（电力系统及其自动化专业论文）基于dsp的配电系统静止同步补偿器（dstatcom）的研究.pdf

a b s t r a c t t i t l e ：r e s e a r c ho ns 1 j a t c o mb a s e do nd s pl nd i s t r i b u t i o n s y s t e m m a j o r ：e l e c t r i cp o w e r n a m e ：j u n l i z h a n g s y s t e ma n da u t o m a t i o n s u p e r v i s o r ：p r o f y a n r uz h o n g p r o f h u i z h a n g s i g n a t u r e ： s i g n a t u r e ： s i g n a t u r e 毯朋 器朋 a b s t r a c t a st h e d y n a m i cr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t o r , d s t a t c o m ( d i s t r i b u t i o n s t a t i c s y n c h o n o n sc o m p e n s a t o r ) i so n eo ft h ee m p h a s i sp r o b l e m si np o w e rs y s t e mi nr e c e n ty e a r s t h ed i f f e r e n c eb e t w e e nd s t a t c o ma n dt r a d i t i o n a lr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t o r si sc o m p a r e d a n dt h ep r e d o m i n a n c eo fd s t a t c o mi sa n a l y z e d t h es t u d ya c t u a l i t yo fd s t a t c o mi nh o m e a n da b r o a dr e c e n t l yi sr e c o u n t e d t h ev o l t a g et y p ec i r c u i ta n dc u r r e n tt y p ec i r c u i to fd s t a t c o ma r ep o i n t e do u t t h e o p e r a t i o np r i n c i p l eo fd s t a t c o m b a s e do nv o l t a g et y p ec i r c u i ti sp a r t i c u l a r l ya n a l y z e di nt h i s p a p e r i tc a nb es e e nt h a tt h ef u n c t i o no fd s t a t c o mi sb e t t e rt h a nt r a d i t i o n a lr e a c t i v ep o w e r c o m p e n s a t o r ss u c ha ss v c ( s t a t i cv a tc o m p e n s a t o r ) t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fd s t a t c o m b a s e do ns w i t c h i n gt r a n s f e rf u n c t i o n si sb u i l t o nt h eb a s i so fa n a l y z i n gt h ec o n c e p to fr e a c t i v ep o w e rt h e o r yi nn o n s i n ec i r c u i t ，t h e c o n c r e t ep r o c e s so fd e t e c t i n gr e a c t i v ec u r r e n tu s i n gt h em e t h o do f i p ，i qc a l c u l a t i o n o ft r a n s i e n t r e a c t i v ep o w e rt h e o r yh a sb e e nd e d u c e d t h ec o n t r o lm e t h o do fd s t a t c o mh a sd i r e c tc o n t r o l a n di n d i r e c tc o n t r o lo fc u r r e n t 1 1 i eb i v a r i a t ev a r i a b l ec o o r d i n a t e dc o n t r o ls c h e m eo fi n d i r e c t c o n