（电力系统及其自动化专业论文）配电系统statcom的分析及控制.pdf

广东下韭大学疆士学位论文 a bs t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n t a n dc o n s t a n t i m p r o v e m e n t o ft h ei n d u s t r i a l a u t o m a t i o nl e v e lo ft h eh i t e c hi n d u s t r y , t h ep o w e rc u s t o m e r sa r em o r ea n d m o r es e n s i t i v et ot h ep o w e rs u p p l yq u a l i t ya n dd e p e n d a b i l i t y a tt h es a m e t i m e ，u t i l i z i n g l i m i t e de l e c t r i c e n e r g y t or e a c ht h e g r e a t e s t e c o n o m i c b e n e f i t si ni n d u s t r i a lp r o d u c t i o n ，s a v i n ge n e r g yb e c o m e sa ne t e r n a lt o p i c 。 t h es t a t c o mt h a tt h i s p a p e rd i s c u s s e s i ss u i t a b l ef o rt h ed i s t r i b u t i o n s y s t e ma n di t c o n t r o l st h er e a c t i v ep o w e ro ft h el o w v o l t a g ed i s t r i b u t i o n s y s t e mt oa c h i e v et h ep u r p o s et oi m p r o v et h ep o w e rf a c t o r ，r e d u c et h el i n e l o s s ，e c o n o m i z et h ee l e c t r i ce n e r g y a tf i r s tt h e p a p e rm a i n l y i n t r o d u c e st h e d e v e l o p m e n t o ff a c t s t e c h n o l o g y ，t h ed e v e l o p m e n ta th o m e a n da b r o a do fs t a t c o m ，s t a t c o m d e v e l o p m e n tp r o s p e c t i nt h ed i s t r i b u t i o nn e t w o r ka n ds o m er e l e v a n t c o n c e p t so fr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n ；t h e nt h ep a p e rg oo ni n d e t a i l d e s c r i b i n g a r o u n dc o n s t r u c t i o no fe x p e r i m e n t a l s y s t e m o fs t a t c o m ； f i n a l l yi t v e r i f i e sw i t ht h ee x p e r i m e n t st h a ts t a t c o mh a st h ef u n c t i o n s ： c o m p e n s a t i n g t h er e a c t i v e p o w e ra c c o r d i n g t ol o a d c h a n g ea m o n g d i s t r i b u t i o ns y s t e m ，i m p r o v i n gt h ep o w e rf a c t o r ，s t a b i l i z i n gt h ev o l t a g eo f d i s t r i b u t i o ns y s t e m i nt h ed e s i g no ft h em a i nc i r c u i to fs t a t c o mb a s e do ni g b t - i p m ，t h e s e l e c t i o no ft h em a i nc i r c u i tp a r a m e t e r sa n dt h ed e s i g no fs n u b b e rc i r c u i t a r ed e t a i l e da n da n a l y z e d t