高壓電網(wǎng)動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置STATCOM

1、STATCOM高壓電網(wǎng)動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置初步規(guī)劃和研發(fā)計(jì)劃書一、高壓電網(wǎng)動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償?shù)谋匾噪S著電力電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，電力電子裝置在各行各業(yè)的應(yīng)用日益廣 泛，在帶來巨大經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，諧波和無功問題也日趨嚴(yán)重，無論對(duì)于電力系統(tǒng)還是電 力用戶，這都是不可忽視的問題。因此，近年來電能質(zhì)量問題引起了普遍的重視。電網(wǎng)電壓質(zhì)量通常由穩(wěn)定性、對(duì)稱性及正弦性等指標(biāo)衡量，隨著現(xiàn)代電力電子設(shè)備等 非線性負(fù)荷大量接入電網(wǎng)，使電網(wǎng)供電質(zhì)量受到嚴(yán)重影響，其中各種電力電子開關(guān)器件的 大量應(yīng)用和負(fù)載的頻繁波動(dòng)是最主要的干擾源，導(dǎo)致了一系列不良影響。功率因數(shù)低，增加電網(wǎng)損耗，加大生產(chǎn)成本，降低生產(chǎn)率。產(chǎn)生的無功

2、沖擊引起電網(wǎng)電壓降低、電壓波動(dòng)及閃變，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致傳動(dòng)裝置及保護(hù)裝置 無法正常工作甚至停產(chǎn)。產(chǎn)生高次諧波電流，導(dǎo)致電網(wǎng)電壓畸變，是電網(wǎng)的“隱性殺手”，能導(dǎo)致：保護(hù)及安全自動(dòng)裝置誤動(dòng)作。電容器組諧波電流放大，使電容器過負(fù)荷或過電壓，甚至燒毀。增加變電器損耗，引起變壓器發(fā)熱。導(dǎo)致電力設(shè)備發(fā)熱，電機(jī)力矩不穩(wěn)甚至損壞加速電力設(shè)備絕緣老化，易擊穿。降低電弧爐生產(chǎn)效率，增加損耗。干擾通訊信號(hào)。導(dǎo)致電網(wǎng)三相不平衡，產(chǎn)生負(fù)序電流使電機(jī)轉(zhuǎn)子發(fā)生振動(dòng)。系統(tǒng)中大量存在的非線性及沖擊性負(fù)荷（如軋鋼機(jī)、電弧爐、礦井提升機(jī)、采煤機(jī)等）， 不僅要從電網(wǎng)中吸收大量的無功功率，同時(shí)還引起電壓波動(dòng)和閃變。 據(jù)統(tǒng)計(jì)，自動(dòng)化程度很 高

3、的工業(yè)用戶一般每年要遭受1050次與電能質(zhì)量問題有關(guān)的干擾，其中因包括電壓波動(dòng) 和閃變?cè)趦?nèi)的動(dòng)態(tài)電壓質(zhì)量問題造成的事故數(shù)約占事故總數(shù)的 83% ,電壓波動(dòng)和閃變已成 為威脅許多重要用戶供電可靠性的主要原因之一。電網(wǎng)電壓的波動(dòng)和閃變主要是由于無功功率的波動(dòng)引起的，所以，抑制電壓波動(dòng)和閃變應(yīng)該以控制無功功率為重點(diǎn)。由于電壓的變化速度較快，因此必須安裝動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置才能抑制電壓的波動(dòng)和閃變。在煤礦企業(yè)中，由于大量電動(dòng)機(jī)負(fù)荷和大型綜采設(shè)備的投入，造成煤礦電網(wǎng)供電質(zhì)量下 降，即功率因數(shù)較低、電壓波動(dòng)較大。煤礦是對(duì)安全要求很高的工況類型， 為保障安全生產(chǎn) 及人身安全，對(duì)供配電系統(tǒng)電能質(zhì)量的要求更高， 而

4、近年來直流絞車在煤礦中的廣泛使用， 使得煤礦絞車供電系統(tǒng)受到嚴(yán)重污染，諧波和無功問題日益突出，整個(gè)供配電系統(tǒng)的安全 運(yùn)行存在較大的隱患。目前，節(jié)能減排已經(jīng)成為我國(guó)的一項(xiàng)方針政策，煤礦作為用電大戶，必須響應(yīng)國(guó)家的 政策進(jìn)行節(jié)能。安裝高壓電網(wǎng)的無功補(bǔ)償裝置具有很好的節(jié)能效果。二、高壓動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償技術(shù)發(fā)展和現(xiàn)狀2. 1無功補(bǔ)償原理無功補(bǔ)償分為并聯(lián)無功補(bǔ)償和串聯(lián)無功補(bǔ)償兩種方法，其中串聯(lián)無功補(bǔ)償主要應(yīng)用在 35KV以上電壓等級(jí)的輸電網(wǎng)，這里不作詳細(xì)討論。下面介紹一下并聯(lián)無功補(bǔ)償?shù)脑怼?圖 1是一個(gè)基本的電力系統(tǒng)，包括發(fā)電機(jī)、升壓變壓器、高壓傳輸線、降壓變壓器和感性負(fù)荷。 圖1(a)是未安裝無功補(bǔ)償裝

