（电气工程专业论文）变压器耦合双桥式静止无功发生器的研究.pdf

r e s e a r c ho fs t a t i cv a rg e n e r a t o rb a s e do nt r a n s f o r m e rw i t ht w 0 b r i d g ei n v e r t e r s b y w u x i n g y a n g b e ( s h a n d o n gu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fs c i e n c e l n e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a n u n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rz h a n gz h i w e n m a y ，2 0 1 1 眦2洲9i609iiii_y 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：旦罗、铂日期：2 。1 年 口，9 日 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，允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文 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 或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囹。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 岩教斑日期：伊1 1 月期2 矽f 1 日日 惰何 月月 k j 年年 变压器耦合双桥式静止无功发生器的研究 摘要 由于电力电子用电设备被广泛地采用，由此可能造成电网电能质量下降。静 止无功发生器对电网电能质量具有明显的改善作用。但常规静止无功发生器存在 电压低、补偿容量小、响应速度慢等问题，使得目前没有大范围推广使用。本论 文研究了变压器耦合双桥式静止无功发生器，该静止无功发生器能够较好地解决 所存在的问题。本文的主要研究工作如下： 首先概述了无功补偿装置及其国内外研究现状。 接下来提出了新型静止无功发生器的拓扑结构，介绍了工作原理，建立了动 态数学模型。 然后研究了系统正序电压及无功电流的实时检测方法。采用低延时基波正序 无功电流检测算法，利用单相电压微分再联合该单相电压来构造电网电压的同步 旋转角，再从中提取基波正序无功电流分量，避免了锁相环节的延时，同时也克 服了一般基波正序无功电流检测方法在三相负荷不平衡时的局限性。 接下来分析比较了电流间接控制和电流直接控制的特点，着重分析了三角波 比较p w m 产生法和空间电压矢量p w m 产生法的电流直接控制法在所提静止无 功发生器中的应用。 最后对变压器耦合双桥式静止无功发生器进行了详细的仿真研究，结果表明， 该静止无功发生器既能实现单补偿( 仅补偿基波正序无功) ，也能实现全补偿( 补偿 基波正序无功、谐波电流和不平衡电流等) ，且性能较佳。通过搭建简化的实验平 台和实验研究，验证了文中所提算法的正确性、实时性和有效性。 关键词：变压器耦合；双桥式；静止无功发生器；低延时运行参数检测；电流控 制 a b s t r a c t t h ep o w e re l e c t r o n i ce q u i p m e n t sh a v eb e e nw i d e l yu s e dn o w a d a y s a n d t h a t w o u l dc a u s et h ed e c l i n eo ft h ep o w e rq u a l i t y t h es t a t i cv a tg e n e r a t o r h a s e t t e c t l v e f u n c t i o n st oi m p r o v et h eq u a l i t yo f t h ep o w e rg r i d b u tt h es t a t i cv a rg e n e r a t o r 1 ss t l l l n o tu s e dw i d e l yn o w a d a y s ，b e c a u s et h e t r a d i t i o n a l s t a t i cv a tg e n e r a t o rh a dt h e p r o b l e m so ft h e l o wv o l t a g el e v e l ，t h es m a l lc o m p e n