（电气工程专业论文）直接电流控制的静止无功发生器的研究.pdf

山东大学硕士学位论文 原创性声明 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 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。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。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：皿日 期：矽哆竺， 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，向意学 校保留或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；本人授权山东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、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定 论文作者签名：彩2 丝刍一导师签名： 山东大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 研究背景1 1 1 1 无功功率的产生及其影响1 1 1 2 无功补偿的作用和意义2 1 2 无功补偿装置的发展 5 , 1 9 , 2 0 , 2 1 】3 1 3s t a t c o m 的优点、现状和发展6 1 3 1s t a t c o m 优点6 1 3 2s t a t c o m 研究现状7 1 3 3s t a t c o m 发展趋势8 1 4 本文的研究内容9 第二章s t a t c o m 工作原理1 0 2 1 无功功率动态补偿原理1 0 2 2s t a t c o m 工作原理1 l 2 3s t a t c o m 工作特性1 4 2 4s t a t c o m 控制方法1 6 2 4 1 间接电流控制1 6 2 4 2 直接电流控制1 7 第三章无功一谐波电流检测1 9 3 1 几种传统电流检测方法【1 4 】1 9 3 2 瞬时无功功率理论2 1 3 3p 1 计算法2 4 3 4 计算法2 6 第四章s t a t c o m 电流跟踪2 8 4 1 三角波比较方式2 8 4 2 滞环比较方式2 8 4 3 抛物线控制方式2 9 4 4 三相对称系统解耦控制3 0 第五章s t a t c o m 的仿真研究3 3 5 1 主电路仿真模型3 3 5 2s t a t c o m 设计3 3 5 2 1 各子模块设计3 4 5 2 2 电流跟踪方式3 6 5 2 3 电流检测及直流侧电压控制3 6 5 3 仿真结果3 9 第六章结论与展望4 5 参考文献4 6 。致谢5 0 山东大学硕士学位论文 摘要 随着我国工业的迅速发展，各种电力负荷在迅速增加，用户对电能质量要求 也不断提高，因此电能质量中的无功补偿问题显得愈发重要。利用静止无功发生 器( s t a t c o m ) 实现动态无功功率补偿是目前电力电子学科中比较活跃的领域之 一，也是解决无功功率补偿问题的发展趋势。 本文首先介绍并比较了各种无功补偿装置，说明s t a t c o m 相对其他装置的优 势及发展趋势，同时给出了s t a t c o m 的基本原理、工作特性和典型控制方式，给 出了无功电流检测的常用方法。其次对s t a t c o m 的几种电流控制方式进行了简要 介绍，并说明了其原理，指出了其优缺点。其中对s t a t c o m 的直接电流控制方式 进行了详细的研究，详细讨论了直接电流控制方式的几种控制方式，例如滞环比 较和三角波比较波方式，并重点研究了恒频抛物线法在s t a t c o m 中的应用，并建 立具体仿真模型，进行仿真分析。 本文给出了以恒频抛物线法作为电流控制方式时s t a t c o m 的容性负载，感性 负载及整流型负载的仿真波形。仿真结果表明以恒频抛物线法作为电流控制方 式，以厶。结作为电流检测方法的s t a t c o m 响应速度及控制准确性良好。 关键词：s t a t c o m ；恒频抛物线法；直接电流控制；瞬时无功理论 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t w ，i t l lt h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ei n d u s t r yi no u rc o u n t r y , q u i c ki n c r e a s eo fa l l k i n d so fe l e c t r i cp o w e rl o a d s ，t h er e q u i r e m e n to ft h ep o w e rq u a l i t ya l s oi m p r o v e s c