r ) 与固态断路器( s s c b ) 、统一潮流控制器( u p f c ) 等。 用于配电网的静止无功同步补偿器即d s t a t c o m ( d i s t r i b u t i o ns t a t i cv a r s y n c h r o n o u sc o m p e n s a t o r ) 与传统的同步调相机、s v c 等无功补偿器设备相比， 其具有从感性无功功率到容性无功功率的连续调节、调节速度更快、运行范围更 宽、不会引起谐振短路和受电网阻抗的影响小等优点，而且在采用多重化、多电 平或改进型p w m 技术等措施后可以大大减少补偿电流中得谐波含量；与a p f 、d v r 和u p s 等设备相比，d s t a t c o m 在具有无功补偿功能的条件下，不需改变电路结 构而仅改进控制策略d s 己虹c o m 则能达到治理谐波、抑制电压跌落和抑制三相 不平衡等功能，若在直流侧添加后背蓄电池或超级电容器，还做到到短时不停电。 因此，d s t a t c o m 比上述其他用于改善电能质量和提高电网经济性的电力设备更 2 在功能上更多、更经济。在硬件结构上，d s t a t c o m 使用的电抗器和电容元件 远比d s t a t c o m 中使用的电抗器和电容元件要小，这将大大减小装置的体积、 重量和成本。但是，d s t a t c o m 的控制系统和控制方法比s v c 复杂许多， d s w 汀c o m 需要使用数量较多的全控型器件，其价格目前仍比s v c 使用的普通 晶闸管高得多。由于d s t a t c o m 具有体积小、重量轻、性能优越等特点，随着 全控型开关器件的发展和成本的不断降低，d s t a t c o m 的成本也会不断下降， d s t a t c o m 将代表智能配电网无功补偿技术的最新发展方向。因此，开展本课题 的研究对改善我国用户电能质量、提高用电效率、节省能源和建设坚强智能电网 具有重要的现实意义。 1 2无功补偿的发展概况 早期的无功功率补偿装置主要有同步调相机( s y n c h r o n o u sc o n d e n s e r ，s c ) 和 并联电容器。同步调相机是专门用来产生无功功率的同步发电机，在过励磁或欠 励磁的不同情况下，可以分别发出不同大小的容性或感性无功功率。自二三十年 代以来的几十年中，在电力系统的无功功率控制中同步调相机曾发挥着主要作 用，但由于它是旋转设备，运行过程中存在较大损耗和噪声，维护复杂，且响应 速度慢，在很多情况下已无法适应快速无功功率控制的要求，目前仅有少量还在 现场使用。 采用并联电容器的无功功率补偿方式具有结构简单、经济方便等优点，其缺 点是只能补偿固定无功，且还可能与系统发生并联谐振，导致谐波被放大，但是 由于并联电容器在成本上的优势以及其制造容易，到目前为止在我国仍是主要的 无功补偿方式。按着电容器安装的位置不同，可以分为三种补偿方式：集中补偿、 分组补偿、就地补偿【4 】。集中补偿是电容器组集中装设在企业或地方的总降压 变电站的6 1 0 k v 母线上，用来提高整个变电站的功率因数，保障供电范围内无 功功率基本平衡，从而减少高压输电线路的无功损耗，同时能够提高供电电压质 量。分组补偿是将电容器组分别装设在功率因数较低的终端配电所或车间的高 压或低压母线上，这种补偿方式与集中补偿相比较，仅补偿容量和范围相对小些， 但补偿效果更明显，目前采用比较普遍。就地补偿是将电容器或电容器组装设 在现场的异步电动机等感性用电设备附近，对用电设备进行就地无功补偿，这种 补偿方式既能提高用电设备供电回路的功率因数，又能改善用电设备的电压质 量，适用于中、小型设备的无功补偿。在实际应用中，通常是根据电网的负荷性 质和补偿设备的成本将这三种补偿方式统筹考虑、合理布局。 