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山东大学硕士学位论文 直接电流控制的静止同步补偿器研制 摘要 随着各种精密用电设备对电能质量要求的不断提高，电能质量的无功补偿问 题显得越来越重要，静止同步补偿器r ( s t a t c o m ) 作为无功补偿的有效方法逐步成 为研究热点。本文的研究目的是研制一台采用直接电流控制算法的s t a t c o m 装 置，并对其进行数模混合的控制系统开发研究。 本文首先分析了无功补偿的必要性以及s t a t c o m 作为无功补偿器的先进 性，介绍了静止无功发生器的工作原理；基于负载补偿的用户终端s t a t c o m 特 点，提出了基于瞬时无功功率理论的两种控制算法，并给出详细的数学推演及特 点分析：随后进行装置的实现研究，包括采用三相变流器的主电路结构选取、参 数设计，基于d s p ( t m s 3 2 0 c 3 2 ) 的数模混合控制系统硬件电路的设计，以及相应 的数字信号处理应用算法程序的编写；在此基础上进行仿真研究，最后给出本文 的结论。 本文所做的工作为s t a t c o m 装置的开发提供了很好的技术积累，为进行进 一步s t a t c o m 的研究打下了良好的基础。 【关键词】静止同步补偿器无功补偿无功直接电流控制 【论文类型】应用研究 山东大学硕士学位论文 d e v e l o p m e n t o fs 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 b a s e do nd i r e c t - c u r r e n tc o n t r o l a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ep o w e re l e c t r o n i ct e c h n o l o g ya n dt h ew i d eu s eo f p o w e re l e c t r o n i ce q u i p m e n t s ，r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o ni sb e c o m i n gm o r ea n d m o r es e r i o u 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 ri sa ne f f e c t i v ew a yt od e a l 、i t h r e a c t i v ep o w e ra n di th a sb e c o m eo n eo ft h eh o tp o i n t si np o w e re l e c t r o n i c sf i e l d s r e c e n t l y t l l i sr e s e a r c hi st ob u i l du pas e to fe q u i p m e n tt ov a l i d a t es t f 气t c o m p r i n c i p l e ，d e v e l o pa na n a l o g d i g i t a lh y b r i dc o n t r o ls y s t e ma n dr e a l i z eo fd i r e c t - c u r r e n t c o n t r o lm e t h o db a s e do ni n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e rt h e o r y i nt h i sp a p e r , t h en e c e s s i t yo ft h er e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o na n dt h em e r i t so f s t a t c o ma r ef i r s t l ya n a l y z e d s e c o n d l y , t h ep r i n c i p l eo fs 1 i a t c o mi si n t r o d u c e d e s t a b l i s h e di nt h ec h a r a c t e r so fc u s t o m e rs t a t c o m t w os p e c i f i cc o n t r o lm e t h o d s b a s e do ni n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e rt h e o r ya r ep r e s e n t e dt od e a l 、以t hr e a c t i v e p o w e ri nd i f f e r e n ti n d u s t r yc o n d i t i o n s a n