（电力电子与电力传动专业论文）基于三相不平衡负载的statcom的研究与设计.pdf

的指导下，独 容以外，本论 成果，也不包 含为获得江苏大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己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。 ? 、 ? 、 。， 07 、 学位论文作者签名： 复心 矶f 1 年6 月扛日 江苏大学硕士学位论文 学位论文版权使用授权书 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致，允许论文被查阅和借阅，同时授 权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国学位论文全文数据 库并向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社将 本论文编入中国优秀博硕士学位论文全文数据库并向社会提供查 询。论文的公布( 包括刊登) 授权江苏大学研究生处办理。 本学位论文属于不保密口。 学位论文作者签名： 如全 - j 力l1 年6 月卜日 指导教师签名： 孙 加f 年6 月亿日 对电能质量要求的 静止同步补偿器 功功率补偿的优越 ，是近年来电力电 首先，针对s t a t c o m 系统设计中的关键问题之一，即无功电流的实时检 测，提出了三相四线制不平衡系统的无锁相环的三相电网无功电流检测法，并 进行了仿真验证。然后分析了它的工作原理，在三相四线制电网负载不平衡的 背景下，从多个指标的角度出发，对四桥臂式、电容中分式、三单相桥式主电 路拓扑进行了仿真分析，最终给出了合适的主电路拓扑结构，并对主电路参数 进行了设计。 针对以上主电路拓扑，论文采用单极倍频s p w m 调制技术作为触发脉冲的 产生方法，并从调制原理、逆变器输出电压频谱和过零点振荡三个方面加以重 点论述。为了提高控制精度和系统稳定性，本文采用直接电流控制的实时跟随 三角波比较法进行控制。 在此基础上，论文采用t i 公司最新研发的3 2 位高速定点d s p t m $ 3 2 0 f 2 8 1 2 作为主控制器，结合f p g a 对s t a t c o m 控制系统的硬件、软件进行了设计。 整个设计充分利用d s p 强大的数据处理能力和丰富的外设资源，完成采样、测 量、控制计算等任务，由f p g a 负责完成1 2 路p w m 波形的产生。 最后，在m a t l a b s i m u l i n k 仿真环境下，对所研制的s t a t c o m 系统进行 了仿真研究，结果验证了文章理论分析的正确性和系统设计的合理性，为 s t a t c o m 装置的进一步研究奠定了良好的技术基础。 关键词：s t a t c o m ，无功补偿，三单相桥式主电路，单极倍频s p w m ，d s p ， 三相不平衡负载 江苏大学硕士学位论文 a bs t r a c t w i t ht h eu s eo fp o w e re l e c t r o n i cd e v i c e sa n dv a r i o u sn o n l i n e a re q u i p m e n t s ，a s w e l la st h ec o n s t a n ti m p r o v e m e n to ft h eu s e r s h i g h e rr e q u i r e m e n t st op o w e rq u a l i t y , t h e r e a c t i v e p o w e rc o m p e n s a t i o n i s s u ei nt h e q u a l i t y o fp o w e rh a sb e c o m e i n c r e a s i n g l yi m p o r t a n t 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 rh a sb e c o m et h em a j o r m e a n so fv a rc o n t r o ld e v i c e si np o w e rs y s t e m ，a n dt h er e s e a r c ho fs t a t c o ma l s o b e e o m eah o tt o p i ci np o w e re l e c t r o n i c sa n da u t o m a t i cc o n t r o la r e a a tf i r s t ，f o ro n eo fk e yp r o b l e m si ns t a t c o ms y