（电力系统及其自动化专业论文）静止式动态无功补偿器statcom拓扑结构研究.pdf

矿 j j t h es t u d yo nt h et o p o l og y o fi g b t b a s e ds t a t c o m d i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt o s h a n g h a ij i a ot o n gu n i v e r s i t y i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t f o rt h ed e g r e eo fd o c t o ro fe n g i n e e r i n g b y y a og a n g ( e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g ) d i s s e r t a t i o ns u p e r v i s o r ：p r o f c h e nc h e n m a r c h ，2 0 0 6 1 k ， ，以。0 1 j 、 j 上海交通大学 学位论文原创性声明 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。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 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： 硼镯 日期：扣多年3 月二日 、 l ， ， ，- - 上海交通大学 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。本人授权上海交通大学可以将本学位 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。 保密眵，在土年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“ ) 学位论文作者签名：匀7 7 1 彩冠 指导教师签名： ) e 兹f 盘 日期：参妇锌弓月，2 日 日期：函。年夕月- 2 日 p ， - l ， 上海交通大学博上学位论文 静止式动态无功补偿器( s t a t c o m ) 拓扑结构的研究 摘要 九十年代以来电力电子器件开始新的飞跃，从而电力电子技术在电力系统中的应用- - 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 mf a c t s ) 技术得以大规模发展，其 中静止无功补偿器( 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 ) 是一类新型电力系统动 态无功补偿装置。 已有的s t a t c o m 大多采用可关断晶闸管( g a t et u r n e do f ft h y r i s t o r g t o ) 作为功 率转换元件，绝缘桐双极晶体管( i n s u l a t e dg a t eb i p o l a rt r a n s i s t o r i g b t ) 新型功率转换 元件发展至今已经更适合于中等容量等级s t a t c o m 的功能实现，本文专题研究基于 i g b t 的配电网用s t a t c o m 装置。 本文在完成上海市教委重点学科项目“高级静止无功发生器的研究”的基础上( 2 0 0 5 年教育部科技进步二等奖) ，对s t a t c o m 装置进行了系统而又全面的分析和研究。主要成 果归纳如下： 本文在针对基于电压源逆变器( v o l t a g es o u r c ei n v e r t e r v s i ) 拓扑结构v s i s t a t c o m 进行系统理论分析和研究的基础上，提出基于单相曲折变压器四重化结构的i g b t 型 v s i s t a t c o m 拓扑结构，通过全面的数学建模、数字仿真和动态模拟实验，验证了该新型 拓扑结构的可行性；针对多重化或链式结构v s i s t a t c o m 装置控制的复杂性，提出了一种 新型p w m 脉冲专用控制器，其控制精度达到了0 0 0 6 。；通过引入“基于1 6 工频周期和 非线性目标参数跟踪+ 逆系统p i 控制相结合的控制策略 ，使得装置无功功率动态响应时 间达到理论分析水平，约为3 0 m s 。 