（电力电子与电力传动专业论文）静止无功补偿器dstatcom的研究.pdf

论文题目：静止无功补偿器o s t a t c 0 m 的研究 学科名称：电力电子与电力传动 研究生姓名：二超 导师姓名： 1 q 切而，钐怖 职称：教授 矿 答辩日期：2 0 0 3 3 摘要 本文论述了三相静仁无功补偿器s t a t c o m 及其进展，分析了s t a t c o m 的工作原理， 通过数学扣：导得出了以配电系统无功功率补偿为主要目标的d - s t a t c o m 的数学模型， 井提出j 相应的控制策略。在理论分析的基础上，通过仿真讨论了s t a t c o m 的j ：作过 科= ：设计研制了d - s i z r c o m 的实验系统，动静态实验结果验证了理论分析和控制策 略的l 】：确性。 针对配屯系统无功功率补偿用静l | 二补偿器d - s t a t c o m 的特点，设计了基丁p w m 控 制的以电k 源逆变器( v s i ) 为主电路的d s + f a t c o m 实验系统，其中，主电路元件采 川i g b t 智能功率模块( i p m ) ，控制系统采用数字信号处理器( d s p ) t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 。 在本实验系统中，分别采用了s v p w m 、s p 帆两种脉冲发生方法，通过调节l u 网电压与 v s i 输出l 毡压的相角差6 实现了直流侧电容器端电压的稳定利调m 通过调节p 州调 制深度，实现了v s i 输出电压的调节，进而实现了d s 1 i a c o m 发出容性无功功率缄 吸收感性无功功率的功能及无功功率幅值的调节。 应川现场可编程逻辑阵列( f p g a ) 器件e p m 7 0 3 2 l c 4 4 设计r 对智能功率模块i p m 的驱动和保护电路，通过原理幽与v h d l 语言相结合的设计方法实现r 列1 p m 的智能 性北区补偿，保证了i p m 的安全运行和i 可靠触发。 关键词：静i t 无功补偿器 无功补偿 电压源逆变器 死区补偿 西安理工大学硕士学位论文 t i t l e ：r e s e a r c h0 ns t a t c o mi nd i s t r i b u t l 0 ns y s t e m a u t h o r ： t u t o r ：n a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n to f3 - p h a s es t a t i cc o m p e n s a t o r ( s t a t c o m ) i ss u m m a r i z e da n d t h ep r i n c i p l eo fd s t a t c o mi sa n a ly z e di nd e t a i li nt h et h e s i s b yt h e o r e t i c a l a n a l y s i s t h em a t h e m a t i cm o d e l f o rr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o ni n p o w e r d i s t r i b u t i o ns y s t e mi sd e d u c e d ，a n dan e wc o n t r o ls t r a t e g yi sa l s op r e s e n t e d t h es i m u l a t i o nt od - s t a t c o ms y s t e mi sp r o c e s s e da n dt h ee x p e r i m e n ts y s t e mi s a l s od e v e l o p e d t h er e s u l to fs i m u l a t i o na n de x p e r i m e n tp r o v e dt h ec o r r e c t n e s s o ft h em a t h e m a t i cm o d e la n dc o n t r o ls t r a t e g y i nc o n s i d e r a t i o no ft h ec h a r a c t e ro fd - s t a t c o mf o r t h er e a c t i v ep o w e r c o m p e n s a t i o ni np o w e rd i s t r i b u t i o rs y s t e m ar e l a t i v ee x p e r i m e n ts y s t e mis d e s i g n e d i nw h i c hav o l t a g es o u r c ei n v e r t e rw i t hi g b ta n dp _ mc o n t r o lb a