（电力电子与电力传动专业论文）大容量statcom的仿真研究及其基于dsp的实现.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s an e wt e c h n o l o g yw h i c hi sc a l l e df 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 ) w h i c hi s a ne f f e c t i v ei n s t r u m e n tf o rm o d e mp o w e rs y s t e m o p e r a t i n gs a f e l y ，r e l i a b l ya n de c o n o m i c a l l yh a sa p p e a r e dt oi m p r o v et h eq u a l i t yo f p o w e rn e t w o r k 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 n 钮0 m ) w h i c hi st h ei m p o r t a n t p a r to ff a c t sb e g x ) m e st h eg l o b a lr e s e a r c hf o c u si nv i r t u eo fc o n 髓o lp r e d o m i n a n t c h a r a c t e r i s t i ca n dn i c e rc o m p e n s a t i o ne f f e c t c o m p a r i n gw i t ht h et r a d i t i o n a lr e a c t i v e p o w e rc o m p e s a t i o ne q u i p m e n t s s t a t c o mh a st h ea d v a n t a g e so ff a s t e rr e g u l a t i o n s p e e da n dh i g h e rc o n t r o la c c u r a c y n 豫e x p e r i m e n t a le q u i p m e n ti sr e s e a r c h e da i m i n ga tt h el a r g ec a p a c i t yf i e l d a p p l i c a t i o ni nt h i sp a p e r f i r s t l y ，t h i sp o p e ri n t r o d u c e st h et y p o sa n dd e v e l o p m e n to f v a t c o m p e n s a t o re q u i p m e n t t h ec h a r a c t e ra n dr e s e a r c ha c t u a l i t yo fs t a t c o m 1 1 嵋 m a i nc i r c u i tt o p o l o g ya n d p r i n c i p l eo fs t a t c o ma r ea n a l y z e d t h r e e - l e v e l m u l t i - i n v e r t e rt e c h n o l o g yi sa p p l i e di nt h em a i nc i r c u i t a tt h i sb a s e ，t h es t e a d ya n d d y n a m i cm a t h e m a t i c sm o d e l sf o rs t a t c o ma r ed e d u c e d i tp r o v i d e si m p o r t a n t d i r e c t i o ns i g n i f i c a n c ef o rt 1 1 ec o n 仃o la n ds i m u l a t i o ns t u d i e s t h ec o n 订o lm e t h o di sa n a l y z e dt om a k et h ee q u i p m e n tp r o v i d e dw i t he x c e l l e n t p e r f o r m a n c e an e wt y p eo fm u f t i - o b j e c t i v ef u z z yc o n t r o l l e rc o m b i n e dw i t h m u f t i - s t a t ei i n e a rf e e d b a c ki sd e s i g n e df o rs t a t c o m 1 1 1 em u f t i - o b j e c t i v ec o n t r o l l e r c a na d a p tt h ec h a n g eo fv a