（电气工程专业论文）配电网静止同步补偿器（dstatcom）的理论与技术研究.pdf

博士学位论文 摘要 配电网静止同步补偿器( d s t a t c o m ) 是一种重要的“用户电力( c u s t o m p o w e r ) ”装置，在配电网中能有效的解决电压波动与闪变、三相电压不平衡、电 网谐波污染等电能质量问题。论文对d s t a t c 0 m 用来改善配电网电能质量时的 电压控制策略、电网电压不平衡条件下d s n 玎c o m 的运行性能及不平衡控制策 略、补偿电流检测与控制技术、功率开关器件的驱动和缓冲电路参数优化设计等 理论和关键技术进行了系统深入的研究，主要包括以下几方面的内容。 补偿无功和电压是d s t a t c o m 装置的基本功能。d s t a t c o m 通过与公共 连接点( p c c ) 进行无功功率交换，可以使公共连接点电压维持在参考电压值。 为了使d s t a t c o m 装置具有良好的电压补偿性能，电压控制器的性能显得至关 重要。论文的第2 章针对传统的d s t a t c o m 电压控制策略存在的不足，以瞬时 无功功率理论为基础，从功率交换的角度详细地分析了d s t a t c o m 系统中的功 率交换关系，推导出了d s t a t c o m 逆变器的输出电压与指令电流之间的转换关 系，进而提出了基于瞬时功率平衡的直接电压控制策略。由于该控制策略在实现 过程中要利用到d s n 玎c 0 m 系统中连接电抗器的等效电气参数，所以控制器的 控制性能会受到等效电气参数的影响。同时考虑到d s t a t c o m 数学模型的不精 确性，论文将模糊自适应p i 控制引入到d s n 盯c o m 控制系统中，使得控制器不 仅结构简单、容易实现，而且还具有鲁棒自适应性能。对控制策略进行了数字仿 真研究，仿真结果证明了控制策略的正确性和有效性。 不平衡控制是d s 日订c 0 m 实现工程应用时所面临的技术难题之一。电网电 压不平衡现象在配电网中普遍存在，电网电压的不平衡会给d s t a t c o m 装置造 成不利影响。论文的第3 章首先应用开关函数法和序网络分析法从d s t a t c o m 逆变器的输出性能和装置的过流两方面详细地分析了电网电压不平衡对 d s t a t c d o m 装置的影响。然后提出了综合利用改进的开关函数调制法和负序电 压前馈控制的不平衡控制策略，克服了单独使用改进的开关函数调制法和负序电 压前馈控制策略存在的缺陷，解决了d s t a t c o m 输出电流中的谐波问题和装置 的过流问题。为了利用d s t a t c o m 改善供电电压的不平衡度，论文的第3 章提 出了正、负序双控制环相叠加的不平衡控制策略，正、负序控制环均实现了无电 流传感器控制，使d s t a t c o m 既能很好的补偿电压又能改善不平衡度。 d - s t a t c 0 m 装置除了补偿无功功率和电压外，也可以用来实现对负荷的综合 博士学位论文 补偿。拓宽d s t a t c o m 的应用范围，提高d s t a t c o m 装置的性价比也是 d s t a t c o m 未来发展的一个方向。利用d s t a t c o m 来实现对负荷的综合补偿 时，补偿电流的检测和控制技术是其中的两大关键技术。论文的第4 章提出了一 种改进的基于电源电压矢量的同步参考坐标变换检测法，该方法无需锁相环电路， 且在电网电压不平衡条件下仍能准确的检测出负载电流中的无功、谐波和负序分 量，满足d - s t a t c o m 负荷综合补偿的要求。d s t a t c o m 用于负荷综合补偿时 其补偿指令电流为不规则的非正弦信号，常规的电流跟踪控制技术很难使 d s t a t c o m 的输出电流能很好的跟踪补偿指令电流的变化。针对补偿指令电流信 号的特点，论文的第4 章将基于空间矢量的滞环电流控制技术引入到d s t a t c o m 用于负荷综合补偿时的电流跟踪控制之中，取得了不错的控制效果。 d s t a t c o m 装置要实现安全、稳定运行，在很大程度上取决于主电路功率开 关器件的运行情况。为了使功率开关器件稳定、可靠的工作，必须为其设计性能 优良的驱动电路和缓冲电路。论文的第5 章从工程开发周期和驱动电路的性能出 发，提出了一种基于s c a l e 器件的i g b t 智能集成驱动保护方案。该方案采用了 智能集成驱动器2 s d 3 1 5 a 作为d s t a t c o m 功率开关器件i g b t 的驱动电路，该 驱动电路集驱动、隔离和保护为一体，且开发周期短，适合于d s t a t c o m 实际 装置的开发。论文给出了该方案实现过程中的一些技术细节，可以为同类型的电 力电子设备的开发提供参考论文的第5 章还设计了一种d s t a t c o m 主回路新 型结构，使得主回路电感更小，从而更好的抑制瞬态电压。此外，针对目前根据 工程经验来设计缓冲电路所存在的问题，提出了基于模糊多目标优化的缓冲电路 参数设计方法，实践证明这种方法是切实可行的。 论文的第6 章在前面几章相关理论和技术的指导下成功研制出了5 0 k v a r 的 d s t a t c o m 实验装置，并在实验样机上进行了大量的实验。