现今所指的无功补偿装置一般专指使用晶闸管的无功补偿设备，主要有以下 三大类型【lo j ：一类是具有饱和电抗器的无功补偿装置( s a t u r a t e dr e a c t o r ，s r ) ：第 二类是晶闸管控制电抗器( t h y r i s t o rc o n t r o lr e a c t o r ，t c r ) ；第三类是晶闸管投切 3 电容器( t h y r i s t o rs w i t c hc a p a c i t o r ，t s c ) 。 ( 1 ) 具有饱和电抗器的无功补偿装置( s a t u r a t e dr e a c t o r ，s r ) 这种装置是最早的一种静止无功补偿装置，因饱和电抗器可分为自饱和电抗 器和可控饱和电抗器两种，所以相应的无功补偿装置也可分为两种。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。可控饱和电抗器则是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。但 是这种装置中选用的饱和电抗器造价高，约为一般电抗器的4 倍，且电抗器的硅 钢片长期处于饱和状态，铁心损耗大，比并联电抗器大2 - 3 倍，另外这种装置有 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，目前应用的比 较少，一般只在超高压输电线路才有使用。 ( 2 ) 晶闸管控制电抗器( t h y r i s t o rc o n t r o lr e a c t o r , t c r ) t c r 无功补偿装置是通过控制晶闸管的导通相位角来调整流过电抗器的电 流，从而达到调整无功功率的目的。三相t c r 无功补偿装置多接成三角形结构， 这样的电路并联接入到电网中相当于带电感性负载的交流调压器电路，其有效移 相范围为9 0 。18 0 。当触发角a = 9 0 。时，晶闸管全导通，此时电抗器吸收的 无功电流最大。t c r 型动态补偿方式具有以下优点：从o 到最大功率连续可 调；可以根据电网负荷情况进行分相调节；电路简单，便于操作维护。其缺 点是：在运行中会产生谐波；占地面积大；电容、电抗器和晶闸管容量都 是按系统最大冲击无功功率来配备，设备投资大；实际跟踪补偿装置大部分时 间处于零或低无功功率补偿状态，最大功率运行能耗大。 单独的t c r 只能吸收无功功率( 补偿容性负荷) ，不能发出无功功率( 补偿 感性负荷) ，为了解决此问题，因此常将并联电容器与t c r 配合使用构成无功补 偿器。根据投切电容器元件的不同，又可分为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 与断路器投切电容器配合使用的静止无功补偿器 ( t c r + m s c ) 。这种具有t c r 型的混合补偿器既然补偿感性无功又能补偿容性无 功，并且反应速度快、灵活性大，目前已在输电系统和工业企业中得到广泛应用。 ( 3 ) 晶闸管投切电容器( t h y r i s t o rs w i t c hc a p a c i t o r ，t s c ) 这种装置是将补偿电容器分成若干并联电容器组，根据负荷无功的变化情况 分组投切补偿电容器组达到调整无功补偿的目的，其单相原理如图1 2 所示。t s c 用于三相电网时有三角形连接和星形连接两种接线方式，一般对称网络采用星形 连接，负荷不对称网络采用三角形连接。在工程实际中，不论是三角形连接还是 星形连接，都将电容器分成多组电容器组，每组电容器都可由晶闸管单独投切。 这样，可根据电网的无功补偿需求决定这些电容器组的投切。 t s c 型动态补偿方式具有以下特点：结构紧凑，占地面积小；设备投 4 资小，大约比t c r 少2 5 ，且重量要比t c r 轻；运行能耗小；电容器的投 切无过渡过程，本身不产生谐波，合理的参数还可吸收谐波；接入系统灵活， 可设计成高压型。其缺点是：不能连续调节无功功率。 t s c 型补偿器的电容器组级数分得足够细化时，基本上可以接近无级调节。 t s c 对三相不平衡负荷还可以进行分相补偿，但对冲击负荷引起的电压闪变问 题，仅靠控制投入电网的电容器容量难以解决，所以t s c 装置一般与t c r 装置 并联使用，即组成t s c + t c r 补偿装置。