r i a b l e sa n di d e n t i f yt h em a i no b j e c t i v ef r o md i f f e r e n t o p e r a t i n gs t a t e si np o w e rs y s t e m s a n dt h u st h ec o n l o c tc o n t r o lm e a s u r ec a nb et a k e n a n dt h eo p t i m u mc o n t r o lr e s u l tc a l lb eo b t a i n e d 1 1 ”s y s t e m l e v e ls i m u l a t i o nm o d e l f o rs t a t c o mi se s t a b l i s h e di nt h ep a p e r w 油t h ed i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r - d s p t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g ns c h e m e o fs t a t c o ma r ed e t e r m i n e d mc o n t r o lp a r to fs t a t c o mm a k e su s eo ft w o p i e c e so fc p u w h i c ha 比u s e df o rc e n t r a lc o n t r o l l e ra n dp u l 8 c $ g e n e r a t o r t h em a i n f u n c t i o n so fc e n t r a lc o n t r o l l e ri n c l u d ed a t as a m p l i n g ，a dc o n v e r t i n g ，d a t ap r o c e s s i n g a n du s e ri n t e r f a c e a c c o r d i n gt ot h ed a t ap r o v i d e db yt h ec e n t r a lc o n t r o l l e r , p a l m g e n e r a t o rw i l lp r o d u c et h ep u l s es e q u e n c et ot r i g g e rt h ei g b tb yt h ed r i v ec i r c u i t , i n o r d e rt og e n e r a t eac o r r e s p o n d i n gr e a c t i v ec u r r e n tw h i c hw en e e d e d k e y w 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 o r ，f u z z yc o n t r o l ，s i m u l i n l d s p 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 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。据我所知，除了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 为获得直昌太堂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 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名( 手写) 辑醐呷铋肋日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解壶星盔堂有关保塑、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权直昌太堂可以将学位论文的全 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、汇编本学位论文。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。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名瓣导师签琶膨 j 签字日期：2 呵年臼月旦珀签字日期汐钟绡日 第1 章引言 第1 章引言 1 1 课题背景及其意义 由于我国经济发展不平衡，一次能源地理分布不均，因此我国电力发展的 基本国策为：“全国联网，西电东送，南北互供，厂网分开”，以实现更大范围 内的资源优化配置和提高电网的整体经济效益，并推进跨省、跨区之间的电力 交易。随着三峡电力系统的建成，全国联网初具规模。我国计划在2 0 1 0 2 0 2 0 年问，将建成安全可靠、满足电能传输，以及市场化运作的全国范围联合大电 网。