s a t i n gc a p a c i t y , t h e s i o w r e s p o n s i b i l i t ya n ds oo n t h es t u d yo f t h es t a t i cv a rg e n e r a t o rb a s e do nt r a n s f o r m e r w i t ht w ot h r e e p h a s eb r i d g ei n v e r t e r si sg i v e ni nt h e d i s s e r t a t i o n ，a n dt h en e w s t a t l c v a rg e n e r a t o rc a ns o l v et h e s ep r o b l e m sw e l l t h em a i nr e s e a r c h i n g w o r k smt h l s d i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o w s ： f i r s to fa 1 1 ，t h ea r t i c l eo v e r v i e w e dt h er e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i n g d e v i c e sa n a t h e i rr e s e a r c h i n gs i t u a t i o n s a n dn e x t ，t h ea r t i c l ep r o p o s e dt h en e wt o p o l o g y s t r u c t u r eo ft h es t a t i c v 盯 g e n e r a t o r i n t r o d u c e di t sw o r k i n gp r i n c i p l ea n de s t a b l i s h e d i t sd y n a m i cm a t h e m a t i c a l m o d e l t h a n t h ed i s s e r t a t i o nr e s e a r c h e dt h er e a l - t i m ed e t e c t i o nm e t h o do f t h ep o s l t l v e s e q u e n c ev o i t a g ea n dt h ep o s i t i v es e q u e n c er e a c t i v ec u r r e n t p r o p o s e d t h el o wd e i a y d e t e c t i o nm e t h o do ft h ep o s i t i v es e q u e n c er e a c t i v ec u r r e n t ，w h i c hj o i n t e d t h es l n g l e p h a s ev o r a g ea n di t s d i f f e r e n t i a lt ot e c t o n i cs y n c h r o n o u sa n g l e ，a n d t h e ng o tt h e f u n d a m e n t a lp o s i t i v es e q u e n c er e a c t i v e c u r r e n tc o m p o n e n ta w a y t h i s d e t e c t i o n m e t h o da v o i d st h et i m ed e l a yo ft h ep l ls u c c e s s f u l l y t h i sd e t e c t i o n m e t h o da i s o w o r k sw h e nt h et h r e e p h a s ec u r r e n ti s u n b a l a n c e da n de v e nc o n t a i n st h eh a 珊o n l c c o m p o n e n t s a n dn e x t ， t h ea r t i c a la n a l y z e d a n dc o m p a r e dt h e c h a r a c t e r i s t i c s o ft h e i n d i r e c t c u r r e n t c o n t r o ls t r a t e g y a n dt h ed i r e c t - c u r r e