（电力系统及其自动化专业论文）基于igbt的大容量dstatcom主电路研制.pdf

_ l - 一t ；舻 旷， 声明尸明 型f ijii i i i j i i j i i j p i j i i j j ii i f i i ii i l l l 舳 y 17 8 5 9 0 4 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于i g b t 的大容量d s t a t c o m 主 电路研制，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作 和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：觌：? 巾3 、墨 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：兰f 登；! 日期：2 1 垒：i ：蒸 导师签名： 日期： 一 1 妒， t 、毪 、j ，： ， ：一 ：t i 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 电网中的无功、谐波、不对称电流，严重威胁着电网的安全运行。配电网静止同步 补偿器( d s t a t c o m ) ，作为新一代补偿装置，以其精确、快速、全面补偿等优良性能 引起了国内外科研与工程领域的广泛关注。 本文对d s t a t c o m 的主电路结构进行了深入的研究，首先介绍了d s t a t c o m 的 基本拓扑结构，然后分析比较了各种d s t a t c o m 主电路拓扑结构，接着建立了 d s t a t c o m 主电路的数学模型，给出了主电路参数的计算方法，同时探讨了主电路开 关器件的驱动和保护，最后进行了m a t l a b 仿真实验。实验结果表明本文所设计主电路 具有快速补偿无功、谐波、不对称电流的综合性能。 关键词：静止同步补偿器，主电路拓扑结构，i g b t 驱动保护，m a t l a b 仿真 a b s t r a c t r e a c t i v e ，h a r m o n i ca n da s y m m e t r yc u r r e n ti nt h ep o w e rn e t w o r k ，s e r i o u s l ya f f e c t st h e s a f eo p e r a t i o no fp o w e rn e t w o r k a san e wv a rc o m p e n s a t o r ，t h es 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 ( d s t a t c o m ) a t t r a c t se x t e n s i v ea t t e n t i o nf o ri t sp e r f e c tp e r f o r m a n c c s u c ha sa c c u r a t e ，i m m e d i a t ea n ds y n t h e s e sc o m p e n s a t i o n i nt h ep a p e r t h em a i nc i r c u i to fd - s t a t c o mi ss t u d i e dd e e p l y f i r s t l yt h eb a s i c t o p o l o g yo ft h ed s 玑蛆c o mi si n t r o d u c e d t h e n ，a l lk i n d so fd s 丑盯c o mm a i n c i r c u i tt o p o l o g yi sa n a l y z e da n dc o m p a r e d i ns u c c e s s i o n t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo f d - s t 声汀c o mi se s t a b l i s h e d ，a n dt h em e t h o dt oc a l c u l a t ek e yp a r a m e t e ri sp r e s e n t l a t e r , t h ed r o v ea n ds h i e l do ft h ei g b ti sa p p r o a c h e d a tl a s t m a t l a bs i m u l a t i o ns i m i l a t i o n e x p e r i m e n ti sp r o c e e d e d t h er e s u l ts h o w st