t r o lo fc u r r c n ti sa d o p t e d , i nw h i c hp r e d i c t i o n + p ic o n t r o lm o d ei sa d o p t e di nr e a c t i v e c u r r e n tc o n t r o la n dt r a d i t i o np ic o n t r o lm o d ei sa d o p t e di nd cv o l t a g ec o n t r 0 1 s v p w m m o d u l a t i o nm o d ew i t hw h i c ht h ed cv o l t a g eu t i l i z a t i o nr a t i oi sh i g h , t h es w i t c hw a s t a g ei s s m a l la n dt h eh a r m o n i cc o n t e n ti sl o wi sa d o p t e di np r o d u c i n gt h ep u l s ew a v e t h ee x p e r i m e n t a ld e v i c eo fd s t a t c o mi sb u i l tw h o s ec o n t r o lc o r ei st m s 3 2 0 l f 2 0 7 a o ft ic o m p a n ya n dw h o s ec i r c u i t a lv o l t a g es o u r c ec e u v e r t e ri si n t e g r a t e di g b ti n t e l l i g e n c e p o w e rm o d u l e ( i p m ) t h ec o n t r o ls c h e m ep r e s e n t e di nt h i sp a p e ri sd e b u g g e da n ds t u d i e di nt h e d e v i c e f r o mt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si tc a nb es e e nt h a tt h ed y n a m i cp e r f o r m a n c eo fp r e d i c t i o n + p ic o n t r o lm o d ei nr e a c t i v ec u r r e n tc o n t r o la d o p t e di nt h i sp a p e ri sb e t t e rt h a nt h a to ft r a d i t i o n p ic o n t r o lm o d ei nr e a c t i v ec u r r e n tc o n t r 0 1 t h ef u n c t i o no fd s t a t c o md e v i c eh a sb a s i c a l l y r e a c h e dt h ed e s i g nd e m a n d s k e yw o r d s ：d s t a t c o m p r e d i c t i o n + p i c o n t r o ls c h e m e s w i t c h i n gt r a n s f e r f u n c t i o n s d y n a m i cp e r f o r m a n c e 一越一 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我个 人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所论述的工作和成 果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名：鏊：= 暨刭访讳毕月乙日 学位论文使用授权声明 本人逖! 醴i 在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩并 已经在西安理工大学申淆博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意授权 西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定提交 印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的 学位论文，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；2 ) 为教学和 科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图二棒馆、资料室 等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签名：到导师签名：藿鹪年乒月卫日 1 绪论 1 绪论 1 1 本课题的研究背景 配电系统位于电力系统的终端，是电力系统中与分散的用户直接相连的部分，同时也 是对人类社会生活变化最为敏感的部分。