（检测技术与自动化装置专业论文）低压四桥臂静止同步补偿器研究.pdf

山东建筑大学硕士学位论文 摘要 静止同步补偿器在电力系统中的应用日益广泛，起到了提高电力系统功率因数、消 除高次谐波的作用，显著提高了电网的供电品质，减小了馈电线路的线路损耗。目前静 止同步补偿器主要应用于高压大容量的场合，在民用建筑中低压小容量的供配电系统中 的应用还不多见。本文试图针对民用建筑中大量存在的变配电所研制一种系统电压为 3 8 0 2 2 0 v 、容量在l o o k v a r 及以下的静止同步补偿器。由于民用建筑中低压供电系统包 含大量的照明负荷和电热负荷，由单相供电，因此通常都是三相不平衡的，因此，这种 静止同步补偿器必须具有在不平衡供电系统正常工作的能力，并且除了补偿不平衡低压 配电网络的无功、滤除高次谐波之外，还应起到平衡三相电流的作用。 本文提出了采用直接电流控制的静止同步补偿器设计方案。工作和结论如下： 本文所提出的静止同步补偿器可以应用于低压配电网三相不平衡无功负载的补偿， 具有消除部分低阶的高次谐波、消除电源侧零序电流的功能。通过对现有静止同步补偿 器主电路结构的对比分析，选择了以四桥臂变流器作为这种补偿器的主电路，建立了四 桥臂静止同步补偿器的数学模型，在该模型的基础上确定了主回路的电流双滞环电流控 制方法。四桥臂变流器的特点是除了三个相线有各自的控制回路之外，还增加了对中性 线的控制回路。研究了各种补偿电流检测方法，选择了基于广义瞬时无功理论的无功及 谐波电流检测方法。这种检测方法与其他检测方法相比，在电压波形也发生畸变的情况 下，仍然保持良好的测量精度，生成给定电流指令。针对四桥臂变流器提出了一种对输出 无功电流进行直接控制的控制策略并做了相关理论分析，这种方法基于非奇异坐标变换， 将三相电流和三相电压变换到a p 0 直角坐标系，以更加明确的方式给出无功电流、有功 电流以及零线电流，再进行逆变换，确定各相补偿电流和零线补偿电流的给定值。由于 电容直流电压的大小直接影响补偿电流对补偿电流参考值的跟踪能力，本文采用给定补 偿电流相位平移的方法，使变流器在产生无功电流和高次谐波的同时也产生可控的少量 有功电流来补充损耗，维持电容电压，而其控制回路则采用p i 调节器对变流器直流侧电 压进行控制。 本文在所建立的数学模型的基础上对主电路和控制回路的性能，作了较为详细地分 析，在研究过程中根据研究结果对系统作了多处改进。发表在本文中的结果是良好的， i 山东建筑大学硕士学位论文 系统是能控的，稳定性是良好的，误差很小，这在模拟试验的结果中可以看出来。 在研究的过程中，对系统的重要元器件进行了计算，列出了参数的计算过程和计算 结果。这些计算结果使研究过程达到了扩大初步设计的深度。 在研究过程中尤其是末期，在m a t l a b 上对系统作了仿真试验。仿真结果验证了 该静止同步补偿器具有较好的补偿不平衡系统无功功率的性能，其动态响应令人满意， 并且能够有效地滤除系统中低阶的高次谐波电流和零序电流。作为区别其他补偿器的特 色，尽管三相负荷具有显著的不平衡状态，加入补偿器之后，电源端显示出良好的平衡 状态，零序电流基本被消除了 学位论文完成后，作为超出了学位论文的要求继续研究的一部分，曾致力于将一台 2 2 k w 的变频器改造为本文提出的静态同步补偿器，目前尚未完成。 ：民用建筑电气设计规范规定供电系统的低压配电半径不应超过2 5 0 m ，因此在民 用建筑群中低压变电所非常密集，功率因数补偿装置用量很大。因此可预计低压静态同 步补偿器有良好的应用前景。 关键词：功率因数补偿，供电系统，三相平衡，高次谐波，静止同步补偿器，双滞环电 流控制，p i 调节器，四桥臂交流器 山东建筑大学硕士学位论文 r e s e a r c ho fl o w - v o l t a g ef o u r - l e gs t a t c o m w a n gb i n ( d e t e c t i o na n da u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yl iw c i a b s t r a c t s t a t i cs y n c h r o n o u sc o m p e l 瑚t o ri sw i d e l yu s e di ne l e c t r i cp o w e rs y s t e m , w h i c hr e a c t so n i m p r o v i n gp o w e rf a c t o ro f e l e c t r i cs y s t e ma n de l i m i n a t e st h eh a r m o n i c i te n h a n c e st h eq u a l i t y o fp o w e rs u p p l yr e m a r k a b l y , a n dd e c r e a s e st h el i l l a g eo fe l e c t r i cl i n e a tp r e s e n t , s t a t i c s y n c h r o n o u sc o m p e n s a t o ri sm a i n l yu