（电力系统及其自动化专业论文）电流源逆变器型statcom技术研究.pdf

沈阳工业大学磺士学位论文 t h er e 嘣c h 衄s t a t c o m 0 1 0 野b 嬲e d 锄a 蜘i ts o u r e e 胁哦躲 a b s t r a c t r e a c t p o w t r 曲口ih a s 锄n 蛐j l l l p o r t a l l ti s s t 圮s j n l 笼t h ee m e r g e n o ft h e 醵 t m m m i s s 缸ns y s 啦b c c a 峨t l w 瑚髓b a d s ml 嘲溉眇掰( 妇呻 m d u 幽nm o t o r ) , t h el o a d 砌l q a dp 黼f a c t o re h a l 榉锄翻璐cl a 够锄p l i t i i d e v a 凼t i o n 缸r e c e i v i n go d dv o l a g e ，w h i c hw i l ld c g r a d et h ep c 咖麟o f 圭h el o a d 矗档协t i l e u n d c r v o 姆m 锄髓i n s u l a t i o n 矗瑚眵协妇l a a d 妇t h e 鲫踊岬s ot i m 唧c n s a l 蛔蛐印p 。rl o c a t i o nb 碱嘴a r y 锄c d i t i 咖l 托峨如p d 掰咖脚觥触 c q l l i p i 船m 舳出蕊咖舶n d 蛐耐，弦c 稚c 蛐豫i 瞳玛啪妇l kd c 黝耐o f 瑚哟t i o n h ni | 妇翻a n ys h d 嘁缸锄呐s 姗删械嘲蝴 脚j 玎t 锄i n c eo f 搬砸c 垃轴囊d 赶珏a 出妇妇曲嘲脚c l 瓶p 啊撇脚却蝴 鹎u 嘲缸埘蔽她如瑚确o f 继岫n 融舶雌畦懿w 燃虹矗曲啦删啦蝴 舢删笛s h l l m 啪溉删蛐掰铷嗍w h c 8 p a c i t 硫僭越c t o u t l m t 铷m m 啪b e 咖o n 谢妇i c p d c mo f t k s 舯i l a 薛n 缸钿瞳d y 蛐i e 娜岫l h c s v c 嘲l y 删d f t h c s c e o 衄m l i z e d s t a t c o m 嘶。d 妇 v o l t a g c 朝1 n 优蛔v 咖( v s d a 加t k f 弘，晒lt o p o i o g yt h a t 啪ha p p l i e d 协趼& t c o m 妇 啪删蝴缸删盯( c s 骖n 咖a b s 咖a n d 黜船咖p a 撇t 硒u g h 峨鳓删 弘d d i l db 穸鲫c n e r ( ：蛔珥删w 她t 量b 均l l 曩窜e 峨咖e n 船s t a t c o 蝇i t 矗 m r o l t h c m p e 蕊眦i o n 黜哪睡耐c d n t i 国s m a 鄹峨i cf i c l d c 咖l l 垴嗜w 娃h s ，鼬曲睢 h t 醯c h a p i s o 勰w o l k 籼n k d o 瑟峦n 0 删： ( 1 ) 陋i v c 她础删蛐脚d e lo f t h cs t a i 、2 0 m 傀她铀训蛔舯啊 m o d e lw bw a 皿t oh l i l dn b 珂池m 越j l 瑚i c lt h a t 锄r c l l 础m a 蛔c k 璩曩置口o f = s l ： $ t a t c o m 删d t m t p a y 蛐t os o 幽慨铷i c m a t 锄c t 硫s 0 玳峨啦a n d o l i p l l t 瑚d e l m gm 吐h o dt ob l l 丑tt b c 加酬i lm l e lo f c 跚s t a t c o t n u ( 2 ) d c ：s 蜘o f 咖啪l 缸c s is t a t c o 阮m 删过b a s e d 蜘t h c 蛔d 锄e 啦l 删x l c lo f 也c c s ib a j 刚s t a t c o m 1 融e 矾t w o 伽i t i o l d 嘲童 ，c 8 ：o 地盘t 0 卿蛾e t h c d c i 玎d i l c t a 锄；t h e0 t h c r j s t 0d e s 姆n a 瑚毗m n c r t o g i i l a t c t h cb l 珞w m a g 厶w bd c c i 融 t du 鹋o p e m l 0 0 p 蛐m ls h a t e 器茁c h 黔1 0 0 pc 0 血o ls t r a t c 劈c 0 咖mw h a ta 谱 s n 如陀o m 矗l n c t i o 正 一i i i 电流源逆变器型s t a t c o m 技术研究 ( 3 ) d os o m es i m u i a t i o na n de x p e r i m e