o n t i n u o u s l y , a n dt h e r e a c t i v ec o m p e n s a t i o no fp o w e rq u a l i t yb e c o m e sm o r ea n d m o r e i m p o r t a n t r e a l i z i n gd y n a m i c r e a c t i v e c o m p e n s a t i o nb y s t a t i cv a r c o m p e n s a t o r ( s t a t c o m ) i so n eo ft h e m o s ta c t i v e a r e a s i n t h ea r e ao fp o w e r e l e c t r o n i c s ，a n di ti sa l s ot h et r e n di ns o l v i n gt h ep r o b l e mo fs t a t i cv i i i c o m p e n s a t i o n i nt h i st h e s i s ，f i r s t l y , s e v e r a le x i s t i n gr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o ne q u i p m e n t s a r ei n t r o d u c e da n dc o m p a r e d ，w h i l et h ea d v a n t a g ea n dt h et r e n do fs t a t c o ma r e a l s o p r e s e n t e d a d d i t i o n a l l y , t h et h e s i se x p o u n d s t h ef u n d a m e n t a l p r i n c i p l e s ， o p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c s ，t y p i c a lc o n t r o lm e t h o da n d t h ec o m m o nm e t h o do fd e t e c t i n g t h er e a c t i v ec u r r e n t s e c o n d l y , t h ei n d i r e c tc u r r e n tc o n t r o lm e t h o do fs t a t c o ma n d i t sd e r i v a t i v ec o n t r o lm e t h o d sa r ei n t r o d u c e db r i e f l y , i n c l u d i n gt h e i rp r i n c i p l e sa n d d i s a d v a n t a g e s a tl a s t ，t h ed i r e c tc u r r e n tc o n t r o lm e t h o di sr e s e a r c h e di nd e t a i l s ，a n d s e v e r a lc o n t r o ls c h e m e so fd i r e c tc u r r e n tc o n t r o lw h i c hi n c l u d e st h ec u r r e n th y s t e r e s i s c o m p a r i s o nc o n t r o la n dt r i a n g l ew a v ec o m p a r i s o nc u r r e n tc o n t r o li sc o m p a r e da n d r e s e a r c h e dp a r t i c u l a r l y , w h i l et h er e s e a r c hi sc o n c e n t r a t eo nt h ea p p l i c a t i o no f p a r a b o l i cc u r r e n tc o n t r o l ( p c c ) i ns t a t c o ma n dt h es i m u l i n km o d e la n do f s t a t c o m s y s t e mi sa l s ob u i l t t h es i m u l a t i n gw a v e f o r mo fu s i n gt h ep c ca st h ec u r r e n tc o n t r o ls c h e m eo ft h e s t a t c o mi sp r o v i d e d ，w h i c hi n c l