s e di nt h ea r e ao f h i g hv o l t a g ea n dh u g ec a p a c i t a n c e ，b m i sr a r e l yu s e df o rl o w - v o l t a g ea n ds m a l lc a p a c i t a n c eo fc i v i lb n i l d i n g t h ep a p e rt r i e st o d e v e l o pak i n do fs t a t i cs y n c h r o n o u sc o m p e n s a t o rw h i c hc a nw o r ka t3 8 0 2 2 0 vs y s t e m v o l t a g e ，h a v ei o o k v a rc a p a c i t a n c e ，o rl o w e r a st h e r ea r eal o to f l i g h t i n ga n de l e c t r ot h e r m a l l o a d ，w h i c hw o r k su n d e rs i n g l ea l t e r n a t i n gv o l t a g e ，t h r e e - p h a s el o w - v o l t a g ep o w e rs y s t e mi s u n u s u a l l yu l t h a l a n c c d t h e r e f o r e , t h es t a t i cs y n c h o n o u st m p c n s a t o rm u s th a v ea b i l i t yo f w o r k i n gn o r m a l l ya tu n b a l a n c e dp o w e rs y s t e m , a n da c to nb a l a n c i n gt h r e e - p h a s ec u r r e n t , b e s i d e sc o m p e n s a t i n gu n b a l a n c e dr e a c t i v e p o w e r o f l o w - v o l t a g ep o w e rs y s t e ma n d e l i m i n a t i n gt h eh a r m o n i c t h ep a p e rp r o p o s e das c h e m ef o rs 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 , w h i c hi sd i r e c t c u r r e n t c o n t r 0 1 t h em a i nw o r k sa n dc o n c l u s i o n sa l ea sf o l l o w s ： 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 , w h i c ht h ep a p e rp r o p o s e d , e f f e c t i v e l yw o r k sf o r c o m p e n s a t i n gu n b a l a n c e dr e a c t i v ep o w e ro fl o w - v o l t a g ep o w e rs y s t e ma n de l i m i n a t i n gt h e h i g hh a r m o i l i ca n dz e r o - s e q u e n c ec u r r e n t s t h r o u g hc o m p a r i n gt w oa c c u s t o m e ds l n l c t u r e so f m a i nc i r c u i t , ac o n v e f t e rw i t hf o u rl e g si ss e l e c t e da sm a i nc i f c m t t h em a t hm o d e lo fs t a t i c s y n c h r o n o u sc o m p e n s a t o rw i t hf o u rl e g s i se s t a b l i s h e d ，b a s e d0 1 1w h i c han e wd o u b l e h y s t e r e s i sc u r r e n tc o n t r o lm e t h o di sc o n f n - m e d f a c t o r so fc o n v e r t e rw i t hf o u rl e g sr r e e n h a n c i n gc o n t r o ll o o po fn e u r a ll i n e ，b e s i d e st h r e e - p h a s el