静止同步补偿器(STATCOM)的仿真与实现.pdf

东南大学硕士学位论文静止同步补偿器（STATCOM）的仿真与实现姓名：董云龙申请学位级别：硕士专业：电力电子与电力传动指导教师：王念春20040320东南人学硕 学位论文静I E 问步补偿器(S T A T C O M)的仿真。，实现摘要随着工业水平的不断提高，用户对电能质量的要求也越来越高。而系统中无功负荷，特别是冲击性无功负荷的存在，不仅增加了各种损耗，而且严重影响了用户端的电能质量。因此，实时快速的无功功率补偿对优化电网潮流分布和提高电能质量具有十分重要的意义。传统的无功补偿装置响应时间长、调节特性差，而且补偿容量受到装置自身容量的限制。而基于电力电子逆变技术的无功补偿装置S T A T C O M 由于采用了G T O、I G B T 等大功率全控型器件，因此能够更快速、更有效的补偿系统中的无功功率。厩且补偿容量不受装置容量限制，因此调节特性更优。文中详细介绍了S T A T C O M 的电路结构、工作原理以及在改善电能质量中的具体应用。讨沦了采用电流间接控制和采用电流直接控制的两种S T A T C O M 控制策略。从改善电路结构和优化脉冲触发方式两个方面讨论了S T A T C O M 的自身l 皆波消除技术。依据两种不同的控制策略对S T A T C O M 进行了系统级建模及仿真。根据各电量在无冲击性负荷和冲击性负荷情况下的不同输出波形分析了两种控制策略下的S T A T C O M 调节特性和动态特性。系统设计在主电路上采用三电平技术和四重化技术，控制部分采用双C P U 结构，分别为中央控制器和脉冲发生器。其中中央控制器完成数据采集、A D 转换、数据处理及人机接口等功能。脉冲发生器则根据中央控制器的频率值和补偿角值计算出各触发脉冲的相位并输出状态字，同时根据相关电压和电流变量的变化情况为系统提供实时保护。关键词：电能质量；无功补偿；静止同步补偿器；数字信号处理器；功率因数东南大掣：坝上学位论文A B S T R A C TW i t ht h ei m p r o v e m e n to fi n d u s t r i a ll e v e l c u s t o m e r sb e c o m es t r i c t e rw i t ht h ep o w e rq u a l i t y T h er e a c t i v el o a d，e s p e c i a l l yt h ei m p u l s i v er e a c t i v el o a d，n o to n l yi n c r e a s e sp o w e rl o s s，b u ta l s od e t e r i o r a t e st h ep o w e rq u a l i t yo fc u s t o m e r ss e r i o u s l y,s oi m m e d i a t er e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o ni sap o w e r f u lm e a n so fo p t i m i z i n gp o w e rf l o wO i lt r a n s m i s s i o nn e t w o r k sa sw e l la se n h a n c i n gp o w e rq u a i l t y C o n v e n t i o n a lr e a c t i v ec o m p e n s a t o rh a sal o n gr e s p o n s i v et i m ec o n s t a n ta n db a dr e g u l a t i v eq u a l i t y I t sc o m p e n s a t i v ec a p a c i t yi sa l s or e s t r i c t e db yt h ec a p a c i t yo fi t s e l f B a s e do nt h ee l e c t r o n i ci r i v e r t e dt e c h n o l o g y,S T A T C O Mc a l lb ef a s t e ra n dm