实验结果与仿真结果 相吻合，验证了上述理论和技术是正确而有效的。 论文最后对全文工作进行了总结，对d s t a t c o m 今后的研究方向和应用前 景进行了展望。 关键词：电能质量；配电网静止同步补偿器 流检测；电流跟踪控制；驱动电路； ( d s t a t c o m ) ；电压控制；补偿电 缓冲电路 a b s t r a c t d i s t r i b u t i o ns 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 ( d - s t a t c o m ) i sa ni m p o r t a n t ”c u s t o mp o w e r ”d e v i c e ，w h i c hc a nb ea ne f f e c t i v es o l u t i o nt op o w e r q u a l i t yp r o b l e m s s u c ha sv o l t a g ef l u c t u a t i o na n df l i c k e r , t h r e e - p h a s ev o l t a g ei m b a l a n c ea n dh a r m o n i c s p o l l u t i o n b a s e do nl a b o r a t o r y + 5 0 k v a rd s t a t c o md e v i c e sf o rt h ed e v e l o p m e n t b a c k g r o u n d ，d s t a t c o mv o l t a g e c o n t r o ls t r a t e g y , u n b a l a n c e dc o n t r o l s t r a t e g y , c o m p e n s a t i o nc u r r e n td e t e c t i o na n dc o n t r o lt e c h n o l o g y , p o w e rs w i t c h i n g d e v i c ed r i v e r s a n ds n u b b e rc i r c u i td e s i g np a r a m e t e ro p t i m i z a t i o nt h e o r ya n dk e yt e c h n o l o g yf o rt h e s y s t e mi n d e p t hw e r es t u d i e d r e a c t i v e c o m p e n s a t i o n a n d v o l t a g e c o n t r o la r et h eb a s i cf u n c t i o n so f d - s t a t c o m d s t a t c o mc a nm a k et h ev o l t a g eo fp c cm a i n t a i nt h ev o l t a g e r e f e r e n c ev o l t a g ev a l u et h r o u g hr e a c t i v ep o w e re x c h a n g ew i t ht h ep o w e rs y s t e m f o r d - s t a t c o md e v i c e sw i t hg o o dv o l t a g ec o m p e n s a t i o np e r f o r m a n c e ，v o l t a g ec o n t r o l l e r d e s i g ni sc r u c i a l i nt h es e c o n dc h a p t e ra i m sa tt h es h o r t c o m i n g so ft h et r a d i t i o n a l v o l t a g ec o n t r o ls t r a t e g yo fd - s t a t c o m ，o nt h eb a s i so fi n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e r t h e o r y , p o w e re x c h a n g ef r o mt h ep e r s p e c t i v eo f a d e t a i l e da n a l y s i so f t h ed - s t a t c o m s y s t e mo fp o w e re x c h a n g e ，d e r i v e df r o mt h ed - s t a t c o mo u t p u tv o l t a g ei n s t r u c t i o n s a n dd i r e c t i v e sf o rc o n v e r s