（電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè)論文）基于tscstatcom無功補償?shù)目刂撇呗匝芯?pdf

a bs t r a c t r e a c t i v ep o w e ri m b a l a n c ew i l lr e s u l ti nv o l t a g es a ga n dt h ed a m a g e o fe l e c t r o e q u i p m e n t 1 1 h ep o w e rs y s t e mv o l t a g ew i l lc o l l a p s ea n dt h e s t a b i l i t ya c c i d e n tw i l lb eh a p p e n e di fa g g r a v a t i o n t s ci saw i d e l yu s e d r e a c t i v ec o m p e n s a t i o nm e t h o d i th a sa d v a n t a g e so fs i m p l ec o n f i g u r a t i o n a n dl o wc o s t s t a t c o mh a sa s c e n d a n td y n a m i cf e a t u r e c o m b i n et h e b o t hd e v i c e s ，o nt h ep r e m i s eo fm e e tt h en e c e s s a r yo f d y n a m i cp r o p e r t i e s i fl e tt s cr e p l a c ep a r tc a p a c i t a n c eo fs 仉氣t c o m t h ec o s tw i l lb e r e d u c e d t h et h e s i si n t r o d u c e st h ef u n d a m e n t a ls t r u c t u r ea n dp r i n c i p l eo ft s c a n ds t a t c o m e s t a b l i s ht h em a t h e m a t i c a lm o d e la n da n a l y z et h e s t a b i l i t yo fs t a t c o m a n dd i s c u s st h em e t h o d st or e i e c ts e l fh a r m o n i c s e c o n d l y ，t h ec o n t r o ls t r a t e g yi sc o n f i r m e da f t e ra n a l y z et h ec h a r a c t e r i s t i c o ft s ca n ds t a t c o m t h ec o n t r o lt a r g e to ft s ci sr e a c t i v ep o w e r , a n d t h ec o n t r o lt a r g e to fs t a t c o mi sv o l t a g e t h em o s tr e a c t i v ep o w e ri s c o m p e n s a t e db yt s c ，s t a t c o mc o m p e n s m et h ep a r to fd y n a m i c c h a n g e w h e nd e s i g nt h ec o n t r o lm e t h o do ft s c + s t a t c o m a r ma tt h e d e f e c to fn i n e z o n ec o n t r o l l i n gm e t h o do ft s c t h ef u z z yc o n t r o li s a d o p t e d p r o c e e df r o mt h ep r i n c i p l eo fs t a t c o m c u r r e n tr e m o t e n e s s c o n t r o lm e t h o di sa d o p t e da f t e rr e a s o n i n gf r o mt h em a t h e m a t i c a lm o d e l t h et s c + s t a t c o ma r er e s e a r c h e di nt h em 棚，a b s i 丁i ，i n k e n v i r o n m e n t t h ef u z z yl o g i ct o o l b o xi su s e dt od e s i g nt h ef u z z yc o n t r o l s y s t e mo ft s c ，t h er e s u l to fs i m u l a t i o nv e r i f l e dt h ev a l i d i t yo ft h ec o n t r o l a l g o r i t h m a l s oc a ni n c r e a s et h es t a b i l i t yo fs y s t e ma n dr e d u c et h ea c t i o n t i m e so fc a p a c i t o r t h es i m u l a t i o nm o d e lo ft s c + s t a t c o mi s e s t a b l i s h e db yu s i n g s i m i ，仆，t h r o u g ha n a l y z e dt h e s i m u l a t i o n w a v e f o r md i a g r a m t h er e s u l ti n d i c a t e st h a tt s c + s t a t c o mr e a c t i v e c o m p e