o r ee r i e c t i v et oc o m p e n s a t et h er e a c t i v ep o w e ri np o w e rs y s t e m i nW h i c hG T Oa n dI G B Ta r eb eu s e d，B e c a u s et h ec o m p e n s a t i v ec a p a c i t yi sn o tr e s t r i c t e db yt h ec a p a c i t yo fi t s e l f,i th a sab e t t e rr e g u l a t i v eq u a l i t y T h ec i r c u i td i a g r a ma n dW O r kp r i n c i p l ea sw e l la si t sa p p l i c a t i o n sa r ei n t r o d u c e di nd e t a i li nt h i sP a D e r T w oc o n t r o ls t r a t e g i e so fS T A T C O Ma r ed i s c u s s e dw h i c hi n c l u d e sd i r e c t c u r r e n tc o n t r o la n di n d i r e c t c u r r e n tc o n t r 0 1 T h eh a r m o n i ce l i m i n a t i o nt e c h n o l o g i e so fS _ I A r C O Ma r ed i s c u s s e d，w h i c hc a l lb ea c h i e v e db yi m p r o v i n gc i r c u i tc o n f i g u r a t i o na n do p t i m i z i n gp u l s e s g e n e r a t i n gm o d e s A c c o r d i n gt od i f f e r e n tc o n t r o ls t r a t e g i e s w em o d e lt w oe m u l a t es y s t e ma r c h i t e c t u r e s T h er e g u l a t i v eq u a l i t ya n dd y n a m i cq u a l i t yo fS 1 1 A T C O Ma r ea n a l y z e df r o mt h ew a v e f o t l n so fs o m ee l e c t r i cv a r i a b l e s T h r e e l e v e lt e c h n o l o g ya n dm u l t i i n v e r t e rt e c h n o l o g ya r ea p p l i e di nt h em a i nc i r c u i t T h ec o n t r o lp a r to fS T A T C O Mm a k e su s eo ft w op i e c e so fC P Uw h i c ha r eu s e df o rc e n t r a lc o n t r o l l e rm a dp u l s e sg e n e r a t o r T h em a i nf u n c t i o n so fc e n t r a lc o n t r o l l e rj n c l u d ed a t as a m p l i n g A Dc o n v e r t i n g，d a t ap r o c e s s i n ga n du s e ri n t e r f a c e，A c c o r d i n gt ot h ed a t ap r o v i d e db yt h ec e n t r a lc o n t r o l l e r,p u l s eg e n e r a t o rw i l lp r o d u c et h ep