本文在对3 8 0 v l o k v a r 基于单相曲折变压器四重化结构的i g b t 型v s i - s t a t c o m 进 行性能优化的仿真和实验的基础上，总结了若干全面提高v s i s t a t c o m 运行性能的关键性 技术，主要包括：拓扑结构的优化、动态性能的提高、输出谐波的消除和不对称运行能力 等。 分析了典型的电流型双向换流器( c u r r e n ts o u r c ei n v e r t e r - - c s l ) 的工作原理，并对 c s i s t a t c o m 进行数学建模和数字仿真，并就其拓扑结构、动态性能和输出谐波进行详细 的理论分析。针对c s i - s t a t c o m 数学模型的控制复杂性，提出一种基于线性化模型的改进 控制策略，并通过新型控制器状态方程的构造，有效降低了c s i - s t a t c o m 装置的控制复杂 性；根据c s i s t a t c o m 装置的运行性能，首次提出了“基于p a m + p w m 调制方案的非线性 目标参数跟踪+ 逆系统p i 控制相结合的控制策略 ，有效提高了c s i - s t a t c o m 装置运行稳 摘要 定性、动态特性并极大地降低了装置的功率损耗。本文在针对c s i s t a t c o m 运行特性全面 分析的基础上，总结了提高c s i s t a t c o m 装置性能的若干关键技术，为大容量c s i s t a t c o m 装置的设计和运行提供了必要的理论依据。 根据v s i - s t a t c o m 和c s i s t a t c o m 运行性能的综合对比，本文归纳了两种拓扑结构优、 缺点和各自的应用场合。将两种拓扑结构的性能综合，提出双逆变器结构( c s i + v s i ) 的 静止式动态无功功率补偿器i t a n d e ms t a t c o m 。完成对t a n d e ms t a t c o m 装置的理论分 析，并针对c s i + v s i 结构的基于三相双向逆变全桥拓扑结构和基于单相逆变h 拓扑结构 的t a n d e ms t a t c o m ，分别进行数学建模和数字仿真，并对其拓扑结构和控制策略进行深入 研究，为m v a r 级别的t a n d e ms t a t c o m 的设计提供理论支持。 关键词：电力系统，灵活交流输电系统( f a c t s ) ，静止式动态无功补偿器( s t a t c o m ) ， 高级静止无功发生器( a s v g ) ，电压源逆变器( v s i ) ，电流源逆变器( c s i ) 、 1 ， j 目录 目录 摘要i a b s t r a c t 目录v 第一章绪论1 i 1电力系统无功补偿的发展和现状i 1 2静止式动态无功补偿器的概念与分类3 1 3本文的研究意义和主要工作4 第二章v s i - s t a t c o m 的研究8 2 1v s i - s t a t c 伽的概念8 2 2v s i s t a t c 删数学模型的建立9 2 2 iv s i s t a t c o m 装置的数学模型的建立9 2 2 2系统电压平衡时v s i s t a t c o m 的稳态运行分析1 3 2 2 3v s i s t a t c 叫装置的稳定性分析1 4 2 2 4v s i s t a t c 例装置的动态特性分析1 6 2 2 5v s i s t a t c 0 l i 装置参数选取分析1 7 2 3基于三相逆变全桥拓扑结构v s i s t a t c o m 的研究2 2 2 3 1三相逆变全桥拓扑结构v s i - s t a t c o m 数学建模和稳定性2 2 2 3 2三相逆变全桥拓扑结构v s i s t a t c o m 的控制策略2 3 2 4基于单相逆变h 桥链式拓扑结构v s i s t a t c o m 的研究2 4 2 4 1链式v s i - s t a t c o m 基本拓扑结构及其数学建模2 5 2 4 2链式v s i s t a t c o m 的稳定性和动态特性分析2 8 2 4 3链式v s l s t a t c o m 直流侧电压平衡控制策略2 9 2 5基于单相曲折变压器多重化结构i g b t 型v s i - s t a t c o m 的研究3 0 2 5 1基于单相曲折变压器四重化i g b t 型v s i s t a t c o m 拓扑结构3 l 2 5 2基于单相曲折变压器四重化i g b t 型v s i s t a t c o m 的装置设计3 7 2 5 3基于单相曲折变压器四重化i g b t 型v s i s t a t c o m 的数字仿真和动态模拟实验4 5 2 6提高v s i - s t t c o m 运行性能关键技术的总结5 2 2 6 1v s i s t