h e nt h ef a c tw o r k i n gm e c h a n i s mo fs t a t c o m a n dh i sc o n t r o ls t r a t e g ya r ed i s c u s s e do nt h eb a s i so fm a i nc i r c u i ts t r u c t u r e d f i n a l l yt h er e a c t i v ep o w e rc l o s e d l o o pc o n t r o ls t r a t e g yi sp r o p o s e da n dc a n b ev e r i f i e di t sf e a s i b i l i t yi nt h ee x p e r i m e n tl a t e r i nt h ed e s i g no fd o u b l e c p uc o n t r o ls y s t e mb a s e do na d m c 4 0 1a n d 8 0 c19 6 k c ，a d m c 4 0 1 c a r r yo nd a t ag a t h e r ，s o f t w a r ef i l t e r ，i n s t a n t a n e o u s r e a c t i v ep o w e rc a l c u l a t i o n ，p ic o n t r o la n dr e g u l a t i o n ，g e n e r a t i o no fs p w m s i g n a l f o r d r i v i n g i g b t - i p m 8 0 c 1 9 6 k cm a i n l yf i n i s h e st h e k e y b o a r d c o n t r o l s ，l c dd i s p l a y ，d a t ak e e p i n g ，s i g n a lc o n v e y i n ga n ds oo n o t h e r 甜 c i r c u i to ft h ec o n t r o ls y s t e m ：d a t ag a t h e rc h a n n e l s ，i g b td r i v i n gm o d u l e a n da l a r m i n gc i r c u i ta r ed e t a i l e d ，t o o t h ea b o v ei st h eh a r d w a r ed e s i g no f c o n t r o l s y s t e m ，a n ds o f t w a r ed e s i g n i sd e s c r i b e dt os o m ee x t e n ti nt h e p a p e r k e yw o r d s ：d i s t r i b u t i o ns y s t e m ； 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 ；p ic o n t r o l h i 第一章概述 本章首先简要叙述f a c t s 技术的发展，随后介绍s t a t c o m 国内外 发展状况及在配电系统中的应用前景，最后介绍本文的主要1 作及内容 安排。 1 1 f a c t s 技术的发晨 在有艰炎源稠巧俣的剃约下发膜经济、提高现存资源的利用率已成 为前球最重要的话题，在电力系统中，如何馒电力工业向高效、环保、可 持续发展已成为世界各国电力工业发展的目标。与此同时，随着现代工 业的发展，特别是近年来高新技术信息技术的毽速发展，变频调遮器、 机器人、自渤生产线、精密的加工工具、可编程控制器、计算机信息系 统得到了广泛使糟，而这些设备对电能质量的要求就更加严格，对电源 的波动和各种干扰眈传统的辊电设备也更敏感，任帮供惫覆爨静慧纯可 能会造缓产鼯矮鹫的下降，产奎三重大攥失。那么电憝囊爨也藏残了结受 邀力矮户关注懿个润题。 这里就先了解电能震量匏定义以及我国对电能质最所定的一些标 准。一般地，电能质量的定义：导致用户设备故障或不能正常工作的电 压、电流或频率偏差1 1 。虽然不同的作者或不同的标准制定组织对电能 质量定义各有不同，但其所包含的内释是相同的i 1 】【孙。可以概括为以下 ，l 个方面：( 1 ) 电压质量( v o l t a g eq u a l i t y ) 即用实际电压晦额定电聪 的偏差( 偏差含电压幅值、波形和相位的偏差) 反映供电企豫向淆户供 给静电力是否合稽；( 2 ) 电流质量( c u r r e n tq u a l i t y ) 邵对舔户取瓣电漉 撬疆僵定簇率、正弦波形要求，荠电流波形与供电瞧压溺樱往，以镶迁 系统戳高功率鑫数运行，这个定义毒利于魄网嘏毙矮量敬改善蒡辫低删 损。