（电力系统及其自动化专业论文）配电网静止同步补偿器的实验研究.pdf

1 i n e ：r e s e a r c ho n1 日ee p e r d i e n to fd i s 咖u n o ns 1 噙：1 1 c m a j o r ：p o w e rs y s t e ma n di 臼a u t o m a 6 0 n n a m e ： m i n gl u os i g n a t l l m s u p e l 。r i s o r ix i a o p i n g1 奠j 币g s i g n a t u r e a b s 蛔c t 啦s 酬i s 舷1 h e 燃岫丘e l d o f m q 岫脚咖砒批h a s 栅1 0 乜0 f 舢a n d i s 咄o f t h e 删岫a n dh o t 蝴s i n e i t f i c a l e n g 嘶f o r 删盼o n a l 埘i f e c c 咖哪咖删s 眦鳜t b e d s 似r c ) m o p 蝴嬲a v o l 姆啾m 蒯b r e ，t h e i 加僻d a n l b r 咖q 嘲m 】倒i sv 町蛐a 1 1 1 1 l l 塔，a 啦l a l l 衄坩i m to f 咖 唧姗咖c o l l l d 瑚u hh i 啦伽僦t e v 饥l 咖t oo v 翎删蛐d 姗o f l b c d s l ：a t c 0 m t h c 燃诎i nt h i sd i s 8 嘲妇d e a l sw i m 血e 删啷t o1 h e 舳o f t h ed i 矧州 s t a l i cs y 撒h r a 删p a 略鼬s o h 9u s e di n 血d 啁时丘e l d 1 k 喇c c t i 代i st o 丘1 1 d 讲o p 盯c o m ls 毗g i 髓锄ds y s t | 舢啦cd e s i 印m e t h o df o rd s l ：a t c o mu n d 盯珈b a l 锄c e d v o l 乜铲鲫蜘缸t h e 脚mt o 洲1 b e 鲫唧舶刚矗h 枷so f t b ed s t a t c o m ，w h i c h w m l a y a f 0 1 m d 蒯| o n 缸弘彻咄i 乜芦a 删u 舾s o 勰p o s s i b l e i f t h e d s 姗o m c 锄 o l 蛾r 砒e 班o p e d yi n i b a l 锄c e dv o 姆c 0 咖1 i _ 吐，a n df i | f t k 衄1 0 m 狮护把t h en e 髟匝v e 畔咖驷n e n t i 删恤l o a d ，t h e f i l n c t i 删o f l h e d 蛐吼：0 m m db c 纰删 a n d i 扭m l 崩瑚血gc a p 蛐i s f i l l l y l n j l i z e d h o r d 盯t om j 畸g m l h e 珈b a l a n c e d v 0 惭越 t h ep o i mo fc 0 蝴c 0 恤口c c ) ，af i l l l d l 删蛐e 嘣i 啪v o l 姆c 伽舡o u e d v o l 协护峨啦哪y 细d s t a t c o m 删p c i 吲m n gv o l 姆b a l 缸i s 弘o p o s e dw 也t h i s 洲蝴t h e p c c 嘶v o l 拥护啪b e 蜊缅c i 耐l y 8 n d 曲p o 拍v ec l 删 nb ca l c 0 劬舢e dl b 】m l g h 聘g l l l 硝n gt h ed s l 0 mf i l | | d 蚰l 脚p o s i 虹v ev o l 乜g e 1 1 u j s 也e m l 枷幽曲i l 匆o fd s l ：a t c o mi s 硫删嘶衄眦d e t c f i 嘶恤w n a g e 删| b a i 衄p c n s 撕姐p i 耐优m 锄 知油g t os t r a 姐黟咖脚a m wah a 抵p l 如b a s c d d s p 2 4 0 7 i s 删o l l t a n d l h c l 伪叫d s 础o m 唧妇肋t a l 昭蜘i 矗d e s i 阻m 姗l 乜s h 洲t h 砒妇 珊叩e dd s 聊o mh 嬲枷i s i 姗p e 疵哪啪l m d 盯硼b a l 柚c e dv o l 姆c o n d 妯巩 k e yw o r d ：d i 啪u n 0 ns 1 姗cs y n c m t 删，sc o m p e n s a r s 1 c o m ) ； 印删v e m ( s v p w m ) ；t i v ep ，w 盱衄肼虹蒯伽 3 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人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成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所论述的工作和成 