a t c 伽的拓扑结构的改进5 2 2 6 2v s i s t a t c 伽的动态性能的提高5 4 2 6 3v s i s t a t c o m 的不对称运行能力5 5 2 7小结5 8 第三章c s i - s t a t c o m 的研究6 0 3 1c s i - s t a t c 伽的概念6 0 3 2c s i 书t a t c 伽数学模型的建立6 l 3 2 ic s i s t a t c o m 装置暂态数学模型的建立6 l 3 2 2c s i s t a t c 伽装置稳态运行分析6 2 3 2 3c s i s t a t c o m 装置线性化暂态数学模型6 3 3 2 4c s i s t a t c o m 装置的稳定性分析6 5 一v 一 上海交通大学博士学位论文 3 3 c s i - s t a t c o m 的控制策略研究6 5 3 3 1基于p a m 调制方案的控制策略6 6 3 3 2基于p w m 调制方案的控制策略6 6 3 3 3基于p a m + p 删调制方案的非线性目标参数跟踪+ 逆系统p i 控制策略6 7 3 3 4基于线性化状态方程的c s i s t a t c o m 控制器设计6 9 3 4c s i - s t a t c 伽装置的相关仿真研究7 1 3 5提高c s i - s t a t c o m 运行性能关键技术的总结7 4 3 5 1关于提高c s i s t a t c o m 装置输出容量的关键技术7 4 3 5 2关于提高c s i s t a t c o m 装置运行稳定性的关键技术7 5 3 5 3关于提高c s i s t a t c o m 装置动态特性的关键技术7 6 3 5 4关于降低c s i s t a t c o m 装置功率损耗的关键技术7 6 3 6小结7 6 第四章新型t a n d e ms t a t c o m 的提出和研究7 8 4 1v s i - s t a t c o m 与c s i - s t a t c o m 的对比分析7 8 4 2新型t a n d e m s t a t c 伽的概念提出7 8 4 3 新型t l v d e ms t a t c 伽的工作原理、数学建模和仿真研究8 0 4 3 1 基于三相全桥逆变拓扑结构的t a n d e ms t a t c o m 8 l 4 3 2 基于单相逆变h 桥拓扑结构的t a n d e ms t a t c o m 9 2 4 4结论1 0 4 第五章全文总结1 0 6 参考文献1 0 9 附录1 1 5 1 改谢1 1 8 攻读博士学位期间发表的论文、奖励及参加的科研项目1 1 9 一一 上海交通人学博上学位论文 第一章绪论 1 1 电力系统无功补偿的发展和现状 自从电力系统诞生以来，无功功率补偿措施在电力系统中得到广泛的应用，有效地提 高了电力系统运行稳定性，并取得了可观经济效益【1 1 6 1 。目前常用的无功功率补偿方法除了 用发电机作为无功功率电源外，还有其它多种无功功率补偿方式，即： 用同步发电机、同步调相机等旋转发电设备构成的旋转式无功功率补偿装置。 用调压变压器或改变变压器分接头进行电压调节，这属于无功功率重新分布。这种调 压措施不能产生无功功率，只能调节无功功率的分布，因此当整个系统无功功率不足 时，该措施并不能提高整个系统电压水平。 用静止的并联补偿电容器、并联电抗器或两种方式相互结合的静止无功功率调节设备 构成的静止式无功功率补偿装置。 用串联电容补偿进行无功功率补偿或电压调整是通过改变网络参数达到调压的目的。 这种方式主要应用于中、低压配电网络( u s 输出电流超前系统电压工况 u t l u 窑 园j 确 u fu s u s 1 r f 岛 c u i 。，则厂q ) 。显然，q ) 为单调增函数， 则特征方程的另外两个解是具有负实部的一对共轭复根，定义为 和赴。因此可以判 断该系统具有正阻尼，系统渐进稳定。 把a 一一妻代入到厂( a ) 可得厂( 一i r ) = 一旦x ，同时由于x 尺，因此可认为厂( 一i r ) 一。 显然可以判断在a 一一量的附近必然存在特征方程的实根解九，因此可设存在参数 g o e ( o ，1 ) ，使得厂( 一r ；o 。由于解特征方程存在一定的难度，为此本文对其求近 上海交通人学博士学位论文 似实根解，因此式( 2 2 7 ) 变为：q + 妻) 2 a + ( 1 + t x cm + r x x 2 c 一。由于x r ，则 当a 在专附近变化时存在着卜驯i ( 1 + 和+ 等l ，所岍+ i r n 可以忽 略，因此可得扯嚣。叁， 比一妻更接近实根解，不妨设 九一一手精。量，则妫a 主瑞。