7静止无功补偿技术 STATCOM

静止无功补偿技术 同向前2008年6月Lstong 主要内容 无功补偿技术的发展静止无功补偿器 SVC 技术静止同步补偿器 STATCOM 技术 STATicsynchronousCOMpensatorSTATCOM 静止同步补偿器技术 静止无功补偿器SVC实现了无功功率的连续动态补偿 但它是无源型 相当于一个连续可调电容器或电抗器 具有如下缺点 当电压降低时 补偿容量严重不足 TCR产生谐波干扰 上述缺点在STATCOM中得到有效解决 一 STATCOM的基本工作原理 1STATCOM的等效电压源特性 设有一个并网电压源逆变器 通过某种控制方式 在其逆变输出侧产生一个这样的正弦电压与电源电压同步 频率相同 幅值可调相位可调 以电源电压为参考 可调电压源的一种实现方法示例 双极2电平载波比调制深度载波调制波 2低压STATCOM的典型电路 3VSC变换器的四象限运行区间 4STATCOM的理想运行区间 5STATCOM的实际运行区间 6STATCOM的损耗分析 本数学模型仅针对电容储能型和单变量控制 7基于损耗的潮流分析模型 交流侧 8标幺化模型的基准选择 9标幺化模型 二 STATCOM的工作参数估计 STATCOM系统的工作参数除了交流电源的参数和本身的额定容量外 主要有两个 控制角 和直流侧电压 1STATCOM参数估计 控制角范围 2STATCOM参数估计 直流电压范围 三 STATCOM的主要元件选择 STATCOM系统的参数主要有两个 滤波电抗器和直流侧电容器 其中 滤波电抗器对系统设计和运行性能有着全面而显著的影响 1 滤波电抗器对系统结构的影响 滤波电感越大 额定无功输出时的直流电压越高 对直流电容器和电力电子器件的耐压水平要求也越高 由于器件耐压水平的限制 增大电感可能会导致逆变器结构的变化或增大装置结构的复杂程度 1滤波电抗器的选择 例 设三相桥式逆变器结构 电源电压380V 调制深度 0 9 直流电容为2200uF 采用SPWM控制 则空载直流电压为690V 取X 0 2 则Udc N 828V 每个桥臂采用1只1600V耐压的IGBT器件 直流侧需要2串2并共4只2200uF 450V电容器 取X 0 5 则Udc N 1035V 每个桥臂需要采用2只1200V耐压的IGBT器件串联 直流侧需要3串3并共9只2200uF 400V电解电容器 2 滤波电抗器与STATCOM的谐波发生量 在PWM控制方式下 逆变器输出电压为双极性PWM脉冲波形 含有基波电压分量和高次谐波成分 当逆变器输出电压施加到滤波电抗器的一端时 必将在补偿电流中产生相应的谐波电流 滤波电抗器的主要作用之一是滤除逆变器输出电压中的高次谐波分量 滤波电感越大 滤波效果越好 无功补偿电流中的谐波分量越小 a X 0 8Q 0 1 b X 0 2Q 0 1 不同滤波电感下的实验波形 a X 0 2Q 1 0 b X 0 2Q 0 5 c X 0 2Q 0 1 不同输出无功下的仿真波形 a X 0 2Q 0 1 b X 0 2Q 0 3 不同输出无功下的实验波形 滤波电感越小 补偿电流的总谐波畸变率越大 STATCOM装置输出无功越小 补偿电流畸变越严重 总谐波畸变率越大 在同等补偿电流下 输出容性无功时的总谐波畸变率比吸收感性无功时的值大 因此 从谐波的角度来看 滤波电感不宜太小 当滤波电抗X 0 2时 补偿电流谐波含量较大 此外 STATCOM装置不宜长期运行于轻载工况 谐波影响小结 3 滤波电抗器与STATCOM的响应特性 滤波电感小 则变换器回路的电磁时间常数小 直流电容器可以在较短时间内完成与电源之间的能量交换 无功补偿电流的动态响应速度较快 下图所示为某80kvar 400VSTATCOM装置从输出额定容性无功切换到输出额定感性无功时的电流变化过程 a X 0 25时电压电流 b X 0 5时电压电流 c X 1时电压电流 滤波电感对动态响应特性的影响 STATCOM装置的滤波电感不仅决定着补偿装置的容量 对装置的性能也有全面影响 滤波电感小 则对电力电子器件的耐压要求低 装置结构简单 体积小 成本低 动态响应较快 滤波电感小 输出无功电流的谐波含量大 装置抗电源电压扰动的能力差 而且对控制系统的要求高 因此 滤波电感的选择 需要根据现有器件和控制系统的水平 按照装置容量和性能要求 从技术经济等方面全面权衡而定 若从谐波特性和响应特性而论 滤波电抗标么值宜选择在0 2 0 5之间 4 结论 理想情况下 三相STATCOM与电源之间没有能量交换 仅需要很小容量的直流电容器来提供直流电压支撑即可 实际上 三相不平衡 非理想正弦逆变电源 动态调节过程等 都会使得STATCOM与电源之间存在暂态能量交换 因此 为了维持逆变器直流电压的稳定 直流侧必然需要一定容量的电容器 电容量的选择可参考如下经验公式 式中 k为允许直流电压波动系数 常取为5 左右 为电源角频率 IN为STATCOM额定电流 Udc为额定直流电压 2直流电容器的选择 四 STATCOM的控制策略 如何产生PWM信号 使得变换器的输出电压为幅值和相角均可控的正弦同步电压 1潮流控制特性分析 结论 有功功率Ug 无功功率 2STATCOM的能量平衡分析 结论 有功功率 直流电压 3STATCOM控制目标 4STATCOM控制方法 5STATCOM控制策略 6STATCOM控制系统总体结构 7基于 的单变量控制策略 8基于 的单变量控制策略 9基于 的单变量控制策略 无能量交换 10基于 和 的双变量控制策略 11基于滞环比较的直接电流控制策略 12基于三角波比较的直接电流控制策略 五 STATCOM的基本调压方式 1工频双极性 2电平 调制系统 调压方式控制 Udc Ug他励 Udc Ug 0 2工频单极性 3电平 调制系统 调压方式控制 稳定Udc控制 Ug 3工频级联多电平系统 调压方式控制 稳定Udc 或他励调节各级 Ug幅值及波形 4高频SPWM SVPWM调制系统 调压方式2控制 稳定Udc 他励控制 Ug幅值 调压方式1控制 Udc Ug const 1 徐政译 高压直流输电与柔性交流输电控制装置 第7章2 陈建业等 电力电子技术在电力系统中的应用 机械工业出版社 2008 1 P105 1273 谢小荣等 柔性交流输电系统的原理与应用 第6 7章 清华大学出版社 2006 9 阅读材料 1 在STATCOM应用中 请比较级联多电平VSC拓扑与2电平高频PWM控制V