（电力系统及其自动化专业论文）配电系统动态无功补偿技术的研究.pdf

皇坠奎 坠圭 坠垒 一 等一系列的优点 将使电路大大简化 其次 实现电流直接控制的关键是采用跟 踪型p w m 控制技术 本文在比较了各种跟踪型p w m 控制技术的基础上 采用了 一种新型的开关频率基本恒定的电流跟踪控制法一双向抛物线法 给出了其基本 原理 最后设计并实现了一种新型的直接电流控制d s t a t c 0 m 系统一采用电源 电流直接控制和双向抛物线法电流跟踪控制新技术 通过大量的仿真和实验 验 证了这种新型d s t a t c o m 的先进性与合理性 配电系统通过设置动态补偿装置来补偿谐波和无功功率 这属于被动补偿的 范畴 换一种思路考虑 如果能对负载侧的电力电子装置本身进行改造和控制 使其尽量不产生谐波 且实现输入电流和电压同相位 那么 对配电系统补偿装 置的容量需求将大为减小 甚至无需外加动态补偿装置 也就是说 通过改进用 户侧电力电子装置自身的性能 显然是一种更为积极主动的方法 利于从根本上 解决配电网的电能质量问题 本文在这一方面也开展了较为深入的研究工作 目前广泛应用的整流器负载 功率因数很低 是配电系统中主要的谐波源 若通过控制此类整流器负载的输入 输出特性 使其对外尽量不产生谐波 且功 率因数近似为1 就可构成高功率因数整流器 在综合研究当前有源功率因数校 正技术的基础上 本文提出了一种基于单周控制的高性能功率因数校正 h p p f c h i g h p e r f o r m a n c ep o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n 方法 可用于单相整流类负载 实现功率因数校正和谐波综合治理 本文分析了基于单周控制的h p p f c 方法的电 路拓扑和基本原理 推导了相应的单周控制方程 给出了主电路的主要参数 电 感 直流侧储能电容 的设计和选取标准 建立了单周控匍j h p p f c 电路的大信号 模型 在此基础上进行了控制系统中p i 调节器设计 将控制系统校正为典型i i 型 系统 从而消除了稳态误差 提高了抗扰性能 为系统的综合设计提供了理论依 据 通过对单周控制的h p p f c 单周控制的直流倾i j a p f 的综合分析和设计 以及 样机试验结果证明了理论分析和设计的正确性 关键词 电能质量 d s t a t c o m 逆系统方法 等效原理 抛物线法 电流跟踪 控制 单周期控制 功率因数校正 第1 i 页 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fp o w e re l e c t r o n i cd e v i c e sa n dp o w e rc o n v e r t i n g t e c h n i q u e p 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 di nm o d e ms o c i e t y s i n c e1 9 8 0 s a n dp l a ya r te v e ri m p o r t a n tr o l ei ne n h a n c i n gt h e s t a b i l i t ya n ds e c u r i t yo f p o w e rs y s t e m i n c r e a s i n gt r a n s m i s s i o nc a p a b i l i t ya n dl o a de f f i c i e n c y a n ds a v i n g e n e r g y u n f o r t u n a t e l yt h e s et y p e so fe q u i p m e n ti m p o s en o n l i n e a rl o a d st ot h ep o w e r 鲥d w h i c hd r a wh a r m o n i ca n d o rr e a c t i v ec u r r e n t si na d d i t i o nt oa c t i v ec u r r e n tf r o m t h ep o w e r 鲥da n dd oh a r mt ot h ep o w e rs y s t e ma n do t h e re q u i p m e n t sc o n n e c t e dt o t h ep o w e rg r i d a sa p p l i c a t i o n so fp o w e re l e c t r o n i c e q u i p m e n t si n c r e a s i n g t h e p r o b l e m sr e l a t e dt oh a r m o n i cp o l l u t i o n e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e e m i a n dl o w p o w e rf a c t o r p f o f t h ep o w e rs y