u d e st h ew a v e f o r m so fc a p a c i t i v el o a d ，i n d u c t i v e l o a da n dr e c t i f i e rl o a d t h es i m u l a t i o nr e s u l td e m o n s t r a t e st h a tu s i n gp c c 弱t h e s c h e m eo fc u r r e n tc o n t r o la n d p 一qm e t h o da sc u r r e n td e t e c t i n gs c h e m ei ns t a t c o m c a nb r i n gf a s tr e s p o n s es p e e da n da c c u r a t ec o n t r o le x a c t i t u d e k e y w o r d s ：s t a t c o m ；p c cm e t h o d ；d i r e c tc u r r e n tc o n t r o l ；i n s t a n t a n e o u s r e a c t i v ep o w e rt h e o r y i i 山东大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 1 1 1 无功功率的产生及其影响 伴随着我国工业的飞速发展，电力系统的安全、高效运行已成为不可或缺 的保障：与此同时，各种复杂精密负荷设备对电网波动非常敏感，自动化和智 能化程度越来越高的生产过程的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提出了越来越高的要求：不仅要求供电连续可靠，还希望 供电电压、频率稳定、波形良好。然而由于电网本身的运行规律，电网中必须 产生一定成分的无功功率，这给电网带来了诸多影响。同时，无功功率在电网 中的流动对系统的安全运行也产生很大的影响。 无功功率的产生： ( 1 ) 在用电负载中，感性负载占有很大的比例。例如异步电动机和变压 器所消耗的感性无功功率；再如电力系统中的电抗器和架空线等也消耗一些无 功功率。这些感性负载本身的性质决定了电网中必须产生一部分无功功率。 ( 2 ) 电力电子装置日益广泛地应用到电力系统中，由于大多数电力电子 装置功率因数较低，工作时基波电流滞后于电网电压，因此电力电子装置相当 于感性负载，例如各种相控装置：相控整流器、相控交流功率调整电路和周波 变流器等【2 2 1 。同时，这些装置也会产生大量的谐波电流，而谐波源要消耗无功 功率的。比如：二极管整流电路的基波电流相位和电网电压相位大致相同，基 本不消耗基波无功功率，但它所产生大量的谐波要消耗一定的谐波无功功率。 无功功率的影响主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 增大了设备容量。无功功率的增加，会导致电流增大和视在功率的增 加，从而使发电机、变压器及其他电气设备容量以及导线容量增加，从而导致 山东大学硕士学位论文 设备体积的增大以及运行成本的增加。 ( 2 ) 线损增加。无功功率的增加，会使线路电流增加，因而使设备及线路 的损耗增加，从而降低设备的运行效率。 ( 3 ) 使电网电压的波动增大。电网电压的波动主要是由无功功率的波动引 起的，若电动机在起动期间功率因数+ m , f m ，冲击性的无功功率会使电网电压剧 烈波动，严重影响供电质量【1 1 。 ( 4 ) 由谐波源产生的无功功率同样会带来一系列问题。如谐波损耗，会影 响设备正常工作，造成振动、热、噪声，自动装置误动作，对通信系统产生干 扰等【2 1 。 1 1 2 无功补偿的作用和意义 由上述内容我们了解到，无功功率对电力系统的运行安全和运行质量是不 利的。但无功功率的产生又是供电系统和负载的运行所不可避免的，电力系统 中的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【2 3 l 。这些无 功功率如果都要发电机发出并经过长距离传输是不合理的也是不可能的。合理 的方式应当是在需要无功功率的地方产生无功功率来补偿其损耗，即进行无功 补偿。 无功补偿的作用主要有以下几点： ( 1 ) 提高功率因数，降低设备容量，减少功率损耗。 ( 2 ) 稳定电网电压，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【2 4 1 。 ， ( 3 ) 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 衡三相的无功负载和抑匍j p c c 的不平衡电压【2 5 1 。 无功补偿的范畴包括对基波无功功率的补偿和对谐波无功功率的补偿，后 2 山东大学硕士学位论文 者又可被称为谐波补偿。 