果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名：i ! ：刀年f 月，占日 学位论文使用授权声明 本人在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩，并 已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意授权 西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定提交 印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的 学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编人有关数据库进行检索；2 ) 为教学和 科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、资料室 等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签名： 导师签名： ，月一日 第一章绪论 l 绪论 1 1 研究背景与意义 工业和生活用电负载中，感性负载占有很大的比例异步电动机、变压器、荧光灯等 都是典型的感性负载。电力系统中的电抗器和架空线等也消耗一些无功功率n 1 感性负 载必须吸收无功功率才能正常工作，这是由其本身的性质所决定的电力电子等非线性装 置也要消耗无功功率，特别是各种相控装置，在工作时基波电流滞后于电网电压，要消耗 大量的无功功率。另外这些装置产生的大量谐波电流也要消耗无功功率无功功率对电网 的影响包括t 增加设备容量；设备及线路损耗增加i 使线路及变压器的电压降增大，如果 是冲击性无功功率负载还会使电压产生剧烈波动，使供电质量严重降低“1 。为了输送无 功功率，要求两端电压有一幅值差，这只能在很窄的范围里实现，而网络元件和负载所需 要的无功功率必须从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合理的，通常也是不可能的合理的方法应是在需要消耗无功功率 的地方产生无功功率，这就是通常说的无功补偿 无功补偿的作用有如下几点“1 ： ( 1 ) 提高供用电系统和负载的功率因数，降低设备容量，减少功率损耗 ( 2 ) 稳定受电端及电网的电压，提高供电质量。在长距离的输电线中合适的地点设 置动态无功补偿装置还可以改善输电系统的稳定性，提高输电能力 ( 3 ) 在三相负载不平衡的场合，通过适当的无功补偿可以平衡三相的有功及无功负 载。 电力系统中的无功补偿装置从最早的电容器开始发展到今天，历经了电容器、同步调 相机、静止无功补偿装置( 8 v c ) ，直到今天引人注目的s t a t c o m 几个不同阶段“1 。 无功补偿电容器的优点是原理简单，安装、运行和维护都很方便。但是，它只能补偿 感性无功，且不能连续调节，更重要的是它有负电压效应，当电网电压下降时，电容器上 的补偿电流相应下降，使得补偿的无功量急速下降，系统电压下降更大在系统有谐波时， 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。 同步调相机( s y 批h o 璐c 伽d 锄s e r - _ s c ) 是传统的无功功率动态补偿装置，它是专门 用来产生无功功率的同步电机，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，同步调相机在电力系统无功功率 控制中一度发挥着主要作用“0 然而，由于它是旋转电机，因而损耗和噪声都较大，运 行维护复杂，而且由于控制复杂造成响应速度慢，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( s t 卸融v 缸 c o m p 锄s 呶 渊c ) 所取代，目前有些国家甚至己不再使用同步调相机 i 西安理工大学硕士学位论文 早期的静止无功补偿装置是饱和电抗器( s 砒l 瑚自e dr e 螂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。饱和电抗器与同步调相机相比，具有静止型的优点，响应速度快“1 ，但 是由于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，又不能分相调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。 电力电子技术的发展及其在电力系统中的应用，将使用晶闸管的静止无功补偿装置推 上了电力系统无功功率控制的舞台。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( e l w 虹i cp o w 豇 碡僦c h h s t i t i l t e _ ) 的支持下，西屋电气公司( w 硎n g 也m l 辩e l e c h 沁c 唧) 制造的使用晶闸管 的静止无功补偿装置投入实际运行 。随后，世界各大电气公司都竟相推出了各具特点 的系列产品。