i o nb e t w e e nt h ec u r r e n tr e l a t i o n s h i pt h u st h eb a l a n c eo f p o w e rb a s e do ni n s t a n t a n e o u sv o l t a g ed i r e c tc o n t r o ls t r a t e g y a st h er e a l i z a t i o no ft h e c o n t r o l s t r a t e g y t h ec o n n e c tr e a c t o r e q u i v a l e n t e l e c t r i c a l p a r a m e t e r s a r eu s e d t h e r e f o r e ，t h ep e r f o r m a n c eo ft h ec o n t r o l l e rw i l lb ei n f l u e n c e db ye q u i v a l e n te l e c t r i c a l p a r a m e t e r s a tt h es a m et i m et a k i n gi n t oa c c o u n tt h ed s t a t c o mm a t h e m a t i c a l m o d e lo fa c c u r a c y , t h ea d a p t i v ef u z z yp ic o n t r o li su s e di nd - s t a t c o mc o n t r o l s y s t e m ，w h i c hm a k e sn o to n l ys i m p l e ，e a s yt oi m p l e m e n t ，b u ta l s or o b u s ta d a p t i v e p e r f o r m a n c e ，s i m u l a t i o nr e s u l t sp r o v et h i sp o i n t u n b a l a n c e dc o n t r o li sat e c h n i c a ld i f f i c u r i e sw h e nd s t a t c o mr e a l i z a t i o no f t h ep r o j e c ta p p l i c a t i o n g r i dv o l t a g ei m b a l a n c ep r e v a i l i n gi np o w e rs y s t e m ，p o w e r s y s t e mv o l t a g ei m b a l a n c ew i l lg i v ed s t a t c o ma d v e r s e l ya f f e c t e d i nt h et h i r d c h a p t e rt h eo u t p u tp e r f o r m a n c eo fi n v e r t e rf o rd - s t a t c o ma n dt h eo v e r e u r r e n t p h e n o m e n ao fd - s t a t c o ma r ea n a l y z e dd e t a i l e du n d e rp o w e rs y s t e mv o l t a g ei s i l l i m b a l a n c e ac o m p r e h e n s i v eu t i l i z a t i o no fi m p r o v e ds w i t c h i n gf u n c t i o nm o d u l a t i o n a n dn e g a t i v es e q u e n c ev o l t a g ef e e d f o r w a r dc o n t r o lt h ei m b a l a n c ec o n t r o ls t r a t e g y o v e r c o m ea l o n ei m p r o v et h es w i t c h i n gf u n c t i o nm o d u l a t i o na n dn e g a t i v es e q u e n c e v o l t a g ef e e d f o r w a r dc o n t r o ls t r a t e g yt oc o n t r o lt h ei m b a l a n c e ，t h ed e f e c t ss o l v et h e d s t a t c o mo u t p u tc u r r e n th a r m o n i c so ft h ed e v i c ea n do v e r c u r r e n tp r o b l e m s i n o r d e rt ot a k ea