届时，需要采用强有力的输电技术手段，来提高大容量远距离的电力输送 能力、输电可靠性，以及暂态、动态和电压等稳定水平。如何保证大电网的安 全、稳定和经济运行，是一个及其重大和迫切的研究课题。 多年来，电力工作者已达成共识：要提高电网的安全运行水平和电能质量， 除电网结构本身要合理外，还必须有先进的调节控制手段。电网的安全和经济 运行，在很大程度上取决于其“可控度”。柔性交流输电技术的出现，改变了传 统输电系统的概念，为提高电力系统的可控性和可靠性提供了新的方法。随着 电力电子技术的快速发展，f a c t s 技术将大量应用于我国电力系统。其将以较 小的投入解决我国电网所面临的问题，使中国电力系统成为一个可完全实时和 快速控制的名副其实的柔性电力系统。 1 2 柔性交流输电( f a c t s ) 技术概述 1 2 1f a c t s 概念的提出 针对大型互联电力系统存在的问题，美国电力科学研究院( e p r i ) 的著名电力 专家n g h i n g o r a n i 博士于1 9 8 6 年，首先较完整地提出了柔性交流输电系统 ( f l e x i b l e a c t r a n s m i s s i o ns y s t e m s ，f a c t s ) 的概念，其。运用了电力电子技术的 最新发展成就和现代控制技术，实现对交流输电系统参数，以至网络结构的灵 活快速控制，以期实现输送功率的合理分配，降低功率损耗和发电成本，大幅 度提高系统稳定性和可靠性。”由此可知，其一方面是现代电力电子开关和电力 系统传统的阻抗控制元件、功角控制元件，以及电压控制元件( 如串补电容、并 第1 章引言 联电容、移相器、电气制动电阻等) 相结合的产物；另一方面，也是一种综合现 代电力电子技术、计算机技术、微电子技术、通讯技术，以及控制技术而形成 的用于控制高压交流输电系统，以提高系统可靠性和可控性，提高运行性能和 电能质量，并可能获取大量的节电效益的新型综合技本。f a c t s 的主要涵是 采用可靠和高速的大功率晶闸管元件，替代目前附加在交流系统中传统设备上 的机械式开关，从而实现交流输电系统的灵活和快速控制【l 】。 f a c t s 技术改变了传统交流输电的概念，其自诞生始就受到各国电力科研 院所、高等院校、电力公司和制造厂家的重视，得到了广泛的研究和迅速的推 广应用，成为电力工业近2 0 年来发展最快，影响最广的新兴技术领域之一。 1 2 2 柔性交流输电系统的作用与意义 f a c t s 技术可在不改变网络结构的情况下，使电网的主干线或联络线不受 常规稳定条件的约束，而接近它的热稳定极限运行。使网络的功率输送能力以 及潮流和电压的可控性大为提高，极大地减少互联系统的备用容量给交流输 电系统带来很大的飞跃。从而使互联网运行的经济效益得到了进一步的提高， 也为电力业界解决了上述面临的挑战提供了契机。 f a c t s 概念从整体上和发展上，作为一个技术概念被提出后。已显示出其 重要技术作忍昶意义1 2 l 。 ( 1 ) 给出了交流输电功能革新的技术渠道 f a c t s 技术的出现突破了过去单一控制器形成的局部作用及影响，开辟 了提高交流输电线和输电网运行整体控制能力和水平的技术渠道为高压和超 高压交流输电性能的革新改造指出了方向； ( 2 ) 提出了一个“升流”的输电途径 一方面与传统输电系统的“升压“方法相对应，其提出了一个可供选用的 。升流”途径，这将扩大规划设许中方案比较和选用的范围，另一方面，其具 有控制输电网潮流流向和输电线输送能力的效果，这同样可扩大规划设计的选 择余地。在选用联网方案、输电电压等级、输电回路数以及各回路的兴建时问 等闯题时，f a c t s 技术可提供多静经漭效果的方案供比较； f 3 ) 对输电网和输电线运行的良好作用 f a c t s 控制器将有助于减小，或消除环流或不息振荡等大电网癌疾；有助于 在电力网中建立输送通道为电力市场创造电力定向输送的条件，有助于提高现有 2 第1 章引言 输电网的稳定性、可靠性和供电质量；可保证更合理的最小网损，并可减少系统热 备用容量；还有助于防止连锁性事故扩大，减少事故恢复时间及停电损失等； ( 4 ) 对输电网其它运行控制技术的作用 f a c t s 控制器一方面可对己有常规稳定，或反事故控制( 如调速器的加控 制、汽门快关控制和自动重合闸装置等) 的功能起到补充、扩大和改进的作用。 例如减少运用或代替紧急切除发电机及负荷措施；或减少汽阀门快关度，缩短 重合时间，以便少切或不切除机组及负荷等。另一方面，电网的e m s 系统必然 要将f a c t s 控制器的作用综合进去修改和补充一些软硬件，从而使e m s 中的 a g c 、e d c 和o p f 等功能的效益得到提高。此外，一些动态功能( 如动态安全 分析) 和恢复性控制，也会得到促进和改善。 此外，其还将改变交流输电的传统应用范围。整套应用并协调控制的f a c t s 控制器组，将使常规交流输电柔性化，改变交流输电的功能范围，使其在更多 方面发挥作用。甚至扩大到原属于直流输电专有的那部分应用范围，像定向传 输电力、功率调制、延长水下或地下交流输电距离等。此技术已进入了“成形 期”，被专家预测为现代电力系统中三项具有变革性的前沿课题之一，也是实现 电力系统安全、经济和综合控制的重要手段。 