u l s es e q u e n c et ot r i g g e rt h ei n v e r t e r sA tt h es a m et i m e，p u l s eg e n e r a t o rp r o t e c t st h ep o w e rs y s t e mw h e nt h ev a r i a b l e se x c e e dc e r t a i nv a】u e s K e yw o r d s：p o w e rq u a l i t y；r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n；s t a t i cs y n c h r o n o u sc o m p e n s a t o r；D S P；p o w e rf a c t i o n抬1 1 页东南大学学位论文独创性声明r6 4 5 0 9 5本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。研究生签名：驻日期：鲻多护东南大学学位论文使用授权声明东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电予文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许沦文被查阅和借阅，可以公布(包括刊登)论文的全部或部分内容。论文的公布(包括刊登)授权东南大学研究生院办理。研究生签名：7 妒导师签名：二龃日期：第一章绪论1 1 引言第一章绪论“在具有电感或电容的交流电路中，电感的磁场绒电释的电场在一个周期的一部分时间内从电源吸收能餐，另一部分时间内将能嚣返回电源，在整个周期内平均功率是零，也就是没有能量消耗。但能量是在电源和电感或电容之间米回交换的，能量交换率的最_ 人值叫做无功功率。在一般单相交流电路中，无功功率的计算值篙丁电压有效值、电流有效值和电压、L H 流间相忙角麓的1 1 i 弦值的乘积。”以上是辞海中关于无功功率的定义。从定义中可以看出，无功功率只是住电力网中流动，却没有能量消耗，因此对我们来说，没有任何用处，而它所产生的危害却很火。它会引起供电电压F 降、电力网线损增加、能量消耗加大、供电质量下降，同时也会影响供电企业的经济效益。冈此如何更好、更有效、更优化的对无功功率进行动态补偿是摆在电力上作者面前亟待解决的问题。1 2 无功补偿的意义随着我国国民经济及科技水平的快速发展，各行各业对电能质量的要求也越米越高，特别是随着各种电子装置和精密设备的J 泛应用，使得用户希望供电企业能蟛提供高妓优质的l 乜能。而往电力系统中，异步电动机、变乐器以及电孤炉等装置婴消耗犬量的无功功率。这些无功功率如果不能及时地得到补偿的活，会对电网的安全、稳定以及经济运行产生不利影响，主要体现枉以F 儿个方面：1 引起线路电压损耗增大下幽为局部电力网的等值电路幽：。R篇三F 一一、八厂JL 一_ _，s：=咒+L，Q 2u、s-2#+，g其中足、分别为线路的等值电阻和等值电抗：最、Q 2 分别为局部电力网末端的有功负荷和无功负荷；U 2 为术端电压。可以汪明，该局部电力网的电压损耗A U 的汁算公式如Fv：E，l u：。兰掣；掣(1-1)u2V8其中U。为该电力网络的额定电压。由式(1 j)可知，由负荷的无功功率易引起的电压损耗为U。：盟“己，。而由负荷的有功功率哎引起的I U 压损耗为：第l 叭(1 2)东南人学硕上学位论文毗=等(1 _ 3)因为在一般的公用电网中，R 比X 要小的多，所以电网电压的波动主要是由无功功率的波动日起的，而有功功率的波动对电网电压的影响则相对较小。图1 2综合负荷的电压静态特性图1 2 为综合负荷的电压静态特性图，从图中可以看到，在额定电压附近，电压与无功功率的关系比电压与有功功率的关系要密切的多。当无功负荷由0 0 增加到Q I 时，如果系统的无功储备充足，则负荷端将保持正常电压水平。如果无功储备不足，系统的无功电源不能提供相应的无功负荷增量，则电压特性曲线上移到图中的虚线，此寸系统电压被迫由U 降为U i，以此来达到新的无功功率平衡。如果长时间在低压状态下运行，不仅影响工业生产的产品质量，而且会损坏机械设备，造成安全隐患。甚至还有一些更为恶劣的状况：诸如异步电动机在启动期间功率因数很低，这种冲击性无功功率会使屯网电压剧烈波动，甚至使接在同一电网上的用户无法正常工作。