i n e sh a v ec o n t r o ll o o pb y t h e m s e l v e s t h ed e t e c t i o nm e t h o db a s e do ng e n e r a l i z e di n s 协n t m e o u sr e a c t i v ep o w e rt h e o r yi s s e l e c t e da r e r 麟e a r c h i n gs e v e r a lk i n d so f c o m p e n s a t i n gc u r r e n td e t e c t i o nm e t h o d c o m p a r e d m 山东建筑大学硕士学位论文 、) l ，i t l lo t h e rd e t e c t i o nm e t h o d s ，t h i sm e t h o dc a nk e 印w e l ld e t e c t i o np r e c i s i o na l lt h es a m ea n d g e tr e f e r e n c ec u r r e n t , w h e nt h ev o l t a g ew a v ei sf r e a k y t h ep a p e rp u t sf o r w a r dan e wc o n t r o l m e t h o do nd i r e c t l yc o n t r o l l i n gt h eo u t p u t t i n gr e a c t i v ec u r r e n t , w h i c hi sb a s e do nn o n s i n g u l a r t r a n s f o r m , t h a tt r a n s f o m 晦t h et h r e e - p h a s ev o l t a g ea n dc u r r e n tt oa p 0c o o r d i n a t e s ，a n d d e f i n i t e l yp r e s e n t st h ec o o r d i n a t e sc o m p o s e db yr e a c t i v ec u r r e n t , a c t i v ec u r r e n ta n d z e r o - s e q u e n c ec u r r e n t , a n df i n a l l yg e t sr e f e r e n c ev a l u eo fc o m p e n s a t i n gc u r r e n to fe a c h s e q u e n c ea n dt h ez e r o - s e q u e n c ec u r r e n ta f t e ri n v e r s ec o o r d i n a t et r a n s f o r m a t i o n b e c a u s et h e v o l t a g eo fc a p a c i t o rd i r e c t l ya f f e c t st h ea b i l i t yo fc o m p e n s a t i n gc u r r e n tt r a c k i n gi t sr e f e r e n c e v a l u e ，t h ep a p e ra p p l i e sp h a s et r a n s l a t i o nm e t h o do fr e f e r e n c ec o m p e n s a t i n gc u r r e n t , t om a k e t h ec o n v e r t e rp r o d u c eal i t t l ec o n t r o l l a b l ea c t i v ec u r r e n tt oc o m p e n s a t eu l l a g ea n dk e e pt h e v o l t a g eo fc a p a c i t o rw h i l ep r o d u c i n gr e a c t i v ec u r r e n ta n dh a r m o n i c t h ec o n t r o ll o o pa p p l i e s p ia d j u s t o rt oc o n t r o lt h es t a b i l i t yo f t h ed cb u sv o l t a g eo f c o n v e r t e r ： t h ep a p e ra n a l y z e sc a p a b i l i t yo f 加a i nc i r c u i ta n dc o n t r o ll o o pi nd e t a i l ，b a s e do i lt h e e s t a b l i s h e dm a t hm o d e l a c c o r d i n gt