我国也先后引进了数套这类装置西安电力机械制造公司己具备自行设计制 造这类装置的能力，自8 0 年代末以来，已先后承接了1 0 多个此类工程，并向泰国出口 由于使用晶闸管的静止无功补偿装置具有优良的性能，所以，近l o 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。1 。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的静止无功补偿装置，包括晶闸 管控制电抗器口h y 凼t o rc 州呐n e dr 髓c t 0 科r c r ) 和晶闸管投切电容器咖rs 谢劬脚 c a 拼l c i 锄卜r s c ) 以及这两者的混合装置f r c r 十t s c ) ，或者晶闸管控制电抗器与固定电容 器( f i x e dc 印a c i t o 卜- f c ) 或机械投切电容器( m o c h a n i n ys 研t c h 触c a 刚幻1 _ m s c ) 混合 使用的装置( 如t c r + f c ，t c r 十m s c 等) 。其快速的响应，适中的价格，使其在电力系 统中得以迅速的推广不足之处在于谐波成分大，需要大电感、大电容等元件，而且只有 在感性工况下才连续可调。 随着电力电子技术的进一步发展，8 0 年代以来，一种更为先进的静止型无功补偿装 置出现了，这就是采用自换相变流电路的静止无功补偿装置，称之为先进静止无功发生器 ( a d 垤n d8 t a l i c 、kg 锄勃旧l o | 卜a s v g 或s v g ) ，也有人称之为高级静止无功补偿器 ( a d v a c ds t 舭v 缸c c 幔p 锄s 姗a s v c ) 。或者静止调相器( s 眦i cc 伽d 舶s 口。s 删o m ) s d 玎c o m 是一种电力电子装置。其最基本的电路是三相桥式电压型或电流型变流电 路，目前使用的主要是电压型。与s v c 不同的是s v c 需要大容量的电抗器、电容器等储 能元件，而s 1 ：a t c o m 在其直流侧只需要比较小容量的电容器维持其电压即可，这将大 大缩小装置的体积和成本通过不同的控制策略，既可以使其发出无功功率，呈电容性， 也可以使其吸收无功功率，呈电感性并且在采用多重化、多电平或p w m 技术等措施后 可减少补偿电流中谐波含量吼煳删具有如此优越的性能，显示了动态无功补偿装置 的发展方向。有关s 1 瑚r c o m 原理以及控制方法的介绍将在以下章节讨论 s 咖o m 根据使用情况可以分为两类”1 ，类为输电系统用的s t a t c o m ，另一 类为配电系统用的s 1 ：a t c o m ，也称为d s 撇o m 前者的输出电压等级较高，它的主 要目标是补偿长距离传输线的无功损耗、支撑接入点电压并阻尼系统振荡而配电用 2 第一幸绪论 s 姗o m 可实现对低压配电系统无功功率的控制，达到提高功率因数、减小线路损耗、 节约电能的目的。 1 2s 1 a t c o m 装置的研究现状 先进静止无功发生器是在上世纪七十年代末期随着电力电子技术的发展而逐渐发展 起来的，自从美国学者l q m g y i 在1 9 7 6 年提出利用半导体变流器进行无功补偿的理论 以来，世界各臣对大功率新型静止同步补偿器的理论与工程应用研究方兴未艾，在八十年 代中期，灵活交流输电技术出现之后，对s 1 ： 托0 m 的研究进一步深入并由理论进入工 程应用。 ， 8 t ：a t c o m 在电力系统中具有多种功能：它在高压和超高压系统中能大幅度提高有功 输送能力，提高系统的静态、动态和暂态稳定性，加强功率振荡阻尼，稳定电压“。从 根本上讲，s 1 o m 的基本功能就是从电网中吸收或者向电网中输送连续可调的无功功 率，以维持接入点的电压恒定，并有利于电网的无功功率平衡，随着大功率电力电子器件 的日趋发展，s 1 猢r c o m 在电力系统中的应用也将越来越广泛m 。但是，电力系统的非 线性及负荷参数多变等特点，围绕s 麟o m 的工程化还有很多问题没有得到很好的解 决，为此国内外很多学者做了大量理论和工程应用研究。 目前，从装置研究现状来看，在国外，1 9 8 0 年日本三菱公司和关西电力研制了第一 台2 0 m 、，盯采用强迫换相晶i 罚管桥式电路的s t a t c 0 m ，并成功地投入了电网运行随着 电力半导体器件的发展，大功率门极可关断晶闸管( g 1 d ) 、绝缘栅极双极性晶体管( i g b t ) 以及集成门极换流晶闸管( i g c t ) 等全控型器件开始应用于s t a t c o m 中。1 9 8 7 年由美 国国家电力研究院( 删) 和西屋公司共同研制成l m v 缸的s 1 瑚r c o m 装置成功投入现 场运行，这是世界上首台采用大功率g 1 d 作为逆变器元件的静止无功补偿器。之后，日 本关西电力公司与三菱电机公司又采用a r o 研制了一套8 0 m v 雒的s 1 ：a t c o m 装置，子 1 9 9 1 年在犬山变电站投运“”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 孤的s 髓0 m 装置在东京所属新信农变电所投运使用。