( 3 ) 供电震量( q u a l i t y o fs u p p l y ) 即披术粼分的电压质艟、供电可 靠性与非技术部分的服务质量( q u a l i t y o fs e r v i c e ) 的结合；( 4 ) 用电质 量( q u a l i t yo fc o n s u m p t i o n ) 即技术部分的电流质疑和非技术部分的用 户的信用质量。为了更好地解决电能质量问题，国家技术监督局从1 9 9 4 厂东工业大学硕士学位论文 年到2 0 0 0 年相继颁布了涉及电能质量五个方面的国家标准1 3 - 5 ，即：供 电电压允许偏差，供电电压允许波动和闪变，供电三相电压不允许平衡 度，公用电网谐波，以及供电频率允许偏差等的指标限制。 由上可见，解决电能质量问题是一个复杂和浩大的工程技术问题。 其主要包含电压、系统频率、有功无功的调节、功率因素的提高和谐波 抑制等这几个方面。而传统的电能质量控制一般是：( 1 ) 利用静电电容 器或者同步调相机调节无功从而调节电压及提高功率因素；( 2 ) 调节发 电机组的运行状态调节系统的有功无功从而调节电压频率等。但电力系 统越来越复杂，电力负荷也越来越多样，仅仅依靠传统的电能质量控制已 经很难满足要求。而f a c t s ( f l e x i b l ea ct r a n s m i s s i o ns y s t e m ，柔性交流 输电系统) 技术”。1 的出现提供了全新的电能质量控制手段。 f a c t s 技术是由美国电力科学研究院( e p r i ) n g h i n g o r a n i 博士 于1 9 8 6 年提出的，已经在世界范围内得到了广泛的响应，是当今世界各 国电力界研究热点，也是新世纪输电技术的发展方向。它的定义可归纳 为“利用基于大功率电力电子器件和相关技术的控制器及其他静止型控 制器，来改善交流输电系统稳定性、提高系统可控性、增加输送容量等 的技术”。从f a c t s 技术概念的提出就在全世界的电力界得到了广泛的 响应，其更是被国内外一些权威专家预测为“未来输电系统新时代的三项 支撑技术( f a c t s 技术、先进的控制中心和综合自动化技术) 之一，或 是“现代电力系统中三项前沿课题( 柔性输电技术、智能控制、基于全 球卫星定位系统的新一代动态安全分析与监测系统) 之一”。那么出现二 十多年的电力系统中的研究热点，在世界范围内的研究成果是有目共睹 的。 f a c t s 技术设备按与系统的连接方式可分为：( 1 ) 串联型灵活交流 输电设备，例如，可控串联补偿器( t c s c ) ，即晶闸管控制的串联补偿 器、静止同步串联补偿器( s s s c ) 即可关断器件控制的串联型同步电压 源；( 2 ) 并联型的灵活交流输电设备，例如，静止同步补偿器( s t a t c o m ) ， 即可关断器件控制的并联型同步电压源；( 3 ) 混合型灵活交流输电设备， 例如，统一潮流控制器( u p f c ) ，即s t a t c o m 和s s s c 的组合；可转 换静止补偿器( c s c ) 等。 第一蕈概述 随着f a c t s 技术不断完善和发展，这些装置在电力系统中发挥了越 来越大的作用：从发电厂中利用晶闸管控制电制动( t c b r ) 提高系统暂 态稳定性；到输电系统中利用静止无功发生器( s v g ) 动态无功发生、 无功补偿、电压支撑、改善系统稳定，利用晶闸管控串联补偿电容( t c s c ) 提高输电容量、稳定性、抑制次同步振荡、进行功率潮流控制；到配电 系统利用有源滤波器( a p f ) 滤除谐波及其他非基波成分，利用超导磁 能储存系统( s m e s ) 补偿系统有功和无功、提高系统稳定性等等。 1 2s t a t c o m 在国内外的研究现状 静止同步补偿器( 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 t a t c o m ) 是 f a c t s 技术的一个重要装置。它在电网中吸收或发送无功，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。 s t a t 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，其在国内外的发展过程大致如下1 2 ：( 1 ) 起步阶段，这一时 期主要是l = = i 1 本德国美国进行一些小容量的实验室研究，当然也有进行并 网实验如1 9 7 9 年日本三菱公司和关西电力研制的世界第一台基于晶闸 管的电压源型容量为2 0 m v a 的s t a t c o m 进行了并网实验。( 2 ) 发展阶 段，这一时期主要在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，如日本在8 0 年代后期开始研究用可关断元件实现s t a t c o m 并投 入运行1 9 9 1 年日本犬山开关站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 t a t c o m 又投入运行，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1 0 m v a 的s t a t c o m 投入运行，如此等等。