基于PSCAD仿真的DSTATCOM無(wú)功補(bǔ)償研究(自己).KDH

1、第一章 緒論第一章 緒論1.1 課題研究的意義電力是國(guó)家的支柱能源和工業(yè)經(jīng)濟(jì)命脈，經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展而導(dǎo)致用電量的急劇增加和國(guó)內(nèi)各大型電廠的建設(shè)投產(chǎn)將出現(xiàn)大規(guī)模的聯(lián)合供電系統(tǒng)，這樣的供電系統(tǒng)的建立將帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，但是，如何保證系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行以及保障供電質(zhì)量是擺在電力科技人員面前的一個(gè)重大而迫切的問(wèn)題。由于配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、運(yùn)行變化等原因，我國(guó)配電網(wǎng)損耗、電壓合格率等技術(shù)指標(biāo)與發(fā)達(dá)國(guó)家相比有很大差距，由于電壓不合格等原因造成用戶電器燒毀的現(xiàn)象仍然存在，而網(wǎng)損過(guò)高使得生產(chǎn)的寶貴電能白白浪費(fèi)，而且影響電力企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。在人們?nèi)粘Ｉ钜约肮I(yè)生產(chǎn)中，感性負(fù)載所占據(jù)的比例增大，無(wú)功功率問(wèn)

2、題逐漸成為電力系統(tǒng)和電力用戶都十分關(guān)注的問(wèn)題，也是近年來(lái)各方面關(guān)注的熱點(diǎn)之一，功率因數(shù)也是衡量電能質(zhì)量三大指標(biāo)之一，功率因數(shù)也是衡量電能質(zhì)量三大指標(biāo)之一。容性負(fù)載包括計(jì)算機(jī)、開(kāi)關(guān)電源、電視、輸電線路等，雖然所占比例不大，但是對(duì)電力系統(tǒng)的影響也不容忽視。輸電線路的電感性無(wú)功功率小，由于電容效應(yīng)，輸電線路產(chǎn)生的的容性充電功率大于輸電線路吸收的電感性無(wú)功功率，必須滿足電力系統(tǒng)無(wú)功平衡的需要，維持電力系統(tǒng)的電壓水平，否則電力系統(tǒng)電壓過(guò)高，將無(wú)法保證安全運(yùn)行。無(wú)功功率對(duì)電網(wǎng)的影響主要有以下幾個(gè)方面：（1）增加設(shè)備容量無(wú)功功率的增加，會(huì)導(dǎo)致電流增大和視在功率的增加，從而使發(fā)電機(jī)、變壓器及其他電氣設(shè)備容量和

3、導(dǎo)線容量增加。同時(shí)，電力用戶的起動(dòng)及控制設(shè)備、測(cè)量?jī)x表的尺寸和規(guī)格也要加大。（2）設(shè)備及線路損耗增加無(wú)功功率的增加，使總電流增大，因而使設(shè)備及線路的損耗增加。設(shè)線路總電流為i=ip+iq,線路電阻為r，則線路損耗p為： （1.1）式1.1中，（q2/u2）r這一部分損耗就是無(wú)功功率引起的。（3）使線路及變壓器的電壓降增大，如果是沖擊性無(wú)功功率負(fù)載，還會(huì)使電壓產(chǎn)生劇烈的波動(dòng)，使供電質(zhì)量嚴(yán)重下降。電力系統(tǒng)中功率因數(shù)不高的根本原因是由于電感性負(fù)載的存在。例如生產(chǎn)中最常見(jiàn)的異步電動(dòng)機(jī)、工頻爐、電焊變壓器以及日光燈等。電感性負(fù)載的功率因數(shù)住所以小于1，是由于負(fù)載本身需要一定的無(wú)功功率所決定的。功率因數(shù)的