s t e ma r eb e c o m i n gm o r es e r i o u s f a c i n g t ot h ec u r r e n ts t a t u so fw e a k 蜊d c o n f i g u r a t i o n u n d e v e l o p e d t r a n s m i s s i o na n dd i s t r i b u t i o nt e c h n o l o g y l o wa u t o m a t i o nl e v e li no u rc o u n t r y i ti s m o r ei m p o r t a n ta n du r g e n tt o s t u d yn e wt e c h n i q u ea n de q u i p m e n t st os u p p r e s s h a r m o n i c sa n dc o m p e n s a t e r e a c t i v e p o w e r t h i s p h d p a p e rf o c u s e s o nt h e r e a c t i v e p o w e rc o m p e n s a t i o no fd i s t r i b u t i o ng r i d a so n eo ft h em o s ti m p o r t a n t e q u i p m e n t s i nc u s t o m p o w e r d i s t r i b u t i o n s t a t i c s y n c h r o n o u sc o m p e n s a t o r d s t a t c o m i sa ne f f e c t i v em e a s u r et od y n a m i c a l l yc o m p e n s a t er e a c t i v e p o w e r m a i n t a i nv o l t a g es t a b i l i t ya n di m p r o v e p o w e rq u m i t yo f d i s t r i b u t i o ng r i d b a s e do na n a l y z i n ga n dc o m p a r i n gm a n yc o n t r o ls t r a t e g i e s m u l t i v a r i a b l e i n v e r s e s y s t e mm e t h o di sa p p l i e dt oac u r r e n ti n d i r e c t l yc o n t r o l l e dd s t a t c o m f i r s t am o r cr a t i o n a la n dp r e c i s en o n i i n e a rd y n a m i cm a t h e m a t i c a lm o d e lo fd s t a t c o m i se s t a b l i s h e db yt h es w i t c h i n gf u n c t i o na p p r o a c h w h i c ht a k e sd e v i c el o s s e si n t om o r e c o n s i d e r a t i o n i e t h el o s s e sw h i c ha r ei np r o p o r t i o nt ot h es q u a r eo fc u r r e n tc a l lb e e q u i v a l e n tt oa na cs i d er e s i s t o r w h i l et h el o s s e sw h i c ha l ei np r o p o r t i o nt ot h e s q u a r e o fv o l t a g ec a nb e e q u i v a l e n tt oad cs i d er e s i s t o r i no r d e rt oa c h i e v e d e c o u p l e dc o n t r o le a s i l y t h es t a t ev a r i a b l e so ft h em o d e la r er e c o n s t r u c t e d a n dt h e n t h ed c l i n k v o l t a g ea n dr e a c t i v e c u r r e n ta r ed e c o u p l e ds u c c e s s f u l l yb a s e do n 第1 i i 页 当奎垄堂堕圭耋堡垒塞 一 m u l t i v a r i a b l ei n v e r s e s y s t e mm e t h o d t h e r e f o r et h ed e s i g