n t a lw o r ko hc s is t a c o m a n ds i m u l a t i o no ft h e d y n a m i c su s i n gs i m u l i n k a c c o r d i n gt ot h em a t h e m a t i c a lm o d e lh a v eb e e nb u i l t w ec a nd o s o m es i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lw o r ku s i n gm a t i _ a ba n ds i m u l i n k i nt h i sc h a p t e r , t h ea d v a n t a g eo ft h ec s it o p o l o g yi st h ed i r e c tc o n t r o lo ft h ec u r r e n tf o r s h u n tc o m p e n s a t i o n n oc o u p l i n gm a g n e t i c sa n e e d e df o rt h i s t o p o l o g y d u et ot h e c o n f i g u r a t i o no fs e m i c o n d u c t o r si ns e r i e s t h ec o n d u c t i o nl o s si sr e l a t i v e l yh i pi fb e u v r s e m i c o n d u c t o r sa a v a i l a b l e t h i st o p o l o g yc a nh ep o t e n t i a l l yw i d e l yu s e d k e y w o r d s ：r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n ，c u r r e n t $ o u l c ei n v e r t e r , s t a t i cs y n c h r o n i c c o m p e n s a t o r ，m a t h e m a t i c a lm o d e l ，s i m u l a t i o n i v 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的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的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：扯日期：厶卑u 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 躲刎导师签矿铋瞧趔军址 沈阳工业大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 问题的提出 1 1 1 无功补偿的意义 在电力系统中，电压和频率是衡量电能质量的两个最基本最重要的指标为确保电 力系统的正常运行，供电电压和频率必须稳定在一定的范围内频率的控错与有功功率 的控制密切相关，而电压控制的重要方法之一是对屯力系统的无功功率进行控制，无功 补偿是重要的手段之一f l 刃 随着改革开放的不断深入工业自动化的发展我国对电能的需求大幅度增加，恳 时对电能的质量也提出了更高的要求这将对我国的电力系统面临者一系列的闯题。 首先，用户对电能质量的要求越来越高。而系统中大量存在的非线性及冲击性负荷 ( 翔各种电动机，屯弧炉) ，不仅婪从电嘲中吸唾j e 大量的无功功率，同时还引起电压渡 动和闪变。如果不能得到及时的补偿，不仅影响产品的质量，还会增加设备容量，以及 设备与线路的功率损耗，使得生产成本大大提高这就需要在适当的地方安装无功补偿 装置，对提高供屯系统及负载韵功率因素，降低设备容量，减少功率损耗稳定受电端 及电网电压嘲 其次，在我国的电力工业生产中发电中心与负荷中心不一致，常常需要长距离输 送大量的电力一方面电力系统负荷持续增长，而另一方面由于稳定性条件制约，使线 路传输功率受到限制，从而线路得不到充分利甩。由于受环境保护条件的射绔常常不 允许再建新的输电线路一些重载线路上出现了“瓶颈”现象，电力在线路上辗转输送 增加了功率损麓妒1 而通过无功补偿的办法可以提高线路的输送功率锻好的解决这个 矛盾。这些无功功率如果不能及时地得到补偿的话，会对电鼹的安全、稳定以及经济运 行产生不利影响，主要体现在以下凡个方面岱棚： ( 1 ) 导致线路电压损耗增大 下图为某电力网络的等值电路图 电流源逆变器型s t a t c o m 技术研究 歧 。只+ 恐 图1 1 局部电力网等值电路 t r i g 1 1 p a r t h dp o w e rg r i de q u i v s l c n ic i r c u i t s t r + j q 。 