( 3 ) 技术日趋成熟阶段，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 t a t 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 r s t a t c o m 投入运行，1 9 9 9 年夏，我国 首台新型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。这 广摩王鼗文学颁圭学彼论文 几年关于s t a t c o m 成功投入遮行的例子也就更多了。 耄上噬见，s t a t c o m 熬发震与电力呶予爨件是愚怠穗荚黪，惫力 电子器件的容量和开关频率是互为矛盾的，随着制造工艺的发展投术的 提高，就出现了容擞比较大而开关频率又比较高的电力电子器件。 1 。3 s t a t c o u 在配电系统中的发展前景 s t a t c o m 的发展裙麓主要应用在输溆隧中，并在输电网起到了缀 大作嗣。而随着电力系统的发臌和社会的遂步，电能质量问题往往与用 户经济利益相联系，文献 1 1 中详细列举了制冷电子控制器、某公司芯 片测试仪、可编程控制器、糖密搬棱工具、嚣渡电极、谖速电机、交漉 接触器和计算税这赡用户设备对电能质量的严格要求，解决这些髑户的 电能质撼问题就显彳碍忧为重要。配电网中无功功率需求往往很大而且变 化也缀大1 2 1 1 6 】，再者电网的运鹫赢纂望最少的无功在锻鼹中传播减少电 网闯豹损耗，而s t a t c o m 应掰于配电掰中虢起到快速调节毫压，发生 和吸收电网的无功功率，同时可以抑制电聪闪变等作用，对改善电能质 量有相当大酶终用。那么磺发邋瘸子配电系绫中的s t a t c o m 也藏蠢实 际的艨羽意义。随麓我国经济瀚不断快速螅向前发展，商心技术和尖端 设备投入到国民经济生产中，电力用户对电能质量的关心必然促进电能 质量控涮技术的发疑， 乍为邀熊痿量控制技术斡弹设蘩一一适耀予配 电两s t a t c o m 得到j 。泛发展军珏应用也就势在必然了。 1 。4 无功补偿糍瞬时无功理论 电压是衡量电能质量的个重要指标。质量合格的电压应该在供电 电压僚移，电压波溯和电网谐波耜三相刁；对称程度这豳个方厦都能满足 有关国家标准翘定的要求。寇力系统匏邀灏水平往往淑决于无功功率静 平衡，当系统所提供的无功功率满足系统的无功需求时，电压在额定值 上运行，无功功率不足或过多都会使电压偏离额定值。无功功率的变化 除了影响电压稳定辨，无功葫率在迄两中静蔑播还影响到线路损耗，线 第一警概述 路及变压器的电压降等，那么根据无功需求进行就地无功补偿技术就最 得相当必要。传统无功补偿投切电容器组、调栩机等，但这些补偿容量 攀一瑟不灵活，瑟琵毫系统s t a t c o m 夔凄褒藏为动态浃逮遮送行无功 补偿提供了可行途径。 要对系统进行动态快速无功补偿就必须对系统的无功进行精确的检 溅，孬么瓣辩无功功率 1 2 1 熬提塞藏为鳃决了这个瓣趣提供了途径。瓣瓣 无功功率概念的提出主鼹针对传统无功定义上的些不足；当电压或 电流中含育谐波时，或三相电路不平衡时，传统无功概念很难 解释器攥遮这些魏象。该理论突破了黉绞豹激乎缘藿隽蒸硝夔功率定 义，以定义瞬时无功电流i 。、瞬时有功电流i 。为熬础，系统娥定义了瞬时 无功功率q 、瞬时有功功率1 3 。 q = 每 b e e ) 屯+ ( # 。一巳) 蠢+ ( # 。一岛) f 。】 ( 1 1 ) p 。# # k + e b l 6 + e e f c 其中e 。、e ”e c 梵三攘瞬霹电益， 1 5 本文蛊勺主要工作及内容安排 ( 1 2 ) i 。i b 、i 。戈三掇瓣时电流。 本文蒋先在提出电能质量间越的基础二叙述f a c t s 技术和 s t a t c o m 在国内外的发展，并针对当前配电网所存在的电能质量问题 糖逛了遥会予嚣毫潮豹s t a t c o m 夔毒委割，接羞藏详镶鹣论选 s t a t c o m 主电路的构建、控制系统的软硬件设计等，为本装置在实验 室安全可靠地工作进行“r 完整设计。最后以实验堂的实验为依据分析验 证了s t a t c o m 静各项链毙。 本文的内容安排为：第一章为概述，主要介缁f a c t s 技术的发展、 s t a t c o m 在国内外的发展、s t a t c o m 在配电网中发展前景及无功补偿 懿一鏊翅关穰念；第二零谂透主迄鼹懿梅建、s t a t c o m 瓣王嫠程理帮 控制策略；第三章详细论述s t a t c o m 控制系统的软硬件设计；第四章 针对实验室实验分析s t a t c o m 的性能；最后为结论与展塑。 渫蘧来源：辩礤顼妥一姣汉秘技弱“虢头瓿毫掇蒂能控裁” 广东t 业大学硕+ 学位论文 第二章s t a t c o m 的主电路设计与分析 上一章提到了s t a t c o m 在配电网的应用前景，从这一章开始介缁 适用于配电网的s t a t c o m 的研制过程和s t a t c o m 在实验室的实验。 