n s a t i o nc a nm e e tt h ed e m a n d so fi n c r e a s et h er e a c t i v ef a c t o r , r e j e c ts e l fh a r m o n i ca n ds t a b i l i z e t h es y s t e mv o l t a g e ，a n ds h o wt h e r e a c t i v ec o m p e n s a t i o nm e t h o dh a sg r e a ta p p l i c a t i o nv a l u e k e yw o r d sv a rc o m p e n s a t i o n ，t h y r i s t o rs w i t c h e dc a p a c i t o r , f u z z y c o n t r o l ，s t a t i cs y n c h r o n o u sc o m p e n s a t i o n 玎 原創(chuàng)性聲明 本人聲明，所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進行的研究 工作及取得的研究成果。盡我所知，除了論文中特別加以標(biāo)注和致謝 的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不 包含為獲得中南大學(xué)或其他單位的學(xué)位或證書而使用過的材料。與我 共同工作的同志對本研究所作的貢獻均已在論文中作了明確的說明。 作者簽名：銎盔聾 日期：赳年上月苴日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本人了解中南大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：學(xué)校 有權(quán)保留學(xué)位論文并根據(jù)國家或湖南省有關(guān)部門規(guī)定送交學(xué)位論文， 允許學(xué)位論文被查閱和借閱；學(xué)?？梢怨紝W(xué)位論文的全部或部分內(nèi) 容，可以采用復(fù)印、縮印或其它手段保存學(xué)位論文。同時授權(quán)中國科 學(xué)技術(shù)信息研究所將本學(xué)位論文收錄到中國學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫， 并通過網(wǎng)絡(luò)向社會公眾提供信息服務(wù)。 作者簽名：翌盔j 一導(dǎo)師 日期：上盟年月望 碩士學(xué)位論文 第一章緒論 第一章緒論 1 1 論文選題的背景及意義 電力系統(tǒng)中的無功功率【l 】主要用于電路內(nèi)電場與磁場，并用來在電氣設(shè)備中 建立和維持磁場，完成電磁能量的相互轉(zhuǎn)換，不對外做功，為系統(tǒng)提供電壓支撐， 在電源和負(fù)荷之間提供電壓降落所需的勢能。無功功率不直接作為實際消耗之 功，但無功功率的交換將引起發(fā)電和輸電設(shè)備上的電壓升降和電能損失【羽。 無功功率是交流電力設(shè)計和運行中的一個重要因素，不僅大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)元件需 要消耗無功功率，而且大多數(shù)用戶負(fù)荷也要消耗無功功率。如變壓器、大量感應(yīng) 式電動機、電風(fēng)扇、冰箱、空調(diào)等設(shè)備，它們不僅需要從電力系統(tǒng)中吸收有功功 率，同時需要吸收無功功率，以產(chǎn)生這些設(shè)備維持正常工作所必須的交變磁場。 無功功率不是無用功率，它能為能量的交換、輸送、轉(zhuǎn)換創(chuàng)造必要的條件，但大 量的無功功率在系統(tǒng)中經(jīng)高低壓供電系統(tǒng)流入設(shè)備，會引起有功功率損耗，造成 電壓降落，影響電能質(zhì)量，對發(fā)電、供電、配電三方都會產(chǎn)生不良影響【3 5 1 。 ( 1 ) 無功功率對有功功率的影響 輸電線路的主要任務(wù)是輸送有功功率，而為了實現(xiàn)有功功率的傳輸和電網(wǎng)無 功功率的平衡，一般也需要輸送一定量的無功功率。輸送無功功率時需要消耗有 功功率。當(dāng)有功功率一定時，無功功率越大，則網(wǎng)絡(luò)中有功功率損耗就越大。當(dāng) 電力線路的傳輸能力一定時，傳輸無功功率越小，則傳輸有功功率的能力越大。 ( 2 ) 無功功率對電壓的影響 電力系統(tǒng)中無功功率平衡水平對電壓水平有較大的影響。如果發(fā)電機有足夠 的無功功率備用，系統(tǒng)的無功電源比較充足，就能滿足較高電壓質(zhì)量下無功功率 平衡的需要，系統(tǒng)就有較高質(zhì)量的運行電壓水平。反之，如果無功功率不足，系 統(tǒng)只能在較低質(zhì)量的電壓水平下運行。另外，電能在電力網(wǎng)中傳輸時，要損失掉 部分有功功率和無功功率。當(dāng)無功功率損耗較大時，將引起系統(tǒng)電壓大幅度下降， 影響系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。 電力系統(tǒng)是向用戶提供電能的網(wǎng)絡(luò)，因而電能質(zhì)量是供電部門生產(chǎn)經(jīng)營活動 中的一個重要經(jīng)濟技術(shù)指標(biāo)。電壓是電能質(zhì)量的主要指標(biāo)之一，電壓質(zhì)量對電力 系統(tǒng)穩(wěn)定運行、降低線路損耗和保證工農(nóng)業(yè)的安全生產(chǎn)有著重要意義。在工農(nóng)業(yè) 生產(chǎn)和人民生活中使用的各種用電設(shè)備都是按照額定電壓來設(shè)計制造的。這些設(shè) 備在額定電壓下運行時，才能取得最佳的運行狀態(tài)。電壓超出所規(guī)定的范圍時， 對用電設(shè)備將產(chǎn)生不良后果。 碩士學(xué)位論文 第一章緒論 目前大多數(shù)國家規(guī)定的電壓允許變化范圍一般為+ 5 一1 0 的額定電壓。 