（电路与系统专业论文）基于tscstatcom的无功补偿装置主电路的研究.pdf

摘要 近年来，非线性、不对称及冲击性无功负荷迅速增加，使电能质 量恶化，为提高电力系统稳定性、改善电能质量，研制容量大、响应 速度快的无功补偿装置的必要性变得越来越突出。s t a t c o m 具有优 越的动态性能，但其结构复杂，造价昂贵；而t s c 具有结构简单， 投资费用比较低的特点，如能使这两种无功补偿装置的优点相结合就 有非常高的工程价值。 论文首先介绍了无功补偿的原理、t s c 与s t a t c o m 的电路拓扑 结构及工作原理，分析了t s c 投入的暂态过程、提高s t a t c o m 容 量及降低谐波含量的方法，阐述了瞬时无功功率理论在三相不平衡系 统中的缺陷，并简要介绍了单相构造三相的无功功率检测算法。 结合我国电气化铁路牵引供电系统负荷的特点，研究设计了基于 t s c + s t a t c o m 无功补偿装置的主电路结构，分析设计了t s c 的结 构、触发时刻选取及s t a t c o m 装置的结构和逆变桥的触发脉冲发生 原理，并对无功补偿装置电路的参数进行了详细的研究设计。 在m a t l a b s i m u l i n k 环境下建立了基于t s c + s t a t c o m 的 无功补偿装置的仿真模型。仿真结果表明，基于t s c + s t a t c o m 的 无功补偿装置能有效地补偿铁路牵引供电系统的动态无功功率。与传 统的t s c + t c r 无功补偿装置相比，由于s t a t c o m 装置采用三电平 四重化结构来消除谐波，基于t s c + s t a t c o m 的无功补偿装置不仅 能快速、连续的补偿铁路牵引供电系统的动态无功功率，且产生的谐 波含量很低，虽然s t a t c o m 装置的造价比t c r 高，但省去了t c r 附带的谐波消除装置，总的造价并没有提高。 关键字静止同步补偿器，晶闸管投切电容器，无功功率，逆变桥 a bs t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h er a p i d i t yi n c r e a s i n go fn o n l i n e a r , a s y m m e t r i c a l l y a n di m p a c tr e a c t i v el o a dl e a dt h ee l e c t r i ce n e r g yq u a l i t yt ow o r s e n ，i n o r d e rt oi m p r o v et h es t a b i l i t yo fe l e c t r i cp o w e rs y s t e ma n dt h ee l e c t r i c e n e r g yq u a l i t y , t h en e c e s s i t yt od e v e l o pt h eb i gc a p a c i t ya n df a s tr e s p o n d， ， 一 一一一 一 r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o nd e v i c ei sb e c o m i n gm o r ea n dm o r ee x t r u d e s t a t c o mh a sa s c e n d a n td y n a m i cf e a t u r e ，b u ti t s c o n f i g u r a t i o n i s c o m p l e x ，a n di t sc o s ti sv a l u a b l e n e s s ；t s ch a st h e c h a r a c t e r i s t i c so f s i m p l es t r u c t u r e ，l o wi n v e s t m e n tc o s t ，i fc o u l dc o m b i n et h ea d v a n t a g e so f t h et w ok i n d so fr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o nd e v i c e sh a v ev e r yh i g h p r o j e c tv a l u e s t h et h e s i si n t r o d u c e st h ep r i n c i p l eo fr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t o r , t h e m a i ne l e c t r oc i r c u i ta n do p e r a t i o n a lp r i n c i p l eo ft s ca n ds t a t c o m n et r a n s i e n ts t a t ep r o c e s sa f t e