1 2 无功补偿装置的发展 5 , 1 9 , 2 0 , 2 1 】 无功补偿装置的发展，历经了电容器、同步调相机、早期静止无功补偿装 置和目前的静止无功发生器( s n u c o m ) 等几个阶段。表1 1 列出了各种无功 补偿装置的简要对比情况。 表1 1 各种无功补偿装置的简要对比【5 】 、 装置 同步调饱和 晶闸管控制 混合型静止静止 相机电抗器 电抗器 晶闸管投切 项目 ( s c )( s r ) ( t c r 或 电容器 补偿器 无功 t c r 十f c ) ( t s c ) ( t c r 十t s c 或 发生器 t c r + m s c ) ( s v g ) 响应速度慢较快 较快较快较快快 吸收无功连续连续连续分级连续连续 控制简单无控较简单较简单较简单复杂 谐波电流无大大无大小 分相调节有限不可可以有限可以可以 损耗大较大 中小小小 噪声大大 小小小小 并联电容器是电力系统中应用最广的一种无功功率补偿设备。其优点是原 理简单，安装、运行及维护都很简便，主要被用来调整负荷功率因数用，也可 用来调节无功功率补偿。但是，它只能补偿感性无功，且不能进行连续调节， 更严重的是它具有负电压效应，即当电网电压下降时，电容器上的补偿电流相 应下降，使得补偿的无功功率急剧下降，系统电压下降更大。又因为系统存在 谐波含量，并联电容器还会发生并联谐振，使谐波电流放大，有可能达到烧毁 电容器的程度【3 1 。 同步调相机，简单说就是专门产生无功功率的同步电机，在过励磁或者欠 励磁等不同励磁条件下，它可以分别发出不同大小的容性或感性无功功率。早 期无功功率动态补偿装置的典型代表就是同步调相机( s y n c h r o n o u sc o n d e n s e r , 山东大学硕士学位论文 s c ) 。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，还可在短时间内强行励磁，对提高电力系统的稳定性有很大帮 一 助。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，在很多情况下已无法满足 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 静止型无功补偿装置所取代【4 1 。 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。饱和电抗器与同步调相 机相比最大的进步就是响应速度快，但也同时存在损耗和噪声大及非线性电路 的一些特殊问题，以及不能分相调节负荷的不平衡等缺点。随着电力电子技术 的发展及其在电力系统中的应用，使采用晶闸管器件的静止无功补偿装置得以 发展。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其采用晶闸管的静补 装置。1 9 7 8 年，在美国电力研究院的支持下，西屋电气公司制造的晶闸管静补 - 装置投入实际运行。随后世界各大电气公司都竞相推出了各具特色的系列产 口 口口o 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、稳定地增长，已占据了静态无功 补偿装置的主导地位。因此静止无功补偿装置( s t a t i cv a rc o m p e n s a t o r ，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 r i s t o rc o n t r o l l e dr e a c t o r ，t c 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 d c a p a c i t o t ，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 c i t o r ，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 d c a p a c i t o r - m s c ) 混合使用的装置( 如t c i h f c ，t c r 十m s c 等) 5 1 。随着电力电子 一 技术的进一步发展，2 0 世纪8 0 年代，出现了一种更为先进的静止无功补偿装置 采用自换相变流电路的静止无功补偿装置，称之为高级静止无功补偿器 ( a d v a n c e ds t a t i c v a rc o m p e n s a t o r ，a s v c ) 或静止无功发生器( s t a t i cv a r g e n e r a t o r ，s v g ，或者静止补偿器( s t a t i cc o m p e n s a t o r ，s t a t c o m ) 。 4 山东大学硕士学位论文 s t a t c o m 通过不同的控制策略，既可使其发出无功功率、呈容性；也可 使其吸收无功功率、呈感性。采用p w m 控制，即可使其输入电流接近正弦波。 