基于STATCOM的电力系统动态无功补偿研究

1、南昌大学硕士学位论文基于STATCOM的电力系统动态无功补偿研究姓名:黄涛申请学位级别:硕士专业:电气工程指导教师:戴文进;蔡斌20091217 第2章STATCOM装置的主电路设计及电流检测图210逆盘器的线电压输出驶其谐波分析可以看m.j电平四重化STATCOM采用了曲折联接绕组变压器后,最低 谐波为23次,而其它次的谐波有25次、47次、49次等等,这与前面的理论分 析结果基本一致。2.5瞬时无功功率理论的应用能否准确、快速地检测出负荷中的无功电流,并回馈到STATCOM控制器, 实现快速的动态无功补偿,这是无功补偿技术的关键所在。因此,无功电流的 实时检测,是维持slmOM工作性能稳定

2、与否的前提。早期使用傅里州分析 法榆测电流和后来提出的基于Fryze传统功率定义构造的检测方法,不论是在理 论运算还是在工程应用上,均存在相应的缺点和不足。其动态跟踪性能相对滞 后,给电网的稳定运行也带来了相应的弊端。在80年代初期,提出的三相电流瞬时无功功率法是一种比较好的可行的方 法,在许多方面得到了成功的应用。该理论突破r传统的以平均值为基础的功 率定义,系统而完整地定义了瞬时无功功率量及有功功率量。依据该理沱,可 咀得出谐波和无功电流的实时检测方法。第2章STATCOM装置的丰电路设计及电流枪测1983年,日本学者赤木泰文提出了三相电路瞬时无功功率的理论。该理论 以瞬时实功率P和瞬时虚

3、功率q的定义为基础,不仅包括传统功率,而f1又涌盖 了有功功率与无功功率的谐波分量。该理论既适用于正弦稳态下的三相电路, 又适用于非正弦及瞬时等情况,它推动了无功补偿装置的研究和开发。这种定 义也存在不足:例如某些电量的物理意义不明确;没有明确分析出电流的成分 等。近年来,许多学者又致力于改进瞬时功率理论,以使它的概念更加清晰、 明确,工程实际中更容易运用。下面介绍应用最广泛的,以瞬时有功电流f。和 瞬时无功电流f。为基础理论体系的检测方法的运用。该检测方法的框图如图2.1l所示。该方法根据定义,先算出P、g,再经过低通滤波器(三阿,然后得p、q 的直流分量P、q。当电网电压的波形没有畸变时,

4、P由基波有功电流与电压作 用所产生,q由基波无功电流与电压作用所产生。由P、q即可计算出被检测电 流f。、ib、ic的基波有功分量o、锄、锄和基波无功分量o、锄、彤。 卧%c二圈 2 23第2章STATCOM装置的丰电路设计及电流检测圈bqf=C23C二圈、方法的检测原理如图2.12所示。图中c=L一scin。sco耐t 图2.12ip、fg运算方式的原理图(2.22 在该方法中,要用到与a相电网电压P。同相位的正弦信号sinOt及其对应的 余弦信号一cosot,它们由一个锁相环(儿和一个正、余弦信号发生器得到。 根据定义即可计算出f。、f。的直流分量f。、f。如果还要检测有功电流和无功 电流

5、,则只须分别对f。、f。进行反变换即可。综合比较两种无功电流检测方法,可以得出:基于瞬时功率理论的f。、f。算 法,在准确性、实时性、实现的简易性等方面,有明显的优势。在检测电网瞬 时无功电流时,f。、f。算法不需要精确的电网三相电压幅值和相位信息,只须知 道电网的三相瞬时电流信号和电网电压的频率信号即可,因此需要的外部辅助 硬件简单。f。、f。算法在检测电网瞬时无功电流有效性时,得到了许多工程实际 的充分验证。目前,它在静止无功发生器中是使用最多的一种无功电流计算法。 2.6STATCOM数学模型仿真与分析伴随STATCOM的发展,对其控制方法的研究己成为国内外工作者的重点 工作之一。而控制