no f p ic o n t r o l l e r i s s i m p l i f i e dg r e a t l y ac o n t r o ls t r a t e g yc o m b i n i n gw i t hs t a t ef e e d b a c ka n df e e d f o r w a r d i sa l s op r e s e n t e d w h i c hc a nf a s tv o l t a g ea n dr e a c t i v e c u r r e n tr e s p o n s ea n de n h a n c e a n t i d i s t u r b i n ga b i l i t y b ya n a l y z i n gt h es t a b i l i t yo ft h ed e c o u p l e dp s e u d ol i n e a r s y s t e m i tc a nb ep r o v e dt h a tt h et o t a ls y s t e m i ss t a b l e b a s e do nt h ed e s i g n e d m u l t i v a r i a b l ei n v e r s e s y s t e mc o n t r o l l e r d s t a t c o m sc o n t r o lu n d e ra s y m m e t r i c v o l t a g e si sa l s os t u d i e dd e e p l y t h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dd e s i g na r ev e r i f i e db yt h e s i m u l a t i o nr e s u l t s f o rac u r r e n td i r e c t l yc o n t r o l l e dd s t a t c o m t h ee q u i v a l e n c eo ft w oc u r r e n t c o n t r o ls c h e m e s a cm a i nc u r r e n td i r e c tc o n t r o la n dt r a d i t i o n a lc u r r e n td i r e c t c o n t r o l 一 i sb e i n gp r o v e df i r s t i e t h et w oc o n t r o ls c h e m e sa r ef o u n dt oh a v ee q u a l c o n t r o lr e s u l t s b u tt h ea cm a i nc u r r e n td i r e c tc o n t r o ls c h e m ed o e sn o tr e q u i r et h e l o a d sh a r m o n i ca n dr e a c t i v ec u r r e n t st ob es e n s e da n dc o m p u t e d t h u si tc a nr e s u l ti n m o r es i m p l i f i e dc i r c u i t f u r t h e r m o r e t h ek e yo fc u r r e n td i r e c tc o n t r o li st h e a p p l i c a t i o no ft r a c k i n gp w m c o n t r o lt e c h n i q u e s oan e wc u r r e n tt r a c k i n gp w m c o n t r o lm e t h o di sp r o p o s e di nt h ep a p e r w h i c hi sc a l l e db i d i r e c t i o n a lp a r a b o l am e t h o d a n dh a v ean e a r l yc o n s t a n ts w i t c h i n gf f e q u e n c y t h e nt h eb a s i cp r i n c i p l eo ft h i sn e w m e t h o di sp r e s e n t e d f i n a l l yan e wc u r r e n td i r e c t l yc o n t r o l l e dd s t a t c o ms y s t e mi s d e s i g n e da n di m p l e m e n t e d w h i c he m p l o y st e c h n i q u e so fa cm a i nc u r r e n t d i r e c t c o n t r o la n db i d i