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江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h eu s eo fp o w e re l e c t r o n i cd e v i c e sa n dv a r i o u sn o n l i n e a re q u i p m e n t s ，a s w e l la st h ec o n s t a n ti m p r o v e m e n to ft h eu s e r s h i g h e rr e q u i r e m e n t st op o w e rq u a l i t y ， t h er e a c t i v e p o w e rc o m p e n s a t i o ni s s u ei nt h eq u a l i t yo fp o w e rh a sb e c o m e i n c r e a s i n g l yi m p o r t a n t u s e 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 r ( s t a t c o m 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 r ) t oa c h i e v ed 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 i o ni so n eo f a c t i v er e s e a r c ha r e a si nt h ep o w e re l e c t r o n i cd i s c i p l i n e s h o w e v e r ，t h ec u r r e n ts t u d y o ns 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 ri sm a i n l yc o n c e n t r a t e di nt h et r a n s m i s s i o ns y s t e m a n dt h ec u r r e n tc o n t r o lm e t h o d sb a s e do nt h ei n d i r e c tc o n t r 0 1 w i t ht h ei m p a c to f s w i t c h i n gf r e q u e n c ya n ds w i t c h i n gc a p a c i t yo ft h es w i t c h i n gd e v i c e s ，t h es t a t c o m d e v i c e su s i n gi n d i r e c tc u r r e n tc o n t r o lm e t h o d se x i s t sh a r m o n i co u t p u t ，a n dt h e r e s p o n s es p e e da n dt h ec o n t r o lp r e c i s i o nh a v ey e tt ob ee n h a n c e d t h es t a t c o m t e c h n o l o g ya p p l y i n g i nt h e l o w - v o l t a g ed i s t r i b u t i o ns y s t e m o ri n d u s t r i a ll o a d c o m p e n s a t i o ni nt h ec o u n t r yi sr e l a t i v e l yl o wa tp r e s e n t ，a n dt h et e c h n o l o g yw a sn o t m a t u r e t h i sp a p e ri n t r o d u c e sas t a t c o md e v i c eb a s e do nt h ed i r e c tc u r r e n tc o n t r o l u s i n gi nl o w v o l t a g ed i s t r i b u t i o ns y s t e mo ri n d u s t r i a ll o a da c c o r d i n gt ot h e i r c h a r a c t e r i s t i c s t h i sp a p e re s t a b l i s h e dt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fs t a t c o mu s i n gd i r e c t c u r r e n tc o n t r o l ，i nt h i sp a p e rw eu s et h eo p e r a t i o n a lm e t h o do