近年来，配电网中整流器、电弧炉、变频调速装 置、电气化铁路等负荷快速增长，大多数电力电子装置功率因数较低，给电网带来额外负 担，使电能质量下降，影响电网及用户设备安全和经济运行。 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，特别是在重要的工业生产过程中， 供电的突然中断将会带来巨大的经济损失。因此，广大用户对供电质量提出了比以往更为 严格的要求。尽管可采用传统方法提高电能质量，但都投资多、损耗大，而效果不理想， 不能满足用户所需的电能质量要求。 研究容量大、响应速度快的无功补偿装置来抑制系统电压的波动及闪变，有效提高电 力系统的安全性和改善供电质量成为国内外电力系统行业的重点课题之一。 1 2 无功功率简介 在正弦电路中，无功功率指当平均功率为零时，在电源和储能元件之间来回交换的变 动功率，无功功率并不是无用功率，而是在电能传输和转换过程中建立电磁场和提供电网 稳定不可缺少的功率之一，无功功率经不同的电磁耦合反映不同的电压等级，同一等级电 压的电网中，电压高低直接反映本级的无功平衡，它是电能质量的重要指标之一。功率因 数是有功功率和视在功率的比值，由电压和电流之间的相角差决定的。1 。 在非正弦电路中，有功功率、视在功率和功率因数的定义均和正弦电路相同。有功功 率仍为瞬时功率在一个周期内的平均值。而无功功率的情况比较复杂，至今没有被广泛接 受的科学而权威性的定义。目前常见的有三种形式： q 一s 2 一p 2 ( 1 1 ) q f 一罗u 。i 。s i n q ， ( 1 2 ) d 2 + 石：1 2 。s 2 一p 2 ( 1 3 ) 其中：q 、q ，、d + q ，均称为无功功率； s 为视在功率； p 为有功功率； u 。，i 。，钆分别为n 次谐波电压、电流、相角( n 次电压相角和r 1 次电流相角的差值) ； q 。，= u i ，s i n q h 为基波电流产生的无功功率； 广：一 d f u ：雩1 2 为谐波电流产生的无功功率； v簋 在公共电网中，通常电压的波形畸变都很小，而电流波形的畸变可能很大。因此，不 考虑电压畸变，研究电压波形为正弦波、电流波形为非正弦波时的情况有很大的实际意义。 对于式( 1 1 ) ，无功功率q 只是反映了能量的流动和交换，并不反映能量在负载中的 消耗。在这一点上，它和正弦电路中无功功率最基本的物理意义是完全一致的。因此，这 西安理工大学硕士学位论文 一定义被广泛接受。但是，这一定义对无功功率的描述是很租糙的。它没有区别基波电压 电流之间产生的无功功率、同频率谐波电压电流之间产生的无功功率，以及不同频率谐波 电压电流之间产生的无功功率。也就是说，这一定义，对于谐波源和无功功率的辨识，对 于理解谐波和无功功率的流动，都缺乏明确的指导意义。这一定义也无助于对谐波和无功 功率的检测和管理。 对于式( 1 2 ) ，q ，是由同频率电压电流正弦波分量之间产生的。在正弦电路中，通 常规定感性无功功率为正，容性无功功率为负。把这一规定引入非正弦电路，就可能出现 一些很不合理的现象。同一个谐波源有可能某些次谐波的无功功率为感性无功功率，而另 一些次谐波的无功功率为容性无功功率，从而出现两者相互抵消的情况。而实际上，不同 频率的无功功率是无法相互补偿的，这种相互抵消是不合理的。在这里，q ，已没有度量 电源和负载之间能量交换幅度的物理意义了。尽管如此式( 1 2 ) q ，的定义可看成正弦波 情况下定义的自然延伸，它仍被广泛采用。 对于式( 1 3 ) ，总功率包括由基波有功电流产生的有功功率，由基波无功电流产生的 无功功率以及由谐波电流产生的无功功率三部分。如此，总电流也可以看成由三个分量， 即基波有功电流、基波无功电流和谐波电流组成。式( 1 3 ) 在工程上得到广泛的应用4 1 。 1 3 无功功率平衡及无功补偿的意义 1 3 1 无功功率平衡 无功功率平衡是指在电网运行中的每一时刻，所有无功电源发出的无功功率要等于所 有负荷所消耗的无功功率以及系统中各个环节上无功功率损耗的总和。与系统中的有功功 率损耗相比，无功损耗要大的多，这是因为高压线路、变压器的等值串联电抗要比电阻大 的多，变压器的励磁无功损耗也比励磁有功损耗大的多。系统中的有功损耗一般占负荷功 率的百分之几，而系统中的无功损耗与无功负荷的大小是差不多的，无功电源发出的无功 功率大致一半是供给负荷的，而另一半是补偿线路、变压器中的无功功率损耗的。因此， 电网需要的无功功率仅靠发电机供给是远远不够的，需要装设大容量的无功补偿设备。 如同有功功率平衡一样，电力系统的无功功率在每一时刻也必须保持平衡。要想维 持负荷的电压水平，就必须供给相应于该电压水平的无功功率。从根本上说，要维持整个 系统的电压水平，就必须有足够的无功电源来满足系统中负荷对无功功率的要求和补偿无 功功率的损耗。如系统无功电源不足，则会使电网处于低电压水平上的无功功率平衡，即 靠电压降低来减少负荷吸收的无功功率以弥补无功电源的不足。同样，如果由于电网缺乏 调节手段使某段时间无功功率过剩，也会造成整个电网的运行电压过高。 