图2 1 为s t a t c o m 主电路、s t a t c o m 控制系统与配电系统的电气连接， s t a t c o m 主电路并联连接在配电网中，s t a t c o m 控制系统检测到配电 网中三相电流电压通过控制算法得到驱动信号实现对s t a t c o m 主电路 的控制，从而实现s t a t c o m 在配电网中的功能。 sr r a t c o i l i 掩制糸统 图2 一ls t a t c o m 主电路、控制系统与配电系统的电气连接 f i g 2 - 1 t h ee l e c t r i cc o n n e c t i o no fs t a t c o m sm a i nc i r c u i ta n dc o n t r o l s y s t e mw i t hd i s t r i b u t i o ns y s t e m 这一章首先简要介绍s t a t c o m 主电路的构成和主电路元件的选 择，随后介绍s t a t c o m 的工作机理，最后对s t a t c o m 的控制策略进 6 一 釜二苎：三竺三竺墼圭里坠垄兰主坌塑 行探讨。 2 1 s t a t c o m 的主电路构成 查阅相关的文献资料【1 3 1 7 1 可知静止同步补偿器( s t a t c o m ) 由储 能电路、g t o 或i g b t 逆变电路和变压器组成。本装置设想是采用i g b t 构成逆变电路，变压器用连接电抗来代替，储能电路由两个电容器串接 而成。那么，s t a t c o m 的原理框图如图2 2 所示。从原理图上看，要 构成丰电路主要是设计逆变电路、选择电容和连接电抗。另外为了保护 i g b t 模快必须要缓冲电路和进行散热设计。下面就这些问题作简要介 绍。 u 图2 - 2s t a t c o m 的原理框图 f i g 2 2 b l o c k so fs t a t c o m p r i n c i p l e 2 1 1 逆变电路的构成 a 逆变电路是指整流( 又称顺变) 电路的逆向变换电路，这里通过半 导体功率开关器件i g b t 的开通和关断，把电容c 里储存的直流电能变 化成交流电能。由图2 2 可以看到本逆变电路是三相电压型逆变电路， 要用六个i g b t 管组成六个桥臂，而电容本身不能提供直流电能，那么 要多一块整流电路，那样组成的主电路就显得复杂而可靠性不高。为此 选择了i g b t i p m ( i n t e l l i g e n tp o w e r l o d u e ) 模块，它的内部集成了 六个i g b t ，可以组成三相全桥逆变电路；而与六个i g b t 相对应的反向 快速二极管则组成了三相整流电路。那么我们就用一个模块就构成了整 广彖工业大学碟土学位论盅 流逆变电路，大大简化了主电路的设计，也使对主电路的控制更加容易。 f 面就对i g b t i p m 模块的性能和特点作简要的介绍。 本装嚣瘸爨熬i g b t - i p m 模凌“”浚鳌号是7 m b p 5 0 r a l 2 0 。它跫嚣本 寓士电机生产的r 系列i g b t i p m 模块。该模块与以往系列模块相比， 具有一些新特性：采用软开关技术，媳有低浪涌，低噪声的特性，容易 镑台e m c 要求；v c e ( s a t ) 及开关臻耗综台羧簧，洚繇憨援耗 大擦 胰减少内部元件数，提离了整体可靠性；采用i g b t 管芯过热保护，防 止因管芯异常发热而引起的损坏；封姨高度降低，在维持互换性的同时， 撩续避毒亍，l 、整纯工 睾。蕊肉黉毫气功缝篷瑟：1 ) 滤萋三稳逶变宅疆瑶 i g b t 及快恢复二极管，内部配线连好。模块上引出了螺钉接线端子，元 须焊接；2 ) 内置一个制动用i g b t 及快恢复二极管，用于消耗减速时的 瓣馕篷量，瑷辩裁p n 麓主逮压懿毫署。3 ) 凑嚣了全部i g b t 懿驱动患 漤2 17 m b p 5 0 r a l 2 0 主要参数 t a b l e2 1t h em a i np a r a m e t e ro f7 m b p 5 0 r a l 2 0 蛰弩皂稼条件额定藿 v d c电源电压p - n 间9 0 0 v v d c ( s )电源浪涌电压p - n 间1 0 0 0 v v c e se 一嚣魄压1 2 0 0 v i c集电极电流t c = 2 5 0 c5 0 a i c p集电极峰值电 t c = 2 5 0 c1 0 0 h 流 p c单个i g b t 功t c = 2 5 0 c3 5 7 w 耗 f s w开关菝率l - 2 0 k h z 路，具有软开关控制、单电源驱动无须反偏电源及防止误导通的特点。4 ) 内置全部i g b t 的过电流、短路、控制电源欠滕、管芯过热以及绝缘基 板溢度过热等缣护功憝。5 ) 当f 橙鬻保护凄翳；秀始后，模块簸窭葸缀警。 蹙个模块用陶瓷基板做绝缘构造，可直接安装在冷却体上。模块主要参 数如表2 1 所示。 叁二耋! ：! 竺呈竺墼圭皇塑，璧茎主坌堑 2 1 2 直流电容器c 的选择 直流电容器在装置中主要起电压支撑和滤除电压纹波的作用。理论 上，在系统对称情况f 直流电容器的容量可以选得很小。