h er e s e a r c hr e s u l t s ，w eh a v e d o n es o m ei m p r o v e m e n t si n t h er e s e a r c hp r o c e s s t h es i m u l a t i n gr e s u l t ss h o wt h a tt h es y s t e mi sc o n t r o l l a b l ea n ds t a b l e ， a n dt h e 睨 r o rv a l u ei sp o t t y d u r i n gt h er e s e a r c hp e r i o d , t h ep a p e ra n a l y z e dt h ep a r a m e t e ro fi m p o r t a n to r g a n , a n dl i s t e d t h ec a l c u l a t i n gp r o c e s sa n dr e s u l t so ft h e m t h er e s u l t sl e tt h er e s e a r c ha c h i e v ea d e e p n e s so f e x t e n d i n gd e s i g n d w i n gt h er e s e a r c hp e r i o d , p a r t i c u l a r l yi nt h ee n d , t h ep a p e rd i ds i m u l a t i o nw i t hm a t l a b t h es i m u l a t i n gr e s u l t ss h o wt h a tt h es t a t i cs y n c h r o n o u sc o m p e n s a t o rb a s e do nt h i sp a p e r s t h e o r yc a nw e l lc o m p e n s a t e 聪：a 撕v ep o w e ri nt h et h r e e - p h a s eu n b a l a n c e dp o w e rs y s t e m ，i t s d y n a m i cr e s p o n s ei sh i g h l ye n h a n c e da n di t c a ne f f e c t i v e l ye l i m i n a t e t h eh a r m o n i ca n d z e r o - s e q u e n c ec u r r e n t a si t sf e a t u r ed i f f e r e n tf i o mo t h e rc o m p e n s a t o r , t h es o u i c es h o w s f a v o r a b l eb a l a n c es t a t ea f t e rt h i sd e v i c ew o r k i n g , i ns p 沁o ft h el o a di sr e m a r k a b l yu n b a l a n c e d i ne a c hp h a s e ，a n dt h ez e r o s e q u e n c ec u r r e n ti se l i m i n a t e d i v 山东建筑大学硕士学位论文 a f t e ra c c o m p l i s h m e n to ft h ed e g r e et h e s i s , 私e x t r aw o r ko v e f s l 印蝉n gt h er e q u e s to ft h e b a c h e l o rd e g r e et h e w s ，ia p p l ym y s e l ft or e c o n s t r u c t i n go n c2 2 k wt r a n s d u c e rt ot h es t a t i c s y n c h r o n o u sc o m p e n s a t o rd e v i c em e n t i o n e di nt h i sp a p e r , b u th a v en o ty e ta c c o m p l i s h e d ( d e s i g n i n g c r i t e x i o no fc i v i lb u i l d i n g o r d a i n st h a tt h er a d i u so ft h el o w - v o l t a g e d i s t r i b u t i n gp o w e rs y s t e ms h o u l dn o te x c e e d2 5 0m e t e r s s ot h el o w - v o l t a g et r a n s f o r m e r s u b s t a t i o n sd i s t r i b