h a tt h ed e s i g n e dd e v i c ec a nc o m p e n s a t e r e a c t i v e ，h a r m o n i ca n d a s y m m e t r yc u r r e n t w a n gz h o u ji e ( p o w e rs y s t e ma n di t sa u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f c h a n gx i a n r o n g k e yw o r d 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 ( s t a t c o m ) ，m a i nc i r c u i t ，i g b td r i v e m o n o l i t h i cc i r c u i t ，m a t l a bs i m u l a t i o n 咯 嚏 华北电力大学硕士学位论文目录 目录 中文摘要 英文摘要 第一章引言1 1 1 谐波、无功和不对称电流的产生原因及其危害和不良影响l 1 1 1 谐波、无功和不对称电流的产生原因1 1 1 2 谐波、无功和不对称电流的危害2 1 2 目前常用补偿设备比较4 1 2 1 低压无功补偿装置4 1 2 2 无源滤波装置4 1 2 3d s t a t c o m 装置5 1 3s t a t c o m 和d - s t a t c o m 概念及提出5 1 4d - s t a t c o m 的研究现状7 1 5 课题主要研究内容7 第二章主电路拓扑分析8 2 1d s t a t c o m 的基本拓扑8 2 1 1 电压型逆变器和电流型逆变器8 2 1 2 三相三线制和三相四线制主电路结构9 2 2 提高d - s t a t c o m 容量的主要措施 1 4 ，1 5 1 l 2 3 几种常见主电路结构比较1 2 2 3 1 多重化结构1 2 2 3 2 多个逆变器并联结构1 2 2 3 3 多电平逆变器1 3 2 4 本章小结2 0 第三章基于ib b t 的主电路设计2 1 3 1 主电路结构选择2 1 3 2 主电路参数选择2 2 3 2 1 主电路数学模型2 2 3 2 2 直流电容和电容电压值选择2 3 3 2 3 电感选择2 5 3 2 4i g b t 选择2 5 3 3i g b t 驱动电路的设计2 6 3 3 1 栅极正偏压2 6 华北电力大学硕士学位论文目录 3 3 2 栅极负偏压 3 3 3 栅极电阻r g 3 4i g b t 保护电路设计 3 4 1 过流保护 3 4 2 过压保护 3 4 3 过热保护 ”3 5 本章小结 第四章d - s t a t c o m 的m a t l a b 仿真 4 1d - s t a t c o m 的m a t l a b 仿真 4 1 1 系统电源仿真模型 4 1 2 负荷仿真模型 4 1 3d - s t a t c o m 装置模型 4 2 仿真结果及分析 4 3 本章小结 第五章总结与展望 5 1 结论 5 2 后续工作 参考文献： 致谢 在学期间发表的学术论文和参加科研情况 2 6 2 7 2 7 2 7 2 8 3 0 3 0 3 1 3 1 3 1 3 2 3 2 3 4 3 9 4 0 4 0 4 0 4 l 4 5 4 6 华北电力大学硕士学位论文 第一章引言 近年来，随着我国经济与社会的快速发展，人们对高质量电力能源的需求日益 增加。然而，电力电子装置等非线性负载的大量使用，使得电网中的无功和谐波问 题日趋严重。此外，电网中三相不对称负载产生的负序、零序电流也对电网和用户 造成一系列危害，对供电质量产生很大的影响。电网谐波、无功和负序电流补偿已 成为电力系统领域所面临的一个重大课题，j 下在越来越受到人们的关注，成为近年 来各方面关注的热点之一1 1 4 1 。 1 1 谐波、无功和不对称电流的产生原因及其危害和不良影响 1 1 1 谐波、无功和不对称电流的产生原因 1 1 1 1 谐波来源 电网谐波来自于3 个方面【5 。7 1 ： 1 ) 发电源质量不高产生谐波，主要来自发电机； 2 ) 输配电系统产生谐波，主要来自电力变压器； 3 ) 用电设备产生的谐波。 在电力电子装置大量应用之前，最主要的谐波源是电力变压器的励磁电流，其 次是发电机。近三十年来，电力电子装置的应用日益广泛，特别是晶闸管整流在电 力机车、铝电解槽、充电装置、开关电源等许多方面的广泛应用，给电网造成了大 量的谐波，经统计表明：由整流装置产生的谐波占所有谐波的近4 0 ，这是最大的 谐波源。此外，电网中的主要谐波源还有在风机、水泵、电梯等设备中应用的变频 装置，电弧炉、电石炉、气体放电类电光源、家用电器等。 1 1 1 2 无功来源 在工业和生活用电负载中，感性负载占有很大的比例。