这种补偿器均采用三角形连接，以t s c 作为分级粗调，以t c r 作为相控细调，这样三次谐波不会流入电网，且大大减 小了谐波含量。 上述所举装置的综合统称为s v c ( s t a t i ev a rc o m p e n s a t o r y ) ，由于其技术比较 成熟，在实际电力系统中得到了广泛应用。目前，在世界范围内，以t c r 和t s c 为代表的静止无功补偿装置s v c 已经占据了动态无功补偿领域的重要地位。截 止到2 0 0 0 年，全世界已有超过4 0 0 套、总容量约为6 0 g v a r 的s v c 在输配电系 统中运行：全世界已有超过6 0 0 套、总容量约为4 0 g v a r 的s v c 在工业部门使用。 我国2 0 世纪8 0 年代从国外引进了6 套s v c 装备电网，2 0 0 4 年在国家电网公司 主持下，由中国电力科学研究院自主研发的辽宁鞍山红一变1 0 0m v a rs v c 示范 工程顺利投运，标志着我国完全掌握了s v c 的系统设计制造技术。随后，川渝 电网3 套s v c 装置的顺利投运标志着s v c 在我国电力系统中的推广应用。截 至2 0 0 9 年，我国电网总计投运近2 0 套s v c ，单套最大容量达1 8 0 m v a r ，发挥 了巨大的社会经济效益，仅红一变s v c 一项就年节约电能2 5 9 7 6g w h ，年增 收节支总和达1 1 4 9 千万元【i l 】。 由于s v c 都是利用晶闸管进行换相控制，在无功负荷变动时容易发生逆变 现象，并且都需要大电感或大电容来产生感性和容性无功，因此研究一种能有效 解决上述问题的新型补无功偿装置成为了国内外研究热点之一。 随着电力电子技术的发展，一种采用自换相变流电路的静止同步补偿器 ( 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 ) 出现了。静止无功发生器的基本原 理是：将自换相桥式电路通过电抗器或变压器并联到电网上，适当地调节桥式电 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，就可以使该电路 吸收或者发出满足要求的无功电流，当装置产生的电压小于系统电压时，吸收感 性无功功率，此时相当于电感；当装置产生的电压大于系统电压时，输出容性无 功功率，此时相当于电容。 代表着现阶段电力系统无功补偿技术新的发展方向的s t a t c o m ，迄今为止， 国际上已经投入电力运行的有5 个国家：中国( 清华大学f a c t s 研究所) 、德国 ( s i e m e n s 公司) 、瑞典( a b b 公司) 、英国( a l s t o m 公司) 、日本( t o s h i b a 和m i t s u b i s h i 公司) 。19 8 6 年美国的e p r i 与西屋公司等研制的士1m v a rs t a t c o m 在纽约投入示 5 范运行；19 9 1 年日本三菱公司与关西电力公司共同研制的+ 8 0 m v a rs t a t c o m 在 i n u y a m a 开关站投入15 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+ 5 0 m v a rs t a t c o m 在新信浓电站投入使用；19 9 5 年美国的电力科 学院e p r i 、田纳西流域管理局t v a 与西屋公司投运了一台4 - 1 5 0 m v a rs t a t c o m - 1 9 9 7 年由德国西门子公司开发研制的4 - s m v a rs t a t c o m 在丹麦投入运行。我国 第一套士2 0 m v a r 的s t a t c o m 于由清华大学f a c t s 研究所与河南省电力公司合作 研制，已于1 9 9 9 年在河南洛阳投入运行；2 0 0 6 年，我国第一套5 0m v a r 链式 s t a t c o m 在上海5 0 0 k v 电网投运。