s t e md e s i g n ，n a m e l yr e a l - t i m e d e t e c t i o no fr e a c t i v ec u r r e n t ，an e wd e t e c t i o nm e t h o df o rt h r e e p h a s ec i r c u i t h a r m o n i c sa n dr e a c t i v ec u r r e n t si sp r o p o s e da n da u t h e n t i c a t i e db ys i m u l a t i o n t h e n t h et o p o l o g ys e l e c t i o nf o rt h ec o n v e r t e ri nt h r e e p h a s ef o u r - w i r ep o w e rs y s t e mi s m a d e a ss i m u l a t i o na n a l y s i so ft h r e e - l e gs p l i t - c a p a c i t o rt o p o l o g y , f o u r l e gt o p o l o g y a n dt h r e e s i n g l e - p h a s ef u l lb r i d g et o p o lo g y ，t h ea p p r o p r i a t et o p o l o g y i s f i n a l l y p r o p o s e da n dt h em a i nc i r c u i tp a r a m e t e r sa r ed e s i g n e d t a k i n gt h ea b o v et o p o l o g yi n t oa c c o u n t ，t h eu n i p o l a rd o u b l e 矗e q u e n c ys p w m m o d u l a t i o nt e c h n i q u ei sp r o p o s e da n dd i s c u s s e di nd e t a i l i no r d e rt oi m p r o v et h e c o n t r o la c c u r a c ya n ds y s t e ms t a b i l i t y , d i r e c tc o n t r o lo fc u r r e n ti se m p l o y e d t h e n ，t h ed s pc m o sc h i pt m s 3 2 0 f 2 8 1 2o ft ic o m p a n yi su s e da sc p ua n d t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo fad s p + f p g ad i g i t a lc o n t r o le l e c t r i cs y s t e mw h i c hi s p r o p o s e df o r s t a t c o mi sd e s i g n e d b yt h eu s eo fp o w e r f u lr e s o u r c eo fd s p , p a r a m e t e rd i s p i a y i n ga n dd y n a m i cv a rc o m p e n s a t i o nc a nb ep u ti n t oe f f e c ta n dt h e p w m p u l s e sc a nb eg e n e r a t e db y t h ef p g a f i n a l l y , t h es i m u l i n kr e s e a r c hi sc a r r i e do n ，t h er e s u l t sv e r i f yt h et h e o r e t i c a la n d s y s t e md e s i g ni sr e a s o n a b l e ，a n dt h eg o o dt e c h n o l o g i c a lf o u n d a t i o nf o rs t u d y i n go f s t a t c o mi sa l s ep r o v i d e d k e yw o r d s ：s t a t c o m ，r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n ，t h r e es i