感应电动机、变压器、 传统的日光灯镇流器等都是典型的感性负载。感应电动机和变压器所需要的无功功 率在电力系统所提供的无功功率中占有很高的比例。电力系统中的电抗器和架空线 等也需要一些无功功率。一些电力电子装置，特别是各种相控装置，如相控整流器、 相控交流电力调节装置等，在工作时基波电流滞后于电网电压，要吸收大量的无功 功率。工业用电弧炉在工作时，不但要吸收大量的无功功率，且因其电弧不稳定， 所吸收无功功率的波动也很大。所有这些负载在正常工作时，都需要大量的无功功 率。 华北电力大学硕士学位论文 1 1 1 3 不对称电流来源 不对称电流主要由系统的不对称运行产生，而不对称又分为长时间不对称和短 时间不对称运行两种【7 1 。 长时间不对称运行负荷包括： 1 ) 负荷是单相负荷，分别接于三相电源上时，易出现不对称情况。如生活用 电负荷、电炉等；或者经过交流整流变为直流而为单相负荷，如电气机车。 2 ) 各相线路阻抗不对称。 3 ) 输电线的非全相运行。仅有a 、b 相或b 、c 相运行等。 短时间的不对称运行包括： 1 ) 发电机、变压器、线路的两相或单相故障( 短路、接地或断相) 。如带电合刀 闸，造成三相短路，一相烧断后发展为两相短路；液压机构不好造成开关非全相闭 合或断开，引起非全相运行；变压器高压套管下引线烧断，造成高压侧一相断线； 变压器高压侧一相未断开，另外两相断线等等； 2 ) 三相重合闸开关跳闸与合闸时三相触头不同时断开或接通造成短时不对称。 当发电机、变压器及线路的二次保护拒绝动作或未到动作时间而动作时，系统中产 生的负序电流对发电机、变压器、供电线路以及所接负荷均将产生不利影响。 其中最严重的危害是来自系统中短时间的不对称运行故障。 目前在我国，电气化铁路和交流电弧炉产生的不对称电流占电力系统中不对称 电流的主要部分【们。 1 1 2 谐波、无功和不对称电流的危害 1 1 2 1 谐波危害 谐波对电网和其他系统的危害大致有以下几个方面【5 l ： 1 ) 谐波使电网中的元件产生附加的谐波损耗，降低了发电、输电及用电设备 的效率，大量的3 次谐波流过中性线时会使线路过热甚至发生火灾； 2 ) 谐波影响各种电气设备的正常工作。谐波对电机的影响除引起附加损耗外， 还会产生机械振动、噪声和过电压，使变压器局部严重过热。谐波使电容器、电缆 等设备过热、绝缘老化、寿命缩短，以至损坏； 3 ) 谐波会引起电网局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，这就使上 述1 ) 和2 ) 的危害大大增加，甚至引起严重事故； 4 ) 谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，并会使电气测量仪表计量不准 确： 2 妒 华北电力大学硕士学位论文 5 ) 谐波会对邻近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量；重者 导致信息丢失，使通信系统无法正常工作。 1 1 2 2 无功危害 无功功率对电网的不良影响主要有以下几个方面： 1 ) 增加设备容量。无功功率的增加，会使发电机、变压器及其它电气设备容 量和导线的容量增大。同时，电力用户的起动及控制设备? 、测量仪表的尺寸和规格 也要加大； 2 ) 设备及线路损耗增加； 3 ) 无功功率的变化会引起电网电压的波动，使一些用电设备无法正常工作， 降低供电质量。 1 1 2 3 不对称电流危害 不对称电流主要含有负序和零序电流。 负序电流的危害： 1 ) 负序电流可能引起发电机发生“烧机”现象，另外在发电机转子转轴和定 子机座上将产生每秒1 0 0 次的振动，有可能损坏机座等结构。 2 ) 负序电流产生反向转矩，从而使电动机的电磁转矩、输出功率和效率大大 降低。 3 ) 负序电流在发电机中产生的负序旋转磁场将在发电机定子绕组中产生一系 列奇次谐波，在转子绕组中引起一系列的偶次谐波，使得电力系统中电流电压的谐 波分量增加。另外，这些高次谐波电流在输电线路上流通，将会对输电线路附近平 行的通信线路形成干扰。 4 ) 负序电流还可能引起继电保护负序起动元件的频繁起动，进而可能造成继 电保护的误动或损害。 零序电流的危害： 1 ) 零序电流在配电变压器绕组中流动必将产生零序磁通，零序磁通在各相绕 组中会感应出同方向的零序电势，该电势与原感应电势的相量和就是单相电压。当 单相负荷较重时，该相端电压就降低，并小于额定电压，造成该相设备无法正常运 行；当某相负荷较轻时，该相端电压就升高，并超过额定电压许多，威胁单相设备 的绝缘安全，严重时还将造成单相设备烧坏； 2 ) 其次，零序磁通通过变压器的铁心，金属外壳及散热管等构成回路，零序磁 通切割变压器金属构件产生感应电势，并在金属导体中流动会产生热量，从而产生 涡流损耗，导致变压器损耗增加，功率因素降低，破坏电能质量。 