4、提高，能使發(fā)電設(shè)備的容量得到充分利用，同時(shí)也能使電能得到大量節(jié)約，在同樣的發(fā)電設(shè)備的條件下能給更多的負(fù)載供電。從經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)出發(fā)，如何解決這個(gè)矛盾，也就是如何才能減少無(wú)功在線路上的流動(dòng)和交換，同時(shí)又使電感性負(fù)載能夠取得所需的無(wú)功功率。無(wú)功補(bǔ)償?shù)淖饔弥灰幸韵聨c(diǎn)：（1）提高供用電系統(tǒng)負(fù)載的功率因數(shù)，降低設(shè)備容量，減少功率損耗。（2）穩(wěn)定受電端及電網(wǎng)的電壓，提高供電質(zhì)量。在長(zhǎng)距離輸電線中適合的地點(diǎn)設(shè)置動(dòng)態(tài)的無(wú)功補(bǔ)償裝置還可以改善輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高輸電能力（3）電氣化鐵道等三項(xiàng)負(fù)載不平衡的場(chǎng)合，通過(guò)適當(dāng)?shù)臒o(wú)功補(bǔ)償可以平衡三項(xiàng)的有功及無(wú)功負(fù)載。配電系統(tǒng)是電力系統(tǒng)直接與用戶相聯(lián)的一個(gè)環(huán)節(jié)，供電質(zhì)量的好

5、壞直接影響到用戶的經(jīng)濟(jì)效益和設(shè)備安全。將靈活交流輸電技術(shù)facts1（flexible ac transmission system）運(yùn)用于配電系統(tǒng)中，可用來(lái)減小諧波的畸變、電壓波動(dòng)和閃變、消除各相電壓不平衡，使電壓的幅值、功率因數(shù)負(fù)荷要求，保證供電可靠性。facts技術(shù)為提高電能質(zhì)量提供了一個(gè)靈活的手段，將在很大程度上變革現(xiàn)有的電力輸電和配電系統(tǒng)。發(fā)展配電系統(tǒng)中的facts技術(shù)不僅拓寬了靈活輸電的應(yīng)用范圍，也促使配電自動(dòng)化進(jìn)一步向前發(fā)展。本文所闡述的無(wú)功功率補(bǔ)償2問(wèn)題正是將facts技術(shù)運(yùn)用于配電系統(tǒng)，從而解決實(shí)際配電網(wǎng)中無(wú)功功率的不足，是涉及電力電子技術(shù)、電力系統(tǒng)、電氣自動(dòng)化技術(shù)、理論電工

6、等領(lǐng)域的重大課題，對(duì)于現(xiàn)有電力資源和配電系統(tǒng)的高效利用具有深遠(yuǎn)的意義。1.2 statcom的研究發(fā)展和應(yīng)用隨著工業(yè)白動(dòng)化的發(fā)展，用戶對(duì)電能質(zhì)量的要求越來(lái)越高。而系統(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)不僅吸收大量的無(wú)功功率，同時(shí)還引起電壓波動(dòng)和閃變。如果不能得到及時(shí)的補(bǔ)償，不僅影響產(chǎn)品的質(zhì)量，還會(huì)增加設(shè)備容量，以及設(shè)備與線路的功率損耗，從而大大提高生產(chǎn)成本。因此，快速有效的無(wú)功功率補(bǔ)償對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)，特別是冶金工業(yè)來(lái)說(shuō)，顯得尤為重要。目前較為傳統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償通常采用的方法主要有3種:低壓個(gè)別補(bǔ)償、低壓集中補(bǔ)償、高壓集中補(bǔ)償。下面簡(jiǎn)單介紹這3種補(bǔ)償方式的適用范圍及使用該種補(bǔ)償方式的優(yōu)

7、缺點(diǎn)。(1)低壓個(gè)別補(bǔ)償。低壓個(gè)別補(bǔ)償是根抓個(gè)別用電設(shè)備對(duì)無(wú)功的需求量將單臺(tái)或多臺(tái)低壓電容器組分散地與用電設(shè)備并接，它與用電設(shè)備共用一套斷路器。通過(guò)控制，保護(hù)裝置與電機(jī)同時(shí)投切。適用于補(bǔ)償個(gè)別大容量風(fēng)連續(xù)運(yùn)行(如大中型異步電動(dòng)機(jī))的無(wú)功消耗，以補(bǔ)償勵(lì)磁無(wú)功為:。低壓個(gè)別補(bǔ)償?shù)膬?yōu)點(diǎn)是:用電設(shè)備運(yùn)行時(shí)，無(wú)功補(bǔ)償投入，用電設(shè)備停運(yùn)時(shí)，補(bǔ)償設(shè)備也退出，因此不會(huì)造成無(wú)功倒送。它具有投資少、占位小、安裝容易、配置方便靈活、維護(hù)簡(jiǎn)單、事故率低等優(yōu)點(diǎn)。(2)低壓集中補(bǔ)償。低壓集中補(bǔ)償是指將低壓電容器通過(guò)低壓開(kāi)關(guān)接在配電變壓器低壓母線側(cè)，以無(wú)功補(bǔ)償投切裝置作為控制保護(hù)裝置，根抓低壓母線上的無(wú)功負(fù)荷而直接控制電容