其中r 、x 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；为末端电压可以证明，该局部电力网的电压损耗a y 的计 算公式如下： a v 卟一号芋一号芋 m ， 其中k 为该电力网络的额定电压由式1 i 可知，由负荷的无功功率q 2 引起的电 压损耗为： 叱一警 ( 1 2 ) 而由负荷的有功功率只引起的电压损耗为： 峨一等 ( 1 3 ) 因为在一般的公用电网中，r 比工要小的多，所以电网电压的波动主要是由无功功 率的波动引起的，而有功功率的波动对电网电压的影响则相对较小 图1 2 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q o 增加到q l 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 沈阳工业大学硕士学位论文 p q p i 织 矾瓯 z ， 匿1 2 综合负荷韵电压静态特性圈 f 螗1 2 v o l l a g e 啪t i c 曲盯蝴时i s l i c o f 矗y 棚峨i c l o 越 无功电源不能提供相应豹无功负糟培量。绷毫压特幢舞鳞土参辩囊学豹i i 舅k 张盼豢黪 电压放迫由秽，降为以，以此来达到新蠹q 无功功率平衡如果长时间在低压虢悫下运行 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i 诸如异步电动机在启动期闯功率因数很低，这种冲击性无功功率会使电 网电压剧烈波动，甚至使接在丽一电嘲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，严重影嗡电网的供电质麓因此，黼充足的无 功电源，动态快速的对无功功率进行补偿，是维持电力舟电压稳定、提高供屯质量的首 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 施，这是显易见的在图1 1 中，该局部电力网柏线损功率为 a s 焉一& 毪学伍+ 拶 ( 1 4 ) ， 其中有功线损为2 a p 啐忍- 警矗 ( 1 5 ) 在有功线损中，因无功功率在电力网中的流动而引起的部分为t 电流源逆变器型觚a t c o m 技术研究 蝇一鲁r ( 1 6 ) ，c 由式1 咱可知，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 国家贯彻节能方针，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 ) 增加设备容量 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迸一步恶化，同时，对于节约能源， 保障电网安全运行也具有重要意义 1 1 2 主要补偿装置及特点 ( 1 ) 并联电容器补偿 并联电容器是指并联在电网上向电路系统提供无功功率的电容器。利用并联电容器 补偿是无功补偿的传统方法之一。并联电容器可根据需要由若干电容器串、并联组成。 容量可大可小，既可以集中使用，又可以分散使用，且可以分相补偿，可随时投切部分 或全部电容器，具有运行灵活、有功损耗小、维护方便、投资少等优点，因此是目前使 用最多的种无功补偿装置嗍。 下图为电力系统中利用并联电容器进行无功补偿的等效电路图和向量图； 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，使得系统功率因数较低；并联电容器投入后，向系统供应感性无功功率， 分担了系统的绝大部分无功负荷，使得功率因数大大提高。但是在补偿过程中，如果电 一4 一 沈阳工业大学硕士学位论文 l 电路母 萄相量图 圈1 3 无功 偿的等效电路图和向量匿 磁1 , 3 e q u i v a e n t c i r c u a a n d v e d o r p l o t s o f r e a c t i v e p o w e r c o m p e m t 娩 容的容量过大，就会使补偿后的电流相位超前子电压，出现过补偿，这会弓l 趣变压嚣二 次电压的升高，而且容性无功功率在奄力线路上传输同样会增加电缝损耗，使湿升增大， 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，一定蔓认囊计算补偿容 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电 压的平方成正比，所以以并联电容器作为无功补偿方式存在以下一些缺点：首先是电压 的调节特性差，当系统因无功负荷过大，出现电压下降时，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，其阻抗是周定的，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。