n t c o n t r o l s t r a t e g y ， a n d e m p h a t i c a l l ya n a l y z e d t h ed i r e c t c u r r e n t c o n t r o ls t r a t e g y m o d u l a t i o ng e n e r a t i o n sb a s e do nt h et r i a n g l e sw a v ec o m p a r m g o ft h ep u l s e w i d t h a n dt h es p a c ev e c t o r p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ，a n d t h e i ra p p l i c a t i o ni nt h en e ws t a t i cv a rg e n e r a t o rp r o p o s e d i nt h ed i s s e r t a t i o n a tl a s tt h ed e t a i l e ds i m u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h a tt h en e ws t a t i c v a rg e n e r a t o r b a s e do nt r a n s f o r m e rw i t ht w ob r i d g ei n v e r t e r sc o u l dn o to n l yc o m p e n s a t e o n ep a no i t h ep o w e rg r i dn e e d e d ( o n l yc o m p e n s a t i n g t h ef u n d a m e n t a lp o s i t i v es e q u e n c er e a c t l v e c u r r e n t ) ，a n dc o u l da l s oc o m p e n s a t et h e w h o l ep a r t ( i n c l u d i n gt h e f u n d a m e n a l n l 变压器耦合双桥式静止无功发生器的研究 r e a c t i v ec u r r e n t ，h a r m o n i c c u r r e n t ，t h eu n b a l a n c e d c u r r e n ta n ds oo n ) t h e p e r f o r m a n c ei sv e r yg o o d i no r d e rt ov e r i f yt h ec o r r e c t n e s so ft h ep r o p o s e dm e t h o d ， r e a l - t i m ep e r f o r m a n c ea n de f f e c t i v e n e s s ，as i m p l i f i e de x p e r i m e n t a lp l a t f o r mi sm a d e ， a n ds o m ee x p e r i m e n t sa r ed o n ei nt h ep l a t f o r m k e y w o r d s ：t r a n s f o r m e rc o u p l i n g ；t w oi n v e r t e rb r i d g e s ： s t a t i cv a tg e n e r a t o r ； l o wd e l a yp a r a m e t e r sd e t e c t i o n ；c u r r e n tc o n t o r l i v 硕七学位论文 目录 学位论文原创性声明和版权使用授权书i 摘j 1 8 邑i i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论l 1 1 课题研究的背景及意义1 1 2 无功补偿装置及其国内外研究现状2 1 2 1 无功补偿装置的基本状况一3 1 2 2 无功补偿装置的国内外研究现状5 1 3 本课题研究的主要内容6 第2 章新型静止无功发生器的系统结构及其工作原理一8 2 1 静止无功发生器的基本结构8 2 2 新型静止无功发生器的系统结构9 2 3 动态无功功率补偿的基本工作原理及其作用l o 2 3 1 动态无功功率补偿的原理1 0 2 3 2 新型静止无功发生器的原理及其作用一1 2 2 4 静止无功发生器的动态数学模型一1 4 2 5 小结17 第3 章系统正序电压及无功电流的实时检测一1 8 3 1 瞬时功率理论及其应用18 3 2 系统正序电压的实时检测。