五电平静止同步补偿器的数学建模.pdf

电 气自 动 化 2 0 1 2 年 第3 4 卷第1 期 电力系统及其自动化 P o wer S y s t e m Au t o ma t i o n 五电平静止 同步补偿器的数学建模 付光杰 李欣洳 苑宏钰 郑连亮 邢浦旭 1 东北石油大学 电气信息工程学院 黑龙江 大庆1 6 3 3 1 8 2 海洋石油工程股份有限公司 天津 塘沽3 0 0 4 5 2 3 辽河石油装备制造总公司 辽宁 盘锦1 2 4 0 1 0 4 武汉大学 动力与机械学院 湖北 武汉4 3 0 0 7 2 摘要 为了解决低压 中压 主开关器件在高压应用情况下的矛盾 国外有许多学者提出了多电平逆变技术 并在静止同步补偿器 S T A T C O M 中有很好的应用 在对五电平 S T A T C O M基本工作原理分析的基础上 利用开关函数的概念 建立五电平 S T A T C O M在 A B C三相静止坐标系和 D Q两相旋转坐标系下的高频数学模型 并通过系统仿真 验证了所建数学模型的正确性 同 时 对五电平 S T A T C O M的建模方法可推广应用于其他类似结构的电力电子电路的研究中 关键词 钳位 五电平 静止同步补偿器 数学模型 仿真 中图分类号 T M7 6 1 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 0 3 8 8 6 2 0 1 2 0 1 0 0 8 0 0 4 St u d y O n Ma lh e ma t i ca I Mo d e I o f t h e F i v e l e v e I S t a t co m F u G u a n g j ie L i X in r u Y u a n Ho n g y u Z h e n g L ia n li a n g X in g P u x u 1 S ch o o l o fE le ct r ica l a n d I n f o r m a t io n E n g i n e e r in g N o r t h e a s t P e t r o le u m U n i v e r s it y D a q in g H e ilo n g fia n g 1 6 3 3 1 8 C h in a 2 O f f s h o r e O i l E n g inee r in g C o L t d T ia n fi n 3 0 0 4 5 2 C h in a 3 C h i n a P e t r o le u m L i a o h e E q u i p m e n t C o m p a n y P a n j in L i a o n in g 1 2 4 0 1 0 C h i n a 4 S ch o o l o f P o w e r a n d Me ch a n ica l a n U n iv e r s i t y W u h a n z 6 e 4 3 0 0 7 2 C h in a A b s t r a ct I n o r d e r t o s o l v e t h e d iffi cu lt y i n l o w v o lt a g e m e d iu m v o l t a g e m a in s w i t ch d e v ice a p p l ie d t o h ig h v o l t a g e Ma n y a u t h o r s a b r o a d p r o p o s e d mu lt i le v e l in v e r t e r t e ch n o lo g y a n d it h a s a g o o d a p p lica t io n in S T A T COM B a s e d o n t h e a n a ly s is o f t h e b a s ic wo r k in g p r in cip le o f t h e fi v e le v e l S T AT C OM t h e p a p e r p r e s e n t s t h e ma t h e ma t ical mo d e l o f fi v e le v e l S T A T CO M in ABC s t a t io n a r y co o r d in a t e a n d D Q r o t a t e d co o r d i n a t e b y u s i n g t h e co n ce p t o f s w i t ch i n g f u n ct io n A n d t h r o u g h t h e s im u la t i o n i t v e rifie d t h e v al id i t y o f t h e s y s t e m mo d e 1 