u t eq u i t ed e n s e l yi nc i v i lb u i l d i n gg r o u p a n dt h ed o s a g eo ft h ed e v i c eu s e d f o ri m p r o v i n gp o w e rf a c m ri sh u g e f i n a l l y , w ec a nf o r e c a s tt h a tt h ea p p l y i n gf o r e g r o u n do f t h el o w - v o l t a g es t a t i cs y n c h r o n o u sc o m p e n s a t o rw o u l db ef a v o r a b l e k e yw o r d s ：p o w e rf a c t o rc o m p e n s a t o r , e l e c t r i cs u p p l ys y s t e m , t h r e e - p h a s eb a l a n c e , h i g h e rh a r m o n i c s ，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 , p ia d j u s t o r , f o u r - l e gc o n v e r t e r 原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究 取得的成果除文中已经注明引用的内容外，论文中不舍其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得山东建筑大学或其他教育机构的学位证书而 使用过的材料对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人承担本声明的法律责任 学位论文储挑遗 呐 学位论文使用授权声明 本学位论文作者完全了解山东建筑大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：山东建筑大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权山东建筑大学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、缩印或其它手段保存、 汇编学位论文 保密论文在解密后遵守此声明 学位论文作者签名： 导师签 名： 缘日期? 呵6 f 6 名目l 聃鱼啦刎 山东建筑大学硕士学位论文 1 1无功补偿及其意义 第一章绪论 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消耗一些无功功率。感性负载 必须吸收无功功率才能正常工作，这是由其本身的性质所决定的。电力电子装置等非线 性设备特别是各种相控装置、电力系统网络元件，在工作时基波电流滞后于电网电压， 要消耗大量的无功功率。另外这些装置产生的高次谐波电流也要消耗无功功率。 网络元件和负载所需要的无功功率必须从网络中某个地方获得。如果这些无功功率 由发电机提供并经过长距离传送至负载，会对电网造成影响，主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 增加设备容量。无功功率的增加会导致电流增大和视在功率增加，从而使发电机、 变压器及其他电气设备容量和导线容量增加。同时电力用户的起动及控制设备、测量仪 表的尺寸要加大，规格也要提高。 ( 2 ) 设备及线路损耗增加。无功功率的增加，使总电流增大，因而使设备及线路的损 耗增加。设，、分别为线路中总电流、有功电流、无功电流的有效值；u 为电网 电压有效值；r 为线路电阻；p 、q 分别为线路消耗的有功功率、无功功率，则根据无 功功率的时域分析结论，线路总电流为，= + ，则线路损耗p 为 廿= 1 2 r = ( 1 2 + 启妞= 等灭( 1 - 1 ) 式中， 2 u 2 皿这一部分损耗就是由无功功率引起的。 ( 3 ) 使线路及变压器的电压降增大，如果是冲击性无功功率负载，还会使电压产生剧 烈波动，使供电质量严重降低。 图1 1 a 是一电源系统和负载的等效电路，图1 1 b 是其相量图。 山东建筑大学硕士学位论文 z s = 愿+ 弧 a 百 - i 眄 甯 b 图1 - 1 电源系统和负载的等效电路及相量图 a 电源系统和负戢的等效电路b 相量图 a v x 图中应是电源，z s 是线路阻抗，】j ；是负载导纳，j 是输电线路中电流，矽是负载侧 电压。则磊引起的压降d 为 ” d = 应一d = z ；j 三学j 学( 1 - 2 ) = a u r + j a u x 通常左与z j r 之间的夹角很小，因此 u = r s p 百+ x s q ( 1 - 3 ) 在一般电网中，咫比x s 要小得多，因此有这样的结论：有功功率的波动一般对电 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。 