電力部門為了確保電力系統(tǒng)正常運行時能夠提供優(yōu)質(zhì)的電壓，確保優(yōu)質(zhì)的供電服 務(wù)，必須確保各輸配電線路的母線電壓穩(wěn)定在允許的偏差范圍內(nèi)。電力系統(tǒng)正常 運行時，應(yīng)有充足的無功電源。無功電源的總?cè)萘恳軡M足在額定電壓下對無功 功率的需求。否則，電壓就會偏離額定值。 當(dāng)電力網(wǎng)有能力向負(fù)荷供給足夠的無功功率時，負(fù)荷的電壓就能維持在正常 的水平上。如果無功電源不足，負(fù)荷的端電壓就會降低。所以，我們要保證電力 系統(tǒng)的電壓質(zhì)量，就必須先保證電力系統(tǒng)無功功率的平衡。 ( 3 ) 無功功率對線損的影響 無功電源的布局、無功功率的傳輸以及無功功率的管理，直接影響線路的損 耗和電力系統(tǒng)的經(jīng)濟運行。當(dāng)有功功率和無功功率通過網(wǎng)絡(luò)電阻時，會造成有功 功率損耗。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)已定，輸送有功功率一定時，總的功率損耗完全決定于無 功功率的大小。 因此，無功補償對電力系統(tǒng)十分重要，研究無功補償有著重要的現(xiàn)實意義。 t s c 和s t a t c o m 都是屬于并聯(lián)無功補償方式【6 】，在實際應(yīng)用中，為降低整 體成本，在滿足特定補償要求下，可將s t a t c o m 與t s c 組合起來，構(gòu)成綜合 并聯(lián)無功補償。將s t a t c o m 與t s c 組合起來應(yīng)用，在運行和性能上可以獲得 重大的優(yōu)越性： ( 1 ) t s c 的成本較s t a t c o m 低，但后者的動態(tài)性能更好，在滿足所需動 態(tài)性能的前提下，將部分容量的s t a t c o m 用t s c 取代，從而在整 體上降低成本。 ( 2 ) 獲得較好的動態(tài)響應(yīng)速度，s t a t c o m 能在t s c 投運前快速提供容性 輸出。 ( 3 ) 大大降低諧波含量，s t a t c o m 可通過適當(dāng)設(shè)計和控制使得輸出諧波 很小。 ( 4 ) 優(yōu)化控制、降低損耗，s t a t c o m 能連續(xù)控制輸出，通過與t s c 配合， 產(chǎn)生和吸收感性無功，實現(xiàn)最優(yōu)化運行，降低整體損耗。 11 2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 從電力系統(tǒng)的誕生開始，并聯(lián)補償技術(shù)就開始在電力系統(tǒng)中應(yīng)用，同步調(diào)相 機可以看作是最早的并聯(lián)補償裝置【7 捌。它是專門用來產(chǎn)生無功功率的同步電機。 在過勵磁和欠勵磁的情況下，可以分別發(fā)出不同大小的容性和感性無功功率。在 很長一段時間內(nèi)，同步調(diào)* n 耄j l 在電力系統(tǒng)無功補償中一度發(fā)揮主要作用。然而， 由于它是旋轉(zhuǎn)電機，運行維護復(fù)雜，響應(yīng)速度較慢，隨著負(fù)荷中心地區(qū)對環(huán)境要 2 碩士學(xué)位論文 第一章緒論 求的提高，旋轉(zhuǎn)設(shè)備帶來的噪聲等問題使居民越來越不滿意。目前有些國家甚至 已經(jīng)不再使用同步調(diào)相機。 電力系統(tǒng)發(fā)電、輸電、配電與用電必須同時完成，系統(tǒng)始終要處于動態(tài)的平 衡狀態(tài)，電力系統(tǒng)瞬時的不平衡可能導(dǎo)致安全穩(wěn)定問題，因此要求并聯(lián)補償裝置 具有快速的響應(yīng)，如達到周波級的響應(yīng)速度，才能用于處理系統(tǒng)的問題。由于機 械投切裝置慣性大，動作時間在秒級，滿足不了電力系統(tǒng)對快速性的要求，而隨 著大功率電力電子技術(shù)的發(fā)展，采用高壓大容量快速的電子開關(guān)代替機械開關(guān)已 經(jīng)成為趨勢。因此在2 0 世紀(jì)7 0 年代，出現(xiàn)了一系列的晶閘管投切的并聯(lián)補償裝 置和晶閘管控制的并聯(lián)補償裝置，使電力系統(tǒng)的并聯(lián)補償進入了一個新的階段。 t s c ( t h y r i s t o rs w i t c h e dc a p a c i t o r ) 型s v c ( s t a t i cv a rc o m p e n s a t o r ) 由電 容器和雙向?qū)ňчl管組成【1 0 1 ，其裝置圖如圖1 1 ( a ) 所示。這里的晶閘管僅 起開關(guān)的作用，t s c 只能提供容性電流，將多組t s c 并聯(lián)使用，根據(jù)容量需要 逐個投入可以獲得近似連續(xù)的容抗。t s c 雖然不會產(chǎn)生諧波且損耗較小，但它對 于沖擊性負(fù)荷引起的電壓閃變不能進行很好的抑制。f c + t c r ( f i x e d c a p a c i t o r + t h y r i s t o rc o n t r o l l e dr e a c t o r ) 型s v c 由t c r 和若干組不可控電容器并 聯(lián)而成，圖1 1 ( b ) 為其裝置圖。其中，電容器為固定連接，t c r 支路采用觸 發(fā)延遲控制，形成連續(xù)可控的感性電流，t c r 的容量大于f c 的容量，以保證既 能輸出容性無功功率也能輸出感性無功功率。f c + t c r 型s v c 雖響應(yīng)速度快， 但由于t c r 在工作中產(chǎn)生的感性無功電流會被固定電容中的容性無功電流平 衡，所以容易造成器件和容量的浪費，造成很大經(jīng)濟損失。t s c + t c r 型s v c 一 般使用n 組電容器和組晶閘管相控電抗器，圖1 1 ( c ) 為其裝置圖。它的無功 輸出可在容性和感性范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，在電力系統(tǒng)大擾動期間或擾動過后，因其電容 器和電抗器可分別切除和投入，因此可將瞬間過電壓降到最低。 