1 3 无功补偿的意义及其技术的发展 1 3 1 无功功率补偿的作用 无功功率在电气技术领域是个必不可少的重要物理量。电力系统中的无功 功率主要用于电路内建立电场与磁场。并用来在电气设备中建立和维持磁场， 完成电磁能量的相互转换，不对外做功，只为系统提供电压支撑，在电源与负 荷之间提供电压降落所需要的势能。无功功率不直接作为实际消耗之功，但无 功功率的交换，将引起发电和输电设备上的电压开降和电能损失。 无功功率是交流电力设计和运行中的一个重要因素，不仅大多数负荷要消 耗无功功率，而且大多数网络组件也要从电力系统中吸收无功功率，以产生这 些设备维持正常工作所必须的交变磁场。无功功率不是无用功率，其能为能量 的交换、输送和转换创造必要的条件。电力系统中网络组件和负荷需要的无功 功率，必须从网络中某个地方获得。如果这些所需要的无功功率由发电机提供 并经过长距离传送，显然是不合理的，通常也是不可能的。电网无功功率不平 第1 章引言 衡将导致系统电压的巨大波动，会引起有功损耗，严重时会导致用电设备的损 坏，出现系统电压崩溃和稳定破坏事故1 3 1 。 近年来，随着我国电力工业的不断发展，大范围的高压输电网络逐渐形成， 对电网无功功率的要求也日益严格。电力系统的良好发展，急需大容量的高压 快速可控无功电源。无功电源如同有功电源一样，是保证电力系统电能质量、 降低电网损耗以及保证其安全运行所不可缺少的部分。 1 3 2 无功补偿装置主要类型及发展 电力系统中的无功补偿装置。从传统的带旋转机械方式，到现代电力电子 元件和技术的应用，经历了近一个世纪的发展，大体情况如下 4 1 。 并联电容器是电网中用得较多的一种专用无功功率补偿设备。其优点是价 格便宜、原理简单、安装、运行和维护都很方便。但是其只能补偿感性无功， 且不能连续调节。此外，其还有负电压效应，当电网电压下降时，电容器上的 补偿电流相应下降，使得补偿的无功量急剧下降，系统电压下降更大。在系统 有谐波时，还可能发生并联谐振，使谐波电流放大，甚至造成电容器的烧毁。 传统的无功功率动态补偿装置是同步调相机( s y n c h r o n o u sc o n d e n s e r - - s c ) 。 其为专门用来产生无功功率的同步电机，在过励磁或欠励磁的不同情况下，可 分别发出不同大小的容性或感性无功功率。在自二三十年代以来的几十年中， 同步调相机在电力系统无功功率控制中一度发挥着主要作用。但是，由于其为 旋转电机，因而损耗和噪声都较大，运行维护复杂，而且响应速度慢，在很多 情况下，已无法适应快速无功功率控制的要求。所以7 0 年代以来，同步调相机 开始逐渐被静止型无功补偿装置( s t a t i cv a tc o m p e n s a t o r - s v c ) 所取代，目前有 些国家甚至已不再使用同步调相机。 早期的静止无功补偿装置是饱和电抗器( s a t u r a t e dr e a c t o r - - s r ) 型的。1 9 6 7 年，英国g e c 公司制成了世界上第一批饱和电抗器型静止无功补偿装置。此后， 各国厂家纷纷推出各自的产品。饱和电抗器与同步调相机相比，具有静止型的 优点，响应速度快。但是由于其铁心需磁化到饱和状态，因而损耗和噪声也都 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，所以未能占据静止无功补偿装置的主流。 进入7 0 年代末，电力电子技术的发展及其在电力系统中的应用，将使用晶 闸管的静止无功补偿装置，推上了电力系统无功功率控制的舞台。在工业界， 4 第1 章引言 静止无功补偿装置( 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， 包括晶闸管控制电抗器( t h y r i s t o rc o n t r o l l e dr c t o f t c r ) 和晶闸管投切电容器 ( 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 c ) ，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 ys w i t c h e dc 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) 。进入2 0 世界9 0 年代以后，s v c 以其快速的响应，适中的价格，在工 业领域和输配电领域达到了前所未有的高速发展。 静止无功补偿装置s v c 虽然有很多优点，但其在动态调节无功功率时，不 可避免地会产生大量谐波，需要将固定电容器和电感串联构成谐波滤波器来滤 除谐波。而且s v c 运行时电容和电感的一部分容量相互抵消，很不经济；同时 存在调节不连续和响应速度慢等缺点。因此，静止无功补偿装置s v c 还有很大 的改进余地。 1 9 7 6 年美国学者l g y u g y i 提出了，利用电力电子半导体变流器进行无功补 偿的理论。随着电力电子技术的进一步发展，8 0 年代以来，一种更为先进的静 止型无功补偿装置出现了，这便是采用自换相变流电路的静止无功补偿装置， 称之为静止同步补偿器( s t a t c o m ) ，或者静止调相器( s t a t i cc o n d e n s e r s t a t c o n ) 。