消除无功功率对电网影响的合理方法应是在需要消耗无功功率的地方产生无功功 率，是无功功率不经过电网传输，即进行“无功补偿 。 如右图1 2 ，无功发生器使无功功率直接进入负载，不 必经过供电系统电源和供电线路，因此可以降低发电设 备和控制设备的容量，减少功率损耗，稳定受电端及电 网的电压，提高供电质量。 图1 - 2 功率流动示意图 电力系统补偿可按接入方式分为并联补偿、串联补偿和串并联混合补偿三种。下面 将分别简述并联补偿和串联补偿的基本原理。 ( 1 ) 并联补偿 山东建筑大学硕士学位论文 电源nx r 圪 l 负载 图1 - 3 并联补偿的原理矢量图 图1 3 是并联补偿的原理图。该系统，如图1 - 3 ( a ) 所示，由电源巧，输电线路阻抗 疋灭和典型的感性负载组成。如图1 3 ( b ) 所示，在没有补偿时，无功电流如和有功电流 昂通过输电线路，产生压降，造成负载端电压屹降低，如图中矢m o a 所示。如果所需 的无功功率在负载端提供，则可以减小线路中的电流，使输电线路只通过有功电流，从 而降低了线路上的功率损耗，提高了负载端电压。毛与无功电流如大小相等、方向相反。 可见，线路中电流，等于有功电流昂，线路电流减小，线路损耗降低，提高了负载侧电 压吃，如图中矢i _ o b 所示。 ( 2 ) 串联补偿 ( b ) i 图1 4串联补偿的原理矢量图 图1 4 ( a ) 为串联补偿的原理图，图1 - 4 ( b ) 中，巫为补偿前负载侧电压矢量。将电压 源o m p 串联到电网中进行补偿，图中，o b 是补偿后负载侧电压矢量。电压源o 姗接 山东建筑大学硕士学位论文 在线路与负载之间，用来改变电压砭的相位角。通过对大小的适当调整，可以使 线路中电流，等于有功电流昂，从而将负载端电压从倒提高到o b 。 由于并联补偿方式的接入和退出都很方便，因此在电力系统中得到广泛的应用。本 文所研究的静止无功补偿装置也采用了并联补偿方式。 1 2 无功补偿技术的发展和应用 常用的无功补偿措施除用发电机作为无功功率源外，还有同步调相机，并联电容器， 并联电抗器，静止无功补偿装置( s t a t i cv a rc o m p e n s a t o r ，简称s v c ) 和静止同步补偿器 ( 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 ，简称s t a t c o m ) 2 1 。 ( 1 ) 同步调相机 同步调相机其实是一种不带机械负载的可以过励磁( 经常的运行状态) 或欠励磁( 较少 的运行状态) 运行的同步电机，是最早用于电网的无功补偿设备。在系统电压偏低时，过 励磁运行供给无功功率而将系统电压抬高；在系统电压偏高时欠励磁运行吸收系统多余 的无功功率而将系统电压调低。它可以双向、连续地调节，能独立用调节励磁来调节无 功的大小，有较大的过负荷能力。缺点是设备投资高，启动、运行、维修复杂，动态调 节响应慢，不适宜太大或太小的补偿。同步调相机运行中转子有惯性，在故障瞬间调相 机向系统输出短路电流，增大系统的短路容量。对系统容量偏小而且电网短路电流不够 大的电网( 如直流输电的受端) ，同步调相机还是有显著作用的。但是，在一般电网中， 由于短路容量往往偏大，甚至于需要采取限流措施，不适合采用同步调相机。目前，除 了需要加大短路容量外，作为无功和电压补偿的同步调相机已经被完全淘汰。 ( 2 ) 并联电容器 并联电容补偿可永久连接或用断路器连接至系统的某些节点上。和调相机相比，并联 电容器具有投资省，运行经济、结构简单、维护方便、容量可任意选择、实用性强的优 点。缺点是：只能分组间断地投入或者切除而不能连续调节，因此其补偿精度很低。近 年来，为了提高系统稳定性以及减少接触器频繁动作，倾向加大每组电容器的容量、减 少组数，这样，补偿精度就更加低了。负载调节特性是负特性，补偿系统开环不稳定。 这是由于当无功负荷增大时，电容器的补偿容量因电压降低反而减小。故调压效果不好。 对系统中的高次谐波有放大作用，在谐波电流过大时，危险性较大。 山东建筑大学硕士学位论文 ( 3 ) 并联电抗器 并联电抗器常与一个固定电容合用，通过控制晶闸管的相位控制角来控制无功功率 大小，实现调节无功功率的目的。当导通角等于9 0 0 时，并联电抗支路处于完全导通状 态。当导通角位于9 0 0 与1 8 0 0 之间时，为部分导通状态。随着导通角的增大，流过电感 的电流基波部分变小，等效于增加了电抗的电感值，从而减小了电感吸收的无功功率。 需要指出的是：其动作频率最大为半个周波一次，并且并联电抗器工作时会产生低频的 电流谐波。为了消除低频的电流谐波( 3 、5 ，7 次) ，必须采用三角形接法( 为了消除零 序谐波) ，并和无源滤波器联合使用。 ( 4 ) 静止无功补偿器( s t a t i cv a tc o m p e n s a t o r ，s v c ) 静止无功补偿器是2 0 世纪7 0 年代初发展起来的技术。s v c 中大量采用的电力电子 器件为高压大电流晶闸管，它们起着电子式开关的作用，通过控制其投切时机，改变被 控电抗和戚电容的等效阻抗，从而达到调节并联无功功率的目的。因为s v c 没有旋转 部分，也不依靠有触点开关，实现了无功功率的平滑调节，故人们称之为静止式无功补 偿装置，以区别于旋转的同步调相机。 