2 l 3 2 1 传统基波正序电压检测方法2 1 3 2 1 低延时基波正序电压检测方法2 4 3 3 基波无功电流的实时检测2 7 3 3 1 f 。一f 。检测法2 7 3 3 2 - i 。检测法2 8 3 3 3 低延时基波正序无功电流检测法3 0 3 4 小结3 2 第4 章静止无功发生器装置的控制方式3 4 4 1 静止无功发生器装置控制方法概述3 4 4 2 电流间接控制法3 5 4 2 1 单万控制法3 5 变压器耦合双桥式静止无功发生器的研究 4 2 2 艿与秒混合控制法3 7 4 3 电流直接控制法3 8 4 3 1 三角波比较p w m 产生法3 9 4 3 2 空间电压矢量p w m 产生法4 1 4 4 以、结4 5 第5 章新型静止无功发生器装置仿真与实验分析4 6 5 1 新型静止无功发生器装置结构4 6 5 1 1 新型静止无功发生器装置的主电路结构4 6 5 1 2 新型静止无功发生器装置的控制结构4 8 5 2 新型静止无功发生器装置的仿真分析4 9 5 2 1 新型静止无功发生器装置基波正序电压检测算法仿真4 9 5 2 2 新型静止无功发生器装置基波正序无功电流检测算法仿真5 1 5 2 3 新型静止无功发生器装置控制算法仿真一5 3 5 3 静止无功发生器装置的实验分析5 6 5 4d 、结6 0 结论6 l 参考文献6 3 致 谢6 7 附录a 攻读硕士学位期间所发表的学术论文目录6 8 附录b 部分硬件原理图和p c b 图6 9 h 硕十学位论文 第1 章绪论 本章首先介绍了本课题的研究背景和实际意义，然后介绍了电力系统在无功 功率补偿方面的发展历程及一些传统且常见的无功功率补偿装置。接下来介绍了 目前广受关注的静止无功发生器的理论研究和实际工程应用方面的发展状况，以 及目前世界各国在电力系统无功功率补偿方面的研究现状，最后说明了本课题的 主要研究内容及其在本论文中的具体体现。 1 1 课题研究的背景及意义 电能是由一次能源转换的二次能源。电能既适合于大量生产、集中管理、自 动化控制和远距离输送，又具有方便使用、洁净、经济的特点。用电能来代替其 他形式的能源，可以大大提高能源的利用效率，是节约总能源消耗的一个重要途 径。因此，电能被极其广泛地应用于工农业、商业贸易、交通运输业，通信业以 及人民大众的日常生活中【。 发电厂是把其他形式的能源转换为电能的环节，电能经过变压器和不同电压 等级的输电线路输送并被分配给用户，再通过各种用户用电设备把电能变换成适 合用户需求的其他能量形式。这些生产、输送、分配和消费电能的各种用电设备 连接在一起而构成的整体就称为电力系统。而整个电力系统最根本、最主要的任 务就是稳定、安全、可靠地把质量合格的电能送到用户侧【2j 。 随着社会经济的发展、人民生活水平的不断提高，社会对电力的依赖程度越 来越大，用户对电能质量的要求也越来越高【3 l 。某些电力用户不单单要求供电的 连续可靠，还对供电的电压、电网的频率和波形有特殊的要求。特别是伴随着高 科技、高精度现代化企业的发展，对电网的供电质量具有严格的要求。此外，各 种自然灾害、电力设备故障、输电线路故障、突发事件等，也都会给电网的电能 质量带来一定的影响【4 j 。 电能质量是由一系列指标来衡量的。按照我国颁布的电能质量标准，衡量电 网电能质量的指标主要是电压、频率、波形、电压波动与闪变和三相不平衡度等 5 1 。在电力走向市场化的今天，研究电能质量问题要把电力用户“感受”到的电 能质量不合格，或者说电能质量扰动是否会给电力用户带来不良影响，作为考虑 问题的重要方面。电压是衡量电网电能质量的一个重要指标。电力用户需求的、 合格的电压应该在电网供电电压偏移、电压波动和闪变，电网谐波和三相不平衡 度这四个方面都能满足国家的相关标准规定要求。保证电力用户受电端的电压 接近于电压额定值是整个电力网运行调整的基本任务之一。 变压器耦合双桥式静止无功发生器的研究 然而，整个电力网各处的运行电压水平取决于电网无功功率的分布与平衡。 电力系统中各处各种无功电源的无功功率输出应能满足整个电网各个部分在其相 应的设计电压条件下电力网损耗和对应时刻电网负荷的无功功率需求，不然电网 电压就会偏离电网各处相应的额定电压值，造成电网电能质量不达标，影响整个 电网安全、稳定、经济地运行和电力用户的生产、生活。控制电压稳定的基本原 则是预防整个电网各处出现过高、过低的电压情况，确保整个电力网各点在指定 的稳定电压工作点上持续运行，以达到为电力用户提供符合电网电能质量要求的 电能1 6 j 。 电网无功功率在电气技术领域是一个必不可少的物理量。无功电源具有与有 功电源同等的重要性，是保证整个电力网电能质量、降低电力网电能损耗以及保 证整个电网安全运行所不可缺少的部分。