（电机与电器专业论文）基于igct的statcom保护设计和空间矢量调制策略的研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t a tp r e s e n t ，t h ep o w e rs y s t e mi sl a c ko fv a tc o m p e n s a t i o n ，f u r t h e r m o r em o s t c o m p e n s a t i o nm e t h o d sf o rt h ec o m p e n s a t i o nd e v i c e sa t en o tg o o de n o u g ht om e e tt h e r e q u i r e m e n to fc o m p e n s a t i o nf o rp o w e rs y s t e m s t a t c o mi sa na p p r o p r i a t es o l u t i o n o ft h e s ep r o b l e m s s t a t c o mi san e w t y p eo fr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t o r ，w h i c h c a ns u e n g t h e nt h es t a b i l i t yo ft h ep o w e rs y s t e ma n de n h a n c et h ec a p a c i t yt ot r a n s m i t e l e c t r i c i t y ，t h u si th a sb e e nw i d e l yu s e da l lo v e rt h ew o d d t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ep e r f o r m a n c ep a r a m e t e r sa n dt h ef u n d a m e n t a lp r i n e i p l e o fan e wt y p e p o w e r e l e c t r o n i cs w i t c hn a m e d i n t e g r a t e d g a t ec o m m u t e t h y r i s t o r ( i g c t ) ，d e s i g no f t b ep r o t e c t i o no f t h ei g c tw h e no v e rv o l t a g ea n dc u r r e n t s e c o n d l y ，t h em a i nc i r c u i tc o n f i g u r a t i o no fs t a t c o m a r ei n t r o d u c e d ，a n a l y z e s t h er e q u i r e m e n t s f o r p r o t e c t i o ns y s t e m ，d e s i g n s t h e p r o t e c t i o ns y s t e m o f s t a t c o m ； a n di n t r o d u c e st h e 印p l i c a t i o no f p u l s eb l a c k i n gp r o t e c t i o nm e t h o di ns t a t c o m i n d e t a i l f i n a l l y ，t h ep d n c i r l eo f t w o l e v e ls p a c ev e c t o rp w m ( s v p w m ) i si n t r o d u c e d ， a n db a s e do ni t ，t h ep r i n c i p l eo ft h et h r e e l e v e ls p a c ev o l t a g ev e c t o rm o d u l a t i n g t e c h n i q u ei ss t u d i e di nd e t a i l ，p r e s e n t st h ef o r m u l a sa b o u tp w mp u l s ea n dt h eo r d e ro f s w i t c h e sa c t i o n t h eo r d e ro fs w i t c h e sa c t i o ni sa l s oo p t i m i z e di n t h i st e x t , t h e c o r r e c t n e s so ft h i sm e t h o di sv a l i d a t e db ym a t l a be m u l a t i o n ，a n dr e a l