目前为止世界上最大容量的s t a t c o m 是由美 国的电力科学院e p r i 和纽约电力n y p a 共同研制开发的4 - 2 0 0 m v a rs t a t c o m ，于 2 0 0 1 年在纽约州m a r c y 变电站投入运行2 。 s t a t c o m 装置刚出现时主要用于高压输电网以稳定节点电压为主要目的， 随着受电断对电能质量要求的不断提高和电网对用电设备无功损耗的重视，应用 于低压配电网的d s t a t c o m 装置出现了。 1 3智能配电网静止无功同步补偿器的研究现状 从前面分析可知，智能配电网静止无功同步补偿器主要是在功能、技术性能 和自身安全性方面比现有d s t a t c o m 要求更多和更高，其包含的研究内容从结 构上分析与d s t a t c o m 基本相同，当今围绕d s t a t c o m 开展的研究内容主要 在主电路拓扑结构、目标电流检测技术和自适应力强的控制方法等方面。 1 d s t a t c o m 主电路拓扑结构 d s 孔盯c o m 的主电路一般是由变流器构成。根据变流器直流侧电源性质可 以分为电压型和电流型两种，按主电路输出线电压绝对值的电平数可以分为二电 平、三电平和多电平电路，按电路桥臂结构可以分为三相桥式和三个单相全桥式， 根据配电网的接线方式可以分为三相三线制和三相四线制两种。主电路中的电力 电子开关器件可以为g t o 、b j t 、p o w e r m o s f e t 、i g b t 等。其中g t o 适用于 大容量、开关频率较低的变流设备，p o w e r m o s f e t 适用于小容量高频变流器， 而i g b t 则适用于中、小容量的较高开关频率的变流器。 电压型主电路的基本特点是：电压型主电路的直流侧接有大电容，在正常 工作时其电压基本维持恒定，可以看作为一个电压源；电压型主电路的交流侧 输出电压为p w m 波，需要串联平波电抗；对于电压型主电路，为了维持直流 侧电压恒定，需要对直流侧电压进行控制；电压型主电路可能会出现主电路开 关器件直通而发生短路故障。 电流型主电路的基本特点是：电流型主电路的直流侧接有大电感，在正常 工作时其电流基本维持恒定，可以看作为一个电流源；电流型主电路的交流输 出电流为p w m 波，需要并联电容；对于电流型主电路，为了维持直流侧电流 6 恒定，需要对直流侧电流进行控制；电流型主电路不会出现因开关器件直通而 发生短路故障。 由于电感的体积和重量都较大，因此，目前在d s t a t c o m 中应用较多的主 电路结构为电压型二电平三相桥式电路和电压型三电平三相桥式电路【1 3 14 1 ，虽 然增加电平数量能有效改善输出电压和电流的波形质量，近年来也出现少量文献 研究了五电平、七电平主电路及更高电平数的主电路，但是随着主电路的电平数 的增加，其控制器的设计变得异常复杂，因此有学者指出，采用五电平以上的主 电路来设计逆变系统并不可取。由于三单相全桥式结构需用开关器件数量较多， 一般不采用，只有在少数为抑制三相不平衡和实现分相控制的d s t a t c o m 中采 用。 2 无功电流检测方法 电力系统中的静止无功同步补偿器的电流控制都是以无功电流作为控制目 标，实时、精确地检测出电力系统中的瞬时无功电流，是提高静止无功同步补偿 器的补偿精度的一个关键技术问题。目前应用于d s t a t c o m 的目标电流检测方 法主要有基于f r y z e 功率定义的检测方法【1 5 16 1 、基于频域分析的快速傅里叶变换 ( f f t ) 检测法【1 7 18 1 、神经网络检测法【1 9 2 2 1 、瞬时无功功率理论2 3 - 2 7 1 等。 ( 1 ) f r y z e 功率理论 基于f r y z e 功率定义的检测方法的原理是将负荷电流分解为与电压波形一致 的分量，将其余分量作为广义无功电流( 包括谐波电流) 。它的优点是：检测电路 简单。