然而，从改善电压质量和降低电力网络 功率损耗考虑，应尽量避免大量的无功功率在电力网中的传送。所以，仅仅从整 个电力网的角度来研究无功功率的平衡还是不够的，更重要的是要分地区分电压 等级地研究无功功率平衡问题【6 】。因此，根据系统无功功率平衡的需求，在必要 的地方增添适当的无功补偿装置，按照无功功率就地补偿的原则进行无功补偿容 量的分配，更有利于整个电网的安全、稳定、经济运行【7 。8 1 。在整个电力网中，适 当地点、合适容量的无功功率补偿对电力网有着十分重要的意义，概括起来如下： ( 1 ) 可以减少电力网线路损失，提高电力网的有功功率输送能力。 ( 2 ) 提高整个电力网供电系统及其负载的功率因数，减少功率损耗、降低 设备的设计容量。 ( 3 ) 稳定电网电力用户受电端及相应电网的电压值，提高电力系统供电的 电能质量。 ( 4 ) 改善整个电力系统的稳定性，提高电力网输电能力，提高发电机有功 输出能力，并提供一定的系统阻尼值。 ( 5 ) 避免电力系统的电压崩溃和稳定性遭破坏事故，提高电力系统运行的 安全性。 ( 6 ) 降低相关设备发热的情况，延长对应设备的使用寿命，改善部分设备 的利用效率。 1 2 无功补偿装置及其国内外研究现状 无功功率补偿装置经过数十年的发展，形成了结构不同、原理各异、种类繁 多的无功功率补偿装置形式。电力电子技术、信息处理技术和计算机技术的发展 和现代控制技术领域的研究突破，使无功功率补偿技术有了较大的发展空间，特 别是诞生了一些基于电力电子技术，具有信息化、智能化、高效率的无功功率补 偿装置1 9 - 1 。 2 石贝上学位论文 1 2 1 无功补偿装置的基本状况 电力系统中成规模使用的无功功率补偿装置从最原始的电力电容器开始，历 经了电力电容器组无功补偿器、同步调相机无功调节器、并联电抗器无功补偿装 置、静止无功补偿器( s t a t i cv a rc o m p o s e r s v c ) ，直至当今受到众多专家学者广泛 重视的静止无功发生器几个不同的阶段，如图1 1 所示。无功功率补偿装置朝着 信息化、高效率、智能化的方向不断发展【6 】。 无功补偿装置 电容器补偿 早期无茎补偿装卜- 斗一同步调相机置lil ”。9 ”1 ” 现代无功补偿装 置 并联电抗器 静止无功补偿器 ( s v c ) 静止无功发生器 ( s t a t c o m ) 晶闸管投切电抗 器( t c r ) 晶闸管投切电容 器( t s c ) t c r + f c ( 固定 电容器) 各种装置的混合 图1 1 无功功率补偿装置 l 、电力电容器阶段 电力电容器在电力系统无功功率补偿方面有并联和串联两种连接方式。并联 电容器是指采用并联连接的方式接入电网，主要用于补偿电力系统中感性无功部 分；串联电容器是指采用串联连接的方式接入电网，主要用于补偿对应线路等效 感抗、降低对应线路感性无功功率的流动和提高输电线路受电端的电压值。但在 实际应用中，由于各方面原因，电容器一般采用并联形式的连接方式，除了某些 特殊情况下才使用串联的连接方式。 当今，并联电容器在电网无功功率补偿方面起着巨大的作用。然而，并联电 容器存在的一个致命的缺点就是电容器的无功功率输出在电压降低时，快速降低； 在电压升高时，无功功率输出反而增加。这与电力系统的理想需求有所出入。同 时，电容器并不能真正意义上实现动态调节无功功率输出，无法满足电力系统时 时刻刻变化的无功功率需求。这就使得电力科研人员不断探索新的无功补偿方法， 根据电力系统无功功率的特点，以便更好的满足电力系统无功功率的实际需求。 2 、同步调相机阶段 调相机( s y n c h r o n o u sc o n d e n s e r s c ) 是一种典型的无功补偿装置，其实质相当 3 变压器耦合双桥式静止无功发生器的研究 于空载运行的同步电动机。当它在过励磁状态下运行时，可以向电力系统提供感 性无功功率，作为电力系统感性无功电源使用；而当它在欠励磁状态下运行时， 它可以吸收电力网中的感性无功功率，作为电力系统容性无功电源使用。由于其 可以对输出的无功功率性质进行连续调节，特别是当同步调相机装设有自动励磁 调节装置时，能根据其装置地点的电压情况平滑地调节同步调相机的输出无功功 率情况，从而达到调节电压的目的。所以同步调相机曾被广泛地应用于电力系统 无功功率控制方面，在电力系统无功调节中发挥着巨大的作用。但是同步调相机 其本质是一个运动着的机械，运行维护复杂。同时它的有功功率损耗较大，运行 噪音大，响应调节速度较慢，而且在容量较小时投资费用也较大，经济性不好。 所以到二十世纪七十年代后，逐渐被静止无功功率补偿装置所替代。 3 、并联电抗器阶段 并联电抗器是较早应用于电力系统无功补偿的一种装置。在超高压远距离输 电线路中，当线路空载或者轻载运行时，有大量的容性无功功率过剩。因此，采 用并联电抗器补偿装置对线路进行无功功率调节是十分必要的。