i z e st h e m e t h o db yt h ed s pt m s 3 2 0 f 2 8 1 2 k e yw o r d s ：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 ) i n t e g r a t e dg a t e c o m m u t et h y r i s t o r ( i g c n ；p r o t e c t i o n ：s p a c ev e c t o rm o d u l a t i o n ( s v p w m ) i i 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。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容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。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密囱。 学位论文作者签名：为艮灵谯 导师签名； 签字只期：w 唧年6 月，6 日签字f 1 期：p 7 年 弘叶 月形同 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。除文中已经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。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：艰丸谯 日期：矽7 年6 月6 日 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 近年来，随着电力系统中非线性用电设备尤其是电力电子装置的应用日益广 泛，谐波和无功问题引起人们越来越多的关注。同时，也由于电力电子技术的飞 速进步，在谐波抑制和无功补偿方面也取得了一些突破性的进展。 在工业和生活用电负载中，感性负载占有很大比例。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。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，特别是各种相控装胃，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。另外这些装嚣产生的大量谐波电 流也要消耗无功功率。无功功率对电网的影响包括：增加设备容量：设备及线路 损耗增加；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。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f 。 无功补偿的作用主要有如下几点： 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，提赢输电能力。 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。 1 2 我国电力系统无功补偿现状 据有关资料2 卜倒，目自口全国有近2 0 g v a 的高耗能变压器在运行，一些城网 高耗能配电变压器占配电变压器总数的5 0 。许多城网无功补偿不足，调节手 江苏大学硕士学位论文 段落后，造成电压偏低，损耗增大。1 9 9 5 年全国线损率高达8 7 通过多方面 的努力，1 9 9 7 年全国线损率才达到8 2 ，比2 0 0 0 年的降损目标7 8 还高出 o 4 个百分点。与一些发达国家相比，我国线损率约高出2 3 个百分点。据统 计，电力网中6 5 以上的电能损耗是在l o k v 以下的配电网中损耗的，因此配 电系统的节能降损尤为重要。 一般情况下，低压配电网的用电负荷沿线分流，三相负荷不平衡严重，负荷 率低、功率因数变化频繁，运行工作情况复杂，多年来一直存在无功补偿容量不 足，无功补偿装置欠佳的情况。 无功补偿容量不足体现在以下两个方面： ( 1 ) 供电方面。公用变压器在全国大中小城市中大量存在，而且伴随一户 一表等城网改造的开展还会大量增加。多年来，由于资会匮乏及重视程度不够， 公用变压器无功补偿容量严重不足，造成无功缺口大，有功损耗增加，公用变压 器的利用率不高。 ( 2 ) 用户方面。由于公用变压器所带低压用户很多，造成各供电企业管理 不便，低压用户感性负荷很大，由于公用变压器下低压用户不按功率因数调整， 造成：即使部分用户为提高电压质量等原因加装了无功补偿装置，但因管理不善 而造成无功补偿不合理，效果不明显；高峰时，无功从电网吃进过多，低谷时， 往往形成向系统送进无功。 无功补偿装置落后体现在以下三个方面： ( 1 ) 无功分量采样方式不当，采集任选一相的无功信号并以此作为无功补 偿投切容量的依据这种采样方式只适用于以三相动力为主的配电网络，其明显 缺点是对采样相的补偿容量尚可，而对其余两相则可能会出现过补或欠补。 ( 2 ) 部分电容器补偿投切装置选用机械式交流接触器，寿命短，响应速度 慢，投切过程会对系统产生冲击电压和冲击电流。 ( 3 ) 由于大多数补偿器为有级调容，无功补偿精度不高。 由此可见，一种可以连续调节补偿无功功率，可以补偿三相不平衡无功，管 理手段简单，能够满足配电系统需要的无功补偿装置，必定具有广阔的市场和美 好的前景。 2 江苏大学硕士擘位论文 1 3 常用无功补偿装置及其原理 常用的无功补偿措施除用发电机作为无功功率源外，还有同步调相机，并联 电容器，并联电抗器，静止无功补偿装置( s t a t i cv a tc o m p e n s a t o r ，简称s v c ) 和静止同步补偿器( 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 ，简称s t a t c o m ) 。 ( 1 ) 同步调相机是一种专门用来产生无功功率的同步电机，是一种不带机 械负载的可以在过励磁( 经常的运行状态) 或欠励磁( 较少的运行状态) 的情况下运 行的同步电机。在系统电压偏低时，过励磁运行供给无功功率而将系统电压抬高； 在系统电压偏高时欠励磁运行吸收系统多余的无功功率而将系统电压调低。它可 以双向、连续地调节。能独立用调节励磁来调节无功的大小，有较大的过负荷能 力。然而由于它是旋转电机，因此损耗和噪声都较大，设备投资高，启动、运行、 维修复杂，而且动态调节响应慢，在很多情况下已无法适应快速无功功率控制的 要求，不适宜太大或太小的补偿。 ( 2 ) 并联电容补偿可永久连接或用断路器连接至系统的某些节点上。在电 力系统常用的无功补偿设备中，并联电容器投资省，运行经济、结构简单、维护 方便、容量可任意选择、实用性强，还可以根据需要分散拆迁到其他地点。因此 以并联电容器作为无功补偿方式目前在国内外均得到广泛的应用。但是也存在以 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，其阻抗是固定 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 的动念补偿。 ( 3 ) 并联电抗器调压主要用在超高压, ( 3 3 0 k v 以上) 系统的线路上，将它并 联在线路的末端或中间，吸收线路上的充电功率，以防止超高压系统长线路在空 载充电或轻负载时的末端电压升高。 ( 4 ) 静止无功补偿是2 0 世纪7 0 年代初发展起来的技术，它是一种利用 电容器和各种类型电抗器组成的无功补偿装置。因为电容器没有旋转部分，也不 依靠有触点开关来实现无功功率的平滑调节，故人们称之为静止式无功补偿装 置，以区别于旋转的同步调相机。s v c 占据了现今静止补偿器的主导地位，包 括晶闸管控制电抗器( t c r ) 和晶闸管投切电容器( t s c ) ，以及这两者的混合装簧， 3 江苏大学硕士学位论文 或者晶闸管控制电抗器与固定电容器或机械投切电容器混合使用的装置。从节能 的观点来看，感性负载欠补偿会增加电力系统的损耗，过补偿也会使电源设备的 有功损耗增加，而且过补还有一定的危害，如可能使网路电压升高到不允许的数 值、与薪投入的空载变压器发生谐振等。这说明静止无功补偿装置的自动调节和 投切，必须作为一项重要的技术措施来处理，电力电子技术的发展为解决这个问 题创设了条件。其优点是可实现无级调节，吸收或发出无功功率；其缺点是结构 较复杂，谐波的干扰大。 ( 5 ) s 1 肖r c o m 是对s v c 革新改进后的装置，它是由变流器构成的静止 无功调节装置，可以发出和吸收无功功率。直流侧的电容器只是用来维持直流电 压，不需要多大容量。其整体功能类似于同步调相机，但大为简化。它调节无功 的能力比s v c 强，其输出无功电流不会因母线电压的大幅降低而降低。另外， 在改善系统电压质量，提高稳定性方面s t a t c o m 具有s v c 无法比拟的优点。 本论文中所研究的s t a t c o m ，在美国被称为s t a t c o n ，即静止调相机 ( s t a t i cc o n d e n s e r ) ；在日本过去则称为静止无功功率发生器( s t a t i cv a rg e n e r a t o r ) 简称s v g ；在欧洲多称为先进静止无功补偿器( a d v a n c e ds t a t i cv a t c o m p e n s a t o r ) ，简称a s v c ：我国现有文献中通用的名称为新型静止无功发生器 ( a d v a n c e ds t a t i c v a t g e n e m t o o ，简称a s v g 。1 9 9 5 年国际高压大电网会议与电 力、电子工程师学会( g i g r e i e e e ) 建议通称为s t a t c o m ，并把其定义为固态同 步电源，相类似于产生三相正弦电压的旋转同步电机。 s t a t c o m 和s v c 相比有如下优势： ( 1 ) 理论上s t a t c o m 不需储能元件来达到与系统交换无功的目的，实际 上s t a t c o m 使用直流电容来维持稳定的直流电源电压。