s e d o nd s pi sa d o p t e dt ot h em a i nc i r c u i t i nt h ee x p e r i m e n ts y s t e m ，t w ow a y so f p u l s eg e n e r a t i n gi se m p l o y e d ，s u c ha ss p w ma n ds v p w m ，t h er e g u l a t i o no f d c v o l t a g eisa c h i e v e db yc o n t r o l l i n gt h ep h a s ea n g l e 6b e t w e e nt h ep o w e r s u p p l yv o lr a g ea n dv s io u t p u tv o l t a g e ，a n dt h ev s io u t p u tv o l t a g ei sc h a n g e d b yc o n t r 0 1 l i n gt h ep w mm o d u l a t i o nd e p t h t h u s t h ee x p e r i m e n ts y s t e m r e a l i z e dt h ef u n c t i o no fg e n e r a t i n gc a p a c i t i v ep o w e ro ra b s o r b i n gi n d u c t i v e p o w e r an e wd r i v i n ga n dp r o t e c t i n gc i r c u i tb a s e do nf p g af o ri p mi sd e s i g n e d a n di tp r o v i d e st h es e c o n d a r yd e a d t i m ec o m p e n s a t i o nt oe n s u r et h ei p mt ow o r k s a f e l y k e yw o r d s ：s t t c o m v o lt a g es o u r c ei n v e r t e r r e a c t i v ep o w e rc o p e n s a t i o nd e a d t i m ec o p e n s a t i o n 一2 第1 章d - s t a t c o m 的发展与特点 第1 章d - s t a t c o m 的发展与特点 无功功率补偿是涉及电力电子技术、电力系统、电气自动化技术、理 论电工等领域的熏大课题。由乜力电子装置的应用r 益广泛，使得谐波 和无功问题受到越来越多的关注“1 。随着电力电子技术的b 迷发展，谐波 抑制和无功补偿方面都取得了些突破性的进展。小章首先介绍 d s t a t c o m 兴起的背景及原因，扼要介绍了s v c 的工作原理及特点， 并与s t a t c o m 系统进行比较，突出d s i a t c o m 的优点，从而刚 月本 沦文研究的必要性及意义，明确论文内容及同的。 1 1d s t a t c o m 兴起的背景与原因 1 1 1 问题的提出 我国电力系统发展非常迅速，目前年发电量居世界第二位，实施什么 技术能够对节约材料、节约能源和减少电网污染起作用，也是必须从长远 考虑的3 个全局性问题。f a c t s ( f l e x i b l ea c 1 y a n s m i s s i o ns y s t e m ) 技术 正足解决输电领域巾这j 大问题的重要措施。f a c t s 技术是利用现代人 功率电力电子技术改造传统交流输电技术，它对交流系统的无功( 电 e ) 、 电抗和相角可以进行控制调节，从而有效提高交流系统的安全稳定州，使 传统的交流输电系统具有更高的柔性和灵活性，使输电线路得到充分利 用，以满足电力系统安全、i = l ：靠和经济运行的同标“1 。s t a t c o m 在f a c t s 家族中占有拥当重要的地位，而且还有着很大的发展潜力。”。 1 1 2s t a t c o m 兴起的原因 在电力系统迫切需要先进的输配电技术来提高电能质量和系统稳定 性的时候，随着电力电子技术和现代控制技术的迅猛发展，一种改变输电 能力的新技术柔性交流输电系统( f a c t s ) 悄然兴起。s t a t c o m ( s t a t i cc o m p e n s a t o r s t a t c o m ，即静止补偿器，办称a d v a n c e d s t a t i cv a rg e n e r a t o r a s v g ，既新型静止无功发生器) 在f a c t s 家族 西安理工大学硕士学位论文 中占有重要地位。其主要原因在于： ( 1 ) 从资源上讲，燃料价格上涨，必须提高电力系统的运行效率， 使得电l j c ) 9 中无功潮流最小，以减少系统的无功损耗。 ( 2 ) 从经济上讲，如果与具有相近容量的其他装置的成本进行比 较，美国e p r i 认为在容量为1 6 0 m v a r 时，s v c 与s t a t c o m 的成本相同，对我国的电力系统经仿真计算，合适的单机容量 在10 0 m v a r - 2 0 0 m v a r 左右，s t a t c o m 有优势“1 。 ( 3 ) 从可靠性上讲，s t a t c o m 与同步调相机及发电机相比，维护 管理简单，可以实现无人值班和远方监控。 ( 4 )从发展上讲，许多老线路传输的功率已经增加，这就要求通过 无功功率控制柬恢复系统的稳定储备，而s t a t c o m 在无功控 制领域有诸多优点。 1 1 3s t a t c o m 和d - - s t a t c o m 概念及提出 1 9 7 2 年，日本发表了用强迫换向的晶闸管桥式电路作为调相装置的研 究论文：1 9 7 6 年，美国学者l g y u g y i 在其论文中提出了用电力半导体变 流器进行无功补偿的各种方案“1 。所淄s t a t c o m 就是指由自换相的电 力半导体桥式变流器柬进行动态无功补偿的装置。另一方面，s t a t c o m 不仪可以用于输电系统中，电可用于配电系统中，此时亦称为 d s t a t c o m ( s t a t c o mi nd i s t r i b u t i o ns y s t e m ) ，其作用是提供或吸收无 功功率，维持母线电压稳定，必要时还可滤除负荷产生的谐波。 1 2 国内外发展现状 在国外，自日本三菱公司1 9 8 0 年研制成功2 0 m v a 静l t 补偿器起， s 1 a t c o m 作为f a c t s 的重要成员引起各国电力工业界的重视“1 。1 9 8 7 年美国两屋电气公司研制成功了1 m v a 采用g t o 品闸管的s t a t c o m 实 验装置，并成功地进行了现场试验。1 9 9 1 年和1 9 9 4 年同本和美国分别研 制成功了一套8 0 m v a 和1 0 0 m v a 的采用g t o 晶闸管的s t a t c o m 装置， 并且最终成功地投入了商业运行。第一台试验性的容量为4 - 1 m v a r 采用 第1 章d - s t a t c o m 的发展与特点 g t o 的d s t a t c o m ( 用于配电系统) 山美国e p r i 与西屋电气公司丌发 研制，并于1 9 8 6 年1 0 月在纽约州的o r a n g e & r o c kl a n du n i l t i e s 投入示 范运行。此后，美国e p r i 孙坌自西电力局( 7 b n e s s e ev a l l e ya u t h o r i t y ，t v a ) 和西屋电。l 公司再次合作，在t v a 电力系统的s u l l i v a n5 0 0 k v 变乜站建 造了当时l t k 界上最大容量的一套l o m v a r 的s t a t c o m ，该工程耗资1 0 0 0 万美元，单位容量造价约为1 0 0 美元l k v a r 。白1 9 9 6 年1 0 月投入运行至 今，运行情况一直良好。此外，英i 司凼家电网公司( n a t i o n a lg r i d c o m p a n y ，缩写为n g c ) 将在4 0 0 k v 系统内安装正山法困a l s t o m 输配电 公司研制的基于7 5 0 m v a r 的静止无功补偿系统，整个静止无功补偿系统 的容量将是0 - 2 5 5 m v a r ，从而提高英幽北部往南部的电力传输功率“1 。 在因内，1 9 9 5 年8 月，由河南省电力局和清华大学共同研制了一台 i 3 0 0 k v a r 的s t a t c o m ，并在清华大学并刚成功。1 9 9 9 年3 月，由河南 省电力局和清华人学共同研制的m 2 0 m v a rs t a t c o m 在河南省朝阳变电 站并网成功，1 0 月2 5 同通过河南省电力试验研究所的7 2 h 满载测试，11 月1 5f 1 又通过了山中国i u 力科学习f 究院进行的性能测试。测试结果表【! j ；j 2 0 m v a rs t a t c o m 达到了预期的各项指标，2 0 0 0 年6 月2 7 广| 在洛阳成 功的进行了鉴定 2 1 0 1 3 s t a t c o m 与s v c 的比较 f l 统恂无功功率动念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 ) ，但因其损耗、噪声都较人，运行维护复杂，响应速度慢，随着电 力电子技术的发展已被静止型无功补偿装管( s t a t i cv a tc o m p e n s a t o r s v c ) 所取代。