（电气工程专业论文）dstatcom算法研究及其在油田配电网中的应用.pdf

华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p i n go fn a t i o n a le c o n o l n y , al a r g eo fn o n l i n e a r , i m p i n g ea n d u n b a l a n c e dl o a df i l ei n c r e a s i n gs i n c ep e o p l ef o rt h eh i g hr e q u i r e m e n ta b o u td y n a m i cp o w e r q u a l i t i e s o u t p u tc u r r e r t to fd - s t a t c o mk e e p si n v a r i a n t i n g r e a tr a n g eo fv o l t a g e v a r i a t i o j aw h i c hc l t nr e a l i z ec o n t i n u o u sa d j u s t m e n t sf r o ms e n s i t i v et ot o l e r a t ea n dt h e b i - d i r c c t i o n a la d j u s t m e n ta b i l i t ya b o u ts e m i t i v ea c t i v ep o w e ra n dt o l e r a t er e a e t i v ep o w e r o u t p u t t h e n , d - s 1 a t c o mc a nm a n a g ec o m p e n s a t i o n & h a r m o n i cw a v eo fu n b a l a n c e d l o a dh i u m o n i cl o a de f f e c t i v e i l n p r o v c $ p o w e rq u a l i t yw i md e v e l o p i n gi n d u s t r i a l i z a t i o n d - s t a t c o mw h i c hh a v eb e c o m eo n eo fi m p o r t a n td i r e c t i o no fm o d e mp o w e rn e w t e c h n i q u ed e v e l o p m e n t t h i sp a p e ri s f o c u s0 1 3t h er e s o l u t i o n so fd - $ t a t c o md e v i c e c a l c u l a t i o n r e s e a r c h a n da p p l i c a t i o n o f t h e o i l f i e l d d i s t r i b u t i o n n e t t h ea u t h o rs u g g e s t sad i r e c tp u l s eg e n e r a t ec a l c u l a t i o nb a s e so i le q u i v a l e n tb y r e s e a r c ho fd - s t a i c o md e v i c ec a l c u l a t i o n p o i n to u la n dr e a l i z es y s t e mw a v e f o r m i m p r o v eb ya n a l y z ei t sf u n c t i o n , l o w e rd e v i c ep o w e rl o s sb yr e s o l u t eu n r e a s o n a b l ei n e r t i a l l i n ki nc a l c u l a t i o n , o v e rs m a l ll o a de u a r c n tw i t ht m d c ra c t i v ep o w e r , r a i s e so p e r a t i o n e f f e c t i v ei t s e l f , r a i s eo fd e v i c eo p e r a t i o ne f f e c t i v e o t h e r w i s e ，i ta l s oi n e r e , a s ec o u n c i l o r s s e q u e n c ea u t o - r e c o g a i z ep r o g r a ma n dd e b u g g i n gt e s tm o d e lt or e s o l u t ei n c o n v e n i e n to f d e b u g f h l l h e r