2 廣 支 l ( a ) t s c ( b ) f c + t c r( c ) t s c + t c r 圖1 - 1s v c 裝置圖 由于基于晶閘管的靜止無功補償裝置具有優(yōu)良的性制1 2 1 ，所以，近1 0 年以 碩士學(xué)位論文 第一章緒論 來，在世界范圍內(nèi)其市場一直在迅速而穩(wěn)定的增長，己占據(jù)了靜止無功補償裝置 的主導(dǎo)地位。晶閘管投切的或控制的并聯(lián)補償裝置徹底改變了機械投切裝置或旋 轉(zhuǎn)裝置速度慢的缺點，控制速度快，維護簡單，成本較低，因此在電力系統(tǒng)中獲 得了大量的應(yīng)用。但這些并聯(lián)補償裝置本身也存在一定的問題，如晶閘管控制的 裝置只能以斬波方式工作，因此會產(chǎn)生較大的諧波【l ，其次這些裝置并聯(lián)接入電 力系統(tǒng)后會改變系統(tǒng)的阻抗特性，過多安裝這些設(shè)備可能導(dǎo)致系統(tǒng)振蕩，而且正 是由于這些設(shè)備還保留了阻抗型裝置的一些特性，因此在系統(tǒng)電壓偏低或偏高 時，阻抗型裝置的缺點( 如電壓低時電流也減小，導(dǎo)致補償容量與電壓平方成正 比下降) 影響了并聯(lián)補償裝置的補償效果。由于晶閘管的關(guān)斷不能控制，因此開 關(guān)頻率低，對配電系統(tǒng)電能質(zhì)量補償能力弱。 隨著高壓大容量可關(guān)斷器件，如i g b t ( i n s u l a t e dg a t eb i p o l a rt r a n s i s t o r ) 、 g t o ( g a t et u r n o f f t h y r i s t o r ) 、i g c t ( i n t e g r a t e dg a t ec o m m u t a t e dt h y r i s t o r ) 器 件的發(fā)展，2 0 世紀(jì)8 0 年代出現(xiàn)了基于可關(guān)斷器件的電壓源或電流源變流器的并 聯(lián)補償裝置，這種并聯(lián)補償裝置的特性完全脫離了阻抗型裝置的特性，成為完全 可控的電壓源或電流源，使得并聯(lián)補償裝置的性能得到較大的提升。由于可關(guān)斷 器件工作頻率較高，變流器輸出的諧波小，變流器工作范圍大，輸出電流獨立于 電壓，因此在系統(tǒng)電壓低時這種補償裝置具有很好的特性。而且基于變流器的并 聯(lián)補償裝置不需要大體積的電力電容器與電力電抗器，體積小，調(diào)節(jié)速度快，根 據(jù)電力系統(tǒng)需要靈活配置?；谧兞髌鞑⒙?lián)補償裝置的典型代表是靜止同步補償 器( s t a t c o m ，s t a t i cs y n c h r o n o u sc o m p e n s a t i o n ) 裝型1 3 d 引，如圖1 2 所示。2 0 世紀(jì)9 0 年代以來，基于變流器的并聯(lián)補償裝置在輸電系統(tǒng)和配電系統(tǒng)中獲得了 越來越廣泛的應(yīng)用。它在電網(wǎng)中吸收和發(fā)送無功，使傳輸容量更接近熱穩(wěn)極限， 調(diào)節(jié)電壓，以及抑制電壓閃變提高系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定水平，而在配電網(wǎng)中主要起補 償交流負(fù)載所需的無功分量，維持節(jié)點電壓穩(wěn)定，以及補償可能出現(xiàn)的諧波這些 作用。 儲 7 ， ：l 、， 一 ， 一 入 g t o 逆變器 圖1 - 2s t a t c o m 裝置圖 圖1 3 描述了無功補償裝置的發(fā)展情況概括。 4 電力系統(tǒng) 碩士學(xué)位論文第一章緒論 無功補償 裝置 早期無功 補償裝置 現(xiàn)代無功 補償裝置 電容器補償 靜止調(diào)相機 靜止無功 補償器s v c 靜止同步補償 器s t a t c o m 圖1 - 3 無功補償裝置發(fā)展框圖 飽和電抗器 晶閘管投切電 抗器t c r 晶閘管投切電 容器t s c t c r + 同定電 容f c 機械投切 電容器m s c 各種裝置的 混合 各種分立式的無功補償裝置有各自的特點和優(yōu)勢，在實際系統(tǒng)中，為了滿足 并聯(lián)無功補償各方面的要求，通常將它們結(jié)合起來使用。目前主要的組合方式有 下面幾種： ( 1 ) 固定電容+ 晶閘管控制電抗器型( f c + t c r ) ，實際應(yīng)用中，常用一個 濾波網(wǎng)絡(luò)來取代單純的電容支路，能對t c r 產(chǎn)生的諧波分量起著濾 波的作用。 ( 2 ) 晶閘管投切電容+ 晶閘管控制電抗型( t s c + t c r ) ，由于t c r 工作中 產(chǎn)生的感性無功電流需要固定電容中的容性無功電流來平衡，因此在 需要實現(xiàn)輸出從額定感性無功到容性無功的調(diào)節(jié)時，t c r 的容量則是 額定容量的2 倍，從而導(dǎo)致器件和容量上的浪費。t s c + t c r 型可以 克服上述缺點。 ( 3 ) 機械式投切電容+ 晶閘管控制電抗器型( m s c + t c r ) ，在一些要求不 高、電容器投切不頻繁的應(yīng)用場合，可以采用機械式開關(guān)代替t s c 支路的晶閘管，有利于降低成本和損耗。 ( 4 ) s t a t c o m + s v c ，s t a t c o m 的容性和感性無功容量的可控范圍對稱， 但實際應(yīng)用中對感性和容性無功容量的需求是不同的，因此將 s t a t c o m 與其它無功補償設(shè)備結(jié)合起來可以解決這個問題，并降低 整體成本。 碩士學(xué)位論文 1 3 論文的主要研究內(nèi)容及章節(jié)安排 第一章緒論 本文重點研究了t s c 及s t a t c o m 這兩種無功補償方式，針對t s c 的傳統(tǒng) 控制法九區(qū)圖控制法進行分析，指出其缺陷，研究了基于模糊控制的t s c 型動態(tài)無功補償控制器。