静止无功补偿装置( s v c ) 这个词通常是专指使用品闸管 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 d r e a c t o r t c r ) 和品闸管投切电容器( 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 ) ，以及两者的混合装置( t c r + t s c ) ，或者晶闸管控制电抗器与吲 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 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 、i c r + m s c 西安理工大学硕士学位论文 等) 。下面分别给出t c r 和t s c 的电路原理图及电压电流特性，如图1 - 1 、 1 2 所示。 n ( b ) 栽 图l l t c r 的单相电路结构及电压电流特性 通过对t c r 的原理电路分析可知，其基本结构就是两个反并联品闸 管与一个电抗器相串联，三相通常采用三角形联结。将其投切于电网，相 当于r 乜感负载的交流调压电路结构。其中电抗器为储能元件，即吸收感性 无功。通过调整触发延迟角改变系统等效电纳，从而调节补偿器的等效电 抗，达到调节吸收感性无功的作用。 a bc 心 ( a )( b ) 图1 2t s c 的单相原理图及电压电流特性 通过对t s c 的原理电路分析可知，两个反并联晶闸管只是起将电容 器并入电网或从电网断开的作用，而串联的小电感只是用来抑制电容器投 入电网时可能造成的冲击电流。t s c 实际上是断续可调的吸收容性无功 功率的动态无功补偿器。从图1 2 可知，其a 、b 、c 为无功涧节的三个 第1 章d - s t a t c o m 的发展与特点 等级，而所给出的电路原理结构图只为多组投切电容器中的一组。电容器 分组的方法比较灵活，当然，电容值极数越多越好，通常采用二进制方案。 表1 - 1各种无功功率动态补偿装置的简要比较”1 装置同步饱和晶闸管晶闸管混合型静i 卜无 调相电控制投切静止功 指标 机抗器屯抗器电容器补偿器发生器 响应速度慢较快较快较快较快快 吸收无功连续连续连续分级连续连续 控制策略简单不控 较简单较简单 较简单复杂 i 谐波电流无大大无大小 分相滴节有限 不可 可以确限 l 叮以可以 损耗火较大 中 小小小 噪声人人小小 小 小 从以上分析【| 丁知，不论是t c r 还是t s c ，其额定补偿容量都与储能 7 i 件的容量相当，而s t a t c o m 中所需的储能元件的容量远比s t a t c o m 所能提供的无功容量要小。下面将s t a t c o m 与s v c 的各组件及s v c 的功能做以比较，如表1 - 1 所示，从表中的比较町知，s t p 1 1 c o m 与s v c 的整体性能相比具有显著优点，体积与成本方面也具有较大优势。 1 4 d s t a t 0 0 1 1 t 的特点及应用 s t a t c o m 是山三相逆变器和并联电容器构成的，其输出的三相交流 电压与所接电网电压的三相电压同步。连接变压器通过的电流等于零或呈 容性或呈感性取决于一、二次电压的l 陌值，因此整个装置的无功功率的大 小或极性都由通过它的电流来调整，从而调整输电线路的无功功率，动态 地使电压保持在定范围之内，以利于提高电力系统稳定。s t a t c o m 小 仪可校怍稳态运行电压，还可以在故障后恢复期间高速稳定电压，这点对 提高电力系统暂态稳定十分重要，因此，对电网电压的控制能力很强。山 西安理工大学硕士学位论文 于采用门极关断( g t o ) 晶闸管，可避免换向失败，小容量可选用i g b t 。 直流侧电容器只是用来维持直流电压，不需要多大容量，而且这些电容由 直流电容器构成，体积小价格低。s t a t c o m 整体功能类似于同步调相机， 但却大为简化。s t a t c o m 的调节范围大，不会发生响应迟缓，反应速度 快，没有转动设备的机械惯性、机械损耗和旋转噪声。并且因为s t a t c o m 是一种完全的固态装置。所以它既能响应网络中的稳态也能响应暂念变 化，它的控sr ju l a j 应速度要比同步调相机快一个数量级。s t a t c o m 是个电 流源，其电流值不受系统电压的影响，所以s n 订c o m 控制电压的能力 要强。此外，由于缺少滤波器，它的占地面积也要小。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： s t a t c o m 以电力系统稳定可靠、高效的潮流控制及其提高输电能 力为主要目标。 d s t a t c o m 以配电系统无功补偿和电能质量控制为主要目标。 1 5 论文的主要工作内容 - 分析d - s t a c o m 的工作原理 - 提出并实现d s p + f p g a 的新型控制系统结构并掌握t m s 3 2 0 l i ：2 4 0 7 的应用 一提出一种数学模型并实现相应的控制策略 将i g b t p w m - v s i 应用于系统主电路，并证明该拓扑结构对系统的 可行性 - 利用所搭建的d - s t a t c o m 在3 8 0 v 2 2 0 v 电网上进行动模试验 薹：兰! ：! 