美国e p 与田纳西电 力局( t e 加船8 v a u e y 龇吐i o r h y ，缩写为1 、，a ) 、西屋电气公司合作，在氏电力系统的 s u m 、，锄5 0 0 l w 变电站建造了l m v 缸的s 1 ：a o m 装置，于1 9 9 6 年l o 月投运“1 1 9 9 7 年德国西门子公司将开发研制的8 m v 打s t l a t c o m 装置安装在丹麦的喇s b yh e d e 风厂投入运行n “。在国内，这一领域的研究刚刚起步，华北电力学院曾研制出强迫换相 的可控硅元件无功发生器实验装置，东北电力学院研制了g 1 d 器件的s 姗o m 实验装 置，作为原电力部重大科技攻关项目。2 o 年清华大学和河南省电力局联合研制的以g 1 o 为开关器件，通过变压器耦合到配电系统的多重化结构的2 0 m 、懈装置投入试运行，这 是国内首台投入应用的大容量柔性交流输电装置“”另外，国家电力公司南京自动化研 究院在2 1 年也研制了5 k v r a 的s 麟o m 装置这些标志着我国进入了柔性交流输 西安理工大学硕士学位论文 电技术和用户电力技术发展的个新阶段。 1 3 目前存在的问题 在理论研究上，对s 髓矾：0 m 的研究成果主要集中在系统模型的建立、控制器设计 以及装置在电力系统中作用等方面。 在s 僦0 m 系统建模的研究中，多数参考文献n 指出，在稳态运行的情况下， s 姗0 m 的工作模型是建立在一个静止的同步电压源基础之上。即由一个电压型交流器 构成的s 麟0 m 经一个串联电抗( 包括变压器的漏抗与电路中其它电抗) 与电网相连，根 据输入的无功功率和有功功率指令，变流器如同同步发电机一样，产生相位与幅值均可以 迅速调节的基频分量对称的兰相正弦电压叠加到电网上，从而吸收或发出满足电网要求的 无功功率。但由于电力系统具有多种非线性和其负荷参数的不确定性，并且对实际电力系 统而言，s 1 ：a t c o m 更多的是运行在三相不对称条件下，因此，这种稳态的工作模型在应 用上存在着很大的不足。 在很多文献中提出的对s 鼢姒：o m 的模型的建立都是基于其自身特点或投入电网运 行中的某一个特性提出的伽1 ，如针对由于系统发生不对称故障等原因而引起的系统不平 衡情况，分析了系统负序电压对d s t a t c o m 直流侧的影响，以及直流电容电压的倍频分 量在交流侧的输出，提出了s 秘矾：0 m 的暂态稳定计算模型。针对s t a t c o m 的动态行 为，基于对变量的矢量变换，根据p a l k 方程和l y 的瞬时对称元件理论得出了一个便于 控制的简化模型n “；针对系统三相不对称对s t a t c o m 运行的影响，并设计了一个同步 电压调节器来实现对电压正负序分量分开调节，从而拓展了装置的运行范围i 针对基于电 流源逆变器的s 枷0 m 提出基于电流源逆变器的s 僦o m 动态模型【“此外，黜c h a r d o 等提出用神经网络的方法或者模糊聚类学习算法建立s t a t c o m 的非线性系统动态模 型，对s 1 猢汜o m 非线性控制进行模拟动态建模，加强模型的自适应性和鲁棒性但局 限于装置级的角度，未能更多的从系统级角度考虑s t a t c o m 运行性能嗌1 然而以上模型的建立要么局限于装置级的角度，仅限于局部特点，未能更多的从系统 级角度考虑s 1 ：a o m 运行性能，要么算法复杂，实现困难，难于保证其实时补偿的要 求。近年来出现了依据s 髓矾：0 m 的稳态特性及其响应速度与装置主电路参数的关系和 s t a t c o m 的变压器漏抗对直流侧电容电压变化的影响，利用开关函数法给s 强t ( ：o m 装 置建立了暂稳态模型，并从能量的观点出发对鲫：a t c o m 暂稳模型的建立作了讨论，提 出了鲫瑚r c 0 m 动态模型的微分模型并对其进行控制m 1 ，该模型虽然没有考虑系统发电 机的动态因素，不适用系统不平衡情况和系统有谐波畸变的情况，但是如果考虑三相不平 衡的情况对其进行改进，从而在保证s 1 炎r c o m 具有的应有功能的前提下，通过分析三 相不平衡时的系统模型指导其不对称参数设计优化算法。 在研究s 1 煳陀o m 的非线性动态建模的同时，其控制策略和控制器的设计也是研究 4 第幸绪论 的一个焦点。s t a t c o m 的控制器通常由内环控制器和外环控制器两部分组成。内环控制 器的基本任务是产生一个同步的驱动信号，从而在变流器的输出电流和无功指令之间建立 一种线性的关系，外环控制器用于提供内环控制器所需要的无功功率参考值“” s 撇o m 控制算法的设计一般都和无功电流的检测紧密联系在一起的，从控制的角 度来看，它的控制器设计方法大致集中于以下几个方面： ( 1 ) 线性p d 控制自2 0 世纪8 0 年代初第一台实验性s 僦o m 投入电网运行以来， 所有己公开的实用装置的控制器设计都是采用经典控制理论p d 或者引入线路功率的 p s s 辅助方式来完成，或者进行局部改进的p i 控制同时有关理论也指出，这种控制方 法在一定范围之内通过向系统提供有效的电压支撑，可以维持接入点的电压基本不变但 是，这些基于线性化的控制手段限制了该装置的应用范围，在大的干扰下，这种控制方式 难以满足提高系统电压稳定的要求m i ( 2 ) 最优控制线性最优控制早在2 0 世纪7 0 年代初便被引入到电力系统控制中，是目 前现代控制理论中应用最广泛的一项控制技术。