r e c t i o n a lp a r a b o l ac u r r e n tt r a c k i n gp w mc o n t r 0 1 t h ee f f e c t i v e n e s s a n dr a t i o n a l i t yo ft h i sn e wt y p ed s t a t c o ma r ev e r i f i e db yt h es i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n tr e s u l t s i n s t a l l i n gd y n a m i cc o m p e n s a t i n ge q u i p m e n tt oc o m p e n s a t et h eh a r m o n i c sa n d r e a c t i v e p o w e ri nd i s t r i b u t i o ng d di sak i n do fp a s s i v ec o m p e n s a t i o n o nt h eo t h e r h a n d t h ec a p a c i t yo ft h ed i s t r i b u t i o nc o m p e n s a t i n ge q u i p m e n t sw i l ld e c r e a s eg r e a t l y e v e nn o t h i n ga ta 1 1 i fw ec a ni m p r o v ep o w e re l e c t r o n i ce q u i p m e n t st h e m s e l v e sw h i c h a r er e g a r d e da sm a i nn o n l i n e a rl o a d st om a k et h e mp r o d u c el e s sh a r m o n i ca n dk e e p t h ei n p u tc u r r e n ti np h a s ew i t ht h ei n p u tv o l t a g e t h e r e f o r e i t sam o r ep o s i t i v ea n d a c t i v em e a n st o i m p r o v et h e i n n e rp e r f o r m a n c eo fc u s t o m s p o w e re l e c t r o n i c 第1 v 页 垒圣垒兰堡 叁垒丝 三 一 e q u i p m e n t s a n di ti sb o l p f h lt os o l v et h ep r o b l e m so fp o w e rq u a l i t yr a d i c a l l y m o r e i n d e p t hs t u d yo nt h es u b j e c th a sb e e nd e v e l o p e di nt h i sp a p e r c u r r e n t l yw i d e l yu s e dr e c t i f i e r s w h i c hh a v ev e r yl o wp o w e rf a c t o r a r et h em a i n h a r m o n i cs o u g c ei nd i s t r i b u t i o ng 耐 i fw ec a ni m p r o v et h e s er e c t i f i e r s e n a b l et h e m d on o tp r o d u c eh a r m o n i c sa n dk e 印n e a r l yu n i tp o w e rf a c t o r t h e nh i 曲p o w e rf a c t o r r e c t i f i e r sc a l lb ea c h i e v e d o nt h eb a s i so fs t u d yo ft h ec u r r e n ta c t i v ep o w e rf a c t o r c o r r e c t i o nt e c h n o l o g y an e wh i g h p e r f o r m a n c ep o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n h p p f c m e t h o db a s e do no n e c y c l ec o n t r o l o c c i sp r o p o s e di nt h i sp a p e r w h i c hc a nb eu s e d t oc o r r e c tp o w e rf a c t o ra n ds u p p r e s sh a r m o n i cf o rs i n g l e p h a s er