1 3 2 无功补偿的意义 对电力系统中无功功率进行快速地动态补偿，可以实现如下的功能啪： ( 1 ) 对动态无功负荷的功率因数校正； ( 2 ) 提高电力系统的静态和动态稳定性，阻尼功率振荡； ( 3 ) 降低过电压； 1 绪论 ( 4 ) 减少电压闪烁： ( 5 ) 阻尼次同步振荡； ( 6 ) 提高供用电系统及负载的功率因数，降低设备容量，减少功率损耗； ( 7 ) 稳定受电端及电网的电压，提高供电质量；在长距离输电线中合适的地点设置动 态无功补偿装置还可以改善输电系统的稳定性，提高输电能力； ( 8 ) 在电气化铁道等三相负载不平衡的场合，通过适当的无功补偿可以平衡三相的有 功及无功负载。 1 4 无功补偿装置 电力系统中的无功补偿装置从早期的固定电容器发展到今天的静止同步补偿器，历经 了电容器，同步调相机，s v c ，直到现今引人瞩目的s t a t c o m ( s t a t i cs y n c h r o n o u s c o m p e n s a t o r ) 几个阶段。 电力系统常用的无功补偿设备中，并联电容器是补偿无功功率的传统方法之一。在电 力系统常用的无功补偿设备中，并联电容器的单位容量费用最低，有功损耗最小，运行维 护最简便，而且可以分散安装，实现无功就地补偿，获得很好的技术经济效果，此外改变 容量也方便，还可以根据需要分散拆迁到其他地点。因此以并联电容器作为无功补偿方式 目前在国内外均得到广泛的应用。但以并联电容器作为无功补偿方式存在以下一些缺点： 首先是电压的调节特性差，当系统因无功负荷过大，出现电压下降时，电容器的无功输出 反而减小，这会导致电网电压的进一步下降，从而威胁到整个电力系统的安全运行；其次， 当电容器的补偿容量确定以后，其阻抗是固定的，因此在补偿过程中不能跟踪负荷需求的 变化，也就是说不能实现对无功功率的动态补偿。而随着电力系统的发展，对无功功率进 行快速动态补偿的需求越来越迫切。 传统的无功功率动态补偿装置主要是同步调相机( s y n c h r o n o u sc o n d e n s e r 一s c ) ， 它实际上是不带机械负荷，空载运行的同步电机。它有过激励和欠激励两种运行方式：在 过激励运行时，向系统提供无功功率，成为无功电源，提高系统功率因数和电压；在欠激 励运行时，则从系统吸收无功功率，成为无功负荷，降低系统电压。只要改变调相机的励 磁，就可以平滑地改变其输出无功功率的大小及方向，因而可以平滑地调节所在地区的电 压，这是同步调相机相对于并联电容器的最大优点。然而，由于同步调相机属于旋转电机， 因此损耗和噪声都很大，运行和维护复杂，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。所以上世纪7 0 年代以来，同步调相机开始逐渐被静止型无功补 偿装置所取代。 静止型动态无功补偿器( s t a t i cv a rc o m p e n s a t o r - - - - - - s v c ) 属于“柔性交流输电系统 ( h 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 - f a c r s ) ”范畴的无功功率电源，它有各种不同的 形式，目前常用的有饱和电抗器( s r ) 、晶闸管控制电抗器( t c r ) 、晶闸管投切电容器( t s c ) 三种。 饱和电抗器( s a t u r a t e dr e a c t o r - - s r ) 是早期的静止无功补偿装置。1 9 6 7 年，英国g e c 西安理工大学硕士学位论文 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自己的 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；但由于其铁芯需 磁化到饱和状态，因而损耗和噪声都很大，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，故此未能占据静止无功补偿装置的主流。 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。由于使用晶闸管的静止无功补偿装置具有优良的性 能，所以，近2 0 多年来，在世界范围内其市场一直在迅速而稳定地增长，已占据了静止 无功补偿装置的主导地位。因此静止无功补偿装置( 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 r c o n t r o l l e d r e a c t o i 。一1 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 印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 d t o 卜- 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 j t o 卜m s c ) 混合使用的装置( 如t c r + f c ，t c r * m s c 等) ，其 快速的响应，适中的价格，使其在电力系统中得以迅速的推广不足之处在于谐波成分大， 需要大电感、大电容等元件。 