d v a n t a g eo fd s t a t c o mi m p r o v et h es u p p l yv o l t a g ei m b a l a n c e p o s i t i v ea n dn e g a t i v es e q u e n c ec o n t r o ll o o ps u p e r i m p o s e di m b a l a n c ec o n t r o ls t r a t e g y i sp r o p o s e di nt h et h i r dc h a p t e ri s f r o ms i m u l a t i o na n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，t h i s i m b a l a n c ec o n t r o ls t r a t e g yi sf e a s i b l e d s t a t c o md e v i c e si na d d i t i o nt oc o m p e n s a t i o no fr e a c t i v ep o w e ra n dv o l t a g e ， b u ta l s oc a nb eu s e df o rl o a dc o m p r e h e n s i v ec o m p e n s a t i o n b r o a d e nd - s t a t c o m s c o p eo fa p p l i c a t i o ne n h a n c ed s t a t c o md e v i c e sc o s t - e f f e c t i v e n e s si sd - s t a t c o m f u t u r ed e v e l o p m e n to fad i r e c t i o n w h e nu s i n gd s t a t c o mt oa c h i e v eal o a d c o m p r e h e n s i v ec o m p e n s a t i o n ，c o m p e n s a t i o nc u r r e n td e t e c t i o na n dc o n t r o lt e c h n o l o g y i so n eo ft h et w ok e yt e c h n o l o g i e s i nt h ef o u r t hc h a p t e ram o d i f i e dv e c t o rb a s e do nt h e s u p p l yv o l t a g es y n c h r o n o u sr e f e r e n c ec o o r d i n a t et r a n s f o r m a t i o nm e t h o di sp r o p o s e d t h i sm e t h o di sn on e e dp l lc i r c u i ta n dt h ev o l t a g ei m b a l a n c ec o n d i t i o n sc a nb e a c c u r a t e l yd e t e c t e db yt h el o a dc u r r e n to fr e a c t i v e ，h a r m o n i ca n dn e g a t i v es e q u e n c et o m e e td s t a t c o ml o a dc o m p e n s a t i o nr e q u i r e m e n t s c o n s i d e r a t i o no ft h ei r r e g u l a r n o n s i n u s o i d a ls i g n a lo fd - s t a t c o m sd i r e c tc u r r e n t ，t h ec o n v e n t i o n a lc u r r e n t t r a c k i n gc o n t r o lt e c h n o l o g yi sv e r yd i f f i c u l tt oa c h i e v ew i t h o u ts t a t i ce r r o rt r a c k i n g b e c a u s eo ft h i s ，i nt h ef o u r t hc h a p t e rb a s e do nt h ev e c t o rs p a c eh y s t e r e s i sc u r r e n t c o n t r o lt e c h n o l o g yi si n t r o d u c e dt ot h ed s t a t c o mw h i c ha c h i e v e sc o m p r e h e n s i v e l o a dc o m