（电气工程专业论文）statcom在低压配电系统中应用的研究.pdf

华北电力大学工程硕士学位论文摘要 摘要 近年来，随着无功功率理论和补偿装置的研究进展，静止同步补偿器( s t a t i c s y l l c h r o n o u sc o m p e l l s a t o r ，s t a t c o m ) 得到了迅速的发展。本文针对配电系统 s t a t c o m 的开发和应用进行研究，建立了s t a t c o m 稳压型单桥路静止同步补偿器数 学模型，确定了各参数的选择范围，并提出了适用于配电系统s t a t c o m 的控制策略。 论文分析了s n 盯c o m 装置中几个比较重要的系统参数：连接电抗、等值电阻、直流侧 电容值的选取以及p i 控制参数的选择范围，通过理论分析给出了参数选择的思路。借 助m a t l a b s i m u l i n k 仿真工具，验证了s r c o m 对提高系统暂态稳定性的作用。 最后探讨了具有储能元件的s 仉玎c o m 在解决电能质量方面的应用。 关键词：静止同步补偿器，数学模型，暂态稳定，直流侧，储能元件 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r ，a l o n gw i t hal o to fs i g n i f i c a t i v ep r o d u c t i o ni nr e a c t i v ep o w e rt h e o r y a l l dc o m p e n s a t o r s t a t i cs y i l c h r o n o u sc o m p e n s a t o rh a sr a p i dd e v e l o p m e n t t h i sm e s i si s j u s tt 0t h ed e v e l o p m e n t 趾du s i n go fs 孔盯c o mi nd i s t r i b u t i o ns y s t e r l l t h em a t h e m a t i c s m o d e lo f s t e a d yv o l t a g et y p es i i l 西eb r i d g es t a t c o m h a sb e e ns e tu p t h ec h o i c e 瑚g eo f e v e wp 眦l 酏e rh a sb e e l lc o n f i m e d ，a i l dt h ec o n 缸0 1s 仃a t e g ys u i t a b l ef o rs 仉叮c o mi i l d i s t r i b u t i o ns y s t e mh a u sb e e i l p r o p o s e d s o m es u g g e s t i o n s硒rm ep r o p c rs e l e c t i o no f p a r 锄1 e t e r sa r ep r o p o s e ds u c h鹤e q u i v a l c n c cr e a c t a i l c e ，e q u i v a l c n c er e s i s t a l l c e ， e l e 嘶c c a p a c i 够o fe n e r g ys t o r a g eo fd cs i d e ，p i ，e t c u s i l l gm l a b s i m u l i n ki m p r 0 访n g 仃a 芏l s i e n ts t a b i l i z a t i o no fs t a t c o mi sv a l i d a t e d a tl a s t ，t l l ea p p l i c a t i o no fi m p r 0 v i n gp o w e r q u a l i t yb yu s i n ge n e r g ys t o r i n ge l 锄e n ti ns t a t c o m i sd i s c u s s e d y a n g y a n g ( e l e c t r i ce n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o z h a n gj i a n c h e n g k e yw o r d s ：s t a t i c s y n c h r o n o u sc o m p e n s a t o bm a t h e m a t i c a lm o d e l ， t r a n s i e n t s t a b i l i z a t i o n ，d cs i d e ，e n e r g ys t o r i n ge l e m e n t 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文s t a t c o m 在低压配电系统中应 用的研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究 工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其 他教育机构的学位或证书而使用过的材料。