三竺堡兰皇垄型奎茎 第2 章d - s t a t c o m 工作原理与控制方案 简单地晓，d - s t a t c o m 的基本原理就是将自换相桥式电路通过电抗器 或者变压器并联在电网上适当地调节桥式电路交流侧输出电压的桐位和 幅值，或者直接控制其交流电流，就可以使该电路吸收或者发出满足要求 的无功电流，实现动态无功补偿的目的。 2 1d - s t a t c o m 的基本原理 d - s t a t c o m 的主电路可分为电压源逆变电路和电流源逆变电路，但目 前已实现的装置中均采用电压源逆变电路结构。按照容量来划分，大容量 的s t a t c o m 与中小容量的d - s t a t c o m 又有所不同： ( 1 ) 大容量s t a t c o m 结构：采用g t o 的多重化或多电平结构。清华 大学+ _ _ 2 0 m v a r 静止无功发生器的结构图如图2l 所示“1 ： 引k 冀b k ：乏c ；t 2 。 1 、l 。 图2 1大容量s t a t c o m 结构图 ( 2 ) 小容量d - s t a t c o m 结构：采用i g b t 的p w m v s i 结构。可采用 电压源逆变电路( 图2 2 所示) 和电流源逆变电路( 图2 3 所示) 。 图2 2电压源逆变电路结构图 西安理工大学硕士学位论文 图2 ，3电流源逆变电路结构图 下面我们来分析一下d - s t a t c o m 的动态过程，在解释无功发生的过程 前，先假定直流电压已经建立，即u 。已达到所需要的值，另外假设是i g b t 的开关受其门极控制，而门极是由无功发生器的控制器正确控制的，因此 目前只要况明这种门控状态下电压电流的表现即可。下面给出理想条件下 无功发生器的相量图，如图2 4 所示： jl 1 口 工lt us k 工j l ( a ) u p( b ) 图2 - 4理想条件下无功发生器的相量图 首先，我们以电压型桥式电路为系统主电路( 如图2 2 所示) 来讲述 s t a t c o m 的工作原理，依图2 - 4 ( b ) 的相量图可知，u 。与u 。同相，当系 统电压u 。在正半周时，q l 以p w m 方式的正弦波证半周规律被驱动导通， 而当系统电压u 。在负半周时，q 4 以p _ l v m 方式的正弦波负半周规律被驱动 导通；q 1 导通后，q 1 并不立即流过电流，而是在经过1 4 周期后，才开 始有电流i 。流过，电流逐渐上升，到u 。正半周终了i 。达到最大。当进入 u 。的的负半周期，由于电感的原因，i 。并不能立即改变方向，而是逐渐减 小，此时，直流侧电流i 。由正向最大值变为负向最大值。当u 。到达负向 第2 章d - s t a t c o m 工作原理与控制方案 最大值时，i 。减小到零。当i 。进入反方向流动状态，q 1 、d 4 以p w m 方式 的正弦负半周的规律导通。到u 。负半周结束时，直流侧电流i 。增到负的 最大值，此时，i 。达到负最大值；当u 。经过过零点，再次突变，i 。再次 由正的最大值变为负的最大值，同时，i 。以负值逐渐减小，直到u 。到达 j f 向最大值时，减小为零。这样完成a 相的一个周期。其他两相的导通顺 序以及电流电压情况与之相同，并相互间构成回路，在这里不做赘述。 其次，我们来分析d - s t a t c o m 的相量图及等效电路( 如图2 5 所示) ， 而其相量图与直流侧是否外加恒压源( 或整个d - s t a t c o m 系统是否耗能) 略有差别。圈2 - 4 为直流侧外加恒压源( 或系统内部不耗能，即为理想情 况) 的相量图与等效电路；图2 5 为直流侧不外加恒压源( 或系统内部耗 能) 的相量图与等效电路。 一 xr 等效| u 路 图2 5ds i ，a t c 0 i m 等效电路工u 作r 原 由图2 5 可知： u 、2 i t r + j x l + u g 设以( ，。为相位参考，则： u ，= u j4 - j o u g2 u gc o s 5 + j u gs i n 8 n 流滞肝 u ，u5 ( 2 i ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) 由式( 21 ) ，忽略系统损耗等效电阻r 得： o 岂警：坠警+ 卜u , - u s c o s 6 ( 2 _ 4 ) 5 l xx j x 、。j d - s t a t c o m 向电刚提供的复功率为： 一一 9 西安理工大学硕士学位论文 “。川v l 了u gs i n 8 一，盟掣卜旭沼s ， 系统输出的有功功率和无功功率可分别表示为： ，) ：u s u g s i n 8 ( 2 6 ) o ：u , ( u g c o s 8 - u s ) ( 2 7 ) 若6 0 时，则p o ；此时，d - - s t a t c o m 从电源吸收功率，其中一部分补 偿d 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； ( 2 ) 6 o 时，则p 魄时，d - - s t a t c o m 发出无功( 容性) ； ( 4 ) u 。 u 。时，d s t a t c o m 吸收无功( 感性) 。 