与s v c 相比，s t a t c o m 大大减小了体积、节省了材料，并具有响应速度快、 调节性能好、能综合补偿无功、三相不平衡和谐波等特点，日益成为无功补偿 的重要发展方向【6 1 。 5 山东大学硕士学位论文 1 3s t a t 的优点，现状和发展 新型静止无功发生器( s t a t c o m ) ，是现代柔性交流输电系统( f a c t s ) 的重 要组成部分，它主要由基于g t o 或i g b t 的电压型逆变器和直流电容这两部分构 成，和其它常规的无功补偿装置相比，具有以下优点1 8 , 9 , 1 0 1 ： ( 1 ) 采用数字控制技术，系统可靠性高，维护费用低；同时，可通过调度 中心实现无功潮流和电压最优控制，是建设中的数字电力系统的组成部分； ( 2 ) 控制灵活、调节范围广，在感性和容性运行情况下均可连续快速调节 无功功率，响应速度快； ( 3 ) 静止运行，安全稳定，没有大型转动设备，磨损及机械噪声小，这大 大提高装置的寿命，改善环境影响； ( 4 ) 连接电抗小。s t a t c o m 并入电网的连接电抗，除连接作用外，其主 要作用是滤除较高次谐波，因此所需的电感量并不大，远小于补偿容量相同的 t c r 等s v c 装置所需的电感量，如果使用变压器将s t a t c o m 并入电网，则还 可以利用变压器的漏抗，所需的连接电抗器将进一步减小； ( 5 ) s t a t c o m 中的电容器容量小，在电网中普遍使用也不会产生谐振，而 使用s v c 或固定电容器补偿，如果系统安装台数较多，有可能导致系统谐振的 产生。这样也可以省去大电感和大电容及其庞大的切换机构，使s t a t c o m 装 置体积小，损耗低： ( 6 ) s t a t c o m 的直流侧的储能电容，不仅可以调节系统的无功功率，还可 以部分调节系统的有功功率。这对电网来说是非常有益的。 ( 7 ) 谐波含量小。在多种型式的s v c 装置中，s v c 本身产生一定量的谐波， 如t c r 型的5 ，7 次特征谐波量比较大，占基波值的5 1 0 ，这给s v c 系统的滤 6 山东大学硕士学位论文 波器设计带来许多困难，而在s t a t c o m 中则完全可以采用桥式交流电路的多 重化技术、多电平技术或p w m 技术来进行处理，以消除次数较低的谐波，并使 较高次数的谐波减小到可以接受的程度【1 1 1 ； ( 8 ) 对系统电压进行瞬时补偿，既使系统电压降低，它仍然可以维持最大 无功电流；即s n 订c o m 产生无功电流基本不受系统电压的影响； ( 9 ) s t a t c o m 的端电压对外部系统的运行条件和结构变化是不敏感的。当 外部系统容量与补偿装置容量变化时，s v c 将会变得不稳定，而s t a t c o m 仍 然可以保持稳定，即输出稳定的系统电压。 正因为上述优点，s t a t c o m 作为一种新型的动态无功功率调节装置，已 经成为现代无功补偿装置的发展方向，成为国内外电力系统行业的重点研究课 题之一。 1 3 2s t a t c o m 研究现状 目前，从装置研究现状来看，在国外，静止无功发生器在日本、美国、欧 洲等少数发达国家和地区已经得到了应用。1 9 8 0 年1 月，日本关西电力公司与 三菱电机公司共同研制并投入运行了世界上首台s v g 样机，它采用了晶闸管强 迫换相桥式电路的电压型逆变器，容量为2 0 m v a r 。1 9 8 6 年1 0 月，由美国国家电 力研究院和西屋公司研制成4 - 1 m v a r 的世界上首台采用大功率g t o 作为逆变器 元件的s v g 实验装置，并成功进行了现场试验。之后，日本关西电力公司与三 菱电机公司又采用g t o 晶闸管研制了+ 8 0 m v a r 的s v g 装置，于1 9 9 1 年在犬山变 电站投运。美国国家电力研究院与田纳西电力局( t e n n e s s e ev a l l e ya u t h o r i t y ， 缩写为t v a ) 、西屋电气公司合作，在1 v a 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 v g 装置，于1 9 9 6 年1 0 月投运。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2 台士5 0 m v a r 的s v g 装置在东京所属新信浓变电所投 入使用。1 9 9 7 年，德国西门子公司开发研制单机容量为8 m v a r 的s v g 装置，并 安装在丹麦的r e j s b yh e d e 风场。法国的a l s t o m 公司也研制了高压大容量的 s v g 装置并在电力系统中实际运行。以上是有关s v g 的实际装置用于改善电网 7 山东大学硕士学位论文 1 4 本文的研究内容 本文对直接电流控制的静止无功发生器进行了深入的研究，建立了适用于 直接电流控制方法的s t a t c o m 数学模型，比较了几种检测无功电流的方法及 电流控制方法，在p s i m 仿真环境下构建仿真模型并进行仿真分析。