s t a t c o m 不仅可用于输电系统中，也可用于配电系统中。此时， 其亦称为d s t a t c o m ( d i s t r i b u t i o ns t a t c o m ) ，作用是提供或吸收无功功率， 维持母线电压稳定，必要时还看滤除负荷产生的谐波。目前，世界各国对静止 同步补偿器的研究方兴未艾l ”。 1 4s 1 a t c o m 的研究意义及现状 1 4 1s t a t c o m 的优点比较 静止同步补偿器是由基于g t o ，或i g b t 的电压型逆变器和直流电容器构 成的，是现代柔性交流输电系统( f a c t s ) 的核心组成部分，同常规的静止无功补 偿装置相比，s t a t c o m 具有以下几大优点1 6 t 7 j ： ( 1 ) 在提高系统的暂态稳定性和阻尼系统振荡等方面，s t a t c o m 的性能大 大优于传统的同步调相机； ( 2 ) 控制灵活，调节范围广，其在感性和容性运行工作情况下均可连续快速 调节，响应时间为2 0 3 0 m s 左右，最快的( 基于p w m 调制的s t a t c o m 装置) 第1 章引言 响应时间可在l o t u s 左右： ( 3 ) 静止运行、安全稳定、无( 调相机那样的) 大型转动设备、无磨损、无机 械噪声，大大提高了装置寿命，改善环境影响； ( 4 ) s t a t c o m 装置采用直流电容器代替交流电容器，这样可省去常规装置 中的大电感和大电容及庞大的切换机构，使s t a t c o m 装置的体积减小，损耗 降低； ( 5 ) 连接电抗小。s t a t c o m 接入电网的连接电抗，其作用是滤除电流中存 在的较高次谐波，另外还起到将变流器和电网这两个交流电压源连接起来的作 用，因此所需的电感量并不大，远小于补偿容量相同的t c r 等s v c 装置所需的 电感量。如果运用降压变压器将s t a t c o m 接入电网，则还可利用降压变压器 的漏抗，使所需的连接电抗进一步减小； ( 6 ) 对系统电压进行瞬时补偿，即使系统电压降低，其仍可维持最大无功电 流，即s t a t c o m 产生无功电流，基本不受系统电压的影响； ( 7 ) 谐波量小。在多种型式的s v c 装置中，s v c 本身产生一定量的谐波， 如t c r 型的5 、7 次特征谐波量比较大，占基波值的5 l o ，这给s v c 系 统的滤波器设计带来许多困难；而在s t a t c o m 中，则完全可采用桥式交流电 路的多重化技术、多电平技术，或p w m 技术来进行处理，以消除次数较低的谐 波，使较高次数如7 、1 1 等谐波减小到可接受的程度； ( 8 ) s v c 装置是电抗型的，接入电力系统之后有可能改变原电力系统的阻抗 特性，而导致出现谐振。特别是电力系统安装多台s v c 装置后，更容易出现谐 振问题；而s t a t c o m 装置为电压源逆变装置，电容器容量小，在网络中普遍 使用也不会产生谐振： ( 9 ) s t a t c o m 的端电压，对外部系统的运行条件和结构变化不敏感。当外 部系统容量与补偿装置容量可比时，s v c 将会变得不稳定，而s t a t c o m 仍可 保持稳定，即输出稳定的系统电压； ( 1 0 ) 当s t a t c o m 的直流侧采用较大的储能电容，或者其它直流电源( 如蓄 电池组) 时，其不仅可调节系统的无功功率，还可调节系统的有功功率。这对于 电力电网来说是非常有益的，这是s v c 装置所不能比拟的。 正因为上述优点，s t a t c o m 作为一种新型的无功补偿调节装置，可以说是 目前性能最好的无功补偿装置，已经成为现代无功补偿装置的发展方向，因而 已成为国内外电力系统行业的重点研究课题之一。 6 第1 章引言 1 4 2 对大容量的s t a t c o m 主电路的研究要求 由于我国的大区电力系统，都己进入千万级千瓦装机的容量水平，但我国 电力系统网架仍然比较薄弱，存在一定的安全稳定隐患。特别是因动态无功补 偿手段不足，而导致对电压稳定的潜在威胁。因此，为了加强网络的电压调节 能力，对高压大容量的s t a t c o m 有广泛的需求l 引。 据不完全统计，自1 9 8 0 年至2 0 0 4 年底，全世界已投入工业运行的大容量 ( 1 0 m v a r 及以上) s t a t c o m i 程超过2 0 项，总的可控容量超过3 0 0 0 m v a r 。它们有 的安装在输电网络中，用于潮流控制、无功补偿和提高系统稳定性等，属于 f a c t s 范畴；有的安装在配电网络，用于改善电能质量和提高供电可靠性，属 于用户电力范畴，即用户电力控制器的d s t a t c o m 。在应用过程中，其显著难 点在于容量太大及由此引发的系统复杂问题，大容量对主电路结构的合理化提 出了更高的要求。在主电路上，大容量高压s n 玎c o m 主要采用变压器耦合的多 重化技术，这种方式对器件开关频率和控制复杂性要求都比较低，而且开关损 耗低，但需要昂贵的耦合变压器。