和s v c 使用的交流 电容相比，直流电容容量相对比较小。 ( 2 ) 在系统电压很低的情况下，仍能输出额定无功电流。因此，对于某一 稳态负载提供一定的无功支持，s t a t c o m 可以比s v c 容量小的多( 大约 1 5 3 0 、。 ( 3 ) 采用先进的控制方式，s t a t c o m 的输出电压谐波含量可以很小，由 于谐波含量小，因此s t a t c o m 输出端一般不需要滤波器，这样可以减小整个 装置的成本和体积。 4 江苏大学硕士学位论文 ( 4 ) s t a t c o m 有更快的动态响应速度，在抑制系统的功率震荡和提高系 统稳定性方面，s t a t c o m 的效果很好。 1 4s t a t c o m 的研究现状 利用电力电子变流器进行无功控制的可能性很早就已经为人们所认识了，但 限于当时电力电子器件的耐压和功率水平，无法制造出输电系统中具有实用价值 的装置。直到近年来，尤其是门极可关断晶闸管g t 0 和集成门极换向晶闸管i g c t 等高压大功率器件的出现，才极大地推动了s t a t c o m 的开发和应用。s t a t c o m 是 并联型f a c t s 设备，它同基于可控电抗器和投切电容器的传统静止无功补偿器 s y c 相比，性能上具有极大的优越性，越来越得到了广泛的重视，必将取代s v c 成为新一代的无功电压控制设备”1 。 目前，世界上已有多台投入运行的s t a t c o m 。其中，1 9 8 6 年美国的e p r i 与 西屋公司等研制的1 m v a rs t a t c o m 在纽约的s p r i n g v a l l e y 投入示范运行；1 9 9 1 年同本的三菱公司与关磋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5 0 t v a rs 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 v a 与西屋公司投运了一台l o o f l 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8 m v a rs t a t c o m 在丹麦的r e i s b yh e d e 风场投入运行： 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1 6 0 m v a rs t a t c 嗍，已经于1 9 9 7 年开始运行。 到目前为止，国际上只有美、日、德等少数几个发达国家掌握了g t a t c o m 的应用开发技术。为了跟踪国际f a c t s 发展的前沿技术，同时也为了解决河南电 网现有的问题，在原国家电力部的支持下，原河南省电力局于1 9 9 4 年决定投资 开发2 0 t v a rs t a t c 叫，该项目被列为原电力部的重大科技攻关项目。在项目合 作方清华大学的积极配合下，作为中间工业样机的一台3 0 0 m v a rs t a t c o m 于 1 9 9 6 年1 1 月通过了电力部组织的专家评审，1 9 9 7 年在河南郑州的孟砦变电所进 行了现场测试和试运行。2 0 m v a rs t a t c o m 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，它已成为中国f a c t s 研究应用领域的一个里程碑，标志着我 国成为国际上第四个拥有大容量s t a t c o m 制造技术的国家，标志着中国f a c t g 江苏大擘硕士学位论文 技术发展进入了一个新的阶段。 1 5 本论文的主要工作 静止同步补偿器r ( s t a t c o m ) 是一种新型的无功补偿器，在无功补偿，改善 系统电压稳定方面起到很好的效果，本文对静止同步无功补偿补偿装置 ( s t a t c o m ) 的系统保护和调制策略进行了相关研究，其主要工作如下： ( 1 ) 分析和研究了集成门极换向晶闸管( i g c t ) 的结构特点、性能参数和工作 原理，对其在过电压和过电流情况下进行了保护设计，文中介绍的环流保护方法 是比较新颖和有效的一种保护方法，可对逆变桥桥臂短路进行有效的保护，防止 损坏i g e t 器件。 ( 2 ) 介绍了s t a t c o m 的主电路结构，研究了s t a t c 伽的保护系统和菇锁脉 冲保护方式，将s t a t c o m 装置的运行状态合理细分成正常、异常、紧急及故障等 不同状态，保护系统采取分级保护摧旅，弥补了原来快速、灵敏、简单的保护系 统在系统中容易误动的缺点，大大提高了装置在动态电力系统中的生存能力。 ( 3 ) 在介绍两电平空间矢量调制( s v p 删) 的基础上重点研究了三电平空白j 矢 量调制策略( s v p w m ) 的原理，对所提算法进行了矢量优化，优化后的矢量可以 在每个p w m 周期最大程度的减小开关器件的动作次数，降低了系统损耗，减小 了输出谐波，提高了直流电压利用率，在数字化设计时便于实现。