m o l l t h i sp a p e ra l s oc a r r i e do l lad y n a m i cs i m u l a t i o ne x p e r i m e n ta n dl o c a l t r i a lo p e r a t i o n t h ee x p e r i m e n tr e s u l ts h o w st h a tr e l i a b i l i t ya n ds t a b i l 畸g e ti m p r o v ed u et o r e a l i z er e a c t i v ec o m p e n s a t i o na n dh a r m o n i cm a n a g e m e n tw h i c hc o u l db es a t i s f a c t o r y r e q u i r e m e n ti nt h eo i l - f i e l da p p l i c a t i o n a tl a s t , a n a l y z e dt h ei n s u f f i c i e n to f t h i sd e v i e ea n dw h i c h p a r ts h o u l db ei m p r o v e d k e y w o m a ：r e a c t i v ec o m p e n s a t i o n ；p o w e rq u a l i t y ；, h i i l m d n l cm a n n g e m e n t ： d - s t a t c o m ；p w m 独创性声明 本人声明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 及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做 出贡献的个人和集体，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。 l 学位论文作者签名：，8 墩 日期：彬年0 月弓日 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，即： 学校有权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。本人授权华中科技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。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密匹扎 ( 请在以上方框内打“j ”) 学位论文作者签名：毒$ 式 b 强。6 年，o 日| b 撇：渺 日期：p k 。即日 华中科技大学硕士学位论文 1 1 常见的电能质量问题 1 绪论 随着现代科学技术的发展，一方面，造成电能质量问题的因素不断增长，如以电 力电子装置为代表的非线性负荷的使用、各种大型用电设备的启停等；另一方面，各 种复杂的、精密的、对电能质量敏感的用电设备不断普及，人们对电能质量及可靠性 的要求越来越高。一个计算中心失去电源2 s 就可能破坏几十小时的数据处理结果而 造成上百万元的经济损失。在大型机器制造厂，0 i s 的电压突降就可能造成异常的生 产状况和质量破坏。当今自动化设备控制的连续精加工生产线，它们对配电系统中的 干扰异常敏感，几分之一秒的不正常供电就可能在工厂内部造成混乱，其损失是难以 估量的。这些用户对不合格电力的容许度可严格到只有1 2 周波现代化的商贸中 心、银行、医院也是如此。 上述问题的矛盾越来越突出，近段时间提出的系统化综合补偿技术是解决电能质 量问题的“治本”途径。对于稳态时的电压质量问题有许多成熟的措施加以解决；但 对于动态电能质量问题，文献【l 】指出依靠传统的无功补偿和常规的滤波装置则不能 有效地解决。因为诸如电压跌落( s a g s ) 、浪涌( s u r g e ) 、电压脉冲( i m p u l s e ) 与瞬时供电中 断( o u t a g e ) 这类电能质量问题持续的时间很短、变化很快，并且有的电能质量问题还 伴随着部分甚至全部的有功损失等情形。 在低压配电网中，谐波、电压三相不平衡、无功补偿已经成为影响电力系统有效 运行的主要因素1 2 - 3 。 1 1 】电力系统谐波污染问题 国际上公认的谐波含义为：“谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率为基 波频率的整数倍”。由于谐波的频率是基波频率的整数倍数，也常称之为高次谐波。 在国际电工标准中( i e c 5 5 5 2 ，1 9 8 2 ) ，在国际大电网会议( c i g r e ) 的文献中定义：“谐 波分量为周期量的傅里叶级数中大于1 的h 次分量”。i e e e 标准中( 参见i e e e 标准 华中科技大学硕士学位论文 5 1 9 1 9 8 1 ) 定义：“谐波为一周期波或量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍”。 