同时，在超高压 远距离输电线路中，高压电抗器还具有限制电压过高、平衡无功功率的作用，有 利于整个系统的单相重合闸和电力系统稳定性的提高。但由于并联电抗器自身的 一些特点，运行中噪音和振动较大，同时为减少漏磁，电抗器的铁心设计较为复 杂，并且有可能增加系统谐振的危险。 4 、静止无功补偿器阶段 静止无功功率补偿器( s t a t i cv a rc o m p e n s a t o r s v c ) 是指输出随电力系统特定 的控制参数而变化的、并联连接的静止无功功率发生装置或者无功功率吸收装置。 静止无功功率补偿器的基本功能是连续而且迅速地控制无功功率的输出，并通过 发出或吸收无功功率来控制装置所在地点的电力网的电压值。s v c 有着良好的性 能，能够快速、平滑地调节无功功率的输出，实现系统无功功率的动态补偿，并 且其运行损耗较低、维护方便简单。所以，近年来，在实践范围内，其一直得到 广泛地关注，市场地位也在迅速而稳定的增长，并逐渐占据了电力系统无功功率 补偿装置的主导地位。当今常见的s v c 主要有：晶闸管控制电抗器( t h y r i s t o r c o n t r o lr e a c t o r t c r ) 、晶闸管投切电容器( t h y r i s t o rs w i t c hc a p a c i t o r t s c ) 、晶闸 管投切电抗器( t h y r i s t o rs w i t c hr e a c t o r t s r ) 等形式。 5 、静止无功发生器阶段 直到二十世纪八十年代，伴随着大功率电力电子技术的发展，传统的机械式 开关逐渐被高电压大容量的电子式开关所替代。尤其是随着高电压大容量的可关 断电力电子器件( 如g t o 、i g b t 、i g c t 等) 的推出和成熟，一种更为先进的静止 无功功率补偿装置一一静止无功发生器( s t a t i cv a rg e n e r a t o r s v g ) 被提出了。这种 静止无功发生器采用自换向变流电路形式，基于可关断电力电子器件的电压源( 或 4 坝士学位论文 宣i i i i i 皇i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i t i l l i i i i i i 者电流源) 逆变拓扑形式。s v g 具有众多优点：能够提高高电压和超高电压等级 电力系统中有功功率输送能力，提高整个电力系统的静态稳定性、暂态稳定性， 加强电力系统功率震荡阻尼，稳定电压水平，调节电力系统无功功率分布情况等。 与静止无功功率补偿器相比，静止无功发生器具有众多无法比拟的优点：系 统的响应速度更快，系统的运行范围更加宽泛，且给电力网带来的谐波污染更加 少，最重要的是，该系统在电力网电压值降低时仍可以向电力系统输出较大的无 功功率，以减缓系统电压的继续下降。于此同时，该系统的储能元件( 电压源型是 电容器，电流源型是电感) 所需的容量要远远小于它所能够提供的无功容量1 6 j 。 1 2 2 无功补偿装置的国内外研究现状 伴随着社会工商业的快速发展，电网中的功率需求也时刻发生着巨大的变化， 尤其是冲击性负荷日益增多，像电气化机车、地铁系统、功率变流装置、大型轧 钢机等。这种类型的用电设备往往具有频繁启动、启动过程剧烈、电流强度和变 化较快等特点，所以这些用电设备在使用中常常需要吸收电网中大量的动态无功 功率，造成电力网相应地段母线电压的快速波动，对电网的稳定性带来严重的不 利影响i l 引。由于，静止无功发生器具有众多优点，同时在日趋发展成熟的大功率 电力电子器件的支持下，s v g 作为一种新型的静止无功补偿调节装置，并已经成 为现代无功功率补偿装置的发展方向，成为国内外电力行业技术人员的重点研究 对象。但是，由于电力系统的非线性特点和系统中电力负荷的参数多变性的原因， 围绕着s v g 的工程化方面还有很多问题并没有得到很好的解决，还需要做大量理 论和实际工程方面的应用、技术研究1 7 j 。 自从1 9 7 6 年美国学者l g y u g y i 提出了采用半导体型变流器来实现无功功率 补偿的理论以后，其在世界各地的电力科学研究领域受到了极大的关注，各国电 力科研人员都积极地投入到静止无功发生器的研究领域，不断对其进行了大量的 理论与实际工程应用方面的研究。大量科研工作的开展，使得静止无功发生器得 到了长足的发展，不仅仅在理论研究方面取得了较多的研究成果，同时在实际的 工程应用领域也获得了骄人的成绩，特别是实验性的工程应用有着较大的发展， 为静止无功发生器以后的进一步发展奠定了基础【7 1 。 在l9 8 0 年1 月，世界上首台投入运行的静止无功发生器由日本关西电力公司 与同本三菱电机公司共同合作研制。其补偿容量高达2 0 m v a ，该系统使用了晶闸 管器件，采用了强制换向的电压源型逆变器拓扑结构。