而随者电力系统的发展。对无功功率进行快 速动态补偿的需求越来越大 ( 2 ) 同步调相机 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，财从系统吸收感性无功 功率，成为无功负荷，降低系统电压。只要改变调相机的励磁，就可以平滑地改变其输 出无功功率的大小及方向，因而可以平滑地调节所在地区的电压，这是同步调相机相对 于并联电容器的最大优点。 电流源逆变器型s t a t c o m 技术研究 然而，由于同步调相机属于旋转电机，因此损耗和噪声都很大，运行和维护复杂， 而且相应速度慢，在很多情况下已无法适应快速无功功率控制的要求。所以7 0 年代以 来，同步调相机开始逐渐被静止型无功补偿装置所取代。 ( 3 ) 静止无功补偿器( s v c ) 静止型无功补偿装置( s t a t i cv a rc a m p e n s a t o r - - s v c ) 是目前电力系统中应用最多，最 为成熟的并联补偿设备，属于“柔性交流输电系统”( f l 戚b l ca ct r a n s m s s i o ns y s t e m - - f a c t s ) 家族中的一员，也是较早得到应用的f a c t s 控制器 世界上最早用于取代同步补偿器的静止无功补偿项目，采用的是由弗立得兰得尔 ( e f d c d l a n d e r ) 博士发明的直流控制的自饱和电抗器，第一台这种类型的s v c 与1 9 6 4 年在一家钢厂投入运行，并于1 9 6 7 年开始在输电系统中投入商业运行。s v c 的显著特 点是能快速，连续地对波动性负荷进行补偿，有效地抑制系统电压波动和闪变，同时滤除 系统中的高次谐波，并通过分相调整改善系统的三相平衡度目前常用的有饱和电抗器 型( s r 型) 、晶闸管控制电抗器型( t c r 型) 、晶闸管开关电容器型( t s c 型) 三种。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，即电压调节特性差，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 产生的必要条件。 1 1 3s t a t o o m 的应用及其特点 ( 1 ) s t a t c o m 的特点 s t a t c o m ( s t a t i es y n c h r o n o u sc 0 即c n 韶t o r ) 全称为静止同步无功发生器。又称 s v c _ , ( s t a t i cv a rg e n e r a t o r 静止无功发生器) ，是f a c t s 家族中重要的并联型补偿设备。 是随着g t o 、i g b t 等大功率器件的出现，以及脉宽调制技术的( p w m ) 日趋成熟，电 力电子逆变技术的快速发展而产生的即。他是一种并联型无功补偿装置，能够发出和吸 收无功功率，并且其输出可以变化以控制电力系统的特定参数。可以在以下几个方面改 善电能i l o ，1 1 l ： 1 ) 输电和配电系统中的动态电压控制。 沈阳工业大学硕士学位论文 2 ) 输电系统中功率振荡的阻尼 3 ) 暂态稳定性。 4 ) 电压闪变的控制 5 ) 如具有直流电源，不但可以控锻无功功率丽且根据需要也可以控制所连线路上 的有功功率 传统的无功补偿设备有并联电容器，调相机和f 司步发电机等，这些补偿装置可满足 一定程度上的无功功率补偿要求，但却存在其它不是，如并联电容器连续可靠性差、容 量增大时装置体积增大很快，只能单极性补偿，且投切电容器时会引起系统电压波动。 同步谓相机响应速度慢、损耗大、维护量大而s t a t c o m 具有响应速度快，橱节连续， 控制灵活、可实现双极性无功功率补偿、装置运行时对电饲冲击小等诸多傀点，由于只 需较小容量的直流电容来维持直流电源电压，因此装置占地面积较小，并且卵使在系统 屯压很低的情况下仍能输出额定无功屯流i l 枷 ( 2 ) 电流源逆变型s t a t c o m 的优点 目前，在犀外和国内所投入使用的s t a t c o m 都是基于电压源逆变型( v s i ) ，郾 通过直流侧电容提供电压支撑的逆变器，通过控制逆变器输出电压与系统电压简韵差使 s t a t c o m 吸收或发出无功，从两达到无功调节的羁的虽然和其他的无功补偿设备如 s v c 相比具有很多优点，但由于其与交流系统闯存在着磁场的鹈合t 才能对耨偿电流进 行控制。而另外一种基于电流源逆变器的s t a t c o m ( ( 嫩) 也是一种潜在舶拓扑结构。 在国内和国外还没有被广泛的研究和应用，它通过直流侧豹电感通过逆变器输出电流来 使s t a t c o m 吸收和发出无功，达到无功调节的目的1 1 删与电压源型s t a t c o m 相 比，它可以直接控制于补偿电流不需要与交流系统阀有磁场的耦台。