至于具有负实部一对共轭复根同样采用近似 求解的方法求解，并求得共轭复根为a i , 2 - ( 1 一了k 07 i r ，1 + 睾。 根据2 可知，在频率1 + 等附近存在着谐振现象，但是该振荡现象是阻尼衰减的。 装置的阻尼性能与装置等效电阻f i , 正比关系。为了减小v s i s t a t c o m 装置振荡现象， 应合理配置并网电抗器和直流侧电容容量，该谐振频率应大于系统运行频率和装置逆 变部分的开关频率。 2 - 2 4v s i s t a t c o m 装置的动态特性分析 由于式( 2 2 7 ) 存在一个实根和两个具有负实部的共轭复根， 常数仅取决于第一个实根。动态响应时间常数为： 卜1 f f i ( 1 + 争簧 因此装置的动态响应时间 ( 2 2 9 ) 根据式( 2 2 9 ) j 分秒r 得知动态啊应时1 日j 帚毅与谷参毅阴天系： x c x ( 气较小) 时，存在( 1 + 毒) 一1 ，则z 一妄，即时间常数仅取决于 v s i - s t a t c o m 装置的等效电阻届和并网电抗丘而与直流侧电容几乎无关，在这种工况 下装置的动态响应时间和刀呈反比关系，与j 呈j 下比关系。而当 z 而非x c x ， 则( 1 + 争) 对动态响应时间的影响就不可忽略，显然直流侧电容容量选取得越大，则 a ， 动态响应时间越大。因此为了提高装置的动态响应速度，应合理选择直流侧电容容量。 x c x ( 较大) 时，存在( 1 + 争) 1 ，此时装置的动态响应时间将变得很大， a ， 第二章v s i s t a t c o m 的研究 这对于装置动态特性产生极端不利的影响，尤其对于采用p a m 调制运行方式 v s i s t a t c o m 的影响较为严重，为此该类型装置往往需要采用强大的直流电压控制策 略或采用p w m 调制方式来降低其不利影响。 2 2 5v si - s t a t c o m 装置参数选取分析 v s i - s t a t c o m 装置参数的选取主要在于直流侧电解电容容量选取和装置并网电抗器选 择。这两个关键部件的正确选取对于装置的动态特性、稳定性和装置成本等方面有着重要 影响。因此，本章节主要针对就如何提高v s i - s t a t c o m 装置的运行稳定性和动态特性等方 面，选取直流侧电容容量和并网电抗器的方法进行理论分析，并为3 8 0 v l o k v a r v s i s t a t c o m 装置的研究和实验原型装置的开发提供依据。 2 2 5 1 直流侧电容容量的选取 在三相平衡电力系统中，当三相v s i - s t a t c o m 的直流侧采用同一组电容的拓扑结构时， 无功功率在三相电源之间相互转移，因此直流侧电容主要对直流侧电压起支撑作用，一般二 不存在和直流侧能量交换的过程，因此在三相v s i s t a t c o m 装置中直流侧电容容量可根据 实际需求选择较小的数值。 直流侧电容电压1 4 如由直流分量比出和交流分量u d c 组成。稳态运行时，u d c = u d c ， 一_ c d u ，d c 。：i d c 。当电力系统电压平衡时，直流侧电容电流蔬是由逆变设备各功率开关切换时，。 以f 直流侧与系统之问的能量交换而引起的；当电力系统电压不平衡时，f 如中又包括二倍频的 交流脉动分量。而当装置处于暂态调节过程中时，直流分量u 如也随之产生一暂态波动电压 z l 血，因此在暂态调节过程中存在“如= + 。根据装置输出电压、电流的谐波特性 要求和装置元件耐压水平的限制，在v s i - s t a t c o m 直流侧电容容量的选取应能使交流分量 u 如和暂态波动电压l l 如尽可能小。而直流侧电容容量的选取能够直接影响上述参数幅值大 小，因此本文进行以下分析。 1 交流分量u 础与c 的关系 由于装置在三相电压平衡的电力系统中运行和在三相电压不平衡电力系统中运行时， 直流侧电容容量选取不一样，因此本文分别对电力系统三相电压平衡和三相电压不平衡时 进行分析。 先分析电力系统三相电压平衡工况下，v s i s t a t c o m 装置直流侧电容容量的选取。 上海交通人学博士学位论文 根据瞬时功率理论，在稳态运行时直流侧电容与电力系统之间的能量交换为交流分量 p 。，而直流侧电压交流分量五出由；引起，并且；= - 琵，根据上述分析可知乙是由各单 相逆变h 桥交替与直流侧电容进行能量交换形成的。图2 - 5 给出了乙、；和二出之间成因 关系波形图。 图2 - 5 如、p 和h 出之间成因关系波形图 f i g 2 - 5t h ef u n c t i o nr e l a t i o n so ff 如，p a n dh 如 根据图2 - 5 所示，k 和；都是周期为t 的函数，装置在0 - - 一t 2 时间段内直流侧电容 从系统吸收能量，t 2 - - - - t 时间段内直流侧电容向系统反馈能量。