习惯上，认为电网稳态的供电电压波形为工频正弦波形，正弦周期函数在进行加、 减、微分和积分等运算时仍保持正弦函数的特点，所以在电网中要求尽可能由正弦波 形的电源供电。但是由于非线性负荷的存在，电网电压的波形往往偏离正弦波形而发 生畸变。畸变波形可以用一系列不同频率的正弦函数之和来近似。s i nc o t 项称为基波， 谐波的频率是基波频率的整数倍，所以s i n 3 u t 项称为3 次谐波，s i n 5 ( ) t 项称为5 次 谐波，通常将各奇次的谐波统称为奇次谐波，偶次的谐波统称为偶次谐波。 谐波是由非线性负荷产生的，这些使系统正弦波形畸变，产生谐波的负荷称为谐 波源。冶金、化工等工业企业中的大量电力电子设备，以及电力机车的换流设备和电 弧炉等各种非线性用电设备接入电网后，均向电网注入大量谐波电流，都属于谐波源； 发电机、变压器和电动机等电力设备，如果参数选择不当或设计结构和制造工艺不良， 亦向电网注入大量谐波，所以发电机、变压器等电力设备也可能成为谐波源。 具体来说，电力系统的谐波源可归纳为以下几种类型卜目： ( 1 ) 发电电源产生谐波。发电机由于三相绕组在制作上很难做到绝对对称，铁芯也 很难做到绝对均匀一致和其他一些原因，发电电源多少也会产生一些谐波， 但一般来说很少。 ( 2 ) 输配电系统产生谐波。输配电系统中主要是电力变压器产生谐波，由于变压 器铁芯的饱和，磁化曲线的非线性，加上设计变压器时考虑经济性，其工作 磁密选择在磁化曲线的近饱和段上，这使得磁化电流呈尖顶波形，因而含有 奇次谐波。 ( 3 ) 用电设备产生谐波。主要为各种交直流换流装置( 整流器、逆变器) 以及双向晶 闸管可控丌关等。晶闸管整流装置采用移相控制，从电网吸收的是缺角的正 弦波，从而给电网留下的也是另一部分缺角的正弦波，显然在留下部分中含 有大量的谐波。由于晶闸管整流装置在电力机车、铝电解槽、充电装置、开 关电源等许多方面得到了越来越广泛的应用，给电网造成了大量的谐波。经 统计表明：由整流装置产生的谐波占所有谐波的近4 0 ，这是最大的谐波源 变频装置。 2 华中科技大学硕士学位论文 理想的公用电网所提供的电压应该是工频基波电压。谐波电流和谐波电压的出 现，对公用电网是一种污染，它使用电设备所处的环境恶化，也对周围的通信系统和 公用电网以外的设备带来危害。归纳起来其主要危害有删： ( n 使电力设备产生附加损耗，温度升高； ( 2 ) 使设备绝缘降低，寿命缩短； ( 3 ) 引起电机的机械振动，导致电动机效率降低，并影响转矩； ( 4 ) 无功补偿电容器组可能引起谐波电流的放大，甚至造成谐振，使电容器使用 寿命缩短； ( 5 ) 对继电保护、自动控制装置和计算机系统产生干扰和造成误动作； ( 6 ) 电压谐波畸变可导致电压过零点漂移。使控制系统对这两点( 电压过零点与电 压位置点) 的判断错误而导致控制系统失控： ( 7 ) 干扰邻近的通信线路和铁道信号线路的正常工作： ( 8 ) 影响测量仪表的精度，造成电能计量的误差。 1 1 2 电力系统无功补偿问题 用电设备非纯阻性。有些特殊的设备( 如电抗器、电容器) ，当电流流过它们时， 在半个周期内，电能会转变成磁能或场能等形式，但在后半个周期内，这些能量会转 变回电能并反送回电网，因此从整个周期来看，设备除了从电网吸收做功部分的电能 外还与系统进行能量交换负荷与电源的距离越远则损耗越大，并且会占用大量的线 路输送能力。为了减小这方面损失，我们在无功负荷设备的旁边加装反性质的无功负 荷，使其互相进行能量交换，减小对电源的依赖，达到提高线路输送能力及减小线损 的目的。 由于无功功率的存在，它对电力系统影响很大，会因此增加供电设备的容量，使 设备及线路掼耗增加，设备及变压器的电压降增大，使能耗增加，经济效益降低。通 过无功补偿可以提高系统和负载的功率因致，降低设备容量，减少功率损耗，稳定用 户端及电网电压，提高供电质量，在三相负载不平衡时，可平衡三相有功及无功负载。 无功补偿是无功补偿电源的简称，指为满足电力网和负荷端电压水平及经济运行 的要求，必须在电力网内和负荷端设置无功电源，如电容器、调相机等。无功补偿分 华中科技大学硕士学位论文 为集中补偿、分散补偿和随机补偿，文献【9 - 1 0 】指出应遵循“全面规划，合理布局， 分级补偿，就地平衡；集中补偿与分散补偿相结合，以分散补偿为主；高压补偿与低 压补偿相结合，以低压补偿为主：调压与降损相结合，以降损为主”的原则。无功补 偿装置的分布，首先要考虑调压的要求，满足电网电压质量指标，同时也要避免无功 功率在电网内的长距离传输，减少电网的电压损耗和功率损耗。无功补偿的原则是做 到无功功率分层分区平衡，就是要做到哪里有无功负荷就在那里安装无功补偿装置。 这既是经济上的需要，也是无功电力特征所必需的。在接近负荷端分散补偿，可减少 无功功率的输送，从而降低损耗，减少压降，有较好的经济效果；集中安装在变电站 内，则便于控制操作，有利调整电压。变电站安装的无功补偿设备容量，一般是以在 高峰负荷时，其主变压器的功率因数达到一定数值( 如3 5 1 1 0 k v 变电站功率因数达 到o 9 o 9 5 ) 来考虑的，其值根据计算确定。 无功补偿的原则是就近补偿，它包括基波无功补偿和谐波无功补偿( 谐波补偿) 两部分，这就把谐波抑制和无功补偿联系在一起了。 