有关论文印证了通过研究s t a t c o m 与 励磁控制器相配合可以设计出s 姗o m 控制器，它能增加系统的同步阻尼系数，有利 于电压的稳定，但是由于这种控制器是针对局部线性化模型来设计的，在强非线性的电力 系统中的控制效果并不理想玎1 ( 3 ) 自适应控制电力系统的自适应控制应用研究起始于2 0 世纪8 0 年代中期，由于自 适应控制的控制效果优于固定参数的控制器，能够在一定程度上弥补经典p d 控制过分 依靠被控对象的数学模型的缺陷，因此很自然的就被引用到s t a t c 0 m 的控制上，仿真 表明，由它所控制的补偿器在较大的干扰下仍能保持良好的阻尼特性，鲁棒性较强但是 同时也应该看到，这种控制算法的参数在线辨识复杂程度较高，在实际应用中必须考虑计 算速度的影响，同时滞后的控制响应也影响控制精度“ ( 4 ) 微分几何控制微分几何控制克服了传统的局部线性化方法固有的局限性，控制器 几乎对所有的运行点都起作用，正是认识到这一点，因此很早就被应用到s 僦o m 的 控制之中但是在进行微分几何控制器的设计的时候应该认识到：由于微分几何控制要求 系统参数必须确切可知的，而电力系统是一个强祸合的非线性系统，其各种负载时对刻刻 都在发生变化，因此在实际中这一点是很难做到的；其次，微分几何控制对接入点的电压 控制是不做考虑的，在理论上也就无法保证接入点的电压具有良好的动态响应m 1 ( 5 ) 智能控制近几十年来兴起的智能控制在很大程度上解决了由于控制对象所具有 的高度复杂性和不确定性而产生的控制方法应用上的困难许多作者提出了利用诸如神经 元网络、模糊控制以及与它们经典肋控制相结合产生的各种改迸算法进行控制器设计 的尝试。这些综合智能控制方法( 如模糊逻辑控制、人工神经网络控制、专家控制等) 不需 要电力网络和a s 、r 0 的精确数学模型，具有良好的鲁棒性，在一定程度上解决了由于电 力系统强祸合的非线性系统所带来的控制器设计上的难题但是收敛速度慢是它们的一个 很大的缺点，难以满足实时性控制的要求“1 5 西安理工大学硕士学位论文 以上比较评价了目前各种先进静止无功发生器控制器的设计方法，从中可以看出， s - i 煳旧0 m 控制器的设计还是不尽完善，还有待改进。 1 4 本文主要工作 根据以上的分析，针对目前d s t a t c o m 在实际应用中遇到的问题，结合国内外 最新研究成果，本文着重研究d s 姗o m 装置的研发与运行结果分析，并对现有控 制算法进行优化与改进。 本论文主要进行了以下的工作： ( 1 ) 阐述d s 汀c o m 的工作原理并建立其数学模型，为d s i c o m 装置的不 平衡系统控制研究奠定基础； ( 2 ) 通过不平衡电压的条件下d s l 肖r c o m 装置的运行情况，分析配电网电压产 生不平街的原因，选择合适的不平衡控制方法以及p w m 生成算法，并深入研究 s v p w m 在d 8 p 中的实现； ( 3 ) 通过实验验证装置在系统的运行性能； ( 4 ) 设计了基于d s p 处理芯片1 m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的d s t a t c 0 m 控制软硬件方案 6 第二章s t t c 嘲蓑置工作原理争谊制方法 2s n 盯c o m 装置工作原理和控制方法 2 1s 影虹c o m 的工作原理 目前，大部分的s t a t c o m 基本上都采用电压型逆变器( v o l t a g e 鲫瞄c d 酥懈自v s l ) ， 下面以基于v s i 的s 懈0 m 来说明其工作原理图2 1 为s 1 a r c o m 的原理示意图。 主电路如方框内所示，包括作为储能元件的电容和基于电力电子器件的v s i ，并通过连接 电抗器接入系统。其中r 。、x 。是系统的阻抗和电抗，r 。是s 1 m 0 m 所有损耗与连接 电抗l 的等值电阻，x ，是连接电抗l 和连接导线的等值电抗；u 。是系统的电压，u 。是 s 1 ：a t c 0 m 连接的节点电压。 图2 - ls t a t c o m 原理示意图 f 嘻2 le q i i v a | 朋t m o d e lo f s t a t c o m 把图2 1 的s 麟o m 等效为一个电压源u 经分析可知电压源u 。是一个无功电 源。厶u 是包括d s t a t c o m 的损耗在内的电压降。r 、x 是考虑了连接电抗损耗与 s t a t c o m 损耗的电阻电抗之和，那么其单相等效电路如图2 - 2 所示 r x u i u l o 图2 - 2 单相等效电路图 f g 2 2s i 甥l e l ，k 睇e q u i v a i e m 锄嘲血 根据基尔科夫电压定律则有： u l o + u = u ( 2 1 ) 电流i 的参考方向如图2 - 2 所示，但其实际方向是不定的，即电流i 可能由s 麟0 m 流 向系统( 电流超前) 也可能由系统流向s 黝矾：o m ( 电流滞后) 。