8、器的投切。電容器的投切是整組進(jìn)行，做不到平滑的調(diào)節(jié)。低壓補(bǔ)償?shù)膬?yōu)點(diǎn):接線簡(jiǎn)單、運(yùn)行維護(hù)工作量小，使無(wú)功就地平衡，從fi!提高配變利用率，降低網(wǎng)損，具有較高的經(jīng)濟(jì)性，是目前無(wú)功補(bǔ)償中常用的手段之一。(3)高壓集中補(bǔ)償。高壓集中補(bǔ)償是將并聯(lián)電容器組直接裝在變電所的610kv高壓母線上的補(bǔ)償方式。適用于用戶遠(yuǎn)離變電所或在供電線路的末端，用戶有一定的高壓負(fù)荷時(shí)，可以減少對(duì)電力系統(tǒng)無(wú)功的消耗并可以起到一定的補(bǔ)償作用；補(bǔ)償裝置根抓負(fù)荷的大小白動(dòng)投切，從而合理地提高了用戶的功率因數(shù)，避免功率因數(shù)降低導(dǎo)致電費(fèi)的增加，同時(shí)便于運(yùn)行維護(hù)，補(bǔ)償效益高。上述三種補(bǔ)償方法，其最大弱點(diǎn)是補(bǔ)償容量受裝置自身容量的限制，目對(duì)

9、電容器組的連續(xù)投切會(huì)產(chǎn)生大量諧波。隨著大功率全控型晶閘管gto及igbt的出現(xiàn)，特別是相控技術(shù)、脈寬調(diào)制技術(shù)(pwm)、四象限變流技術(shù)的提出使得電力電子逆變技術(shù)得到快速發(fā)展，以此為基礎(chǔ)的無(wú)功補(bǔ)償裝置statcom能夠快速平滑地吸收感性和容性無(wú)功功率，調(diào)節(jié)系統(tǒng)電壓、校止功率因數(shù)、平衡負(fù)荷、濾除諧波。statcom止以其眾多的優(yōu)越性成為研究熱點(diǎn)。1.3 statcom的研究現(xiàn)狀早在70年代，日本、美國(guó)德國(guó)就已經(jīng)開(kāi)始研究靜止無(wú)功發(fā)生器，并有一些小容量的裝置進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室研究。自日本三菱公司于1980年成功研制基于晶閘管的20mvarstatcom以來(lái)，statcom作為facts的重要成員已引起各國(guó)電力

10、工業(yè)界的重視，得到迅速發(fā)展和應(yīng)用。但由于statcom的技術(shù)含量較高，目前掌握并應(yīng)用這一技術(shù)的國(guó)家還只限于少數(shù)國(guó)家(如日本、美國(guó)、德國(guó)、英國(guó)和中國(guó)等)。 1991年日本的三菱，日立，東芝又分別推出了80mvar的基于gto的statcom裝置。1988年美國(guó)電力科學(xué)研究院(epri)開(kāi)始執(zhí)行facts的研究計(jì)劃，在此計(jì)劃中首推研究項(xiàng)目就是statcom。美國(guó)ge公司和西屋公司與電力科學(xué)院于也于1988年和1995年分別安裝了10mvar與100mvar的statcom裝置，其間德國(guó)西門子公司的單機(jī)8mvar statcom裝置也投入了運(yùn)行。 我國(guó)在最近十年來(lái)隨著facts技術(shù)研究的深入，在st