f i p 、w h i c hb a s e do n t h ei n s t a n t a n e o u sp o w e rt h e o r yt ot e s tt h eo p e r a t i o n so fr e a c t i v ec u r r e n ta n dt h e h a r m o n i cc u r r e n t ；c o m p a r e dt ot h ed i r e c tc u r r e n tc o n t r o lm e t h o d s ，t h ed i r e c tc u r r e n t c o n t r o la r em o r ea d v a n t a g ei nt h et r a c k i n gs p e e da n dt h ep r e c i s i o no fc o n t r o l ，s ow e d e s i g nt h ec o n t r o ls e c t i o na c c o r d i n gt ot h ed i r e c tc u r r e n tc o n t r o l ，a n dv e r i f yb yu s i n g t h em a t l a bs i m u l a t i o ns o f t w a r e t h ed s pc m o sc h i pt m s 3 2 0 f 2 812o ft i c o m p a n yi su s e da sc p u a n dt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo fad s p + c p l dd i g i t a l c o n t r o le l e c t r i cs y s t e mw h i c hi sp r o p o s e df o rs t a t c o mi s d e s i g n e d t h ed i g i t a l c o n t r o le l e c t r i cs y s t e mp r o j e c ti l l u m i n a t e st h ep e r i p h e r a li n t e r f a c ec u r r e n to fd s p p a r t i c u l a r l y a n dd e s i g n st h ep r e t r e a t m e n tc i r c u i to fa n a l o gs i g n a l s ，s y n c h r o n a l d e t e c t i o nc i r c u i ta n dt h ei n t e r f a c ec i r c u i to fd s pa n dc p l d a tl a s t ，e x p e r i m e n tu s i n gt h ed y n a m i ch a r m o n i cv a rg e n e r a t o r ( d h v g ) a sa s i m u l a t e dl o a d t h er e s u l t sp r o v e dt h ef e a s i b i l i t yo ft h ed e s i g n ，b u ta l s ot h eg o o d p e r f o r m a n c eo fd y n a m i cc o m p e n s a t i o no f t h es t a t c o m c o m p a r i n gw i t ht h er e s u l t s o ft h es i m u l a t i o na n de x p e r i m e n tt op r o v e dt h ef e a s i b i l i t yo ft h ed e s i g n ；t h r o u g ht h e e x p e r i m e n to ft h es t a t c o mt op r o v et h eg o o dp e r f o r m a n c eo fr e a c t i v ep o w e r c o m p e n s a t i o na n dd y n a m i cr e s p o n s es p e e d k e yw o r d s ：r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n ，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 ) ，i n s t a n t a n e o u sr e a c t i v et h e o r y , d y n a m i ch a r m o n i cv a rg e n e r a t o r , d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r s ( d s p ) 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被套阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或 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 手段保存和汇编本学位论文。 