p e n s a t i o na n da c h i e v e sg o o dc o n t r o le f f e c t d s t a t c o md e v i c e st oa c h i e v es e c u r i t y , s t a b i l i t yo p e r a t i o n sd e p e n d st oal a r g e e x t e n to nt h em a i nc i r c u i tp o w e rs w i t c h i n gd e v i c eo p e r a t i o n i no r d e rt oe n s u r et h a tt h e p o w e rs w i t c h i n gd e v i c e ss t a b l e c a nr e l i a b l yw o r k ，w em u s td e s i g ni t se x c e l l e n t p e r f o r m a n c ed r i v i n gc i r c u i ta n dt h es n u b b e rc i r c u i t c h a p t e r5o ft h ep a p e r sf r o mt h e p o i n to fv i e wo fp r o j e c td e v e l o p m e n tc y c l ea n dd r i v ec i r c u i tp e r f o r m a n c e ，i n t e g r a t e d u s eo fi n t e l l i g e n ti n t e g r a t e dd r i v i n gm o d u l es d 315 aa sd s t a t c o mp o w e rs w i t c h i n g d e v i c ei g b td r i v ec i r c u i t ，t h ed r i v i n gc i r c u i th a st h ef u n c t i o no fd r i v i n g ，i s o l a t i o na n d p r o t e c t i o no fi n t e g r a t i o na n dd e v e l o p m e n tc y c l ei ss h o r ts os u i t a b l ef o rd s t a t c o m p r a c t i c a ld e v i c ed e v e l o p m e n t i nt h ef i f t hc h a p t e ra l s od e s i g n e dad s t a t c o mn e w m a i nc i r c u i ts t r u c t u r e ，t h em a i nc i r c u i ti n d u c t a n c em a k e ss m a l l e ra n db e t t e rt r a n s i e n t v o l t a g es u p p r e s s i o n i na d d i t i o n ，af u z z y b a s e dm u l t i o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o no ft h e i v d e s i g np a r a m e t e r so ft h es n u b b e rc i r c u i t ，p r a c t i c eh a sp r o v e dt h a tt h em e t h o di s f e a s i b l e i nt h es i x t hc h a p t e ro ft h ep a p e ru n d e rt h eg u i d a n c eo ft h ea b o v et h e o r i e sa n d t e c h n o l o g i e sa 士5 0 k v a rd s t a t c o mp r o t o t y p ei sd e v e l o p m e n t al a r g en u m b e ro f e x p e r i m e n t sa r ei m p l e m e n t e do nt h ee x p e r i m e n t a lp r o t o t y p e t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s m a t c hw i t ht h es i m u l a t i o nr e s u l t s t h ec o r r e c t i o na n de f f e c t i v eo ft h et h e o r i e sa n d t e c h n o l o g i e sa r ev e r i f i e db