11、atcom方面的研究工作也有了長(zhǎng)足的進(jìn)步和突破性的進(jìn)展，并逐漸向國(guó)際先進(jìn)水平靠攏。1999年夏，清華大學(xué)與河南電力局共同研制的我國(guó)首臺(tái)新型20mvarstatcom控制器在河南220kv電網(wǎng)中成功投入運(yùn)行，用以提高其控制功率和控制電壓能力，提高穩(wěn)定性能(其響應(yīng)時(shí)間小于30ms) 。 2001年2月國(guó)家電力公司電力自動(dòng)化研究院也將500kvar的statcom3投入了運(yùn)行。statcom除了應(yīng)用于輸電系統(tǒng)外，它還成功應(yīng)用于配電系統(tǒng)。如對(duì)風(fēng)力發(fā)電的電能質(zhì)量進(jìn)行優(yōu)化，丹麥電力于1998年著手的rejsby hede項(xiàng)目4就是利用8mvar的statcom或svg改善24mw的風(fēng)力發(fā)電廠的電能質(zhì)量，并

12、評(píng)價(jià)和研究statcom用于動(dòng)態(tài)控制網(wǎng)絡(luò)電壓的效果。1999年7月，美國(guó)華盛頓州的seattle鋼鐵公司安裝了一個(gè)5mvar，4.16kv配電級(jí)靜止無(wú)功補(bǔ)償器(d-statcom)5，該裝置已于2000年2月完成最后的試運(yùn)行，并已投入工作。該裝置提供了一個(gè)先進(jìn)、高速的控制技術(shù)，它對(duì)無(wú)功功率的補(bǔ)償、電壓閃爍補(bǔ)償、電壓穩(wěn)定、功率因數(shù)控制、以及其它配電系統(tǒng)的用于改善電能質(zhì)量的改善措施都有很好的作用。另外，statcom也還有用于補(bǔ)償電弧爐的電壓閃爍方面的研究報(bào)道。最早采用statcom進(jìn)行該項(xiàng)嘗試的是由美國(guó)電力研究所和西屋電氣公司于1986年研制的產(chǎn)品6，當(dāng)時(shí)采用的是晶閘管型statcom 。 90

13、年代后，statcom已大量進(jìn)入到電弧爐的補(bǔ)償領(lǐng)域，并取代傳統(tǒng)的svc。它克服了svc體積大和費(fèi)用高的不足。用于電弧爐補(bǔ)償?shù)淖畲髎tatcom綜合裝置是1998年安裝的，它位于texas。該系統(tǒng)包含了一個(gè)80mvar的statcom、以及60mvar的電容器組。 可見(jiàn)，statcom以其優(yōu)越的特性在高壓大容量的輸電系統(tǒng)中的得到了蓬勃發(fā)展，并且在實(shí)際應(yīng)用中起到了極為精彩的作用，正逐漸取代傳統(tǒng)的svc。同時(shí)，statcom在配電系統(tǒng)中的研究與應(yīng)用也取得極大的發(fā)展?？梢灶A(yù)計(jì)，在未來(lái)的15年內(nèi)，statcom將成為動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)電網(wǎng)無(wú)功和電壓的重要成員。1.4 本論文的主要工作靜止同步補(bǔ)償器（statcom

14、）是柔性交流輸電系統(tǒng)（facts）的一個(gè)重要組成部分，是靜止無(wú)功補(bǔ)償?shù)陌l(fā)展方向。本文在了解statcom基本原理的基礎(chǔ)上，通過(guò)pscad軟件對(duì)statcom進(jìn)行建模并置于設(shè)置故障的電力系統(tǒng)47中，通過(guò)仿真分析statcom對(duì)系統(tǒng)的影響。第二章 statcom的基本原理2.1 無(wú)功功率的定義及其理論研究進(jìn)展要對(duì)系統(tǒng)中的無(wú)功功率進(jìn)行補(bǔ)償，首先 必須確切的了解無(wú)功功率的基本概念和定義。在正弦電路中，無(wú)功功率的概念是清楚的。而在含有諧波時(shí)，至今尚沒(méi)有獲得公認(rèn)的無(wú)功功率的定義。但是，對(duì)無(wú)功功率這一概念的重要性，對(duì)無(wú)功補(bǔ)償重要性的認(rèn)識(shí)，卻是一致的，應(yīng)該來(lái)說(shuō)，無(wú)功補(bǔ)償包含對(duì)基波無(wú)功功率的補(bǔ)償和對(duì)諧波無(wú)功功率