dt h em a t hf o r m u l a sa r eg i v e n i nt h e f o l l o w i n gs e c t i o nt h er e a l i z a t i o no ft h ew h o l e sy s t e mi sp r e s e n t e d ，i n c l u d i n gt h e d e s i g no fm a i nc i r c u i ts t r u c t u r ea n dp a r a m e t e r s ，t h ea n a l o g d i g i t a lh y b r i dc o n t r o l c i r c u i tb a s e do nd s p ( t m $ 3 2 0 c 3 2 ) a n dt h ep r o g r a mf o rt h ed s ps y s t e m ，n l e nt h e s i m u l a t i o nr e s u l t so b t a i n e dw i t hm a t l a ba n de x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r ep r e s e n t e d f i n a l l y , t h ec o n c l u s i o n sa r ed r e wb a s e do na l lt h ea b o v er e s e a r c h t h et e c h n o l o g yi sf e a s i b l ea n dt h ew o r kb a s e do nt h i sp a p e rh a se s t a b l i s h e da f a i r l yg o o dg r o u n d w o r kf o rt h ef u r t h e rr e s e a r c ho ns t a t c o m 晖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 , r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n ， r e a c t i v ep o w e r , d i r e c t c u r r e n tc o n t r o l t y p eo ft h e s i s 】a p p l i c a t i o nr e s e a r c h l i 山东大学硕士学位论文 符号说明 u电压损耗 p线路传输的有功功率k w q线路传输的无功功率k v a r r线路电阻q x线路电抗q c 电容器 n 线路中性点 l电感h 6 相位角 q阻抗角 s视在功率k w z阻抗 电流a z u 电压空间失量 i电流空间失量 上标表示标幺值 g t o 门极可关断晶闸管 i g b t 绝缘栅双极晶体管 a p f有源电力滤波器 d s p数字信号处理器 r a m 数据存储器 c p l d 可编程逻辑器 p l l锁相环 l p f截止频率小于5 0 h z 的低通滤波器 i i i 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 其他个人或集体已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：日期：型：! ! ：! 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件和电子 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： 导师签名：越日 导师签名：d 匝函丛日期：删：! ：! 山东大学硕士学位论文 直接电流控制的静止同步补偿器研究 1 绪论 近年来，在国民经济持续稳定发展的推动下，我国的电力建设已逐步形成 以三峡水电站为核心，电网辐射，全国互联的良好局面。但由于我国一次能源 的地理分布不均，东西部省份国民生产总值差额较大，我们依据了“西电东送， 南北互供”的基本思路进行电力开发和电网网架建设。而对于用电企业，据统 计，全年电动机耗电量为2 9 0 0 亿k w h ，线路损耗按1 0 计算，则由此产生的 线损耗约为2 9 0 亿k w h ，如果全国有2 0 的电动机采用无功补偿技术，使电动 机的平均功率因数由o 8 5 提高到0 9 5 ，则每年可以降低网损1 1 6 亿k w h ，由 此将为社会和企业带来巨大的效益。这就使得研制并投入使用具有优良性能的 无功功率补偿装置显得尤为重要。 我将探究的这种基于电压源逆变器的无功功率调节装置称为静止同步补 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 ) ，它作为一种新型的无 功功率补偿调节装置，已经成为现代无功功率补偿装置的发展方向。我通过查 阅大量的参考文献，对s t a t c o m 的研究现状有了系统的认识，深入了解了 s t a t c o m 的基本结构、工作原理，并通过研究，希望能够在静止无功功率补 偿方面作一些技术积累。