該模糊控制器采用了二輸入單輸出的結(jié)構(gòu)，通過 m a t l a b 建立了模糊控制系統(tǒng)的仿真模型，仿真結(jié)果驗證了該算法的有效性， 增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減少電容器動作的次數(shù)。對s t a t c o m 主要研究了其主電 路結(jié)構(gòu)及工作原理，并建立了s t a t c o m 的動態(tài)數(shù)學(xué)模型，其控制策略采用了電 流的間接控制。通過s i m u l i n k 建立了三電平四重化結(jié)構(gòu)的s t a t c o m 仿真模 型，仿真結(jié)果驗證了s t a t c o m 在無功補償、穩(wěn)定系統(tǒng)電壓及消除自身諧波方面 所起的重要作用。 論文的章節(jié)安排如下： 第一章論述了無功補償?shù)难芯勘尘凹耙饬x；介紹了無功補償在國內(nèi)外的研究 發(fā)展現(xiàn)狀；最后，提出了本論文的研究內(nèi)容及論文總體框架。 第二章介紹了t s c 及s t a t c o m 這兩種無功補償方式的基本結(jié)構(gòu)及原理。 建立了s t a t c o m 的數(shù)學(xué)模型，討論了其諧波消除技術(shù)的應(yīng)用，最后介紹了瞬時 無功功率理論。 第三章重點研究了t s c + s t a t c o m 的控制策略問題。其整體控制策略是： t s c 以無功功率為主要控制目標(biāo)，而s t a t c o m 以電壓為主要控制目標(biāo)；大部 分無功功率由t s c 補償，s t a t c o m 主要補償動態(tài)變化部分。具體設(shè)計 t s c + s t a t c o m 的控制方法時，對t s c 從傳統(tǒng)的九區(qū)圖控制法出發(fā)，針對其缺 點所在，采用了模糊控制的控制方法；對s t a t c o m 從其工作原理出發(fā)，進行數(shù) 學(xué)模型的推理后，采用了電流的間接控制策略。 第四章在m a t l a b s i m u l i n k 環(huán)境下對t s c + s t a t c o m 無功補償進行了 仿真研究。運用模糊邏輯工具箱對t s c 的模糊推理系統(tǒng)進行了設(shè)計，用兩個隨 機函數(shù)代替模糊控制器的兩個輸入變量，仿真結(jié)果顯示了該模糊控制器的合理 性。通過s i m u l i n k 建立了t s c + s 尉訂c o m 的仿真模型，對仿真波形圖進行了 分析，結(jié)果表明t s c + s t a t c o m 無功補償在提高功率因數(shù)、抑制自身諧波含量、 穩(wěn)定系統(tǒng)電壓等方面均能滿足要求。 第五章是結(jié)論與展望，總結(jié)了全文的主要工作、收獲和下一步工作的展望。 6 碩士學(xué)位論文第二章t s c 及s t a t c o m 的基本結(jié)構(gòu)和原理 第二章t s c 及s t a t c o m 的基本結(jié)構(gòu)和原理 2 1t s c 的基本結(jié)構(gòu)及原理 2 1 1基本原理 單相的t s c 的基本結(jié)構(gòu)如圖2 一l 所示，它由電容器、雙向?qū)ňчl管( 或 反并聯(lián)晶閘管) 和阻抗值很小的限流電抗器組成。限流電抗器的主要作用是限制 晶閘管閥由于誤操作引起的浪涌電流，而這種誤操作往往是由于誤控制導(dǎo)致電容 器在不適當(dāng)?shù)臅r機進行投入引起的。同時，限流電抗器與電容器通過參數(shù)搭配可 以避免與交流系統(tǒng)電抗在某些特定頻率上發(fā)生諧振。t s c 有兩個工作狀態(tài)，即投 入和斷開狀態(tài)。投入狀態(tài)下，雙向晶閘管( 或反并聯(lián)晶閘管) 導(dǎo)通，電容器( 組) 起作用，t s c 發(fā)出容性無功功率；斷開狀態(tài)下，雙向晶閘管( 或反并聯(lián)晶閘管) 阻斷，t s c 支路不起作用，不輸出無功功率。在工程實際中，一般將電容器分成 幾組，每組都可由晶閘管投切。這樣可根據(jù)電網(wǎng)的無功需求投切這些電容器，t s c 實際上就是斷續(xù)可調(diào)的發(fā)出容性無功功率的動態(tài)無功補償器【l5 - 1 6 j 。 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 上 圖2 - 1t s c 單相結(jié)構(gòu)簡圖 2 1 2 投入時刻的選取 選取投切時刻總的原則是：t s c 投入電容的時刻，也就是晶閘管開通的時刻， 必須是電源電壓與電容器預(yù)先充電電壓相等的時刻。因為根據(jù)電容器的特性，當(dāng) 加在電容上的電壓有階躍變化時( 若電容器投入的時刻電源電壓與電容器充電電 壓不相等就會發(fā)生這樣的情況) ，將產(chǎn)生一沖擊電流，很可能破壞晶閘管或給電 源帶來高頻振蕩等不利影響。 一般來講，希望電容器預(yù)先充電電壓為電源電壓峰值，而且將晶閘管的觸發(fā) 相位也固定在電源電壓的峰值點。因為根據(jù)電容器的特性方程： 7 碩士學(xué)位論文第二章t s c 及s t a t c o m 的基本結(jié)構(gòu)和原理 f ：c 墮( 2 1 ) 。 硪 如果在導(dǎo)通前電容器充電電壓也等于電源電壓峰值，則在電源峰值點投入電 容時，由于在這一點電源電壓的變化率( 時間導(dǎo)數(shù)) 為零，因此，電流t 即為零， 隨后電源電壓( 也即電容電壓) 的變化率才按正弦規(guī)律上升，電流即按正弦規(guī) 律上升。這樣，整個投入過程不但不會產(chǎn)生沖擊電流，而且電流也沒有階躍變化， 這就是所謂的理想投入時刻。 虬勺龜夸電弩 二勺譬 卡氣a 一 f 2 圖2 - 2t s c 理想投切時刻原理 如圖2 2 所示；設(shè)電源電壓為“。，在本次導(dǎo)通開始以前，電容器的端電壓甜。 已通過上次導(dǎo)通時段最后導(dǎo)通的晶閘管啊充電至電源電壓u 。的峰值，且極性為 正。本次導(dǎo)通開始時刻取為甜。和“，相等的時刻厶，給舊以觸發(fā)脈沖而使之開通， 電容電流t 開始導(dǎo)通。