还有电弧炉、轧钢机等大型设备会产生频繁的无功功率冲击，严重影响电网的供电质量。因此，拥有充足的无功电源，动态快速的对无功功率进行补偿，是维持电力网电压稳定、提高供电质量的首要前提。2 使设备及线路损耗增加当电力网中的无功功率增加时，总电流亦随之增大，因而设备及线路的损耗就会增加，这是显而易见的。在图1 1 中，该局部电力网的线损功率为：A S=S。-S 2 警弘)其中有功线损为：凹砰县“警R在有功线损中，困无功功率在电力网中的流动而引起的部分为：峨“器R(I-4 1n 一5)f】-6)由式(1 6)可知，系统中的无功负荷越大，所引起的线路损耗就会越大。在我国电力网的线损率是表征供用电企业经济效益和技术管理水平的综合性技术经济指标，也是国家贳彻节能方针，考核供电部门的一项重要指标。因此，及时补偿系统无功负荷、提高系统功率因数，不仅能够节约能源、提高供电企业经济效益，还能反应供电企业的技术管理水平。3。增加设各容量第2 页第一章绪论无功功率的增加，会导致电流增大和视在功率的增加。从而使发电机、变压器及其他电气设备容量和导线容量的增加。同时，电力用户的启动及控制设备、测量仪表的尺寸和规格也要加大。这不仅会大大增加供电企业的运行成本，而且会增加用电企业的生产成本，使得电网的经济运行大打折扣。在电力网中，不仅包括一些稳定的无功负荷，还有一些冲击性的无功负荷，只有对这些无功负荷进行动态补偿，才能防止供电质量的进一步恶化，同时，对于节约能源，保障电网安全运行也具有重要意义。1 3 主要无功补偿装置及其工作原理1 3 1 并联电容器利用并联电容器是补偿无功功率的传统方法之一。在电力系统常用的无功补偿设备中，并联电容器的单位容量费用最低，有功损耗最小，运行维护最简便，而且可以分散安装，实现无功就地补偿，获得最好的技术经济效果，此外改变容量也方便，还可以根据需要分散拆迁到其他地点。因此以并联电容器作为无功补偿方式目前在国内外均得到广泛的应用。下图为电力网中利用并联电容器进行无功补偿的等效电路幽及相量幽：I ua)电路图b)相照圈圈1-3 并联电容器补偿无功功率的电路和相量图由图1-3 可以看出，当并联电容器未投入使用时，电力网中的感性无功电流都由系统电源承担，使得系统功率冈数较低：并联电容器投入后，向系统供应感性无功功率，分担了系统的绝人部分无功负荷，使得功率冈数人人提高。但是在补偿过程中，如果电容的容量过火，就会使补偿后的电流相位超前于电压，出现过补偿，这会引起变压器二次电压的升高，而且容性无功功率在电力线路上传输同样会增加电能损耗，使温升增大，影响电容器的寿命，因此，在利用并联电容器进行无功补偿时，一定要认真计算补偿奔量。由于电容器只能向系统供应感性无功功率，而且它所供应的感性无功功率与其端L 乜压的平方成正比，所以以并联电容器作为无功枣卜偿方式存在以下一些缺点：首先是电压的调节特性差，当系统冈无功负荷过大，出现电压F 降时，电容器的无功输出反而减小，这会导致电网电压的进一步下降，从而威胁到整个电力系统的安全运行。其次，当电容器的补偿容量确定以后，其阻抗是固定的，因此在补偿过程中不能跟踪负荷需求的变化，也就是说不能实现对无功功率的动态补偿。而随着电力系统的发展，对无功功率进行快速动态补偿的需求越来越人。1 3 2 同步调相机(S y n c h r o n o u sC o n d e n s e r S C)传统的无功功率动态补偿装置是同步调相机，它实际上是不带机械负荷，空载运行的同步电动机。它有过激和欠激两种运行方式：在过激运行时，向系统提供感性无功功率，成为无功电源，提高系统功率因数和电压；在欠激运行时，则从系统吸收感性无功功率，成为无功负荷，降低系统电压。只要改变凋相机的励磁，就可以平滑地改变其输出无功功率的大小及方向，|王j 而可以平滑地调节所在地区的电压，这是同步调相机相对丁-并联电容器的最大优点。然而，由于同步凋相机属于旋转电机，冈此损耗和噪卢都很大，运行和维护复杂，而且相应速度慢，在很多情况F 已无法适应快速无功功率控制的要求。所以7 0 年代以来同步调相机开始逐渐被静第3 页东南大学硕士学位论文止型无功补偿装置所取代。