5、置的電力系統(tǒng)示意圖、等效模型及對(duì)應(yīng)的矢量圖，由于實(shí)際系 統(tǒng)中的負(fù)荷幾乎都是感性負(fù)荷，因此需要吸收無功功率，無功功率只能由發(fā)電機(jī)提供并經(jīng) 過線路傳輸?shù)截?fù)荷。如果在負(fù)荷側(cè)加裝無功補(bǔ)償裝置，如圖1(b)所示，負(fù)荷的無功功率由無功補(bǔ)償裝置來提供，不再由發(fā)電機(jī)產(chǎn)生并由高壓傳輸線傳輸?shù)截?fù)荷，這樣傳輸電流就會(huì) 大大減少，網(wǎng)損會(huì)降低，負(fù)荷端的電壓調(diào)整率會(huì)提高。5la(a)未安裝無功補(bǔ)償裝置的電力系統(tǒng)示意圖、等效模型及矢量圖無功補(bǔ)償 裝置(b)安裝無功補(bǔ)償裝置的電力系統(tǒng)示意圖、等效模型及矢量圖圖1并聯(lián)無功補(bǔ)償原理2. 2靜止無功補(bǔ)償裝置SVC高壓電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償技術(shù)主要有靜止無功補(bǔ)償器 (Static Var

6、 Compensators和靜止 同步補(bǔ)償器(Static Synchronous Compensators)靜止無功補(bǔ)償器簡(jiǎn)稱為SVC,靜止同步補(bǔ)償 器簡(jiǎn)稱為STATCOM 。SVC的工作原理如圖2所示，SVC接入系統(tǒng)中，電容器提供固定的容性無功 Qc,補(bǔ)償 電抗器通過的電流決定了補(bǔ)償電抗器輸出感性無功 Qtcr的大小，感性無功和容性無功相抵消，只要能做到系統(tǒng)無功Qn =Qv-Qc+Qtcr為常數(shù)（或0）,則能實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)功率因數(shù)等于常數(shù)，電壓幾乎不波動(dòng)，關(guān)鍵是準(zhǔn)確控制品閘管的觸發(fā)角，得到所需的流過補(bǔ)償電抗器的電 流，晶閘管變流裝置和控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)這個(gè)功能，采集母線的無功電流值和電壓值，合 成

7、無功值，和所設(shè)定的恒無功值（可能是0）進(jìn)行比較，計(jì)算得觸發(fā)角大小，通過晶閘管觸 發(fā)裝置，使晶閘管流過所需電流。 TOC o 1-5 h z 系統(tǒng)無功功率 _Qu 負(fù)驟無功功率x 二；Qt 濁波無功功率G口er TCR無功功笄SVC工作原理圖Q QrSVC單線系統(tǒng)圖圖2 SVC工作原理示意圖2. 3 靜止同步補(bǔ)償器STATCOMVcOMPuerrorPWM Control Block moA(c) 48脈沖多重化STATCOM網(wǎng)側(cè)電壓波形圖6采用多重化技術(shù)的+3.75 O jUUH375一外；h巾JjljABC12-pulsconverter 112-pulseconverter 212-pul

8、seconverter 312-pulseconverter 4(b) 準(zhǔn)48脈沖多重化STATCOMQU gl T 3-IHU IM StAl 8 忖 Wm% k trr. B0.01 Q0 Q03004 飆匹 QgThna f U(d) 準(zhǔn)48脈沖多重化STATCOM網(wǎng)側(cè)電壓波形STATCOM主電路及其輸出電壓波形我國(guó)第一臺(tái)目前，國(guó)內(nèi)外投入使用的STATCOM大多是由逆變器和多重化變壓器組成STATCOM裝置(由清華大學(xué)和河南省電力局共同研制，已于1999年3月并網(wǎng)運(yùn)行)也是基于這種思想制成。采用變壓器提高裝置的耐壓存在諸多弊端：(1)耗資大。變壓器成本約占整個(gè)裝置成本的1/3(2)損耗大