随着多电平和p w m 变换技术的发展，中低容 量和电压的电压) s t a t c o m ，较多地采用三电平或p w m 变换器。 在电力半导体器件的选用上，除了早期曾采用普通晶闸管和强迫换相方式 外，绝大多数是采用g t o 和i g b t 来增大装置的容量，以及提高装置的耐压水平 的方法。相对而言，采用g t o 的s 州r c o m 容量更大、电压等级更高。这是因为 单只g t o 的容量和耐压较高，而且当主电路上采用变压器多重化技术时，开关 频率较低，g t o 的单次开关损耗高的缺点不会成为主要矛盾。i g b t 主要应用于 中小容量，特别是d s t a t c o m 装置中，虽然单个i g b t 的容量和耐压有限，但其 开关频率高、损耗小，可采用器件串联、三电平，以及多脉冲p w m 技术，同样 可以获得较高的容量水平和更好的输出特性。 从s t a t c o m 发展历程来看，主电路结构逐渐从两电平多重化、三电平多重 化，向采用更高电平的方向发展。大容量s t a t c o m 主电路结构，一般是在综合 考虑性能与成本的基础上，同时采用上述中的若干措施。对大容量s n 盯c o m 的 主电路结构进行深入研究，将有利于提高装置的性能，降低损耗，节约成本1 9 】。 1 4 3s t a t c o m 控制方法的研究 在理论方面，在研究s t a t c o m 的非线性动态建模的同时，$ t a t c o m 的控 制策略和控制器的设计也是研究的一个焦点。s 似r c o m 的控制器，通常由内环 第1 章引言 控制器和外环控制器两部分组成。内环控制器的基本任务是产生一个同步的驱 动信号，从而在变流器的输出电流和无功指令之间，建立一种线性的关系。外 环控制器，用于提供内环控制器所需要的无功功率或无功电流的参考值。 s t a i 0 m 控制算法的设计，一般都与无功电流的检测紧密联系在一起。从 控制的角度来看，s t a t c o m 的控制器设计方法大致集中于以下几个方面： ( 1 ) 线性p i d 控制 自2 0 世纪8 0 年代初第一台实验性s t a t c o m 投入电网运行以来，所有已公开 的实用装置的控制器设计，都是采用经典控制理论p i d ，或者引线路功率的p s s 辅助方式，或者进行局部改进的p i 控制来完成。有关理论指出，这种控制方法在 一定范围之内，通过向系统提供有效的电压支撑，可维持接入点的电压基本不 变。但是，这些基于线性化的控制手段限制了该装置的应用范围，在大的干扰 下，就难以满足提高系统电压稳定的要求。 ( 2 ) 最优控制 线性最优控制早在2 0 世纪7 0 年代初，便被引入到电力系统控制中，是目前 现代控制理论中应用最广泛的一项控制技术。有关论文印证了，通过研究 s t a t c o m 与励磁控制器相配合，设计出的s t a t c o m 控制器，能增加系统的同 步阻尼系数，有利于电压的稳定。但是，由于这种控制器是针对局部线性化模 型来设计的，在强非线性的电力系统中的控制效果并不理想 1 0 , 1 1 l 。 ( 3 ) 自适应控制 电力系统的自适应控制，应用研究起始于2 0 世纪8 0 年代中期。由于自适应 控制的控制效果优于固定参数的控制器，能够在一定程度上弥补经典p i d 控制过 分依靠被控对象数学模型的缺陷，因此很自然的就被引用到s t a t c o m 的控制 上。仿真研究表明，其控制的补偿器在较大的干扰下，仍具有良好的阻尼性和 鲁棒性。但是，同时也应该看到，这种控制算法的参数在线辨识复杂程度较高， 在实际应用中必须考虑计算速度的影响，同时滞后的控制响应也影响控制精度 的因素1 “j 。 ( 4 ) 微分几何控制 微分几何控制，克服了传统的局部线性化方法固有的局限性，控制器几乎 对所有的运行点都起作用。正是认识到这一点，因此很早就被应用到s 仉玎c o m 的控制之中。但是，在进行微分几何控制器的设计的时应该认识到：由于微分 几何控制，要求系统参数必须确切可知，而电力系统是一个强耦合的非线性系 8 第1 章引言 统，其各种负载时时刻刻都在发生变化。因此，在实际中这一点是很难做到的。 其次，微分几何控制，对接入点的电压控制是不做考虑的，在理论上也就无法 保证接入点的电压，具有良好的动态响应1 1 3 】。 ( 5 ) 智能控制 近几十年来兴起的智能控制，在很大程度上解决了由于控制对象所具有的高 度复杂性，以及不确定性而产生的控制方法应用上的困难。许多学者提出了采 用人工神经网络、模糊控制、专家控制与经典p i d 控制相结合的方法，产生了各 种改进算法，对控制器的设计进行尝试。这些综合智能控制方法，不需要电力 网络和s 吖l t c o m 的精确数学模型，具有良好的鲁棒性，在一定程度上解决了由 于电力系统强耦合非线性系统，所带来的控制器设计上的难题 1 4 , i s 。 以上比较评价了目前各种先进静止同步补偿器控制器的设计方法，从中可 以看出，s t a l 0 m 控制器的设计在不断的改进，寻找一种更为简单有效的控制 算法一直是今后的目标。 1 4 4s 1 a t c o m 装置的开发现状 在理论研究上取得丰硕成果的同时，s t a t c o m 在工程应用方面也有了突飞 猛进的发展。