根据不同的拓扑结构，能 量交换周期t 的表达式也有所不同，本文以单相曲折变压器n 重化v s i s t a t c o m 为例进 行说明，由于n 重化结构的v s i s t a t c o m 装置在一个工频周期内有6 n 次直流侧能量交 换的过程，因此有z = 百2 0 m s ，以弧度来表示则岛= 旦3 n 。6 在一个能量交换周期内，直流侧电压的交流分量比如存在两次波动，并恢复到其初始值， 根据图2 - 5 可知，在0 一- - t 2 时间段二如由一波动到+ ，而此阶段直流侧电容吸收的 能量为厩 缈一f 胆u d j d c d t 一警f 胆d 口 其中：口t 们 ( 2 3 0 ) 如果装置允许其直流侧电容电压在一f 到+ s 之间波动，则： 一三c 吼+ e ) 2 一三c 瓯一u r i c ) 2 ( 2 3 1 ) 一c e 【，乏 结合式( 2 3 0 ) 和式( 2 3 1 ) 可知o ，；乩 第二章v s i - s t a t c o m 的研究 c 。芷翌 ( 2 3 2 ) 2 e w u d c 在v s i s t a t c o m 装置实际运行中，如类似于图2 5 所示的三角波波形，因此本文把该波形 近似等效为稳态时直流侧电容电流f d c 的波形，所以： 1 万r c 。2 盟：。 型墨 ( 2 3 3 )l l 一置一 厶o o 2 e w u , 虻2 4 e w n u 出 其中：l 为装置各单相逆变h 桥输出电流的最大幅值。 当系统三相电压不对称时，v s i - s t a t c o m 装置的输出电流将会发生不平衡现象，装置 正常调节时某相电流超过装置设置的最大输出电流幅值的时候，装置将受限运行在该限制 点，而其它相电流显然没有达到同样的限制值，这意味着装置的输出特性降低了，而装置 为了达到额定输出功率，就必须提高装置本身的最大输出容量。这样的系统电压不平衡， 将会在v s i - s t a t c o m 装置直流侧电容电压中产生l o o h z 的脉冲电流，不妨也可认为该l o o h z 的脉冲电流为倍频的正弦波形，脉冲电流幅值为长m ，因此式( 2 3 3 ) 则变为： c ；墨! ：竺。墼3 4 ， 2 e w u , 缸w u 乞 其中：u ，为v s i s t a t c o m 装置输出线电压有效值，l 为装置输出电流有效值的限幅，一 般情况下该值取为装置输出额定电流，。的1 2 0 。 因此在v s i - s t a t c o m 装置的设计中，装置直流侧电容容量的取值应介于式( 2 3 3 ) 和 式( 2 3 4 ) 之间，由于往往需要考虑到装置运行在三相电压不对称的电力系统中运行， 因 此装置的直流侧电容容量一般由式( 2 3 4 ) 所决定。 2 暂态波动电压血出与f 的关系 由于暂态波动电压血出是v s i s t a t c o m 在暂态调节过程中产生的，因此该分析应基于 暂态数学模型进行。在分析前不妨假设系统电压以在装置调节过程中不发生变化，因此 在对暂态波动电压“出分析的时候，可以忽略该参数的影响；并假设当前工况是装置暂态 调节前，装置运行功角万= 0 ；由于系统等效阻抗一般较小，则忽略系统等效阻抗见 由于v s i s t a t c o m 装置在暂态调节过程中，直流侧电容电压发生血出的变化，此暂态 上海交通大学博：i ：学位论文 过程中与系统发生了能量交换，因此根据式( 2 1 6 ) 可得： 柑 ow 竺 l w0 0 一竺oo c 针丢 ( 2 3 5 ) 当v s i s t a t c o m 装置细微地调节其输出无功功率时，屯，瓴，l l 如亦适用于式( 2 3 5 ) ， 因此式( 2 3 5 ) 可变为： 去褂 对其进行拉氏变换可得： ow 墨 三 w00 一竺oo c sw 一墨 ws0 竺os c 解方程( 2 3 7 ) 可得： 褂 阱丢1 1 汜3 6 ， 褂制 一生苎 l s2 + w ； ! 丛生1 9 w o l s2 + w ； k u s w o ： ：- - - - ：- - - - - 一 w o l c s2 + w ； 对其进行反拉氏变换可得： 阱 一争c 。sw 工 ” 堕s i nw 。f w o l ” 壑l s i i l nw 。，t - = 一c l l ， w o l c ” ( 2 3 7 ) 舯：孵 亿3 8 ， ( 2 3 9 ) 显然当装置进行暂态调节时，直流侧电容电压等幅高频振荡，其中f 越大，振幅越小， 振荡频率越低，在实际运行中由于装置损耗的存在，该振荡过程是一个阻尼衰减过程。