相信在不久的将 来，随着电力电子技术的发展，电流源逆变器型s t a t c o m 这种拓扑结构将得到广泛的 应用于电压源型s t a t c o m 相比，具有如下的优点l 口l ： 1 ) 直接控制变换器的输出电流 2 ) 具有潜在韵电流保护功能，输出电流被直流电感所控翩 3 ) 由于其单方向转换特性和潜在的电流保护功能使其具有高可靠性 4 ) 快速启动，不需要额外的启动整流器 电流源逆变器型s t a t c o m 技术研究 1 2 国内外发展现状 s t a t c o m 技术在中国的发展，从总体上说，要比世界上工业发达国家滞后。目前 s v c 己在全世界得到广泛应用，世界上装设于超高压输电系统的s v c 己接近于1 8 0 多 台。我国对s v c 的研究与应用始于7 0 年代末，至今已积累了较多的s v c 运行经验，其 制造技术也已相当成熟。目前我国大陆在5 0 0 k v 系统中运行的进口s v c 有6 台，在钢 铁企业中也有较多的应用 6 。f a c i s 家族己获得工业应用的最重要的2 种设备是s v c 和s t a t c o m ，两者都是并联在电网中，起无功支撑的作用，但从性能上讲，s t a t c o m 要优于s v c 。s v c 是通过晶闸管控制电容器组的投切来调节输出无功的大小，而 s t a t c o m 可看做一个由直流侧电容提供电压支撑的逆变器，通过控制逆变器输出电压 与系统电压间的差使s t a t c o m 吸收或发出无功，具有体积小、低电压特性好、响应速 度快等特点，可用于电力系统动态电压调节、增强系统的稳定性、提高输配电系统的电 能质量等而且从技术上讲，掌握s t a t c o m 的主电路逆变器结构、保护、控制及冷却 系统的研制方法对研制其他f a c t s 设备具有重要的意义，将直流侧的电容换成电池就 成了电池储能调节装置，将逆变器输出变压器串联接入系统则成为可控串联补偿器。串 并联相结合则成为功能强大的统一潮流控制器。因此，s t a t c o m 是柔性交流输电系统 的基础技术，各国的电力工作者对此都非常重视1 在国际方面，日本关西电力公司与三菱电机公司共同研制并于1 9 8 0 年1 月投运了 世界上首台s t a t c o m 样机，采用了晶闸管强制换相的电压型逆变器，容量为2 0 m v a r 。 1 9 8 6 年l o 月，由美国e p r i 和西屋公司研制的1 m v a i s t a t c o m 投入运行，这是世界 上酋台采用大功率g t o 作为逆变器元件的静止补偿器。日本关西电力公司与三菱电机 公司又采用g t o 研制了1 8 0 m v a r s t a t c o m ，并于1 9 9 1 年在犬山变电站投运，在1 5 4 k v 系统中运行，维持了1 5 4 k v 系统长距离送电线路中间点电压的恒定，实现了提高系统稳 定的目的美国e p r i 与田纳西电力局( t e n n e s s e e v a l l e y a u t h o r i t y , 缩写为t v a ) 、西屋电 气公司合作，在t v a 电力系统的s u l l i v a n 5 0 0 k v 变电站建造了1 0 0 m v a 研a t c 0 m ，并 于1 9 9 6 年l o 月投运至今，运行情况良好。1 9 9 3 年3 月，东京电力分别与东芝公司和日 立公司开发的2 台5 0 m v 越汀a 1 0 m 在东京所属新信浓变电所投入使用。1 9 9 7 年，德 国西门子公司将开发研制的8 m v a ：t 煳r c o m ( 又称g t o s v c ) 安装在丹麦的 沈阳工业大学硕士学位论文 r e j s b y h e d e 风场，目的是对风力发电机组进行动态控锻此外，英国国家电网公司 ( n a t i o n a l g r i d c o m p a n y ，缩写为n g c ) 将在其4 “系统内安装正由法国a l s g o m 输配电公 司研制的基于7 5 m v a r s t a t c o m 的静止无功朴偿系统，整个静止无功补偿系统的容量 将是0 2 5 5 m v a r o 从而提高英匿北部往南部的电力传输功率掰。 在国内。1 9 9 4 年作为原电力部重大科技攻关项目，由河南省电力局和清华大学共同 研制了2 0 m 穗栅a 砷瓜l - 为进行机理研究，首先研耕了3 0 0 k v a r 的中趣工业试验装 置，于1 9 9 5 年并厨运行。l 9 年3 月，趵謦v a 搬 嘞在河南洛阳的朝阳变电站并两 成功，坞月2 5 日通过河南省电力试验研究所的7 2 h 满载测试。1 1 月1 5 日又通过了由 中国龟力科学研究院进行的性能测试。测试结果表明m v 赶翻；! a t m 达勐了预期的 各项设计指标。并由电力总公司科技环保部主持，于2 0 0 0 年e 月2 7 日在洛阳成功地进 行了鉴定。