T h e fi v e l e v e l S T A T CO M mo d e l i n g me t h o d ca n b e a p p l ie d t o t h e s t u d y o f o t h e r s i mi la r p o w e r e le ct r o n i c cir cu i t s a t t h e s a me t ime Ke y wo r d s cla mp in g fi v e le v e l S T A T CO M ma t h e ma t ica l mo d e l s imu la t io n 0 引 言 随着现代科学技术的发展 电力输电系统已进入大系统 超 高压远距离输电 跨区域联网的新阶段 然而 电力电子装置等 非线性负载的大量使用造成电网中的无功和谐波问题 日益严重 给电网带来额外的负担 并影响供电质量 文献 1 3 中提出 了 S T A T C O M作为柔性交流输电系统 F A C T S 的装置之一 可用 于调节无功 提高输电质量 对建设资源节约 生态环保 标准规 范 技术先进 经济高效的绿色电网将具有很大的推动作用 并 且使用多电平逆变器 的 S T A T C O M具有输出容量大 输出电 压 电流谐波含量小等优点 在现有条件的基础上 如果电平数 过多 对逆变器的控制将变得复杂 本文所研究的五电平 S T A T C O M采用二极管钳位式的拓扑结构 利用开关函数的概念 建立 五电平 S T A T C O M在 A B C三相静止坐标系和 D Q两相旋转坐标 系下的高频数学模型 并通过仿真验证了所选择模型的正确性 1 五电平逆变器的工作原理 五电平是指逆变器交流侧每相输出电压相对于直流侧电压 中点电位 有 5种取值的可能 图 1为五电平 S T A T C O M的主 电路结构 每相含有 8 个开关管 及相应的反并联二极管 收稿 日期 2 0 1 1 0 6 2 7 基金项目 黑龙江省科技厅 自然科学基金 17 2 0 0 8 0 7 8 0 E l e ct r i ca I A u t o ma t i o n D 一 和 6个钳位二极管 为防止五电平逆变器中同一 桥臂出现短路 对主开关器件的控制脉冲有严格要求 需要使 与 与 与 与 的控制脉冲互补 而且每一对主 开关器件要遵循先断后通的原则 并且每相电位只能向相邻电 位过渡 不允许电位跳变 图 1 五电平 S T A T C O M 的主电路 电 气自 动 化 2 0 1 2 年 第3 4 卷第1 期 电力系统及其 自动化 P o we r S V 8 t e rn Au t o ma t i o n 2 2 D Q坐标系下的高频数学模型 相比于建立在 A B C三相静止坐标系下的数学模型 建立在 D Q两相旋转坐标系下的数学模型的控制系统更为简单 建立在 D Q坐标系下的高频数学模型一般由建立在 A B C三相静止坐标 系下的数学模型先变换到O 两相静止坐标系然后在变换到 D Q 两相旋转坐标系下形成 具体转换过程如下 历 一 1 2 2 l z 1 一 2 C 历 si n o t x c oswt 高 c os o 1 J 一 屯 S 1d S 1 d 一 一 S 一 s 5 d 一 一 R 口 S 1 g S s 一 S 4 q S 5 S s d S 1 d S I 0 0 0 0 一 S ld S 2z S l 一 S 0 0 0 0 S s 4 s 5 0 0 0 0 S 5 d S 5 0 0 0 0 1 1 仿真分析 利用所建五电平 S T A T C O M的数学模型 并结合电压的空间 矢量 P WM调制方法 在 S im u l i n k环境下编程 1 仿真基本参数 电网参数 电网三相对称 其中 3 1 1 s in w t 3 1 4 1 6 r a d s 5 0 Hz A C侧 R R 6 R 0 5 n L L 6 L 7 m H D C1 贝 0 女 1 1 5 0 V C d l C C 如 C d 4 4 5 0 0 F 在时 t 0 0 8 ms 之前系统处于功率因数为 1的直流电压闭环控制 其后为 无功电流给定分量产生阶跃下 i 一2 0 A的系统控制 2 动态仿真结果 图5为交流侧电流 i i i 的波形 图 6为有功电流 i 和无 功电流 i 的波形 图 7为直流侧 的波形 图 8为中点 电位 的波形 8 2 E l e ct r i o a I A u t o ma t i o n l 1 s 图 5 交流侧电流 i i i c的波形 4 I 一一 一 H 一 l 1 图6 有功电流 和无功电流 f 的波形 图 7 直流侧 的波形 从仿真结果可以得到如下的结论 1 由于五电平 S T A T C O M主电路的开关器件承受的电压 低 且允许开关频率低 所以特别适合应用于高电压 大功率的 场合 2 采用电压 的空间矢量 P WM调制方法 可以有效降低 A C侧电流的谐波含量 补偿系统无功 