随着电力电子技术的进一步发展，上世纪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，这就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 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 ) ，也有称之为先进静止无功发生器 ( a d v a n c e ds t a t i cv a tg e n e 均t o r l 一a s v g l 。 1 5s t a t c o m 国内外应用情况和研究现状 1 5 1s t a t c 0 m 应用情况 自从美国学者lg y u g y i 在1 9 7 6 年提出利用半导体变流器进行无功补偿的理论以来， 世界各国对静止同步补偿器( s t a t c o m ) 的研究方兴未艾。 静止同步补偿器( s t a t c o m ) 实际上就是将并联的无功补偿部分用等效电压源思想进 行设计，通过对等效电压源的幅值和相位的调节，达到输电系统的最优能量传输。文献【6 】 讲述了电力系统中相关的装置的专用术语，静止同步补偿器有称s t a t c o m ，也有称为s v g ( 或a s v g ) ，还有称为s t a t c o n ( 静止的调相机) 。这种无功补偿器一般是指利用晶闸管实 现的电压源逆变器v s i ( v o l t a g e s o u r c ei n v e r t e o 型补偿装置，可关断电力电子器件的出 现，有力地加速了这一领域的发展速度。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 t a t c o m 的样机，它采用了晶闸管强制换相的电 压型逆变器，容量为士2 0 m v a r 。1 9 8 6 年1 0 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 t a t c o m 装置投人运行，这是世界上首台采用大功率g t o 作为逆变器 元件的静止补偿器。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。美国e p r i 与田纳西电力局( t e n n e s s e e v 甜l e y a u t h o r i t y ，缩写为t v a ) 、西屋电气公司合作，在t v a 电力系统的s u l l i v a n5 0 0 k v 变电站 建造了士l o o m v a r 的s t a t c o m 装置，于1 9 9 6 年1 0 月投运。1 9 9 3 年3 月东京电力局分别 1 绪论 与东芝公司和日立公司合作开发的2 台5 0 m v a 的8 t a t c o m 装置在东京所属新信浓变电所 投入使用。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 c d c 风场。 在我国，这一领域的研究刚刚起步，华北电力大学曾研制出强迫换相的可控硅元件无 功发生器实验装置，东北电力大学研制了使用g t o 器件的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士2 0 m v a r s t a t 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。2 0 0 1 年2 月国家电力公司电力自动化研究院也将5 0 0 k v a r s t a t c o m 投入了运行， 清华大学与上海电力公司正在研制的5 0 m v a r 链式s t a t c o m ，将投运到黄渡分区西郊变 电站，以提高电力系统暂态电压稳定水平。 s t a t c o m 不仅可调节无功，还可用来改善电力系统稳定性。在配电网中，称其为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 ) ，作为“用户电力”的一个重要设备，应用前景广阔。 它可以在电网连接点提供快速的电压和无功控制，以改善配电网供电质量，也可提高线路 的功率因数，以减少线损。其主回路是由大功率电力电子器件组成的逆变器和并联电容器 构成的。它是与传统的s v c 原理完全不同的无功补偿装置，不采用传统的电容器和电抗器， 而是通过连接电抗器将逆变器并联到电网上来实现无功补偿。现在s t a t c o m 己成为静止无 功补偿技术的发展方向，是今后柔性交流输电系统的一个重要元件。 1 5 2s t a t c o m 研究现状 现今对s t a t c o m 的研究主要集中在大容量的新型s t a t c o m 装置的研制上，对适用于低 压配电系统的中小容量s t a t c o m 的研究却不多，然而我国低压配电网三相功率因数变化频 繁，运行工作情况复杂，多年来一直存在无功补偿容量不足，无功补偿装置欠佳的情况， 可见低压中小容量s t a t c o m 装嚣( 下文称为d s t a t c o m 在我国将具有很广阔的应用前景。 目前国内外对d s t a t c o m 补偿装置的建模，控制模式，结构设计做了一定的研究。 