rt s cs w i t c h e da n dt h em e t h o d sf o r i n c r e a s i n gc a p a c i t ya n dr e d u c i n gh a r m o n i ca r ea n a l y z e d t h ed e f e c to f i n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e rt h e o r yi nt h r e ep h a s ei m b a l a n c es y s t e mi s e x p o u n d e d ，a n dt h er e a c t i v ep o w e rd e t e c t i o nm e t h o du s i n gs i n g l ep h a s e s t r u c kt h r e ep h a s e si si n t r o d u c e db r i e f l y c o m b i n et h ec h a r a c t e r i s t i co ft h et r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e mo f e l e c t r i f i e dr a i l r o a di n m yc o u n t r y , t h em a i nc i r c u i to r g a n i z a t i o n o f t s c + s t a t c o mr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o nd e v i c ei sd e s i g n e d ，t h e s t r u c t u r eo ft s c ，t h es e l e c t i o no ft r i g g i n gt i m e ，t h es t r u c t u r eo f s t a t c o ma n dt h et h e o r yh o wt oc r e a t et r i g g i n gp u l s ef o rt h ei n v e r s i o n b r i d g ea r em a i n l ya n a l y z e da n dd e s i g n e d ，t h em a i np a r a m e t e r so ft h e s t a t c o m + t s ce q u i p m e n ta r e p r e c i s e l y r e s e a r c h e da n dd e s i g n e d p r e c i s e l y t h es i m u l a t i o nm o d e lo fr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o nd e v i c eb a s e d o nt s c + s t d o mi sb u i l ti nm a t l a b s i m u l i n ke n v i r o n m e n t ，t h e r e s u l tf o rt h es i m u l a t i o ni n d i c a t et h a tt h er e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n d e v i c e o ft s c + s t a t c o mc a nc o m p e n s a t et h ed y n a m i cr e a c t i v ep o w e r o ft h er a i l w a yt r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e me f f e c t i v e l y , c o m p a r e dw i t h t h et r a d i t i o n a lr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o nd e v i c eo ft s c + t c r ，t h e l l r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o nd e v i c eb a s e do nt s c + s t a t c o mc a nn o t o n l yc o m p e n s a t et h ed y n a m i cr e a c t i v ep o w e ro ft h er a i l w a yt r a c t i o n p o w e rs u p p l ys y s t e mq u i c k l ya n dc o n t i n u o u s l y , b u ta l s ot h eh a r