能够立足于用户终端无功补偿问题，进行s t a t c o m 的研制、控制算法验证及控制系统开发。根据s t a t c o m 工作原理，搭建一套 s t a t c o m 实验平台，采用直接电流控制思路，进行s t a t c o m 原理性实验验证， 从而做进一步研究，应用于工业实践。 本文主要内容包括： 1 ) 无功功率补偿技术理论、意义及发展。 2 ) s t a t c o m 装置原理及系统性能分析。 3 ) 基于瞬时无功功率理论的用户终端s t a t c o m 直接电流控制和间接电 流控制两种电流控制算法的数学推演及各自的特点。 4 ) 主电路拓扑结构研究及电路设计。 5 ) 基于d s p t m s 3 2 0 c 3 2 的数模混合的控制系统硬件设计。 6 ) 直接电流控制s t a t c o m 系统模型仿真，验证系统可行性。 第1 页共5 1 页 山东大学硕士学位论文 7 ) 对本课题进行了总结和展望。 8 ) 致谢。 第2 页共5 l 页 山东大学硕士学位论文 1 1无功功率补偿技术理论及意义 随着我国国民经济的快速发展，用户的电力需求日益增加，电力工业大范 围的高压输电网络已逐渐形成，电力系统对电网无功功率的要求也日益严格。 1 1 1 无功功率的概念 无功功率是在正弦电路中当平均功率为零时，在电源和储能元件之间来回 交换的变动功率，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，是电能质量的重要指标之一。 1 1 2 无功功率的产生 常见配电系统中需要消耗无功的地方有： 1 ) 在工业和生活用电负荷中，感性负荷需要消耗无功。感应电动机、变 压器、日光灯等都是典型的电感性负荷感应电动机和变压器所消耗的无功功率 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 线等也消耗一些无功功率。 2 ) 电力电子装置等非线性装置也要消耗无功功率，特别是各种相控装置。 如相控整流器、相控交流功率调整电路和周波变流器，在工作时基波电流滞后 于电网电压，要消耗大量的无功功率。 3 ) 工业用电弧炉在工作时电极处于短路状态，不但消耗大量的无功功率， 且因电弧不稳定，其所消耗的无功功率波动也很大。 4 ) 所有谐波源都是要消耗无功功率的，因此产生谐波的装置也要消耗无 功。例如非相控的二极管整流电路虽不造成基波相移，但产生谐波，所以也要 消耗一定的无功功率。 1 1 3 无功功率的影响 无功功率能为能量的交换、输送、转换创造必要条件，但大量的无功功率 在系统中经高低压供电系统流入设备，会引起有功损耗，造成电压降落，影响 电能质量，对发电、供电、配电三方都会产生不良影响。 1 ) 降低有功功率，使电力系统内的电气设备容量不能得到充分利用。因 为发电机或变压器都有一定的额定电流和额定电压，在正常情况下是不容许超 过的，根据p = u l c o s ( i ) ，若功率因数降低，则有功功率将随之降低，使设备容量 第3 页共5 i 页 山东大学硕士学位论文 不能得到充分利用。 2 ) 增加输、配电线路中的有功功率和电能损耗。设备功率因数降低，在 线路输送同样有功功率时，线路中就会流过更多的电流，使线路中的有功功率 损耗增加。 3 ) 使线路的电压损失增加，使负载端的电压下降，有时甚至低于允许值， 从而严重影响电动机及其他用电设备的正常运行。特别是用电高峰季节，功率 因数太低，会出现大面积的电压偏低。 国家电力公司在供电所线损管理办法( 国电农i 1 9 9 9 1 6 5 2 号文) 中规定： 农村生活和农业线路功率因数不小于o 8 5 ：工业、农副业专用线路功率因数不 小于0 9 0 。为了鼓励用电单位提高功率因数，国家规定了功率因数调整电费的 方法。变压器容量在3 1 5 k v a 及以上容量的工业客户的功率因数标准为0 9 0 ；变 压器容量在1o o 3 1 5 k v a 的工业客户功率因数标准为o 8 5 ；变压器容量在 1 0 0 k v a 及以上的农业客户功率因数标准为0 8 0 。当客户月用电平均功率因数高 于标准值时，以减少电费的形式进行奖励，功率因数越高，奖励的比例越大。 反之，功率因数低于标准值，将以增加电费的形式进行惩罚，功率因数越低， 惩罚的比例越大，上交电费就越多。 4 ) 电网无功功率不平衡将导致系统电压的巨大波动，严重时会导致用电 设备损坏，出现系统电压崩溃和稳定破坏事故。 5 ) 由谐波源造成的无功影响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，自动装置误动作，对通信系统产生干扰 等等。 1 1 4 无功补偿的作用和意义 研究无功功率补偿可以促进节能，提高功率因数，降低电路损耗，减少设 备容量和用户电费支出，保证电能质量，促使电力系统安全运行。 