3 华北电力大学硕士学位论文 1 2 目前常用补偿设备比较 解决无功、谐波、不对称电流污染的问题不外乎两种途径1 4 】：一种是安装补偿 装置，如无功功率补偿器、有源滤波器、静止无功补偿器等，设法对无功功率进行 补偿和谐波进行抑制；另一种是对电力电子装置本身进行改造，使其不消耗无功功 率同时也不产生谐波，或根据无功功率进行调节。后一种措施需要对现有的电力电 子设备进行大规模的改造和更新，并只适用于作为主要谐波源的电力电子装备，代 价巨大，有很大的局限性。相比而言，前一种措施则适用于所有低功率因数的设备 和各种谐波源，实施起来方便简单，应用前景十分广阔。 实际应用中各种装置各有特点，结合实际合理选择装置很有必要。下面，对目 前常用的补偿装置进行比较。 1 2 1 低压无功补偿装置 低压无功补偿装置通常用接触器或者晶闸管控制电容器组投切来实现。由于电 容器组投切装置工作原理简单，投资少，效果好，因此它被电力部门广泛采用。但 是由于它是依靠并联电容器组来提供无功功率，因而存在如下缺点： 1 ) 响应时间长，通常要几百个毫秒，不能补偿动态无功： 2 ) 补偿容量受到电网电压的限制，电网电压越低，输出无功越小，而此时恰 恰需要向电网输出无功，以期抬高电网电压水平； 3 ) 并联电容器的存在，可能导致谐波放大，甚至引起谐振； 4 ) 因为分级投切电容，受电容器额定容量限制，补偿无功容量和系统所需无 功有一定的差别，功率因数不能提的很高。 ： 1 2 2 无源滤波装置 无源滤波装置是由电力电容器、电抗器和电阻器组合而成。由于无源滤波具有 投资少、效率高、结构简单、运行可靠及维护方便等优点，因此无源滤波是目前广 泛采用的抑制谐波的主要手段。由于无源滤波器是通过在系统中为谐波提供一低阻 通路，以起到滤波作用，其滤波特性是由系统和滤波器的阻抗比所决定的，因而存 在以下缺点： 1 ) 谐波特性受系统参数的影响较大； 2 ) 只能消除特定的几次谐波，而对某些次谐波会产生放大作用? ； 3 ) 滤波要求和无功补偿、调压要求有时难以协调； 4 ) 谐波电流增大时，滤波器负担随之加重，可能造成滤波器过载； 4 ， 一 华北电力大学硕士学位论文 5 ) 有效材料消耗多，体积大。 1 2 3d s 1 ：f 叮c o m 装置 配电网同步补偿器( d s t a t c o m ) 与以往的无功补偿装置如自动投切电容器 组装置和s v c 相比具有如下创新1 8 ，9 l ： 1 ) 响应时间快 自动投切电容器组装置的响应时间需要几秒钟，这是受电容器放电时间所限 制。国标规定电力电容器放电时间为3 秒钟，如果放电时间太少，则电容器的剩余 电荷不能放电干净，如再次投入可能会导致电容器发生过压击穿现象。 d s t a t c o m 装置补偿响应时间为微秒级，真正实现动态补偿。功率因数接近 于1 0 0 。 2 ) 补偿谐波，对2 3 1 次谐波补偿，消除电流谐波，保证电网洁净。 3 ) 抑制电压闪变或跌落，d s t a t c o m 装置可以有效的抑制电压闪变或跌落。 4 ) 不会引起谐振短路，虽然该装置仍然采用并联型结构，但是它与电网之间 有连接电抗器，因此不会出现并联谐振现象。 5 ) 可以吸纳无功，该装置不仅可以应用在感性负荷场合，还可以应用在容性 负荷的场合，可以提高补偿效果，降低线路损耗。 6 ) 精准电压控制，该装置除了可以按照功率因数或者无功功率控制之外，还 可以按照电压幅值来控制，确保用户获得的电压的平稳性，降低电压纹波。 7 ) 具有自适应功能，实现了动态补偿，可对频率和大小都变化的谐波以及变 化的无功功率进行补偿，对补偿对象的变化有极快的响应。 8 ) 可同时对谐波和无功功率进行补偿，补偿无功功率时不需要储能元件，补 偿谐波时所需储能元件的容量不大，且补偿无功功率的大小可以做到连续调节。 9 ) 受电网阻抗的影响不大，不容易和电网阻抗发生谐振；且可以跟踪电网频 率的变化，故补偿性能不受电网频率变化的影响。 针对人们对电能质量越来越高的要求，研究d s t a t c o m 这样具有优良补偿特 性的新型装置，十分必要。 1 3s t a t c o m 和d s n 玎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 2 1 。所谓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来进行动 态无功补偿的装置。另一方面，s t a t c o m 不仅可以用于输电系统中，也可用于配 5 华北电力大学硕士学位论文 电系统中，此时亦称为d s t a t c o m ( s t a t c o mi n d 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。 