m o n i c c o n t e n ti sv e r yl o w , b e c a u s et h es t a t c o ma d o p tt h r e ee l e c t r i c a l l e v e l f o u rm u l t i p l e xs t r u c t u r e a l t h o u g ht h ec o s to fs t a t c o mi sh i g h e rt h e n t c r b u tt h ed e v i c et oe l i m i n a t eh a r m o n i ci so m i t t e d ，s ot h et o t a lc o s to f t h ed e v i c ei sn o ti n c r e a s e k e yw o r d ss 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 , t h y r i s t o rs w i t c h e d c a p a c i t o r , r e a c t i v ep o w e r , i n v e r s i o nb r i d g e i i i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本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，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名： 日期：2 年月三日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 无功功率是在交流电路中，电源和储能元件之间来回交换的变动功率，无功 功率并不是无用功率，而是在电能传输和转换过程中建立电磁场和提供电网稳定 不可缺少的功率之一，无功功率经不同的电磁耦合反映不同的电压等级。无功功 率的传输沿传输途径会产生很大的电压降落，影响供电质量，而有功功率的波动 对电网电压的影响较小，电网电压的波动主要是由无功功率的波动引起的，同一 等级电压的电网中，电压高低直接反映本级的无功平衡，是电能质量的重要指标 之一。近年来，配电网的非线性、不对称及冲击性无功负荷迅速增多，致使电能 质量恶化，因此，研制容量大、响应速度快的无功补偿装置来抑制系统的电压波 动、闪变及跌落，有效提高电力系统的安全性和改善供电质量成为国内外电力系 统行业的重点研究课题之一。 1 1 问题的提出及研究意义 电力工业是国民经济和社会发展的基础产业，随着计算机、信息等高新技术 的迅速发展和人民生活水平的不断提高，使得整个社会对电力的依赖程度日益增 高。电能是当今最重要的能源形式，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，直接促使大规 模的联合供配电系统的出现，这样的供配电系统的建立将带来巨大的经济和社会 效益，一个国家的电气化程度已成为衡量其现代化水平的一个重要标志。但是， 如何保证该系统安全、稳定、经济的运行以及保障电能质量是摆在电力科技人员 面前的一个重大而迫切的问题。 今天的电网面临的承载非常严酷，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要消耗一些无功功率。由于感性负载本身的性质，感性负载 必须吸收无功功率才能正常工作。同时，由于功率半导体开关器件的长足进步、 控制技术日益发展，变流设备的功率等级提升极快；又由于采用变流举措的负载 设备同益增多，其复杂的负载性质带来的负面影响突出，这些非线性装置要消耗 无功功率，特别是各种相控装置，在工作时基波电流滞后于电网电压，需要消耗 大量的无功功率。另外这些装置产生的大量谐波电流也要消耗无功功率。基于上 述因数的电网存在功率因数低下、波形畸变、浪涌、相位丢失等不良境况【l 】。 因此，电能质量控制刻不容缓，电力补偿、有源滤波、柔性输配电等电能变 换技术在电网和用户之间起到较佳的缓冲匹配作用。根据电压、电流准确测量无 硕士学位论文 第一章绪论 功、谐波等系统参量，并采用新技术对配电系统进行综合电能质量补偿己成为电 力电子技术和电力系统研究领域面临的一个重大课题，且受到越来越多的关注。 我国存在资源与消耗极度不平衡的状况，在西部十省市，水力资源的储量和 可开发量分别为全国的8 2 和7 2 ，煤炭储量为全国的3 9 ，而这一地区的国 内生产总值却仅为全国的1 5 。这种状况决定了我国电力开发与电网网架建设只 能依据“西电东送”、“南北互供”的基本思路，为了适应大规模“西电东送”和复杂 联网工程的需要，必须进一步提高线路的电力输送能力和输电系统的可靠性，这 就使具有优良的电压维持功能的无功补偿装置的必要性也变得越来越突出。 用电设备功率因数降低之后，在有功功率保持不变的情况下，无功功率增加 将带来以下不良后果： ( 1 ) 增加电力网中输电线路上的有功功率损耗和电能损耗 若设备的功率因数降低，在保证输送同样的有功功率时，无功功率就要增加 ( 因为q = p t a n 缈) ，这样势必就要在输电线路中传送更大的电流，因此使输电 线路上的有功功率损耗( 廿一p 2 + q 2r ) 和电能损耗增加。 