该装置的研制锻炼了一支拥有我匿人数最多鲍f 郦领域i 磁耩究人才的群 体，初步建成了我国实力最强盼f a l l s 技术的研究基地1 勖哼使我国成为匿蕊上第4 个 拥有大容量s t a t c o m 的国家，是毽内继铁道科学研究院与株州电气机车研究所联合研 制成功屯气祝车霜2 m w 逆变器( 1 9 9 8 年人民日报有报道) 后国内自主研错成功的最 大容量的逆变器( 硼憾r ) 。作为嚣内酋台投入应用的大容量f a c t s 设备，也将成为中屋 f a c i s 研究应用领域的一个重要里程碑。国家电力公司电力盘动化研究院，中国电力 科学研究院，华北电力大学和东北电力学院等单位都鬯在这个领域进行过装置级的研 制分别做出了自己的贡献在相继研制成功大容量翻毪k ：0 m 后，s t a t c o m 技术 的发展出现了2 个唠显趋势，这也是目前f a c t s 技术发展盼2 - 个重要特点。一是不断 采用掰器件电力电子技术发展相当迅速，新型器件不断涌现。从而导致以奄力电子按 术为基础的f a c t s 技术不断地采用新器件来进一步提商性能增强可靠憧，拓宽应甩 范屠以s t a t c o m 原来普遍使用的g t o 为倒现在至少出现了2 种可替代的新器 件：i g c t 和i e g t oi g c f 不用缓冲电路即可可靠关断，这是与普通g t o 相比的一个很 大优点。而i e g t 兼有i g b t 和g t o 的优点如饱和压降低、安全工作区宽，驱动功率 低和工作频率高等特点这2 种新型g t o 替代器件的出现使性能更好、可靠性更高的 新一代大容量s t a t c o m 呼之欲出f a c t s 技术发展的另一个特点是装置多样化，应 用范围更广一方面继续向高压大容量方向发展，另一方面向中低压配电鼹的应用发 电流源逆变器型s t a t c o m 技术研究 展，旨在提高用户侧的电能质量，称为用户电力技术。仍以s t a t c o m 为例，1 9 9 9 年8 月，三菱公司安装了它在美国的第1 台5 m v a 4 1 6 k v 的 d - s t a t c o m ( d i s t n o u t i o n s t a t i c s y n c h r o n o u s c o m p c n s a t o r ) ，用于抑制附近废铁再生厂的电 压闪交。而三菱公司在全球一共己安装了超过2 0 0 台的d - s t a t c o m ，容量范围从 0 1 m v a 至6 0 m v a 不等。还有其他类型的电能质量控制器正在研制或己得到初步的应 用。这两个特点使f a c t s 技术不断得到发展，使其对电力系统进行多角度、全方位的 控制和改善成为可能1 2 】【帕。 然而，上面所提到的包括国际和国内的已经投入商业运行的s t a t c o m 装置，都是 基于电压源逆变器型，对基于电流源逆变器的s t a t c o m 还没有展开，而电流源型 s t a t c o m 相对与电压源型有着自己的特点和优点。因此将有很大的研究和开发空间， 相信在不久的将来，随着电力电子器件的发展，电流源型s t a t c o m 将大量应用与电力 系统的生产实际中。 1 3 本文的主要工作 本文在查阅大量国内外文献的基础上，以电压源逆变型s t a t c o m 为基础，主要进 行如下的工作。 ( 1 ) 以电压源型s t a t c o m 为基础，对电流源型s t a t c o m 进行全面的研究分析。 ( 2 ) 阐述其工作原理，电路结构，并通过数学手段建立它的数学模型。 ( 3 ) 控制方案的初步探讨。 ( 4 ) 通过m a t l a b s i m u l i n k 的手段对电流源型s t a t c o m 进行计算机仿真 硬件和软件实现的初步探讨。 2 工作原理与数学模型 2 1 基本电路结构 s t a t c o m 可以分为电压源逆变型和电流源逆交型两种其基本电路结构如下图所示t 圈2 1 电流源逆变电路结构巨 f i g z l c 缸岫s 臼删出i 略o f c s ! u u s b恤晋i | =苷。t - 【皆- l q 5 = c d s _ j u g h iku 举 l c 蚶 件- (碎蕊一【 q 2 j k d 口 j 图2 2 龟压源逆变电路结构图 1 3 毽z 2c r e e i ts 劬站咖o f v s l 一1 1 电流源逆变器型s t a t c o m 技术研究 对于电压源型s t a t c o m ，交流器和交流系统之闯的无功功率交换可以通过改变变 流器输出电压的幅值大小来加以控制。也就是说，如果输出电压幅值高于系统电压，那 么电流就从变流器通过电抗流向交流系统，这是变流器就为交流系统发出无功功率：如 果输出电压幅值低于系统电压，那么电流就从交流系统流向变流器，这时变流器就从交 流系统吸收无功功率。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 压逆变为交流电压，通过串联电抗并入电网，其中串联电抗起到阻尼过电流、滤除纹波 的作用；对于电流型桥式电路，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 的正常工作，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嘲。