保密口， 在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密区犷 导师签名： 签字日期：1日 砂 即 聚日食 占 名年 签。7 者 阳 陪 x j i 文期 舍壬 ，p r r 卜l 业 1 一 学签 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作晶成果。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全 意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位敝储虢俞霖 日期：b 1 7 歹年 6 月f d日 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论弟一早珀1 = 匕 电能的使用水平是衡量一个国家科技与经济发展水平的重要标识之一，我国 国民经济持续稳定的发展，与我国电力事业的进步和发展有着密不可分的联系。 但是，随着现代电力电子技术的飞速发展，电能质量受到严重影响，甚至危及到 电力系统的安全运行，给国民经济带来了严重损失；与此同时，各种复杂的精密 设备对电能质量非常敏感，生产过程的自动化和智能化，对电能质量也提出了更 高的要求，因此电力部门与用户对电能质量的改善提出了迫切需求。对无功功率 的良好补偿能够提高供电用电设备的安全可靠运行、提高功率因数、降低电路损 耗、减少设备容量等。s t a t c o m 是柔性交流输电系统的核心装置和核心技术之 一，它能够快速调节交流电网的无功，而且对冲击无功、静态无功以及在欠压条 件的无功均有很强的调节能力，同时具有电压调整、谐波抑制、三相负载平衡等 功能，是电力系统稳定电压和提高静、动态功率因数的理想装置。因此，s t a t c o m 是电力系统无功补偿、谐波抑制设备的发展方向，具有十分重大的研究意义和广 阔的应用前景。 1 1无功功率的产生、危害及治理 1 1 1 无功功率的产生 在电网中由于大量的感性负载的存在，使线路电压与线路电流在相位上存在 一个角度这样就引出了无功功率的概念。无功功率是一个反映电源与负荷问的能 量交换的物理量，它的大小表明了电源与负荷间能量交换的幅度，本身并不消耗 能量。同时，无功功率在系统中的流动对电力系统也产生了很大的影响。 在工业和生活用电负载中，感性负载占有很大的比例。异步电动机和变压器 所消耗的无功功率在电力系统提供的无功功率中占很大的比例。电力系统中的电 抗器和架空线等也消耗一部分无功功率。感性负载必须吸收无功功率才能正常工 作，这是其本身的性质决定的。 近年来，电力系统中非线性用电设备，特别是电力电子装置的广泛应用，而 且大都数电力电子装置功率因数较低，工作时基波电流滞后于电网电压，要消耗 江苏大学硕士学位论文 大量的无功功率，也给电网带来了额外的负担，并影u 向供电质量。因此提高功率 因数已成为电力电子技术和电力系统研究领域所面临的一个重大课题，j 下在受到 越来越多的关注。 1 1 2 无功功率的危害 无功功率对整个电力系统的影响主要有以下4 个方面： ( 1 ) 增加设备容量。无功功率的增加会导致电流的增人和视在功率增加，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，电力用户的启动 及控制设备、测量仪表的尺寸和规格也要加大。 ( 2 ) 设备及线路损耗增加。无功功率的增加使总电流增加，因而使设备及线路 的损耗增加，这是显而易见的。 ( 3 ) 使线路及变压器的电压降增大，如果是冲击性无功功率还会使电压产生剧 烈波动，使供电质量严重降低。 ( 4 ) 由谐波源造成的无功同样会带来一系列问题，如谐波损耗，影响设备正常 工作，造成振动、热、噪声，自动装置误操作，对通信系统产生干扰等等。 1 1 3 无功功率的治理 无功的治理主要指无功补偿。无功补偿对于维持电力系统的稳定、经济、安 全运行是十分重要的。电力系统中大多数负载呈感性，要消耗无功功率。网络组 件和负载所需要的无功功率必须从网络中某个地方获得。显然，这些无功功率由 发电机提供并经过长距离传送是不合理的，通常也是不现实的。因此，合理的方 法应当是在需要消耗无功功率的地方产生无功功率，进行合理的无功补偿。 无功补偿的主要作用有以下几个方面： ( 1 ) 提高供电、用电系统及负载的功率因数，降低设备容量，减少功率损耗。 ( 2 ) 稳定受电端及电网的电压，提高供电质量。在长距离输电线路中合适的地 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。 ( 3 ) 在电气化铁道等三相负载不平衡的情况下，通过适当的无功补偿可以平衡 三相的有功功率和无功负荷。 由于无功补偿装置具有上述重要的作用，因此对于无功补偿技术进行研究具 2 江苏大学硕士学位论丈 有相当重要的实际意义。 