谐波抑制和无功补偿的联系主要有三个方面： ( 1 ) 系统无谐波时无功功率有固定的概念和定义。有谐波时无功功率的定义和谐 波密切相关，谐波除本身的问题外，还影响无功功率和功率因数。 ( 2 ) 产生谐波的装置也消耗基波无功功率，如电力电子装置、电弧炉、变压器等。 ( 3 ) 补偿谐波的装置也补偿基波无功功率，如l c 谐波滤波器、有源电力滤波器、 高功率因数整流器等。 1 2 几种无功补偿设备及补偿方式 1 2 1 同步调相机 同步调相机实质上是一种不带机械负载的同步电动机，它是最早采用的一种无功 补偿设备，在并联电容嚣得到大量采用后，它退居次要地位。其主要缺点是投资大， 运行维护复杂。因此，许多国家不再新增同步调相机作为无功补偿设备。但是同步调 相机也有自身的优点： 4 华中科技大学硕士学位论文 ( 1 ) 调相机可以随着系统负荷的变化，均匀调整电压，使电网电压保持规定的水 平。电容器只能分成若干个小组，进行阶梯式的调压。 ( 2 ) 调相机可以根据系统无功的需要，调节励磁运行，过励磁时可以做到发出其 额定1 0 0 的无功功率，欠励磁时还可以吸收其额定的5 0 的无功功率。电容器只能 发出无功，不能吸收无功。 ( 3 ) 调相机可以安装强行励磁装置，当电网发生故障时，电压剧烈降低调相机 可以强行励磁，保持电网电压稳定，因而提高了系统运行的稳定性。电容器输出无功 功率与运行电压的平方成正比，电压降低，输出的无功将急剧下降，比如，当电压下 降1 0 ，变为o 9 u e 时，电容器输出的无功功率变为o 8 1 q ，即其输出的无功功率将 下降1 9 ，所以，电容器此时不能起到稳定系统电压的作用。 1 2 2 并联电容器 作为无功补偿设备，电容器有以下显著优点： ( i ) 电容器是最经济的设备。它的一次性投资和运行费用都较低，且安装调试简 单。 ( 2 ) 电容器的损耗低，效率高。现代电容器的损耗只有本身容量的0 0 2 左右。调 相机除了本身的损耗外，其附属设备还需用一定的所用电，损耗2 3 0 ，大大高 于电容器。 ( 3 ) 电容器是静止设备，运行维护简单，没有噪音。调相机为旋转电机，运行维 护很复杂。 ( 4 ) 电容器的应用范围广，可以集中安装在中心变电站，也可以分散安装在配电 系统和厂矿用户。而调相机则只能固定安装在中心变电站，应用有较大局限 并联电容器是电网中用得最多的一种无功功率补偿设备，目前国内外电力系统中 9 0 的无功补偿设备是并联电容器。但只补偿固定无功，系统中有谐波时，可能发生 并联谐振，使谐波放大，电容器烧毁。 华中科技大学硕士学位论文 1 2 3 并联电抗器 并联电抗器是一种感性无功补偿设备，它可以吸收系统中过剩的无功功率，避免 电网运行电压过高。 为了防止超高压线路空载或轻负荷运行时，线路的充电功率造成线路电压升高， 一般装设并联电抗器吸收线路的充电功率，同时，并联电抗器也用来限制由于突然甩 负荷或接地故障引起的过电压从而危及系统的绝缘。 并联电抗器可以直接接到超高压( 2 7 5 k v 及以上) 线路上。其优点是：可以限制高 压线路的过电压，与中性点小电抗配合有利于超高压长距离输电线路单相重合闸过 程中故障相的消弧，从而提高单相重合闸的成功率。高压电抗器本身损耗小但造价 较高。并联电抗器也可以接到低压侧或变压器三次侧，有干式的和油浸的两种，这种 方式的优点是造价较低，操作方便。从发展趋势看，更多的将采用高压电抗器。 大型并联电抗器的技术、结构和标准与大型电力变压器类似，也有单相和三相， 心式和壳式之分，心式还可以分为带间隙柱的和空心式的，目前我国制造的高压大容 量并联电抗器只采用心式结构。 心式电抗器的结构与心式变压器类似，但是只有一个绕组，在磁路中加入间隙以 保证不饱和，维持线性。 1 2 4 静止无功补偿器 静止补偿器是近年来发展起来的一种动态无功功率补偿装置，电容器、电抗器、 调相机是对电力系统静态无功电力的补偿，而静止补偿器主要是对电力系统中的动态 冲击负荷的补偿。根据负荷变动情况，静止补偿可以迅速改变所输出无功功率的性质 或保持母线电压恒定。 静止补偿器实际上是将可控电抗器与电容器并联使用。电容器可发出无功功率， 可控电抗器可吸收无功功率。其控制系统由可控的电子器件来实现，响应速度远远高 于调相机，一般只有2 0 m s 。它主要用于冲击负荷如大型电炉炼钢、大型轧机以及大 型整流设备等。另外，在电力系统的电压枢纽点、支撑点也可以用静止补偿器来提高 6 华中科技大学硕士学位论文 系统的稳定性，同时，静止补偿器还可以抑制谐波对电力系统的危害。在我国湖南、 湖北、广东、河南等多个5 0 0 k v 枢纽变电站都采用了这种装置。 在装了静止补偿装置后，供电质量显著改善，电压波动很小，完全在允许范围内， 谐波干扰明显降低。在周围广大用户普遍受益的同时，该厂也降低了线损，减少了电 费支出，提高了产品的产量和质量，获得了良好的经济效益。静止补偿器的最大特点 是调节快速。为了充分发挥它在需要无功功率时的快速调节能力，在正常情况下应经 常运行在接近零功率的状态。但因正常负荷变动引起的电压变化过程缓慢，用一般价 格比较便宜的电容器与电抗器等投切配合，完全可以满足要求，没有必要选用这种设 备。 