1 3 3 静l 七型无功补偿装置(S t a t i cV a rC o m p e n s a t o r-S V C)静止型无功补偿器是属于“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)范畴的无功功率电源，它有各种不同的形式，目前常t I j 的有饱和电抗器型(S R 型)、晶闸管控制电抗器型(T C R犁)、晶闸管开关电容器型(T S C 型)三种。早期的静止无功补偿装置是饱和电抗器(S a t u r a t e dR e a c t o r-S R)型的，1 9 6 7 年，英国G E C 公司制成了世界上第一批饱和电抗器型静止无功补偿装置。此后，各国厂家纷纷推出各自的产品。图1 4a 1是其等效电路图，由S R 和若干组不可控电容器组成。与电容c 串联的电感三，与其构成串联喈振回跆，兼作高次谐波的滤波器。而与饱和电抗器串联的电容C s c 月,I I I 以校止饱和电抗器伏安特性的斜率。图I-4b)是其伏安特性图，当S R 单独作用时，补偿器的基波电流如图中点划线所示，其斜率因C 取值的不同而变化。当电容器单独作用时，补偿器的电流如图中虚线所示，即随其端电压的增人而增大。而补偿器的整体伏安特性则如图中实线所示。可以看出，当系统电压高于参考电压时，补偿器产生感性无功电流，降低系统电压，；而当系统电压低于参考电压时，补偿器则产生容性无功电流，提高系统电压。船 l 卞c 芒c。丰三，j占占；、譬j 少歹薷a)等效电路罔b)伏安特性图例】4S R 型静I E 无功补偿器等效电路与伏安特性图S R 型静i L 无功补偿器与同步调相机相比，具有静止型的优点，响应速度快。但是由丁其铁心需磁化到饱和状态，因而损耗和噪声都很大，而且存在非线性电路的一些特殊问题，又不能分相涧节以补偿负荷的不平衡，所以未能占据静止无功补偿装置的主流。进入7 0 年代后，随着电力电子技术的发展及其在电力系统中的应用使用品闸管的静【无功补偿装置受到越来越多的关注并逐渐占据无功功率补偿的主导地位。1 9 7 7 年美国G E 公司首次在实际电力系统中演示运行了其使用晶闸管的静止无功补偿装置。1 9 7 8 年，在美国电力研究院的支持下，西屋电气公司制造的使用品闸管的静止无功补偿装置投入实际运行。我们目前所说的静止无功补偿装置(s v c)往往专指使崩晶闸管的静止无功补偿装置，主要包括晶闸管控制电抗器(T h y r i s t e rC o n t r o l l e dR e a c t o r-T C R)l J 品闸管投切电容器(T h y r i s t o rS w i t c h e dC a p a c i t o r-T S C)。T C R 型补偿器由T C R 和I 若干组不可控电容器组成。如图1-5 所示，与电容C 串联的电感上，与其构成串联谐振回路，兼作高次谐波的滤波器，滤去由T C R 产生的5、7、11”等次谐波电流。T C R由两个反并联的晶闸管与一个电抗器相串联，其一I=作原理就是通过控制品闸管的触发延迟角d，增大或减小补偿器的等效电抗，从而达到动态改变其吸收的基波电流和无功功率的大小，图b)为T C R 型补偿器的伏安特性剀当T C R 单独作用时，补偿器的基波电流如图中点划线所示，其值取决于晶闸管的触发角，而后者又取决丁发定的控制规律和系统的运行状况等。当仅有电容器作用时，补偿器的电流如图中虚线所示，即随其端电压的增人而增大。当T C R 与电容器同时投入时，补偿器的电流如剧中第4 负第一章绪论实线所示。所以，通过控制晶闸管的触发延迟角，T C R 犁补偿器既可吸收感性无功功率，又可吸收容性无功功率，从而达到对系统无功功率和电网电压的动态控制。砌取南三，T cU：lt。一)一一。一T C R、j K，(Oa)等效电路图b)伏安特性图图l 5T C R 型静止无功补偿器等效电路与伏安特性图T S C 型补偿器的工作原理比较简单，其等效电路图如图1-6 a)所示，利用两个反并联晶闸管将电容器并入电网或从电网中断开，其实只是以晶俐管开关取代了常规电容器所配置的机械式开关。a)等效电路图b)伏安特性图图1-6T S C 型静止无功补偿器等效电路与伏安特性图在工程实际中，一般将屯容器分成几组，每组都可由品闸管投切。这样，可以根据电网的无功需求投切这些电容器，T S C 实际上就是断续可调的吸收容性无功功率的动态无功补偿器，其伏安特性按照投入电容器组数的不同而不同，见图1 6 b)。电容器分组的具体方法比较灵活，一般希望能组合产生的电容值级数越多越好，这样可以尽可能的实现平滑调节，但是也应综合考虑到系统复杂性以及经济性的问题。