但实际中，由于 各种原因，如电力系统的不对称，s t a t c o m 装置中的各种损耗以及器件 开关过程中产生的高频噪声等因素，直流电容器的容量越大对系统的电 能越有利。然而，无限制地增大电容器容量不但使装置的成本、体积增大 而且会使s t a t c o m 的动应响态变慢。实际应用中对选择电容器没有一 定的成规，而查阅一些文献 2 ，1 6 ，1 9 ，2 0 都用了些不同方法，限于 篇幅这罩就不深入地进行研究，只是列出一些考虑的因素：( 1 ) 必修满 足额定电压额定电流等这些电气参数要求。( 2 ) 电容电压波动幅值。如 果电容电压波动幅值过大，不得不采用更高电压等级的电容、i g b t 和筘 位二极管，这势必会增加系统成本，降低器件的使用效率和系统的可靠 性。电容电压波动包含以下三部分：直流电压稳态波动，这由系统电 抗和电阻决定；理想情况下电容电压的3 n ( n = l ，2 ) 倍频电压波动， 其中最主要的是3 次电压波动；系统电压中含有的谐波成分影响电容 电压形成特定频率的电容电压波动，而较大的电容值有利于抑制电容电 压波动。( 3 ) 系统振荡对c 的限制。不同的电容值会在不同的频率使 s t a t c o m 发生振荡现象，必须合理选取电容以避免这种振荡现象。( 4 ) s t a t c o m 输出电流中谐波含量的限制。( 5 ) 应考虑电容电压波动对系 统谐波含量的影响，较大的电容助于降低系统电流中的谐波含量。综合 以上凶素，直流电容器选择两个2 2 0 0 u f 4 5 0 v 串接而成。 2 1 3 连接电感l 的选择 连接电感l 主要是为了消除谐波对系统的影响。连接电感l 的取值 主要对系统的一些影响：( 1 ) l 越大，发出同量无功所需逆变器的输出 电压越高，系统的设计容量越大。为了降低i g b t 和电抗器的成本，l 的取值越小越好。( 2 ) 从s t a t c o m 的响应速度考虑，l 越小s t a t c o m 的开环响应速度越快。( 3 ) 在相同的逆变器输出电压谐波幅值的条件下， j 乐【业大学硕士学位论义 l 越大，系统电流中的谐波电流越小。同理，较大的l 对s t a t c o m 抵 抗系统不对称比较有利。( 4 ) 从图2 - 2 可以看到直流电容器和连接电感 在开关动作时是串联关系( 如图2 - 3 所示) ，那么这里选择连接电感的时 候要避免串联谐振的发生，具体如何做可参看文献【2 1 图2 3 开关动作时等效电路图 f i g 2 3t h ee q u i v a l e n tc i r c u i tw h e n i g b t a c t i n g 图2 3 中，假设某一时刻逆变电路中i g b t l 和i g b t 2 动作，此时连 接电抗接系统的a 、c 相所得到的等效电路图。 综上所列的因素，选择连接电感l 的取值为2 m h 。当然为了实验室 做实验方便，用到了l m h 一2 m h 每隔0 5m h1 个触头共4 个触头的连接 电感，电感的大小对系统的影响在第四章有详细的分析。 2 1 4 缓冲电路的设计 i g b t i p m 的缓冲电路主要用以控制关断浪涌电压和续流二极管恢 复浪涌电压。缓冲电路分为两种：一种是在所有的元件上以对1 安装 缓冲电路的个别缓冲电路，另一种是在直流母线间集中安装的集中式缓 冲电路。个别缓冲电路又可分为：a ) r c 缓冲电路，b ) 充放电型r c d 缓冲 电路，c ) 放电阻止型r c d 缓冲电路。集中式缓冲电路又可分为：a ) c 缓 冲电路，b ) r c d 缓冲电路。这些电路的连接图、特征及主要用途町参看 文献 1 8 。缓冲电路类型和所需元件主要决定于功率电路的布局结构， 另外，为给定应用电路选择最好的缓冲电路时，成本和工作频率这些因 素”2 2 ”必须考虑。这里为了确保装置的安全可靠运行，选择个别缓冲电 路中的放电阻止型r c d 缓冲电路”“。放电阻止型r c d 缓冲电路具有以下 第一章s t a t c o m 的主电路设计与分析 特征：对关断浪涌电压电压有抑制效果，适合高频交换用途，缓冲电路 中发生的损耗少。下面对它的设计进行详细说明。 当i g b t 关断时，c e 问的电压上升，当电压上升超过直流侧电压时 缓冲电路开始动作，使i g b t 的关断电压相对平缓，为了使放电阻止型 r c d 缓冲电路有效工作要注意以下事项：( 1 ) i g b t 关断时必须控制在 安全操作区域内”1 ；( 2 ) 在进行装配时，要尽量降低主电路和缓冲电路 的分布电感，接线越短越粗越好，( 3 ) 缓冲电容c s 应采用低感高频性能 良好的电容( 如薄膜电容器等) ，它的引线应尽量短，最好直接接在i g b t 的端子上；( 4 ) 缓冲二极管d s 应选用快开通和快恢复二极管，以免产生 开通过电压和反向恢复引起较大的振荡过电压；( 5 ) 缓冲电阻r s 的选择 应能满足1 g b t 在下一次动作前将存储在缓冲电容c s 中的电荷放完。图 24 是放电阻止型r c d 缓冲电路与s t a t c o m 的连接图。 