国际上，日本关西电力公司与三菱电机公司，共同研制并于1 9 8 0 年1 月投运了世界上首台s r c o m 的样机。其采用晶闸管强制换相的电压型逆 变器，容量为2 0 m v a r l l 6 l 。1 9 8 6 年l o 月，由美国国家电力研究院( e p r i ) 和西屋公 司研制的士1 m v a r 的s 似r c o m 装置投入运行，这是世界上首台采用大功率g 1 d 作为逆变器元件的静止补偿器【1 7 】。之后，日本关西电力公司与三菱电机公司， 又采用g t o 研制了士8 0 m v a r 的s t a t c o m 装置，于1 9 9 1 年在犬山变电站投运i l 引。 美国e p r i 与田纳西电力( 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t v a ) 和西屋电气公司 合作，在t v a 电力系统的s u l l i 啪5 0 0 k v 变电站建造了1 0 0 m v a r 的s 州r c o m 装 置，于1 9 9 6 年1 0 月投趔1 9 1 。1 9 9 7 年，德国西门子公司，将开发研制的8 m v a 的 s t a t c o m 装置，安装在丹麦的r e j s b yh e d e 风力发电场i 捌。 在我国，这一领域的研究刚刚起步就取得了不错的成绩。华北电力学院曾 研制出强迫换相的可控硅元件无功发生器实验装置；东北电力学院研制了g t o 器件s t a t c o m 实验装置：作为原电力部重大科技攻关项目，1 9 9 9 年3 月，由河 南省电力局和清华大学共同研制的2 0 m v 盯s 1 肖r c o m ，在河南洛阳的朝阳变电 站并网成功，这是国内首台投入应用的大容量柔性交流输电装置。不过，目前 9 第1 章引言 s 州r c o m 的工程应用方案都带有试验的性质，距离大范围普遍应用还有很长的 一段距剐2 1 , 2 2 1 。 随着电力电子技术的不断发展，大容量器件不断涌现，使得s t a t c o m 在未 来的工程应用研究出现了两个明显趋势。一是不断采用新器件。与原来 s t a t c o m 普遍使用的g t o 相比，新型功率器件( 如i g b t ，i e g t 等) 具有很多的优 点：饱和压降低、安全工作区宽、驱动功率低和工作频率高等。同时，一些g t o 和i g b t 的改进型器件，如i g c t 、i e g t 、h vi g b t 和e t o 等已逐渐应用于 s t a t c o m 。二是应用范围更广。除了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，旨在提高用户侧的电能质量。可以预见，它们将具 有很好的应用前景【矧。 1 5 本文研究的主要内容 本文在查阅国内外文献的基础上，根据目前电力系统非线性无功负荷急剧 增加的特点，以及用户对用电质量不断提高的要求，针对目前s t a t c o m 在实 际应用中的不足，致力于大容量s t a t c o m 主电路的设计，并着重控制器的设 计研究。 根据以上的研究内容，本论文的内容主要包括以下几个部分： ( 1 ) 在详细研究s t a t c o m 工作原理的基础上，对s t a t c o m 的主电路结构 进行分析比较，寻找适用于大容量s t a t c o m 的主电路结构，经过仿真验证， 选择搭建了三电平四重化s t a t c o m 的主电路结构。在此基础上建立了 s t a t c o m 的数学模型，并就主电路建模时做出的一系列假设和简化，指出该数 学模型在一定的适用范围内可用于分析了s t a t c o m 的静态和动态特性，为后 面控制系统的设计奠定必要的理论基础： ( 2 ) 针对电力系统中维持节点电压和抑制电压闪变、阻尼系统振荡、提高系 统暂态稳定极限以及提高系统静态稳定极限等不同控制目标，分别设计 s t a t c o m 的单目标控制器。在此基础上，将模糊控制理论与多状态线性反馈控 制规律相结合，为s 1 k r c o m 设计了多目标和自适应模糊控制器； ( 3 ) 利用m a t l a b 附带的动态通用仿真软件包s i m u l i n k 对s t a t c o m 进 行系统级建模仿真，以验证控制器所设计的控制算法的正确性，并利用仿真结 果比较模糊控制方法与传统控制方法的不同； l o 第1 章引言 ( 4 ) 在s t a t c o m 数学模型和控制器设计的基础上，为s t a t c o m 装置研制 基于d s p 的s t a t c o m 控制器。整个控制器设计分硬件结构设计和软件模块设 计两个部分，分别进行简要介绍； ( 5 ) 在论文的第6 章，论文进行了总结与展望。在对本论文的研究工作进行 总结的同时，指出进一步研究工作的重点、难点和方向。 第2 章s t a t c o m 装置的主电路设计及数学建模 第2 章s t a t c o m 装置的主电路设计及数学建模 2 1 弓i 言 基于晶闸管控制的电抗器，调节无功功率的原理是通过控制晶闸管的导通 角口( 在9 0 。1 8 0 0 范围内变化) ，来控制电抗器在一个周期内投入时间的长短， 从而控常8 流过龟抗器的电流的有效值。