并在d s p 芯 片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 上实现了s v p w m ，充分验证了s v p w m 调制谐波含薰小，直 流电压利用率高及便于数字化实现的特征。 6 第二章s t a t c o m 无功功率理论及基本工作原理 2 1 无功功率理论 2 1 1 正弦电路的无功功率理论 在j 下弦电路中，负载是线性的，电路中的电压和电流都是正弦波。设电压和 电流可分别表示为： 材：4 2 u s i n c o t 扛堂n i n 。) 一 ( 2 1 ) = , 2 1 c o s 妒s i n c o t 4 2 1 s i n p c o s c o t = 0 + 0 式中电流滞后电压的相角。 电流f 被分解为和电压同相位的分量西和比电压滞后的分量q 。p 和q 分别为 铲坦c o s 删蚴f( 2 吲 d = 一一2 js i n 妒c o s a t 电路的有功功率p 就是再半均功翠，b i jo ，= 去r 7 蒯( 神 = 去f 晦+ i , ) d ( c a t ) = 去r 。( u c o s 妒- u l c o s 矿c o s 2 甜) d ( 研) ( 2 - - 3 ) 一去r 。u s 帅s i n 2 删( 耐) = u l e o s 矿 电路的无功功率定义为 q = u is i n 矿 ( 2 4 ) 由上面可以看出q 就是式( 2 4 ) 中被积函数的第二项无功分量u q 的幅值 无功分量的平均值为零，说明它只进行能量交换而不消耗功率，这种能量交换通 7 江苏大学硕士学位论文 常发生在电源和有储能元件的负载之间，q 表明了这种能交换的幅度。在单相电 路中，真正的消耗功率是由被积函数的第一项有功功率分量u i p 产生的。因此又 称i p 为有功电流分量，称由为无功电流分量【8 】。 在工程上还把设备的电压和电流的有效值的乘积作为电气设备功率设计的 极限值，用来表示设备的最大可利用容量。因此引入了视在功率的概念： s = u i( 2 - - 5 ) 且 s2=p 2 + q 2 ( 2 6 ) 从式( 2 3 ) 中可以看出，有功功率p 的最大值为视在功率s 。p 越接近s 则说明设备的容量利用得越充分。为了反映p 通接近s 的程度，定义有功功率 和视在功率的比值为功率因数兄功率因数五表示为： 名：旦 ( 2 7 ) s 在正弦电路中，由式( 2 3 ) 和式( 2 5 ) 可知 = c o s 口 既在正弦电路中功率因数由电压与电流的相角差来决定。 ( 2 8 ) 2 1 2 非正弦电路的无功功率理论 在含有谐波的非正弦电路中，有功功率、无功功率、视在功率和功率因数的 定义均和正弦电路中的定义相同。非正弦周期函数可用傅举叶级数分解成以下形 式： 有功功率p ： p = 上2 zr 。咧= 薹咐c 。s 办 ( 2 吲 视在功率s ： s = 瓯蹂( 2 - - 1 0 ) 式中纯为第n 次谐波电压和电流的相角差，u n 、i n 分别为n 次电压和电流 8 江苏大学硕士学位论文 的有效值。 含有谐波的非正弦电路中的无功功率的情况非常复杂，至今没有被广泛接受 科学而权威的定义。下面简要介绍两种定义无功功率的方式： 第一类，仿照( 2 6 ) 式，给出了无功功率的定义： q ：嚣巧 ( 2 1 1 ) 。 在这里，q 只反映能量的交换和流动而并不反映能量的消耗。在这一点上， 它和正弦电路中无功功率最基本的物理意义是完全一致的。因此，这一定义被广 泛接受。但是，这一定义没有区别基波电压电流之间产生的无功功率、相同频率 谐波电压和电流之间产生的无功功率、以及不同频率谐波电压和电流之间产生的 无功功率。 第二类，仿照( 2 4 ) 式，得到无功功率定义为： q ，= u 。，。s i n 伊 ( 2 一1 2 ) 可以看出这里的q 中只包含了相同频率电压电流正弦波所产生的无功分量， 它并不能完全表示出电源与负载间的能量交换关系。在这种定义方式下： s 2 p 2 + q ，2 ，所以又引入了畸变功率d 的概念，定义d 为不相同频率的电压 电流币弦波所产生的无功分量。这样可以得到 s2 = p 2 + q ，2 + d 2( 2 1 3 ) j 在公共电网中，通常电网的波形畸变都很小，而电流波形的畸变则可能很大， 因此在电网中不考虑电压畸变而只考虑电流畸变更具有广泛丽实际的意义。因此 可以得到下面的关系： p = u i lc o s 仍 q ，= u i is i n 仍 p2+q，2=u2印(2-14) s 2 = u 2 ，2 = u 2 i n 2 n f f i 2 d 2 = s 2 一p 2 一q ，2 = u2 厶2 = 2 这样就可以知道，q 为基波电流产生的无功功率，d 为谐波电流产生的功率。 9 江苏大学硕士学位论文 这使得功率因数为： a = i p = u i t 矿c o s 纯= 争c 。s 纸= y c 。s 伊su ii 4 ( 2 1 5 ) 式中，y = 1 , i 即基波电流有效值和总电流有效值之比，称为基波因数，而 c o s 仍称为位移因数或基波功率因数。 这样，可以看出功率因数是由基波电流相移和电流波形畸变两个因数决定 的。