1 2 无功补偿装置的发展 电力系统中的无功补偿装置从最早的电容器开始发展到今天，经历了电容 器、同步调相机、静止无功补偿装置和今天引人注目的s t a t c o m 等几个不同的 阶段。如图1 1 ： 图1 - 1无功补偿装置发展框图 并联电容器是电网中用的最多的一种专用的无功功率补偿设备。无功补偿电 容器的优点是原理简单，安装、运行和维护都很方便，主要用作控制负荷功率因 素，也可以作为无功功率补偿调节的手段。但是，它只能补偿感性无功，并且不 能连续调节，更重要的是它的负电压效应，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。 同步调相机是传统的无功功率动态补偿装置，它是专门用来产生无功功率的 同步电机，在过励磁或者欠励磁的不同情况下，可以分别发出不同大小的容性或 感性无功功率。同步调相机的优点是：在系统发生故障引起电压降低时，同步调 相机可提供电压支持，还可以在短时间内强行励磁，对提高电力系统的稳定性有 很大好处。自2 0 世纪二三十年代以后几十年中，同步调相机在电力系统无功功 率控制中一度发挥着重要作用。然而，由于它是旋转电机，因而损耗和噪声都很 大，运行维护复杂，而且由于控制复杂造成响应速度慢，在很多情况下己无法适 江苏大学硕士学位论文 应快速无功功率控制的要求。所以从上世纪7 0 年代以来，同步调相机开始逐渐 被静止无功补偿装置所取代，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 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； 但是由于其造价高。损耗大、有振动和噪声，并f j l 调节时间长，动态补偿速度慢 等缺点，所以饱和电抗器型的静止无功补偿器应用比较少。 电力电子技术的发展及其在电力系统中的应用，将使用品闸管的静止无功补 偿装置推上了电力系统无功功率控制的舞台。1 9 7 7 年美国g e 公司首次在实际电 力系统中演示运行了其使用品闸管的静止无功补偿装置。1 9 7 8 年，在美国电力 研究所的支持下，西屋电气公司制造的使用晶闸管的静止无功补偿装置投入实际 运行。随后，世界各大电气公司都竟相推出了各具特色的系列产品。 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，从2 0 世纪8 0 年代开始，在世界范围内其市场一直在迅速而稳定的增长，已占据了静止无功补 偿装置的主导地位。凶此静止无功补偿装置( s v c ) 这个训往往专指使用品闸管 的静止无功补偿装置，包括晶闸管控制电抗器( t c r 一一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 ) 和晶闸管投切电容器( t s c 叫h y r i s t o rs w i t c h e dc a p a c i t o r ) 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 c f i x e d c a p a c i t o r ) 或机械投切电容器( m s c - - 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 ) 混合 使用的装置( 如t c r + f c 、t c r + m s c 等) 。因其相应速度快，价格适中，使其 在电力系统中得以迅速的推广。s v c 的缺点在于谐波成分大，需要将阎定电容 器和电感器串联，从而滤除谐波，而且s v c 运行时电容和电感的一部分容量相 互抵消，不经济，并且电容的分组不连续投切还会影响调节质量。 随着电力电子技术的进一步发展，上个世纪8 0 年代以来，一种更为先进的 静止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 n 订c o m ) 。静止同步补偿器s t a t c o m 在美国被称为 s t a t c o n ，即静止调相机( s t m i cc o n d e n s e r ) ；在同本过去则称为静止无功发生 器( s v e s t a t i cv a rg e n e r a t o r ) ；在欧洲大多称为先进静止无功补偿器( a s v c a d v a n c e ds t m i cv a rc o n d e n s e r ) ；我国现有文献中通用的名称为新型静止无 4 江苏大学硕士学位论文 功发i _ - l 器( a s v c r - - - - - - a d v a n c e ds t a t i cv a rg e n e r a t o r ) ：1 9 9 5 年图际高压大电网会议 与电力、电子工程师学会建议统称为s t a t c o m ，并把它定义为固态同步电源， 相类似于产生三相正弦电压的旋转同步电机。本文采用统称静止补偿器 s t a t c o m 。 1 3s t a t c o m 的研究现状及发展趋势 静止同步补偿器是在上世纪7 0 年代末随着电力电子技术的发展而逐渐发展 起来的，自从美国学者l g 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，逐步出现了应用变流技术进行动态无功补偿的静止补偿器。