以上几种装置各有利弊，都无法满足配电网低压侧安装和动态连续补偿的要求， 为此有些文献 1 8 - 2 0 提出了d s t a t c o m 装置，即电能质量综合治理装置，是实现低 压配电网电能质量大幅度提高和节能的先进电力电子设备。 1 3d s t a t c o m 装置 1 3 1d s t a t c o m 的发展背景 随着电力系统中非线性用电设备，尤其是电力电子装置应用的日益广泛，电力系 统中的谐波污染问题也越来越严重，大多数电力电子装置功率因数较低，也给电网带 来额外负担，并影响供电质量。因此抑制谐波和提高功率因数已经成为电力电子技术 和电力系统研究领域所面临的一个重大课题。在电力系统迫切需要先进的输配电技术 来提高电能质量和系统稳定性的时候，随着电力电子技术和现代控制技术的迅猛发 展，一种改变输电能力的新技术灵活交流输电系统( f l e x i b l ea ct r a n s m i s s i o n s y s t e m - - f a c t s ) 悄然兴起”“。f a c t s 技术是基于电力电子技术改造传统交流输 电的系列技术，它可以对交流电的无功( 电压) 、电抗和相角进行控制，从而能有效 提高交流系统的安全稳定性，使交流输电系统具有更高的柔性和灵活性，使输电线路 得到充分利用，以达到电力系统安全、可靠和经济运行的目标。 作为f a c t s 的核心装置之一，静止无功补偿器s t a t c o m 的研制和开发在国内 外引起了高度重视。s t a t c o m ( s t a t i ec o m p e n s a t o r - - s t a t c o m ，即静止补偿器，亦 华中科技大学硕士学位论文 称a d v a n c e ds t a t i cv a tg e n e r a t o ra s v g ，即新型静止无功发生器】在f a c t s 家族中 占有重要地位。就其主要原因分析如下1 1 4 - 1 5 1 ： ( 1 ) 从资源上讲，燃料价格上涨，必须提高电力系统的运行效率，使得电网中无功 潮流最小，以减少系统的无功损耗。 ( 2 ) 从经济上讲，与具有相近容量的其他装置的成本进行比较，美国e p 融认为在 容量为1 6 0 m v a r 时，s v c 与s n c o m 的成本相同，对我国的电力系统经 仿真计算，合适的单机容量在1 0 0 m v a r - 2 0 0 m v a t 左右，s t a t c o m 具有明显 的优势 ( 3 ) 从可靠性上讲，s t a t c o m 与同步调相机及发电机相比，维护管理简单，可以 实现无人值班和远方监控。 ( 4 ) 从发展上讲，许多老线路传输的功率将逐渐增加，这就要求通过无功功率控制 来恢复系统的稳定储备，而s t a t c o m 在无功控制领域有诸多优点。 1 9 7 2 年，日本发表了用强迫换向的晶闸管桥式电路作为调相装置的研究论文； 1 9 7 6 年，美国学者l c 椰g y i 在其论文中提出了用电力半导体变流器进行无功补偿的 各种方案，应用变流技术进行动态无功补偿的静止无功补偿器随后出现“纠7 1 。所谓 s t a t c o m 就是指由自换相的电力半导体桥式变流器来进行动态无功补偿的装置。另 一方面，s t a t c o m 不仅可以用于输电系统中，也可用于配电系统中，此时亦称 d - s t a t c o m ( s t a t c o m i nd i s t r i b u t i o ns y s t e m ) ，其作用是提供或吸收无功功率，维 持母线电压稳定，必要时还可滤除负荷产生的谐波。 与传统的补偿装置相比，s t a t c o m 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、增强系统稳定性、提高输配电系统的电能质量 等。随着大功率全控型晶闸管g t o 及i g b t 的出现，特别是相控技术、脉宽调制技 术p w l v l 、四象限变流技术的提出使得电力电子逆变技术得到快速发展，以此为基础 的无功补偿装置s t a t c o m 能够快速平滑地吸收感性和容性无功功率，调节系统电 压、校正功率因数、平衡负荷、滤除谐波s t a t c o m 正以其众多的优越性成为研究 热点。 0 华中科技大学硕士学位论文 1 3 2d - s t a t c o m 装置在国内外的现状和动态 迄今为止，国际上已经投入电力运行的s t a t c o m 来自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 n 公 司) 、日本( t o s h i b a 和m i t s u b i s k i 公司) ，文献【2 l - 2 3 对此都有阐述。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的2 0 m v a t 的s t a t c o m 已于2 0 0 0 年在河 南洛阳投入运行；5 0 m v a r 的s t a t c o m 也于2 0 0 5 年在上海西郊变5 0 0 k v 电网投运。 从国际范围来讲，目前s v c 与d s t a t c o m 都已得到普遍的应用。