它的缺点是：因为f r y z e 功率定义是建立在平均功率基础上的，所以要求 得瞬时有功电流需要进行一个周期的积分，再加其它运算电路，要有几个周期延 时。因此，用这种方法求得的“瞬时有功电流”实际是几个周期前的电流值，另 外，这种方法也不能同时将基波无功电流和谐波分离出来。因此，这种方法的应 用有一定的局限性，只是比较适用于无功、谐波、不对称综合补偿场合以及电流 变化慢的平稳系统。 ( 2 ) 傅里叶变换 f f t 是在l9 6 5 年由美国c o o l y 和t u k e y 两人提出一种数学工具，是当今应 用最广泛的一种谐波检测方法。由于应用t t f 可以同时检测畸变电压、电流的 基波和谐波分量的幅值和相位，因此可以利用检测出的电流幅值和电压、电流的 相位，计算出基波和谐波的无功电流。目前，基于f f t 的检测技术已相当成熟， 但是f f t 也有它的局限性：不能从模拟信号中提取全部频谱信息，只能计算 区域频率的频谱；没有反映出随时间变化的频率，不能在任何希望的频率范围 内产生频谱信息；f f t 需要一定的检测时间的采样值，计算量大、计算时间长， 使得检测时间较长，检测结果的实时性较差；当信号频率和采样频率不一致时， f f t 会产生频谱泄漏效应、栅栏效应和混叠效应，使得计算出的信号参数( 频率、 7 幅值和相位) 不准确。 ( 3 ) 神经网络 用神经网络来检测无功电流的基本思路是：神经网络的输入为待测信号，输 出为所要检测的无功电流瞬时值。将神经网络应用于无功电流和谐波电流检测， 理论上可以同时实时地检测到瞬时无功电流和各次瞬时谐波电流。因此，其优势 非常明显。主要优点有：计算量小，神经网络结构和神经元之间的权值一旦确 定，它的输入和输出只是一个映射关系，计算量并不大；检测精度高，只要选 择合适的神经网络结构，以及神经网络的权值训练有充分的样本，检测精度就能 取得令人满意的结果；检测时延不受数据流长度的影响；实时性好； 抗干扰性好，对信号源中的非有效成分当作噪声处理，能克服噪声等非有效成分 的影响【2 2 1 。 ( 4 ) 瞬时无功功率理论 三相电路瞬时无功功率理论首先由日本学者h a k a g i ( 赤木泰文) 于1 9 8 3 年 提出，最初以瞬时实功率p 和虚功率q 的定义为基础即p q 理论，后又补充定义 了瞬时有功电流和瞬时无功电流等物理量，瞬时无功功率理论逐渐完善。目前在 静止无功同步补偿器中，基于该理论的无功电流检测法应用最多【2 们。 瞬时无功功率理论【2 6 】的基本思路是：将a b e 三相系统电压、电流转换成a p 0 坐标系上的矢量，将电压、电流矢量的点积定义为瞬时有功功率；将电压、电流 矢量的叉积定义为瞬时无功功率，然后再将这些功率逆变为三相补偿电流。瞬时 无功功率理论突破了传统功率理论在“平均值基础上的功率定义，使谐波及无 功电流的实时检测成为可能。该方法对于三相平衡系统的瞬变电流检测具有较好 的实时性，有利于系统的快速控制，可以获得较好的补偿效果。但该方法对于三 相不平衡负荷所产生的无功和谐波电流，补偿效果则不理想，且只适用于三相系 统，不能用于单相系统。 目前，基于瞬时无功功率理论的无功电流检测方法中应用最多、性能最优的 是基于同步参考坐标变换的i d - i q 法和i p i q 法。 i d i 。法【2 2 】：基于p a r k 变换( 如图3 1 所示) ，电网电流经过p a r k 变换后， 第1 1 次正序分量变为d q 坐标系下的第( n 1 ) 次分量；第n 次负序分量变为d q 坐标系下的第( n + 1 ) 次分量。d q 坐标系下的电流直流分量对应为正序基波电流， 其余对应谐波和负序电流。通过低通滤波器( l p f ) 将直流分量和交流分量分离， 将分离后的交流再经d - q 反变换即可得参考电流。由于分离直流量采用了滤波 器，由此导致时延。该方法实时性好，适用于电网电压畸变和不对称，可检测基 波电流有功分量、无功分量和谐波分量。但对参数依赖性大，为降低谐波检测结 果对主要部件参数的灵敏度，文献 2 8 】在低通滤波器之后加入p i 调节器，降低 了主要部件参数对谐波检测精度的影响，形成闭