以后每半個周波發(fā)出觸發(fā)脈沖輪流給啊和喝。直到需要 切除這條電容支路時，如在乙時刻，停止發(fā)脈沖，t 為零，則啊關(guān)斷，啊因未 獲觸發(fā)而不導(dǎo)通，電容器電壓保持為唿導(dǎo)通結(jié)束時的電源電壓負(fù)峰值，為下次 投切電容器做了準(zhǔn)備。 2 2s w 汀c o m 的基本結(jié)構(gòu)及原理 2 2 1s 仉盯c o m 的基本結(jié)構(gòu) 簡單的說，s t a t c o m 的基本原理就是將自換相橋式電路通過電抗器或者直 接并聯(lián)在電網(wǎng)上，適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)橋式電路交流側(cè)輸出電壓的相位和幅值，或者直接 控制交流側(cè)電流，就可以使電路吸收或發(fā)出滿足要求的無功電流，實現(xiàn)動態(tài)無功 補償?shù)哪康摹?s t a t c o m 的基本電路結(jié)構(gòu)【1 7 1 分為兩種：電壓型橋式電路結(jié)構(gòu)和電流型橋式 電路結(jié)構(gòu)。圖2 3 為s t a t c o m 電路基本結(jié)構(gòu)圖，直流側(cè)分別采用的是電容和電 感這兩種不同的儲能元件。 一 8 碩士學(xué)位論文第二章t s c 及s t a t c o m 的基本結(jié)構(gòu)和原理 ( a ) 電壓型橋式電路結(jié)構(gòu)( b ) 電流型橋式電路結(jié)構(gòu) 圖2 - 3s t a t c o m 電路基本結(jié)構(gòu) 對于電壓型橋式電路，其直流側(cè)以電容作為儲能元件，將直流電壓逆變?yōu)榻?流電壓，通過串聯(lián)電抗并入電網(wǎng)，其中串聯(lián)電抗起到阻尼過電流、濾除紋波的作 用；對于電流型橋式電路，其直流側(cè)以電感作為儲能元件，將直流電流逆變?yōu)榻?流電流送入電網(wǎng)，并聯(lián)于交流側(cè)的電容可以吸收換相產(chǎn)生的過電壓。我們知道， 在平衡的三相系統(tǒng)中，三相瞬時功率的和是一定的，在任何時刻都等于三相總的 有功功率。因此總的看來，在三相系統(tǒng)的電源和負(fù)載之間沒有無功功率的往返， 各相的無功能量是在三相之間來回往返的。而s t a t c o m 正是將三相的無功功率 統(tǒng)一來進行處理的，所以理論上說，s t a t c o m 的橋式變流電路的直流側(cè)可以不 設(shè)無功儲能元件。但實際上由于諧波的存在，使得總體看來，電源和s t a t c o m 之間會有少許無功能量的往返。所以，為維持s t a t c o m 的正常工作，其直流側(cè) 仍需一定大小的電容或電感作為儲能元件，但所需儲能元件的容量遠(yuǎn)比 s t a t c o m 所能提供的無功容量要小。而對傳統(tǒng)的s v c 裝置，其所需儲能元件 的容量至少要等于其所提供的無功功率的容量。因此，s t a t c o m 中儲能元件的 體積和成本比同容量的s v c 要小的多。在實際運行中，由于電流型橋式電路效 率比較低，而且發(fā)生短路故障時危害比較大，所以迄今投入使用的s 仉盯c o m 大 都采用電壓型橋式電路，因此s t a t c o m 往往專指采用自換相的電壓型橋式電路 作為動態(tài)無功補償?shù)难b置。 2 2 2s n 玎c o m 的基本原理 圖2 4 為s t a t c o m 的原理示意圖，其中直流側(cè)為儲能電容，為s t a t c o m 提供直流電壓支撐，逆變器通常由多個逆變橋串聯(lián)或并聯(lián)而成，其主要功能是將 直流電壓變換為交流電壓，而交流電壓的大小、頻率和相位可以通過控制逆變器 中可關(guān)斷器件( 如g t o 、i g b t 、i g c t 等) 的驅(qū)動脈沖進行控制。連接變壓器 將逆變器輸出的電壓變換到系統(tǒng)電壓，從而使s t a t c o m 裝置可以并聯(lián)到電力系 統(tǒng)中。連接變壓器本身的漏抗可以用于限制電流，防止逆變器故障或系統(tǒng)故障時 9 碩士學(xué)位論文第二章t s c 及s t a t c o m 的基本結(jié)構(gòu)和原理 產(chǎn)生過大的電流。整個s t a t c o m 裝置相當(dāng)于一個電壓大小可調(diào)的電壓源。設(shè) s t a t c o m 裝置產(chǎn)生的歸算到系統(tǒng)側(cè)的空載相電壓為阢，系統(tǒng)相電壓為玩，連接 電抗為x ( 將連接電抗視為純電感) ，則s t a t c o m 裝置輸出的電流為： j ：u , - v ,( 2 2 ) j x 因此，s t a t c o m 裝置輸出的單相視在功率為： s = 玩j = 玩等 ( 2 3 ) 由 韃itxt i 注入系統(tǒng)的電流 超前 ( 相當(dāng)于電感) 注入系統(tǒng)的電流 滯后 ( 相當(dāng)于電容) 逆變器電力系統(tǒng) 圖2 - 4s t a t c o m 裝置調(diào)節(jié)無功原理示意圖 通常情況下，s t a t c o m 裝置只吸收很小的有功功率或不吸收有功功率，因 此其產(chǎn)生的電壓力，與系統(tǒng)電壓d 。相位相同，因此s t a t c o m 裝置輸出的單相無 功功率為： o0 q _ i m ( s ) ：l m ( 0 。墜筍) ：肇警璣( 2 - 4 ) 一j a a 當(dāng)d ，小于d 。時，電流j 超前電壓9 0 。，s t a t c o m 吸收容性的無功功率；當(dāng) 矽，大于d 。時，電流j 滯后電壓9 0 。，s t a t c o m 吸收感性的無功功率。 考慮到連接電抗器的損耗和變流器本身的損耗( 如管壓降、線路電阻等) ， 在這種情況下，變流器電壓d ，與電流j 仍相差9 0 。，因變流器不需提供有功能量。 而電網(wǎng)電壓汐。與電流j 的相差則不再是9 0 。，而是比9 0 。小了萬角，因此電網(wǎng)提供 了有功功率來補充電路中的損耗，也就是說相對于電網(wǎng)電壓來講，電流，中有一 定的有功分量。