yt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s k e yw o r d s ：p o w e rq u a l i t y ；d i s t r i b u t i o ns t o i cs y n c h r o n o u sc o m p e n s a t o r f d s t a t c o m ) ；v o l t a g ec o n t r o l ；c o m p e n s a t i o nc u r r e n td e t e c t i o n ； c u r r e n tt r a c k i n gc o n t r o l ；d r i v i n gc i r c u i t ；s n u b b e rc i r c u i t ； v 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。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 法律后果由本人承担。 储签澎 日期冲f f 月7 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，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。本人授权湖南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。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名夕蓼多0 ，y 。 导师签名： 7y 年年 嘲叼 博士学位论文 1 1 课题的背景及意义 第1 章绪论 电能作为人们广泛使用的能源，其应用程度是一个国家发展水平和综合国力 的主要标志之一。在满足工业生产、社会和人民生活对电能需求量的同时，提高 对电能质量的要求是一个国家工业生产发达、科技水平提高、社会文明程度进步 的表现，是增强用电效率、节雏降损、改善环境、提高国民经济的总体效益以及 工业生产可持续发展的技术保证。 随着现代科学技术的发展，近年来，配电网中整流器、变频调速装置、电弧 炉、电气化铁路等负荷不断增加。这些负荷的非线性、冲击性和不平衡性的用电 特性，使网络中的电压、电流波形发生畸变，或引起电压波动、闪变和三相不平 衡。此外，系统侧发生的雷击线路、投切电容器组、短路、断路等，都给供电质 量造成严重干扰。另一方面，随着现代工业技术的不断发展和计算机技术的广泛 应用，用电设备对电能质量更加敏感。低劣的供电质量将导致低劣的产品质量， 特别是在重要工业生产过程中，供电的突然中断将会带来巨大的经济损失。据美 国官方统计，近2 0 年来全球范围内因电能质量引起的重大电力事故已达2 0 多起， 每年因电能质量扰和电气环境污染引起的国民经济损失高达3 0 0 亿美元，电能质 量直接关系到国民经济的总体效益。如何提高和保证电能质量，已成为迫切需要 解决的重要课题之一。电能质量的优劣已经成为电力系统运行与管理水平高低的 重要标志，控制和改善电能质量也是保证电力系统自身可持续发展的必要条件。 电能质量问题已不仅仅是电力系统中电压和频率等的基本技术问题，它已被提升 为关系到整个电力系统及设备的安全、稳定、经济、可靠运行，关系电气环境工 程保护，关系整个国民经济的总体效益和发展战略。因此，开展电能质量控制技 术的研究及相关电能质量调节装置的开发具有重要的现实意义和战略意义，成为 了近年来电气工程领域研究的热点之一。 n g h i n g o r a n i 于1 9 8 6 年提出了灵活交流输电系统( f a c t s ) 的概念。f a c t s 技术发展的两个重要特点，一是不断采用新器件，另一个特点是装置多样化，应用 范围更广。一方面继续向高压大容量方向发展，另一方面，向中低压配电网的应 用发展，宗旨是提高用户侧的电能质量，称之为用户电力技术( c u s t o mp o w e r ) 。 用户电力技术的概念最早于1 9 8 8 年由n g h i n g o r a n i 博士提出，这是一种应用现代 电力电子技术、计算机技术和控制技术，按用户特定要求提供电力供应并实现对 电能质量控制的技术。我国一些学者称为d f a c t s ，认为是f a c t s 技术在配电系 配电网静止同步补偿器( d - s t a t c o m ) 的理论与技术研究 统应用的延伸，并做了大量的研究。1 9 9 6 年，日本北海道大学和茨城大学的学者 正式提出了与上述概念相似的f r i e n d s ( f l e x i b l e r e l i a b l ea n di n t e l l i g e n te l e c t r i c e n e r g yd e l i v e r y s y s t e m ) ，并组织“f r i e n d s 研究会”。两者目的都是为了建立灵 活、可靠的电力供应系统，更好地满足用户需求【l 】。用户电力技术是一种将电力电 子技术、微处理机技术、控制技术等高新技术运用于中、低压配电和用电系统中， 以减小谐波畸变，消除电压波动和闪变、各相电压的不对称和供电的短时中断， 从而提高供电可靠性和电能质量的新型综合技术。