分析d - s t a t c o m 的工作相量图( 图2 5 ) ，电网电压u 。、逆变器交流侧 基波电压u 。和连接电抗器u 。构成三角形关系，可得如下等式： 生：坠：! ! s i n 占 s i n ( 9 0 0 + 妒)s i n ( 9 0 。一妒一d ) ( 2 1 0 ) u ，：u , s i n d ( 2 - 1 1 )，= j c o s 出幽矿3 口j 划，系琥剀捅出也僦l 与啦剐l 乜比u s 明兴用力9 【) 。一o ，具 有功分量i 。与u s 同相，其无功分量i 。与u s f 交，由此可得： 仁蛔s ( 9 0 。| - 6 ) = 杀杀c o s ( 9 0 。_ g ) ( 2 - 1 2 ) 分心n ( 9 0 。- 6 ) 2 孝杀s i n ( 9 0 。- d ) ( 2 - 1 3 ) 将式( 2 - 11 ) 分别代入( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 可得： l j , = 睾s i n 2 j ( 2 - ，q = 2 u r s s i n 2 万 ( 2 1 5 ) 从而可得出系统在稳态下输出的有功功率和无功功率可表示为1 6 1 1 一- ，中等s i n 2 占 沼，s ， q = 3 ”= 等咖2 占 ( 2 1 7 ) 由此可知，系统所发出的无功功率可由6 控制其大小及性质。 山式f2 10 ) 可摊导h 加下公背 西安理工大学硕士学位论文 u ：堡型变盟( 2 1 8 ) 6 c o s 而根据电力电子变流理论，目标电压( u 。) 又可表示为： u m ：3 , 6 u ( 2 1 9 ) 将式( 2 1 6 ) 带入式( 2 1 7 ) ，可得： u 。：型坐型鱼盟( 2 2 0 ) u 一一 万几c o s d 由式( 2 - 2 0 ) 可知，调节6 角可以控制直流电压u 。从而调节u 。的 大小以控制无功性质和大小，其实质上是调节输出无功电流i 。的大小。 而魄也可通过改变p w m 调制深度x 来调节，因此将电网电压与逆变器输 出电压央角6 及p w m 调制深度 作为系统的控制变量，构成直流侧电压闭 环，通过调整直流侧电压的给定量，问接调节控制变量6 ，并配合 调 节，以达到系统的控制要求。 d - s t a t c o m 的并网启动可采用自励启动、半自励启动和他励启动3 种 方式”1 。在本设计中，由于系统容量不大，并未设置电容器辅助充电回路， 因此选择自励启动方式。 2 2 系统参数的选取 系统参数的选取主要有三个部分，即主电路i g b t 的选取、接入电抗 器的选取和直流侧电容器的选取。 2 2 1 主电路i g b t 的选取 因为该装置是为2 2 0 v 3 8 0 v 系统的补偿设计，设计容量为1 0 k v a r ，可 掘此计算出i g b t 的额定电流为： ，。4 7 1 ，5 1 4 x ，o ( 2 2 1 ) 其中：1 5 为过载系数( 1 5 0 时1 分钟) 1 4 为i c n 温度系数( 考虑结温升高因素) i o 为逆变器输出电流 第2 章d - s t a t c o m3 - 作原理与控制方案 ，。= s ( 4 3 v o ) 其中：s 为系统的输出功率( 本设计按l o k v a r 设计) v 。为逆变器输出电压 等等州m i g b l l 的额定电压可按f 式计算： k ，心( u 出x 1 , 2 0 + 1 5 0 ) 口 ( 2 2 2 ) 其中：u d 。为直流母线电压； 12 0 为过压保护系数( 1 2 0 ) 1 5 0 为尖峰电压 q 为安全系数( 正常a = 1 1 ) = 3 8 0 4 2 1 1 卢= 6 4 5 v 其中：p = 1 - 2 ，考虑交流电压波动系数 k “( 6 4 5 1 2 + 1 5 0 ) x 1 1 = 1 0 1 6 4 v 所以，选取额定电压和额定电流分别为5 0 a 1 2 0 0 v 的i g b t 。 2 2 2 直流侧电容器的选取 理论上讲，d - s r a l l c o m 的桥式变流电路的直流侧可以不设储能元件( 或 很小容量的储能元件) 。但实际l ，考虑到变流电路吸收的电流并不只含 基波，其谐波的存在也多少会造成总体看来有少许无功能量在电源和 d - s t a f c o m 之间往返“1 。所以，为了维持逆变器的正常工作，其直流侧仍 需要一定容量的电容器作为储能元件，但所需储能元件的容量远比 d - $ t a t c o m 所能提供的无功容量要小。同时，此电容器还用于抑制肖流侧 的电压波动。理论上讲，该电容器的容量越大越好，但这显然与实际不符， 凶此，其选取按如下经验公式”1 ： 西安理工大学硕士学位论文 c ，：! ：! 生1 0 6 u f 一百面“ ( 2 2 3 ) 其中：i 。为逆变器的额定工作电流 u 为逆变器输出电压基波角频率 u 。为额定状态下的直流侧稳态电压 k 为系统允许的直流电压波动系数，取值为0 0 1 0 1 墩： i 。= i 。