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作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 华北电力大学工程硕士学位论文 1 1 课题背景 第一章绪论 电力是国家的支柱能源和工业经济命脉，经济的飞速发展而导致用电量的急剧 增加和国内各大型电厂的建设投产，将出现大规模的联合供电系统，这样的供电系 统的建立将带来巨大的经济和社会效益，但是，如何保证该系统安全、稳定、经济 的运行以及保障供电质量是摆在电力科技人员面前的一个重大而迫切的问题。由于 配电网结构、运行变化等原因，我国配电网损耗、电压合格率等技术指标与发达国 家相比有一定差距。由于电压不合格等原因造成用户电器烧毁的现象仍然存在，而 网损过高不仅使得生产的宝贵电能白白浪费，并且影响电力企业的经济效益【1 】【2 】【3 1 。 随着科技的发展，各种电器的数量越来越多。在人们日常生活以及工业生产中， 感性负载所占据的比例的仍能很高，无功功率问题逐渐成为电力系统和电力用户都 十分关注的问题，也是近年来各方面关注的热点之一，功率因数也是衡量电能质量 的三大指标之一。容性负载包括计算机、开关电源、电视、输电线路等，虽然所占 比例不大，但是对电力系统的影响也不容忽视。输电线路的电感性无功功率小，由 于电容效应，输电线路产生的容性充电功率大于输电线路吸收的电感性无功功率， 必须满足电力系统无功平衡的需要，以维持电力系统的电压水平，否则电力系统电 压过高，将无法保证安全运行。 尽管采用传统方法可以提高电能质量，如采用装设不间断电源( u p s ) 、备用发 电机、机械投切的双回路线路、无源滤波器等措施保护关键负荷，但这些设备投资、 耗损都比较大，而且有些效果并不明显，常不能满足用户所需的电能质量要求。因 此，采用新技术如静止同步补偿器对配电网进行综合电能质量补偿已势在必行【4 】【5 1 。 无功功率对电网的影响主要有以下几个方面： ( 1 ) 无功功率对设备容量的影响 无功功率的增加，会导致电流增大和视在功率增加，从而使发电机、变压器及 其他电气设备容量和导线容量增加。同时，电力用户的起动及控制设备、测量仪表 的尺寸和规格也要加大。 ( 2 ) 无功功率对有功功率的影响 输电线路的主要任务是输送有功功率，而为了实现有功功率的传输和电网无功 功率的平衡，一般也需要输送一定量的无功功率。输送无功功率时需要消耗有功功 l 华北电力大学工程硕士学位论文 率。当有功功率一定时，无功功率越大，则网络中有功功率损耗就越大。设线路总 电流为，= ，p + ，。，线路电阻为r ，则线路损耗p 为： 舻纠r 叫；+ 彩尺：与等r ( 1 1 ) 式( 1 1 ) 中，( q 2 扩) r 这一部分损耗就是由无功功率引起的。 ( 3 ) 无功功率对电压的影响 电力系统中无功功率平衡水平对电压水平有较大的影响。如果发电机有足够的 无功功率备用，系统的无功电源比较充足，就能满足较高电压质量下无功功率平衡 的需要，系统就有较高质量的运行电压水平。反之，如果无功功率不足，系统只能 在较低质量的电压水平下运行。另外，电能在电力网中传输时，要损失掉部分有功 功率和无功功率。当无功功率损耗较大时，将引起系统电压大幅度下降，影响系统 运行的稳定性、经济性。 无功电源的布局、无功功率的传输以及无功功率的管理，直接影响线路的损耗 和电力系统的经济运行。当有功功率和无功功率通过网络电阻时，会造成有功功率 损耗。当网络结构已定，输送有功功率一定时，总的功率损耗完全决定于无功功率 的大小。功率因数的提高，能使发电设备的容量得到充分利用，同时也能使电能得 到大量节约，在同样的发电设备的条件下能够给更多的负载供电。从经济观点出发， 如何解决这个矛盾，也就是如何才能减少无功在线路上的流动和交换，同时又使电 感性负载能够取得所需的无功功率。因此，无功功率补偿对电力系统有着重要意义。 无功补偿的作用主要有以下几点： ( 1 ) 提高供用电系统及负载的功率因数，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。 在长距离输电线中合适的地点设置动态的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，可对三相视在功率起到平衡作用。 1 2 无功补偿的发展概况 从电力系统的诞生开始，并联补偿技术就开始在电力系统中应用，同步调相机 可以看作是最早的并联补偿装置。它是专门用来产生无功功率的同步电机。在过励 磁和欠励磁的情况下，可以分别发出不同大小的容性和感性无功功率。在很长一段 时间内，同步调相机在电力系统无功补偿中一度发挥主要作用。然而，由于它是旋 转电机，运行维护复杂，响应速度较慢，随着负荷中心地区对环境要求的提高，旋 2 华北电力人学：l i 程硕士学位论文 转设备带来的噪声等问题使居民越来越不满意。