而且能使中点 电位控 制在小范围内波动 仿真波形验证了该点 证明所建的数学模型 是正确的 檄 薅 协 剥 髋 撇 卅 河 2 j 一J 0 O 0 O O 上 T 上 虬 卜 书 3 L L C C C C 电力系统及其 自动化 P o we r S v s t e m Au t o ma t i o n 电气 自动化 2 0 1 2年第 3 4卷 第 1期 鼢 s 图 8中点 电位 的波形 4结束语 采用二极管钳位五电平逆变器的 S T A T C O M能有效降低系 统损耗 并且控制工艺与采用七电平等更高电平的 S T A T C O M相 比之下 比较简单 是现有多电平技术中比较具有实际应用前景的 一 种拓扑结构 本文建立了五电平 S T A T C O M在 A B C静止坐标系和 O Q坐 标系下的高频数学模型 并通过 M a t l a b仿真验证了该模型的正 确性 为 E t 后深入研究和分析五电平 S T A T C O M的工作特性和控 制方法奠定了坚实的基础 上 接第 7 3页 字符集代码在字库芯片的地址码 然后将该地址码送给字库芯片 提取该地址所对应的 G B 2 3 1 2字符集 再将 G B 2 3 1 2字符集代码 通过字库芯片转化提取相对应的 1 6 1 6点阵代码 通过 S P I口 将代码送给单片机 进而单片机将点阵代码送给点阵屏并控制点 阵屏将数据显示出来 J 正 常 工 作状态下 当 手 机 蓝 牙 与 系统 蓝 牙 模 块 发 生 配 对 时 手 机 只有 输入 正 确 的 P I N码 后 才 可成功配对 配对成功后 若 手 机 采 用 记事 本 软 件 王 单片机初始化 钟 引脚等 二二 读F L A s H中存 储的显示内容 二二 字符集转 换子程 序 二二 取点阵代 码 子程序 L E D 显示 子程序 翌答 J 将 薹 F L A S据H 堡 查 主 点阵显示的方 l 向 亮度 速 l 度控制子程序 I 图 9 系统 软件流程 通过蓝牙发送数据 蓝牙模块将接收数据并通过串口发送出去 这时单片机接收数据 如果识别到有效数据的开始位为标志位 那么系统将认为该命令是控制命令 即控制 L E D显示的亮 度 速度 移动方向 控制命令的格式自主定义 例如 3 5左 意思为 为控制标志位 3 控制亮度 控制范围为0 9 数值 越大亮度越高 5 控制速度 控制范围0 9 数字越大速度越 参考文献 1 王兆安 杨君 刘进军 谐波抑制和无功功率补偿 M 北京 机械工 业出版社 1 9 9 8 5 5 1 7 0 2 罗安 电网谐波治理和无功补偿技术及装备 M 北京 中国电力出 版社 2 0 0 6 2 0 7 5 3 吴文辉 刘会金 静止同步补偿器 S T A T C O M 技术的研究现状与发 展 J 华东交通大学学报 2 0 0 5 2 2 2 8 9 9 4 4 谢小荣 姜齐荣 柔性交流输电系统的原理与应用 M 北京 清华 大学出版社 2 0 0 6 1 2 0 2 7 0 5 罗承廉 纪勇 刘遵义 静止同步补偿器 S T A T C O M 的原理与实现 M 北京 中国电力出版社 2 0 0 5 4 4 1 2 0 6 杨超 陶贵生 谢维达 二极管箍位式多电平逆变器拓扑结构分析与 控制策略研究 j 中国科技信息 2 0 o 9 3 1 3 6 1 3 7 7 郑建 陈劲操 混合级联逆变器在 S T A T C O M中的应用研究 J 电 力系统保 护与控制 2 0 0 9 3 7 1 8 5 7 6 1 7 3 8 沈斐 王娅岚 刘文华 等 大容量 S T A T C O M主电路结构的分析和 比较 J 电力系统 自 动化 2 0 0 3 2 7 8 5 9 6 3 9 R i e a r d o S h e n J B u e r w o a h N A n M y s i s a n d d e s i g n o f a t h r e e l e v e l P WM co n v e r t e r s y s t e m f o r r a i l w a y t r a ct i o n a p p l i ca t i o n s J I E E P r o c E l e e t r P o w e r A p p l 1 9 9 7 1 4 4 5 3 5 7 3 7 1 1 0 文小玲 尹项根 双三电平 S T A T C O M的建模与仿真分析 J 武汉 工程大学学报 2 0 0 7 2 9 3 5 9 6 2 1 1 郑超 周孝信 李若梅 新型高压直流输电的开关 函数建模与分析 J 电力系统 自动化 2 0 0 5 2 9 8 3 2 3 5 1 2 詹厚剑 吴杰康 康海兵 静止同步补偿器的开关 函数建模与仿真 J 电力系统保护与控制 2 0 1 0 3 8 1 0 6 6 7 O 作者简介 付光杰 1 9 6 2 一 女 博士 教授 研究方向为电力电子与电 力传动 李欣 洳 1 9 8 8一 女 在读研 究生 研 究方 向为电力 系统