从上世纪9 0 年代末到本世纪初，d s t a t c o m 在日本及欧美得到了广泛应用，尤其是在冶金、铁 道等需要快速动态无功补偿的场合。d - s t a t c o m 能够有效改善配电网的电能质量可 以为配电网中的厂矿用户带来可观的经济效益。由此看来，国外有关电能质量控制的 研究正掀起高潮，对d s t a t c o m 装置的建模、控制模式、结构设计和不对称控制备 方面均有涉及；国内研究也开始起步，而且都是以输电系统为主发展配电网无功补 偿及谐波治理装置在技术上、市场上均可取得预见的先机。 1 3 3d s t a t c o m 的一般综述 d s t a t c o m 装置按照联结方式可以分为串联型和并联型，按其直流侧储能元件 的不同可以分为电压型和电流型，按结构又可以分为三桥臂、四桥臂和单相全桥1 4 】。 电压型s n 玎c o m 直流侧以电容为储能元件，主电路采用三相电压源桥式变换电路 v s c ( v o l t a g e - s o u r c ec o n v e r t e o 。将直流电压变为交流电压，然后通过串联电抗器接入 电网。其中电抗器起到阻尼过电流、滤除纹波的作用。电流型s t a t c o m 直流侧以电 感为储能元件，主电路采用电流源变换电路c s c ( c u n _ e n t - s o u t c cc o n v e r t e r ) ，将直流 电流逆变为交流电流送入电网，并联与交流测的电容可以吸收换相产生的过电压。在 实际应用中，由于电流型s t a t c o m 运行效率较低，所以投入运行的绝大部分都是电 压型。 s t a t c o m 是由三相逆变器和并联电容器构成的，其输出的三相交流电压与所接 电网电压的三相电压同步。连接变压器通过的电流等于零或呈容性或呈感性取决于高 低压侧电压等级的幅值，因此整个装置的无功功率的大小或极性都由通过它的电流来 9 华中科技大学硕士学位论文 调整，从而调整输电线路的无功功率，动态地使电压保持在一定范围之内，以利于提 高电力系统稳定。s t a t c o m 不仅可校正稳态运行电压，还可以在故障后恢复期间高 速稳定电压，这点对提高电力系统暂态稳定十分重要，因此，对电网电压的控制能力 很强。由于采用门极关断( c t o ) 晶闸管( 小容量可选用i g b t ) ，可避免换向失败。理 论上讲，直流侧电容器只是用来维持直流电压，不需要多大容量，而且这些电容由直 流电容器构成，体积小价格低。s i a 1 c o m 整体功能类似于同步调相机，但却大为简 化。s t a t c o m 的调节范围大，不会发生响应迟缓，反应速度快，没有转动设备的机 械惯性、机械损耗和旋转噪声。并且因为s t a t c o m 是一种完全的固态装置。所以它 既能响应网络中的稳态也能响应暂态变化，它的控制响应速度要比同步调相机快一个 数量缴。s 耵玎c o m 是个电压源，其电流值不受系统电压的影响，所以s t a t c o m 控 制电压的能力要强。 d - s t a t c o m 是面向系统的补偿装置，它通过向电网的公共耦合点( p c c ) 注入电 流，对负荷电流中的谐波分量进行补偿，从而抑制负荷的高次谐波、不对称、无功及 闪变等有害因素对系统的影响，避免因负荷电流畸变引起的系统电压波动或跌落现象 聊。l 。它通常安装在网络和负荷之间，与负荷相并联。d s t a t c o m 采用并联电流补 偿方式，其输出电流可以在很大的电压变化范围内恒定，并且可实现从感性到容性全 范围内的连续调节，具有输出感性无功和容性无功的双向调节能力为了减少乃至消 除电力设备的谐波和无功电流对电网的污染，向电网注入与负载的无功和谐波反向电 流是可行且有效的，这是典型的并联有源滤波器对电网的补偿方法b o j 。 1 4 本论文的主要研究任务及成果 1 4 1 选题背景 本论文题目及研究方向的选取，是根据北海银河高科技产业股份有限公司所开发 的连续无功补偿及谐波治理装置作为对象的，该装置2 0 0 4 年已经列入了国家发改委 输配电混成控制系统高新技术产业化示范工程，有国家专项资金资助以及清华大学电 力系统国家重点实验室的技术支持，更重要的是，试验样机已经在现场试运行，利用 已建立的实验环境，可将实验装置接入模拟配电线路和模拟抽油机负载进行实验； l o 华中科技大学硕士学位论文 d - s l x r c o m 装置在今后的发展道路上有着广阔的应用前景。 1 4 2 论文主要研究任务 本文作者参与了低压配电网电压型并联三桥臂d s t a t c o m 装置( 容量：3 0 k v a ) 的工程设计，参与了装置主电路的算法研究及样机试验、装置在油田配电网中的应用。 具体主要研究任务有： ( 1 ) 进行充分的文献调研，讨论d s t a t c o m 装置的应用背景和研究现状，并提 出配电网电能质量问题分析及解决方法； ( 2 ) 分析d s t a t c o m 的工作原理及装置基础算法设计； ( 3 ) 通过算法提高谐波滤波性能，通过算法提高无功功率可调范围，通过算法降 低d s t a t c o m 装置的功耗，提高本身运行效率； ( 4 ) 解决工程应用中的调试不方便问题；解决相序自动识别问题： ( 5 ) 参与现场调研，得出d s t a t c o m 装置在油田应用中电能质量治理效果的评估。 