世界各 国对大功率s t a t c o m 的理论与工程应用研究方兴未艾。在理沦研究上取得丰硕 成果的同时，s t a t c o m 在工程应用中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 t a t c o m 的样机，它采用了晶闸管强制换棚的电压型逆变器，容 量为2 0 m v a r 。1 9 8 6 年1 0 月，由美国国家电力研究所( e p r i ) 和西屋公司研制 的1 m v a r 的s t a t c o m 装置投入运行，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，同本关西电力公司与三菱电机公司又采用g t o 研制了8 0 m v a r 的s t a t c o m 装置，于1 9 9 1 年投运，维持了该系统长距离送电 线路中问点电压的恒定，提高了系统的稳定性；美国e p r i 与田纳西电力局、西 屋电气公司合作，在田纳西电力局电力系统的s u l l i v a n 5 0 0 k v 变电站建造了 1 0 0 m v a r 的s t a t c o m 装置；1 9 9 3 年3 月东京电力分别与东芝公司和日立公司 开发的两台5 0 m v a r 的s t a t c o m 装置在东京变电所投入运用。 在国内，9 0 年代之前还没有较全面的研究成果，只是一些以清华大学为代 表的科研机构通过研究，做了一些实际的工程，获得了一定的实际经验，并在理 论上有了一些发展。9 0 年代初，国内开始了f a c t s 系统的理论研究及具体f a c t s 装置和控制器的研究工作。1 9 9 4 年，作为原电力部重大科技攻关项目，由河南 省电力局和清华大学共同研制了2 0 m v a r 的s t a t c o m 。为了进行基础理论研究， 首先研制了3 0 0 k v a r 的中间工业试验装置，与1 9 9 5 年并网运行。1 9 9 9 年3 月 2 0 m v a r 的s t a t c o m 在河南洛阳的朝阳变电站并网成功，并与2 0 0 0 年6 月成功 通过了鉴定，这是国内首台投入应用的大容量柔性交流输电装置。该装置不仅能 江苏大学硕士学位论文 调节无功和电压，还町以提高输电稳定性和输送能力。 从现有的文献看，目前国内外己投入运行的s t a t c o m 装置均采用基于g t o 的逆变器，具有大电压、高频率的优点，但随着电力电子技术的发展及对供电质 量要求的提高，g t o 的开关频率已经不能满足要求，为减少谐波和提高容量， 必须采用变压器曲折连接方式，这样使电路设计复杂化，并且保护电路复杂；在 s t a t c o m 工作机理的研究上，现有s t a t c o m 装置的工作模型是建立在一个静 止的同步电压源之上，即由一个电压型变流器构成的s t a t c o m 装置经一个串联 电抗( 包括变流器的漏抗和电路中的其它电抗) 与电网相连，根据输入的无功功 率和有功功率指令，变流器如同同步发电机一样，产生相位与幅值均可以迅速调 节的基频分量对称的三相正弦电压叠加到电网上，从而吸收或发出满足电网要求 的无功功率。但是由于电力系统具有多种非线性和其负荷参数的不确定性，并且 对实际电力系统而言，s t a i 、c o m 装置更多的是运行在三相不对称条件下，因此， 这种稳态的工作模型在应用上存在很大的不足；从技术角度看，目前国内外已投 入运行的s t a t c o m 的主电路大多都是采用多重化、多电平机构。多重化的主电 路形式达到增大装置容量的目的，但由于需要特殊设计复杂的变压器，既提高了 造价，又使系统变得复杂。目前已发展为以多电平p w m 变流器相结合的形式； 在s t a t c o m 的控制策略上，现有的s t a t c o m 装置一般采用常规的p i d 调节 方式或引入线路功率p s s ( p o w e rs y s t e ms t a b i l i z e r ) 辅助控制方式。这种控制方 式由于直流电压回路与无功控制回路的时问常数为同一数量级的，再加上系统本 身的非线性性质，控制效果不理想，难以满足电力系统提高功率稳定和电压稳定 的要求。 目前，对于s t a t c o m 的大规模应用存在着三个制约因素：其一，由于高压 大容量可关断器件的单管容量还比不上一般晶闸管的单管容量，因此s t a t c o m 装置的容量还比较小，目前主要通过单相桥的串联或并联、可关断器件的串联来 扩大容量，而单相桥串联或通过变压器并联较为复杂，可关断器件的串联实现起 来还比较困难，因此增加了整个s t a t c o m 装置的复杂程度和造价；其二， s 仉盯c o m 装置容量大造价高，在许多对无功功率补偿速度要求不高或不存在特 殊要求的场合，用户愿意采用价格相对较低的s v c 装置；其三，用户对s t a t c o m 装置的认可程度还不是很高。随着电力电子技术的发展，大容量器件不断涌现， 6 江苏大学硕士学位论文 上述制约因素可望得到解决。 