這個萬角是變流器電壓d ，和電網(wǎng)電壓力。的相位差，并且改變d ， l o 蘭以i 卜譬旁 碩士學(xué)位論文 第二章t s c 及s t a t c o m 的基本結(jié)構(gòu)和原理 的幅值，則產(chǎn)生的電流j 的大小也就隨之改變，s t a t c o m 從電網(wǎng)吸收的無功功 率也就得到調(diào)節(jié)。 因此，當(dāng)控制s t a t c o m 裝置產(chǎn)生的電壓小于系統(tǒng)電壓即u ， 0 ，此時s t a t c o m 裝置相當(dāng)于電容。由于s t a t c o m 裝置產(chǎn)生的電壓矽，的大小可以連續(xù)快速的控制，因此s t a t c o m 吸收的無功功 率可以連續(xù)地由正到負(fù)進行快速調(diào)節(jié)。 2 3s w 汀c o m 數(shù)學(xué)模型的建立 如果沒有精確的數(shù)學(xué)模型，要對s t a t c o m 進行深入了解是非常困難的，因 而要設(shè)計出優(yōu)越的控制器也是很難的。對于一個物理對象的建模方法大致可以分 為兩種：輸入一輸出建模法和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)建模法。一般的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)建模法建立的微 分方程，分別求解，建立裝置的數(shù)學(xué)模型是非常復(fù)雜的，特別是當(dāng)開關(guān)器件數(shù)量 很多時，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)急劇上升，按照拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來分析非常困難。實際研究中，我們 更關(guān)心的是裝置的輸入一輸出特性，為此我們要建立輸入一輸出特性的數(shù)學(xué)模 型，而對裝置中某個開關(guān)器件某時刻的電流，并不是很關(guān)心，只要保證該電流不 超過開關(guān)器件允許的電流，不會導(dǎo)致裝置異?；蚬收暇涂梢粤?。為此我們采用輸 入一輸出的建模方法來建立s t a t c o m 的數(shù)學(xué)模型，這種數(shù)學(xué)模型對于 s t a t c o m 裝置用于電力系統(tǒng)無功補償控制已經(jīng)足夠精確了i 博j 。 圖2 5 為s t a t c o m 裝置原理接線圖，為建立數(shù)學(xué)模型，先做如下假設(shè)： ( 1 ) 將s t a t c o m 裝置中各種損耗及電阻包括開關(guān)器件( 如g t o 、二極管) 的導(dǎo)通電阻用等效電阻表示，如圖中r ，變壓器漏電感及線路電感用等效電感表 示，如圖中： ( 2 ) 由于s t a t c o m 裝置輸出電壓由多個單相橋疊加而成，諧波含量低， 因此只考慮s t a t c o m 輸出電壓的基波分量而忽略諧波分量。 南三璣 逆變器i _ j ， 一 f 二 j j i 圖2 - 5s t a t c o m 裝置原理接線圖 l l 碩士學(xué)位論文第二章t s c 及s t a t c o m 的基本結(jié)構(gòu)和原理 基于上面的假設(shè)及單相橋輸出電壓的表達式可以得到s t a t c o m 裝置變流 器總的輸出電壓為： i 甜= k u 出s i n ( c o t 一萬) z ，曲= k u 出s i n ( a t 一2 7 r 3 一回 ( 2 - 5 ) lz ，。= k u 廊s i n ( a l t + 2 7 r 3 一回 其中k 為比例系數(shù)，萬為s t a t c o m 輸出電壓與系統(tǒng)電壓的夾角，為可控量。 而系統(tǒng)三相電壓為： ( 2 6 ) 根據(jù)s t a t c o m 裝置的原理圖，可以列出s t a t c o m 裝置的a b c 三相動態(tài) 方程： 三掣- - u c a ( 滬州噸 三百d i b ( t ) = “西p ) 一z ，曲p ) 一戤( ，) ( 2 7 ) 三掣鞏飛( ，) 一剛，) 將( 2 5 ) 和( 2 6 ) 代入( 2 7 ) 得： 卜掣= 砌d 。s i n ( 研硼一厄s i n 耐噸 三了d i h ( t ) 幽a 。s i n ( 耐- 2 7 r 3 - 8 ) - 厄s i n ( 咖2 州3 m 訛) 卜掣地a k s i n ( 研+ 2 z r 3 - 8 ) - 厄s i n ( 耐+ 2 ，r 3 ) - 尉以) 而直流側(cè)電容電壓的動態(tài)方程可以由能量關(guān)系得到： 丟畦國撕) ) = 也( f ) “，) + 以咖以m 馳心】 ( 2 - 8 ) ( 2 9 ) 了c l u 出( t ) = 等【f 口s i n ( 研咽+ 拍) s i n ( a ，t - 2 z r 3 - m “舢i n ( 研+ 2 棚硼】 ( 2 1 0 ) 因此s t a t c o m 的數(shù)學(xué)模型為： 1 2 3 3 萬 萬 2 2 一 + 研似 n n n 厄厄厄 = = l l 塒 曲 鲇 掰 材 碩士學(xué)位論文第二章t s c 及s t a t c o m 的基本結(jié)構(gòu)和原理 三掣二砌出s i n ( o x 一萬) 二厄，s i n t o t r i o ( r ) d t ld i b ( t ) ：k u 出s i n ( 耐一2 萬3 一萬) 一五。s i n ( c o t 一2 萬1 3 ) 一r i 6 ( f ) d t 三等筍= 砌d 。s i n ( 研+ 2 萬3 一d 一五，s 試研+ 2 n 3 ) - 尺i c ( d 望乞掣= 【f 。( o s i n ( c o t d + ( ，) s i n ( 耐一2 萬3 一回+ t o ) s i n ( 研+ 2 萬3 一萬) 】 ( 2 1 1 ) ，l c o s t o t c o s ( c o t 一2 n 3 ) c o s ( c o t + 2 7 r 3 ) l 。 