15、的補(bǔ)償，后者實(shí)際上就是對(duì)諧波的補(bǔ)償，本文所說(shuō)的無(wú)功補(bǔ)償專指對(duì)基波的無(wú)功功率補(bǔ)償。2.1.1 正弦電路的無(wú)功功率和功率因數(shù)在正弦電路中，負(fù)載如果是線性，那么電路中的電壓和電流都是同頻率的正弦波。設(shè)電壓和電流可分別表示為： （2.1） （2.2）式（2.2）中為電流滯后電壓的相角。電流i可被分解為和電壓同相位的分量ip和比電壓滯后90的分量 iq。ip和iq的分別為： ； （2.3）電路的有功功率p就是其平均功率，即： 第二章statcom的基本原理 （2.4）電路的無(wú)功功率則定義為： (2.5)可以看出q就是公式（2.4）中被奇函數(shù)的第2項(xiàng)無(wú)功功率分量uiq的變化幅度。uiq的平均值為零，這表示

16、了其有能量的交換但是并不消耗功率。q表示了這種能量交換的幅度。在單相電路中很容易理解，這種能量的交換就是在電源和具有儲(chǔ)能元件的負(fù)載之間進(jìn)行的。從式（2.4）可以看出，真正的功率消耗是由被奇函數(shù)的第一項(xiàng)有功功率分量uip產(chǎn)生的。因此，把式（2.3）所描述的ip和iq分別稱為正弦電路的有功電流分量和無(wú)功電流分量。對(duì)于發(fā)電機(jī)和變頻器等電器設(shè)備來(lái)說(shuō)，在工作頻率一定的情況下額定電流及電壓與設(shè)備導(dǎo)線的截面積、各種損耗以及繞組電氣絕緣等因數(shù)有關(guān)。因此，工程上把電壓和電流的有效值的乘積作為電氣設(shè)備功率設(shè)計(jì)的極限值，視在功率的概念：s=ui (2.6)從式（2.4）可知，有功功率p的最大值為視在功率s，s表示電

17、能消耗和電能交換的總?cè)萘?。p越接近s，電氣設(shè)備的容量越能夠得到充分利用。為了反映p接近s的程度，定義有功功率和視在功率的比值為功率因數(shù)： （2.7）由式（2.4）和（2.6）可以看出，在正弦電路中，功率因數(shù)是由電壓和電流之間的相角差決定的。在這種情況下也經(jīng)常用來(lái)表示。由公式（2.4），(2.5)，(2.6)可知，s、p和q有如下關(guān)系： （2.8）2.1.2 非正弦電路的無(wú)功功率和功率因數(shù)在含有諧波的非正弦電路中，有功功率、視在功率和功率因數(shù)的定義均和正弦電路相同。有功功率仍為瞬時(shí)功率在一個(gè)周期內(nèi)的平均值。視在功率、功率因數(shù)仍分別由式（2.6），（2.7）來(lái)定義，這幾個(gè)物理量的意義也沒(méi)有變化。在

18、含有諧波的非正弦電路中的無(wú)功功率的情況就比較復(fù)雜，雖然已有一些理論對(duì)其進(jìn)行了定義，也有很多成功的應(yīng)用，但是至今仍然沒(méi)有一個(gè)被廣泛接受的科學(xué)而權(quán)威的定義。非正弦周期函數(shù)可用傅里葉級(jí)數(shù)表示成公式（2.9）的形式 （2.9）式（2.9）中 式（2.9）中的、等都是相互正交的。也就是說(shuō)，上述函數(shù)集合中的兩個(gè)不同函數(shù)的乘積在一個(gè)周期內(nèi)的積分為零。所以其有功功率p為 （2.10）電壓電流的有效值分別為 （2.11） （2.12）因此 （2.13）仿照公式（2.8）可以定義無(wú)功功率 （2.14）這里，無(wú)功功率q只是反應(yīng)了能量的流動(dòng)和交換，并不能反應(yīng)能量在負(fù)載中的消耗，在這一點(diǎn)上，它和正弦電路中無(wú)功功率最基本