6、方法的研究是建立在一定的数学模型之上的,所以确定一个 简单、实用的数学模型就成为控制研究的必要辅助条件,由于STATCOM受电 路中开关器件等非线性因素的影向,它是时变强非线性系统,难于获得一个线 性的、准确的数学模型。故其系统分析和控制器的设计是难点。设计一个性能耐耐3m C S 一 一第2章STATCOM装置的主电路设计及电流检测优秀的控制器要基于STATCOM的准确数学模型的建立,所以对STATCOM数 学模型的研究,变成了最基础、最蕈要的部分。而研究对象的模型又可分为暂 态模型和稳态模型,其中暂态模型便于分析系统的动态特性和行为和电磁暂态 过程的数值仿真;稳态模型考虑了系统的输入输出特

7、性,对系统的控制研究有 重大的指导作用。对于物理对象的建模方法一般分为两种:输入一输出建模法和拓扑结构建 模法。尽管输入、输出建模法可以获得装置的简易模型,但它不利于分析装置 的内部特性,因为它忽略了装置内部信息,但在大容量STATCOM下,非线性因 素影响更为严重时,采用输入输出建模法和能量方程得出的非线性数学模型, 对STATCOM的动态特性分析和设计控制器还是有较大的参考价值¨酬。拓扑建模 法主要是根据装置在不同运行状态下的不同的拓扑结构分析列出其微分方程, 按整个装置具有的多少种拓扑结构及拓扑结构转移顺序,依次解出对应的微分 方程组,于是求出装置的解析方程。文献29】采用了开

8、关函数法建立了STATCOM 暂态模型,再由暂态模型推导出了稳态模型。文献301采用三阶非线性微分方程 组描述了STATCOM的动态过程,在此基础上分析了直流侧电容量、变压器电抗 值及控制参数对电力系统稳定性的影响。上述两种控制方法都是基于能量转换 的角度进行建模分析的,且都是针对于大功率应用场合下,采用脉宽控制方法 的建模。此外,还可以利用神经网络方法或者模糊学习算法等智能方法建立 STATCOM的非线性系统动态模型;对STATCOM非线性控制进行模拟动态建 模,增强模型的自适应性和鲁棒性【j¨,且区别于以往基于系统平衡情况下的建 模。文献【32】提出了适用于系统不平衡情况下的ST

9、ATCOM暂态稳定计算的模型, 并进行了实验仿真。本节针对应用于低压领域采用两电平和SPWM控制方法的STATCOM装置 进行建模。该建模方法是基于dq0的坐标变换,利用电路模型转换,直接得出无 功电流的数学表达式。仿真验证了该方法的简洁性、有效性,丰富了STATCOM 的研究手段。接下来给出了该建模方法的过程。在进行建模之前,先假设所有开关器件,都为理想器件;电源为理想的三 相对称电源:把连接电抗器、变流器等本身的损耗,集中到连接电抗器的电阻R 上考虑;只考虑变流器输出的基波,忽略由开关器件所产生的谐波。将该系统25第2章STATCOM装置的丰电路设计及电流枪测分解成5个部分进行分析,STA

10、TCOM的主电路图,如图2.13所示【331。+屹-图2.13STATCOM的主电路图为方便分析,通过dq变换,将三相坐标系转换成空问旋转的dqO坐标系【341, 选择d轴与电网电压的空问矢量同方向。变换矩阵和三相电源电压分别为:一ji=摩 siIl(耐+和 cosc研+争1压sin(cot 咖(删一引 咖(耐+引其中,圪为线电压有效值,取此形式便于数据处理,且有C=Cr。首先,将主电路I、II部分进行转换。由电路图可得 经过dq变换得其中, (2.23 (2.241,口6。=Rxiabc+,二。(2。25 V由o 5尺×f匈0+vaqo (2.26一 一 .=2妒妒去 研耐 ll 2.蓍 一上应 一23C 第2章STATCOM装置的丰电路设计及电流检测整理为其中LR+Lsdi q(si d(sVc(s曼P(sA(s一V。d0c(s一V。a d(s一V。d(sVdda“兰一0【RA一Vedet(s一V。ad(s一V。d(sVdotn旦一0【R(2.46(2.47ILCs2+Rcs+d2一coLCsad2砒s+删一删I 以s:I础。一谢2s2三c+尺