表1 - 1 国内外部分应用工程的基本情况 研制者开关器件容量( m v a ) 主电路 投运时问 三菱电机、关西晶闸管2 06 重化变压器耦合；1 9 8 0 年 电力直流电压：9 1 7 v 东芝、同立6 k v 2 5 k a 5 0 2 双三脉冲p w m ，4 重化v s i ；1 9 9 2 年 g t o ，8 个、1 2直流电压：4 i s r v 个串联使用 西屋、e p r i 、田4 5 k v 4 k a1 0 08 重化变压器耦合；1 9 9 5 年 纳西电力g t o ，5 个g t o直流电压：6 6 k v 串联使用 西门子 g t 0 83 电平2 重化变压器耦合；1 9 9 7 年 直流电压：1 6 8 k v ( u p f c ) 西屋、4 5 k v 4 k ag t o1 6 03 电平8 重化变压器耦合；1 9 9 7 年 e p r i 、美国电力直流电压：2 4 k v 清华大学、河南4 5 k v 4 k ag t o2 04 重化变压器耦合；1 9 9 9 年 省电力公司 直流电压：1 5 8 k v a l s t o m 、n g c 4 5 k v 3 k g t o 7 5链式结构，4 重化变压器耦1 9 9 9 年 合；直流电压：1 6 8 k v a b b 多个i g b t 串联2 2 ( 另有单个v s c ，n p c 结构，p w m1 9 9 9 年 使用2 2 m v a r 滤控制( 开关频率约l k h z ) 波器) e p r i 、a e p 、a b b多个i g b t 串联7 2 ( 两台两个v s c ，每个v s c 采用n p c2 0 0 0 年 使用 3 6 m v a r结构，p w m 控制( 开关频率 并联运行)1 - i 5 k h z ) ，经电抗器和升 压变与系统连接 三菱6 k v 6 k ag t o1 3 3 3 重化变压器耦合；2 0 0 1 年 一4 1直流电压：6 k v 6 l - 一 忝 暂 华北电力大学硕士学位论文 1 4d s t a t c o m 的研究现状 自日本三菱公司于1 9 8 0 年成功研制基于晶闸管的2 0 m v a rs t a t c o m 以来， s t a t c o m 作为f a c t s 的重要成员已经引起各国电力科研和工业界的广泛重视，得 到迅速发展和应用。到9 0 年代取得突破性的研究进展，1 9 9 1 年和1 9 9 4 年日本和美 国分别研制成功一套8 0 m v a r 和一套1 0 0 m v a r 的采用g t o 晶闸管的s t a t c o m 装置， 并最终成功地投入商业运行。德国西门子公司的单机容量为8 m v a r 的s t a t c o m 装 置也于1 9 9 8 年投运。英国a l s t o m 公司于2 0 0 1 年初研制了首台基于链式结构的 士7 5 m v a rs t a t c o m 装置，并投入运行1 1 2 l 。 在国内，1 9 9 4 年研制大容量s t a t c o m 被列为电力部重点科研攻关项目。1 9 9 9 年3 月，由清华大学和河南省电力局合作共同研制的士2 0 m v a rs t a t c o m 在河南 朝阳变电站并网成功，使我国成为世界上继日本、美国、德国之后第四个拥有该项 技术的国家。2 0 0 1 年2 月国家电力公司电力自动化研究院将5 0 0 k v a rs t a t c o m 投入了运行。2 0 0 6 年2 月2 8 日，由上海电力公司、清华大学、许继集团公司等单 位共同研制的5 0 m v a rs t a t c o m 在上海黄渡分区西郊变电站并网试运行。东南大 学、哈尔滨工业大学、西安交通大学等院校与科研机构也在进行s t a t c o m 的相关 研究。在我国由于受多种因数的制约，对d s t a t c o m 的研究还处于理论研究和实 验阶段，真正应用于电网和工业企业中的工业装置不多见，其主要原因是一些理论 问题和关键技术以及设备的成本问题尚未得到解决。 据不完全统计，自1 9 8 0 年至2 0 0 4 年底，全世界已经投入工业运行的大容量( 1 0 m v a r 及以上) s t a t c o m 工程超过2 0 个，总的可控容量超过3 0 0 0 m v a r 。表1 - 1 是国内外部分应用工程的基本情况【引。 1 5 课题主要研究内容 1 ) 对各种d s t a t c o m 的主电路拓扑结构的优缺点进行分析比较。 2 ) 确定了d s t a t c o m 主电路拓扑结构，建立了主电路的数学模型，并据此 给出了主电路参数的计算方法，同时对主电路开关器件i g b t 的驱动和保护进行了 设计。 3 ) 采用m a t l a b 工具进行仿真，仿真结构表明所设计主电路实现了预定功能。 7 华北电力大学硕士学位论文 第二章主电路拓扑分析 配电网静止同步补偿器( d s t a t c o m ) 是一种重要的“用户电力 装置，能 综合的解决配电网中电压波动与闪变、无功、谐波、三相电压不平衡等电能质量问 题【2 - 4 , 1 3 l ，因此在配电网中颇受关注，成为现阶段配电网无功补偿和电能质量控制的 一个重要发展方向。