19、的意義是一致的。但是這一定義對(duì)無(wú)功功率的描述卻很模糊，它沒(méi)有區(qū)別基波電壓電流之間產(chǎn)生的無(wú)功功率和同頻率諧波電壓電流之間產(chǎn)生的無(wú)功功率，以及不同頻率諧波電壓電流之間產(chǎn)生的無(wú)功功率。仿照式(2.5)也可以定義一個(gè)更合理的無(wú)功功率表達(dá)式(2.15)。為了和(2.14)區(qū)別采用符號(hào)qf （2.15）這里的qf是由同頻率電壓、電流正弦波分量之間產(chǎn)生的。在正弦電路中，通常規(guī)定感性無(wú)功功率為正，容性無(wú)功功率為負(fù)。把這一規(guī)律引入非正弦電路，就有可能出現(xiàn)一些不合理的現(xiàn)象。同一個(gè)諧波源有可能某些次諧波的無(wú)功功率為感性無(wú)功功率，而另外一些次諧波的無(wú)功功率為容性無(wú)功功率，從而出現(xiàn)兩者相互抵消的情況。而實(shí)際上，不同頻率

20、的無(wú)功功率是無(wú)法相互補(bǔ)償?shù)模@種相互抵消是不合理的。所以在這里，qf己經(jīng)沒(méi)有度量電源和負(fù)載之間能量交換幅度的物理意義了。盡管如此，因?yàn)楣?2.15)的定義可以看成正弦波情況下定義的自然延伸，它還是被廣泛的采用。在非正弦的情況下，因此引入畸變功率d，使得： （2.16）比較式（2.14）和（2.16），可得： （2.17）和qf不同，d是由不同頻率的電壓電流正弦波分量之間產(chǎn)生的。在公共電網(wǎng)中，隨著電力電子裝置等非線性裝置的廣泛應(yīng)用，電網(wǎng)中諧波的含量日益增加并帶來(lái)了一系列的危害，因此，不考慮電壓畸變，研究電壓波形為正弦波、電流波形為非正弦波時(shí)的無(wú)功功率情況也有很大的實(shí)際意義。通常電壓的波形畸變都

21、很小，而電流波形的畸變則很大。設(shè)正弦電壓有效值為u，畸變電流有效值為i，其基波電流有效值和與電壓相角差分別為i1和，n次諧波有效值為in。考慮到不同頻率的電壓電流之間不產(chǎn)生有功功率，按照上述定義可以得到： 、 、 （2.18）在這種情況下，qf和d都有明確的物理意義。qf是基波電流所產(chǎn)生的無(wú)功功率，d是諧波電流所產(chǎn)生的無(wú)功功率。這時(shí)功率因數(shù)為： （2.19）式（2.19）中，,即基波電流有效值和總電流有效值之比，稱為基波因數(shù)，而稱為位移因數(shù)或基波功率因數(shù)?？梢钥闯龉β室驍?shù)是由基波電流相移和電流波形畸變兩個(gè)因數(shù)決定的?？傠娏饕部梢钥闯捎扇齻€(gè)分量，即基波有功電流、基波無(wú)功電流和諧波電流組成。2.1

22、.3 無(wú)功功率理論的研究及其發(fā)展傳統(tǒng)的功率定義大都是建立在平均值的基礎(chǔ)上的。單相正弦電路或三相對(duì)稱正弦電路中，利用傳統(tǒng)概念定義的有功功率、無(wú)功功率、視在功率和功率因數(shù)等概念都很清楚。但當(dāng)電壓或電流中含有諧波時(shí)，或三相電路不平衡時(shí)，功率現(xiàn)象比較復(fù)雜，傳統(tǒng)概念無(wú)法正確地對(duì)其進(jìn)行解釋和描述。學(xué)術(shù)界有關(guān)功率理論的爭(zhēng)議可以追溯到本世紀(jì)20和30年代，budeanu和fryze最早分別提出了在品預(yù)定義和在時(shí)域定義的方法，以后又有各種定義和理論不斷出現(xiàn)。80年代以來(lái)，新的定義和理論是不斷推出。自1991年以來(lái)，已多次舉辦了專門討論非正弦情況下功率定義和測(cè)量問(wèn)題的國(guó)際會(huì)議。但迄今為止還沒(méi)有找到徹底解決問(wèn)題的理