u 。 ( 2 ) 使电力系统内的电气设备不能充分利用 因为发电机或变压器都有一定的额定电压和额定容量，在正常情况下，运行 参数不允许超过这些额定值，根据公式关系p = q 5 u i c o s f p 可知，若功率因数降 低，则有功处理也将随之降低，使这被容量不能充分利用。 ( 3 ) 功率因数过低还将使线路的电压损耗增加 由于u ：p r + q x ，所以无功功率q 增加，电压损耗u 也将增加，结果 u 使负荷段的电压下降，甚至会低于允许的偏移值，从而严重影响用电设备的正常 运行，特别是在用电高峰期，功率因数过低，会出现大面积地区的电压偏低，这 将对人们的生产和生活造成很大的损失。 为了输送无功功率，要求输电线路两端电压有一幅值差，这只能在很窄的范 围里实现，而负载所需要的无功功率必须从电网中的某个地方获得。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。 无功补偿的作用有如下几点： ( 1 ) 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在合 适的地点设置动态无功补偿装置，不仅可以补偿无功功率，还可以改善输电系统 的稳定性提高输电能力。 2 硕士学位论文 第一章绪论 力。 ( 2 ) 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。 ( 3 ) 向电力系统提供或从系统中吸收无功功率。 ( 4 ) 改善系统的稳定性，提高输电能力，并提供一定的系统阻尼。 ( 5 ) 提高发电机的有功输出能力，减少线路损耗，提高电网的有功传输能 ( 6 ) 降低设备发热，延长设备寿命，改善设备的利用率。 1 2 国内外研究现状 电力系统无功补偿方式可以分为并联补偿、串联补偿和串并联混合补偿三 种，而由于并联补偿方式接入和切除都很方便，因此在电力系统中得到了最为广 泛的应用。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，静 止无功补偿技术的发展和应用情况可以通过静止无功补偿装置的发展和应用来 体现，电力系统中的无功补偿装置从最早的电容器到今天，历经了电容器、同步 调相机、饱和电抗器、静止无功补偿装置( s v c ) ，直到今天引人注目的s t a t c o m 几个不同阶段1 2 j ，如图1 1 所示。 图1 - 1 无功补偿装置的发展 并联补偿技术在电力系统中的应用已有很长的历史，最早的是各种机械投切 式并联补偿装置，如电容补偿器、同步调相机1 3 1 、饱和电抗器【4 1 。随着大功率晶 闸管的诞生和应用，出现了一系列晶闸管投切或控制的并联补偿设备，如t s c 硕+ 学位论文第一章绪论 ( t h y r i s t o rs w i t c h e dc a p a c i t o r ) ，t s r ( t h y r i s t o rs w i t c h e dr e a c t o r ) ，t c r ( t h y r i s t o r c o n t r o l l e dr e a c t o r ) 及其综合体s v c ( s t a t i cv a rc o m p e n s a t o r ) 。由于使用晶闸管 的静止无功补偿装置具有优良的性能，所以，近1 0 多年来，其市场一直在迅速 而稳定地增长，并已占据了静止无功补偿装置的主导地位。因此静止无功补偿装 置【5 j ( s v c ) 这个词往往是专指使用晶闸管的静止无功补偿装置，包括晶闸管投 切电容裂6 l ( t h 州s t o rs w i t c h e dc a p a c i t o r - - t s c ) 和晶闸管控制电抗器【7 l ( t h y r i s t o r c o n t r o l l e dr e a c t o 卜- t c r ) 以及这两者的混合装置( t c r + t s c ) ，或者晶闸管控 制电抗器与固定电容器( f i x e dc a p a c i t o r - - f c ) 或机械投切电容器( m e c h a n i c a l l y s w i t c h e d c a p a c i t o r - - m s c ) 混合使用的装置( 如t c r + f c 、t c r + m s c 等) 。s v c 可以快速的调节补偿的无功功率( 响应时间在几十m s ) ，而且没有旋转部件、结 构简单、维护简单、成本较低，很快成为电力系统并联补偿的主要选择。但s v c 本身也存在一定的问题：如晶闸管控制只能以斩波方式工作，会产生较大的谐波 d o l o 8 0 年代以来，随着电力电子技术的进一步发展及瞬时无功功率理论的提出 【1 1 1 【1 2 1 ，一种更为先进的静止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【1 3 】1 1 4 ( s t a t c o m 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 ) 。 