总电流可以看成由三个分量，即基波有功电流、基波无功电流和谐波电流组 成。 2 1 3 无功功率理论的研究及其进展 传统的功率定义大都是建立在平均值基础上的。单相f 弦电路或三相对称正 弦电路中，利用传统概念定义的有功功率、无功功率、视在功率和功率因数等概 念都很清楚。但当电压或者电流中含有谐波时，或三相电路不平衡时，功率现象 比较复杂，传统概念无法正确地对其进行解释和描述。建立能包含畸变和不平衡 现象的完善的功率理论，是电路理论中一个重要的基础性课题。 学术界有关功率理论的争论可以追溯到2 0 世纪2 0 和3 0 年代，b u d e a n u 和 f r y z e 最早分别提出了在频域定义和在时域定义的方法，以后又有各种定义和理 论不断出现。但是迄今为止，尚未找到彻底解决问题的理论和方法。但是，在 8 0 年代由h a k a g i ( 赤木泰文) 等人提出的瞬时无功功率理论解决了谐波和无功 功率的瞬时检测和不用储能元件实现谐波和无功补偿等问题，对无功补偿装置的 研究和丌发起到了很大的推动作用。 2 2 瞬时无功功率理论 2 2 1 瞬时无功功率理论 三相电路的瞬时无功功率理论自上世纪8 0 年代提出以来，在许多方面得到 成功应用。该理论突破了传统的以平均值为基础的功率定义，系统地定义了瞬时 无功功率、瞬时有功功率等瞬时功率量。以此为基础，应用到新型无功发生器控 制中，检测瞬时无功功率与无功电流f 1 1 。 1 0 江苏大学硕士学位论文 得到口、两相瞬时电压、e p 和口、两相瞬时电流、 * | ； 沪 擀：豳 机：= 厉躐珊 在图2 - - 1 所示的口一p5 f n 上，9 l e 、e p 和、可以分别合成旋转电压矢 声 勺 l $ p i t t2 一l 口一坐标系中的电压、电流矢量 江苏大学硕士学位论文 三相电路瞬时有功电流f p 为：i p = i c o s 口 ( 2 2 0 ) 瞬时无功电流为：= i s i n ( 2 2 1 ) 其中，缈= 纪一仍。口一平面中的f ，和如图2 - - 1 所示。 定义2 ： 三相电路瞬时无功功率q ( 瞬时有功功率p ) 为电压矢量e 的模和三相电路瞬时 无功电流( 三相电路瞬时有功电流f p ) 的乘积。即 睁阴 刊吲 = 西隧二瑚 = g 。c 。o m s 纯伊- s c m o s 仍q , f j 。c 。o m s 纪缈, 一2 2 = 降北 = ： 所以， p28 aj a + 8 ，j ， ( 2 2 3 ) q2e # i 口一e 口l8 把式( 2 - - 1 6 ) 、式( 2 - - t 7 ) 带入上式中，可得出p 、q 对于三相电压、电流的表 达式 p = e 乒4 + e 矗i + e j c g = 去 ( 一栈+ ( 巳一饯+ ( 乞一岛) i a ( 2 - - 2 4 ) 江苏大学硕士学位论文 2 2 2 瞬时无功功率理论在s t a t c 0 一中的应用 l 检测无功功率 在s t a t c o m 中，首先需要测量系统需要补偿的无功功率量，应用以上介 绍的无功功率理论，测量所得三相电压和三相电流，在式( 2 2 4 ) 中可以得到 无功功率： 1 口= 寿【( 一巳) 乞+ ( 乞一) + ( 一) 】( 2 - - 2 5 ) 、，j 2 检测无功电流 基于瞬时无功功率理论的方法，检测无功电流时，可以完全无延时的得出 检测结果。由式( 2 - 2 0 ) 、( 2 - 2 1 ) 和式( 2 - 2 6 ) ，经过反变换，可以得到三相 无功电流如下式所示； 医 = i pc 2 3 c - 。 9 0 2 ，3s t a t g o m 的结构与原理 ( 2 2 6 ) 2 3 1s t a t c o m 电路基本结构 严格的讲，s t a t c o m 的基本电路结构应该分为两种：即电压型桥式电路结 构和电流型桥式电路结构。如图2 2 所示： ! $ 一【$ 叫j 厂y 、6 l ： 卅叫7 “j ! $ 叫： 叫j l j - j - 上 - 工 - _ ，“! $ 叫 - 电压型桥式电路电流型桥式电路 图2 2s t a t c o m 的电路基本结构 对于电压型桥式电路，其直流侧以电容作为储能元件，将直流电压逆变成交 江苏大学硕士学位论文 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，将直流电流逆变成交 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摺之间来回往返的 9 1 。而s t a t c o m 正是将三帽的无功功 率统一起来进行处理的，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 之间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， 其直流侧仍需要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。面对传统的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 懈i 0 m 中储能元件 的体积和成本比网容量的s v c 要小的多。