那么由图2 - 2 及式( 2 1 ) 7 西安理工大学硕士学位论文 可得到它们的相量关系如图2 3 所示 ( a ) 电流超前 电流滞后 图2 3 s 姗o m 工作相量图 f i 量2 - 3v 酏断幽l g r a mo f s t a t c o m 其中6 是系统节点电压u l 与逆变器电压u 埔的相位差，是总损耗的阻抗角，值为 v 瓤嵋芸从相量图可知，当u i 。超前u l 角度6 对，s 1 ：a i o m 是向系统发生无功功率，当 u l o 滞后u 。角度6 时，s t a t c o m 是从系统吸收无功功率。由于s t a t c o m 装置产生的电 压阢。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 快速地调节，而吸收的无功功率大小由下一节的数学模型推导出来。 2 2s - i i a t c o m 的数学模型 为研究s t a t c o m 的数学模型，必须先研究其装置的动态行为。s 1 a 1 r c 0 m 是以电压 型逆变器为主题的鼢。c 1 1 s 设备，其在系统中的等值电路图如图2 - 4 所示图中甜。、 虬为系统侧电压，气、厶为d s 觥o m 三相输出电压，置。、耳表示连接变压器和 d s l ：觚0 m 的有功损耗，直流电容上的电压为c k 这里我们采用输入输出的建模方法 来建立s 删o m 装置的数学模型。首先，对s 础田) c m 装置作如下假设： ( 1 ) 将s 唧o m 装置中各种损耗及电阻包括开关器件( 如l g b t ，二极管等) 的 导通电阻用等效电阻r 表示，变压器漏电感及线路电感等用等效电感l 表示 ( 2 ) 由于本论文中s t a t c o m 装置开关频率较高，选择合适的连接电抗器能够有效 降低输出电压高次谐波，因此这里只考虑s 唧0 m 输出电压的基波分量而忽略谐波分 量。 8 圈2 4 d s 僦o m 装置等值图 晦2 41 kc h o 删鲫匝o f d s t a t c o m 基于上面所做的假设，可以得到s 似r c o m 装置总的输出电压为： 第二章s t t c 伽装置工作原理和控甜方法 = 足s i n 詈蛳耐一回 = k s i n 詈甜出s i n ( 耐一万一2 万3 ) ( 2 2 ) = 置s i n 詈s 砸耐一万+ 2 加) 其中k 为比例系数，万为s 可汀0 m 输出电压与系统电压的夹角，口为s ，i i a t c o m 采 用脉宽控制方式( p w m ) 的脉冲控制角。这里为了简化模型，认为装置采用固定的控制 角。即s j n 昙为一常数，并归到比例系数k 中。而系统三相电压为： z = 2 咖耐 ( d = 2 s i n 0 霹一2 石，3 ) ( 2 3 ) l l k ( d = 2 s i n ( 研+ 2 石3 ) 根据图2 - 4 ，可以列出s 1 a 1 0 m 装置的西c 三楣数学方程。 工竺磐； 一( ，) 一孟( ，) 讲 三壁 笋= ( r ) 一一五( f ) 三掣= ( r ) 一( ) 一越 ( 2 4 ) i三堡磐；恐蚴一d 一如s s i n 甜一r i 口( f ) 工警讹蚴一等毋帆蚴一争啦( ，) ( 2 5 ) l 工宅笋= 玩s i n ( 耐+ 等一刃一瓢蚴+ 争一聪( ，) 而直流电容电压的方程可以由能量关系得到： 鲁哇优( f ) ) = 也( r ) ( r ) + ( ，) ( f ) + 跳o 】 ( 2 6 ) 利用式( 2 2 ) 对式( 2 6 ) 化简可以得到： 考妒= 卜蝴哪毛( f ) 蚴一警椰毛( f ) 蚴+ 争羽组7 ， 因此s 咖o ：m 装置的数学模型为。 三旦字= 玩蚴一d 一轭玩斑耐一 ：摹= ：= ：季：三：盖= ：零二： 眨s ， 篱：= 翁：篙舞一叫。警一吾l s i n ( 耐一刃+ ( ) 蚴一等一刃+ 乞s i n + 等一国j 9 西安理工大学硕士学位论文 式( 2 8 ) 中有四个未知数和四个方程，只要已知s 1 ：a 托o m 装置的电流和直流电压 的初始值，通过求解微分方程即可求出各变量随时闯变化的规律但上述数学模型为时变 系数的微分方程，理论分析时比较困难，为此我们利用电力系统中常用的经典派克变换( 也 称d q o 变换，为线性矩阵变换) ，将时变微分方程变换为常系数微分方程。经典派克变换 的矩阵为。 嚼 竽警 ( 2 9 ) 黔嘲 qm 对( 2 8 ) 进行d q 0 变换得到s 咖o m 装置在d q o 坐标下的数学模型： 一墨国。一墨如艿 一m一墨。一墨螂占一m zo i 螂d oo一墨。 丝咖艿坚c o s 艿o o锄d c o s o u u l o “止 i o + 土l 凰 三lo lo ( 2 1 1 ) 由于本论文中s 姗o m 装置为三相三线制系统，三相电流之和为零，所以上述方程 中的岛始终为零，因此可以将该项去掉，即： 柑 ，二主，。：! 兰，二等三1 医 + 圭阵 。2 。2 ，叫 一兰一拿咖万| | 讣剖母i 仫m 芸s i n 万芸谢 o r 1 。 j 朋= 量k 一( f ) ，( f ) + 】 ( 2 1 3 ) l g ( ，) = 吾k 。