用户电力技术的提出为电力公 司在系统侧和用户侧以最经济的方法综合解决电能质量问题提供了一种新途径。 常用的装置有不间断电源( u p s ) 、配电网静止同步补偿器( d s t a t c o m ) 、动 态电压恢复器( d v r ) 、有源电力滤波器( a p f ) 等。 配电网静止同步补偿器( d s t a t c o m ) 是一种重要的“用户电力”装置，跟 其它类型的装置相比较，具有功能强大、性能优良、性价比高的特点，能综合的 解决配电网中电压波动与闪变、电流畸变、三相电压不平衡等电能质量问题，因 此在配电网中颇受关注，成为了现阶段配电网无功补偿和电能质量控制的发展方 向。d - s t a t c o m 与以往的无功补偿装置如自动投切电容器组装置和s v c 相比具 有如下特点： 1 ) 响应时间快。自动投切电容器组装置的响应时间需要几秒钟，这是受电容 器放电时间所限制。国标规定电力电容器放电时间为3 秒钟，如果放电时间太少， 则电容器的剩余电荷不能放电干净，如再次投入可能会导致电容器发生过压击穿 现象； 2 ) 不会引起谐振短路。虽然该装置仍然采用并联型结构，但是它与电网之间 有连接电抗器，因此不会出现并联谐振现象； 3 ) 可以发出连续可调的感性无功和容性无功。该装置不仅可以应用在感性负 荷场合，还可以应用在容性负荷的场合，可以提高补偿效果，降低线路损耗； 4 ) 精准电压控制。该装置除了可以按照功率因数或者无功功率控制之外，还 可以按照电压幅值来控制，确保用户获得的电压的平稳性，降低电压纹波； 5 ) 具有自适应功能，实现了动态补偿，可对频率和大小都变化的谐波以及变 化的无功功率进行补偿，对补偿对象的变化有极快的响应； 6 ) 可同时对谐波和无功功率进行补偿，补偿无功功率时不需要储能元件，补 偿谐波时所需储能元件的容量不大，且补偿无功功率的大小可以做到连续调节： 7 ) 受电网阻抗的影响不大，不容易和电网阻抗发生谐振；且可以跟踪电网频 率的变化，故补偿性能不受电网频率变化的影响。 目前已经研制成功以及正在运行的输电系统用静止同步补偿器( s t a t c o m ) 装置所使用的功率器件大多为g t o ，电压及容量较小的配电系统用 s t a t c o m ( d s t a t c o m ) 装置使用i g b t 。德国西门子公司己生产出用于高电压的 2 i g b t ，电压可达到5 0 0 0 v 以上，日本东芝公司于1 9 9 3 年开发研制出的i e g t ( 电 子注入增强门极晶体管) 已经形成商用产品，其额定参数可达到4 5 k v 3 0 0 0 a ，a b b 公司于1 9 9 6 年开发研制出了i g c t ( 集成门极换向晶闸管) ，开通、关断时间与开关 损耗进一步减小( 关断时间小于5 n s ) ，目前i g c t 的额定参数可达到 1 0 k v 4 5 0 0 a 2 0 k h z ，而且可在无关断缓冲电路条件下工作。目前人们正在对碳化 硅和金钢石等禁带很宽、击穿电场很高、同时又具有高热导率的新型半导体材料 进行不断探索与研究，并己获得了初步成果。将此类新型电力电子功率器件用于 d s a t c o m 中，开关频率提高、装置损耗降低、体积减小、运行效率提高、使p w m 技术在中压中小容量d s t a t c o m 中的直接应用成为可能。在中小容量 d s t a t c o m 的场合，应用多重化技术的d s t a t c o m 装置的结构与控制技术复 杂、占地面积大、功率密度小、成本较高，而直接采用p w m 控制技术的d s t a t c o m 装置可以克服上述缺点，同时省去了多重化变压器，避免了由于多重化变压器的 非线性磁饱和引起的过电流，而且可以将研究成熟的多种三相p w m 变流器控制 方法( 如相幅控制、滞环电流控制、三角波比较电流控制、空间矢量控制、直接功 率控制等) 直接运用于d s t a t c o m 装置的控制系统设计当中 2 1 。可见开展应用于 中低压系统的基于v s i s p w m 结构d s t a t c o m 的研究符合新型电力电子器件的 发展趋势，可以为将来实现d s t a t c o m 在配电网中的工业应用奠定基础。 本课题在国家8 6 3 计划引导项目输配电谐波治理和无功补偿新技术新装备 研制及工程应用【2 0 0 4 a a 0 0 1 0 3 2 】的资助下开展对d s t a t c o m 应用于电压控制 和负荷补偿时的理论和多项关键技术进行深入研究，解决了d s t a t c o m 电压控 制技术、补偿电流检测与控制技术、i g b t 的驱动与保护技术等一些技术难题；同 时通过拓展d s t a t c o m 的功能提高了设备的性价比，到达降低生产成本的目的。 因此开展本课题的研究对缩短我国与先进国家的电能质量控制技术及装备的水平 差距、提升我国在配电网电能质量控制领域的国际地位、实现d s t a t c o m 的工 业应用、提高供电企业和电力用户的社会效益和经济效益具有重要现实意义。 