目前有些国家已经不再使用同步调 相机。 静电电容器可以改善线路参数，减少线路的感性无功功率，补偿系统的无功功 率。由于它供给的无功功率与节点电压的平方成正比，当节点电压下降时，它供给 的无功功率反而会减少，所以静电电容器的无功功率调节性能较差。但由于其维护 较方便，装设容量大小可变，既可集中使用又可分散装设，所以目前仍是我国采用 的主要补偿装置。 电力系统发电、输电、配电与用电必须同时完成，系统始终要处于动态的平衡 状态，电力系统瞬时的不平衡可能导致安全稳定问题，因此要求并联补偿装置具有 快速的响应，如达到周波级的响应速度，才能用于处理系统的问题。由于机械投切 装置惯性大，动作时间在秒级，满足不了电力系统对快速性的要求，而随着大功率 电力电子技术的发展，采用高压大容量快速的电子开关替代机械开关已经成为趋 势。因此在2 0 世纪7 0 年代，出现了一系列的晶闸管投切的并联补偿装置和晶闸 管控制的并联补偿装置，使电力系统的并联补偿进入了一个新的阶段【6 j3 1 。 早期的静止无功补偿器是饱和电抗器( s a t u r a t e dr e a c t o 卜s r ) 型的，如图1 1 。 1 9 6 7 年，英国g e 公司制成了世界上第一批饱和电抗器型静止无功补偿器。此后， 各国厂家纷纷推出自己的产品。饱和电抗器与同步调相机相比，具有静止型的特点， 响应速度快；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 据无功补偿的主流。 ( a ) 翻镪翱电抗器内) l 刁。挖饱和也抗器 图1 1 自饱和电抗器和可控饱和电抗器装置图 t s c ( t h y r i s t o rs w i t c h e dc o m p e n s a t o r ) 型s v c ( s t a t i c 、c o m p e n s a t o r ) 由电容器 和双向导通晶闸管组成，其装置图如图1 2 ( a ) 所示。这里的晶闸管仅起开关的作 用，t s c 只能提供容性电流，将多组t s c 并联使用，根据容量需要逐个投入可以 获得近似连续的容抗。t s c 虽然不会产生谐波且损耗较小，但它对于冲击性负荷引 华北电力大学： 程硕士学位论文 起的电压闪变不能进行很好的抑制。f c t c r ( f i x e dc a p a c i t o r - t h ”i s t o rc o n t r o l l e d r e a c t o r ) 型s v c 由t c r 和若干组不可控电容器并联而成，图l 一2 ( b ) 为其装置 图。其中，电容器为固定连接，t c r 支路采用触发延迟控制，形成连续可控的感性 电流，t c r 的容量大于f c 的容量，以保证既能输出容性无功功率也能输出感性无 功功率。f c t c r 型s v c 虽响应速度快，但由于t c r 在工作中产生的感性无功 电流会被固定电容中的容性无功电流平衡，所以容易造成器件和容量的浪费，造成 很大经济损失。t s c t c r 型s v c 一般使用n 组电容器和一组晶闸管相控电抗器， 图1 2 ( c ) 为其装置图。它的无功输出可在容性和感性范围内调节，在电力系统大 扰动期间或扰动过后，因其电容器和电抗器可分别切除和投入，因此可将瞬间过电 压降到最低。 强 ( a ) 1 s e( b ) f c j r c re ) 1 s c t c r 图l - 2s v c 装置图 由于基于晶闸管的静止无功补偿装置具有优良的性能，所以，近1 0 年以来， 在世界范围内其市场一直在迅速而稳定的增长，已占据了静止无功补偿装置的主导 地位。晶闸管投切或控制的并联补偿装置彻底改变了机械投切装置或旋转装置速度 慢的缺点，控制速度快，维护简单，成本较低，因此在电力系统中获得了大量的应 用。但这些并联补偿装置本身也存在一定的问题，如晶闸管控制的装置只能以斩波 方式工作，因此会产生较大的谐波，其次这些装置并联接入电力系统后会改变系统 的阻抗特性，过多安装这些设备可能导致系统振荡，而且正是由于这些设备还保留 了阻抗型装置的一些特性，因此在系统电压偏低或偏高时，阻抗型装置的缺点( 如 电压低时电流也减小，导致补偿容量与电压平方成正比下降) 影响了并联补偿装置 的补偿效果。由于晶闸管的关断不能控制，因此开关频率低，对配电系统电能质量 补偿能力弱。 随着高压大容量可关断器件，如i g b t ( 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 ) 、 g t o ( g a t et u m o f ft h y r i s t o r ) 、i g c t ( i n t e g r a t e dg a t ec o m m u t a t e dt h y r i s t o r ) 器件的发展， 2 0 世纪8 0 年代出现了基于可关断器件的电压源或电流源变流器的并联补偿装 置，这种并联补偿装置的特性完全脱离了阻抗型装置的特性，成为完全可控的电压 源或电流源，使得并联补偿装置的性能得到较大的提升。