= 1 0 0 0 0 3 8 0 = 2 6 3 2 a ( ) = 2 f = 1 0 0 ( 其中f 取电网频率5 0 赫兹) u n = 5 1 4 8 v k = 0 1 得：c ，：! ：! ! 塑! ! ! ! ：。3 2 5 q 一- u f1 寸： ，= 一j z ) ， 一 2 仃5 0 5 1 4 8 x 0 1 电容器的刚压值取1 5 - 2 0 倍安全裕量则： u d c = ( 1 5 2 0 ) 5 1 4 8 = 7 7 2 2 1 0 2 9 6 v 因此，直流侧电容器选取4 7 0 u f 1 0 0 0 v 的电解电容器。 2 2 3 交流侧电抗器的选取 在通过变压器接入电网的d - s t a t c o m 系统中，可以选择采用变压器的 漏抗作为系统的接入电抗。也可咀采用串入电抗器的方法来使系统接入电 网。但电抗器的选择没有一个统一的准则，因此应根据实验环境、仿真波 形及实验结果来加以调整，实验中暂定为1 0 0 m h ，可依据实验效果对电感 值进行调整。电抗器的参数对直流侧电压存在一定的影响：感性状念下， 电容上的电压平均值及电压脉动分量将随着等效电感的增大而减小：容性 状态下，电容上的电压平均值及电压脉动分量将随着等效电感的增大而增 大。 2 3 系统控制方案 控制策略的选择应与补偿器的主电路结构和主要功能有关，而 第2 章d - s t a t c o m 工作原理与控制方案 s t a t c o m 与ds t a t c o m 在结构和功能要求上都有所不同，斟此，两者采取 不同的控制策略。目前，s t a t c o m 的应用较多，因此，其控制策略也相对 成熟，具有较大的f 巧选择性；而d - s t a t c o m 的介绍较少。 参照s t a t c o m 的各种控制策略，提出了一种d - s t a r c o t 的控制策略。 图2 - 6 给出了引入d q 坐标变换的电流控制策略。 图2 - 6 直接电流控制的双闭环系统框图 这种控制策略，由于其参数值i 。，、i 。和反馈值i 。( 即一t 。) 、t 。( 即i j ) 均为直流信号，因此通过p i 调节器可以实现无稳态误差的电流跟踪控制。 该控制策略引入了d - s t a t c o m 吸收无功和有功电流的反馈控制，并采用 d q 坐标变换法检测d - s t a t c o m 吸收的无功和有功电流。由于坐标变换时d 轴与三棚电源电压旋转空间矢量同方帆所以图2 - 6 “。1 中d - s t a t c o m 电 流的d 轴分量i 。就反映了d s f a t c o m 从电网吸收的有功电流的大小：考 虑到q 轴比d 轴超前9 0 。，若以吸收无功为正的话，贝0 可以用一】。表示 d - s t a f c o m 从电网吸收的无功电流。 根据奉章的公式推导，可先按图2 7 构成直流电压闭环控制，配合 调节t 以实现控制目的。为进一步改善系统性能可引入双闭环系统，并将 系统的用标控制变量i 。直接作为系统的给定输入，以消除系统静态误差。 西安理工大学硕士学位论文 图2 7间接电流控制的单闭环系统框图 2 4 p w m 信号的发生方法 在采样控制理论中有一个重要的结论，冲量相等而形状不同的窄脉冲 加在具有惯性的环节上，其效果基本相同“”。冲量即窄脉冲的面积，而 p w m 控制正是利用这一理论来实现其控制的。p w m ( p u l s ew i d t h m o d u l a r i o n ) 脉宽调制是利用相当于基波分量的信号波对三角载波进行调 制，达到调节输出脉冲宽度的一种方法“”。而从d - s t a t c o m 所追求的输 出效果来看，都是要求输出信号尽可能的逼近正弦波，也就是说，其调制 信号为f 弦波，这样，从p w m 的发生方法上来看，大体可分为两种，即 s p w m 和s v p w m 。 所谓s p w m 的调制方法就是以正弦波为调制信号的p w m 调制方法，而 当f 弦波与三角载波自然相交生成脉冲宽度时，即为自然采样法，这种方 法的优点是原理简单便于理解，缺点是不利于数字实现。而为了应用这种 控制理论，通常在较小的误差范围内制定相应的采样规则，凼此又可分为 对称规则采样法和不对称规则采样法。图2 4 所示为采用对称规则采样法 的脉冲宽度计算方法，其单个p w m 脉冲宽度与载波周期的比例关系如图 2 - 8 所示，设九为调制深度，则 1 3 1 rt 山图2 - 8 ，得：2 于。5 1 ”州1 ) ( 2 _ 2 4 ) t 。= 争( 1 + 丑s i n c o f 1 ) l * 脉冲宽度 r ，。= 2 t 。= ( 1 + a s i nc o t l ) = ( 1 + as i n f 1 )( 2 2 5 ) 第2 章d - s t a t c o m 工作原理与控制方案 l r i 瓜，；卜“， ：乒睁- ie 一 d “ ，“。 f n 。yn 。 一t 曲， t - p ， 图2 - 8 对称规则采样法 并且通过计算可知，其电压利用率为5 0 ，其实验波形如图2 - 9 所示 - 一e 蓦篓受：受蝴甜剌 三三：戛星2 ； 图2 9 采用规则采样法的p w m 滤波后的实验波形 因t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的i o 口的输出电平为3 3 v ，即u 。