另外，电容器的投切时刻必须是电源电压与电容器预先充电电压相等的时刻，否则将会产生冲击电流，根可能会破坏品闸管或给电源带来高频振荡等不利影响。所有形式的S V C 虽然能够快速动态的调节系统无功功率，但是我们应该注意到，这些S V C 设备之所以能产生感性无功功率，依靠的还是其中的电容器，这就使得S V C 与静电电容器有同样不可逾越的障碍，日I J 电压调节特性差，另外装置的补偿能力受其安装容量的限制，这些缺点，都是促使S T A T C O M产生的必耍条件。，第5 页东南大学硕上学位论文第二章S T A T C O M 补偿原理及其应用随着G T O、I G B T 等大功率全控型器件的出现，以及相控技术、脉宽调制技术俨W M)的日趋成熟，使褥电力电子逆变技术得到快速发展，静I L 同步补偿器(S t a t i cS y n c h r o n o u sC o m p e n s a t o r-S T A T C O M)正是基于此技术而发展起来的，并成为当今无功功率控制领域的研究热点。S T A T C O M 又称S V G(S t a t i cV a rG e n e r a t o r 静I r 无功发生器)，是F A C T S 家族中重要的并联型补偿设备。自从1 9 9 1 年在日本投入运行以来，相继在美国、德国等国得到了成功的应用。我国首台由清华大学和河南省电力局共同研制的2 0 M v a rS T A T C O M 己丁1 9 9 9 年4 月投入运行。S T A T C O M 的应用大大提高了电力系统的可靠性、安全性和稳定性，给使用者带来巨大的经济和社会效益。2 1S T A T C O M 电路基本结构严格地讲，S T A T C O M 的基本电路结构应该分为两种：即电压型桥式电路结构和电流型桥式电路结构。如图2 1 所示：z 本妻本；哗o f n q 一_|U矗上f LL，m i)2 本事本ja)采用电乐型桥式电路一 卷j_ _ 二Z fZ叵zb 1 采用电流型桥式电路幽2-1S T A T C O M 的电路基本结构对于电压型桥式电路，其直流侧以电容作为储能元件，将直流电压逆变为交流电乐，通过串联电抗并入电网，其中串联电抗起剑阻尼过电流、滤除纹波的作用；对于电流犁桥式电路，其直流侧以电感作为储能元件，将直流电流逆变为交流电流送入电网，并联于交流侧的电容可以吸收换相产生的过电压。我们知道，在平衡的三相系统中，三相瞬时功率的和是一定的，在任何时刻都等于三相总的有功功率。因此总的看来，在三相系统的电源和负载之间没有无功功率的往返，各相的无功能量是在三相之间来回往返的。而S T A T C O M 正是将三相的无功功率统一以来进行处理的，所以理论上说，S T A T C O M 的桥式变流电路的直流侧可以不设无功储能元件。但实际上由于谐波的存在，使得总体看来，电源和S T A T C O M 之问会有少许无功能量的往返。所以，为维持S T A T C O M 的止常工作，其直流侧仍需一定大小的电容或电感作为储能元件，但所需储能元件的容量远比S T A T C O M 所能提供的无功容量要小。而对传统的S V C 装置，其所需储能元件的容量至少要等于其所提供的无功功率的容量。因此，S T A T C O M 中储能元件的体积和成本比同容量的S V C 要小的多。在实际运行中，由于电流型桥式电路效率比较低，而且发生短路故障时危害比较大，所以迄今投入实州的S T A T C O M 大都采闩 电压型桥式电路，因此S T A T C O M 往往专指采用白换相的电压型桥式电路作为动态无功补偿的装置。2，2S T A T C O M 基本工作原理以采用电压型桥式电路的S T A T C O M 为例，其基本工作原理简而言之就是通过适当调节桥式电路交流侧输出电压的相位和幅值或者直接控制其交流侧电流，从而吸收或发出满足要求的无功电流，实现动态无功补偿的目的。由丁S T A T C O M 在T 作的时候是通过G T O 等全控型器件将直流侧电压转换成交流侧与电网同频率的输出电压，因此它就像一个电压型逆变器，只不过其交流侧输出接的不是无源负载，而是电网。第6 页笙三童!：婴坚!堡堕型塾茎坐旦一所以，当仅考虑基波频率时，s T A T c o M 可以等效视为幅值荆I 相何均田控制聃一个与皑删l 刊坝半l|刁父流电压源。