n g l e p h a s ef u l l b r i d g et o p o l o g y , u n i p o l a rd o u b l ef r e q u e n c ys p w m ，d s p , t h r e e - p h a s eu n b a l a n c e d l o a d i i 江苏大学硕士学位论文 目录 第一章绪论1 1 1 课题研究的背景和意义1 1 2s t a t c o m 的基本特征2 1 3s t a t c o m 的研究现状及发展趋势2 1 3 1 无功补偿装置的发展2 1 3 2s t a t c o m 的国内外研究现状3 1 3 3s t a t c o m 的发展趋势5 1 4 本文的主要内容5 第二章三相电网无功电流检测方法研究7 2 1 基于瞬时无功功率理论的无功电流检测一7 2 1 1 瞬时无功功率理论7 2 1 2 基于p 、g 运算方式的无功电流检测9 2 1 3 基于f p 、运算方式的无功电流检测1 0 2 2 无锁相环的三相电网无功电流检测新方法11 2 2 1 检测原理1 2 2 2 2 仿真分析15 2 3 本章小结16 第三章基于三相不平衡负载的s t a t c o m 主电路的设计1 7 3 1s 玑玎c o m 的工作原理17 3 1 1 忽略损耗时s t a t c o m 的工作原理1 8 3 1 2 考虑损耗时s t a t c o m 的工作原理1 9 3 2 基于三相不平衡负载的s t a t c o m 主电路拓扑结构研究2 0 3 2 1 基于三相不平衡负载的s t a t c o m 主电路形式2 0 3 2 2 仿真分析2 2 3 3 主电路的设计2 6 3 3 1 逆变电路的设计2 6 3 3 2 整流电路的设计2 7 3 3 3 直流侧电容的选择2 8 3 3 4 连接电感的选择2 8 3 4 本章小结2 9 1 i i 江苏大学硕士学位论文 第四章s t a t c o m 的控制策略与s p w m 调制方法3 0 4 1s t a t c o m 的控制策略3 0 4 1 1 电流间接控制3 0 4 1 2 电流直接控制3 3 4 1 3 其他控制策略3 5 4 2 单极性s p w m 调制方法研究3 7 4 2 1 单极性s p w m 调制原理3 7 4 2 2 单极性s p w m 调制的谐波分析3 9 4 2 3 过零点振荡4 1 4 3 基于单极倍频s p w m 的三单相桥式逆变器的s t a t c o m 的仿真4 2 4 4 本章小结4 4 第五章基于三相不平衡负载的s t a t c o m 控制系统设计。4 6 5 1 控制系统整体结构4 6 5 2 控制系统硬件电路设计4 7 5 2 1t m s 3 2 0 f 2 812 d s p 和f p g a 简介4 7 5 2 2 信号的检测和接口电路设计4 8 5 - 2 3s t f 玎c o m 的保护电路设计。5 2 5 3 控制系统软件设计5 5 5 3 1 中断资源分配。5 5 5 3 2 软件实现的功能和流程5 6 5 4 本章小结5 8 第六章总结与展望5 9 6 1 本文工作的总结5 9 6 2 今后工作的展望6 0 参考文献6 1 致谢 硕士期间发表的论文 i v 6 5 增大， 公用 工频 炉等感性负荷占据相当大比重，它们在消耗有功功率的同时，也需要吸收大量的 无功功率。此外，企业广泛采用异步电动机和变压器特别是电力电子装置( 如整 流器、变频调速装置) 的应用和大功率冲击性负荷的存在，使得系统无功因数变 低，电压波动加大，致使电网的电能质量严重恶化，不仅影响输电效率和设备的 寿命，同时也影响供电企业的经济效益，严重时甚至危及到电力系统的安全运行。 因此，无论从提高输电网的传输能力，降低损耗，还是从提高供电质量的角度， 都需要对无功功率进行控制与补偿。 除此之外，虽然城农网的改造及供用电管理的加强，使供电企业的经济和社 会效益有了明显提高，但是一些单位只看到了许多表面化现象，而对有关技术改 进方面缺少足够的重视。低压电网的三相不平衡一直都是困扰供电单位的主要问 题之一，低压电网大多先经l o 0 4 k v 变压器降压，然后以三相四线制的方式 向用户供电，是三相生产用电和单相负载用电的供电网络。在装接单相用户时， 理想情况下，供电部门应该将单相负载均衡地分接在a 、b 、c 三相上，但在实 际操作及运行中，接电人员的疏忽以及单相用户的不可控增容、大功率单相负载 的接入和用电的不同时性等，都造成了三相负载的不平衡。其中，容量较大、不 平衡程度比较严重的包括电力机车和电弧炉等。若低压电网在三相负载不平衡度 较大的情况下运行，将会给低压电网与电气设备的安全运行带来麻烦，如增加线 路和配电变压器的电能损耗、配变出力减少、产生零序电流、引起以负序分量为 启动判据的保护元件误动，影响用电设备的安全运行等。 