具体内容包 括： ( 1 ) 论文总结和分析s t a t c o m 的直接电流控制和间接电流控制两种典型 控制方式，重点研究基于恒频抛物线直接电流控制方式； ( 2 ) 给出了静止无功发生器主电路参数及相关器件选择和设计的方法； ( 3 ) 在p s i m 仿真环境下构建了静止无功发生器的仿真模型，对不同的无 功源负载，给出了仿真波形和仿真分析。 9 山东大学硕士学位论文 第二章s t m c o i l 工作原理 2 1 无功功率动态补偿原理 图2 1 所示系统、负载和补偿器的单相等效电路图。其中u 为系统电压，r 和x 为系统电阻和电抗。设负载变化很小，故有u = u u 。 u ，则假定i k 、1 l a f一( ) f r 1 7 u s 逆变器 连接变压器电力系统 。徽，萨u ti i u s 电流超前必y = 一一t = = = 弋y ( 相当于电感) 叫5 。黼，竹u 面1 - 一i u s 电流滞后 义芗- 一t = 二= 刘 ( 相当于电感) u l u 8 图2 - 4s 1 a t c o m 工作原理图 s t a t c o m 的单相工作原理可用图2 4 及相量图2 。5 表示。整个s t a t c o m 装 当于一个电压大小可以控制的电压源。电网电压和s t a t c o m 输出的交流 分别用相量u ，和u ，表示，连接电抗上电压u 工为u ，和u ，的相量差，而 电抗的电流是可以由其电压来控制的。这个电流是s t a t c o m 从电网吸收 流，。因此改变s t a t c o m 交流侧输出电压u 。的幅值及其相对u ，的相位， 1 2 山东大学硕士学位论文 就可控制s t a t c o m 从电网吸收电流的相位和幅值，从而控制了s t a t c o m 吸 收无功功率的性质和大小。图2 5 所示即为该控制原理。 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 卜 u i 电流超前 在图2 5 等效电路中， u iu 一 图2 5s t a t c o m 工作相量图 ；u 厂玑 ，= 一 1 x s t a t c o m 单相视在功率： ( 2 4 ) s = u 。s 越等 沼5 ， 通常情况下，s t a t c o m 装置只吸收很小的有功功率或不吸收有功功率， 因此其产生的电压u ，与系统电压【，相位相同，因此s t a t c o m 装置输出的单 相无功功率为： q 出_ i m ( 6 s 等) = u i 五- u 5 u , ( 2 - 6 ) 当控制s t a t c o m 装置产生的电压u 小于系统电压u ，时，s t a t c o m 装 置向系统输出的无功功率q 0 ，此时s n 盯c o m 装置 呈容性。由于u ，的大小可以连续快速地控制，因此由式2 6 可知s t a t c o m 吸 1 3 山东大学硕士学位论文 收的无功功率可以连续地由正到负进行快速调节，直至满足调节要求。 考虑到连接电抗器的损耗和变流器本身的损耗，将总的损耗集中作为连接 电抗器的电阻考虑，则s t a t c o m 的实际等效电路中连接电抗应等效为电阻和 电感的串联组合，其电流超前滞后工作的相量图如图2 6 所示。 i ! j x i ：吖6 jl j 淞。 ，7 1 图2 - 6考虑损耗时的相量图 在这种情况下，变流器电压u ，与电流，仍相差9 0 度，而电网电压u 。与电 -一 流，的相差不再是9 0 度，而是比9 0 度小了万角，也就是说电流，中有一定量的 有功分量。这个万角是电网电压u ，和变流器电压u ，的相位差。改变这个相位 差，并且改变u ，的幅值，则产生的电流，的相位和大小也就随之改变， 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。 根据以上对工作原理的分析，可以得到s t a t c o m 的电压一电流特性图如 图2 7 所示。同t c r 等传统s v c 装置一样，改变控制系统的参数可以使得到的电 压一电流特性上下移动。但是可以看出，与图2 8 所示出的传统s v c ( t c r 和s v c 等) 电压电流特性不同的是，当电网电压下降，补偿器的电压电流特性向下调 一 整时，s v g 可以调整其变流器交流侧电压的幅值和相位，以使其所能提供的最 大无功电流，工一和l 一维持不变，仅受其电力半导体器件的电流容量限制。 而对传统的s v c ，由于其所能提供的最大电流分别受其并联电抗器和并联电容 器的阻抗特性限制，因而随着电压的降低而减小。因此s v g 的运行范围比传统 1 4 山东大学硕士学位论文 的s v c 大，s v c 的运行范围是向下收缩的三角形区域，而s v g 的运行范围是上 下等宽的近似矩形的区域。这是s t a t c o m 优越于传统s v c 的一大特点1 7 1 2 1 。 