1 2 无功功率补偿装置的发展、研究现状及方向 1 2 1 发展 电力系统的无功补偿装置从最早的电容器开始，历经了电容器、同步调相 机( s y n c h r o n o u sc o n d e n s e r ，s c ) 、饱和电抗器( s a t u r a t e d r e a c t o r ，s r ) 、 晶闸管静止无功补偿器( s t a t i cv a rc o m p e n s a t o r ，s v c ) ，直到现今的静止同步 第4 页共5 1 页 山东大学硕士学位论文 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 ) 几个不同的发展阶段。 无功补偿电容器原理简单，安装、运行和维护方便，但是它只能补偿感 性无功，不能连续调节，且有负电压效应。在系统有谐波时，还可能发生并 联谐振，使谐波电流放大，甚至造成电容器烧毁。 同步调相机( s c ) 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，在过激磁或欠激磁的不同情况下，可以分别发出不同 大小的容性或感性无功功率。自上个世纪二、三十年代以来的几十年中，同 步调相机在电力系统无功功率控制中一度发挥着主要作用。然而，由于它是 旋转电机，因此损耗和噪声都较大，运行维护复杂，而且响应速度慢，在很 多情况下己无法适应快速无功功率控制的要求。所以七十年代以来，同步调 相机开始逐渐被静止型无功补偿装置( s v c ) 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。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；但是由于其损耗和噪声都 很大，并且不能分相调节负荷的不平衡，所以未能占据静止无功补偿的主流。 电力电子技术的发展及其在电力系统中的应用，使应用晶闸管器件的静 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 运行了其使用晶闸管的静止无功补偿装置。1 9 7 8 年，在美国电力研究院 ( e l e c t r i cp o w e rr e s e a r c hi n s t i t u t e ) 的支持下，西屋电气公司( w e s t i n g h o u s e e l e c t r i cc o r p ) 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 界各大电气公司都竞相推出了各具特点的系列产品。我国也先后引进了数套 此类装置，现已具备自行制造能力。 由于使用晶闸管器件的静止无功补偿装置( s v c ) 具有优良的性能，所以， 近十多年来，在世界范围内其市场一直在迅速而稳定地增长，己占据了静止 无功补偿装置的主导地位。静止无功补偿装置包括晶闸管控制电抗器( t c r ) 和晶闸管投切电容器( 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 c ) 或机械投切电容器( m s c ) 混合使用的装置( 如 t c r + f c ，t c r + m s c 等) 。 第5 页共5 1 页 山东大学硕士学位论文 随着电力电子技术的进一步发展，八十年代以来，一种更为先进的静止 型无功补偿装置静止同步补偿器( s t a t c o m ) , m , 现了，它也被称为静止无 功发生器( s v g ) 或高级静止无功发生器( a s v g ) 。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、三相不平衡和谐波的优点。s t a t c o m 应用逐步成为无功补偿的一个重 要发展方向，这也是本文的研究内容。 1 2 2 研究现状 目前，从s t a t c o m 装置研究现状来看，国际上，自1 9 8 0 年日本三菱公 司和关西电力推出世界上第一台采用晶闸管强迫换流的2 0 m v a rs t a t c o m 并 网运行以来，世界各大电力公司都竞相研究并力图抢占这一发展领域。随着 电力电子器件的发展，g t o 等自关断器件逐渐成为s t a t c o m 的自换相桥式电 路中的主力。日本三菱与关西电力公司采用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。美国西屋公司与电力研究院e p r i 于1 9 9 6 年推出了士1 0 0 m v a r 的装置，德国西门子公司单机容量为8 m v a r 的装置也于 1 9 9 8 年在丹麦投运。在国内，1 9 9 4 年清华大学与河南电力局联合开发的 ：i ：2 0 m v a 的s t a t c o m 装置于1 9 9 9 年在河南洛阳2 2 0 k v 朝阳变电站并网成功。 另外，国家电力公司南京自动化研究院在2 0 0 1 年也研制了5 0 0 k v a 的 s t a t c o m 装置。 从技术角度来看，以上提及的大多是基于输电系统的无功补偿的，多采 用大功率器件，多重化、多电平电路实现，控制上采用间接电流控制方式( 把 s t a t c o m 控制成电压源，对应的直接电流控制方式是把s t a t c o m 控制成电 流源) 。