e c t i f i e rl o a d t h e c i r c u i tt o p o l o g ya n db a s i cp r i n c i p l eo ft h i sm e t h o da r ef i r s t a n a l y z e d a n dt h e c o r r e s p o n d i n go c cc o n t r o le q u a t i o ni sd e r i v e do u lt h e nt h ee s t i m a t i n gf o r m u l a sa n d d e s i g nt od e t e r m i n et h em a i nc i r c u i tp a r a m e t e r s s u c ha st h ei n d u c t o r t h ed e 1 i n k c a p a c i t o r a r eg i v e n t h el a r g es i g n a lm o d e lo ft h eh p p f cc i r c u i tw i t ho c ci s e s t a b l i s h e db a s e do ne n e r g yb a l a n c e t h e nt h ep ic o n t r o l l e ro ft h ec o n t r o ls y s t e mi s d e s i g n e d t h ec o n t r o ls y s t e mi sc o r r e c t e dt ob eat y p i c a li is y s t e mi nw h i c ht h es t e a d y e r r o ri se l i m i n a t e da n dt h ea n t i d i s t u r b i n ga b i l i t yi si m p r o v e d a l lo ft h ea b o v e a n a l y s i sa n dd e s i g nl a yat h e o r yf o t m d a t i o nt oc o m p r e h e n s i v ed e s i g no ft h ew h o l e s y s t e m t h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dd e s i g na r ev e r i f i e db yp r o t o t y p ee x p e r i m e n t s k e y w o r d s p o w e rq u a l i t y d s t a t c o m d i s t r i b u t i o n s t a t i c s y n c h r o n o u s c o m p e n s a t o r i n v e r s es y s t e mm e t h o d e q u i v a l e n c ep r i n c i p l e p a r a b o l af u n c t i o n c u r r e n tt r a c k c o n t r o l o c c o n e e y c l ec o n t r o d p o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n 第v 页 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 均己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 三坦 日期 2 至坠 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 同意学 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 豸盈堂鼙一导师签名 第一章绪论 1 1 引言 电能质量问题的提出由来已久 1 1 在电力系统发展的初期 电力电子装置没 有大量应用之前 电力负荷的组成比较简单 主要由变压器 电动机和各种照明 设备等组成 谐波和无功问题不是很严重 衡量电能质量的指标也比较简单 主 要有频率偏移和电压偏移两种 所以早期的电能质量问题显得不是很突出 2 2 0 世纪8 0 年代以来 随着高压 大功率电力半导体器件的不断更新和发展 功率变换技术的日臻完善 非线性电力电子器件和装置在现代社会中得到了广泛 应用 特别是自2 0 世纪8 0 年代美国学者n g h i g o r a n i 提出柔性交流输电系统 f l e x i b l ea ct r a n s m i s s i o ns y s t e m f a c t s 的概念以来 3 大量的f a c t s 装置先 后出现 从电能的产生 传输 储存直至变换和控制的各个环节已有许多独特的 应用实例 这对增强电力系统运行的稳定性和安全性 提高输电能力和用电效率 节能等方面发挥了越来越重要的作用 然而 