在19 8 6 年l o 月，世界上 第一台使用大功率g t o 作为变流元器件的静止无功发生器在美国投入运行。这套 系统的补偿容量为1m v a ，是由美国国家电力研究院( e p r i ) 和美国西屋公司共同 开发研制。后来，日本关西电力公司与日本三菱电机公司又研制出基于大功率 g t o 补偿容量为8 0 m v a 的静止无功发生器，并成功运用于日本犬山变电站；而 标志着国内在这一领域取得了骄人的成果。同时，国内的其他科研单位和各大高 校也积极投入到相关领域的研究工作中，各个方面的多种努力推动了静止无功发 生器在我国的发展。然而，由于各种原因，目前实际静止无功发生器装置在系统 中的应用都带有一定的实验性目的，要实现大范围、普及应用还有很多的研究工 作需要做，还有不少的实际应用性问题需要解决。 1 3 本课题研究的主要内容 本课题在项目组的资助下开展了一系列研究：静止无功发生器拓扑结构研 究、系统运行参数检测算法研究、控制策略研究、并网滤波器研究等。在本文中， 利用瞬时功率理论算法，解决了电网无功电流的检测难题：借助于m a t l a b s i m u l i n k 仿真技术，完成电力网基波正序电压和基波正序无功电流的检测仿真；同时，利 用m a t l a b s i m u l i n k 仿真软件，对新型静止无功发生器装置整体装置进行仿真研 究。开展本课题有助于使我国电力行业的电能质量得到一定的提高，更好的适应 社会工商业的发展需求；同时，有助于研究在我国大范围推广电动汽车所要大量 建设的电动汽车充电站、换电站对我国电力系统电能质量的影响以及提供一种可 行的解决方案。因此，开展本课题具有较大的社会意义和经济意义。 本文的主要研究工作如下： ( 1 ) 提出一种新型静止无功发生器的拓扑结构，以便在一定程度上缓解传统 静止无功发生器为实现高电压、大补偿容量的期望与电力电子器件本身的电压等 级、电流流通能力问题的矛盾。通过对其建立数学模型，分析新型拓扑结构的实 现原理。分析新型静止无功发生器与传统无功功率补偿装置的工作原理与应用方 面的问题，得出新型静止无功发生器具有的优势与实际应用意义。 ( 2 ) 利用瞬时功率理论，分析静止无功发生器装置常用的系统瞬时正序电压、 实时基波无功功率电流的检测与实现方法。分析各种检测算法的优劣，并采用适 合于本系统的实时信号检测方法。 ( 3 ) 在准确、快速的得到相应的系统运行参数的情况下，分析目前常用的各 6 硕十学位论文 种控制算法的特点，主要关注电流直接跟踪控制法，重点分析了三角波比较p w m 产生法和空间电压矢量p w m 产生法这两种控制方法。在m a t l a b s i m u l i n k 仿真软 件中搭建仿真模型，对基于三角波比较p w m 产生的电流直接控制法进行仿真研 究，并在后面的实验性样机下作进一步验证。 ( 4 ) 通过以上分析、研究，开发一套原理性样机系统，搭建补偿容量为 3 3 k v a r 2 2 0 v 的s v g 系统实验性平台，验证本文内容。 7 变压器耦合双桥式静止无功发生器的研究 第2 章新型静止无功发生器的系统结构及其工作原理 本章首先介绍了静止无功发生器装置的基本结构，然后基于目前的一些静止 无功发生器装置的拓扑形式，提出一种新的静止无功发生器装置拓扑结构。接下 来介绍了动态无功功率补偿的基本原理和静止无功发生器装置进行无功功率补偿 的基本方法，最后简要说明了新型静止无功发生器装置与传统静止无功发生器装 置相比的一些特点和作用。 2 1 静止无功发生器的基本结构 静止无功发生器装置的主电路一般由一个变流器、控制器和输出滤波器等多 个部分组成。变流器一般又可以分为交流部分和直流部分。首先静止无功发生器 装置先从电力网中吸收电能，经过整流器将交流电能转变为直流电能并存储于对 应的储能元件中，然后再借助于其中的逆变装置将得到的直流电能逆变为交流电 能，其大小、频率和相位都可调。然后通过输出滤波装置后直接与电力系统相连 接。因此，静止无功发生器装置可以看成是一个交流电源。根据静止无功发生器 装置中的储能元件的不同，可以把s v g 分为电压源型和电流源型。当采用电容为 系统中的直流储能元件，则为电压源型；当采用电感为系统中的直流储能元件， 则为电流源型1 6 j 。 随着电力电子技术的不断发展，各种功率元器件的不断成熟，原本在静止无 功发生器装置中普遍使用的功率器件g t o 渐渐被代替，如：绝缘栅双极型晶体管 i g b t 、集成门极换流晶闸管i g c t 等1 7 j 。目前较为常见的基于i g b t 的三相电压 源型和电流源型静止无功发生器的逆变部分基本简化结构分别如图2 1 ( a ) 、2 1 ( b ) 所示 1 3 1 。 ( a ) 电压源型s v g 基本结构( b ) 电流源型s v g 基本结构 图2 1 基于i g b t 静止无功发生器的常见结构 理论上讲，电压源型s v g 与电流源型s v g 都可以达到系统动态无功功率补 偿的目的。