c = 專l s i n c o t s i n ( c o t 一2 r r 3 ) 一s i n ( a ) t + 2 ，r 3 ) l ( 2 - 1 2 ) 3l l 。i l 21 21 2 i 料c 嘲 像 d a c t 0 z 叮 l o u d c r k i 一0三一0蘭一一妾0c。s萬曠曼03k 尺k0 叫 三三l l 9 一二二 l l l s i n 萬3 _ rc o s 艿oo i l “出 2 c2 cj 1 1 上 o 厄， o o ( 2 1 4 ) 由于s t a t c o m 裝置為三相三線制系統(tǒng)，三相電流之和為零，所以上述方 程中i o 始終為零，因此可以將該方程去掉，得到s t a t c o m 的數(shù)學(xué)模型為： d m i 瓦i l q l 2 l - z f 出j 三蘭萬三查 羔萬二篆i n 耋i 毫i 0 s + 圭 三 三0 。1 月k 0 ”l 1 一一cdhz i + 一 三三0 。l 三 堅s i n 萬堅c o s 萬op 出j 2 c 2 ci 1 3 o 厄， o ( 2 1 5 ) 碩士學(xué)位論文第二章t s c 及s t a t c o m 的基本結(jié)構(gòu)和原理 其中，彩為砌0 坐標(biāo)系下的旋轉(zhuǎn)角頻率，與三相系統(tǒng)電壓角頻率相同；k 為 逆變器調(diào)制比；r 、三分別為s t a t c o m 裝置的等值電阻和電感；c 為s t a t c o m 直流側(cè)電容值；萬為s t a t c o m 裝置的輸出電壓與系統(tǒng)電壓間的相角差；甜。為 系統(tǒng)電壓；l d 為直流電容電壓。, t c 從式( 2 1 5 ) 可以看出，s t a t c o m 裝置的動態(tài)模型主要包括五個參數(shù)( r ， 三、c 、k 、緲) 和一個控制量艿。改變?nèi)f角即可控制s t a t c o m 裝置產(chǎn)生電壓的 大小，從而控制s t a t c o m 裝置產(chǎn)生的無功功率的大小和性質(zhì)。 2 4s w 盯c o m 穩(wěn)定性分析 s t a t c o m 裝置是否能夠穩(wěn)定運行，是我們首先需要明確的。由式( 2 1 5 ) 可見，當(dāng)控制角萬為固定數(shù)值，k 為常數(shù)時，微分方程為線性微分方程，其穩(wěn)定 性主要取決于系數(shù)矩陣的特征根的情況，如果所有特征根的實部均為負(fù)，則 s t a t c o m 裝置可以穩(wěn)定運行，否則s t a t c o m 裝置不能穩(wěn)定運行。式( 2 1 5 ) 的系數(shù)矩陣為： a = r k ， 三三 rk， 三上 3 k s i n 8 3 k c o s 萬osn s du 2 c2 c ( 2 1 6 ) 其特征方程為： 。 1 2 e a i = 0 ( 2 1 7 ) 將( 2 1 6 ) 代入( 2 1 7 ) 得到： 名+ 2 _ f f _ r3 , 2 + f 娶+ 鱉- i - 0 ) 2b + 墼：o ( 2 - 1 8 ) 三i 2 三cj 2 c 上式為一元三次方程，利用求根公式可以求出三個根，根據(jù)根的實部情況可 以判斷微分方程的穩(wěn)定性。由于求根公式比較復(fù)雜，因此我們應(yīng)用控制理論中的 勞斯判據(jù)來判斷方程所有的根是否均具有負(fù)實部。 對于方程( 2 1 8 ) ，有： 鏟 。名：= 爭叩。= 等+ 篆 帥。= 籌 。 目 1 4 碩士學(xué)位論文第二章t s c 及s t a t c o m 的基本結(jié)構(gòu)和原理 i 口2a o l i 口，ql 2 ：一2 r 3 + 堅絲+ 2 r o ) 2 o ( 2 - 1 9 ) = 一+ 一- 一一 i ， e2 l 2 cl 由勞斯判據(jù)可知，方程( 2 1 8 ) 的所有根均具有負(fù)實部，因此微分方程( 2 1 5 ) 對任意固定的萬角和常數(shù)k 都是穩(wěn)定的，即s t a t c o m 裝置是穩(wěn)定的，因此給 定控制角后，s t f 盯c o m 裝置可以穩(wěn)定運行。 2 5s w 汀c o m 諧波消除技術(shù) s t a t c o m 在進行無功功率補償?shù)臅r候，其交流側(cè)輸出的是幅值等于直流側(cè) 電容電壓的方波序列，而不是正弦波的交流電壓，因此，不可避免的會產(chǎn)生諧波 分量。傳統(tǒng)的做法是附加濾波器進行濾波，但這會大大增加設(shè)備成本。對于采用 了電力電子逆變技術(shù)的無功補償方法，我們可以通過適當(dāng)?shù)目刂萍夹g(shù)來消除輸出 電壓和輸出電流中的諧波成分，主要可以從電路結(jié)構(gòu)和脈沖觸發(fā)方式兩個方面來 進行優(yōu)化【1 9 2 0 1 。 2 5 1 改善電路結(jié)構(gòu) 1 、多重化技術(shù) 由于單個變流器的輸出波形是一系列的方波，因此含有較多諧波成分。如果 我們設(shè)計多個變流器，將它們并聯(lián)或串聯(lián)連接，使它們各自的輸出波形在相位上 相差一定的角度，那么我們最終得到的將是接近正弦波的階梯波形，這是由于各 變流器輸出波形相互疊加的結(jié)果，這就是變流器的多重化技術(shù)【2 。另外，利用多 重化的方法，還可以增大s t a t c o m 的裝置容量，從而對系統(tǒng)的穩(wěn)定發(fā)揮重要作 用。電壓型和電流型的變流器都可以實現(xiàn)多重化，其中電壓型要串聯(lián)連接，電流 型要并聯(lián)連接。圖2 - 6 是四個電壓型變流器四重化的簡單示意圖。 圖2 - 6s t a t c o m 四重化主電路圖 1 5 碩士學(xué)位論文 第二章t s c 及s t a t c o m 的基本結(jié)構(gòu)和原理 四個變流器各相輸出電壓在相位上依次相差1 5 0 ，經(jīng)串聯(lián)后接入交流電力網(wǎng)。 各變流器的相位關(guān)系可以在觸發(fā)脈沖產(chǎn)生環(huán)節(jié)進行控制。其中各變流器a 相電 壓波形和最終得到的a 相電壓波形如圖2 7 所示。 同步信號一： 4 a 。一籠 1 5 吃 一