在实际运行中，由于电流型桥式电路 比较低，而且发生短路故障时危害比较大，所以迄今投入实用的s t a t c o m 大都 采用电压型桥式电路，因此s t a t c o m 往往专指采用自换帽的电压桥式电路作为 动态无功补偿的装置。 2 3 2s t a t c o m 基本工作原理 以采用电压型桥式电路的s t a t c o m 为例，其基本工作原理简而言之就是通 过适当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，从而吸收或发出满足要求的无功电流，实现动态无功补偿的居的。 由于s t a t c o m 在工作的时候是通过i g c t 等全控型器件将直流侧电压转换 成交流侧与电网同频率的输出电压，因此它就像一个电压型逆变器，只不过其交 流侧输出接的不是无源负载，而是电网。所以，当仅考虑基波频率时，s t a t c o m 可以等效视为幅值和相位均可控制的一个与电网同频率的交流电压源。其工作原 理可以用图2 3 所示单相等效电路图来说明。其中连接电抗器的损耗和变流器 本身的损耗等总的损耗用r 等值表示，图中盯。为s t a t c o m 接入点处电网电压， u ，为s t a t c o m 输出的交流侧电压。 1 4 江苏大学硕士学位论文 围2 3s t a t c o m 单相等效电路 s t a t c o m 有两种工作状况：即容性工况和感性工况，如图2 4 所示。图 中，万为电压和u 之间的相位差，以滞后q 为正，缈为等效电抗的阻抗 角，仉为等效阻抗器的两端电压。 a 容性j 况b 赌性：i ：况 刚 图2 4s t a t c ( 瑚向量图 肖u 滞后于( ，。时( 拶 0 ) ，s t a t c o m 工作于感性工况，此时电流，滞后于系统电压虬， s t a t c o m 从系统吸收感性无功功率。s t a t c o m 从系统吸收容性或感性无功功 率的计算公式为： q = 等s i n 2 艿 ( 2 2 7 ) 其中，q 为s t a t c o m 三相电路从系统中吸收的总的无功功率，u s 为系统 相电压。当万 0 时，q 0 ，s t a t c o m 吸收感性无功功率；当万 o 时，q 0 ， 江苏大学硕士学位论文 s t a t c o m 吸收容性无功功率。因此，通过控制万的方向，我们可以在系统无功 不足时提供无功支撑，在系统无功过剩时吸收多余无功；另外通过控制艿的大小， 可以动态平滑地调节s t a t c o m 吸收的感性或容性无功功率的大小。由图中还可 以看出，不管是容性工况还是感性工况，u 都与电流，保持垂直，因为变流器 无需有功能量。电网电压与电流，则不再保持9 0 。，而是比9 0 。小了万角，因 为电网需要提供有功功率来补充s 1 肖r c o m 电路中的有功损耗以及维持直流侧 电容电压的稳定。 通过多s n 盯c o m 工作原理的分析，可以知道s n 玎c o m 的伏安特性如图2 5 所示： u 一 一 i 一 一一 i 一 一1 i 一 一 ；一 ，一 i 一一 一 ! 一二二j 。_ ，一 u l t a m i 图2 5s t a t c o m 的伏安特性图 通过改变控制系统的参数( 电网电压的参考值u ) ，可以使伏安特性上下 移动。与传统s v c 伏安特性不同的是，当电网电压下降，补偿器的伏安特性向 下调整时，s 田玎c o m 可以通过调整其变流器交流侧电压的幅值和相位，以使其 所能提供的最大无功电流毛一和屯。维持不变，其值仅受其i c r c t 等电力半导 体器件的电流容量的限制。而对于传统的s v c ，由于其所能提供的最大电流分 别受其并联电抗器和并联电容器的阻抗特性限制，随着电网电压的降低反而减 小。因此，s m 盯c o m 是上下等宽的近似矩形的区域，这是s t a t c o m 优越与传 统s v c 的一大特点。 另外，对于那些以输点补偿为目的的s t a t c o m 来说，如果直流侧采用叫大 的储能电容，或者其他直流电源( 如蓄电池组等) ，则s t a t c o m 还可以在必要 时短时间内向电网提供一定量的有功功率。这对于电力系统来说是非常有益的， 而又是传统s v c 装置所望尘莫及的。 1 6 江苏大孝硕士学位论文 2 4s t a t c o m 的控制方法 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：郎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，对符 合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 可以另外附加闭环和调节器来修正系统电压参考值。 在控制策略上，s r c o m 和传统的s v c 有所不同，在s v c 中，由外闭环 调节器输出的控制信号用做s v c 等效电纳的参考值，以此信号来控制s v c 调节 到所需要的等效电纳；而在s t a t c o m 中，由开环或外闭环调节器输出的控制信 号则被视为补偿器应该产生的无功电流( 或无功功率) 的参考值。