从上世纪9 0 年代以来，电力电子技术的发展使得世界范围内有关静止无功 发生器的研究和应用有了长足的进步和发展，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： ( 1 ) 不断采用新器件。与普通使用的g t o 相比，新型功率器件( 如i g b t 、 i g c t 等) 具有很多优点：饱和压降低、安全工作区宽、驱动功率低和工作频率 高等。在装置容量几十兆安以下的场合，采用i g b t 的趋势更加明显。 ( 2 ) 除了继续向高压大容量方向发展，另一方面向中低压配电系统中的应 用，甚至负荷补偿的各个层次发展，旨在提高用户侧的电能质量。国内在这方面 尚处于起步阶段，国外已出现了一些小容量静止无功发生器住低压配电网中应用 的例子。 s t a t c o m 系统立足于小容量静止无功补偿场合，负载需要的无功直接由就 近的s t a t c o m 系统提供，避免了无功通过远距离电网传送给配电系统造成的一 系列问题，同时也可以避免开关频率受限的缺陷。选用新型功率器件( 如i g b t 、 i g c t 等) ，使得新型静止无功发生器装置的n 向应速度更快，控制精度更高。虽然 受限于开发成本高的原因，这种小容量s t a t c o m 暂时还没有大范围应用，但随 着电力电子技术的发展，尤其是开关器件的发展和成本的降低以及未来电子设备 对电能质量越来越高的要求，这种面对配电网系统的小容量s t a t c o m 将会有更 广泛的应用范围。 1 4 本文主要研究的内容 本文根据今年来国际和国内在s t a t c o m 的基本理论、控制方法、结构设计 方面的研究进展，介绍了静止无功发生器在国内外的发展现状，分析了其工作原 理和控制方法，并结合实验室的条件设计一个实验装置。 本文的主要内容： ( 1 ) 对无功补偿作用和无功补偿装置的发展进行介绍和分析，说明本文研 究的必要性； ( 2 ) 分析s t a t c o m 工作原理，对s t a t c o m 进行数学建模，对s 玑盯c o m 系统主电路参数设计和选择； 7 江苏大学硕士学位论文 ( 3 ) 对s t a t c o m 的控制方法和控制策略进行研究分析，分析了问接电流 控制方法和直接电流控制方法，对直接电流控制方法进行了详细分析，并阐述了 s v p w m 的调制原理及实现； ( 4 ) 对s t a t c o m 的控制系统进行设计研究，提出了一种应用于s t a t c o m 的d s p + c p l d 数字化控制电路系统方案。对该数字控制系统的硬件、软件进行 设计； ( 5 ) 用m a t l a b s i m u l i n k 软件对s t a t c o m 进行仿真研究，用实验室 的动态谐波无功发生器( d h v g ) 作为模拟负载对s t a t c o m 进行实验研究。用 仿真和实验验证方案的可行性和设计的合理性； ( 6 ) 总结论文所做的工作及取得的研究成果，并提出需进一步研究的工作。 江苏大学硕士学位论文 第二章s t a t c o m 主电路的设计 2 1 s t a t c o m 的基本结构及原理 ( 1 ) s t a t c o m 的基本结构 s t a t c o m 分为采用电压型桥式电路和电流型桥式电路两种类型。两者的区 别是直流侧分别采用的是电容和电感这两个不同的储能元件，对电压型桥式电 路，还需要串联上电抗器a 能并上电嘲；对电流型桥式电路，还需要并联上电容 器 能并上电网。实际上，由于运行效率的原因，实际应用的s t a t c o m 大多采 用的是电压型桥式电路。因此s t a t c o m 专指采用自换相的电压型桥式电路作为 动态无功补偿的装置。s t a t c o m 的基本结构如图2 1 。它由以下几部分组成： 电压支撑电容，其作用是为装置提供一个电压支撑；由大功率电力电子开关器件 ( i g b t 或g t o ) 组成的电压源逆变器( v s c ) ，通过脉宽调制( p w m ) 技术控 制电力电子开关的通断，将电容器上的直流电压变换为具有一定频率和幅值的交 流电压；耦合变压器和电抗器，一方面通过它将大功率变流装置与电力系统耦合 在一起，另一方面还可以通过它将逆变器输出电压中的高次谐波滤除，使 s t a t c o m 的输出电压接近正弦波。 c r 叶 _ 十卜叫+ 一 系统电压耦合变压器电压源逆变器直流电压保持 图2 1s t a t c o m 的基本结构 在三相平衡电路中，三相功率和是一定的，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， 9 江苏大学硕士学位论文 各相的无功能量是在三相之间来回往返。所以，能用某种方法将上将各部分总的 无功统一起来处理，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 将三相总的无功统一处理的特点。因此在理论上，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。考虑到变流电路吸收的电流不只含有基波，其谐波的 存在也会造成少许无功能量在电源和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感或是电容作为储能元件， 但所需的元件容量比s t a t c o m 所提供的无功容鼍要小。