因此，研究和发展无功补偿技术，如何更有效的对三相系统不平衡时的无功 功率进行动态补偿，便成为了当今电力系统、电力电子技术和控制领域中急需解 决的重要课题，受到国内外许多学者的关注。与发达国家相比，无论是从电网功 江苏大学硕士学位论文 率因数还是从补偿深度来看，我国都有较大的差距，这样一来，大力推广动态无 功补偿技术，深入研究静止同步补偿器( s t a t c o m ) 就变得尤为迫切，意义也十 分重大【1 1 。 1 2s t a t c o m 的基本特征 为了提高电能质量，达到环境保护和节能的目的，必须合理地进行无功功率 的控制与补偿。而与传统的无功补偿装置相比，s t a t c o m 具有以下优点【2 j ：提 高了系统的暂态稳定性和可靠性，基本不需要维护；提高了装置的寿命，无磨损， 无机械噪声，安全稳定；控制灵活，调节范围广，响应速度快；体积小，损耗低， 对电容器的容量要求不高；连接电抗小；谐波量小；s t a t c o m 产生的无功电流 基本不受系统电压的影响；输出电压稳定：直流侧采用较大的储能电容，不仅可 以调节系统的无功功率，还可以调节系统的有功功率。 因此，研究静止同步补偿器具有重要的现实意义：即可以解决现代电力系统 中与无功功率相关的一系列问题，可以促进节能、保证电能质量，促使电力系统 安全运行。 1 3s t a t c o m 的研究现状及发展趋势 1 3 1 无功补偿装置的发展 改善电能质量的措施主要包括无功补偿、谐波抑制、降低电压波动和闪变以 及解决三相不平衡等方面。 电力系统中的无功补偿装置发展到今天，经历了从电容器、同步调相机、静 止无功补偿器( s v c ) ，到今天引人注目的静止同步补偿器( s t a t c o m ) 四个阶段。 根据结构原理的不同，s v c 技术又分为：自饱和电抗器型( s s r ) 、晶闸管相控电 抗器型( t c r ) 、晶闸管投切电容器型( t s c ) 、高阻抗变压器型( t c t ) 和励磁控$ 1n 电抗器型( 。 并联电容器补偿无功功率：结构简单，安装、运行和维护方便，但只能补偿 感性无功，不能连续调节，而且有负电压效应，所以不能实现对无功功率的动态 补偿。 江苏大学硕士学位论文 同步调相机是专门用来产生无功功率的同步电机，在过激磁或欠激磁情况 下，可以分别发出不同大小的容性或感性无功功率。但响应速度慢，噪音大，损 耗大，技术陈旧，属于被淘汰技术。 开关投切固定电容属于慢响应补偿方式，连续可控能力差。静止无功补偿器 ( s v c ) 是目前相对较先进的实用技术，在输配电电力系统中得到了广泛应用。s v c 的重要特性是能对补偿装置的无功功率进行连续调节，因此可以对无功功率进行 动态补偿，且响应速度快，价格适中，在电力系统中得到迅速的推广。不足之处： 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可以连续调 m 1 了。 随着电力电子技术的进一步发展，八十年代以来，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同步补偿器( s t a t c o m ) 。 虽然s t a t c o m 目前在技术上还有局限性，属少数示范工程阶段，但该装置响 应速度快、调节性能好、能综合补偿无功、三相不平衡和谐波，是一种更为先进 的新型静止型无功补偿装置，是灵活交流输电技术( f a c t s ) 和定制电力技术( c p ) 的重要组成部分，是现代无功功率补偿装置的发展方向【3 4 】。 1 3 2s t a t c o m 的国内外研究现状 随着i g b t 、g t o 、i g c t 等高压大容量可关断电力电子器件的发展，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无功功率补偿装 置，即静止同步补偿器( s t a t c o m ) 。s t a t c o m 作为柔性交流输电技术( f a c t s ) 的重要设备成员之一，自2 0 世纪8 0 年代以来，一直是国内外研究的热点。 在国外，1 9 8 0 年1 月，日本k a n s a i 电力公司( k e p c o ) 与m i t s u b i s i 电机公司 共同研制出了2 0 m v a r 采用强迫换向晶闸管桥式电路的s t a t c o m ，并成功地投 入了电网运行【5 1 。1 9 8 6 年1 0 月，美国w e s t i n g h o u s e ( 西屋电气公司) 和e p r i 公司 研制的+ l m v a r 的s t a t c o m 装置投入运行，这是世界上首台采用大功率g t o 作 为逆变器元件的静止补偿烈6 1 。