静止无功补偿器目前主要有以下2 种类型，一种是晶闸管投切电容器( t s c ) ，另一种 是晶闸管控制电抗器( t c r ) 。此外，还包括这两者的混合装置，或者晶闸管控制电抗器援 与固定电容器或机械投切电容器混合使用的装置。t s c 与并联电容器不同之处，在于用 晶闸管代替断路器实现了电容器组的投切。t c r 则连续调节电抗器电流大小，使无功按 所需要的数量变化。 从节能的观点来看，感性负载欠补偿会增加电力系统的损耗，过补偿也会使电源设备 的有功损耗增加。而且过补偿还有一定的危害，如可能使网路电压升高到不允许的数值、 与新投入的空载变压器发生谐振等。这说明补偿的程度应当准确控制，并且跟随速度要 快。由于静止无功补偿装置本身是一种电力电子装置，与相应的数字式计算装置和传感 器配合完全能够达到这个要求。故它完全可以实现无级调节，准确控制补偿程度。其缺 点是结构较复杂，谐波的干扰大。 ， 、 ， ( 5 ) 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 ) 静止同步补偿器是对s v c 革新改进后的装置，它以变流器技术为基础，等效为一 山东建筑大学硕士学位论文 个可调的电压电流源，通过控制其电压电流的幅值和相位来达到改变向电网输送无功 功率大小的目的。它们的名称一度包括a s v c ，a s v g ，s t a t c o n ，s c vl i g h t 和 s t a t 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一为s t a t c o m 。 s t a t c o m 可以发出和吸收无功功率，其整体功能类似于同步调相机，但大为简化。 首先，理论上s t a t c o m 不需储能元件来达到与系统交换无功的目的，实际上s t a t c o m 使用直流电容来维持稳定的直流电源电压。和s v c 使用的交流电容相比，所需要的直流 电容容量相对比较小。即对于某一稳态负载提供一定的无功支持，s t a t c o m 可以比s v c 容量小的多( 大约1 5 弓o ) 。其次，它调节无功的能力比s v c 强，它输出的无功电流 不会因母线电压的降低而降低。再次，采用先进的控制方式，s t a t c o m 的输出电流谐 波含量可以做得很小，因此相比t c r ，其输出端一般不需要滤波器，这样可以减小整个 装置的成本和体积；并且相比t s c ，其输出无功是连续可调的，不会出现欠补偿或过补 偿的情况。最后，s t a t c o m 有更快的动态响应速度，在改善系统电压质量、提高稳定 性方面s t a t c o m 具有s v c 无法比拟的优点。本文主要以此为研究对象。 1 3 我国电力系统无功补偿现状 我国低压配电系统的无功补偿状况是比较落后的，具体体现在供电系统的补偿方式 落后，常用补偿装置落后两方面。 l 、供电系统的补偿方式落后 据有关资料【1 1 ，目前全国有近2 0 g v a 的高耗能变压器在运行，一些城网高耗能配电 变压器占配电变压器总数的5 0 。许多城网无功补偿不足，调节手段落后，造成电压偏 低，损耗很大1 9 9 5 年全国线损率高达8 7 。通过多方面的努力，1 9 9 7 年全国线损率才 降到8 2 ，比2 0 0 0 年的降损目标7 8 还高出0 4 个百分点。与一些发达国家相比，我 国线损率约高出2 3 个百分点。据统计，电力网中6 5 以上的电能损耗是在1 0 k v 以下 的配电网中损耗的，因此低压配电系统的节能降损尤为重要。 通常，低压配电网的用电负荷沿线分布，三相负荷不平衡严重，负荷率低、功率因 数变化频繁，无功补偿柜的电容分组比较粗，多年来一直存在无功补偿容量不足，无功 补偿装置运行欠佳的情况。在供电方面，公用变压器用量很大，其无功补偿严重不足， 造成无功缺1 1 1 大，有功损耗增加。在用户方面，由于公用变压器所带低压用户很多，造 成各供电企业对用户管理不便，电网里出现很多感性负荷很大的用户，其产生的无功功 6 山东建筑大学硕士学位论文 率都要经过供电线路，并由公用变压器承担。 2 、常用无功补偿装置技术落后 具体体现在以下三个方面： ( 1 ) 无功分量采样方式不当，采集任选一相的无功信号并以此作为无功补偿投切容量 的依据这种采样方式只适用于以三相动力为主的配电网络，其明显缺点是对采样相的 补偿容量尚可，而对其余两相则可能会出现过补偿或欠补偿。 ( 2 ) 部分电容器补偿投切装置选用机械式交流接触器，寿命短，响应速度慢，投切过 程会对系统产生冲击电压和冲击电流。 。 ( 3 ) 由于大多数补偿器为有级调容，无功补偿精度不高。 由此可见，一种可以快速跟踪系统的无功功率，可以连续精确调节的无功补偿装置必 定能够取代常用无功补偿装置，取得显著的节能效果，具有广阔的市场和美好的前景。 下面主要介绍了静止同步补偿器的研究现状。 1 4 静止同步补偿器的研究现状 自1 9 7 9 年日本三菱公司和关西电力推出世界上第一台采用强迫换流方式的2 0 m v a r s t a t c o m 并并网试验以来，由于s t a t c o m 有响应速度快、可以在从感性到容性的整 个范围进行连续的无功调节、在欠压条件下仍然可以有效地发出无功功率等优点，所以 世界著名的电力公司都竞相研究并力图抢占这一未来电力系统发展的重要领域。