1 2d s t a t c o m 控制器设计的研究现状 在中低压配电网中装设d s t a t c o m 装置能有效的解决配电网中常见的电能 质量问题。随着电力电子技术、自动控制技术、信息处理技术和计算机技术的迅 猛发展，基于电力电子技术的d s t a t o m 装置得到了广泛和深入的研究。从目前 国内外研究现状来看，国外发达工业国家，如美国、日本等在这方面的研究起步 较早，已有工业装置在电网和工业企业中投运。而我国由于受多种因数的制约， 对d - s t a t c o m 的研究还处于理论研究和实验研究阶段，真正应用于电网和工业 企业中的工业装置不多见，其主要原因是一些相关的理论问题和关键技术以及设 备的成本问题尚未得到解决。 墼量塑墼当垦童! ! 丝矍! 呈：墨呈坠：墼矍丝窒堡童至童 1 2 1d - s t a t c o m 电压控制策略的研究现状 配电网中的负荷波动性大，再加上配电网中的故障发生几率较高，这样会造 成供电电压的波动和不稳定，供电电压的波动和不稳定会严重影响到电力用户用 电设备的安全性和经济性，因此供电部门必须为电力用户提供稳定的供电电压， 使供电电压维持在一定的水平。随着我国电力体制改革的不断深入和用户对供电 电压要求的不断提高，供电电压稳定问题将会被得到更多的重视。在输电系统中 通过采用f a c t s 技术可以使供电电压波动和不稳定问题得到一定程度的改善，然 而与电力用户直接相连的是电网中的配电网部分，且配电网比输电网结构复杂。 因此，除了在高压输电网中采取技术措施外，很有必要在中低压配电网中通过采 用新的技术来改善配电网电压波动和不稳定，以满足电力用户对供电电压的要求。 文献【3 】通过对负荷中心采用无功补偿技术来调节电压的研究表明，在配电变电站 的低压侧安装多套小容量的无功补偿设备比在输电系统或者变电站集中安装高压 大容量的无功补偿装置具有优越性，这种优越性主要体现在：符合n 1 可靠性标 准；可以省去高压降压变压器；补偿效果更好。文献【4 ，5 】报道了利用d s t a t c o m 改善澳大利亚远距离配电农网中的电压调节性能，取得了不错的效果。 d s t a t c o m 通过向公共连接点( p o i mo f c o m m o nc o u p l i n g ，p c c ) 注入或者 吸收满足要求的无功电流可以调节公共连接点处的电压幅值，使之维持恒定，有 效的解决电压波动和不稳定问题。为了改善d s t a t c o m 装置的电压控制性能， 有不少文献报道了d s t a t c o m 的电压控制方法与策略。由无功电流参考值调节 d s t a t c o m 产生所需无功电流的具体控制方法，d s t a t c o m 的控制方法可以分 为电流的直接控制和电流的间接控制。所谓电流的间接控制，就是将d s t a t c o m 看成一个等效的交流电压源，通过对d s t a t c o m 变流器所产生交流电压基波的 相位和幅值的控制。这种方法多应用于较大容量的d s t a t c o m 的场合，因为容 量较大时，一般无法像直接控制法那样对电流波形进行跟踪控制。此外，由于同 样的原因，在大容量场合，d s t a t c o m 减少谐波也只能用多重化的技术，或者结 合多电平技术，即使采用p w m 技术，也是一个周波仅含几个p w m 脉冲，而且一 般于多重化方法相结合使用。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。d s t a t c o m 采用电流直接控制方法后， 其响应速度和控制精度将比间接控制法有很大的提高。在这种控制方法下， d s t a t c o m 实际上已经相当于一个受控的电流源。直接控制法由于是对电流瞬时 值的跟踪控制，因而要求主电路电力开关器件有较高的开关频率，这对于较大容 量的d s t a t c o m 目前是难以做到的 6 】。近年来，也有文献报道采用直接电压和 直接功率控制的方法【7 ，8 】。在d s t a t c o m 电压控制策略方面，传统的p i 控制、 基于状态方程的现代控制理论、智能控制理论等均在d s t a t c o m 电压控制器的 设计中得到了有益地尝试。d s t a t c o m 电压控制的目的是使公共连接点的电压维 4 博 学位论文 持恒定，同时为了使d s t a t c o m 在运行过程中有较好的补偿性能以及考虑到 d s t a t c o m 装置本身的损耗，必须对直流侧电容电压加以控制。也就是说 d s t a t c o m 装置除了与电网交换的无功功率外，还要与电网交换少量的有功功率 用来补偿装置的损耗和直流侧电容电压的恒定。因此d s t a t c o m 的电压控制系 统是一个典型的两输入( 公共连接点电压和直流侧电容电压给定值) 两输出( 有 功电压和无功电压指令信号) 系统，且两个控制通道存在耦合。在采用电流的直 接控制时，传统的p i 控制是采用电压外环、电流内环的控制方法。这种控制方法 存在的缺陷是电压控制器中嵌入了多个p i 调节器，给控制器的设计带了困难，p i 参数难以整定。文献【9 】给出了采用常规p i 控制时电压控制器的设计方法与详细的 设计过程，给d s t a t c o m