同时，随着配电网容量的增加，对d s t a t c o m 的容量提出了 更高的要求。在当前的电力电子技术水平下，受现有电力半导体开关器件开关频率 的限制，要想制造大容量的d s t a t c o m ，必须采用多种技术和方法设计主电路。 2 1d s 吼钔r c o m 的基本拓扑 2 1 1 电压型逆变器和电流型逆变器 根据直流侧电气元件不同，d s t a t c o m 可分为基于电压型逆变器和基于电流 型逆变器等两种类型。其电路基本结构如图2 1 所示。 _ 1! j l5! ji 5! il f扣+ j a v y v 一 v v v y y y 、 ! j 【j 12i 512i +申 _， 斗 寸 2i l 2x l ： l - i ， 一 f il 2121z a ) 电压型桥式电路b ) 电流型桥式电路 图2 - 1 电压、电流型桥式电路 对于电压型桥式电路，其直流侧以电容作为储能元件，相当于恒压源，将直流 电压变换为交流电压，通过串联电抗并入电网，其中串联电抗起到阻尼过电流、滤 除纹波的作用；对于电流型桥式电路，其直流侧以电感作为储能元件，相当于恒流 源，将直流电流变换为交流电流送入电网，并联于交流侧的电容可以吸收换相产生 的过电压。 在实际工程中，至今投入实用的d s t a t c o m 大都选用电压型逆变器作为其基 本单元，其主要原因包括【4 l ： 1 ) 电流型逆变器需采用具有双向电压阻断能力的大功率开关器件，而当时的 可关断器件( 如g t o 、i g b t ) 要么反向阻断能力差，要么在其他方面的性能不佳 8 华北电力大学硕士学位论文 ( 如导通损耗过大) ；而电压型逆变器没有需采用具有双向电压阻断能力的大功率 开关器件这样的限制。 2 ) 实际系统中，电流型逆变器直流侧的电抗比电压型逆变器直流侧电容的损 耗要大得多。 3 ) 电压型逆变器交流侧通过耦合变压器自然提供的漏抗就可接入交流电网， 而电流型逆变器交流侧需要另外的并联电容( 或容性滤波器) 来产生所需的交流电 压，从而使装置复杂化、成本增加。 4 ) 电压型逆变器出于直流侧采用大容量电容，具有天然的防止器件过压的功 能；而电流型逆变器需要设置附加的过电压保护电路或者器件降压使用。 电压型逆变器的以上优势使其成为现有d s t a t c o m 的主流选择。但应该注意 到，电流型逆变器也具有一些电压型逆变器没有的优点，如：逆变器输出电流可控 性，天然的过电流保护功能，零无功输出时不向系统注入谐波等。目前已经在实 验室开发出小容量的基于电流型逆变器的d s t a t c o m 装置，显示了良好的性能。 随着电力电子器件及其相关技术的发展，有望将来采用电流型逆变器实现大容量和 工业化的d s 可盯c o m 装置。 本文主要研究电压型逆变器，后面所讨论的d s t a t c o m 拓扑结构多是基于自 换相的电压型桥式电路。 2 1 2 三相三线制和三相四线制主电路结构 根据负荷接线的性质不同又可以分为：三相三线制主电路结构、三相四线制主 电路结构【3 , 4 , 1 3 l 。 1 ) 三相三线制主电路结构 由于许多负荷本身只是三相三线制接线，因此针对此类负荷的d s 仉盯c o m 也 只需要采用三相三线制主电路即可。目前大量的功率丌关模块都已经按三相三桥臂 结构制作，因此实现三相三线制主电路结构非常方便。对于并联型d s t a t c o m ， 如果电压等级低可以省去变压器，直接通过电抗器并联接入系统。如果电压等级高 通常要采用变压器，为了提高逆变器的输出电压等级，还可以采用多电平结构的主 电路，采用多电平结构可以提高逆变器的输出电压，从而提高装置的容量，采用更 多电平的逆变器可以直接通过电抗器接入1 0 k v 系统而不需要变压器。 2 ) 三相四线制主电路结构 我国的3 8 0 v 系统均为三相四线制系统，而负荷通常也是三相四线制接线即存 在中线，因而三相电流之和通常不为零即存在零序电流，零序电流中既有零序基波 分量也可能有零序谐波分量，此时如果采用并联型三相三线制主电路的d s t a t c o 9 华北电力大学硕士学位论文 m 将无法消除线路中的零序基波电流和谐波电流以及中线中的电流，并联型三相四 线制d s t a t c o m 是解决这种非线性负荷不平衡问题和谐波问题的有力手段。三相 四线制的d s t a t c o m 有多种电路结构，图2 2 所示为三种常见的主电路结构。 a ) 三桥臂电容中分式主电路拓扑 b ) 四桥臂主电路拓扑 j j j j ：石每。j j 爷 c ) 三单相全桥主电路拓扑 图2 - 2 三相四线制主电路拓扑 1 0 华北电力大学硕士学位论文 图2 - 2 ( a ) 所示的是电容器中点型的三相四线制d s t a t c o m ，全部的中线电流 都流经直流侧的电容器，其数值较大，因而主要用于小容量系统。