主电路结构方面，d s t a t c o m 主电路应该分为电压型桥式电路和电流型桥式电路两种 类型。文献 7 1 中实现的s t a t c o m 是以d s p 为控制核心，脉冲波的发生采用的是直流侧 电压利用率高，开关损耗小的空间电压矢量调制( s v p w m ) 方式其主电路采用的是电流源 型变换器。建立在电压型逆变器基础上的d s t a t c o m ，其基本构成单元即逆变器模块通常 采用单相桥二电平逆变器、三相桥二电平逆变器和三相桥三电平逆变器三种形式。采用单 相桥逆变器模块的优点是便于进行分相控制，尤其是针对不对称故障时的控制。在三相对 称条件下，采用三相系统较之单相系统更为经济。由于二电平电压型三相桥逆变器输出线 电压的脉宽为固定的1 2 0 0 ，即不能如单相桥或三电平桥那样通过调节脉宽的方法来改变调 制比m ，而只能采用斩波对m 进行调节。在开关频率低的情况下，这将导致输出电压谐波 含量急剧增大并明显降低逆变器的直流电压利用率。上述事实成为在d s t a t c o m 中采用二 电平三相桥逆变器的弱点。自从1 9 8 1 年由n a b a e 等人提出三电平逆变器后，其在高压大 功率变频调速逆变器方面得到广泛的应用。三电平或多电平结构不仅对功率器件的耐压等 西安理工大学硕士学位论文 级要求降低，而且使得逆变器的输出波形谐波含量大为减少。 同时，主电路结构也涉及到功率开关器件的采用。文献【8 】叙述到：随着电力电子 技术的发展，逆变电路所采用的电力电子器件也从可控硅整流器( s c r ) 这种只可控导通的 器件发展到了门极可关断晶闸管( g t o ) 和绝缘栅双极型晶闸管( i g b t ) 等可控导通与关断的 新型功率开关器件。随着高压i g b t 向g t o 发起挑战，技术的进步创造了新的集成门极换 向型晶闸管( i g c t ) 。i g c t 采用硬驱动技术，它将门极驱动电路、g t o 芯片和反并联二极管 集成于一体，结合了晶闸管的低通态损耗和晶体管均匀关断能力两种优点，具有开关频率 高、损耗小、无需关断吸收电路、可用于串联等特点。i g c f 系列已应用到0 5 m v a 酬v a 的范围，其固有的串并联灵活性可把功率范围扩展到几百兆伏安。如今，在中高压大容量 电力电子应用中，i g c t 正逐步取代g t o 。尽管如此，i g b t 由于采用简单的电压驱动门极， 且开关速度快，截止电压已达到3 k v ，因而在中等功率变流器中得到广泛应用。 控制策略方面，配电系统静止同步补偿器( d s t a t c 叫) 是电能质量技术的重要组成部 分，控制系统作为其关键部分，直接影响到d s t a t c o m 的运行性能。文献【l 】针对配电网 对电能质量的要求，叙述了配电系统静止同步补偿器d s t a t c o m 控制器必须能够实现以下 一种或几种功能：( 1 ) 维持配电网电压稳定；( 2 ) 提高配电网功率因数；( 3 ) 消除非线性负载 对电网的影响，抑制配电网中的谐波污染；( 4 ) 消除三相不平衡，补偿负序电流。 因此，当d s t a t c o m 主电路和控制对象确定后，其补偿无功的控制方法将成为决定其 性能和效率的关键性环节。d s t a t c o m 的控制器通常采用双环控制的控制策略。外环控制 器作为主控制器用于提供内环控制器所需要的无功功率参考值。分析现有的文献，对于装 置控制器外环控制的研究较少。文献 9 1 对常用的外环控制器通常包括电压镇定器( a v r ) 和功率振荡阻尼器( p s s ) 进行了报道，这些外环控制器是以系统为考虑对象，其目的是为 满足系统的各项性能指标。由于控制策略的选择取决于补偿器要实现的功能和应用的场 合，安装于配电网上的d s t a t c o m 外环控制还应该从负荷角度考虑，因此其外环控制可根 据负载无功电流补偿和直流侧电压稳压控制给出参考值。 内环控制是根据无功电流( 或无功功率) 参考值调节d s t a t c o m 所需的无功电流( 或无 功功率) 。在这个环节上，目前研究及应用比较广泛的控制方法多种多样，可以分为间接 控制和直接控制两大类。间接控制的方法有两种方案，一种方案是控制6 角，即控制 d s t a t c o m 交流侧输出电压相对于系统电压的相角差。采用这种方法的控制电路较简单， 如p i 控制、逆系统p i 控制等。文献【1 0 1 提到采用传统的p i 控制方法实现无功功率控 制和维持装置直流侧电容电压控制的d s t a t c o m 控制器，由于无功功率与电容电压的耦合， 导致p i 控制的参数整定困难。文献【1 1 】中其控制器通过采用基于逆系统方法和瞬时无 功理论的控制算法改善了控制结果。这种方法是p i 控制的改进，比传统p i 控制的响应速 度更快。文献【1 2 1 提出基于i g b t 智能模块的a s v g 装置，在控制策略上采用电流间接控 制和基于自适应的自校正p i d 调节算法，以实现装置的动态无功补偿。但是由于装置交流 侧输出电压的幅值依赖于直流侧电容电压的变化而调节，故其动态响应速度较慢。第二种 1 绪论 方案是同时控制6 角和调制度a ，即控制6 角的同时，配合控制p w m 调制深度a ，从而 调节d s t a t c o m 交流侧输出电压的幅值。