1 9 8 0 年，日本三菱公司采用晶闸管和强迫换相技术成功研制出世界上第一台 基于变换器的静止同步补偿器( s t a t c o m ) ，并投入工业试运行。此后， s t a t c o m 作为一种先进的动态并联补偿设备，得到了迅速发展。随着高压大容 量的可关断器件( 如i g b t 、g t o 等) 的实用化，s t a t c o m 主电路已用自换相 器件取代了最初采用强迫换相技术的晶闸管，基于g t o 的大容量s t a t c o m 被 广泛运用于实际工程中。s t a t c o m 具有一系列优越性，如具有可控电流源或电 压源特性【l 引，响应速度快( 达到1 0 m s 级) ，连续控制的精度高，可调范围大， 输出谐波特性好f 1 7 】【1 引。 各种分立式的无功补偿装置有各自的特点和优势，在实际系统中，为了满足 并联无功补偿各方面的要求，通常将它们结合起来使用。目前主要的组合方式有 下面几种： ( 1 ) 固定电容+ 晶闸管控制电抗器型( f c + t c r ) ，实际应用中，常用一 个滤波网络来取代单纯的电容支路，能对t c r 产生的谐波分量起着滤波的作用。 ( 2 ) 晶闸管投切电容+ 晶闸管控制电抗型( t s c + t c r ) ，由于t c r 工作 中产生的感性无功电流需要固定电容中的容性无功电流来平衡，因此在需要实现 输出从额定感性无功到容性无功的调节时，t c r 的容量则是额定容量的2 倍， 从而导致器件和容量上的浪费。t s c + t c r 型可以克服上述缺点。 ( 3 ) 机械式投切电容+ 晶闸管控制电抗器型( m s c + t c r ) ，在一些要求 4 硕+ 学位论文第一章绪论 不高、电容器投切不频繁的应用场合，可以采用机械式开关代替t s c 支路的晶 闸管，有利于降低成本和损耗。 ( 4 )s t a t c o m + s v c ，s t a t c o m 的容性和感性无功容量的可控范围对 称，但实际应用中对感性和容性无功容量的需求是不同的，因此时将s t a t c o m 与其它无功补偿设备结合起来可以解决这个问题，并降低整体成本。 要使动态无功补偿控制器充分发挥其设计功能，采用准确、高效的分析与控 制方法是至关重要的。首先要获得及时、准确的有关“源 信息，如三相电压、 三相电流、中线电流及中线对地电压等，然后对这些信息进行实时、快速的分析， 得到所需的控制信息，控制器根据这些控制信息，采用适当的控制方法产生相应 的动作，最终才能得到理想的补偿效果。关于动态无功补偿控制的方法，目前研 究及应用比较广泛的主要有以下几种： ( 1 ) p i d 控制。p i d 控制是常用的控制方法，其理论完善、鲁棒性强、稳 定性好、稳态精度高，易于在工程中实现。经典p i d 控制采用比例、积分、微分 等典型的控制模块，加上几种校正网络，能改善系统动态、稳态性能。但p i d 控制也存在响应有超调、对系统参数摄动和抗负载扰动能力差等缺点【1 9 1 2 0 1 。 ( 2 )空间矢量控制。空间矢量控制的原理是将测量得到的基于三相静止 坐标系的交流量( a b c ) 经过p a r k 变换得到基于两相旋转坐标系的直流量( d q ) ， 实现解耦控制。矢量控制具有良好的稳态性能与暂态性能。常规的矢量控制方法 需要进行复杂的正弦、反正切函数运算，一般采用d s p 进行处理；或者采用一 些简化算法缩短实时运算时间和降低对硬件的要求。 ( 3 ) 模糊逻辑控制。模糊控制有较强的鲁棒性，对外来干扰、过程参数 变化和非线性因数均不敏感。但模糊控制存在稳态误差，在工作点附近容易引起 小范围振荡。将其他控制方法与模糊控制相结合，如变结构控制、人工神经网络 等，可以改善模糊控制的性能。 ( 4 ) 人工神经网络( a n n ) 。人工神经网络具有自适应和自组织能力，可以 根据输入、输出学会它们之间的非线性关系，而不需要系统的数学模型；a n n 的容错性和自适应性可以应付复杂系统在运行过程中的众多不确定因素，提高系 统的抗干扰能力；a n n 固有的并行结构和并行处理能力使它可以快速处理系统 的大量数据。 1 3 本文主要研究内容 本文在广泛查阅和分析国内外专家学者对t s c 及s t a t c o m 无功补偿装置 研究的基础上，主要针对t s c + s t a t c o m 主电路结构设计及触发模式进行研究， 所做的工作主要有以下几点： 5 硕士学位论文第一章绪论 ( 1 ) 介绍了无功补偿的原理、t s c 的电路拓扑结构及工作原理，深入分析 了t s c 的投入暂态过程，介绍了s 仉盯c o m 主电路的两种基本结构，讨论了 s t a t c o m 在容性工况和感性工况下的工作原理，分析了多种提高s t a t c o m 容 量及降低谐波含量的方法。阐述了瞬时无功功率理论在三相不平衡系统中的缺 陷，并简要介绍了用单相构造三相的无功检测算法。 ( 2 ) 分析了我国电气化铁路牵引供电系统负荷的特点，根据铁路牵引供电 系统的现状，研究设计了基于t s c + s t a t c o m 无功补偿装置的主电路结构，分 析了t s c 的结构、触发时刻、s t a t c o m 装置的结构和逆变桥的触发脉冲发生 原理，并对装置电路的参数进行了详细的研究设计。 ( 3 ) 结合铁路电力系统的特点，采用通过单相电压、电流信号构造成三相 来检测单相无功功率、无功电流的方法，结合第三章设计的无功补偿装置的主电 路，在m a t l a b s i m u l i n k 环境下建立了仿真模型，并进行了仿真实验。 6 硕士学位论文第二章t s c 与s t a t c o m _ t 作原理 第二章t s c 与s t a t c o m 工作原理 2 1 无功补偿的原理 电力网中的变压器和电动机f 2 l j 是根据电磁感应原理工作的。建立磁场所需 要的磁场能是由电源供给的。电动机和变压器在能量转换过程中建立交变磁场， 在一个周期内吸收的功率和释放的功率相等，这种功率称为感性无功功率。接在 电力网络中的电容器，在一个周期内上半周的充电功率与下半周的放电功率相 等，这种充电功率叫做容性无功功率。所以无功功率被用于建立磁场和静电场， 它存储于电感和电容中，通过电力网往返于电源和电感，电容之间。无功功率在 电力网元件中流动，在电力网元件中引起电压损耗和功率损耗，降低电网的电压 质量，增加电网的线损率等问题。如果将电容器和电感并联在同一电路中，电感 吸收能量时，电容释放能量；而电感放出能量时，电容器吸收能量【2 2 1 。能量就 只在它们之间交换，即感性负荷所吸收的无功功率，可由电容器所输出的无功功 率中得到补偿。因此把由电容组成的装置称为无功补偿装置。无功补偿的作用和 原理例如图2 1 所示 图2 - 1 无功补偿原理图 设感性负荷需要从电源吸取的无功功率为q ，装设无功补偿装置后，补偿的 无功功率为q c ，使电源输出的无功功率减少为q = q p c ，功率因数由c o s # 提 高到c o s # ，视在功率s 减少到s ，如图2 1 所示。视在功率的减少可相应减少 供电线路的截面和变压器的容量，降低供电设备的投资。例如一台1 0 0 0 千伏的 变压器，当负荷的功率因数为0 6 时，可供6 0 0 千瓦的有功负荷；当负荷的功率 因数提高到1 时，可供1 0 0 0 千瓦的有功功率。同一台变压器，因为负荷的功率 因数的提高而可多供4 0 0 千瓦负荷，提高的容量是相当可观的。 由电力网功率损耗的计算公式( 2 1 ) 所示。 7 硕士学位论文第二章t s c 与s t a t c o m i e 作原理 a s = a p + j a q = 生f u 垒z 型驭+ 弘) ( 2 1 ) 可见，因采用无功补偿措施后，电源输送的无功功率减少，将使电力网和变 压器中的功率损耗下降，从而提高了供电效率。 电压损耗计算公式( 2 2 ) 所示。 u ：p r + ( q - q c ) x u ( 2 2 ) 可知，采用无功补偿措施后，因电力网无功功率的减少，降低了电力网中的 电压损耗，提高了用户的电压质量。 在实际电力系统中，包括异步电动机在内的绝大部分电器设备的等效电路可 看作电阻r 与电感l 串联的电路，设 c o s 伊：1 当 ( 2 3 ) 0 硭+ x ： 式( 2 3 ：中：x ，= 国 c o s ( p 被定义为用电设备的功率因数，其物理意义是负载的有功功率p 占负 载视在功率s 的百分数。在电力网运行中，期望功率因数越大越好，如果能做到 这一点，则电路中的视在功率将大部分用来供给有功功率，可以减少无功功率的 消耗。 假设电路负载等效为电阻r 和电感，将r 、电路并联电容c 后，电路如 图2 - 2 ( a ) 所示，该电路电流方程为i = i c + 气，由图2 - 2 ( b ) 所示的相量图可知， 并联电容器后电压u 和电流，的相位差变小了，即供电回路的功率因数提高了， 此时供电电流，的相位依然滞后于电压u ，这种情况称为欠补偿【2 4 】。 。j f 苏， ( a ) 电路 ( b ) 向量图( 欠补偿) u j 时，s t a t c o m 从系统吸收感性无功：虬 0 时，s t a t c o m 从电源吸收功率，其中一部分补偿 s t a t c o m 的功耗，另一部分用于向电容器充电，升高直流电压；万 0 时， s t a t c o m 向电源提供能量，其中一部分用于补偿s t a t c o m 的功耗，另一部分 用于向电源释放，从而使直流电压降低。 2 3 2s t a t c o m 输出电压频谱分析 单相桥电路如图2 7 所示，e 为储能电容，为s t a t c o m 提供直流电压支撑， v t i 、v t 2 、v t 3 、v t 4 为可关断器件，v d l 、v d 2 、v d 3 、v d 4 为与相应可关 图2 - 7 单相桥s t a t c o m 电路图 1 3 硕士学位论文第二章t s c 与s t a t c o m t 作原理 断器件反并联的二极管，单相桥电路的输出电压为u l r ( t ) 。通过控制四个可关断 器件的开通与关断，可以方便控制单相桥电路输出的电压与频率。