( f ) 一蝴( r ) 】 一 屯矗 l d 一出 第二章s t t c 叫装王工作原理和控制方法 可以得到： 阱酣喜1 ， 置聋篡 垒盟；生丝：垒丝；o d lm d i ( 2 。1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) f 尸：辈s i n z 万 曼2 ( 2 1 7 l q = 筹如笏 旺1 ” 2 3s 1 i a t c o m 的控制方法 s t a t c o m 的控制通常可分为三个层次，器件级、装置级和系统级n ”。器件级层次 主要研究s t ：a t c o m 的电路拓扑结构和脉冲控制方法，并考虑精确到微秒级的电力电子 器件的关断与开通，通常称为脉冲控制系统级层次主要从电力系统的潮流与稳定等宏观 角度来探讨s 眦o m 的运行，视其为可快速平滑控制的无功( 电流) 源，进而设计控 制规律，达到提电网运行性能的目标。装置级层次作为前两者问的桥粱，研究从脉冲控制 结果到系统无功电流需求之间的模型与控制问题，即探讨s d 叮c o m 无功输出电流与脉 冲控制角之间的关系，进而设计一定的控制规律使得装置能较好地跟踪输出从系统角度提 出的无功电流需求在实际的工业装置中，三个层次的控制可能会有一定程度的交叉和整 和，特别是脉冲级和装置级控制经常整体设计“1 。本文所探讨的控制则属于系统级的范 畴。 s 删o m 装置级控制的目标是：根据系统控制提出的无功功率( 电流) 需求，即参 考值，产生对应的脉冲控制角，使s 1 i a l r c 0 m 的无功输出能快速跟踪参考值变化。因此， 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 控制或者两者相结合的控制策略。而外闭环反馈控制量和调节器的选取也应该根据补偿器 要实现的功能来设定例如我们要提高系统功率因数时，控制系统可以采取开环控制，对 负荷无功功率进行完全补偿；而要实现调节系统电压功能时，控制系统则需要采用系统电 压的外闭环反馈控制，设置电压调节器，如果还要附加其他补偿功能，则可以另外附加闭 l l ：芝箩羔乏攮觥熵 椰渤圳茹蒜黼妊 1 洲口攮觥觚畎胁 第二章s t t c 叫装王工作原理和控制方法 而在式c 2 - 1 7 ) 所示的s 麟o m 输出的无功功率公式中，由于s 础0 i m 的等效电阻r 的值很小，而u s 的值很大，艿值很小的变化都会引起s 麟o m 很大的无功输出。因此 s 撇o m 在实际的运行中，艿都是在绝对值很小的范围内变化。所以可以通过控制占来 在较大范围内控制s 1 o m 输出的无功电流。 通过以上分析，我们可以得到最简单的电流间接控制方法汹1 ；即将我们想要补偿的 无功电流的参考值切作为指令值，通过公式( 2 1 8 ) 变换得到占的值，然后用占来控制 s 1 o m 变流器的触发脉冲，使s 髓t c o m 交流侧输出的电流值跟随参考值动态变化。 其示意图如图2 6 和相关波形如图2 - 7 ： j 斗匡亟母吐匦塑 岖亟耍弘 图2 百控制方法示意图 f i 9 2 - 6s 虹嘧m 印o f c o 曲啊m e l h o d 图2 7 电压电流波形 f j 晷二 s b 髓m 印o f c o 咖im e 血o d 在波形圈中。搿为s 1 煳c o m 接入点处系统的相电压，材f 为s 1 c o m 变流器桥式 电路经触发后在交流侧形成的相电压，其幅度与直流侧电容电压值成一定比例关系，而 则是8 懈0 m 吸收电流中的基波分量 如果在上述方法中，对s t ： t c o m 吸收的无功电流( 或无功功率) 进行反馈控制， 即加入p i 调节器对其进行控制，产生的万值控制s 删0 m 的脉冲触发这样对无功电 流的控制精度和响应速度都将得到显著提高。然而这种常规p i 控制用于s t a t c o m 有一 个根本的问题，即由于电力系统的非线性时变性质难以找到一个在全局范围内均适用的优 化的调节参数。而通过反馈线性化的方法将非线性系统变换为线性系统，然后再以线性系 统理论完成对控制器设计的方法简单易行，可使控制器的适应性在大范围内得到改善1 基于s 咖0 m 稳态模型的逆系统p i 控制系统如图2 _ 8 所示该方法是常规p i 控制方法 的改进，对s t a t c o m 输出的无功功率采用逆系统非线性p i 方法，瓦由式( 2 1 9 ) 实时计 算得出由于以对吒的动态调节作用，逆系统p l 控制具有比常规p i 控制更快的响应速 度。 1 3 西安理工大学硕士学位论文 图2 - 8 单艿逆系统p i 控制框图 f i 舀2 8b l o c kd i a i 卵mo f s h l g l e 艿m v 锄掣嘲m 蚰n o l 2 3 2 电流直接控制 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 相当于一个受控电流源，其工作原理如下所示t 圈2 - 9 采用p w m 技术的电流直接控制 f i 昏2 - 9d i 雠“舢豫j mc 仰昀1w i 血p w mt h l o 在该控制方法中，引入d q o 坐标系统。其中，。