v ji l0 一一1 - 一 丽 _ ，丽 一磊 一一丽 _ 一一石 一 石 一 一一丽 1 一 矗 一一1 百 一一一1 i l c 一 i v j 罗上 1 0 ，丽 机 、7 l 乡 罨 r 【c i c 嗍 o i l 麟 i c m , o i l 删 图2 7s t a t c o m 电压电流特性图2 8s v c 电压电流特性 此外，对于那些以输电补偿为目的的s v g 来讲，如果直流侧采用较大的储 能电容，或者其它直流电源( 如蓄电池组，采用电流型变流器时直流侧用超导储 能装置等) ，贝u s v g 还可以在必要时短时间内向电网提供一定量的有功功率。这 对于电力系统来说是非常有益的，也是传统的s v c 装置所望尘莫及的。 对于装置中的谐波问题，s v g 可以采用桥式变流电路的多重化技术或p w m 技术来进行处理，以消除次数较低的谐波，并使较高次数的谐波减d , n 可以接 受的程度，也可以通过控制策略的优化，在检测无功电流的同时也检测谐波电 流，对两者同时进行补偿。 在平衡的三相电路中，不论负载的功率因数如何，三相瞬时功率之和在任 何时刻都等于三相总的有功功率。各相的无功能量在交流侧来回往返而三相电 源和负载之间没有无功流动，所以理论上讲s v g 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的谐波成分以及有功能量的损耗， 其直流侧仍需要一定大小的电容作为储能元件，但其容量远l 卜, s v g 所能提供的 无功容量要小得多。另外，s v g 连接电抗由于是滤除电流中高频成分，所以电 感值也不大。 山东大学硕士学位论文 2 4s t a t c o m 控制方法 由无功电流( 或无功功率) 参考值调节s t a t c o m 产生所需无功电流( 或 一 无功功率) 的具体控制方法，可分为间接控制和直接控制两大类。 2 4 1 间接电流控制 所谓间接控制，就是将s t a t c o m 当作交流电压源看待，通过对逆变器输 出电压基波的相位和幅值进行控制，来间接控制s t a t c o m 的交流侧电流。 根据图2 - 6 ，u ，、u ，、u l 组成三角形，根据三角形定理得： 盅= j 南= 而u i(22sin(90s i n ( 9 0 7 ) l=。二一=一 f 7 、 s i n 占 。+ 咖。一伊一万) 、7 据此推导出s t a t c o m 从电网吸收的无功电流和有功电流有效值为： 乇= 鬻r 2 = 型2 r ( 2 - 8 ) k 0x 2 + 、 仁鬻r = 螋2 r ( 2 - 9 ) x 2 + 2 、 由式2 - 8 可知，我们可以控制u ，与u ，的相角差万来控制s t a t c o m 吸收的 无功电流。而由式2 7 同样可得s t a t c o m 交流侧电压 u ，：u , c o s ( 8 + g , ) c o s 妒 ( 2 - l o ) r 即万与s t a t c o m 交流侧电压u ，是一一对应的。当直流侧吸收一定有功电 流，即电容被充电便可调整直流侧电压，进而引起交流侧电压u ，变化，从而 调整万角，控制s t a t c o m 吸收的无功电流。此即间接电流控制的基本原理。 间接电流控制有开关频率低、控制器结构简单的优点，但是也有其缺点： 1 响应较慢，响应时间4 至1 6 个周波；2 无功变化时，逆变器输出电压的相位 1 6 山东大学硕士学位论文 范围小( 1 5 度至l j + 1 5 度) ，因此要求有很高的相位检测精度和控制精度；3 电 网电压负序分量较大时，引起直流电压的脉动，会导致控制系统不稳定；4 有 些间接控制法，与连接电抗器的参数有关，由于这些参数测量困难而且变化， 因此技术实现困难。 因此间接电流控制方法多应用于较大容量s t a t c o m ( 如输电补偿用 s t a t c o m ) 的场合，因为容量较大时，受电力电子器件开关频率的限制，一般 无法像直接电流控制方法那样对电流波形进行跟踪控制。 2 4 2 直接电流控制 所谓电流的直接控制，就是采用跟踪型p w m 控制技术对电流波形的瞬时值 进行反馈控制。 采用直接电流控制时，s t a t c o m 可以等效成一个电流源，叼，其单相的等 效电路图如图2 9 表示，电网侧的有功、无功电流分别为，妒、i 凹；负载侧的有 功、无功电流分别为i z 护、i l q 。网侧及负载侧等效阻抗为乙、z p a i 凹= ( ，幻一，凹) ( 2 1 1 ) 由式2 1 1 可见，当，凹= ，幻时，负载中的无功电流( 功率) 可被完全补偿。 此即直接电流控制的基本原理。 i 叩+ i 钓i 。p + i l q 图2 9直接电流控制原理图 相对于间接电流控制，直接电流控制的s t a t c o m 具有如下的优点： 1 7 山东大学硕士学位论文 1 ) 系统具有快速的瞬态响应：由于瞬时反馈的引入，控制系统对直流侧 电压和交流侧电网电压波动可迅速做出反应，保持输出电流跟随参考值； 2 ) 系统稳定性较高：电感的电流控制环是一阶系统，易达到稳定条件； 3 ) 可抑制负序引起的不良影响：电网负序电压存在时，因为无功电流指 令是先用口6 呐0 变换到瞬时l 、再通过由乳川6 c 逆变换为三相瞬时电流，此 时无功电流指令实际上是三相无功电流的平均值，因此，输出三相电流无功电 流对称，流入直流侧电流脉动小，电压也比较平稳。 