图2 - 2 ( b ) 所示的 是四桥臂三相四线制d s t a t c o m ，这里第四个桥臂主要是用来调节和稳定d s t a t c o m 的中线电流。图2 - 2 ( c ) 所示为三单相结构的三相四线制d s t a t c o m ，这种 结构的d s t a t c o m 控制最灵活，但在低压的情况也需要变压器，同时使用的开关 器件也最多，因此成本相对高一些。 上述各种结构的d s t a t c o m 中，除三单相结构型式在低压情况下需要变压器 外，其他的结构都可以通过连接电抗直接接入系统。对于电压较高的情况，由于各 种丌关器件耐压水平的限制，变流器输出电压不可能太高，因此通常采用变压器接 人方式。由于d s t a t c o m 要产生谐波补偿负荷侧谐波，所以谐波必须能够顺利地 通过变压器注入到系统，因此对变压器有特殊的要求，既要求基波电流能通过变压 器，又要求谐波电流能通过变压器。变压器必须有较宽的通频带而不能采用通常电 力系统中采用的工频变压器。 上面d s t a t c o m 的主电路都是采用二电平结构，实际中由于电力电子开关器 件容量( o p 电压等级与电流大小) 的限制以及开关频率的限制，二电平的d s t a t c o m 容量受到限制。为了增加d s t a t c o m 的容量，人们又采用多种措施，如采用多 电平、多重化等。 2 2 提高d s t a t c o m 容量的主要措施钆临1 1 ) 多重化技术：逆变器由若干个三相桥或者单相桥通过曲折变压器连接而成， 这是大幅度提高装置容量的最有效办法，它的缺点是曲折变压器的各绕组之间要错 相位且耦合关系复杂，对于不同电平多重化方案都要重新设计，必须考虑交流侧变 压器的连接方式、不同逆变器的移相角度等问题。 2 ) 开关器件串联：多个电力电子器件串联使用组成一个开关模块，这是实现 大容量最基本和常用的方法。其主要问题是串联器件上的均压问题，以及由此而带 来的可靠性问题，需采用s n u b b e r 等均压电路，同时也要留出一定的器件电压冗余 量。在现已投入运行的容量较大的实际d s t a t c o m 装置中几乎都会同时用到器件 的串联技术，而多个器件串联工作的可靠性还需要更多的工程实践进一步验证。另 外，当装置容量进一步加大时或者电压等级不是非常高时，就会出现单个器件承受 的电流水平不能满足装置实际运行的电流要求，这时就要考虑器件的并联以提高电 流等级，而器件并联就必须考虑它的均流问题和因此带来的可靠性问题。 3 ) 多电平结构：采用钳位二极管或钳位电容构建的多电平结构，可以在减少 串联的同时增大容量并优化谐波特性。理论上，也可以采用五电平、七电平等多电 平结构，但因此时整个变换桥的复杂程度、成本也大大提高，在实际中用得很少。 华北电力大学硕士学位论文 4 ) 桥臂的并联：用带中间抽头的电抗器将两个桥臂中点相连可实现它们的并 联使用，电抗器中间的抽头作为并联后混合桥臂的中点。这种方法对两电平和三电 平的变换桥都适用。 5 ) 变换桥的并联：将多组变换桥并联后通过一个大容量变压器接入系统，可 这种方法对保护的要求很高，当并联使用的变换桥中有一个发生故障时，必须对其 进行有效隔离，以不影响其他并联逆变器的正常使用。在目前条件下各国都很少考 虑这种方法。 6 ) 变换桥的串联：由于采用单相桥串联，因此总的电压输出和整个装置的容 量可以成倍提高，模块化结构也更适于灵活配置，而且可以通过载波移相控制技术 降低总输出电压谐波含量。但多个串联桥的协调控制将变得较为复杂，各电容上的 电压平衡也是一个难题。 2 3 几种常见主电路结构比较 2 3 1 多重化结构 多重化结构就是用几个单相或三相逆变器产生相位相差若干度的方波电压，用 变压器将不同相位的方波电压串联在一起，使所形成的阶梯波更接近于正弦波。优 点是：提高了容量和电压，减少了输出电压和电流中的谐波。变压器一次侧是串联 的，其电压是各二次侧电压之和。但是变压器二次侧的电压相位是不同的，其变压 比也可能不同。 虽然变压器多重化方式可成倍增加装置容量并降低输出谐波，但多重化变压器 带来了很多问题： 1 ) 变压器的铁磁非线性特性给控制器设计带来了很大的困难，也是引发装置 故障的重要原因，变压器非线性对装置特性的影响包括：连续运行时变压器饱和引 起过流，变换桥脉冲封锁后变压器非线性导致逆变器侧电压波形畸变、直流侧电压 上升引起直流侧过电压保护动作。 2 ) 在大功率的应用场合，多重化逆变器方案中的电力变压器占整套装置中体 积和成本的很大部分，它使装置增加了5 0 左右的损耗和4 0 左右的占地面积，大 约占成本的1 3 - - 1 4 。而且没有降低成本的前景。 2 3 2 多个逆变器并联结构 多个逆变器并联结构由多个开关频率较高的小容量d s t a t c o m 并联运行，多 逆变器并联实现大容量逆变器被公认为当今变换技术发展的重要方向之一。