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 而对于电流源型s t a t c o m ，可以通过对变流器的控制，使流过电感线圈的电流相 位超前或滞后与电网电压，从而达到发出和吸收无功功率的目的：同时，还可以通过控 制变流器来控制电流的大小，来调节发出和吸收无功功率的大小。 2 2 工作原理 2 2 。1 电压源逆变型s t a t c o n 的工作原理 如图2 1 为电压源型s t a t c o m 的原理示意图，其中直流侧为储能电容，为 s t a t c o m 提供直流电压支撑，逆变器通常由多个逆变桥串联或并联而成，其主要功能 是将直流电压变换为交流电压，而交流电压的大小，频率和相位可以通过控制逆变器中 可关断器件( 如g t o 、i g b t 、i e g t 等) 的驱动脉冲进行控制。连接变压器将逆变器输 沈阳工业大学硕士学位论文 出的电压变换到系统电压。从而使s t a t c o m 装置可 ；乏并联到电力系统中。连接变压器 本身的漏抗可以用于限制电流舫止逆变器故障或系统故障时产生过大的电流。整个 s t a t c o m 装置相当于一个电压大小可以控制的电压源l 埘设s t a t c o m 装置产生鲍 归算到系统侧的空载相电压为玩，系统相电压为西。连接电抗为石，则装置输出的奄 流为： + 注入系统的电流 超前 佣当于电癌 注入系统的电漉 滞后 ( 相当于电囊i 圈2 3 研 1 d 嗽装置谓节无功的原理示意豳 f i 9 2 3 s t a t c o m v 0 王l l 霉e 蝴髓龃蝻峙p a 珂a m 抽吐饿h 聊晴啦d 砌即m j ：坚! = 坠 j x 因此，s t a t c o m 装置输出豹单相视在功率为 ( 2 1 ) 姜 电流源逆变器型s t a t c o m 技术研究 s 玑，。以百u ，- u s ( 2 2 ) 通常情况下，s t a t c o m 装置只吸收很小的有功功率或不吸收有功功率，因此其产 生的电压疗，于系统电压驴。相位相同，因此，s t a t c o m 装置输出的单相无功功率为： q 一邮) - 十警卜学以 亿s ) 当控制s t a t c o m 装置产生的电压小于系统电压即u l u 。时，s t a t c o m 向系统 输出的无功功率qt0 ，此时s t a t c o m 装置相当于电感；当控制s t a t c o m 装置产生 的电压大于系统电压即u 1 ，玑时，s t a t c o m 向系统输出的无功功率q ，0 ，此时 s t a t c o m 装置相当于电容。由于s t a t c o m 装置产生的电压d ，的大小可以连续快速 地控制，因此s t a t c o m 吸收的无功功率可以连续地由正到负进行快速调节。 2 2 2 电流源型s t a t o o m 的工作原理 电流源型s t a t c o m 的原理示意图如2 2 所示，直流侧为储能电感，逆变器由多个 逆变桥串联或并联而成，其功能是向系统产生一个三相的交流电流。整个电路结构可以 看成是一个可控的电流源连接在交流系统上，这个可控的交流电流源向系统产生一个三 相正弦交流电流，超前或滞后系统电压9 0 ，从而达到吸收和发出无功的目的。因此， 电流源型s t a t c o m 有两种工作状态：感性状态( 吸收无功) 和容性状态( 发出无功) 如图中所示，当控制s t a t c o m 装置产生的电流j 超前系统电压6 角时，s t a t c o m 内 系统输出的无功功率q 仁警- 一匕郴 胯鲁- , u b - v b - 枇 。， 俦一“冠 ”一“ 工警一一屯也 电流源逆变器型s t a t c o m 技术研究 磷 一面s s i n j - - 2 u ss i n 缸一z a 3 ) - 西，s 缸缸+ 2 a 3 ) 一, - - 刃j s 缸( n 矿一d ) 一芝u j s 缸( n 譬一2 万3 一d ) 。动。s i n 缸+ 2 石3 一d ) 把式2 2 2 和式2 2 3 代入式2 2 1 得到 ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) l d i 出, ( t ) 动。豳耐一劢，豳缸一6 ) 一她b ) 工掣动，嘲缸一2 , - , 3 ) 一f 2 u ss i n ( a z 一新3 6 ) 一r b o ) ( 2 2 4 ) 搿 上趔d t 一动，嘲缸+ 幼3 ) 一：2 u 。咖缸+ 2 ，r ，3 一d ) 一她o ) 这就是关于三相电流的s t a t c o m 模型。对于三相电压有： c 掣。