另外，用s t a t c o m 来补偿工业负荷的研究也时有报道，使用的大都 是g t o 和i g b t 这样的自关断器件，控制方法也更为广泛。 1 2 3目前存在的问题及研究方向 对于s t a t c o m 的研究，目前存在的问题是，s t a t c o m 系统设计大多以配电 系统的无功补偿为主，整个装置设计工程量大，技术难点多，不够灵活。国内 研制的s t a t c o m 系统长期、稳定的运行能力欠缺，在技术上受器件开关频率 与开关容量矛盾的影响，控制方法采用间接电流控制思路，从而造成输出谐波 等问题，响应速度和控制精度也有待提高。而采用负载补偿的用户终端 第6 页共5 i 页 山东大学硕士学位论文 s t a t c o m 系统，立足于小功率场合无功补偿，这样负载所需要的无功直接由 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输给配电系统造成 的一系列问题；选用以i g b t 为开关器件的s t a t c o m 系统，可以避免开关频率 的限制，达到较好的控制性能。目前所存在的问题就是用户对无功补偿的需求 并不迫切，受成本限制，用户终端s t a t c o m 并没有得到充分的发展。随着用 户对无功补偿、补偿性能的进一步要求以及电力电子开关器件开关频率的不断 提高，进行直接电流控制的用户终端s t a t c o m 系统技术方面的研究是非常必 要的。 第7 页共5 l 页 山东大学硕士学位论文 2s t a t c o m 装置的基本原理 2 1s t a t c o m 的工作原理 如图2 1 为s t a t c o m 的原理示意图，其中直流侧为储能电容，为 s t a t c o m 提供直流电压支撑，逆变器通常由多个逆变桥串联或并联而成，其 主要功能是将直流电压变换为交流电压，而交流电压的大小、频率和相位可以 通过控制逆变器中可关断器件( 如g t o 、i g b t 、i e g t 等) 的驱动脉冲进行控制。 连接变压器将逆变器输出的电压变换到系统电压， z避 徽黟赢小；o c 。 仉 ：戮翰b 固 图2 一ls t a t c o m 装置调节无功的原理示意图 从而使s t a t c o m 装置可以并联到电力系统中。连接变压器本身的漏抗可以用 于限制电流，防止逆变器故障或系统故障时产生过大的电流。整个s t a t c o m 装置相当于一个电压大小可以控制的电压源。设s t a t c o m 装置产生的归算到 系统侧的空载相电压为l ji ，系统相电压为【js ，连接电抗为x ，则s t a t c o m 装置输出的电流为 ， 夥i 一s 一 jx(2-1) 因此，s t a t c o m 装置输出的单相视在功率为 s 地a s 警沪2 ， 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l ji 与系统电压i js 相位相同，因此s t a t c o m 装置输出的单相无 第8 页共5 l 页 警 山东大学硕士学位论文 功功率为 p = h 池( 疗s 等) = t u z - u s 敞( 2 3 ) 当控制s t a t c o m 装置产生的电压小于系统电压即u i o ，此时s t a t c o m 装置相当于电容。由于s t a t c o m 装置 产生的电压u l 的大小可以连续快速地控制，因此s t a t c o m 吸收的无功功率 可以连续地由正到负进行快速调节。 2 2 s t a t c o m 的工作特性及s v c 的比较 根据以上对工作原理的分析，可得s t a t c o m 的电压一电流特性如图2 - - 2 所示。可以看出，当电网电压下降，补偿器的电压一电流特性向下调整时， s t a t c o m n - 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 大无功电流死脚甜和甜维持不变，仅受其电力半导体器件的电流容量限制， s v c 的运行范围是向下收缩的三角形区域，s 曰”c o m 的运行范围比s v c 要大 的多，这是s t a t c o m 优越于传统s v c 的一个特点。 u 勤呵 _ _ 一一 _ ：一_ ： 一 1 ：一 一 ：一 一 ； 一 ；一 一 j 一 图2 2 s t a t c o m 的电压一电流特性 此外，对于那些以输电补偿为目的s t a t c o m 来讲，如果直流侧采用较大 储能电容，或者其它宜流电源( 如蓄电池组，采用电流型交流器时直流侧用 导储能装嚣等) ，则必要时s n 蛆c o m 还可以在短时间内向电网提供一定量的 匀功率，这对于电力系统来说是非常有益的。 对于传统s t a t c o m 装置中的谐波问题，在s 曰订c o m 中完全可以采用桥式 山东大学硕士学位论文 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 使较高次数的谐波电流减小到可以接受的范围内。 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 t a t c o m 桥式变流电路的直 流侧可以不设储能元件。