到9 0 年代s t a t c o m 的研究取得了突破性的进 展，1 9 9 1 年，日本研制成功一套8 0 m v a r 的采用g t o 晶闸管的s t a t c o m 装置， 并最终成功地投入商业运行。1 9 9 4 年，美国研制了一套1 0 0 m v a r 的采用g t o 晶 闸管的s t a t c o m 装置，并最终成功地投入商业运行。1 9 9 6 年1 0 月，美国e p r i 与田纳西电力局( t e n n e s s e ev a l l e ya u t h o r i t y ，缩写为a w a ) 、西屋电气公司合作， 江苏大学硕士学位论文 在t v a 电力系统的s u l l i v a n 5 0 0 k v 变电站建造y j ：1 0 0 m v a r 的s t a t c o m 装置并 投入运行7 1 。1 9 9 8 年，德国西门子公司的单机容量为8 m v a r 的s t a t c o m 装置 也投入了运行。2 0 0 1 年5 月，美国v e l c o 在b u r l i n g t o n 附近的变电站投运了 1 3 3 m v a r ，11 5 k v 的s t a t c o m 装置。2 0 0 3 年9 月，6 0 m v a r 的s t a t c o m 装置 在日本中央铁路公司投入使用。 表1 1 国内外已投运的s t a t c o m 简表 在国内，1 9 9 4 年，研制大容量s t a t c o m 被列为电力部重点科研攻关项目， 1 9 9 5 年，清华大学和河南电力局共同研制出了一台3 0 0 k v a r 的s t a t c o m ，开辟 了我国研制补偿设备的先河【8 】。1 9 9 9 年3 月，清华大学f a t c s 研究所与河南电 力局共同研制的士2 0 s b 玎c o m 在河南洛阳的朝阳变电站并网成功，并于 2 0 0 0 年6 月2 7 日在洛阳成功地进行了鉴定。这是国内首台投入运行的大容量静 止同步补偿器装置，成为中国f a c t s 研究应用领域的一个重要里程碑【9 j 。2 0 0 1 年2 月，国家电力公司电力自动化研究院也将2 0 0 k v 盯s t a t c o m 投入了运行。 2 0 0 6 年2 月，清华大学与上海电力公司合作研制的基于i g c t 的5 0 m v a r 链式 s t a t c o m 装置，在上海西郊变电站并网试运行。该装置的特点：( 1 ) 分相控制和 4 江苏大学硕士学位论文 运行；( 2 ) 输出动态无功响应速度快；( 3 ) 输出电流谐波小：( 4 ) 输出无功电流大小 与系统电压无关：( 5 ) 不需多重化变压器；( 6 ) 占地面积小。该装置的研制在建模、 主电路参数设计、系统控制策略等方面都取得了重大突破，核心技术达到了国际 领先水平1 9 。2 0 0 9 年1 1 月6 日，针对上海电网受电规模的不断增加、特高压交 流和直流相继接入上海电网，以及上海电网动态无功支撑不足的现状，上海市电 力公司和中国电科院中电普瑞公司在北京共同组织召开了“移动式百兆乏级 s t a t c o m 关键技术研究”方案评审会，并达到了预期目标。除此之外，我国还 有一些院校和科研机构( 华中科技大学、哈尔滨工业大学、西安交通大学、中国 电力科学研究院等) 也在进行s t a t c o m 的研究【1 0 1 。国内外已投运的s t a t c o m 装置见表1 1 。目前，s t a t c o m 的研究主要从构成大功率s t a t c o m 主电路拓 扑结构、多电平逆变器的调制方法、无功补偿与储能系统的结合、s t a t c o m 的 控制方法等几个方面进行。 1 3 3s t a t c o m 的发展趋势 随着国内外s t a t c o m 技术研究的不断深入，目前s t a t c o m 技术正朝着 补偿大容量，不平衡系统的方向发展。开关器件方面：早期的s t a t c o m ，其主 电路的开关器件多选用开关频率较低的g t o ，控制策略也相对比较落后，带来 的问题是补偿容量低、谐波含量高和补偿延时等。随着现代电力电子技术的迅速 发展，新型器件如i g b t 、i e g t 、i g c t 等不断涌现，从而导致以电力电子技术 为基础的f a c t s 技术不断地采用新器件来进一步提高性能、增强可靠性、拓宽 应用范围；主电路方面：出现了链式、电容箝位、二极管箝位和变压器隔离型等 电路结构，使得s t a t c o m 的容量大大提高；调制策略方面：出现了s p w m 、 s v p w m 和s h e p w m 等以减小输出电压中的谐波含量；控制方法方面：一些先 进的控制策略如模糊控制、鲁棒自适应控制和人工神经网络控制正在逐步运用到 s t a t c o m 中，以满足系统各方面的要求。 