在 电路设计的时候，为了防止装置各单相逆变h 桥的开关过程和电力系统发生谐振，往往要 第二章v s i - s t a t c o m 的研究 求振荡频率远大于系统运行频率和装置各单项逆变h 桥的开关频率。 2 2 5 2 装置并网电抗器的选取 v s i - s t a t c o m 装置并网电抗器石的设计对于装置性能的影响是至关重要的，结合装置 动态性能的要求和装置成本问题的考虑，本文对并网电抗器容量和数值的选取进行了以下 分析。 1 j 对v s i - s t a t c o m 装置容量的影响 当忽略装置损耗时，装置与系统之间的无功功率q 交换为： q ：u s ( u , - u s ) ( 2 4 0 ) v n 工 上式若用标么值表达，可得：u 。1 + 也q 。q 在【1 ，+ l 】之间变化，当装置满额发出无功 功率时，即q = i ，则有u = 1 + 邑，显然t 越大，则要求v s i s t a t c o m 装置逆变器输出 电压越高，即要求v s i s t a t c o m 设计容量越大。从降低v s i s t a t c o m 装置设计成本的角度 来考虑，该并网电抗器应尽可能的小。 2 j 对v s i - s t a t c o m 装置并网点电压和电流谐波含量的影响 一般来讲电力系统电压为纯正弦基波电压，而v s i - s t a t c o m 装置的输出电压中往往存 在谐波分量，不妨假设装置输出电压中存在7 次( n 1 ) 谐波电压分量，则该1 7 次谐波含量 与系统之间的等效连接图如图2 6 所示。 h l ( n w t ) x x l i 卜一卜鼍竺，l j 几一i i ，( n w t ) 图2 - 6 第1 次谐波含量与系统之间的等效连接图 f i g 2 - 6t h ee q u i v a l e n tc i r c u i tb e t w e e nt h en t h h a r m o n i cs o u r c ea n d 鲥d 显然，装置并网点a 处的谐波电压由装置输出电压中的谐波电压含量、装置并网电抗 器x 和系统线路等效电抗五等所决定该第n 撕皆波电贼达式为矗删f ) ，可以 看出装置的并网电抗器j 的值越大，装置并网点的谐波电压含量越小。 上海交通人学博上学位论文 3 j 对v s i - s t a t c o m 装置动态特性的影响 根据章节2 2 4 分析可知，装置的暂态响应时间为r ；( 1 + 毒) 簧。显然装置的动态响 应时间t 随着j 的增大而增大，反之随着其减小而减小。为了体现装置快速的动态性能， 并网电抗器j 的取值应尽量降低。 4 j 对v s i s t a t c o m 装置运行在三相不对称电力系统时的影响 根据文献【9 9 】， 1 0 0 ， t 0 4 等可知，石取值越大，越有利于系统三相电压不平衡时 v s i s t a t c o m 装置的稳定运行。 在v s i s t a t c o m 装置实际运行中，为了兼顾到装置的动态性能、输出谐波含量、装置 的不对称运行能力、装置的额定容量和装置成本的问题，j 的取值一般不能太大，取值范 围为系统短路容量的1 0 - - - - 2 0 。 2 3 基于三相逆变全桥拓扑结构v si - s t a t c o m 的研究 由于三相逆变全桥结构的容量较其它拓扑结构的容量相比较要小很多，在实际应用中 该类型拓扑结构v s i - s t a t c o m 的容量一般小于1 m v a r ，因此基于三相逆变全桥拓扑结构 v s i s t a t c o m 往往应用于电力系统配电网络中进行动态无功功率补偿，即用户电力技术 ( c u s t o mp o w e r ) 中的d s t a t c o m 。目前，图2 - 1 a 、b 、c 所示的应用于配电系统动态无功功 率补偿的三相逆变全桥拓扑结构应用较为广泛。 2 3 1 三相逆变全桥拓扑结构v si - s t a t c o m 数学建模和稳定性 本文以图2 - t a 所示的三相三线制v s i - s t a t c o m 为例进行数学建模和稳定性分析，发 现该三相逆变全桥拓扑结构的数学模型与一般意义的v s i s t a t c o m 数学模型基本一致，其 中只有直流侧电压调制比k 有所差异，即假设条件( 2 1 0 ) 应变为： 卧 阮万- p l s i n 妨a 】 汜4 t ) 因此式( 2 1 4 ) 可变为： dh 瓦叶 k 一 = = 一c o s 6 3 l k 。 r s i n d 3 l 0 ( 2 4 2 ) w 净 ? 矿 第二章v s i s t a t c o m 的研究 当引入标么值概念时，由于基值的选取原则相同【圳，因此三相三线制v s i s t a t c o m 在标么 值系统下的数学模型与式( 2 1 5 ) 一致，因此标么值系统下该拓扑结构的数学模型为： 告褂 尺 x - 1 1三麟6 x 一旦! 