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 咖o m 交流侧应该吸收的无功电流( 指令电 流的交轴分量) 直流侧电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 反馈控来实现，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 1 煳o m 应该吸收的有功电流( 指令电流的直轴分量) 。对s 1 炎r c o m 交流侧电流 的控制可以通过闭环反馈来实现1 ，s t ：f 哦o m 交流侧三相瞬时电流经过滤波电路和检 涸电路之后，将其瞬时值转换到d q o 坐标系统，分别得到直轴和交轴分量j 。和，。，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，得到s t a t c o m 交流侧电压 的直轴分量【和交轴分量醵。将以、玩反变换为三相交流量作为调制信号送入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 托o m 变流器桥式 电路的各桥臂，这样，在s 1 翘o m 的交流侧裁会得到我们需要的补偿电流。 在该控制方法中，由于引入了d q o 坐标系统，指令电流值和s 田。0 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 控制。s 姗0 m 采用电流直接控制方法后，由于直接对s 姗0 m 吸收电流的瞬时值 1 4 第二章s t t c 似装王工作原理和控制方法 进行了跟踪控制，而不像间接控制方法中那样，通过艿这个中间环节，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 1 朋o m 的工作特性更像一个受控电 流源。由于采用了p w m 技术，因此要求变流器的i g b t 等全控型器件有较高的开关频率， 这对目前较大容量的s 姗o m 来说还难以做到，另外，较高的开关频率也引起较大的 开关损耗，这是其不足的地方1 。 西安理工大学硕士学位论文 3 系统不平衡条件下d s t a t c o m 的运行分析与控制 d s l 舡o m 作为一次侧设备直接与系统相连，其与电力系统之同能量的交换是通过流 经变压器漏抗的电流来实现的。实际运行中，各种原因均可造成电力系统的不对称，特别 是在系统故障时，不对称故障高达9 0 以上。各种不对称造成的最终结果是在装置的端 口出现不对称的三相电压。作为电力电子装置，装置对系统不对穆的表现比传统电磁元件 更为敏感，极易出现过流和过电压现象，为了防止其遭受损害，不得不使装置停止工作甚 至退出系统。而在系统不对称特别是故障情况下，更需要无功以维持系统电压，提高系统 稳定性n ”因此，从理论上和实践中解决d s t a t c o m 在不对称条件下的正常运行，是 其研究领域面临的重大问题，也是关系到d s t ：a 0 m 能否大规模投入工业应用的关键 以下将从系统不平衡产生的原因入手，并分析d s t a t c o m 装置在系统不平街条件的运行 状况 3 1 系统不平衡产生的原因 所谓系统不对称是指电力电子装置与电网连接处的电网电压不对称目前，造成系统 电压不对称的原因主要有以下几个方面拍： ( 1 ) 在配电网上三相负荷不平衡造成的三相系统电压不对称。 在负荷配置时虽然考虑到三相负荷的平衡，但由于负荷变动的随机性造成电网三相不 平衡 ( 2 ) 大容量单相负荷的使用 如由电气铁道牵引变压器供电的电力机车为大容量单相负荷，对三相电网而言为不对 称非线性波动负荷。 ( 3 ) 不对称故障和非全相运行 电网出现二相、二相对地、单相故障期间，单相故障在重合闸期间或者输电线非全相 运行时均造成系统三相不对称。 ( 4 ) 非全换位输电线或紧凑型输电线造成系统不对称 输电线由于客观原因不能完全换位或新型的紧凑型输电线使三相输电线参数不一致， 造成三相系统不平衡 总之，系统不对称是现实中普遍存在的事实，大多数电力电子装置通常均在系统电压 不对称的条件下运行，只是这种不对称较小，还没有达到危及装置正常运行的程度，因此 人们往往忽略了或者没有注意到。 3 2 系统不平衡对d s 皿订c o m 装置的影响 当系统发生电压不对称时，d s 汛1 0 m 连接点的系统电压也变得不平衡，此时可以 用对称分量法分解出正序、负序和零序电压分量。装置的主电路采用三相三线制结构，这 样零序分量电流无法通过，因此在分析的时候忽略系统的零序电压分量对装置的影响图 第三章s v 刑调制原理爰其在d s t t c 似装置的应用 3 1 为系统不平衡时各序电压分量作用的等效电路图 甜；k 觇 lr 甜； 卜吨 甜三姑_ l 圈3 1 系统不平衡时d s 髓“) o m 装置的各序通路圈 f i 昏3 - ld i 丑卯匝o f 删疆觚o m 缸鞴q u t m d 盱珊蛔l 艄c 沁衄l 罩细嘲 设系统电压正序分量有效值为“，负序分量有效值为，并定义系统负序电压含量 为； 髟= 睾1 0 0 ( 3 1 ) 因此，在系统电压负序含量为j 时流过d s 口田m 中的负序电流大小为t 厶；1 丝丝 ( 3 2 ) 。 置2 + x 2 通常d s 7 i 猢陀0 m 的阻抗z