1 4 本文的主要内容 根据近年来国际和国内在s t a t c o m 的基本理论、控制方法、结构设计等方 面的研究进展，介绍了静止同步补偿器在国内外的发展现状，分析了其工作原理 和控制方法，并结合实验室的条件设计了一台基于不平衡负载的5 0 k v a r 的 5 江苏大学硕士学位论文 s t a t c o m 实验装置。主要内容如下： ( 1 ) 对无功补偿装置的发展和静止同步补偿器的研究现状和发展趋势做了 分析，说明本文研究的必要性。 ( 2 ) 针对s t a t c o m 系统设计中的关键问题之一，即无功电流的实时检测， 对现有各种检测方法的优缺点进行分析比较，提出适合于本文三相四线制不平衡 系统的三相电网无功电流检测法，并进行仿真验证。 ( 3 ) 分析s t a t c o m 的工作原理，通过对三相四线制负载不平衡系统主电路 拓扑结构的输出电压波形、谐波含量和直流侧电容耐压水平等性能指标的仿真对 比，选择适合本文的拓扑形式，并根据实验要求对主电路的参数进行设计。 ( 4 ) 研究s t a t c o m 的各种控制策略，比较两种单极性s p w m 调制方法的 原理与实现方面的差异，在此基础上，将单极倍频s p w m 应用到三单相桥式逆 变器的s t a t c o m 中，并进行仿真研究。 ( 5 ) 采用t i 公司最新研发的3 2 位高速定点d s p t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 作为主控制 器，结合f p g a 和c p l d 对s t a t c o m 控制系统的硬件、软件进行设计。 ( 6 ) 总结论文所做工作及取得的研究成果，并提出需进一步研究的工作。 6 究 新型电力电子装 地检测出负载电 选择合适的电流 测方法主要是基 于传统的f o u r i e r 和f f t 算法或改进的f o u r i e r 级数技术，它具有同时适用单相和 三相系统的优点，但算法复杂、实时性较差，无法满足许多场合的实际要求。正 因如此，目前应用和研究较多的是时域检测方法。在时域检测方法中，最为流行 的是基于瞬时无功功率理论的p - q 法和f p 一法以及在此基础上改进的电流检测 法。 2 1 基于瞬时无功功率理论的无功电流检测 1 9 8 3 年，日本学者赤木泰文( h a k a g i ) 提出了瞬时无功功率理论( 简称p - q 理 论) 【1 。该理论以电网电压和电流在口一坐标系下进行坐标变换为基础，建立了 定义，可以用于谐波和无功电流的实时检测。下面介绍以瞬时有功电流和瞬时 无功电流为基础的瞬时无功功率理论嘲。 一 三相电路各相电压和电流的瞬时值分别表示为乞、巳和屯、“。为 了分析方便将口施三相电压、电流变换成口一坐标系上的两相瞬时电压、和 瞬时电流乞、珏。 。 阱：豳 亿- ， 江苏大学硕士学位论文 睁：豳 式中，耻历巴- 徘1 2 - 一1 却2 。 ( 2 2 ) 图2 1 口一坐标系下的电压电流矢量 在图2 1 所示的口一平面上，矢量元、易和乏、易可以分别合成旋转电压 矢量孑和电流矢量7 。 二相电路蝣时有功电流2i c o s 伊，i ! ； 时尢功电流2i s m c , o 。共甲， 缈= 彼一仍。因此，瞬时有功功率p = p ，瞬时无功功率g = p 。由上式可得 孑 = 乏2 乏 芝 = 9 w 芝 c 2 4 ， 式中= 巴乏 o 即瞬时有功功率p 吼坳，无功功率 q = e 0 8 一e j a o 8 动q 咝“ 乡垆 一ik 2 1 2 基于p 、g 运算方式的无功电流检测 2 5 ) 该方法根据定义算出p 、g ，再经过低通滤波器( l p f ) 滤波后得到p 、g 的直 流分量p 一、q 一。当电网电压波形无畸变时，j j i 为基波有功电流与电压作用所产生， 虿为基波无功电流与电压作用所产生。因此，由芦、虿即可计算出被检测电流乞、 、f 的基波分量0 、葡、0 。 锄 0屯阡吉乞圈 亿6 ， 将0 、磅、芬与乞、毛、之相减，可求得乞、之的谐波分量。 当同时检测补偿对象中的谐波和无功电流时，检测框图如图2 2 所示。 图中，基波有功分量锄、锄、锄为 l 珂 切 1 c 唾 屯碉 ( 2 7 ) 将o 、锄、锄与乞、t 相减，得出乞、毛的谐波分量和基波无功 分量之和如、也、幺。 9 江苏大学硕士学位论文 图2 2p 、q 运算方式的谐波和无功电流检测图 l a d k l c d 2 1 3 基于7 矿运算方式的无功电流检测 基于f p 、乞运算方式的无功电流检测方法中，需用到与a 相电网电压乞同相 位的正弦信号s i n c o t 和余弦信号一c o s o t ，它们通过一个锁相环( p l l ) 和正余弦信 号发生电路得出。三相电流乞i 乇、之通过口一变换得到乞、，再由公式 = 一c s 。i n s 研c o t 一- s 0 。o n , 研o , 业 p 砀o 得出口一两相坐标下电流的有功和无功分量。