电力电子装置为人们带来巨大利益的同时 也导致了电网中日益严重 的谐波污染 而且 许多电力电子装置的功率因数很低 也给电网带来额外负担 并影响供电质量 另外 像电弧炉 轧钢机 电力机车等冲击性 不平衡负荷 运行中不仅会产生大量的高次谐波 而且还会产生电压波动 闪变 三相不平衡 等电能质量问题 面对我国目前电网结构薄弱和输配电技术手段 自动化水平低 的现状 研究电网谐波治理和无功补偿新技术及新装备 具有十分重要的理论和 现实意义 如何消除谐波污染并提高功率因数 从而提高电能质量 已成为输配 电技术中最为迫切的问题之一 针对这一问题 一些专家学者提出了信息电力 2 的概念 所谓信息电力是指 以信息技术为先导的知识经济时代所需求的电力供应 它具有高可靠性 高动态 恒定特性 控制灵活 应用方便等特点 电能质量主要包括稳态电能质量和动态电能质量两个方面 它直接影响电力 系统的供电安全及用户设备的正常运行 传统的供电质量都是基于系统稳态而 言 经过多年的努力 稳态电能质量有了相当的提高 且实际系统中的许多机电 第l 页 一 当奎奎耋堡圭茎堡墼塞 设备在电压幅值变化相对较大的范围内均能正常工作 但近几年来 随着高新技术 尤其是信息技术的飞速发展 基于计算机 微 处理器 电子芯片和各种电力电子设备在电力系统中大量投入使用 这些设备对 系统干扰更加敏感 对供电质量的要求更高 即 不论系统处于正常稳态还是故 障暂态 均需保证幅值偏差很小的基波正弦电力的可使用性 即高动态恒定特性 而哪怕几个周期的供电中断或电压跌落都将影响这些设备的正常工作 从而造成 巨大的经济损失 因此 信息电力需要具备的主要特征是即使系统处于非稳态 也仍需保证可 靠 恒定的优质电力供应 目前威胁信息电能质量的主要问题 既不同于周期性 的电流波形畸变 也不同于长期低 或过 电压 而是近几年随着信息技术的飞速 发展而暴露出来的另一类电能质量问题 动态电能质量问题 动态电能质量主要包括电压脉冲 i m p u l s e 浪涌 s u r g e 电压跌落 s a g s 瞬时供电中断 o u t a g e 电压骤升 s w e l l s 电压波动 f l u c t u a t i o n 和电压切 痕 n o t c h e s 等 图1 1 为几种动态电能质量问题的示意图波形 虽然各种电能 质量问题对系统造成的危害还在研究中 但是电压跌落和瞬时供电中断已被认 为是影响许多用电设备正常 安全运行的最严重的动态电能质量问题1 4 一 尤其 对于工厂 在现代工业中 任一设备的作业中断都将可能导致整个流水线 甚至 全厂作业的中断 造成的损失非常巨大 动态电能质量问题是信息化社会里电力 工作者面临的新的严峻挑战 电中断 圈1 1 几种动态电能质量问题的示意图波形 f i g 1 1d e s c r i p t i o no f p o w e rq u a l i t yd i s t u r b a n c e s 研究发现 几乎所有的动态电能质量问题都来源于配电系统 6 1 随着我国国 民经济的迅速发展 越来越多具有功率因数低 非线性 非对称性或冲击性等特 点的工业用电设备和民用电设备接入配电网中 这些负荷对电网构成了严重的无 功和谐波污染 使得配网的动态电能质量日益下降 其中 电压跌落 电压波动 坐垄盔耋堡 圭耋丝垒塞 和负荷不平衡已成为影响用户设备正常 安全运行最严重的问题 严重威胁了信 息化社会供电质量 因此 对配电网的电能质量进行有效控制 进行合理的无功 补偿和谐波抑制势在必行 此外 对配电网进行无功补偿 也可以有效的降低线路损耗 提高电网运行 的经济效益 根据资料统计 配电网的线路损耗占电网线损的主要部分 降损节 能应主要围绕配网进行 1 2 用户电力技术 d f a c t s 灵活交流输电技术f a c t s 3 j 是基于电力电子技术与现代控制技术对交流输 电系统的阻抗 电压 相位实施灵活快速调节的输电技术 它可以用来对系统的 有功和无功潮流进行灵活控制 以达到大幅度提高线路输送能力 阻尼系统振荡 提高系统稳定水平的目的 f a c t s 技术被国内外一些输电技术研究权威确定为 未来输电系统新时代的三项支持技术 灵活交流输电技术 先进的控制中心技术 和综合自动化技术 之一 刀 是现代电力系统中具有变革性影响的前沿课题 灵 活交流输电技术 智能控制 基于g p s 的动态安全分析与检测系统 之一f 引 针对配电网中供电质量和可靠性问题 1 9 8 8 年美国学者n g h i n g o r a n i 博士 又提出了用户电力技术 c u s t o m p o w e r 又名d f a c t s d i s t r i b u t i o n f l e x i b l e a c t r a n s m i s s i o ns y s t e m 的概念 5 i e e e 这样描述用户电力技术 在中压配电网中利 用电力电子技术或静止控制器给对电能质量变化敏感的用户提供一定水平可靠 性或质量的电能 由此可见d f a c t s 对供电质量的各种问题采取综合的解决办 法 在配电网和大量商业用户的供电端使用新型电力电子控制器来解决供电质量 和可靠性的问题 是在系统侧提高综合动态电能质量的一种更经济 有效的方法 和f a c t s 一样 