其工作原理可以用剧2-2 所示单相等效电路幽来说明。其中变乐器及线路损耗用，等值表示，图中U。为S T A T C O M 接入点处系统电压，U，为S T A T C O M 交流侧电压。图2 2S T A T C O M 等效电路S T A T C O M 有两种工作状况：即容性工况利感性工况，如图2-3 所示。图中，J 为U s 和U，之间的相位差，以U。滞后u，为正，旁为等效电抗器的阻抗角，u L 为等效阻抗器的两端U 乐。a)容性工况b)感性 _ 况图2-3S T A T C O M 相量图当U，滞后于U s 时(J o)，S T A T C O M1：作于感性=况，此时电流，滞后于系统电压U s，S T A T C O M 从系统吸收感性无功功率。S T A T C O M从系统吸收容性或感性无功功率的计算公式为：。：堑s i n 2 6(2-1)2 r其中，Q 为S T A T C O M 三相电路从系统中吸收的总的无功功率，U s 为系统相电压。当d O 时，Q 0，S T A T C O M 吸收感性无功功率；当占 o 时，Q O，S T A T C O M 吸收容性无功功率。冈此，通过控制占的方向，我们可以在系统无功不足时提供无功支撑，在系统无功过剩时吸收多余无功；另外通过控制占的人小，可以动态平滑地调节S T A T C O M 吸收的感性或容性无功功率的人小。由图中还可以看出，不管是容性工况还是感性j r 况，U，都与，保持乖直，因为变流器无需有功能量。电网电压与电流似U 不再保持9 0。，而是比9 0d,T 占角，因为电网需要提供有功功率来补充S T A T C O M 电路中的有功损耗以及维持直流1 0 1 1 l 电容电压的稳定。通过对S T A T C O MT 作原理的分析，可以知道S T A T C O M 的伏安特性如幽2 4 所示：身三南大学硕士学位论文图2 4S T A T C O M 的伏安特性图通过改变控制系统的参数(电网电压的参考值【名，)，可以使伏安特性上r 移动a 与劁1-5 b)所示的传统s v c 伏安特性不同的是，当电网电乐下降，补偿器的伏安特性向下调整时，S T A T C O M 可聪通过调整其变流器交流侧电压的幅值和相位，以使其所能提供的最人无功电流，(和，。维持不变，其值仅受其G T O 等电力半导体器什的电流容量的限制。而对丁传统的S V C，由丁_ 其所能提供的母大电流分别受其并联电抗器和并联电容器的阻抗特性限制，随着电网电压的降低反而减小。囡此，S T A T C O M的运行范围比传统的S V C 人，S V C 的运行范嗣是向F 收缩的三角形区域，而S T A T C O M 的运行范同是上卜等宽的近似矩形的区域这是S T A T C O M 优越与传统S V C 的一人特点。另外，对于那些以输电孙偿为目的的S T A T C O M 来说，如果直流侧采儿i 较大的储能电容，或者其他直流电源(如蓄电池组等)，则S T A T C O M 还可以在必要时短时间内向电网提供一定量的有功功率。这对丁电力系统来说是非常有益的，而又是传统S V C 装置所望尘莫及的。2 3S T A T C O M 在改善电能质量中的应用我们利媚S T A T C O M 来改善电能质量主要有两个目的：提高功率田数帮l 调协系统电压。虽然这M个目的都是通过S T A T C O M 向系统中注入无功电流来实现，但补偿的1=_ _|的不同，其实现原理也不尽相同，下面分别加以讨论。2 3 1 提高系统功率因数下图为S T A T C O M 的系统接线图S T A T C O M图2-5S T A T C O M 的系统接线幽其中B 为无穷大系统的等效电势，R J+为由负荷端视入的无穷大系统等效戴维南阻抗，r+肛是S T A T C O M 的等效阻抗，V 为S T A T C O M 接入点处的系统电压，也就是负荷的供电电压。当S T A T C O M 没有投入运行时，负荷电流口中的无功分筻如完全由系统承担，即i s q=i l q。如果i l q 较大功率冈数会很低，线路损耗也会大大增加。当S T A T C O M 接入系统斤，将产生容性无功电流三。g，补第8 页第二章S T A T C O M 补偿原理及1 0 应用偿负荷无功电流均，为系统提供无功支持。理想情况F，当f c q=砌时，S T A T C O M 将完全抵消负荷无功电流，使系统功率冈数等于1。