由于可关断器件工作频率 4 华北电力大学工程硕士学位论文 较高，变流器输出的谐波小，变流器工作范围大，输出电流独立于电压，因此在系 统电压低时这种补偿装置具有很好的特性。而且基于变流器的并联补偿装置不需要 大体积的电力电容器与电力电抗器，体积小，调节速度快，根据电力系统需要灵活 配置。基于变流器并联补偿装置的典型代表是静止同步补偿器 ( s t a t c o m ) 装置。2 0 世纪9 0 年代以来，基于变流器的并联补偿装置在输电系 统和配电系统中获得了越来越广泛的应用。它在电网中吸收和发送无功，使传输容 量更接近热稳极限，调节电压，以及抑制电压闪变提高系统的暂态稳定水平，而在 配电网中主要起补偿交流负载所需的无功分量，维持节点电压稳定，以及补偿可能 出现的谐波这些作用。 1 3s n 盯c o m 基本原理 图1 3 为s 仉盯c o m 的原理示意图，其中直流侧为电容，为s 汀c o m 提供直 流电压支撑，g t o 逆变器通常由多个逆变器串联或并联而成，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g t o 的驱动 脉冲进行控制。连接变压器将逆变器输出的电压变换到与系统电压等级相同，从而 使s t a t c o m 装置可以并联到电力系统中。连接变压器本身的漏抗可以用于限制电 流，防止逆变器故障或系统故障时产生过大的电流【1 4 d 。7 1 。 甜0 逆变器连接变聪嚣电力系统 僦一 黼一 a ) 瞳逸 可一 生 - 面 b ) 图1 3s t a t c o m 装置调节无功的原理示意图 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，设s 仉虹c o m 装 置产生的电压为矽，系统电压为以，连接电抗为兄则s t a t c o m 装置吸收的电 流为： j ：坠二坠( 1 2 ) 5 华北电力大学工程硕士学位论文 因此s t a t c o m 装置吸收的视在功率为： s ：【7 。j ：【7 。旦 ( 1 3 ) s = 【，。，= 【，。二l 1 ( 1 3 ) 一j x 通常情况下，s 仉盯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 其产生的电压矽，与系统电压矽。相位相同，所以s t a t c o m 装置吸收的无功功率为 q 幽( 垆h ( 以等) = 半 ( 1 叫 当控制s 孔c o m 装置产生的电压小于系统电压( 即u ， o ，此时s t a t c o m 装置相当于电容。由于s 玑虹c o m 装置产 生的电压【7 ，的大小可以连续快速地控制，因此s n 盯c o m 吸收的无功功率可以连续 地由正到负快速地调节。 1 4s 吖汀c o m 研究现状及发展 s n 玎c o m 在世界范围内得到了广泛的研究并在现场运行中得到了良好的效 益【1 8 越】，在国内外的发展过程大致如下： 1 起步阶段。早在7 0 年代，这一时期主要是日本、德国、美国进行一些小容 量的实验室研究，同时也有进行了并网试验。 2 发展阶段。自日本三菱公司于1 9 8 0 年成功研制基于晶闸管的士2 0 m v a r s t a t c o m 以来，s t a t c o m 作为f a c t s 的重要成员已引起各国电力工业界的重视， 得到迅速发展和应用。在f a c t s 技术这一概念提出后技术发达国家相继投入研 究，1 9 8 8 年美国电力科学研究院( e p r i ) 开始执行f a c t s 的研究计划，在此计划中 首推研究项目就是s t a t c o m ，1 9 9 1 年日本的三菱、日立、东芝又分别推出了8 0 m v a r 的基于g t o 的s n 盯c o m 装置。美国g e 公司和西屋公司与电力科学院于也于1 9 8 8 年 和1 9 9 5 年分别安装了1 0 m v a r 与1 0 0 m v a r 的s 耵盯c o m 装置，其间德国西门子公司的单 机8 m v a rs 仉玎c o m 装置也投入了运行。日本在8 0 年代后期开始研究用可关断元件 实现s l 盯c o m 并投入研究，如日本犬山开关站8 0 m v a 基于g t o 的s t a t c o m 投 入运行，1 9 9 2 年日本新信浓电站的5 0 m v a 的s n 盯c o m 又投入运行，如此等等。 3 、技术趋于成熟阶段。这一时期世界各国相继投入研究并取得了很大成果。 如美国1 9 9 5 年在田纳西流域管理局所属s u l l i v a n 电站的1 0 0 m v a rs 仉盯c o m 投入运行，英国1 9 9 7 年白金汉郡4 0 0 k v 东c l a y d o n 电站7 5 m v a rs t a t c o m 投 6 华北电力大学工程硕士学位论文 入运行，1 9 9 9 年夏，我国首台由清华大学与河南电力局共同研制的新型2 0 m v a r s t a t c o m 在河南2 2 0 k v 电网中成功投入运行，用以提高其控制功率和控制电压能 力，提高稳定性能( 其响应时间小于3 0 m s ) 。