相当于通过调节电抗的大小，来达到控 制其吸收的无功功率大小的目的。这种基于斩波控制方式的无功调节，具有调 节简单和速度快的优点。但是，这种基于相控的方法会导致电流波形畸变，生 成大量的谐波。此外，由于电抗器吸收的无功功率，与接入点的电压的平方成 正比，当电压降低时，其无功控制能力大大削弱。 按照电力系统中无功功率流动的规律，即无功功率总是从高电压之处流向 低电压之处，在2 0 世纪8 0 年代，l c , y u g i 发明了基于电压源逆变器的无功功率 调节装置，其可从感性到容性平滑地调节无功功率。电压源逆变器，作为一个 输出电压的相位和幅度均可迅速调节的可控静止电压源，成为同步调相机的一 个最好的升级换代产品【2 4 j 。 2 2 静止同步补偿器( s t a t c o m ) 的基本工作原理 静止同步补偿器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 ) 被称为。静止的 调相机”，是现代柔性交流输电系统( f a c t s ) 的核心组成部分，其为以变换器技 术为基础的并联无功补偿f a c t s 设备。其基本工作原理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。其名称一度包括a s v c 、a s v g ， s t a t c o n 、s v cl i g h t 和s 州r c o m 。在2 0 0 2 年i e e ed c & f a c t s 专委会起草的术 语表中，统称为s t a t c o m l 2 “。 s t a t c o m 由逆变器、储能电容_ 稻连接变压器等元件组成，其主要作用是对 电力系统的无功功率进行控制，维持控制点及附近区域的电压稳定，防止系统 发生电压崩溃，提供电力系统的电压稳定性。与传统的采用可控硅控制的电容 或电感补偿方法相比，s t a t c o m 采用g t o ，i g b t 等自关断电力电子器件，不仅 第2 章s t a t c o m 装置的主电路设计及数学建模 降低了装置的体积和成本，而且具有更快的反应速度和更平滑的调节特性。 严格的讲s t a t c o m 的变换器，应分为电压型f v s c ) 和电流型( c s c ) 两种类 型。其电路基本结构如图2 1 所示，直流侧分别采用的是电容和电感这两种不同 的储能元件。实际上，由于运行效率的原因，迄今投入实用的s t a t c o m 大都采 用v s c ，而不是c s c 。其主要原因是： ( 1 ) c s c 需采用具有双向电压阻断能力的大功率开关器件，而g t o 、i g b t 等 可关断器件要么反向阻断能力差，要么导通损耗过大，而v s c 没有受到类似限制； ( 2 ) 在实际应用中，c s c 直流侧的电抗比v s c 直流侧电容的损耗要大得多； ( 3 ) v s c 交流侧通过耦合变压器自然提供的漏抗就可接入交流电网，而c s c 交流侧需要另外的并联电容( 或容性滤波器) 来产生所需的交流电压，从而使得装 置复杂化、成本增加； ( 4 ) v s c 由于直流侧采用大容量电容，具有天然的防止器件过电压的功能； 而c s c 需要设置附加的过电压保护电路或者器件降压使用。v s c 的以上优势使其 成为现有s t a t c o m 的主流选择。但应注意到，c s c 也具有一些v s c 没有的优点， 如：变换器输出电流直接可控性，天然的过电流保护功能，无需启动整流器， 零无功输出时不向系统注入谐波等。目前已经在实验室里开发出小容量的基于 c s c 的s t a t c o m 装置，显示了良好的性能。本文还是采用基于v s c 的变换器。 b l 7 孓j彝5孓 j 1 1 仨 j 1 1 一一 1 j塔j彝j孓 j埔 ( a ) 电压型变换器 b： 彝| 弋 孓j彝j 孓 。 c ， i ii i i _ l 。 一 d j 孓5 彝5 1l t ( b ) 电流型变换器 图2 1s t a t c 删的基本电路拓扑结构 如图2 2 所示，其为s t a t c o m 的原理示意图。其中，直流侧为储能电容， 为s t a t c o m 提供直流电压支撑；逆变器通常由多个逆变桥串联或并联而成， 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 通过控制逆变器中可关断器件( 如i g b t 、i g c t 、i e g t 等) 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系统电压，从而使s t a t c o m 装置可并 联到电力系统中。连接变压器本身的漏抗可用于限制电流，防止逆变器故障或 第2 章s t a t c o m 装置的主电路设计及数学建模 系统故障时产生过大的电流。 ：鬻：匆乞峰 t i t u s 。相浆寄：唧 u s r - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - + l - + u i肌 + i 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 t a