当 检测谐波和无功电流之和时，断开i g 的通道即可。再经l p f 滤波后得到i p 、毛的 直流分量、乏，由此可以计算出锄、妨、妨，进而求出屯、屯、之的谐波分 量和基波无功分量之和0 、k 、匕。该方法的原理如图2 3 所示。 图中，c = 一篓： 图2 3 、运算方式的无功电流检测 1 0 l a d l b d l c d 1j 耐 耐 s l 0 玎 c s 一 一 江苏大学硕士学位论文 由于p 、q 运算方式要采集电网的电压和电流，且受电网电压畸变和三相不 平衡的影响；f 一运算方式以标准的正弦信号代替电压信号，但使用了锁相环 p l l ，当电网电压频率发生偏移时，由于锁相环的存在而无法得到准确的检测结 果。 补偿电流的检测是s t a t c o m 中的重要的核心技术之一，因此开展对补偿电 流检测研究具有重要的意义。为此，不少学者在这方面做了许多卓有成效的研究 工作。现有的无功电流检测法除了以上两种外，还有几种在此基础上改进的电流 检测法。基于电网电压矢量的同步参考坐标变换检测法，虽然得到了改进，但在 电网电压不对称时无法检测出负荷电流中的全部谐波和负序分量 1 2 , 1 3 】。基于同步 坐标变换的三相不对称系统的无功与谐波电流的检测方法是利用查表的方式代 替锁相环获取同步变换角，对电源电压逐个周期进行计数得到实时的角频率，但 由于引入了查表过程，容易产生数表指针与同步信号的同步过程以及同步信号的 丢失故障f 1 4 1 。改进型谐波与基波有功和无功电流检测法【1 朝，是一种无锁相环 ( p l l ) 的电流检测法( 固定开关频率法) ，可以消除由于p l l 的存在而产生的 相移偏差，但是实际的电网频率可能会出现波动。 2 2 无锁相环的- - $ b 电网无功电流检测新方法 由以上分析可知，现有的这些方法大多都使用了锁相环，当电网电压频率发 生偏移时，由于锁相环的存在而无法得到准确的检测结果。要实现对畸变且不对 称的三相电网进行基波无功、不对称分量、谐波的综合补偿，就必须从负载电流 中检测出基波正序有功电流，与负载电流相减后得到补偿电流信号。本文在基于 瞬时无功功率理论的检测法的基础上，提出了一种无锁相环的谐波和无功电流检 测方法，该方法利用对称分量法下分解的正序电压、电流分量，通过低通滤波器 和正余弦变换得到其基波正序有功电流，再与三相电流分别相减最终得出三相电 网中的基波正序无功电流、负序电流以及谐波电流的和。在电网电压畸变和频率 偏移时依然能够实现准确检测。与现有的无锁相环检测方法相比，省略了查表过 程，避免了同步信号的丢失。 江苏大学硕士学位论文 刚勰f o + + f o - + 纠f o o 亿8 ， ( 2 9 ) l 兀， 式中，口= p “乃，z ，五，z 为三相不对称的电压或电流矢量，五+ ，兀一， 五。分别为a 相正序、负序和零序分量。 对三相三线制电路，假设三相电网电压不对称、有畸变并且基波频率发生了 偏移，根据上述对称分量法，以a 相电压为参考基准，相位角0 设为o ，则三相 不对称电压、电流与其正序分量的关系【1 6 】分别为： 1口口2 口21 口 口口21 1口口2 口21 口 口口2 1 ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 式中：屹，u c 为三相电压向量；+ ，+ ，u c + 为三相电压向量的正序 分量；，为三相电流向量；0 ，屯+ ，之+ 为三相电流向量的正序分量； 口= g 圳。 将三相电压与电流的正序分量分别用低通滤波器滤波得到其正序基波电压 分量。+ 、，+ 、u c l + 和正序基波电流分量。+ 、i + 、。+ 。三相正序基波电压、 电流可分别表示【1 7 】为： 1 2 2 z 矿口 2 口 口 l l 口 l 一3 = 1j 一 d六五 1j 】 如如如 一b，珏h。l。l 1 1 j = 1，j + + + 。l 11j = r_j k k k 。l 流的幅角。 1o 1历 22 l 压 22 ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 正序基波电压、电 ( 2 1 4 ) 根据有功功率的定义，基波正序电流矢量i 在基波正序电压矢量v 上的投影 即为正序基波有功电流，而与v 垂直的分量则为基波正序无功电流，以a 相电 流乞为例，电网电流表示为【1 8 】 屯= 乞l 肘+ 乞l 叮+ + ( 乙+ + 乙一) = 互+ c o s ( 仍+ 一识+ ) s i n ( c o t + q o , + ) + 弘+ s i n ( 仍+ 一办+ ) c 。s ( c o t + 仍+ ) + 至虿 厶+ s i n ( 甩c o t + 吮+ ) + 厶一s i n c o t + 吮一) 】 ”2 ( 2 1 5 ) 其中：l 。