图2 4 放电阻止型r c d 缓冲电路连接图 f ig 2 - 4t h er c ds n u b b e rc i r c u i to f d i s c h a r g e d a m pt y p e c o n n e c t i n gw i t hs y s t e m 综上所列的因素，下面就对缓冲电容c “缓冲电阻r s 和缓冲二极管 d s 的选择作详细的分析。 缓冲电容器的电容由下式求出： c 5 = u i ( 一易) 2 ( 2 1 ) l ：主电路的寄生电感，这个参数要用专用的设备测出，本设计以l u h 的估计值作为计算值；i o ：i g b t 关断时的集电极电流，取i g b t 的额定 广东l 工救火学硬士掌位论文 电流5 0 a ( 如表2 1 ) ；e 。：直流电源电压，鞭p n 问的额定电压9 0 0 v ( 如 表2 1 ) ；v e e p ：缓冲毫容器电压戆最综到达鬣，取p - n 阗熬淀瀑毫圭爰1 0 0 0 v ( 如表2 1 ) 。 通过计算可得c s 为0 2 5 u f ，由于以上参数的取值与实验装置相关， 为了戆受准确缝遥耩缓凌毫容器，酃就霉要徽更多数实骏测量隧上参数。 限于当前实验室条件这些实验很滩完成，因此在考虑了一些裕度的情况 下本装置选择标准薄膜电容0 4 7 u f 1 2 0 0 v d c 为缓冲电容。 缓羚奄疆r s 出f 式求出： r 。l ( 2 ，2 ) 。 2 3 c s f f 为秀关频率，取1 5 k h z 终必计算篷，撼缓静电容馕0 。4 7 u f 4 弋入可褥 缓冲电阻r s 最大值为6 1 6 7 q 。 缓冲电阻r s 发生的损耗p 与电阻值无关，可以由下式求出： 尹：u u ：l u l l x ( 5 0 a ) 2 x 1 5 k h z ：1 8 。7 5 w ( 2 3 ) 22 因此本装置选择5 0 q 1 5 0 w 的电阻作为缓冲电阻。缓冲二极管d s 只要 滚足洼爨枣矮载( 4 点藏嚣，掰滋选择抉恢复二辍管e r g 2 8 1 2 为缓冲 二极管。从实验室的实验表明，以上所设计的缓冲电路怒可以保护邋变 电路的。详细的实验分析请参看第四章。 2 2s t a t c o n 的机理分析 对艺一一- 节熬鹜2 - 1 进行参数瑕设，并瓣s t a t c o m 遴露蕊他，戴霹 得到s t a t c o m 与系统的单相逡接图，如黼2 - 5 所示。其中r s 、 x 8 是 系统的的阻抗和电抗，r 1 是s t a t c o m 所有损髓与连接电揽l 的等值电阻， x ；是遴接电抗l 秘连接导线茨等蕊电抗。u s 是系绫夔电压，u l 楚 s t a t c o m 连接的节点电压。 薹三耋譬誊篡2 誓辇主耋墼耋未。主盐篓 s 瑚j 蕾、 h | b 一 圈2 - 5s t a t c o m 与系绕的单相连接蘸图2 - 6 单耀等效电路圈 f i g 2 5t h ec i r c u i tc o n n e c t i n gs t a t c o m a n ds y s t e m f i g 2 - 6t h es i n g l e p h a s ee q u i v a l e n tc i r c u i t 觉圈2 - 5 竣s t a t c o m 等效为一个电压滚u 经分攒霉箱电压源u l 。 是一个无功电源，u 是包括s t a t c o m 的损耗在内的电压降。rx 怒考 虑了连按电抗损耗与s t a t c o m 损耗的电阻电抗之和，那么其单相等效电 路热隧2 - 6 嚣示。横摄基尔科夫惫压定律刘露： u l o + u = u 】 ( 2 4 ) 电流i 的参考方向如图2 6 所示，僵其实际方向是不定的，即电流i 可能由s 量婀e o m 溅囱系绞( 逛渡超蓠) 也可鼹由系统浚翔s t a t c o m ( 惫 流滞后) 。那么由图2 - 6 及式( 2 4 ) 可得到它们的相量关系如图27 所示。 u l o 逛滚滏磊 图2 7 相量嘲 f i g 2 7t h ev e c t o r so f v o l ta n dc u r r e n t 其中6 是系统节点电压u l 与逆变器电鹰u l o 的相位差，审怒总损 耗的阻摭角，值为a r c t g 妄。从糨量图可知，当u t 。超前u 1 6 角时， s t a t c o m 是向系统发生无功功率，当u 1 0 滞后u l6 角时，s t a t c o m ，1 东t 泣大学颈圭学霞论文 是从系统吸收无功功率。f 面根据图的相量关系推导无功q 与6 的关系。 现隧s t a t c o m 浚懑滞蜃电漉炎铡，把毯压降u 分麟为有功分鬣鬏l 和无功分量x i 可得阌2 - 8 。 r i 电流滞后 圈2 - 8电流滞后时的柏鬣关系 f i g ，2 8t h e r e l a t i o no fv e c t o r sw i t hd e l a y c u r r e n t 湖巾u l o 、u l 茅时u 构成一个三角形，则有： 盟：坠： 望! q ( 2 + 5 ) s i n 艿s i n ( 9 0 。+ 妨s i n 0 0 。- 0 - 彩 试中6 一一u l 与u t o 的相位差，以u 1 超前u 1 0 时为正； 中一一总损耗的阻抗角。 