考虑到变流电路所吸收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，但其容量远比 s t a t c o m 所能提供的无功容量要小的多。另外，由于s t a t c o m 连接电抗是 用来滤除电流中的高频成分，所以其电感值不大。综上所述，与s v c 相比较， s t a t c o m 在无功功率特性、提高输电系统稳定性、响应速度、谐波含量、装 置体积以及潜在成本等方面都有着明显的优势。 2 3s t a t c o m 控制方法 对于s t a t c o m 的控制，在如何由无功电流( 或无功功率) 参考值调节 s t a t c o m 真正产生所需的无功电流( 或无功功率) 这个环节上，形成了 s t a t c o m 多种多样的控制方法。具体分为间接电流控制和直接电流控制两大 类。由于s t a t c o m 控制中存在有功功率的调节，所以这里所说的电流是指 s t a t c o m 总的电流。 2 3 1间接电流控制 间接电流控制，就是将s t a t c o m 当作交流电压源看待，通过s t a t c o m 变 流器所产生交流电压基波的相位和幅值的控制，来间接控s t a t c o m 的交流侧 电流。 图2 3s t a t c o m 单相等效电路 以图2 3 所示的吸收滞后电流为例，由电网电压l is ，、变流器交流侧基波 电压l jl 和连接电抗压降【jl 构成的三角形关系，可得如下等式： u l s i n 6 = u s s i n ( 9 0 。+ 伊夕= u z s i n ( 9 0 0 一妒一6 夕( 2 4 ) 第1 0 页共5 l 页 山东大学硕士学位论文 式中，6 为i ji 与【js ，的相位差，以u l 超前u s 时为正，9 为连接电抗 器的阻抗角，u l 、u s 和u 1 分别为i jl 、i js 和【ji 的模。由此得 ul = uss i n j c o s 伊 ( 2 - 5 ) 据此可推导出稳态时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分别 为 i q = u m i n ( 9 0 。- 矽氏碧+ f = 魄s i n 2 j 2 r( 2 - 6 ) z p = 观c d s 俾d o _ 印人么丽魄“c o s 2 j ) 2 r( 2 7 ) l 髦 了么 弋 1 r d 夕 图2 4 昂、南与d 的关系 可以证明，如果无功电流的符号以吸收滞后无功功率为正，吸收超前无功 功率为负，则当ui 滞后于us ，s n 盯c o m 从电网吸收超前无功电流时，其稳 态仍然满足式2 6 和式2 7 ，只不过此时其中的6 和如均为负。稳态下将局和昂与万 角的关系绘成曲线即如图2 4 所示。可见在j 角绝对值不至太大的范围内，万与局 接近为线性的正比关系。因此可以通过控制i ji 相对【js 的超前角6 来控制 s t a t c o m 吸收的无功电流。 由式3 一l 可得s t a t c o m 交流侧输出电压为 ul = us c o s ( 6 + 伊) c o s 9 ( 3 - 5 ) 也即稳态下j 角与变流器交流侧基波电压的大小也是一一对应的，如图4 中翻 与6 关系曲线所示。当改变6 角时，矾也随着变化。矾的变化是通过直流端支撑 弧变化而实现。6 角变化时，变流器将吸收一定的有功电流，直流侧的电容被 充电和放电，因而引起玩的变化，从而引起研的变化。 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 第l l 页共5 l 页 山东大学硕士学位论文 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 3 2 直接电流控制 直接电流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 三 馈控制。采用直接电流控制时，用户终端s t a t c o m 可以等效成一个电流源_ 【。， 其单相的等效电路图如图5 表示，电网侧的有功、无功电流分别为i s p 、i s q ； !三 负载侧的有功、无功电流分别为i 印、l q 网侧及负载侧等效阻抗为z s 、z p 。 ： ； 2 s q - - - ( 上l q 一上。q ) z p ( z s + z p ) ( 3 6 ) z s i s p + i s qk + k 图2 5并联型电能质量调节器补偿无功时单相等效电路 只要i l q i o q - - - 0 ，则i s q = o ，即可补偿负载产生的无功功率。电流直接控制的 p w m 策略很多，最常用的方法有三角波比较法、滞缓比较法和空间电压矢量 法。直接电流控制由于开关器件频率的限制，很难应用到较大容量s t a t c o m 场合，一般可以在负载补偿的用户终端s t a t c o m 控制系统中采用。 