2 3 2 调节系统电压由公式(1 1)及阁(1 2)-Y 知，在电网中，两个节点之间电压的幅度菱主要是由无功功率决定的，如果系统中无功功率过大，会产生很大的电压损耗，如果不能及时进行无功补偿，在负荷处会出现欠压现象。在图2-5 中，假定无穷大系统提供的有功功率和无功功率分别为P、平|】Q。，负荷的有功分嚣和无功分量分别为0 和9，S T A T C O M 补偿的无功功率为Q(、。则当S T A T C O M 没有投入运行时，负荷的无功功率完全由系统承担，此时Q s=Q。山公式1-1 可知，系统的I 乜压损耗为u=E。一矿“T P s R s+Q s X s=!半(2 2)当S T A T C O M 投入运行斤，S T A T C O M 对负荷的无功功率进行补偿，以S T A T C O M 向系统发出感性无功功率为无功补偿的正方向，则有：幺=Q g、(2-3)此时系统的电压损耗为：u=B 一半=盟掣陋a，小式(2 4)可以看山，只要适当控制S T A T C O M 无功输出Q，的大小，就能调节系统的电压损耗从而调节系统的J U 压水平。5 7 由公式(2 1)可知，绞的人小和占有关。冈此，只要调一讧逆变器输出电压和系统L 乜压间的微小相位差(一般只有儿度)，就能实现我们的目的。下幽给f i 了S T A T C O M 在进行无功补偿前和无功补偿斤的相簟图：a)S T A T C O M 补偿前b)S T A T C O M 补偿后图2-6S T A T C O M 补偿前斤系统相量图由H 中可以看出，在补偿j i，负荷端的电压水平很低，供电质量差。利川S T A T C O M 进行补偿后电压水平得到很大改善。2 4S W 盯C O M 控制策略S q；T C O M 作为动态无功补偿装置，在电力系统中的应用主要实现两个功能：即改善系统功率冈数干调忸系统电压。冈此，其控制策略的选择应该根据补偿器要实现的功能和应用的场合来决定采用开环控制、闭环挖制或者艇者相结合的控制策略。而外削环反馈控制董和调1，器的选取也应该根据补偿器要实现的功能米i 殳定。例如我们要提高系统功率冈数时，控制系统可阻采耳又开环控制，对负荷无功功率进行完全补偿；而要实现润1，系统电压功能时，控制系统则需要采刖系统电压的外闭环反馈控筇9 页东南大学顸-t+学位论文制，设置电压调节器，如果还要附加其他补偿功能，则可以另外附加削环利调节器米修止系统l 也压参考值。在控制策略上，S T A T C O M 和传统的S V C 有所不同，在S V C 中，南外闭环调节器输出的控制信号用作S V C 等效电纳的参考值，以此信号来控制S V C 调节到所需要的等效屯纳；而在S T A T C O M 中，由开环或外闭环调节器输出的控制信号则被视为补偿器应该产生的无功屯流(或无功功率)的参考值。正是砷：如何由无功电流(或无功功率)参考值调节S T A T C O M 真正产生所需要的无功L H 流(域无功功率)这个环节上二，形成了S T A T C O M 多种多样的具体控制方法，主要可以分为l U 流的间接控制和电流的直接控制两种方法。2 4 1电流的问接控制所谓电流的间接控制，就是按照S T A T C O M 的J，作原理，将S T A T C O M 肴作一个交流L H 乐源，通过对S T A T C O M 变流器所产生的交流侧电压基波的相位和幅值的控制，来间接控制S T A T C O M 的交流侧电流。分析图2 3 所示的S T A T C O M 工作相量图，以容性工况为例来进行说明。山幽可以得到以F 三角关系式：萧U L=j L U I s i n(9 0。+O)s i n(9 0。+妒-5)2-5)萧3。2 5 其中艿是U，滞后U s 的角度，由此可以得到等效电抗器两端电压为u L：U s _ _ s i n 6(2 6)冈此可以推导出稳态时S T A T C O M 从电网中吸收的容性无功电流和有功电流的有效值分别为：铲等S i n(9 0 0-d)=铷2 J(2)r+x f仁等c o s(9 0 0-万)=等(1-c o s 2 6)p s，可以证明，在感性工况下，S T A T C O M 从电网中吸收的电流同样满足式(2-7)和(2 8)，不过此时吸收的是感性电流，占的值是U，超前U s 的角度a5 3 外，由式(2 5 1