9、。變壓器損耗約占裝置總損耗的 50%左右(3)體積大、笨重，變壓器占地面積約占整個(gè)裝置的40%左右(4)由于變壓器的材料是銅和矽鋼片，隨著銅的漲價(jià)，變壓器的造假越來越高三、級(jí)聯(lián)型多電平STATCOM1 級(jí)聯(lián)型多電平 STATCOM主電路分析多電平變換器是近年來高壓大功率電力電子技術(shù)發(fā)展的一個(gè)方向，目前在電力系統(tǒng)場(chǎng)合已經(jīng)開始了應(yīng)用和深入研究，取得了一定的經(jīng)驗(yàn)。級(jí)聯(lián)STATCOM采用多個(gè)單相 所直接串聯(lián)，摒棄了多重化變壓器，因此避免了上述 缺點(diǎn)。同時(shí)還可通過冗余設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提高裝置的可靠性。級(jí)聯(lián)H橋的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖7所示:圖7級(jí)聯(lián)型多電平主電路架構(gòu)但是對(duì)于此種級(jí)聯(lián)H橋拓?fù)?，存在各個(gè)電容電壓不均衡的問

10、題。其電容電壓不平衡是各逆變橋并聯(lián)型損耗和混合型損耗差異以及脈沖延時(shí)的差異共同作用的結(jié)果。由于各H橋之間的差異是不可避免的，為了裝置安全可靠運(yùn)行，必須采取一定的平衡控制策略。目前控制 策略有如下兩種：一個(gè)是逆變橋自身能量平衡，另一個(gè)是逆變橋之間能量平衡。所謂逆變橋 自身能量平衡，是指通過調(diào)節(jié)逆變橋內(nèi)部參數(shù)達(dá)到平衡的目的。這個(gè)是現(xiàn)在級(jí)聯(lián)H-bridge的研究重點(diǎn)。所謂逆變橋之間能量平衡，是指通過外部電路的能量交換，實(shí)現(xiàn)電容電壓動(dòng)態(tài)平 衡。直流側(cè)電容通過雙向運(yùn)行的逆變器和隔離變壓器連接到公共耦合總線上，能量便從電壓較高的逆變橋流向電壓較低的逆變橋，從而實(shí)現(xiàn)平衡的控制目的。這種方法已經(jīng)應(yīng)用在上海 電

11、力公司與河南許繼合作開發(fā)成功的士 50Mvar白statcom上，如圖8所示。但是這種方法還 是采用了變壓器，增加了裝置成本，降低了效率。Control Block 4HLF圖8通過各H-bridge模塊之間能量交換維持母線電壓平衡的statcom我們經(jīng)過深入的理論研究和仿真技術(shù)，通過逆變橋自身能量平衡的方法實(shí)現(xiàn)了各個(gè) BUS電容的電壓平衡，這樣就省去了貴重、體積龐大的變壓器，降低了成本，提高了裝置 的效率，減小了占地面積，增加了可靠性。主電路如圖9所示。b.6 k. 5d HzTcon. 3con. 3仁?？? ArTJJT ILJT-L-Lcon. 4con.:con. 6JTHrT,JT

12、Tcon. 4eon. 4con. ?con. fi-TTcon. 5con, 63. 2 級(jí)聯(lián)型多電平 STATCOM 仿真結(jié)果目前現(xiàn)在的級(jí)聯(lián)H橋的控制方法已經(jīng)比較多，同時(shí)PWM調(diào)制方法也存在很多形式。大 部分對(duì)于各H-bridge的電容電壓的平衡采樣在控制回路上進(jìn)行調(diào)節(jié)。目前比較普遍的PWM調(diào)制方法有如下幾種：多電平消諧波 PWM(Subharmonic PWM)、移相載波PWM(phase shifting PWM)、優(yōu)化諧波抑制 PWM(Optimum Harmonic Reduction PWM)等。采用以上的PWM調(diào)制方式，由于只是在控制回路上對(duì)各個(gè)電容電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，同時(shí)在PWM產(chǎn)

13、生上未進(jìn)行考慮，雖然實(shí)現(xiàn)起來較為簡(jiǎn)單，但是對(duì)于電壓的平衡的能控性很小。而且由于在控制上進(jìn)行調(diào)節(jié)，對(duì)于我們的控制信號(hào)不免引入干擾，從而影響輸出電流的波形。在此，采用了新的控制方式以及PWM產(chǎn)生方式，可以有效的對(duì)各個(gè)BUS電容電壓進(jìn)行 控制，從而使各個(gè)電容電壓保持一致。其主要原理是通過將系統(tǒng)各H-bridge模塊電壓電流的park變換，將系統(tǒng)變換在dq坐標(biāo)系下，得到需補(bǔ)償?shù)臒o功功率并由此得到無功電流信號(hào)， 采用電流反饋控制以得到控制信號(hào)。然后采用新的調(diào)制方式，對(duì)于各個(gè)模塊的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行精心分配，從而達(dá)到輸出無功，并保持各個(gè)H-bridge模塊BUS電壓平衡的目的3. 2. 1各H-bridge模塊