2 0 0 1 年2 月国家电力公司电力自动化 研究院也将士5 0 0 k v a r 的s 玑盯c o m 投入了运行。 s 吖汀c o m 的发展初期主要应用在输电网中，并在输电网起到了很大作用。而 随着电力系统的发展和社会的进步，电能质量问题往往与用户经济利益相联系，制 冷电子控制器、芯片测试仪、可编程控制器、精密机械工具、直流电机、调速电机、 交流接触器和计算机这些用户设备对电能质量的严格要求，解决这些用户的电能质 量问题就显得尤为重要。配电网中无功功率需求往往很大而且变化也很大，电网的 运营商希望最少的无功在电网中传播减少电网间的损耗，而s 吼虹c o m 应用于配电 网中就起到快速调节电压，发出和吸收电网的无功功率，同时可以抑制电压闪变等 作用，对改善电能质量有相当大的作用。 s 吖汀c o m 成功应用于配电系统。如对风力发电的电能质量进行优化，丹麦电 力于1 9 9 8 年着手的r e l j s b yh e d e 项目就是利用士8 m v a r 的s 仉盯c o m 或s v g 改善 2 4 m w 的风力发电厂的电能质量，并评价和研究s t a t c o m 用于动态控制网络电压 的效果。1 9 9 9 年7 月，美国华盛顿州的s e a t t l e 钢铁公司安装了一个5 m v a r ，4 1 6 k v 配电级静止无功补偿器( d s n 盯c o m ) ，该装置已于2 0 0 0 年2 月完成最后的试运行， 并已投入工作。该装置提供了一个先进、高速的控制技术，它对无功功率的补偿、 电压闪烁补偿、电压稳定、功率因数控制、以及其它配电系统的用于改善电能质量 的改善措施都有很好的作用。另外，s t a t c o m 也还有用于补偿电弧炉的电压闪烁 方面的研究报道。最早采用s n 盯c o m 进行该项尝试的是由美国电力研究所和西屋 电气公司于1 9 8 6 年研制的产品，当时采用的是晶闸管型s 仉盯c o m 。9 0 年代后， s t a t c o m 已大量进入到电弧炉的补偿领域，并取代传统的s v c 。它克服了s v c 体 积大和费用高的不足。用于电弧炉补偿的最大s t a t c o m 综合装置是1 9 9 8 年安装 的，它位于t e x a s 。该系统包含了一个8 0 m v a r 的s 仉盯c o m 、以及6 0 m v a r 的电 容器组。 可见，s t a t c o m 以其优越的特性在高压大容量的输电系统中的得到了蓬勃发 展，并且在实际应用中起到了极为精彩的作用，正逐渐取代传统的s v c 。同时， s n 订c o m 在配电系统中的研究与应用也取得极大的发展。可以预计，在未来的1 5 年内，s n 订c o m 将成为动态调节电网无功和电压的重要成员。研发适用于配电系 统中的s n 订c o m 也就有实际的应用意义。 1 5 本文主要工作 7 华北电力大学：i ：程硕士学位论文 在了解s t a t c o m 研究现状和工作原理的基础上，对s t a t c o m 在配电系统 中的应用进行分析研究，主要工作分为以下几个部分： 1 对d s t a t c o m 的主电路结构进行分析，确定适用于配电网的结构。对 d s t a t c o m 进行机理分析，采用输入输出的建模方法建立d s t a t c o m 的动态数 学模型。 2 对d s t a t c o m 的控制策略进行研究，探讨选取合适控制策略的方法。 3 利用m a t l a b s i m u l i n k 对配电系统s 仉盯c o m 进行建模，验证s t a t c o m 对提高系统暂态稳定性的作用。 4 探讨并分析s m 玎c o m 装置在直流侧增加储能元件后，使其能够运行在四个象 限内的控制技术。 华北电力大学工程硕士学位论文 第二章s n 盯c o m 对低压配电系统暂态稳定性的提高及仿真 本章围绕配电系统的特点，设计了d s 玑盯c o m 的主电路，对其控制策略方面 进行研究和分析，并建立了d s 仉盯c o m 的数学模型，对系统参数进行了辨识。 2 1 低压配电系统s 仉盯c o m 系统构成 2 1 1 配电系统s t a t c o m 的基本特点 配电系统中的f a c t s 技术与输电系统中的f a c t s 技术不完全相同。在高压输 电网络中，f a c t s 设备的主要作用是：调整输电线路的参数，控制线路的潮流，提 高输电线路的功率传输极限，使输电线路的潮流能按预定计划实现控制，提高全网 的经济性；也可以通过快速控制提高系统动态性能，如调节电压、抑制功率振荡和 抑制次同步振荡等。而在配电系统中f a c t s 用来提高供电质量，即减小电压波动 与闪变、消除各相电压不平衡，使电压的幅值符合要求、功率因数也符合要求并保 证供电可靠。由于在两个系统中的控制目的不同，必须针对配电系统的特点来研究 f a c t s 的应用。此外，两个系统的电压等级不同，在低压配电系统中电力电子器件 的选择范围更广泛，发展f a c t s 技术具有优越性，用f a c t s 技术提高供电质量具 有可观的经济效益【2 3 】。 - 对于配电系统来说，由于负荷的变化是随机的，其参数是分散的，那么 s 吖汀c o m 既要补偿电网中的电压，又要补偿电流。