= 3 3 v ，从实验波形 可知，u 。= 1 7 3 v ，因此，其电压利用率约为5 0 得以验证。 s v p w m 是以三相电压乘以旋转因子所合成的电压矢量为控制目标，以 三相逆变器的六个开关管的8 个开关状态为其8 个基本电压矢量，通过这 8 个基本电压矢量合成目标电压矢量以达到控制目的，其向量图如图2 一1 0 所示，控制电路按上图所示的空间电压矢量图输出六路p w m 脉冲信号进行 控制。空问电压矢量以控制目标矢量为控制目的，而目标电压矢量由三相 西安理工大学硕士学位论文 电压合成，以a 相为基准，b 相和c 相乘以旋转因子合成目标矢量。当控 制目标矢量正向运行时，使得目标电压矢量从( 1 0 0 ) 矢量开始逆时针旋 转，若控制目标矢量反向运行，则使目标矢量以反方向按顺时针旋转。通 常，s v p w m 有两种调制方式，即两相调制和三相调制。两相调制与三相调 制相比，前者在波峰( 或波谷) 的6 0 。范围内分别为( 1 1 1 ) ( 0 0 0 ) 矢量， 因此有各次高次谐波注入，而三相调制只注入对三相电网无影响的三次谐 波，因此，电压纹波较小。 u 1 c 0 1 1 t 点陋 d 曲 图2 1 0空间电压矢量的8 个基本电压矢量 依据如下两个公式1 1 4 1 ，可知基本电压矢量合成目标电压矢量的作用时间。 t 1 = 疋五s i n ( x 3 只) ( 2 - 2 6 ) t 2 = i 旯s i n 臼, ( 0 只 ：r 3 ) ( 2 2 7 ) 下面给出控制器实现s v p w m 的6 个扇区8 个基本矢量的切换过程“日( 图 中给出的切换过程为目标矢量正向旋转时的情况) ： 第2 章d - s t a t c o m 工作原理与控制方案 ：抖：f ；。：i 担：耻：啦：2 ：训： ：型j 恐in ：；i ：1； c ：i： ： - ou - ( ) l ”- u - q ( o o o j 。( i o o x i l o ) ( 【l i ) ( 1 i o ) ( i o o ) f o o o ) u o _ 6 0 扇区 ；b 4i _ ，2 一垃! 。们i 1 担i 1 叫4 料i n ：；厂 ： “：厂 ： c j 广 j ； ：ht 砷l 20 。q 蜘：q 2 0 ：o o ： ( o o o ) ( 0 1 0 如i ( 1 l 【) 。( o l1 l ( o l o ) ( o o o ) u 1 2 0 1 8 0 扇区 ：b h 衄：1 弘：“2 ： 担：i j 7 2 ；。”： ：l； a ：厂 “i；厂；! ci 厂丁 i ( b 。dl 5 4 02 【b ( 1 1 。t 5 2l h o q 。 o o o ) 。 0 0 愎1 0 i j ( 1 l 川( 1 0 1 ) ( o o j , jf o o o ) w 4 ：1 1 ，2 ：1 靠：。b 经：b 崆：1 作：1 抖 【毛u 2 0l h 0 1 1 il bl 加l h ” 。( 0 0 0 ) 。( o l o k l l o j l i i ) f l io i ( ( io ) “h ) u 6 0 1 2 0 扇区 ：v o 4 ：。h 也：w 2 ：聃：l 狙：啦：1 神： ：；： n ：广 ： ni ；广_ 1 1 ： c ! 厂_ ； 2 q 2l 5 2 u 50 it 1 1 屿4 0c b 。 ( o o o ) 。0 0 l k o l l 1 1 1 1 ) 1 ( o l i ( o o l l ( o o o ， u 1 8 0 2 4 0 扇区 ：i h 也：1 拉：牝i 驴h 乜：1 一： i：；1： n ：厂： n ；厂；i c ll 厂- t ii ：( h ：【bi i ：( ) ：l k i i s ：( h ： u 2 4 0 3 0 0 扇区u 3 0 0 3 6 0 扇区 图2 一1 1 空间电压矢量法的6 个扇区图 以上对两相调制和三相调制进行了理论比较和分析，下面我们从实验 的角度再对两者进行比较，并验证其正确性。因为所选d s p 为 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ，它的内部集成了发生s v p w m 的硬件模块，其发生方法为两 相调制的p w m 发生方法，利用该模块进行编程、运行，观察其p w m 输出引 脚的输出波形如图2 1 2 所示，从图中可以看出，其滤波后的波形与正弦 波相比，其电压纹波较大，并引入大量的高次谐波，且电压利用率较低。 同时，针对相同控制芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 进行编程，通过在固定的载波周 西安理工大学硕士学位论文 期内( 如5 0 0 u s ) 引入定时中断，并在i s p ( 中断服务程序) 内根据公式 ( 2 2 6 ) ，( 2 - 2 7 ) 分别计算8 个基本电压矢量的作用时间，从而确定各桥 占宁：嚣星，苦0 0 2 图2 1 2 两相