国内最 近几年来在s v g 方面的研究工作也有了长足的进步和突破性的进展，并逐渐向国际先进 水平靠拢，如在1 9 9 4 年，河南省电力公司和清华大学电机系联合着手开发基于多重化逆 变器的s t a t c o m ，1 9 9 9 年3 月2 0 m v a r 大容量s t a t c o m 在河南洛阳朝阳变电站投运 成功，成为我国目前自行开发研制的最大容量的s t a t c o m 装置。 1 4 1 基本工作原理 目前，实用的大容量s t a t c o m 基本上都采用基于电力电子器件的电压型变换器 ( v o l t a g e - s o u r c e di n v e r t e r ，v s i ) ，下面以基于v s i 的s t a t c o m 来说明其工作原理。如图 1 5 所示，s t a t c o m 的主电路包括作为储能元件的电容和v s i ，它通过连接电抗器与电 力系统连接。理想情况下( 忽略线路阻抗和s t a t c o m 的损耗) ，可以将s t a t c o m 等效 山东建筑大学硕士学位论文 成“可控电压源o l ，系统视为理想电压源吱，两者相位一致。 电压源型逆变器 电力系统 b 图1 - 5s t a t c o m 的简化工作原理 由电流计算公批警= 半p 州可以看出， u i u s 时，从系统流向s t a t c o m 的电流相位超前系统电玉, 9 0 0 ，s t a t c o m 工作于“容性 区，输出感性无功；无功电流的大小受u ，的控制。当u t = u s 时，系统 与s t a t c o m 之间的电流为0 ，不交换无功功率。可见，s t a t c o m 输出无功功率的极 性和大小决定于和的大小，通过控制“的大小就可以连续调节发出或吸收无功的 多少。 实际的s t a t c o m 中总是存在一定的损耗的，并考虑到各种动态元件的相互作用以 及电力电子器件的离散操作，其工作过程要比上面介绍的简单工作原理要复杂的多。 1 4 2 主电路结构 由于运行效率的原因，迄今投入实用的s t a t c o m 大都采用电压型桥式电路，其基 本构成单元变流器模块通常采用单相桥二电平、三相桥二电平和三相桥三电平，共三种 形式。下面将对这三种电路结构作简要介绍。 丘i矗_ 带 山东建筑大学硕士学位论文 电 图1 - 6 三单相两电平变流器 图1 7 三单相两电平变流器主电路结构图 c 如图1 - 6 所示，是三单相两电平变流器。把它的a 、b 、c 三处通过三相隔离变压器接 入电网进行无功补偿，如图1 7 所示。由于隔离变压器的三相之间没有藕合，三单相两 电平变流器的明显优点是对于分相控制十分有利。这对于s t a t c o m 在系统电压不平 衡运行时，特别是不对称故障时的控制是一个重要的优点。且隔离变压器采用三相五铁 心柱y 0 - d 接法，这种接法可以抑制电流的三次谐波分量。所以该变流器比较容易应用 于三相三线制系统。我国研制开发的士3 0 0 k v a r 和：t ：2 0 m v a r 大容量s t a t c o m 装置的主 电路都是采用该变流器为基本单元【3 】【4 】。 图1 - 8 三相桥二电平变流器 三相桥二电平变流器由三个桥臂的开关元器件加上作为电压支撑元件的直流侧电容 山东建筑大学硕士学位论文 构成，通过连接电抗器接入电网，适用于三相三线制系统，如图1 8 所示。若s t a t c o m 的设置是为了解决三相电压平衡条件下的电压稳定问题，那么采用该变流器模块是比较 经济的选择，特别是通过变压器与电网连接的情况下，由于变压器三铁心柱间存在强的 磁联系，故本身即具有较强的耐受不对称能力，所以采用三铁心柱变压器的三相变流器 成为国际上流行趋势。如三菱公司8 0 m v as t a t c o m 和日立公司5 0 m v as t a t c o m 均采用这种结构作为主电路的基本单元( 与多重化技术相结合) 。 0 图1 - 9 三相桥三电平变流器 三相桥三电平变流器结构如图1 - 9 所示，在应用于没有中线的三相三线制系统时，三 相三电平变流器可以避免为抬高电压而进行的器件的串联，由于每个管子上只承受直流 电压一半的电压，可以极大的提高装置可靠性。但是在应用于三相四线制系统时，该变 流器在功能上存在一定的缺陷，需对主电路拓扑进行改进。 从整体上看，三种基本模块的器件利用率是相同的，但有各自特点。单相桥变流器模 块的优点在于方便地分相控制，适合不对称故障时的控制。若s t a t c o m 的设计是为了 解决三相平衡条件下的电压稳定问题，则采用相应的三相桥变流器结构。 1 4 3 模型研究 根据s t a t c o m 的工作原理，文献【5 】运用开关函数法对s t a t c o m 进行数学建模， 并将模型从a b e 坐标下变换到d q 坐标下，得到如下数学模型： 。- s 兰r 之, l c - 一dc。s万s，三ljlliz：cidj + l u , d s m 0 ( i - 4 ) 0 0 一 万三0f 1 + ii d s i n 万c l i “1ii l 圮 多r 国瞅- 国 ：h：虹 山东建筑大学硕士学位论文