l ( f ) 一 甜 c 掣一o ) 一k ( 2 2 5 ) c 掣吐e ) 咆 其中伍一口，扫，c ) 表示三相逆变器交流侧电流瞬时值 为了在电流源型s t a t c o m - - 般数学模型中体现p w m 开关状态对三相逆变器瞬态 电路特性的影响，引入三值逻辑开关函数以，定义为： f 1上桥臂通 瓯二 0 上桥臂全通或全断( 2 2 6 ) i - - 1下桥臂通 l 通过分析可得 一1 8 一 o o o n限 沈阳工业大学硕士学位论文 代入式2 2 5 得； 综合式和2 2 4 式2 2 8 得剜： 一屯 k = 屯幺 如- 6 , i k c 蝉- i l 一6 扎 d t c 垒掣k 一气k 硪 。“ c 掣吨一魄 出 掣凰豳锵确，鼬- 善 一旗甜 c幽。气一5丸dt c 掣- 屯一玩 ( 2 2 7 ) ( 2 2 s ) ( 2 2 9 ) 这就是电流源型s t a t c o m 的a b c 坐标下的时域数学模型为了使予分析，通常 利用线性交换( 也称d q 0 变换。帕克变换的相似变换) 将对变的微分方程变换为常系 数微分方程，线性变换矩阵为l c - 信 c o s 饼 一豳耐 压 c o s ( 掰- 等) 墙譬等) c o s ( 耐+ 警) 痂曩警) 将式2 2 9 中的三相电流和电压分别进行d q 0 交换，卸 一坞一 ( 2 。3 0 ) 厨 西 缸缸 。 逝 磊 僦商 札 西 厨 o i i 铷铷牡 可以得到： r 工 电流源逆变嚣型s t a t c o m 技术研究 o 1 3 c 0 屯( f h ( f ) i = c f o o ) j 屹( f h o ) l = c ( f m 1 工 0 o m m c o s 6 工出 o 1 三 国 o m s i n d k 0 0 m c o s 6 3 c m s i n 6 3 c 也 瓦 + 玑 工 0 o o 0 ( 2 3 1 ) ( 2 3 2 ) ( 2 3 3 ) 这就是电流源型s t a t c o m 在d q 0 坐标系下的数学模型从这个数学模型可以得出 稳态下的电流和电压的值： l 一鲁甜6 匕。叫刚+ 鲁叫 l q = - 勰v - - - - s s i n 2 6 ( 2 3 4 ) 。以鲻6 ( s 缸d + 鲁c o s 6 ) c z s s ， 屯。砑1 怍 v ss 缸d 一警酬( 1 _ 刮 这里，五和j 。是滤波电感和电容的阻抗值，五一越，z 。= 三石 一2 0 一 ( 2 3 6 ) n=_川“朋 拍“ 纠 k 也 ，0，b妇，嘧 墨工 鹭o o “幻妇如：协 d 一出 沈阳工业大学硕士学位论文 3 控制方式研究 s t a 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；改善 系统功率因数和调节系统电压。因此，其控制策略的选择也应该根据补偿器要实现的功 能和应用场合来决定采用开环、闭环控制或者两者相结合的控制策略嘲1 6 。 3 1 电压源型s t a t c 洲的控制方式 ( 1 ) 电流的f 司接控税方式 所谓电流的阆接控制，就是按照s t a t c o m 的工作原理，将s t a t c o m 看做一个 交流电压源，通过对s t a t c o m 变流器所产生韵交流侧电压基波的相位和幅值盼控制 来间接控制s t a t c o m 的交流侧电流。其基本原理图如下所示1 1 7 ，u u 赡l 圈3 i 进行闭环反馈控制的电流i 剐曼挎制方法 飚3 i c m - r c a t i n d i r e c tc 【蒯m 删b 船c d 珊c l m e - l o o p 其工作原理就是将需补偿的电流参考值与s t a t c o m 吸收的电流值进行实对比较， 对其差值进行比例积分调节，产生的d 值控制s t a t c o m 的脉冲触发。 ( 2 ) 电流的直接控翩方式 电流的直接控制，就是采用跟踪p w m 控制技术对电流波形的瞬时值进行反馈控翩。 此时，s t a t c o m 相当于一个受控电流源，其工作原理图为图3 2 所示： 在该控制方法中，由于引入了d q 0 坐标系统，指令电流值和s t a t c o m 的反馈电流 值l ，l 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差的电流跟踪 电流源逆变器型s t a t c o m 技术研究 控制。s t a t c o m 采用电流直接控制方法后，由于直接对s t a t c o m 吸收电流的瞬时 值进行了 圈3 2 采用刚技术的电流直接控制方法 f i g3 2o m m td i r e c tc o w a o lm o t h o db a s e d p w m 跟踪控制，而不像间接控制方法中那样，通过6 这个中间环节，因此，其相应速度和控 制精度都有很大的提高1 6 1 1 2 0 3 2 电流源型s t a t c 0 一的控制方式 ( 1 ) p w m ( s f w m s i n u s o i d a lp