2 3 3电流间接与直接控制的特点 电流间接与直接控制具有各自的特点，归纳起来有如下几方面： 1 ) 电流的间接控制方法相对简单，技术相对成熟；但直接控制与间接控 制相比，控制精度高，系统具有快速的瞬态响应。由于瞬时反馈的引入，控制 系统对直流测电压和交流侧电网电压波动迅速作出反应，保持输出电流跟随参 考值。 2 ) 直接控制比间接控制的系统稳定性高。电感的电流控制环是一阶系统， 无条件稳定。 篇1 2 页其5 1 贾 山东大学硕士学位论文 3 ) 直接控制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a b c - - d q 或a b c - - a 1 3 变换到瞬时无功电流厶，再通过d q - - a b c 或 a 1 3 - - a b c 逆变换为三相电流，无功电流对称，流入直流侧电流脉动小，电压也 脉动小；另外，电流直接控制对相位的检测精度要求不高，这点与间接控制不 同，这一优点给控制器的实现带来很大的方便。 4 ) 直接控制对电力半导体器件开关频率要求高，它适用于较小容量 s t a t c o m 的控制；而间接控制适用于较大容量s t a t c o m 控制，但由于容量 大，受电力半导体开关器件频率限制，一般无法像直接控制方法那样对电流波 形进行跟踪控制。 5 ) 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。 6 ) s t a t c o m 采用电流直接控制方法后，其响应速度和控制精度将比间接 控制法有很大的提高，在这种控制方法下，s t a t c o m 实际上已经相当于一个 受控的电流源，但直接控制法由于是对电流瞬时值的跟踪控制，因而要求主电 路电力半导体器件有较高的开关频率，这对于大容量的s t a t c o m 目前是难以 做到的。 2 3 4 本文s t a t c o m 控制思想 在s t a t c o m 直接电流控制方法中常见的可以引入由o 变换或瞬时无功功 率理论的应用，本文介绍的s t a t c o m 的控制思想就是基于瞬时无功功率理论 的应用。基本思想是：通过对负载电流的检测，应用瞬时无功功率理论，计算 出无功电流作为指令，然后应用跟踪型p w m 控制方式对变流器进行控制。 2 4 用户终端s t a t c o m 的特点 无功补偿分输电补偿和负载补偿两种，而用户终端s t a t c o m 则是针对第 二种情况的无功补偿装置。 当无功功率靠上级电网远距离传输时，得不到跟踪就地补偿，就会大大降 低电网的经济效益。采用用户终端无功补偿的办法，可以就地消除负载对电网 系统的无功污染，避免无功的上级网络传输给电网带来的影响，取到较好的补 偿效果和经济效益，所以负载补偿是合理的，而且补偿性能高，可以很好的满 第1 3 页共5i 页 山东大学硕士学位论文 足无功负荷的需求。 用户终端s t a t c o m 作为并联型的电能质量调节器，其等效的结构图可如 图2 6 表示。s t a t c o m 主电路结构与系统并联，其接入点在电网和负荷之间。 控制模块检测和分析负载电流，计算出无功分量等，控制主电路生成相应的电 流，以达到补偿目的。 驱动信号 v s i 图2 6 用户终端s t a t c o m 等效结构图 用户终端s t a t c o m 针对特定的负载进行无功补偿，一般来说和高压配电 系统的s t a t c o m 比较起来容量较小；它除了具备通用的s t a t c o m 补偿无功的 特点，如损耗小、动态跟踪，避免常见的t s c 投切难题等等一系列优点以外， 还避免的无功的上级网络传输给电网带来的影响；同时通过选择适当的控制方 法，还可以抑制谐波在无功补偿中的影响，在自身的控制性能如响应速度、控 制精度上有较大的提高；同时可以改善输出特性如避免大量的谐波电流输出。 第1 4 页共5l 页 山东大学硕士学位论文 3 直流电流控制的指令信号产生及控制 3 1直接电流控制理论基础 系统的控制包括对无功分量的检测即指令电流生成和p w m 波形的生成 两个部分。对无功量的检测，首先要明确的检测目标，即要补偿的无功功率的 范畴；其次，检测方法是基于瞬时无功功率理论的变化。所以下面分别就这两 个问题予以说明。 3 1 1功率因数 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则可能很 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。设正弦波电压有效值为u ，畸变电流有效值为，其 基波电流有效值及与电压相角差分别为乃和矿，刀次谐波有效值为厶。考虑到不 同频率的电压电流之间不产生有功功率，按照绪论中提及的概念，这时功率因 数为： 。 a _ - - p s = u l l c o s 咖，u l = h c o s 驴，i = v c o s 砂， ( 3 - 1 ) 式中i d l f l o 基波电流有效值和总电流有效值之比，称为基波因数，而c o s 砂 称为基波功率因数或位移因数。可以看出，功率因数是由基波电流相移和电流 波形畸变两个因数决定的。总电流也可以看成由三个分量组成，即基波有功电 流、基波无功电流和谐波电流。