该方法引入了装置吸收的无功和有功电流的反馈 控制。这种控制方法的优点是直流侧电容电压稳定，对装置的运行有利，而且动态性能更 好。但它存在控制复杂的缺点，因为6 角和a 需要密切配合，而且这种配合关系还随着主 电路的参数而改变，而电力系统参数又存在着不确定性。间接控制方法多应用于较大容量 d s t a t c o m 的场合，这种方法常常需要与多重化技术相结合以抑制谐波，同时增大容量。 直接控制的方法有跟踪型p w m 控制技术等。跟踪型p w m 控制技术可以采用三角波调制法、 滞环比较等多种控制方法。三角波调制法控制方式克服了滞环比较控制开关频率变化的缺 点，但频繁的开关动作会引起开关损耗很大并且电流波形中的谐波成份较大。在较大功率 场合，多用恒频三角波调制法。滞环比较法有较好的跟踪效果，控制参数简单，但由于开 关频率变化造成设计存在一些困难。电流的间接控制方法相对简单，技术相对成熟。文献 【1 3 实现了基于d s p 的s t a t c o m 的实验装置，且所介绍的s t a t c o m 采用的主电路结构形 式为电压源型变换器。 配电系统静止同步补偿器d s t a t c o m 装置容量较小，因此其外环可考虑对直流侧电压 u 。进行传统p i 控制，内环无功电流的控制在本文中拟采用动态响应速度比较迅速的预测 + p i 非线性控制。文中由相角差6 来控制无功电流i 。，由调制深度a 控制直流侧电压u m ， 采用电流间接控制方式下的6 ，a 双变量协调控制策略。 1 6 本课题的主要工作 本课题主要研究较小容量的应用于配电系统的静止同步补偿器( d i s t r i b u t i o ns t a t i c s y n c h r o n o u s c o m p e n s a t o r d s t a t c o m ) ，其内容包括： ( 1 ) 讨论d s t a t c o m 的基本理论知识，介绍动态无功补偿的理论和d s t a t c o m 的主电 路结构和电压型桥式电路的基本工作原理，同时利用开关函数法建立d s t a t c o m 的数学模 型，为控制系统的设计奠定必要理论基础。 ( 2 ) 研究本课题采用的无功电流( 无功功率) 的检测方法i 。i 。运算方式检测无 功电流，本方法在连接点处电压畸变的情况下也能准确地检测出无功电流指令及无功电流 反馈值，对文献中无功电流检测方法使用中容易引起误解的地方进行了讨论；同时讨论本 课题采用的空间电压矢量脉宽调制( s p a c ev e c t o rp u l s ew i d t hm o d e l s v p 删) 的原 理。 ( 3 ) 分析传统p i 双变量协调控制策略，针对无功电流调节器的响应速度比较慢的不 足，在分析预测控制方法机理的基础上，研究了无功电流的预钡g + p l 控制策略，设计装置 的控制器。 ( 4 ) 实现以t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 控制器为控制核心，以i p m 模块为电压源变换器的 d s t a t c o m 的硬件装置、软件设计方案，并最终完成装置的调试。 ( 5 ) 通过实验结果进一步验证了设计的d s t a t c o m 的有效性，证明控制方案的可行性。 2d s t a t c o m 工作原理及建模 2d s t a t c o m 工作原理及建模 简单地说，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相位和幅值，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 电路模型 严格地讲，d s t a t c o m 主电路分为电压桥式电路和电流桥式电路两种类型。其电路基 本结构分别如图2 - l ( a ) ，( b ) 所示，图中自换相桥式电路中的功率开关一般采用i g b t 。逆 变桥由三个桥臂并联，每个桥臂由两只i g b t 功率开关管串联而成，每只i g b t 管有一个快 速恢复二极管与之反并联，起续流作用“州蛔。 ( a ) 电压型静止同步补偿器主电路图 ( b ) 电流型静止同步补偿器主电路图 图2 - 1d s t a t c o m 主电路结构图 f i g 2 - 1m a i nc i r c u i tc h a t i so fd s t a t c o m 电压型桥式电路和电流型桥式电路两者的区别是直流侧分别采用的是电容和电感这 两种不同储能元件。对电压型桥式电路，需要串联上电抗器才能并上电网；对电流型桥式 电路，需要并联上电容器才能并上电网。实际上，由于运行效率的原因，实际应用的 d s t a t c o m 大多采用的是电压型桥式电路。因此本文的d s t a t c o m 专指采用自换相的电压型 桥式电路作为主电路的动态无功补偿装置。 西安理工大学硕士学位论文 2 2d s t a t g o m 工作原理 众所周知，在单相电路中，与基波无功功率有关的能量是在电源和负载之间来回往返， 但是在三相平衡电路中，不论负载的功率因数如何，三相瞬时功率的和是一定的，在任何 时刻都等于三相总的有功功率。