静止无功补偿技术-STATCOM

静止无功补偿技术同向前2008年6月[e-mail]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）控制与驱动UdcgUggUU＝同步发电机可调电压源的一种实现方法示例图6-6urucuOtOtuouofuoUd-Ud•双极•2电平•载波比•调制深度•载波•调制波iL=iL.p+iL.qiS=iL.piC=iL.quaubuc驱动电路PWM信号DSTATCOM用电负荷PWM发生器调节器IL.qIC负荷无功电流计算iL.abcuabc+-δλPLLwt2低压STATCOM的典型电路3VSC变换器的四象限运行区间jXgUSUUsUgULPQoXUUPgSsinXUUUQgSScos2~0jXUUIGS*IUS4STATCOM的理想运行区间0PXUUUQgSS0UsUgULP=0Qo5STATCOM的实际运行区间XUUPgSsinXUUUQgSScos6~0UsUgULPQo6STATCOM的损耗分析0SUjXgUP,Q,iRIgURIXIjSUsinSUsinsinRUIIRUSS22sin)sin(RUPIUPSS)2sin(2)cos(2RUQIUQSSUG—是一个理想的纯无功发生源STATCOMcosSURXRXUURXUUUSgSSg1sincossincos本数学模型仅针对电容储能型和单变量控制。22)(sinRUPSP2sin22RUQSQ7基于损耗的潮流分析模型NSbaseUU.NSTATCOMbaseQS.basebasebaseSUZ2交流侧dcVVSIUkUtUudcVSIsin23直流侧？baseVdcbaseUkU1.8标幺化模型的基准选择2**1RP**1RQ****11RXRXUUgdc直流侧2**sin1RP2sin21**RQ简化交流侧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。2**1RP**1RQ11**NNQR2**1NNRP**NNNRP输出额定无功时譬如：X*=0.2，X/R=5R*=0.04=2.3，PN*=4%额定损耗决定了的范围！1STATCOM参数估计——控制角范围**1RQ1*0.dcU0000Q零无功输出时连接电抗决定了直流电压逆变电压无功的输出范围！***1RXUdc***1~1XXUdc***0.**RXUUUdcdcdc**.*XURNdcN增量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。***1~1XXUdc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。051015202530354045-1.5-1-0.500.511.5输出无功功率标么值Q*总谐波畸变率THD%X*=0.1X*=0.2X*=0.5X*=1.040kvar/400VSTATCOM装置在开关频率为4800Hz时的仿真结果(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。)(102.06uFUkICdcN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。XUUPgSsinXUUUQgSScosXUUQUPSgg000000QXUUPgS1潮流控制特性分析结论•有功功率•Ug无功功率＝有功功率增量的运行功耗总有功功率－STATCOM2STATCOM的能量平衡分析结论有功功率直流电压直流电容器电压变化—直流电容储能电流变化—交流电感储能有功功率增量STATCOM直流电压增量电容储能有功增量；，电感储能一个基波周波平均而言2221021UCIL相角幅值电压逆变侧滞后超前相位角交流无功功率控制目标svgUU/I3STATCOM控制目标直接电流控制调节单脉冲宽度直流电压恒定下自身调节—自励外部调节—他励调节直流侧电压—逆变侧电压SVPWMSPWM/调节直流侧电压稳定直流侧电压锁相同步控制—控制相位角PLL控制方法4STATCOM控制方法gUandor调节控制稳定直流电压控制双变量控制他励直流电压恒定控制恒定控制单变量控制—控制策略PWM)(@PWMPWM@5STATCOM控制策略负荷DSTATCOM无功计算d-q变换控制策略PWM发生器Iq.refIq+-,6STATCOM控制系统总体结构7基于的单变量控制策略iLiSiCuaubuc驱动电路PWM信号用电负荷SPWM/SVPWMPI调节器IL.qIC.q负荷无功电流计算iL.abcuabc+-δPLLwtsinλsin(wt+δ)λ=constd-q变换iC.abcIC.d8基于的单变量控制策略iLiSiCuaubuc驱动电路PWM信号用电负荷SPWM/SVPWMPI调节器IL.qIC.q负荷无功电流计算iL.abcuabc+-δ=0PLLwtsinλsin(wt)外部直流电压控制λd-q变换iC.abcIC.diLiSiCuaubuc驱动电路PWM信号用电负荷SPWM/SVPWMPI调节器IL.qIC.q负荷无功电流计算iL.abcuabc+-δPLLwtsinλsin(wt)外部直流电压控制λd-q变换iC.abcIC.d0-+9基于的单变量控制策略（无能量交换）iLiSiCuaubuc驱动电路PWM信号用电负荷SPWM/SVPWMPI调节器IL.qIC.q负荷无功电流计算iL.abcuabc+-δUdcPLLwtsinλsin(wt+δ)λd-q变换iC.abcIC.dUrefPI调节器-+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iLiSiCuaubuc驱动电路PWM信号用电负荷IL.q负荷无功电流计算iL.abcuabc++δUdcPLLwtcosiC.refiC.abcUrefPI调节器-+X-+iLiSiCuaubuc驱动电路PWM信号用电负荷调节器IL.q负荷无功电流计算iL.abcuabc++δUdcPLLwtcosiC.refiC.abcUrefPI调节器-+X+-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1.控制UdcUg2.他励UdcUg@=02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@=const1、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VSC拓扑的优缺点，并说明其适用场合。2、级联多电平VSC拓扑中，请给出确定各模块输出电平宽度的比例关系的