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，s n 盯c o m 的储能元件的体积和成本要比同容量的s v c 大大减小。 ( 2 ) s n 盯c o m 的基本原理 由于s t a t c o mi f 常工作时就是通过电力半导体开关的通断将直流侧电压 转换成交流侧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，而足电网。因此，当仅考虑基波频率时，s t a t c o m 可以等效的被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 通过电抗器链接到电网上。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s t a t c o m 输出的交流电压分别用向量坑和e o 表示，则连接电抗x 上的电压即为圪和吃的向量差，而连接电抗的电流是可 以由其电压来控制的。这个电流就是s t a t c o m 从电网吸收的电流，。因此，改 变s t a t c o m 交流侧输出电压吃的幅值及其相对于歧的相位，就可以改变连接 电抗上的电压，从而控制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 s t a t c o m 吸收无功功率的性质和大小。 图2 - 2s t a t c o m 单相等效电路 l o 江苏大学硕士学位论文 在图2 2 的等效电路中，当r = 0 ，将连接电抗器视为纯电感，不考虑其损 耗以及变流器的损耗，因此不必从电网吸收有功能量。在这种情况下，只需使矽 和吃相同，仅改变v o 的幅值大小就可以控制s t a t c o m 从电网吸收的电流，是超 前还是滞后9 0 。，并且能控制该电流的大小。如图2 - 3 所示，当吃 吃时，电流 超前电压9 0 。，s t a t c o m 吸收容性；当吃 s o sb s c 对直流侧电容正极节点处运用基尔霍夫电流定律k c l ，司得： 么：cd v ；- d c ：鼠+ 鼠+ 之 ( 2 5 ) d f 联立式( 2 2 ) 、( 2 3 ) 、( 2 4 ) ，则在a b c 坐标下用瓯描述的s t a t c o m 数学 模型的状态变量表达式为： a x ：b x + c y( 2 6 ) 上式中：状态变量x = 【屯之吃】7 1 ，】，= 【吃圪o r 参数a = b = 一r 0 0 s d 三o0 00 0o 0oo oo 邑一半 一ro & 一掣 0 一rs 。一s o + s 6 + s c 3 s hs r 0 0 1 0 l ，c = 0 l c j 10 0 o j 0100i i ， 0 010i 1 0 00 l - | 利用拉氏变换式将式( 2 6 ) 变换到s 域，得到a b c 坐标系下s t a t c o m 的 传递函数方程： 驰) = 志( ( 疋一业心训 黔志( ( 瓯一半心 ( 2 7 ) 帕) = 熹( ( 墨一盟攀心吲 屹( s ) = 三! 专( 砖l ( j ) + 既- 厶( s ) + 墨l o ) ) 2 、c c p 坐标下s t a t c o m 的动态数学模型 1 6 江苏大学硕士学位论文 式( 2 7 ) 所建的数学模型物理意义清晰，但其交流侧均为时变交流量，不 利于控制系统设计。所以可通过坐标变换，将三星对称静止的a b c 坐标系转换成 两相静止的口坐标系，口坐标系可将a b c 坐标系下的基波j 下弦量转换成两相 同频率正交正弦量。从a b c 坐标系到口坐标系的正交变换矩阵为： r匹 b ：2 、j 1一!一1 22 o 笪一鱼 2 2 ( 2 8 ) 乏 = g ： 摹 ， 笼 = g ： 篷 ， 未 = g ： 茎 可得口坐标系下s t a t c o m 的动态数学模型为： 上式中：状态变量x = 吆 7 ，】，= 0 1 7 而彳，= f 要三0 ：菩 ，b 7 = 童l 兰o 。 j ，c = 壹兰； 而彳2 1 三：鲁i b 72 l 三。 c 2 【_ 暑三：j 的传递函数方程： 乞( 垆去【_ ( & 吃一 易( 垆爿纛( 吃一m ( 2 1 0 ) ( s ) = 击( & l ( s ) ) + & 如( 妫 相比式( 2 7 ) ，上式在口坐标系下s t a t c o m 的数学模型减少了变量个数， 口轴和轴正好是有功和无功分量，并且在该坐标系下两电流分量不存在耦合， 从而可以方便的分别控制s t a t c o m 的瞬时有功功率和无功功率。 1 7 江苏大学硕士学位论文 2 3s t a t c o m 主电路参数的设计 本文设计的s t a t c o m 定位在小容量的无功补偿，使用于3 8 0 v 的低压配电 系统，确定容量为5 0 k v a r 。在主电路参数设计中，包括对功率器件的选取、直 流侧电容容量的确定、连接电感值的确定等几部分。 2 3 1 开关器件的选择 合适的开关器件对主电路性能起到至关重要的作用。