要同时做到这两个方面的实时 的动态补偿，还是有一定的困难。所以本研究针对配电网的这种特点，旨在研究一 种控制策略，来解决配电系统s l 订c o m 的问题。 2 1 2 配电系统s t a t c o m 的电路结构 s n c o m 的基本原理是将桥式变流电路通过电抗器并联在电网上，通过适当 调节桥式变流电路交流侧输出电压的相位和幅值，或直接控制其交流侧输出的电 流，使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流，从而实现动态无功补偿的目的。 本课题研究的s 仉盯c o m 装置主要是应用于配电系统，不需要像输电补偿用的 s t a t c o m 装置那样大的容量，只用一个三相逆变单元就可以。因此，有关单桥路 s t a t c o m 装置基本实现原理的研究对课题有重要的意义。 在单相电路中与基波无功功率有关的能量是在电源和负载之间来回往返的。但 是在平衡的三相电路中，不论负载的功率如何，三相瞬时功率之和是一定的，在任 何时刻都等于三相总的有功功率。总体上看，在三相电路的电源与负载之间没有无 9 华北电力大学工程硕士学位论文 功能量的来回往返，无功能量是在三相之间来回往返的。所以如果能用三相桥路的 办法将电路三个单相部分总体上统一起来处理，则总的三相电路电源和负载之间没 有无功能量的传递，在总的负载侧就无需设置无功储能元件。因此理论上讲， s t a t c o m 的三相桥式变流电路的直流侧可以不设储能元件，但是由于实际线路中 谐波的存在，各次谐波之间的交叉功率使得逆变器与交流系统之间仍有少量的无功 能量的交换，而且逆变器本身在工作时多少也要消耗一部分能量，所以为维持桥式 电路的正常工作，其直流侧仍需要一定大小的电感或电容作为储能元件，但是储能 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，它能为系统提供的无功容量 主要受逆变器的容量限制，这也是s t a t c o m 装置比s v c 装置优越的原因之一。 ( a ) 电压型桥式电路( b ) 电流型桥式电路 图2 1s 仉蟠c o m 的电路基本结构 根据直流侧储能元件的不同，s n 盯c o m 分为采用电压型桥式电路和电流型桥 式电路两种类型( 见图2 1 ) ，对于电压型桥式电路，还需再串联上连接电抗器才能 并入电网，连接电抗器的作用是将逆变器与交流母线这两个电压不等的电源相连 接，另外一个作用是可以抑制电流中的高次谐波，电感的数值并不需要很大；对电 流型桥式电路，还需要在交流侧并联上吸收换相过电压的电容器。实际上，由于运 行效率和装置体积成本等方面的原因，迄今投入实际运行的s n 玎c o m 大都采用的 是电压型桥式电路，因此目前s n 玎c o m 往往专指采用自换相的电压型桥式电路作 动态无功补偿的装置。本课题所研究的s t a t c o m 装置也是属于电压型的桥式补偿 装置( 图2 一l a ) 。 对于s t a t c o m 的主电路而言，不同开关状态电路的结构也不同，目前来看， 大多数s t a t c o m 装置都采用了多重化技术，但是在中低压系统或者是工业负荷无 功补偿的领域中如果采用多重化技术，装置的成本太高也并不经济，因此在这些领 域中决定采用单桥路的s t a t c o m 装置，所谓单桥路指的是装置只有一个三相逆变 桥。另外，由于课题研究的s 仉盯c o m 装置主要用来补偿低压配电系统的无功，因 此，逆变电路使用的是具有自换相能力且调节速度极快的i g b t 作为电力开关元件， 同时对逆变桥路采用p w m 控制。 1 0 华北电力大学t 程硕士学位论文 2 2 配电系统s t a t c o m 控制策略 s 仉盯c o m 装置应该根据不同的要求设计不同的控制算法，在这里主要介绍 s t a t c o m 装置两种常用的控制算法，一种为基于比例积分( p i ) 的无功功率控制 方法，另一种为基于比例( p ) 的控制系统电压的方法。 2 2 1 基于p i 的无功功率控制方法 图2 2 基于p i 的无功功率控制框图( 直流侧电压变化) 图2 2 为基于p i 的无功功率控制框图，由框图可见，控制系统根据系统三相电 压与s 孔盯c o m 装置的输出电流，利用瞬时无功功率理论计算瞬时无功功率g ，与 给定的无功功率参考值q ，e f 比较，经过比例积分环节调节s t a t c o m 装置的控制角 万，最终使s t a t c o m 装置产生的无功功率与给定的无功功率相等。 从控制框图中还可以看出，此时没有对s t a t c o m 装置直流侧电容电压进行控 制，即秒角( i g b t 的导通角) 固定，因此直流侧电容电压随无功功率而变化。而图 2 3 是对s t a t c o m 装置直流侧电容电压进行控制的框图。值得注意的是，对乡角进 行控制确实可以维持直流侧电容电压不变，但秒角改变会导致s t a t c o m 装置产生 较大的谐波，因此通常情况下s t a t c o m 装置都保持9 为某一固定值，以使 s 汀c o m 装置输出电压中谐波最小。 