式3 1 将是后面检测算法的一个基础。 3 1 2 瞬时无功功率理论 瞬时无功功率理论于上个世纪8 0 年代由赤木泰文提出，它突破了传统的以 平均值为基础的功率定义，系统地定义了瞬时无功功率理论、瞬时有功功率理 论等瞬时量。应用i p ，i q j 垂_ 算方式的原理图见图3 1 ： 乏a 砀 k j 幽 l b h l c h 图3 一l 、i q j 垂_ 算方式的原理图 采用口相电网电压e 口产生同步的正弦信号s i n6 0 r 和对应的余弦信号一c o sm t ； 第1 5 页共5 l 页 山东大学硕士学位论文 负载电流经过变换算出其有功与无功分量i p 、i q ，经l p f 滤波得出i p 、i q 的直流分 量、i q 。这里，扫，i q g 由基波分量i a f 、i b f 、铲生的，因此目a i p 、岛即可计算出 三相电流的基波分量如厂、f 6 厂、f 驴进而可以算出谐波分量锄、锄、锄。 3 2 指令信号的生成 无功功率的补偿应包括基波无功功率的补偿和对谐波无功功率的补偿。从 式4 1 可看出，无功补偿的影响因子主要有两部分：谐波和基波相移。故在装 置允许的范围内，应该把除基波有功分量以外的所有谐波和基波无功都补偿 掉；当然，在实际工程应用中，考虑到基波无功在所有无功损耗中绝对比重， 为了降低开关频率，提高系统容量，可以采用主要补偿基波无功的方式。下面 的控制方法研究就是基于上述两种情况分别进行讨论。 应用瞬时无功功率理论把负载电流解祸成基波分量( 包括基波有功如和基 波无功乇) 和谐波分量如，即为： i 费, r = i p + i q + i h ( 3 2 ) 下面对应上面两种分析进行讨论。 3 2 1补偿谐波和基波无功 如公式3 2 ，把负载电流解耦为基波有功、基波无功和谐波部分，其中f 口 通道为有功，岛通道为无功，现断开拓通道，即可得出最终的指令电流包含基波 无功和谐波，见图3 2 。其中，锁相环( p l l ) 用来产生与a 相电压同相位的正 弦信号和余弦信号；易经低通滤波出基波分量易；是直流侧电容电压的给定 值，阢提其反馈值，两者之差经p i 调节后叠加到基波有功支路，使直流侧电容 能和交流侧交换能量，控制电容电压稳定。 第1 6 页共5 1 页 山东大学硕士学位论文 ， 扣 0 曲 i t c 匕刈= c c 3 2 龄s i n 啪a x 矗c m o s a 驴x - 黔。竭粥， 昏i ；j = c 们一1 嘲佟5 ， 最后得补偿电流的指令信号 阡圈一圈 ( 3 - 6 ) 在这种情况下，将瞬时无功理论进一步扩展，实现了谐波和基波无功的全 部补偿，同时由于采用了三相不对称控制利用了本身产生的负序电流来抵消接 入点的负序电流，所以可以同时实现负序电流的补偿；但对于大功率s t a t c o m 场合，这种方法有很大的局限性，因为在选用大功率开关器件如s t a t c o m 时， 会带来开关器件自身控制的复杂性问题，同时由于开关频率的限制，此时不能 完全检测到高次的谐波的成分，伴随还有输出电压谐波等不足。所以，这种控 制方法局限于单机容量不大的中小功率s t a t c o m 的应用，或是结合t s c 应用 于分组之间的连续无功补偿。 第1 7 页共5l 页 山东大学硕士学位论文 3 2 2 仅对基波无功进行补偿 由于基波无功在整个无功损耗中占有绝大部分的比重，所以，只对基波无 功进行补偿是可以把无功补偿到一定的范围内的。其原理是把基波中的无功成 分从负载电流中分离出来，然后通过反变换得出基波无功的指令电流。其中有 功部分的反变换用于控制直流侧电容压。 帼叫羽广 塔 删垒垦商氘 事 j j 乙 j 品 图3 3 检测基波无功原理图 具体数学关系式如下： 伫叫= c c 3 2 髀s i n 嘞a x c m o s a 驴x 1 ：剀= 陆二稠圈沪7 ， 此处正变换得到的通道断开不用。 匡茎习：c ：，窿；习= c z s c 1l ： ( 3 8 ) 较之上面的检测方法，此时最大的优点是由于不检测谐波成分，对开关频 率的限制降低，使采用大功率开关器件( 如g t o ) 成为可能，从而能够设计出较 大容量的系统：但是此时由于没有检测谐波部分，根据无功补偿的定义，不能 实现无功功率的全补偿；同时，由于开关频率的降低，输出的电压会产生大量 的谐波，此时可以采用多重化，或者结合多电平技术加以改善。 3 3 电流跟踪控制 电流跟踪控制就是根据补偿电流的指令信号和实际补偿电流之间的相互 关系，得出控制补偿电流发生电路中主电路各个器件通断的p w m 信号，控制 的结果应保证补偿电流跟踪其指令信号的变化。作为并联型调节器s t a t c o m 产生的补偿电流应实时跟随其指令电流信号的变化，要求补偿电流发生器有很 好的实时性，因此电流控制采用跟踪型p w m 控制方式。目前跟踪型p w m 控制 第1 8 页共5i 页 山东大学硕士学位论文 的方法主要有两种，即瞬时值比较方式和三角波比较方式。 3 3 1瞬时值比较方式 瞬时值比较方式又分为采用滞环比较器的瞬时值比较方式和采用定时控 制的瞬时值比较方式。其原理图分别如图3 4 和图3 5 所示。 图3 4 采用滞环比较器的瞬时值比较方式原理图 采用滞环比