多个逆 变器并联，分担负载功率，各个逆变器中主开关器件的电流应力大大减小，从根本 1 2 华北电力大学硕士学位论文 上提高可靠性、降低成本。同时，各逆变器的功率容量减小而使功率密度大幅度提 高。另外，多个逆变器并联，可以灵活构成各种功率容量，以模块化取代系列化， 从而缩短研制、生产周期和降低成本，提高各类逆变器的标准化程度、可维持性和 互换性等。 多个逆变器并联应具有如下功能【1 6 , 1 7 j ： 1 ) 并联的逆变器能够自动投入电网，投入时对电网电压和电流的冲击小。这 就要求控制逆变器输出电压与电网电压之间的频率、相位、幅值、波形和相序等参 数差别小于允许误差时才能投入电网，否则会给电网造成强烈冲击； 2 ) 在输入电压和负载变化范围内，每台逆变器平均分担负载电流。各并联模 块若不能实现负载功率均分，负载较重的模块因为长期工作在过载状态，承受过大 的热应力和电应力，会降低并联系统的可靠性； 3 ) 当均流或者同步异常以及单台逆变器出现故障时，并联系统应该能够快速 检测故障逆变器并将其从电网中切除，在故障模块发生故障和从电网切除的过程中 不影响负载的正常工作； 4 ) 系统应该有n + 1 或者n + 2 冗余度，即任意切除一个或者两个子模块不 会降低整个系统的额定功率； 5 ) 系统应具有热插拔功能，即在线投入和切除任意模块。 技术难点是：逆变器的并联运行比发电机的并联运行难，关键是需要从控制电 路上解决电压同步、稳态和动态均流、n + i 冗余与热切换三大技术。 2 3 3 多电平逆变器 1 9 7 7 年德国学者h o l t z 首次提出了利用开关管来辅助中点箝位的三电平逆变器 主电路，1 9 8 0 年日本的a n a b a e 等人对其进行了发展，提出了二极管箝位式逆变电 路。b h a g w a t 和s t e f a n o v i c 在1 9 8 3 年进一步将三电平推广到多电平的结构。 多电平变换的原理：多电平逆变器不使用变压器和电抗器，而是通过输出波形 的多重化实现逆变器大容量化和降低谐波分量。传统的桥式逆变器，如果设直流侧 电压为e d ，则其输出电压为e d 两个电平；而多电平逆变器如果把直流电压分成 m 1 等分，则在+ 侧包括0 电平在内可得到m 个电平值。而且，因为每相的开关模 式有m 个，所以对于三相逆变器，其电压模式可以有m 3 种选择结果，因此对降低 交流侧谐波很有效果。 对于电平数为m 的多电平逆变器，它具有以下突出优点1 1 8 之3 】： 华北电力大学硕士学位论文 1 ) 功率开关器件电压应力低，串联均压，每个功率器件仅承受l ( m 一1 ) 的母 线电压( m 为电平数) ，所以可以用低耐压的器件实现高压大功率输出，且无需动 态均压电路。 2 ) m 电平逆变器可以产生m 层阶梯形输出电压，因而可以改善输出电压波形， 减小输出电压波形畸变( t h d ) 。 3 ) 可以用较低的开关频率获得和高开关频率下两电平逆变器相同的输出电压 波形，因而可以减少损耗，提高效率。 4 ) 由于电平数的增加，在相同的直流母线电压条件下，较之两电平逆变器， l 开关器件所承受的d v d t 应力大为减少，通常只有二电平的1 ( m 1 i ；在高压大电机 驱动中，有效防止电机转子绕组绝缘击穿；同时改善了装置的e m i 特性。 5 ) 无需多重化变压器，大大减小了装置的体积和损耗，避免了变压器铁磁非 线性带来的问题。 因而，在高电压大功率d s t a t c o m 场合具有广泛的应用前景。 2 3 3 1 二极管钳位多电平逆变器 二极管钳位多电平逆变器的特点是：采用多个二极管对相应的开关元件进行钳 位；单相二级管钳位型五电平逆变器主电路结构如图2 3 所示，这晕需要指明的是， 二极管钳位多电平逆变器中的钳位二极管有两个作用：一是把桥臂上与其连接的点 上的电压钳位到零或直流分压电容臂上与其相连的直流电压电位，二是防止多电平 逆变器运行时使直流分压电容上的电压被短路。 二极管钳位多电平逆变器，增多了电平数，可以使输出电压和输出电流的总谐 波含量大大减小。这种电路结构形式的显著优点是：利用二极管进行钳位，解决了 功率开关管的串联均压问题。但是二极管钳位式多电平逆变器却存在着以下缺点： 1 ) 虽然开关管被钳位在e d ( m 一1 ) 电压上，但是二极管的电压应力不均匀还需 要不同倍数的e d ( m 一1 ) 反向耐压。如果使二极管的反向耐压与功率开关管相同， 则需要串联多个二极管，其数目为( m 一1 ) ( m 一2 ) 2 。当m 很大时，实际电路的实 ， 现就相当困难。 2 ) 当逆变器只传输无功功率时，直流分压电容在半个周期内由相等的充电和放 电来平衡电容上的电压。但是当逆变器传输有功功率时，由于各个分压电容的充电 时间不同，将使直流分压电容上的电压不平衡。 上述的二极管钳位多电平逆变器电路中的二极管承受电压不均匀给二