血6 xx - x c 0 0 s 6 - x c s i l l 6 0 ( 2 4 3 ) 根据章节2 2 3 分析可知，基于三相三线制拓扑结构的v s i s t a t c o m 在任一稳态运行 点是渐进稳定的，而且该过渡过程主要由装置的等效电阻和并网电抗器的参数所决定，具 体的过渡过程时间可根据式( 2 2 9 ) 分析所得。 2 3 2 三相逆变全桥拓扑结构v s i - s t a t c o m 的控制策略 目前应用于电力系统动态无功功率补偿的静止式动态无功功率补偿设备主要分为以 下两种：一是适用于大型输电网络大容量、高电压的，并具有维持和控制节点电压、阻尼 电力系统振荡、提高电力系统动态特性和提高电力系统暂态稳定性及静态稳定性等功能的 s t a t c o m ；二是适用于配电网络小容量、低电压的，并具有向电力系统用户提供较高电 能质量功能的d s t a t c o m 。根据目前我国电力系统关于电能质量的国家标准【1 0 5 】可知，相铲 对于s t a t c o m 而言，d s t a t c o m 应具有更灵活的拓扑结构、更快速的动态特性、更优 越的输出特性和更低廉的装置成本等特点，因此，d s t a t c o m 对装置的开关频率和动态 响应速度要求更高。目前以具有三相逆变全桥拓扑结构为代表的v s i s t a t c o m ，恰好符 合了上述要求，其开关频率一般可以达到数k h z 甚至数十k h z ，动态响应时间往往能够小 于2 0 m s 。 对于d s t a t c o m 的控制策略目前存在两种方案：间接功角控制策略和直接电流控制策 略。其中间接功角控制策略主要通过逆系统p i 控制器调节装冕运行功角和直流侧电压调 制比，利用p 1 j i m 技术对控制目标的瞬时值进行反馈控制；直接电流控制策略：采用适当的 参考电流检测方法检测出补偿电流指令，利用p 1 l m 技术对补偿电流的瞬时值进行反馈控制。 目前，这两种控制策略都得到了较为广泛的应用，但是无论采用哪一种控制策略，它们都 是建立在高频p w m 技术和瞬时功率理论对控制目标进行反馈控制，图2 7 a 为间接功角控 制策略的基本框图，图2 - 7 b 为直接电流控制策略的基本框图。 两种控制相比较而言，直接电流控制策略具有更快的动态响应速度和更高的控制精 度，其应用前景较为广泛，尤其是空间矢量p w m 调制方法的引入，使得三相逆变全桥拓扑 结构v s i s t a t c o m 在大大降低装置开关频率后，控制性能尤为突出【1 呱册。 0 0 1 一x 一 妇名鳓 上海交通人学博士学位论文 a 间接功角控制策略的基本框图 b 基于滞环比较的直接电流控制策略的基本框图 图2 - 7 三相逆变全桥拓扑结构d s t a t c o m 的两种控制结构框图 f i g 2 7t h ec o n t r o ls t r u c t u r eo fv i s - s t a t c o mb a s e do nt h r e ep h a s ef u l lb r i d g e 2 4 基于单相逆变h 桥链式拓扑结构v si - s t a t c o m 的研究 链式v s i s t a t c o m 原理电路如图2 - 8 所示，每相都由多个单相逆变全桥串联而成。三 相逆变器或采用星形接法，或采用三角形接法，通过连接电抗器接入系统。由于链式 s t a t c o m 三相各自独立，一般情况下只需研究单相的情形。 悼喇嗡恻协恻 姑恻嘧恻嘧恻 i i j i 一二商 j 型蜊一数 l 嘧唰蛾唰姑恻叫 l 豳豳鼬r l 陋唰协恻协喇i l 姑恻嘧唰味恻l a 星形接法 b 三角形接法 图2 8 基于单相逆变h 桥的链式v s i s t a t c o m 原理电路 f i g 2 - 8t h et o p o l o g yo fv s i s t a t c o mb a s e do nc h a i ns i n g l ep h a s ehr i d g e 本文采用三角形接法的链式v s i s t a t c o m 作为分析对象，其中参与电压迭加的各单相 逆变h 桥是链式v s i s t a t c o m 最重要的组成部分，为此本文将在重点分析单相逆变h 桥的 一2 4 第二章v s i - s t a t c o m 的研究 基础上，研究链式v s i - s t a t c o m 的工作原理和控制策略。 2 4 1 链式v s i s t a t c o m 基本拓扑结构及其数学建模 本文以n 重链式v s i s t a t c o m 为例进行分析。