图2 3 基于p i 的无功功率控制框图( 控制直流侧电压不变) 容 1 2 华北电力大学工程硕士学位论文 2 2 3 配电系统s w 订c o m 模型的建立 本课题所设计的配电系统s 仉盯c o m 主要由以下几部分组成：主电路结构为单 桥路三相s p w m 逆变器；控制策略为电流间接控制，根据三相瞬时无功理论得到三 相瞬时无功g ，并通过p l 调节得到无功控制角万，最终通过载波为三角波的s p w m 调制得到逆变器的p w m 控制信号。出于配电系统节约成本的考虑，该s t a t c o m 仅用连接电抗来代替连接变压器。下面根据配电系统s t a t c o m 装置的设计思想， 推出该装置的数学模型。 如果按照拓扑结构的变化建立装置的微分方程，然后分别求解，建立装置的数 学模型是非常复杂的，特别是当开关器件数量很多时，拓扑结构会急剧上升，按照 拓扑结构来分析将非常困难。而实际研究中，我们更关心装置的主要特性，如输入、 输出特性等，而对装置中具体的某个开关器件某时刻的电流，并不是很关心，只要 保证该电流不超过开关器件允许的电流，不会导致装置异常或故障就可以了。为此 我们采用输入、输出的建模方法来建立反映s n 玎c o m 装置主要特性的数学模型。 图2 7s t a t c o m 装置原理图 图2 7 为s n 盯c o m 装置原理接线图，为利用输入输出建模方法来建立 s t a t c o m 装置的数学模型【2 4 1 ，先做以下假设： ( 1 ) 将s 孔盯c o m 装置中各种损耗及电阻包括开关器件的导通电阻用等效电 阻r 表示，s n 汀c o m 与系统之间的连接电感用等效电感表示； ( 2 ) s 仉盯c o m 装置输出电压由多个单相桥输出电压迭加而成，谐波含量低， 因此只考虑s t a t c o m 输出电压的基波分量而忽略谐波分量。 基于上面的假设可得出s n 汀c o m 装置总输出电压为： 1 3 华北电力大学工程硕士学位论文 ( 2 一1 ) 式( 2 1 ) 中k 为比例系数，6 为s 仉”c o m 输出电压与系统电压的夹角，为 可控量。而系统三相电压为： 由图2 7 可列出s t a t c o m 装置a b c 三相数学方程： 将式( 2 一1 ) 和( 2 2 ) 代入式( 2 3 ) 中，可得： ( 2 2 ) ( 2 3 ) 三掣：勋s i n 缸廿忸s i l l 甜心 工掣：勋出( f ) s i n 似一警一回一啦s 协似一等) 一r 名 ( 2 4 ) 掣：勋如s m 似+ 等一回一吨s m 缸+ 等) 一r f c 直流侧电容电压的方程可由能量关系推出： 丢( 三国2 础) ) 一 嘣睨+ 以魄+ 姒魄】 ( 2 5 ) 利用式( 2 一1 ) 对式( 2 5 ) 化简可以得到： 掣= 等啪) s i n 红一帅以) s i n 缸一等一帆岫缸+ 等硎 ( 2 卅 因此，s 玑町c o m 装置的数学模型为： 1 4 万万 一 一，万万 万2 2 一 一 + 讲 掰 饼 砒蛳似 剐 s s 纵儿讥 豳k k = = l l d o o 吮“ 功 万 万 一 + f f 缈 缈 缈 咖蛳姒 上厂j，j 而西西 = i | = 姐 6 如蜘如 o o ，砌 ，砀 ，配 m 曲 阳 d 一 吩一 d 一 型出姒百姒百 华北电力大学丁程硕士学位论文 堕掣：砌出( f ) s i n ( 研一回一而，s i n 耐一尺f 。( f ) d r 警= 砌舢i n ( 研等一回一面，s i n ( 耐等m 讹)( 2 - 7 ) 三堕! 导：砌出( f ) s i n ( 刎+ 等一d 一历，s 咄刎+ 冬) 一r ( f ) d fjj 鱼笋= 阮( 啪巡耐一回+ 屯( f ) s 砥研一等一回+ t ( f ) s 砒耐+ 等一万) 】 式( 2 7 ) 有四个未知数和四个方程，只要已知s t a t c o m 的电流和直流电压 的初始值，通过解微分方程即可求出各变量随时间变化的规律。 针对配电系统s t a t c o m 的特点，本课题采用基于p i 的无功功率控制方法，主 要考虑图2 2 所示的控制方法从而得到控制角万。 2 3d s 仉虹c o m 系统参数的选择 s t a t c o m 的运行性能与系统参数之间的关系描述。 图2 8s 仉盯c o m 控制模型 从图2 8 中可以看到，s t a t c o m 动态模型通常有2 个可控量( 即6 和口) 及3 个主要参数。 s t a t c o m 的稳态无功功率为：d ：旦二坐堕( 2 8 ) 。 2 尺 式( 2 8 ) 中以为s n 汀c o m 与系统连接处电压的有效值；尺为等值电阻。其 中6 角为s 玑盯c o m 产生的电压与系统电压的相角差，改变j 角可以控制s t a t c o m 产生的电压的大小，从而控制s l 蛆c o m 产生的无功功率。p 角为导通角，对基于 单相桥的s 仉订c o m 装置，口角可变，改变口角可以控制s t a t c o m 产生电压的效 率及谐波含量；对于三相桥的s t a t c o m 装置，p 角一般为1 2 0 0 ，不能改变。 