正式在如何由 无功电流( 或无功功率) 参考值调节s t a t c o m 真正产生所需要的无功电流( 或 无功功率) 这个环节上，形成了s t a t c o m 多种多样的具体控制方法，主要可以 分为电流的阃接控制和电流的直接控制两种方法。 2 4 1 电流问接控制 所谓电流的间接控制，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 作一个交流电压源，通过对s t a t c o m 变流器所产生的交流侧电压基波的相位和 幅值的控制，来间接控制s t a t c o m 的交流侧电流。 分析图2 4 所示的s t a t c o m 工作相量图，以容性工况为例来进行说明。 由图可以得到以下三角关系式： 旦：黑_ ：j l ( 2 2 8 ) s i n 8 s i n ( 9 0 。+ 奶s i n ( 9 0 。一伊一万) 。 其中占是与u 的相位角，以q 超前时为正；妒是连接电抗器的阻抗角。 出此可得：u ，：坠! 堕生 c o s 口 1 7 ( 2 2 9 ) 譬笠u l0 埘；妒 乇= 丽刺卸户矿。 ( 2 - - 3 0 ) ( 2 3 1 ) 7 二嚣嚣掷 另外，由式( 2 2 8 ) 可以得到：( 2 - - 3 2 ) 盱蟛蟹一删c 洲删瓣鼬镛彬妒一 姆基篡i 蒿j 兰筌婚” 。羔二然三篡刚彬删的乏! 垂垂蚕篓 惫然盛受受嚣雩箸 爱嚣一= 艄舞析删稍测鳓蛳间麟蝴活“卜一” 1 5 江苏大擘硕士学位论文 偿的无功电流的参考值作为指令值，通过公式( 2 3 0 ) 删8 的值，然后 用占来控制s t a t c o m 变流器的触发脉冲，使s t a t c o m 交流侧输出的电流值 跟随参考值动态变化。其示意图和相关波形如下： ：6 ： i ) 控制方法示意田b ) 电压和电漉被形 圉2 7 最简单的电流间接控制方法 在波形图中，以为s t a t c o m 接入点处系统的相电压，u ，为s t a t c o m 变流 器桥式电路经触发后在交流侧形成的相电压，其幅度等于直流侧电容电压的值， 而f ，则是s t a t c o m 吸收电流中的基波分量。 如果在上述方法中，对s t a t c o m 吸收的无功电流( 或无功功率) 进行反馈 控制，则对无功电流的控制精度和响应速度都将得到显著提高。原理图如下所示： 图2 8 对无功电流进行用环控制的闻接控制法 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时 比较，对其差值进行比例积分调节，产生的6 值控制s t a t c o i 豹脉冲触发。 2 4 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 相当与一个受控电流源。其工作原理如下所示： 1 9 江苏大学硕士学位论文 去s t a t c o x 主电路驱动 图2 9s t a t c 0 1 中采用由0 变换的电流直接控制 在该控制方法中，引入嘶0 坐标系统。其中，j 州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 t a t c o m 交流侧应该吸 收的无功功率( 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 持其两端的电压的稳定，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 t a t c o m 应该吸收的有功电流 ( 指令电流的直轴分量) 。对s t a t c o m 交流侧电流的控制可以通过闭环反馈来 实现，$ t a t c o m 交流侧三相瞬时电流经过滤波电路和检测电路之后，将其瞬时 值转换到砌0 坐标系统，分别得到直轴和交轴分量l 和l ，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。将、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，依次出发s t a t c o m 变流器桥式电 路的各桥臂，这样，在s t a t c o m 的交流侧就会得到我们需要的补偿电流。 在该控制方法中，由于引入了砌0 坐标系统，指令电流值和s t a t c o m 的 反馈电流值厶、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念 误差的电流跟踪控制。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跟踪控制，而不像i 日j 接控制方式中那样，通 过j 这个中间环节，因此，其响应速度和控制精度都有了很大的提高。在该控制 方式下，s t a t c 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i g c t 等全控型器件有较高的开关频率，