但实际应用中大多采用电压源型的拓扑结构1 6 l 。 8 硕十学位论文 2 2 新型静止无功发生器的系统结构 传统的应用于三相输配电线路中的静止无功发生器装置的基本结构如图 2 1 ( a ) 、2 1 ( b ) 所示。但由于受到当前电力电子技术的限制，单个i g b t 功率元件 的电压等级、电流承载能力，严重限制了静止无功发生器装置的发展状况和应用 前景。为克服此问题，各种各样的电路辅助设计被提出了。常见的有：采用多电 平逆变拓扑结构，降低单个功率i g b t 元件承担的的电压；曲折变压器多重化技 术，通过多个逆变单元的叠加来提高整个装置的补偿容量；电力电子功率元器件 的串并联技术，通过功率元件的串并联组合成一个器件单元，实现提高单个器件 单元的承受电压能力、电流流通能力来提高整个装置的补偿容量和应用电压等级。 为使静止无功发生器装置实现高电压、大补偿容量的目的，电力科研人员积 极工作、努力研究，出现了较多的科研成果，并在中国专利局记录有较多的专利。 如华中科技大学在2 0 0 4 年申请的编号为2 0 0 4 1 0 0 6 0 6 6 3 的一种大容量静止无功 发生器专利。该专利的单相简化结构如图2 2 所示。其基本思想是通过耦合变 压器将多个容量较小的静止无功发生器装置组合起来。将变压器一次绕组与电力 网相联接，并在变压器的二次侧n 个单独绕组中注入大小相等、相位相同的基波 无功补偿电流，从而实现加大整个补偿装置的补偿电流。其中单个补偿单元的容 量并不大，实现了使用电压等级较低、电流流通能力有限的功率器件来满足实际 需要的高电压、大补偿容量静止无功功率补偿的目的【1 4 17 1 。 一次侧 八人 l n 二次侧 图2 2 一种大容量静止无功发生器的单相简化结构 上述专利，虽可以达到加大装置无功功率补偿容量、提高装置应用电压等级 的目的，但是由于其中变压器二次侧绕组数量较多、变压器的设计比较复杂、整 个装置的体积也很庞大，固然在很大程度上影响了装置的应用范围和经济性。同 时，由于其中使用的功率器件i g b t 较多，其控制电路较为复杂。若采用分开单 独控制，则需要多个控制信号发生与驱动装置，而且会带来各个逆变单元的控制 部分之间的通信与控制信号同时性问题；若采用个控制控制单元来控制多个逆 变单元，则又将带来控制信号的干扰、各个逆变单元的控制信号同时性、控制信 号的衰减等问题、整个系统运行稳定性。同时，由于变压器二次侧绕组数过多加 9 率，减小自身损耗【19 1 。 电力网 e 整流器l d 整流器2逆变器2 c 1 c 2 c 3 c l 5 图2 3 新型静止无功发生器装置三相简化结构 本文中提出的新型静止无功发生器装置是采用电压源型逆变电路结构。其主 要包括两套相同的整流系统、两套相同的逆变系统、耦合变压器、l c r l ( 感容 阻感型) 输出滤波装置等。在系统补偿容量相同的情况下，该结构可以简化上述专 利中的变压器的设计难度，提高变压器的稳定性、安全性。而分析在电力系统稳 态情况下单个电压源型逆变拓扑电路时，可见采用这种结构，在i g b t 器件截止 期间，每个器件所承受的电压为传统逆变拓扑所用i g b t 器件的一半，因此理论 上采用这种结构可以进一步扩大装置的补偿容量、提高装置的应用电压等级。输 出侧的l c r l 结构滤波器可以有效的滤除逆变器输出的高次谐波部分，并能很好 的保留根据电力系统需要而发出的动态的无功电流，同时具有较好抑制与电网谐 振的作用1 9 j 。该系统可以大大降低了整个系统控制部分的设计难度，提高设备工 程应用的可行性、可靠性、经济性等。 2 3 动态无功功率补偿的基本工作原理及其作用 2 3 1 动态无功功率补偿的原理 电压是衡量电能质量的一个重要指标，而电力系统的运行电压水平又取决于 i o 硕十学位论文 电力系统无功功率的分布与平衡。因此，对电力系统的无功功率进行控制是十分 必要的。当电网电压偏低于额定电压值时，应当给电力网注入无功功率使电网电 压维持在额定值附近；当电网电压偏高于额定电压值时，应当从电力网中吸收无 功功率使电网电压维持在额定值附近。在此，首先对静止无功发生器装置改善电 网电压的基本工作原理做一个简要的说明 6 , 2 0 】。如图2 4 所示，当由于某些原因造 成静止无功发生器装置接入点电压发生变化时，该装置可以在控制器的控制下快 速、连续、动态地调整装置输出的无功功率的性质和大小，来维持装置接入点的 电压稳定性。图中，u 。为电力系统电源侧电压，u 。为负荷侧静止无功发生器装置 接入点未接入静止无功发生器装置之前的电压，u ：为负载侧静止无功发生器装置 投入运行后装置接入点的电压，j 。为流过电力线路的电流，为流过负载的电流， l 为s v g 输出的补偿电流，z 。= 尺。+ 膨。为电力系统传输线、变压器等的等效阻 抗，