g t o ( 门极关断晶闸管) 通态压降低、容量大但是其关断时间长、工作频率低并且开关损耗较大； m o s f e t ( 功率场效应管) 驱动功率很小，开关速度快，但其通态压降和通态电阻 较大，耐压水平较低，适合于小功率( 数k 瓦及以下) 场合；i g b t 的电压、电 流等级已接近电力晶体管的水平，也已实现了模块化。为简化设计，功率器件选 用智能功率模块( i n t e l l i g e n tp o w e rm o d u l e ，简称i p m ) 。 i p m 采用微电子技术和先进的制造工艺，把功率器件与起控制作用的逻辑电 路、驱动电路、保护电路和监测电路组装在一起，主要完成信号放大，功率放大， 和各种保护( 包括过电流保护，短路保护，过热保护，欠压保护) 等功能。并且 可将监测到的故障信号送到d s p 中做中断处理。它由高速低功率的管芯、优化 的门极驱动电路以及快速保护电路构成，即使发生负载事故或使用不当，也可以 使其自身不受损坏。 参数主要根据装置的容量和直流侧电压的大小来选择。一般情况下为了保证 器件的可靠工作，器件的耐压水平应选择其工作中可能承受的最大值的两倍。直 流侧电压= 2 3 4 u ，u 为电源相电压2 2 0 v ，确定为5 1 3 v ，所以耐压水平选 择为1 0 2 6 v 为宜。这罩取1 2 0 0 v 。下面确定额定电流大小： 逆变器输出的电压最大值： ，： v 。= 半= 0 8 6 6 x 5 1 3 = 4 4 4 v ， z 逆变器输出电压实际的有效值为： u ，：u i m a x 协：竺x 0 9 5 0 9 5 ：2 8 3 v ， 1 8 江苏大学硕士学位论文 式中：考虑的最大调制度a = 0 9 5 ；考虑死区影响产生的系数p = o 9 5 。所以 在5 0 k v a r 的容量下的输出线电流，近似计算为： 一：50000：!qqqq：102a1 u 2 u 5 2 , 4 3 2 8 3 通态峰值电流l ： i m = 压x i n = 托1 0 2 = 1 4 4 2 a 考虑1 5 到2 的安全系数，取额定电流为3 0 0 a 。实际选择可以选择( 3 0 0 a ， 1 2 0 0 v ) 的i p m 模块。 2 3 2 直流侧电容的选取 直流侧电容用于为逆变器提供一个稳定的直流电压源。从某种意义上说就是 直流侧电容的充放电的过程，为了保证无功发生器的性能，必须维持直流侧电容 电压基本不变。 电容量的大小影响电压的波动。理论上说电容越大，电压波动越小。但电容 越大，成本也越高。许多参考文献都有对电容的设计给出了确定电容大小的估算 方法和公式。电容电压的波动以丌关损耗的有功进行衡量。确定了直流侧电压波 动范围和补偿容量就可以根据能量守恒和经验推导得到工程应用上估算电容大 棚经验城c _ 蒜 其中：0 2 补偿能量系数； k 允许直流电压波动系数，取o 5 1 ； 直流电容电压，取5 1 3 v ： 国系统电源频率，为1 0 0 n ； k 取o 6 时，c = 2 7 m f ，取电容容量为2 7 所f 。 2 3 3 连接电感的选择 对于连接电感的选择必须满足无功发生器对补偿电流的跟踪能力的要求，所 1 9 江苏大学硕士学位论文 以电感小能过大，过大会便得j c 艮跞电流焚抉缓慢，会导敛跟跞电流邶爹考电流z 间的误差较大。但是当电感选择太小，虽然动态相应快，但实际补偿电流相对于 期望补偿电流具有较大的超调，形成毛刺且容易造成系统振荡、工作不稳定。根 据文献【2 】可以确定： l d i ( ，t ) + r f ( f ) ：甜出( f ) 一甜，o ) n i 其中：甜，为负载侧交流电压值，为直流侧电压值，d i _ ( t ) 是参考电流的变 a t 化率。忽略电阻大小，可以得到：d 孺c - - u s m 觚矧 在电感值的选择时可参考工程上推导出的经验公式：三卷，考虑到 s t a t c o m 同时补偿谐波成分，假设补偿到1 5 次谐波，最大电感值应为： 兰兰兰! 三 ：o 4 7 聊日 所以诜取阵榷电感信为0 4 7 m h 。 2 4s t a t c o m 的保护电路 2 4 1i p m 的自保护功能 在s t a t c o m 系统保护电路中，i p m 的保护最为关键，i p m 内置有驱动和 保护电路，用以防止系统相互干扰或者过载时损坏功率芯片。它采用的故障检测 和关断方式使功率芯片的容量得到最大限度的利用。i p m 内置各种保护功能，只 要有一个保护电路起作用，i g b t 的栅极驱动电路就关闭，同时产生一个故障信 号。图2 8 为i p m 的功能框图。 图2 8i p m 的功能框图 2 0 江苏大学硕士学位论文 ( 1 ) 过电流保护( o c ) 由i p m 内藏的电流传感器检测各桥臂电流，当过电流时问超过允许时间时， i p m 就输出动作信号，并封锁输入信号，对模块实行软关断。在过流期间，i p m 不再接受输入信号；过流信号过后，输入信号才能导通。如果i g b t 中的电流超 过过流断开阀值且持续时间大于锄( 叫，i g b t 就会关断，t o f f ( ) i l o i , s ( 典 型值) 。电流在过流断开阀值以上，但持续时间小于锄( 。) 时，过流保护电路不 工作。 ( 2 ) 短路电流保护( s c ) 由i p m 内藏的电流传感器检测各桥臂电流，当短路电流超过