邈r t = a u t o s 妒= u 1 s i n 蚕裔：妣等 眩6 ) 把电流1 分解为无功电流i q 和有功f g 流i p ，则有： f g = i s i n ( 9 0 。一0 3 ( 2 7 ) ，：；垒坠 ( 2 8 ) x2 十r 2 篷戏( 2 , 5 ) 、( 2 + 6 ) 、( 2 7 ) 、( 2 。8 ) 可攥褥 铲嵩咖c ，n 国= 轰咖：d ” 赠三矮系统惑懿无功豹缝黠镶麓： 垆= 筹眦占 ( 2 _ 1 0 ) 嗣攥，当s t a t c o m 滚密超蘸瞧流对也可良雄褥鼓上瓣关系。这 筵明 了在系统参数一定的情况下，s t a t c o m 发 l j 或吸收的蠢功绝对值媲跟 第二章s t a t c o m 的主电路设计与分析 u 1 与u l o 的相位差6 有关的。那么通过控制6 可实现对系统的无功进行补 偿，但是为了快速地对无功进行动态补偿，其控制算法的实现是一个难 点问题。 2 3s t a t c o m 的控制策略 。上一节说到可通过控制6 角来实现无功补偿，但是6 角的控制范围 很小，这就意味着s t a t c o m 装置的同步信号发生电路的要有非 常高的检测精度、线性度以及稳定性，实际上对6 角的检测和控 制很难达到理想的效果，过大的偏差甚至会使系统变得不稳定。 下面就s t a t c o m 控制策略的选择作详细的说明。 2 3 1 常见的控制策略 查阅相关的文献资料 2 ，1 2 ，2 5 3 6 】，s t a t c o m 的控制策略有很多， 特定谐波消除脉宽调制技术( s h e p w m ) 在国内的文献中用得比较多， 其基本原理是在电压波形的特定位置设置缺口，通过每半个周期中逆变 器的多次换向，恰当地控制逆变器脉宽调制电压的波形，通过脉宽平均 法把逆变器输出的方波电压转换成等效的正弦波，以消除某些特定次数 的谐波。这里需说明一下：s h e p w m 算法可以很好地起到消除配电系 统s t a t c o m 输出电压电流低次谐波的目的，不过对电压低次谐波的改 善是以牺牲高次电压谐波为代价的，而且电压谐波集中在开关频率附 近。 文献 1 2 】也提出了几种控制策略，其从外闭环的反馈控制量的选取考 虑把控制策略归为两类：电流直接控制和电流间接控制。电流直接控制 就是对电流波形瞬时值进行反馈控制；而电流间接控制就是将 s t a t c o m 当作交流电源来看待，通过对s t a t c o m 装置中逆变器所产 生的交流电压基波的相位和幅值的控制，来间接控制s t a t c o m 交流侧电 流。 电流直接控制方法对电力半导体器件开关频率要求较高，这种方法多 广衷工娃大学硕士学霞论文 用于较小容量的s t a t c o m 。文献中介绍了泡流跟踪型p w m 控制和采用 p a r k 变换黪电渡j 戆羧控裁。 电流的间接控制方法多用于较大容量的s t a t c o m 场合。控制分为单 6 控制和8 与e ( 逆变器导通角) 配合控制。 擎s 烂裁耪对藏魄较薅单，主要是逶过瓣游无功功率瑗逡抉逮_ | 羹埝测 到瞬时无功电流 _ 7 1 ，再经过p i 调制得到相角灌6 去控制s t a t c o m 。 6 与0 配合控制方法引入了s t a t c o m 吸收的无功和有功电流的反馈 控铡，蒡采蘑了瓣簿无功功率法羧擐l 了s t a t c o m 吸收的无功鞠有功电 流。由于本控制方法中包含系统参数，而电力系统的参数具有极大的不确 定性，所以要求s t a t c o m 控制器必须有很强的自适应性，实现难度很大。 驻淤黠耀接控裁的磷究犍主要锋砖攀6 控制。 2 3 2 本装置所采用的控制策略 对予某一固定的运行条件，总可以设计趣相应的控制器。但电力系统 的运行方式众多，系统参数可能肖很大的变化，因此控制器的稳定裕度也 可能交化缀大，壤攒禁一特定运行条件设计秘控制器可鼹无法在掰有运 行条件下获得令人满意的效果。简单保守的方法是依据可能的最恐劣的 运行条件设计控制器，但这会导致在正常的系统运行条件下控制器会的 瞧应缓慢，众赝周期快速嚷应是s t a t c o m 憋重要优势。瞧予本装鬟猩实 验室实验阶段，那么所选用的控制策略是阻某一固定的运行条件采确定 的。当然对各种控制策略进行横块化设计，然后根据邋行条件判断运行 哪令模块是可行熬。限于时闯，这只戆 乍为螽续的工终，下瑟分缨本装 置所嗣到的控制策路。 文献 2 】提到无功控制的基础上提出了电压内嵌式澈闭环控制策略， 该控制策旗娃无功坯终为努繇，默壹流电褰瓣中阀电题佟为内环送行控 制，从葜仿真结粜来看此控制策略是可行的。由此本装霉采用控制策略 是对电雁内嵌式双闭环控制策略简化的基础形成的，控制框图如阁2 - 9 赝示。 压1 4 = y vr sl s 图2 - 9 无功单闭环控制 f i g 2 9c l o s e dl o o pc o n t r o lw i t ht h er e a c t i v e p o w e r 图2 8 中，通过检测到的三相电压电流，利用瞬时无功理论得到瞬 时无功，经过p i 调节得到6 从而控制s t a t c o m 的输出电压。此控制策 略比文献 2 1 的电压内嵌式双闭环拄制策略更简单( 少了电压内