14、的BUS電容電壓仿真為了驗(yàn)證這種方法，我們進(jìn)行了仿真，仿真條件為：發(fā)出無功功率為 265KVar,母線 電壓為6.3KV,單個(gè)H-bridge模塊的BUS電容電壓為1000V。仿真結(jié)果如圖10所示，可以看 到bus電壓幾乎保持一致，從而解決了關(guān)于級(jí)聯(lián) H-bridge的bus平衡問題。(a) A相7個(gè)H-bridge模塊的BUS電容電壓波形(b) A相7個(gè)H-bridge模塊的BUS電容電壓局部放大波形 圖10 A相7個(gè)H-bridge模塊的BUS電容電壓仿真波形3.2.2 STATCOM由發(fā)出感性無功到發(fā)出容性無功的仿真為了驗(yàn)證級(jí)聯(lián)型多電平STATCOM的響應(yīng)速度，我們讓STATCOM開始運(yùn)

15、行于發(fā)出感性 無功(-10Mvar)的狀態(tài)，0.5S寸STATCOM運(yùn)行于發(fā)出容性無功(+10Mvar)的狀態(tài)。根據(jù)定義 的電流方向，STATCOM運(yùn)行于發(fā)出容性無功時(shí)，變換器電流超前于網(wǎng)側(cè)電壓 90口；而當(dāng) STATCOM運(yùn)行于發(fā)出感性無功時(shí)，變換器電流滯后于網(wǎng)側(cè)電壓 90，整個(gè)STATCOM裝置由于有損耗的原因，為了維持BUS電壓為定值，變換器與電網(wǎng)之間必須進(jìn)行有功的交換， 因此，變換器的電流和網(wǎng)側(cè)電壓之間并不是嚴(yán)格的90口關(guān)系。圖11（a）Statcom電流由感性無功（-10Mvar）到容性無功（10Mvar）的響應(yīng)波形，圖11（b）是對(duì)應(yīng)的網(wǎng)側(cè)電壓和變換器 電流波形。 TOC o 1-

16、5 h z 000 -二一二二:二.二.二.二.二.j二:.二二.二 :如9Q0, . %L- 一 I i .1. .L.；5Q0 i I I I I I r I r I r I I r I 1 I I I I I i I a I I I I I I b I I r I I r I I I I I I I I I I i I n I I c i I r I I I r I I I I I I I I id I : I I i I I n I s I I b I I b I1LUJ =!- ,- - -:!： ： !, , T5DQ 一 .4: i；2m；小 ；，-25001110.44。布0.

17、480：50.520.54Tgoftat 0Statcom電流由感性無功（-10Mvar）到容性無功（10Mvar）的響應(yīng)波形-4CD01 J /1111j：1111J 1 ! 11 1 1 1/ 111 ；1111 ： 卜1 11 TStatcom電流由感性無功到容性無功時(shí)網(wǎng)側(cè)電壓和變換器電流波形（黃色為網(wǎng)側(cè)電壓）圖11 Statcom由發(fā)出感性無功轉(zhuǎn)換到發(fā)出容性無功的響應(yīng)波形、網(wǎng)側(cè)電壓和變換器電流波形圖12 Statcom由發(fā)出感性無功轉(zhuǎn)換到發(fā)出容性無功時(shí)變換器三相輸出電壓和輸出電流波形3. 2. 3 系統(tǒng)母線電壓發(fā)生波動(dòng)時(shí)STATCOM的仿真仿真條件為：系統(tǒng)給定電壓在1s由標(biāo)幺值1-0.955,在2s由0.955-1.045。從仿真可以看出加入STATCOM之后可以將statcom接入點(diǎn)的電壓調(diào)節(jié)為系統(tǒng)電壓的標(biāo)幺值 1。仿真波形如下:(a)系統(tǒng)母線電壓變化波形(未加入STATCOM裝置)(b)系統(tǒng)母線電壓變化波形(加入 STATCOM裝置后)(c)系統(tǒng)電壓變化時(shí) Statcom發(fā)出的無功電流幅值指令(d)系統(tǒng)電壓變化時(shí) Statcom發(fā)出的無功電流波形(e)系統(tǒng)電壓變化時(shí) BUS波形圖123. 2. 3 STATCOM治理負(fù)荷電流諧