1 4 3 论文的组织结构 本论文第一章为绪论，分析了常见的电能质量问题( 谐波，无功等) ：阐述电能 质量问题就地解决的概念；分析了现有治理装置存在的不足，提出治理思路；阐述 d s t a t c o m 的概念。 第二章对d s t a t c o m 装置基础算法做了概述。分别阐述了装置的基本工作原 理、系统结构原理总图，分析了系统参考电流的获得、装置参考电流的获得、装置参 考电压的获得以及p w m 波形的产生；最后对装置主电路也做了介绍。 第三章对装置的性能进行了分析与改进。分析了改善的系统波形，包括死区补偿、 瞬时功率测量、开关策略优化、相序白适应等；还分析了如何降低装置功耗，提高本 身运行效率。 第四章为d s t a t c o m 装置在油田低压配电网现场中电能质量治理效果的评估。 分别对无功补偿效果、谐波治理效果进行了现场试验和结果分析。 第五章为论文的总结及展望，还指出了现有装置在产业化过程中还需要改进的地方。 华中科技大学硕士学位论文 2 1 算法基本思路 2 装置基础算法研究 本论文所讨论的d s t a t c o m 装置功能实现原理【”1 是，将装置安装在系统电源和 负载之间，电流关系满足以下关系：负载电流= 系统电源提供的电流+ 装置电流，理 论上要求系统侧是提供基波电流。由装置采集负载电流进行分析，分解出基波电流和 谐波电流，将谐波电流作为控制量去控制装置产生与负载谐波电流方向相反、大小相 等的谐波电流，从而使得系统侧只提供基波电流，达到谐波治理的目的。功能实现原 理见图2 1 。 图2 1 基本结构原理图 无功补偿的目的是为了提高功率因数，尽量减小系统电流和电压的夹角。装置将 采得的负载电流信号进行分析，分解成与系统电压同相位的有功电流和与系统电压成 9 0 度夹角的无功电流；将无功电流部分作为控制信号去控制装置使其输出与之相反的 电流，那么系统只需提供与电压相角相同的有功电流，即完成了无功功率的补偿 由以上的基本思路我们知道，d - s t a t c o m 装置控制策略需要完成的工作是根据 系统侧应该提供的三相参考电流( 正序有功基波电流) ，用实测负荷电流减去参考电流 得到补偿装置应该产生的补偿电流，再通过分析数学模型将补偿电流的产生反应到对 装置交流侧电压的控制上，最后再反应到对装置的开关时间的控制上。原理见图2 2 华中科技大学硕士学位论文 所示。 图2 2 三相d s t a t c o m 结构图 d s t a t c o m 的控制器应实现2 个功能嘲：首先必须能实时准确的检测出负荷所 需无功功率；其次必须能根据计算出的参考电流波形，实时输出相应波形。以下讨论 控制参数如何获得。 2 2 系统参考电流的获得 2 2 1 有功功率的计算 对于三相三线制系统，负载有功功率的计算公式为： 华中科技大学硕士学位论文 尸= 吾r + u b c * i b ) d t = ；n 。+ “。) + + u b c * 】毋 = i r u a b * i a + u b c * ( i a + ) 坤 2 - 1 ln - 1 4 专萎u a m * i a k + u 一+ o m + ) 根据上式可以看出，求有功功率是将a b 线电压，a 相电流，b c 线电压，b 相电 流按式中求积求和，然后平滑滤波，数据窗宽度为n ，即一个工频周期中的采样点数。 需要注意的是，在三相系统中存在下式关系： 日+ 1 4 b c + i a c a 20 (2-2) 2 2 2 系统参考电流的计算 由上面基本思路可知，装置设计的基本思想是：“系统只提供负载中所需的有功功 率电流”，所以要将这个电流计算出来，计算的方法就是用有功功率的值去除以f 包压 值： 一p i s _ r 2 瓦 ( 2 3 ) 岛一可= 厶一可s i i l 妒 矗一一为系统参考电流基波有功分量幅值；i s 一呵为系统电流基波有功分量瞬时值； p 为本点与线电压上升沿过零点间的角度。 采用专门的测频通道对系统的三相电压进行测频处理嘲，转换成同步方波；采用 d s p 2 4 0 7 的e v a 事件管理模块的c a p i 、c a p 2 、c a p 3 捕捉测频方波信号的上升沿； 构造电流的角度与模拟通道系统电压的角度保持一致，要求捕捉模拟通道三相系统电 压的过零点；先确认铡频通道和模拟通道同相频率存在的角差。然后通过测频通道捕 捉过零点获取电压的角度信号，再将角差补偿进去作为模拟通道的实际过零点。 华中科技大学硕士学位论文 采用自动校验同步角差的方法：装置捕捉测频通道过零点，模拟通道的过零点是 通过过零点前后的两个采样点线性拟合出来的。可以采用另一种方法，对硬件结构作 调整，在装置未投入运行而进行厂内调试时，模拟通道由于没有叠加谐波认为捕捉的 过零点是可靠的，同时捕捉测频通道合模拟通道三相电压的过零点，求出装置上通向 电压两路通道的固有角度差作为常数保存。当装置投入运行时，对模拟通道的过零点 捕捉不再工作，而仅仅测频通道捕捉过零点，将获得的相位信号用固定角差进行补偿 作为构造电流的相位，实现系统与构造电压的相位同步。 