它们都是将电力电子技术 计算机技术 控制理论等结合起来 以提高输配电可靠性及电能质量的新型综合技术 与f a c t s 相比 其控制器原 理及结构均相同 只是电气标称值较小 因此称其为配电网中的f a c t s 技术或 d f a c t s 技术 d f a c t s 技术的核心器件i g b t i g c t 比g t o 具有更快的开关频率 并且 关断容量已达兆伏安级 9 1 因此d f a c t s 装置具有更快的响应特性 目前已研制 成功的用户电力控制器主要包括静态开关设备和静止补偿器两大类 静态开关设 第3 页 一 坠奎 盔耋堡土兰堡垒塞 备主要有固态断路器 s o l i ds t a t eb r e a k e r 和固态转换开关 s o l i ds t a t et r a n s f e r s w i t c h 静止补偿器根据其结构和功能及接入系统的方式 可分为静止串联补偿 器和静止并联补偿器及串并联混合型补偿器 静止串联补偿器的输出是通过串联在馈线上的变压器以电压叠加的方式注 入配电网系统 其代表产品为动态电压调节器d v r d y n a m i cv o l t a g er e g u l a t o r d v r 是由直流蓄能单元 电容器或蓄电池组等 逆变器 输出滤波器和串联变 压器等组成 其中电压源型p w m 逆变器的输出经滤波器与串联变压器的二次侧 相连 变压器的一次侧则串入馈电线路 其动作响应时间非常短 能够在毫秒级 内向系统注入正常电压与故障电压之差 因此是抑制电压跌落的有效装置1 1 0 1 静 止串联补偿器可具有以下功能 消除系统电压波动 限制故障电流和抑制电压谐 波 静止并联补偿器通常由具有公共直流母线的三个单相电压逆变器组成 通过 配电变压器以并联方式接入系统 其代表产品为配电网静止同步补偿器 d i s t r i b u t i o ns t a t i cs y n c l 瑚n o l l sc o m p e n s m o r d s t a t c o m 静止并联补偿器主 要用于电流补偿 适用于电网电压波动相对较小 而负载电流波动较大的场合 并联型补偿器的加入主要是为负载提供所需的畸变电流 从而消除负载畸变对电 网的影响 根据所采用的控制算法 静止并联补偿器可具有以下一种或几种功能 动态无功补偿 有源滤波 消除三相不平衡等 串并联混合型装置通常由并联单元和串联单元组合而成 各自包括一个公用 直流蓄能单元的p w m 变流器 其输出端分别通过串联或并联的方式接入系统 其代表产品为u c p c u n i v e r s a lc u s t o mp o w e rc o n d i t i o n e r 它是d v r 与 d s t a t c o m 的结合 可以最大程度地综合解决电能质量和可靠性问题i l l 1 2 除了这几种代表产品以外 c u s t o mp o w e r 产品还包括 微型超导蓄能器 m i c r o s m e s 静止无功补偿器 s v c 配电质量控制器 d s u n i c o n 有源电力滤波器 a p f 故障电流限制器 f c l 电能质量统一控制器 u p q c 等 研制和投入用户电力控制器都是站在供电部门的角度如何提高配电网的电 能质量 使用户从系统获得高品质 高可靠性的电力供应 另一方面 配电系统 关心的是电力用户负荷接入后注入到系统的电流质量问题 供电部门希望用户注 第4 页 坠壅兰耋叁堡 茎垡 丝塞 一 入系统的电流为三相基波正序有功电流 事实上 特别是近几年来 电力用户大 量使用各种电力电子装置 而这些电力电子装置几乎都是谐波源 且功率因数低 如大量使用的整流装置 变频器 计算机办公设备 各种家用电器等 这无疑加 重了配电网的谐波和无功污染 严重影响了配电网的电能质量 为了限制谐波源注入电网的谐波电流 把电网谐波电压控制在允许范围内 使接在电网中的电器设备免受谐波干扰而能正常工作 世界各国及相关的权威机 构都制定了限制谐波的规定 如我国的国家标准g b 厂r1 4 5 4 9 1 9 9 3 电能质量公 用电网谐波 国际标准i e e e 5 1 9 1 9 9 2 和i e c 5 5 5 2 等 因此 对用户侧豹电力 电子装置本身进行改造 即采用功率因数校正技术 使其尽量不产生谐波和吸收 无功 则可以显著减小用户电力控制器的容量和数量 从根本上解决配电网电能 质量问题 1 3d s t a t c o m 的主要特点和工程应用 1 3 1 配电系统静止同步补偿器d s t a t c o m 传统的无功补偿 一般都采用同步调相机 固定电容 晶闸管投切电容器 t s c 晶闸管控制电抗器 t c r 静止无功补偿装置s v c t c r t s c 等 这 些方式都属于补偿性质 在电力系统中用得较多 其中s v c 是目前应用最广的并 联型f a c t s 装置 虽然这些无功补偿方法都能达到补偿的效果 但这些补偿装置 的体积都偏大 使用不太灵活 而且对于冲击性无功负荷 不能做到瞬时无功补 偿 随着电力电子技术的快速发展 已使得电力系统的无功补偿可以采用等效电 源的概念进行设计 这即是新近发展起来的静止同步补偿器s t a t c o m s t a t i c s y