因此总的看来，在三相电路的电源和负载之间没有无功能 量的来回往返，各相的无功能量是在三相之间来回往返。若能用某种方法将三相各部分总 的统一起来处理，则因为总的看来三相电路的电源和负载之间没有无功能量的来回往返， 在总的负载侧就无需设置无功储能元件。三相桥式逆变电路就具有这种将三相总的统一处 理的特点。理论上讲，d s t a t c o m 的桥式变流电路的直流侧可以不设储能元件，实际上， 考虑到变流电路吸收的电流不只含有基波，其谐波的存在也会造成总体看来有少许无功能 量在电源和d s t a t c o m 之间往返。所以，为了维持桥式变流电路的正常工作，其直流侧仍 需要一定大小的电容作为储能元件，但所需的元件容量比d s t a t c o m 所提供的无功容量要 小。而对传统的s v c 装置，其所需的储能元件容量至少要等于其所提供的无功功率的容量。 因此，d s t a t c o m 的储能元件的体积和成本比同容量的s v c 大大减小“。 由此可知，在三相平衡电路中，不考虑谐波电流，d s t a t c o m 不需要设置储能元件， 电容只是逆变器的支撑元件，为逆变提供直流电压，相当于电压源。所以只需投入电网前 给电容充电至一定电压值，在d s t a t c o m 工作中电容电压将基本维持不变，无须能量补偿。 实际上电网电流不可避免的含有谐波，此时直流电容不仅仅是电压支撑元件，也兼顾起储 能元件的作用。 d s t a t c o m 正常工作时就是通过电力半导体开关的通断将直流侧电压转换成交流与电 网同频率的输出电压，就像一个电压型逆变器，只不过其交流侧输出接的不是无源负载， 而是电网0 1 。因此，当仅考虑基波频率时，d s t a t c o m 可以被等效地视为幅值和相位均可以 控制的一个与电网同频率的交流电压源，它通过电抗器连接到电网上。d s t a t c o m 的工作 原理就可以用如图2 - 2 所示的单相等效电路图来说明。设电网电压和d s t a t c o m 输出的交 流电压分别用相量u ，和u 。表示，则连接电抗器x 和r 上的总电压u ，即为u ，和( ，。的相 量差，而连接电抗器的电流是可以由其电压来控制的，这个电流就是d s t a t c o m 从电网吸 收的电流，。因此，改变d s t a t c o m 交流侧输出电压u ，的幅值及其相对于u ，的相位，就 可以改变连接电抗器上的电压，从而控制d s t a t c o m 从电网吸收电流的相位和幅值，也就 控制了d s t a t c o m 吸收无功功率的性质和大小。 在图2 - 2 的等效电路中，若将连接电抗器视为纯电感，不考虑其损耗以及交流器的 损耗，则装置不必从电网吸收有功能量。在这种情况下( r - 0 ) ，只需u 。与u ，同相，仅 改变u 。的幅值大小就可以控制d s t a t c o m 从电网吸收的电流，是超前还是滞后电网电压 9 0 。，并且能控制该电流的大小。如图2 - 3 所示，当u 。大于u ，时，电流超前电网电压9 0 。， d s t a t c o m 发出无功功率；当u ，小于u 。时，电流滞后电网电压9 0 9 ，d s t a t c o m 吸收无功 功率。 2d s t a t c o m 工作原理及建模 l r u g 图2 - 2 电压型静止同步补偿器等效电路模型 f i g 2 - 2e q u i v a l e n tc i r c u i tm o d e lo fd s t a t c o m _v d iu 。u l ( a ) 装置发出无功功率( b ) 装置吸收无功功率 图2 3 理想条件下d s t a t c o m 矢量图 f i g 2 - 3v e c t o rd i a g r a m so fd s t a t c o m i ni d e a lc o n d i t i o n 考虑到连接电抗器的损耗和变流器本身的损耗( 如管压降、线路电阻等) ，并将总的 损耗集中作为连接电抗器的电阻考虑，则d s t a t c o m 的实际等效电路如图2 2 ( r 0 ) 所示， 其电流超前和电流滞后工作的矢量图如图2 - 4 所示。 ( a ) 客性工况( b ) 感性工况 图2 - 4d s t a t c o m 稳态矢量图 f i g r 2 - 4v e c t o rd i a g r a m so f d s t a t c o mi ns t e a d ys t a t e 在这种情况下( r o ) ，交流器交流侧电压u 。与电流，仍相差9 0 。，因为变流器无需有 功能量。而电网电压u 。与电流，的相角差不再是9 0 。，而是比9 0 4 小了6 角，因为电网提 供了有功功率来补充电路中的损耗，也就是说相对于电网电压来讲，电流，中有一定量的 有功分量。这个6 角也就是变流器电压与电网电压的相位差，改变这个相位差，u 。的幅 值将相对改变，则产生的电流，的相位和大小也就随之改变，d s t a t c o m 从电网吸收的无 功功率也就因此得到调节“” 图2 5 给出了d s t a t c 伽工作于不同象限时的电路矢量图。在此，连接电抗器为理想 电抗，逆变器的损耗为r o ，且r 没有作为连接电抗器的内阻抗考虑。可以看出，相移 西安