所谓的n 重链式v s i s t a t c o m 是指链式 v s i s t a t c o m 输出线电压有n 个单相逆变h 桥输出电压矢量迭加而成，图2 9 以a b 相为例， 说明了单相n 重三角形接法链式v s i s t a t c o m 输出线电压的形成原理。 月 上 b 图2 - 9n 重三角形接法链式v s i s t a t c o m 的a b 相逆变单元结构 f i g 2 - 9t h e s t r u c t u r eo fi n v e r t e rp a r t si np h a s ea bb a s e do nc h a i nv s i s t a t c o m 2 4 1 1 链式v s i - s t a t c o m 数学模型 为了简化分析过程和突出，本文对链式v s i s t a t c o m 进行以下假设： 各单相逆变h 桥参数完全相同； 装置所有损耗( 包括逆变器本身的损耗和连接电抗的损耗) 用等效串联电阻月表示； 链式s t a t c o m 采用载波移相p w m 控制策略。 叫 l s ，萄：桓；册： l i 暑c l t i s 2 i 桓：w： l i 上蚴= 弓t w 芒， a 任一单相逆爻h 桥基本结构 s l ： ： ： 3 2 一；f = = ：= 一l 亡= 二：士一 鼢 i 爵习lf 躺j 1 j = = i l o 每二# ；珊二二抖= 胛精二毒二争二习一卜 b 单相逆变h 桥输出波形和开关函数 图2 - 1 0 第个单相逆变h 桥以及其输出波形和开关函数关系 f i g 2 1 0t h et o p o l o g yo ft h ej t h s i n g l ep h a s eh b r i d g e ，i t so u t p u tw a v e f o r ma n ds w i t c h i n gf u n c t i o n 上海交通人学博士学位论文 由于链式v s i s t a t c o m 输出线电压的组成单元是如图2 一1 0 所示单相逆变h 桥的输出 电压比，因此对于各单相逆变h 桥的分析显得十分重要。根据图2 - 9 和图2 一l o a 所示结构 可得以下函数： c 百d u d c j 一鸣( w f ) 李n 五。一，、，+ l d d ，i ：“s 2 4 4 式中“嘶为第个逆变桥直流侧电容的电压；j 为逆变器输出电流；一, i - w ss i n ( w t + 6 ) 为 系统相电压，其中妇为系统相电压有效值，万为逆变器输出电压与系统电压的夹角，并 且逆变器输出相电压为“，；4 - w , s i n ( t o t ) ；s i ( w f ) 为第个逆变桥的开关函数，当开关器 件l 、4 导通时，s ，( w f ) = 1 ，当开关器件1 、3 导通或2 、4 导通时，s i ( w t ) 一0 ，当开关器 件2 、3 导通时，s ，( w f ) 一一1 。 为了对链式v s i s t a t c o m 进行正确的数学建模和稳定性分析，应对式( 2 4 4 ) 各关键 参数进行必要分析，主要包括各单相逆变h 桥直流侧电压、装置输出电流、开关函数和装 置并网电抗器及等效电阻，具体分析如下： 1 直流侧电压 各单相逆变h 桥直流侧电压比嘶一般分为直流分量和交流分量两部分，则直流 侧电压可表示为：“d 町；u d 町+ 吼町。由于在实际运行中往往考虑装置在对称系统中运行， 所以在建立暂态模型的时候，可以忽略交流分量，即认为“d 町一u 埘。在此本文认为 各个单相逆变h 桥的直流侧电压相同都为，则“捌一u d 。一u d 。 2 装置输出电压和电流 由于输出电压和电流中存在一些高次谐波含量，因此装置的输出电压和电流可分为基 波分量和高次谐波分量。考虑到装置运行的主要分量，在研究其暂态模型的时候可以忽略 输出电压和电流中高次谐波分量。 3 各单相逆变h 桥开关函数的研究 通过对第各单相逆变h 桥开关函数s ，( w f ) 的输出波形进行傅立叶分解可得： s j ( w t ) ，r 2 m is i n ( w f ) + x s # ( k w t ) ( 2 4 5 ) 其中，m ，为装置直流侧电压的调制比，即第各单相逆变h 桥输出电压有效值和直流侧 第二章v s i s t a t c o m 的研究 电压直流分量的比值；s 七( 斯f ) 为第个单相逆变h 桥开关函数中的高次谐波分量，在进行 数学建模的时候，该高次谐波分量往往被忽略。 因此，装置的输出电压可表达为： “，= 厄如s i n ( 晰) m ， ( 2 4 6 ) j - 1 值得注意的是在对链式v s i - s t a t c o m 各直流侧电压调制比胸分析时，可假设一时变参数 m ：