4 ) 采用直接控制的大容量s t a t c o m 可采用多个变流器多重化联结、多电 平或p w m 控制技术来减小谐波。采用电流p w m 跟踪控制的直接控制方法， s t a t c o m 输出电流中的谐波含量少。 总之，与间接控制方法相比较，直接控制方法具有更高的响应速度和控制 精度。但它要求开关频率高，而大功率器件很难以高开关频率运行，因此，大 功率场合一般不采用直接电流控制。直接电流控制适合于小功率场合。然而， 从目前世界上运行的无功补偿器的情况看来，直接电流控制在中、大容量系统 也开始有一些应用。例如，日本新农用于输电的5 0 m v a r 的s t a t c o m 和日本神 户用于钢厂负荷补偿2 0 m v a r 的s t a t c o m 均采用了直接电流控制方式。前者在 电网严重不对称、甚至短路时仍可照常工作；后者对炼钢电极短路引起的电网 电压闪变有很好的抑制作用 1 3 1 。 1 8 山东大学硕士学位论文 第三章无功一谐波电流检测 从上章s t a t c o m 的基本工作原理的分析可知，s t a t c o m 准确进行无功 补偿的首要条件是：根据装置具体功能的需要，准确实时地检测计算出无功电 流，并根据此无功指令信号产生相应的脉冲信号去控制主电路的开关器件。无 功电流的实时检测是保证s t a t c o m - i - 作性能的关键。s t a t c o m 是一种动态 补偿装置，它对无功电流的实时检测提出了很高的要求。因此，在选择无功电 流的实时检算方法时，应保证：精度高、具有瞬时性、算法简单、配合使用的 硬件简单、实现方便、具有多种功能等。本文从探讨传统的谐波与无功检测方 法出发，在介绍瞬时无功功率理论的基础上，提出本文的检测方法。 3 1 几种传统电流检测方法【h l 。1 ) 采用模拟带通( 或带阻) 滤波器检测高次谐波电流 带通( 或带阻) 滤波器的功能主要是预定分离出被检测信号中的某种或某几 种特定频率谐波分量。在这里一般用5 0 h z 的带通和带阻滤波器把被检测信号中 的5 0 h z 基波分量分离出来，从而得到谐波电流。该检测法的优点是电路结构简 单、造价低、输出阻抗低、品质因数易于控制。但该方法也有很多缺点，如滤 波器中心频率对元件参数十分敏感，受外界环境的影响较大，难以获得理想的 幅频和相频特性；当电网频率发生波动时，不仅影响检测精度，而且检测出的 谐波电流中含有较多的基波分量，增加了有源补偿器的容量和运行损耗。此外， 这种方法不能分离出无功电流，因此也不能作为s t a t c o m 的无功电流检测方 法。 2 ) 基于f r y z e 时域分析的有功电流分离法【2 7 】 该方法的基本原理使将负荷电流分解为两个正交分量：一个是与电压波形 完全一致的分量，即有功电流；另一个分量作为广义无功电流，也就是负荷电 流与有功电流的差值。该方法的缺点是：因为f r y z e 功率定义是建立在平均功率 的基础上的，所以要求得瞬时有功电流需要进行一个周期的积分，因此该方法 1 9 山东大学硕士学位论文 检测出的广义无功电流瞬时值，至少有一个周期以上的时间延迟。 3 ) 基于频域分析的f f t 分解法 该方法的基础是傅立叶级数计算方法，将检测到的畸变电流( 或电压) 进行 快速傅立叶变换( 且p f f t ) ，分解为基波和高次谐波代数和的级数形式，再将 高次谐波合并为总的补偿电流。该方法需进行两次f f t 变换，由于f f t 变换需 进行大量的运算，因而有较大的时间延迟，约需要8 0 m s ，延迟误差较大。并且 电压波形畸变时将带来较大的非同步采样误差，对高次谐波的检测精度影响较 大。 4 ) 用于不平衡三相系统的同步检测法 这种方法多用于不平衡三相系统中谐波和无功电流的检测，其基本思想是 分别考虑各相情况，并把补偿分量分配到三相中，统一确定各相补偿电流，即 该方法不是从电流的分解出发，而是从功率平衡的角度来确定补偿电流。对三 相系统来说，同步检测法在补偿无功及谐波的同时，还具有平衡三相电流的作 用。但是由于该检测法是根据总平均功率确定补偿后的电流，再计算出补偿指 令电流，而在计算补偿后电流时，不仅需要知道三相电路的平均功率，还需要 知道各个相电压的幅值，因此检测过程中的延时较大。而且该方法仅适用于三 相电压均为正弦波的情况。若电压波形存在畸变，必将影响检测精度。此外， 该方法检测出的补偿电流包括无功电流、谐波电流和一些不平衡分量，无法将 它们分离出来，因而大大限制了它的应用范围。 5 ) 基于瞬时无功功率理论的检测法 三相电路瞬时无功功率理论首先于1 9 8 3 年由日本学者赤木泰文提出，此后 该理论经过不断研究逐渐完善。该理论突破了传统的以平均值为基础的功率定 义，系统地定义了瞬时无功功率和瞬时有功功率等瞬时功率量。以该理论为基 _ 础的谐波和无功电流实时检测方法在有源电力滤波器中得到了成功和广泛的 应用。 下面将简要介绍三相瞬时无功功率