目前世界上已 经运行的s t a t c o m 装置均是基于全控器件，早期的则主要采用门极可关断晶闸 管( g t o ) ，近年来随着大功率器件制造技术的发展和对s t a t c o m 性能要求的 提高，基于其它可关断器件( 如i g c t ，i e g t 和l g b t ) 的s t a t c o m 装置，也得 到迅速的应用。 图2 8 给出了各个可关断器件的触发脉冲及时序关系，同一臂桥上的可关断 器件不能同时开通，即v t l 和v t 3 、v t 2 和v t 4 不能同时开通，否则电容将通过 桥臂短路，造成可关断器件过流而损坏。 订，啊厂 i ； m il 厂_ 厂 l v s li 厂 。 i m 可厂 ， ，il1 jj1 1 。 。2 。3 。l 、u 、，、 4 ，r 吞 一 i 一、。协舯 ： 06 七p扣瞻j 么万 图2 - 8 单相桥电路各可关断器件的触发脉冲及输出电压 从图2 8 可以看出，单相桥输出的电压波形是阶梯波，而不是标准的j 下弦波， 可见单相桥电路直接接入电力系统会产生很多电流谐波，对电力系统造成污染。 另外，由于g t o 等器件开关容量及电压等级的限制，单个单相桥( 或三相桥) 电 路的容量与电力系统对无功容量的需求相比还有很大的差距，因此单个单相桥或 三相桥还不能构成真正满足电力系统谐波要求与容量要求的s t a t c o m 装置。 对于单相桥电路( 如图2 7 ) ，单相桥电路输出电压为( 为了简化分析，假定 直流电压为常数e ) 1 4 硕士学位论文第二章t s c 与s t a t c o m i 作原理 i 肺( f ) = 0 0 a ) t 万十 e d6 + 9s r o t t r - p + 6 0 万一+ 5 r o t 万+ + 万 ( 2 1 3 ) 一e d死七p + 6s ( a t 2 7 r - p + 8 0 2 x 一+ 艿c o t = 2 5 k v 的应用场合，晶闸管是唯一的选择1 5 0 】。但是，晶闸管的门极驱动仅在 器件开通的瞬间起作用，其关断则需要通过负载电流的换向来实现，所以当时基 本上只能进行a c a c 或者a c d c 转换，一旦涉及带d c 电源或d c 电压中间环 节的电路，实现起来就相当麻烦。 1 9 6 0 年，门极可关断晶闸管( g t o ) 面世，但是直至7 0 年代后期，由于电压 型逆变器( v s i ) 电路拓扑的出现，g t o 才被引入高压大功率应用场合，并使牵引 逆变器和工业电传动的性能得到显著改善1 5 。 尽管解决了许多问题，但是从理论上来讲，从晶闸管到g t o 只前进了一小 步。这是因为，它们同为四层结构，通态时都工作于擎住状态，因而具有高阻断 电压下的低通态压降。而g t o 门极关断能力仅仅是靠其精细的门极结构，即将 整个晶闸管区域分割成众多的小晶闸管单元，细小到足以通过负门极电流关断阴 极的载流子注入。 但是由于门极驱动技术的限制，g t o 的进一步应用受到严重制约。它要求 硕士学位论文 第三章基于t s c + s t a t c o m 的无功补偿装置主电路研究设计 在尽量下的“门极电流上升率( 酬d t 1 0 0 a u s ) 的条件下，尽量减d , f - 极关断 电流。硅技术的进步，使硅片更为均匀，这使器件应用于小功率电路时，不需吸 收电路或者对吸收电路的要求大大降低，但在大功率场合，仍需要为g t o 关断 配置庞大的d v d t 限压吸收回路。 与此同时，其他类型的器件也在不断涌现，并且开始挤占g t o 在某些电压 等级上的应用市场。在2 0 0 0 v 以下的应用场合，就先后出现了双晶体管、达林 顿管，并最终出现了绝缘栅双极型晶体管( i g b t ) 。i g b t 是晶体管结构器件，其 电流和电压控帛i 。p - 力得到很大的改善，所以本文中s t a t c o m 逆变器开关器件选 择的是i g b t 。 i g b t 的选择主要是指其电流额定值的确定。下面分析电流容量的确定方法。 直流侧电容两端电压玑= 2 0 0 0 v 。 逆变器输出电压最大值m 瓢为： u 。珏= 半= o 8 6 6 u a = o 8 6 6 x 2 0 0 0 = 1 7 3 2 v ( 3 1 3 ) 逆变器输出电压实际有效值为： 配= 等= 等o 9 5 0 9 5 _ l 1 0 5 y( 3 - 式中：口= 0 9 5 ，为考虑的最大调制度；= 0 9 5 ，为考虑死区影响产生的系数。 所以在1 0 0 0 k v a r 的额定容量下的输出线电流，近似计算为： ，、，：塑1 0 32 2 6 2 a ( 3 1 5 ) “ 4 u 通态峰值电流l ： l = 4 2 1 n = 3 2 0 a ( 3 1 6 ) 考虑1 5 2 0 倍的安全系数，取额定电流为6 0 0 a 。 逆变器连接的是： 1 5 8 ( 3 - 1 7 ) 考虑1 5 倍的安全系数，取额定耐压值为3 1 6 0 v 。 由以上i g b t 参数计算，可选用型号为日立m b n l 2 0 0 d 3 3 ai g b t 模块 ( 1 2 0 0 a ，3 3 0 0 v ) 。 