a l p + 为a 相基波正序有功电流；l 。a l q + 为a 相基波正序无功电流；j 删+ 、 一为a 相n 次正序、负序谐波电流。 由变换 可知 ls i n ( c o t + 仍+ - 1 2 0 0 ) i il 【- s i n ( c o t + 够, + + 1 2 0 0 ) j 1压 22 1压 22 ：2 亿旧 咖咖 卜 + 唧咖 o = 1j 、，、， 0 o 0 0 2 2l1 ) 一 + p 够 + + + 研 研 研 n n n s s s 1_i 江苏大学硕士学位论文 冀：辫 1 压 1 一享了忙s i n 。( c o t + f 6 + - 1 啪2 0 。，) 。亿 根据上式可求出s i n ( c o t + l + ) ，c o s ( c o t + # l + ) ，s i n ( c o t + f o l + ) ，c o s ( r o t + 仍+ ) 由公式c o s ( c o t + 么+ ) c o s ( c o t + 仍+ ) + s i n ( c o t + 磊+ ) s i n ( 缈+ 仍+ ) = c o s ( 魂+ 一仍+ ) 可得c o s ( 办+ 一仍+ ) ，从而三相正序基波有功电流为 将乞， 精【1 9 2 0 1 的仿真 思想在m a t l a b s i m u l i n k 电力系统仿真环境下建立仿真模型，仿真中假设三相电 网电压u s 不对称、含有3 、5 次谐波、由于实际生活中电网频率偏移很小，为了 直观可见设基波频率偏移为5 5 h z ，电流不对称且含有5 、7 次谐波，低通滤波 器的截止频率为2 0 h z ，仿真时间设定为t = 0 0 6 s 。图2 5 为发生畸变的三相电网 电压和电流波形。 图2 5 三相电网电压、电流 图2 6 为有锁相环检测方法检测出的a 相基波电流波形，图2 7 为无锁相环 检测方法检测出的a 相基波电流波形。由图2 6 、图2 7 比较可见，电网电压畸 变和频率偏移时，有锁相环检测方法检测的a 相基波电流的检测波形与理论波形 始终无法重合，而无锁相环检测方法检测的a 相基波电流检测波形大约经过四分 之三个周期后与理论波形基本重合。由此说明，无锁相环检测方法在电网电压畸 变和基波频率偏移时的检测准确性较好。 江苏大学硕士学位论文 毫；，弘。黜蕊。崩髓。：施，。峰j 施。垂彘。，：喊。觚拖i 荔 图2 6 有锁相环的a 相基波电流图2 7 无锁相环的a 相基波电流 通过上述理论分析和仿真验证，总结出这种新型无锁相环的谐波和无功电流 检测方法具有以下特点： ( 1 ) 简单。为了避免复杂的锁相环电路、正余弦函数表的地址发生器和查表 过程，该方法直接通过计算获得正余弦信号； ( 2 ) 准确。首先，该方法未采用p l l 电路，因此对电网频率波动的抗干扰能 力较强；其次，省略了正余弦信号的查表过程，避免了数表指针与同步信号的同 步过程以及同步信号的丢失故障。 但是，由于使用了低通滤波器l p f ，故检测时的动态响应速度还有待于提高。 2 3 本章小结 本章在对瞬时无功功率理论和基于瞬时无功理论的p 、q 法和、法以及 在此基础上改进的电流检测法进行分析的基础上，针对锁相环在电流检测时所带 来的弊端，提出了一种应用于三相电网的无锁相环的无功电流检测方法，并在 m a t l a b s i m u l i n k 仿真环境下进行了仿真验证。为后面控制系统的设计奠定了 基础。 1 6 江苏大学硕士学位论文 第三章基于- , f l 不平衡负载的s t a t c o m 主电路的设计 根据静止同步补偿器( s t a t c o m ) 主电路直流侧储能元件的不同，通常将 s t a t c o m 主电路分为电压源型桥式电路( v s c ) 和电流源型桥式电路( c s c ) 两种 类型。对电压源型桥式电路，直流侧采用电容作为储能元件，交流侧串联电抗器 后并入电网：对电流源型，直流侧采用电感作储能元件，交流侧并联电容器后并 入电网。无论是电压型还是电流型的s 仉玎c o m 其动态补偿的机理是相同的。不 过由于运行效率的原因，实际应用的s t a t c o m 大都采用电压源型桥式电路。其 主电路一般由电压源逆变器、直流储能电容和连接变压器或电抗器组成，以下采 用平波电抗器来滤除s t a t c o m 产生的高频电流谐波，从而去掉了庞大笨重的变 压器【2 1 ，2 2 1 。其连接到电网公共连接点( p c c ) 的原理如下图3 1 所示。 图3 1s t a t c o m 的连接原理图 3 1s 仉盯c o m 的工作原理 s t a t c o m 的基本工作原理【2 3 。2 5 1 就是将自换相桥式电路通过电抗器或者直 接并联在电网上，适当地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，就可以