n c h r o n o u sc o m p e n s a t o r 也有称为a s v g a s v c s t a t c o n 或s v cl i g l l t 等 在2 0 0 2 年i e e ed c f a c t s 专委会起草的术语表中统一为s t a t c o m 相应地 s 州r c o m 被归为基于变换器的f a c t s 控制器 c o n v e r t e r b a s e df a c t s c o n t r o l l e r 它事实上就是将并联的无功补偿部分用等效电压源思想进行设计 通过对等效电压源的幅值和相位的调节 达到输电系统的最优能量传输 d s t a t c o m 是从静止同步补偿器 s t a t c o m 衍生而来的 二者之间有 着根本的相同之处 其主电路部分都是由v s i 逆变器和直流电容组成 都以无功 补偿为基本功能 但又有许多不同点 s t a t c o m 通常使用4 5 0 0 v 3 0 0 0 a 以上 第5 页 些垂奎耋堡圭兰堡墼塞 的大功率开关器件 如g t o i g c t i g e t 1 3 在这样的工作条件下 开关频率 不可能太高 因而装置的性能也受到一定的影响 而且在高压电网中 不对称和 谐波并不是非常严重 因此s t a t c o m 往往集中着眼于无功补偿 保证输电系统 安全稳定性和提高传输能力 d s l a t c 0 m 则一般使用i g b t 开关频率可以做到 很高 而且配网中系统条件很复杂 经常出现谐波 不对称 闪变等现象 d s t a t c o m 必须考虑对这些问题的治理 主要作用是维持节点电压 保障用户 的供电可靠性和电能质量等 作为新型的配电网动态无功补偿装置 d s t a t c o m 比较突出的特点为 4 1 1 d s t a t c o m 对储能元件的容量要求不高 理论上d s t a t c o m 不需要储 能元件来达到与系统交换无功的目的 实际上电压型d s t a t c o m 使用电容器来 维持直流侧电压的稳定 这样可以省去常规补偿装置中的大容量储能元件及庞大 的切换机构 使d s t a t c o m 的体积减少 损耗降低 2 d s t a t c o m 对系统电压进行瞬时补偿 即使系统电压降低 它仍然可以 维持最大无功电流 即d s t a t c o m 产生无功功率基本不受系统电压影响 3 d s t a t c o m 具有相当快的响应速度 因此能快速地补偿系统无功的变化 从而抑制电压闪变 提高供电电压质量 4 d s t a t c o m 般采用s p w m 电压型逆变电路 可以达到较理想的正弦电 压和正弦电流波形 由于其输出电压谐波含量很小 所以d s t a t c o m 输出端一 般不需要采用滤波器 5 d s t a t c o m 的直流侧安装蓄电池等储能元件后 它不仅可以调节系统的 无功功率 还可以调节系统的有功功率 6 d s t a t c o m 中直流侧的储能元件容量较小 在配网中普遍使用也不会产 生谐振 而s v c 或固定电容补偿有引起低频振荡的可能 1 3 2 静止同步补偿器的工程应用 自从美国学者l g y u g y i 在1 9 7 6 年提出利用半导体交流器进行无功补偿的理 论 1 5 以来 世界各国的专家对新型静止无功补偿器的理论与工程应用的研究方兴 未艾 早在7 0 年代由于电力供需矛盾非常紧张 日本就开始着手这方面的研究 关于将电压源型变换器 v o l t a g es o u r c ec o n v e r t e r v s c 用于电力系统方面的研 第6 页 一一 坐奎奎耋堡圭耋堡墼塞 一 究也是日本最早起步的 1 9 8 0 年第一个基于晶闸管的电压源型s t a t c o m 在日 本诞生了 容量为2 0 m v a 由于当时没有可关断器件如g t o 因此采用一个辅 助晶闸管实现其换流 此后由于g t o i g b t 等全控型电力电子器件的相继出现 对s t a t c o m 的进一步研究起到了积极的推动作用 8 0 年代后期 日本开始研 究用可关断器件实现s t a t c o m 1 9 9 1 年日本i n u y a m a 开关站8 0 m v a 基于g t o 的s t a t c o m 投入运行 1 9 9 3 年s h i n s h i n a n o 电站的5 0 m v a 的s t a t c o m 也 投入运行 1 6 1 1 9 8 7 年美国西屋电气公司研制成2 0 m v a 的s t a t c o m 它由采用g t o 组 成 并逐渐成为s t a t c o m 的自换相桥式电路中的主力 1 9 9 5 年位于美国田纳 西州东北部的s u l l i v a n 电站建成了美国历史上第一个采用g t o 的大型f a c t s 装 置s t a t c o m 1 7 1 8 1 它是f a c t s 发展史上的一个重要里程碑 该装置的补偿容 量为l o o m v a r 连接到1 6 1 k v 的系统总线上 该装置主要用于改善连接点的电 压调整 如果没有这个装置的话 田纳西峡谷电力公司可能不得不建造一条新的