2 3 装置参考电流的获得 2 3 1 负载参考电流 负载电流可以直接测量。，为了减小控制延时，对负载电流进行下一个计算周期 的预测即为负载参考电流乇。 2 3 2 装置参考电流的计算 显然，负载电流减去系统参考电流后就是装置电流： k 一硝。l p r e l s 一何( 2 - 4 ) 2 4 装置参考电压的获得 电压源型装置的直接控制输出量是电压，因此在检出无功谐波电流乞、乞以 后，还需要进一步求出装置输出的参考电压，才能进行控制，实现让装置输出期望的 无功谐波电流的目的。将d s t a t c o m 的简化等效原理图示于图2 3 。 图2 3 三相d s t a t c o m 等效原理图 华中科技大学硕士学位论文 电阻，是一个等效电阻，代表装置的整体损耗。由图中可以得出： 叱+ 心+ 三鲁 v 。飞帆+ 哮 铲”+ l 等 ( 2 - 5 ) 如果能够控制装置输出电压v 埘、k ，也就是输出了期望的电流、乞， 实现了补偿目的。 目前一个很常用的方法就是在“一坐标下利用瞬时有功无功理论【3 0 】检测参考电 流并求解装置输出的参考电流，然后利用空间电压矢量法产生p w m 脉冲( s v p w m ) 。 然而这种基于“一坐标系的控制方法在三相三线制系统中应用时还存在着一定的缺 点： 1 、算法中利用的是相电压，但对三相三线制系统来说，精确测量相电压有时候 是很困难甚至不可实现的。这也是我们放弃这种方法而寻求新方法的根本原因。 2 、这种基于“一坐标系的控制方法对电压、电流都需要进行坐标变换，最终求 p w m 脉宽时要计算三角函数，而且要先计算出矢量作用的时间再转换为触发脉冲时 间，计算量很大，不利于数字实现。 正是针对这些缺点，作者提出一种新的基于一个等效系统的方法来进行补偿。 对式( 2 5 ) ，将其中的等式两两相减，可得 = 十，心一如) + 工掣 吨+ ，( 屯训+ 工韭 ( 2 - 6 ) + r 心训+ 等 憋兰 电流变成了两相电流之差的形式。定义： ( 2 7 ) 华中科技大学硕士学位论文 这样可以定义一个新的系统其系统侧“相电压”分别为、v 黝，装置 输出“相电压一分别为、v 埘，装置输出“相电流一为、。系统 的等效原理图如图2 4 所示： 足： 图2 , 4 三相m s l = a t c o m 等效系统的等效原理图 对上图中没有画出的负荷部分，同样可以将负荷电流也都定义成两相之差的形 f = 屯一 = k 一屯 【k = 屯一屯 ( 2 8 ) 不管原系统的电压、”是否对称，在等效系统中各处的电压、电流都满 + ”k + = 0 ( 2 9 ) k + k + k 2 0 ( 2 1 0 ) 针对此等效系统。可以完全按照处理实际三相系统的方法来进行参考电流的检测和控 制。计算所得的数据与图2 3 等效系统计算数据完全一致。这样直接利用线电压进行 求解、控制，就解决了所提出的第1 个问题：基于口一声坐标的算法需要利用相电压 但相电压又不易精确测量。 1 7 华中科技大学硕士学位论文 2 5 p w m 波形产生 2 5 1p w m 技术的发展概况 脉宽调制技术( p u l s e w i d t h m o d u l a t i o n - - p w m ) 是电力电子研究的一个重要领域， 对于d 。s t a t c o m 来说，p w m 技术是其重要的组成模块 1 9 6 4 年，a s e h o n u n g 和h s t e m m i e r 在( b b c 评论上发表文章，把通讯系统中 的脉宽调制技术应用到交流传动中，产生了正弦脉宽调制的思想，从而为现代p w m 控制技术奠定了基础【l ”。最初p w m 采用模拟电路实现，到目前为止，已经出现了实 时在线的全数字化方案的p w m ，发展十分迅速。p w m 因为具有可以实现变频变压反 抑制谐波的特点，在电力电子控制系统占有十分重要的位置。p w m 控制技术大致可 以分为正弦p w m 、优化p w m 及随机p w m 。 最常用的p w m 技术称为正弦p w m l 3 t - 3 6 1 ，也就是s p w m 。这种p w m 的脉冲宽 度按正弦规律变化，可有效抑制低次谐波，并使电机工作于近似正弦的交变电压下， 转矩脉动比较小。 优化p w m l 3 7 - 3 9 1 的思想是以某个需要控制的参数( 如效率最优、转矩脉动最小、 t h d 最小等) 为目标对开关角进行优化计算。 随机p w m i ” 是在研究改善电机噪声性能时产生的一种方法，其原理是随机改变 开关频率使电机电磁噪声近似为限带白噪声( 在线性频率坐标系中，各频率能量分布 是均匀的) ，尽管噪声的总分贝数未变，但以固定开关频率为特征的噪声强度大大消 弱。 2 5 2p w m 波形产生 由等效系统计算得到的是线电压，不能直接套用空间矢量法来求开关元件的导通 时间。不过不管对哪种p w m 方法，其理论基础都是，在一个较短的时问内，脉冲所 产生的冲量相等。基于这一理论基础，就可以不必拘泥于已有的产生p w m 波的方法， 从而根据在一个控制周期内电压脉冲的冲量相等的原则，直接在“h 坐标下求解开 关元件应该导通的时间，得到需要的p w m 波。 华中科技大学硕士学位论文 c 图2 5 p w m 波形的产生