3 3 3 整流电路参数选取 本文中s t a t c o m 装置由于采用三相不对称控制，在给系统提供无功补偿 4 l 硕+ 学位论文第三章基于t s c + s t a t c o m 的无功补偿装置土电路研究设计 时，系统会有零序电流，这就会消耗给s t a t c o m 提供电压支撑的直流电容的能 量，因此在s t a t c o m 装置运行时需要一整流电路将交流转换成直流，以给电容 提供能量支撑。 通过二极管的峰值电流： 厶= 4 2 ，= 3 2 0 a ( 3 - 1 8 ) 流过二极管电流的有效值： 易= 击f 2 。d ( 研) = 去l = 1 8 4 朋 ( 3 - 1 9 ) 二极管电流定额： 厶= ( 1 5 2 ) 南2 1 7 6 5 2 3 5 3 彳3 - 2 0 ) 考虑滤波电容充电电流的影响，需留有较大的电流余量，选用l = 2 5 0 a 整 流二极管电压定额： u o = 1 5 u d = 1 5 x 2 0 0 0 = 3 0 0 0 v ( 3 2 1 ) 根据上式确定的电压、电流以及市场供货情况，选用二极管整流模块 m d s 2 5 0 3 0 0 0 ，即三相( 2 5 0 a ，3 0 0 0 v ) 。 3 3 4 直流侧电容的设计 根据三相瞬时无功功率理论，理想情况下，三相电路总的瞬时功率为各相瞬 时有功功率之和，总的瞬时无功功率总和为零，这表明各相瞬时无功功率只是在 三相之间交换。对于配电网s t a t c o m 而言，瞬时无功功率不会导致其交流侧和 直流侧之间的能量交换，从而使u 保持恒定。从原理上讲，配电网s t a t c o m 直流侧不需储能元件，直流侧只需很小的电容用于保证功率器件的正常工作即 可。 但实际电流有谐波成分，谐波有功靠电容提供，流入电容有脉冲电流，引 起电压脉动。在额定容量下，流入直流侧电流峰值与配电网s t a t c o m 输出的电 流峰值相等。直流侧电容越大越好，但成本增加。 根据工程上直接选取电容的经验法则：l k v a 的负载功率对应1 k p f 的电容， 综合电压脉动、脉冲电流和成本因数，直流侧电容选用2 个2 0 0 0 a f 3 0 0 0 v 的电 解电容，串联后接入电路。 3 3 5 连接电抗器参数选取 s t a t c o m 与系统之间的连接电抗器对装置有着重大影响，它对装置的影响 主要有： 4 2 硕士学位论文第三章基于t s c + s t a t c o m 的无功补偿装置主电路研究设计 ( 1 ) 连接电抗器对装置容量的影响 在理想状态下，忽略s t a t c o m 装置的内阻，则装置的输出容量由下式决定： 9 = 3 ( u 一玑) x ( 3 - 2 2 ) 其中，u 。为系统相电压有效值，u 为s t a t c o m 装置逆变器输出相电压有效值， x = 缈三，为连接电抗器的电抗。 由上式可知，若q 及u 。不变，连接电抗器越小，则逆变器所输出的电压u 越 低，这样逆变器中g t o 所须容量及变压器的耐压水平都可以取相对较低的水平， 这样就降低装置的成本，提高了安全运行能力。所以从装置的容量角度考虑，应 该选取较小的连接电抗。 ( 2 ) 连接电抗器对装置输出电压谐波含量的影响 假设系统电压为纯基波正弦电压，则s t a t c o m 装置输出的n 次谐波电压分 量与系统连接的等效电路图如图3 1 9 所示。 xx s 图3 - 1 9 装置i 1 次谐波电压的等效电路 图3 1 9 中，u ( ，) 为n 次谐波电压分量，x 为装置的连接电抗，以为系统 等效电抗。则s t a t c o m 装置接入系统点a 的n 次谐波电压分量u 。为 y u 二= 音u ( 3 2 3 ) 以1 - 以s 从上式可以看出，为了减少s t a t c o m 装置输出谐波对系统的影响，连接电抗器 应越大越好。图3 2 0 为s t a t c o m 装置并网前后输出电压的变化，并网后谐波 大部分被连接电感吸收。 ( 3 ) 系统不对称时，连接电抗器对装置的影响 在系统电压不对称时，系统电压可以分解成正序电压、负序电压和零序电压。 由于电抗器对零序分量相当于断路，对零序分量没有影响，因此这里不考虑零序 分量。s t a t c o m 装置产生的电压u 可认为是三相平衡电压，它仅含有正序电压 分量，因此，在s t a t c o m 装置在系统电压不对称时的运行情况可等效为正序分 4 3 硕士学位论文第三章基于t s c + s t a t c o m 的无功补偿装置主电路研究设计 量电路( 如图3 2 1 ) 和负序分量电路( 如图3 - 2 2 ) 所示。 0 0 80 0 90 1o 1 1 图3 - 2 0s t a t c o m 投切前后电压波形 图3 - 2 1 正序分量等效电路 对于正序分量电路，流经s t a t c o m 装置的正序电流，+ 是由系统电压的正 序分量u + 和装置逆变电压的正序分量吖的差和连接电抗决定，如下式所示。 i - - ( u 一u | x ( 3 2 4 ) 4 3 2 ， 0 一 乏 o 4 硕士学位论文第三章基于t s c + s t a t c o m 的无功补偿装置主电路研究设计 图3 - 2 2 负序分量等效电路 对于负序分量电路，流经s t a t c o m 装置的负序电流厂是由系统电压的负序 分量u 一和连接电抗x 决定，即 i 一= u 一| j x (