1 5 华北电力大学工程硕士学位论文 3 个主要参数为等值电抗( 或等值电感) 、等值电阻( 代表损耗) 及s t a t c o m 直流侧电容参数。另外，从配电系统s t a t c o m 装置的性能上来衡量，还要考虑的 几个方面是i g b t 的选取，以及影响s t a t c o m 暂态稳定性的p i ( 比例积分控制) 参数的选取。s t a t c o m 参数的选取直接关系到静止同步补偿器的各项性能。 2 3 1 等值电抗的选取 等值电抗主要包括s t a t c o m 变压器的漏抗、连接变压器的漏抗及串联电抗器 的电抗。等值电抗对系统稳定性影响很大，三值越小，s t a t c o m 对系统的阻尼作 用越强，但过电流倍数也越大，而如果三值太小就会使补偿装置产生过电流。 如果电抗值选择较大，则在同样的系统不对称度下，逆变器中产生的负序电流 值小，能够有效地提高静止同步补偿器在系统不对称情况下的生存能力。同时较大 的电抗器起到了平波的作用，在相同的逆变器输出电压谐波幅值条件下，能够有效 地减小电流中的谐波。但是较大的电抗意味着如果要发出同样的无功功率，则逆变 器需要输出较高的逆变器电压，即在同样的调制策略下，需要较高的直流电容电压， 提高了对直流电容器耐压的要求，需要较大的设计容量增大了装置的成本。 而且电抗器的参数对直流侧电压存在一定的影响：感性状态下，电容上的电压 平均值及电压脉动分量将随着等效电感的增大而减小；容性状态下，电容上的电压 平均值及电压脉动分量将随着等效电感的增大而增大【2 5 1 。所以，电抗器的选择没有 一个统一的准则，若以s 仉盯c o m 装置的容量为基值的标么值，其取值约为o 1 0 0 2 0 。因此应根据实验环境、仿真波形及实验结果来加以调整，设计中暂定为2 m h ， 可依据实验效果对电感值进行调整。 2 3 2 等值电阻的选取 等值电阻代表s t a t c o m 本身的损耗( 变压器的损耗、i g b t 的开关损耗及通 态损耗、缓冲电路的损耗等) ，分析取值时比较复杂。其中有的损耗与s t a t c o m 电 流的平方成正比，有的损耗则不然，因此采用串联等值电阻代表s n 玎c o m 损耗的 做法存在一定误差。但随着s t a t c o m 容量的增大，其工作在额定无功功率时的损 耗所占的比例变小( 一般小于5 ) ，因此等值电阻的取值不会出现大的误差，一般取 为连接电抗的2 0 左右。 2 3 3 直流侧储能电容值的选取 s n 盯c o m 直流侧电容器容量的选取不但是装置开发设计人员非常重视的问 题，也是理论分析建模的重要依据。理论上讲，配电系统s t a t c o m 的桥式变流电 路的直流侧可以不设储能元件( 或很小容量的储能元件) ，这也是s 仉盯c o m 优于 1 6 华北电力大学工程硕士学位论文 s v c ( 静止无功补偿器) 的一个方面，直流电容仅起到支撑直流电压的作用而无需具 有储能功能【2 6 1 。但实际上，考虑到变流电路吸收的电流并不只含基波，其谐波的存 在也多少会造成少许无功能量在电源和配电系统s 耵盯c o m 之间往返。所以，为了 维持逆变器的正常工作，其直流侧仍需要一定容量的电容器作为储能元件，但所需 储能元件的容量远比配电系统s 仉盯c o m 所能提供的无功容量要小。同时，此电容 器还用于抑制直流侧的电压波动。理论上讲，该电容器的容量越大越好，但这显然 与实际不符。当然，直流电容的选取可以有很宽的范围，但直流电容选取过大将大 大增加s n 盯c o m 装置的造价，经济上不合理。实践中为了能吸收直流侧谐波和增 强s t a t c o m 抵抗系统负序电压造成负序及三次谐波过电流的能力，直流侧电容容 量既不能选择太小，也不能太大【2 7 】【2 8 1 。由于s t a t c o m 的直流侧电容承受的主要 是直流电压，与三相交流系统中交流电容存在本质的差别，因此电容容量相对于 s 吖汀c o m 装置额定容量的大小如何衡量一直存在不同的见解。 不同的电容取值会在不同的频率使s t a t c o m 产生振荡现象，必须合理选取电 容值以避免这种振荡现象。电容器的选择需要考虑以下几个方面的因素：( 1 ) 电容器 电压的波动幅值，( 2 ) 防止形成电抗和电容之间的谐振，( 3 ) 尽量减小输出电流中的谐 波含量。 选取如下经验公式 n ， 7 c = 了兰坐一1 0 6 心 ( 2 9 ) k u 如国。 式( 2 9 ) 中：而为逆变器的额定工作电流； 国。为逆变器输出电压基波角频率( 缈o = 2 兀f = 1 0 0 7 c ) ； 魄为额定状态下的直流侧稳态电压； k 为系统允许的直流电压波动系数，取值为o 0 1 o 1 。 本课题设计的配电系统s t a t c o m 装置用于2 2 0 3 8 0 v 系统，逆变器额定工作 电流为1 0 0 a ，根据式( 2 9 ) ，则c 的取值范围为3 0 0 2 p f 3 0 0 2 f 。 2 3 4 主电路i g b t 的选取 因为该配电系统s t a t c o m 装置是为2 2 0 v 3 8 0 v 系统的补偿设计，可据式( 2 1 0 ) 计