23、論和方法。新的理論往往是解決了前人未解決好的問(wèn)題，同時(shí)卻又存在另外一些不足，或引出了新的待解決的問(wèn)題。有關(guān)無(wú)功理論的研究和定義問(wèn)題在此不過(guò)多解釋。圖2-1列出了現(xiàn)有的三大類有關(guān)無(wú)功功率的理論czarnecki和depenbrock兩人所做的工作對(duì)第一類功率理論問(wèn)題的解決起到了較大的促進(jìn)作用。第二類功率理論是補(bǔ)償控制裝置的理論基礎(chǔ)，弄清楚這一類功率理論將非常有助于無(wú)功補(bǔ)償裝置的設(shè)計(jì)和研發(fā)。瞬時(shí)無(wú)功功率理論解決了諧波和無(wú)功功率的瞬時(shí)檢測(cè)和不用儲(chǔ)能元件實(shí)現(xiàn)諧波和無(wú)功補(bǔ)償?shù)膯?wèn)題，對(duì)諧波和無(wú)功補(bǔ)償裝置的研究和開(kāi)發(fā)起到了很大的推動(dòng)作用。對(duì)于第三類理論問(wèn)題的研究雖然取得了一定成果，但是還沒(méi)有取得實(shí)質(zhì)性的突破

24、。圖2-1 現(xiàn)有功率理論分類2.1.4 瞬時(shí)無(wú)功功率理論三相電路瞬時(shí)無(wú)功功率理論自1983年由赤木泰文提出以來(lái)在許多方面得到了成功的應(yīng)用。該理論突破了傳統(tǒng)的以平均值為基礎(chǔ)的功率為定義，系統(tǒng)地定義了瞬時(shí)無(wú)功功率、瞬時(shí)有功功率等瞬時(shí)功率量。下面對(duì)該理論詳細(xì)闡述。設(shè)三相電路各相電壓和電流的瞬時(shí)值分別為ea、eb、ec和ia、ib、ic。為分析問(wèn)題方便，把他們變換到-兩相正交的坐標(biāo)系上研究，由下面的變換可以得到、兩相瞬時(shí)電壓e、e和兩相瞬時(shí)電流i、i。 （2.20） （2.21）式中（2.20）和（2.21）中 矢量、在平面上可合成為旋轉(zhuǎn)電壓矢量和旋轉(zhuǎn)電流矢量i，其矢量圖如圖2-2所示，其中 （2.2

25、2）圖2-2 -坐標(biāo)系中的電壓、電流矢量三相電路瞬時(shí)有功電流和瞬時(shí)無(wú)功電流分別為矢量在矢量及其法線上的投影，瞬時(shí)有功電流，和瞬時(shí)無(wú)功電流。及其法分別定義為 （2.23）式（2.23）中顯然 （2.24）式（2.24）中與同向，滯后為角。式（2.23）和相量意義上定義的有功電流和無(wú)功電流的概念很相似，可以看成是其推廣和延伸，仿照在相量意義的有功功率p和無(wú)功功率q，可分別定義瞬時(shí)有功功率p和瞬時(shí)無(wú)功功率q。三相電路瞬時(shí)有功功率p（瞬時(shí)無(wú)功功率q）為電壓矢量e的模和三相電路瞬時(shí)有功電流 (三相電路瞬時(shí)無(wú)功電流)的乘積。即 ， （2.25） 即有 （2.26）根據(jù)-理論，瞬時(shí)有功功率可以記為 （2.2

26、7） 即定義為同相電壓與電流之積的代數(shù)和。換言之，瞬時(shí)有功功率為電流矢量與電壓矢量的標(biāo)量積。瞬時(shí)有功功率為含有能量的實(shí)體，是在-平面上存在的實(shí)際物理量。而瞬時(shí)無(wú)功功率可定義為 （2.28）即異相電壓和電流之積的代數(shù)和，或?yàn)殡娏魇噶颗c電壓矢量的矢量積。式（2.27）和式（2.28）可以寫(xiě)成矩陣形式 （2.29）將式（2.20）、（2.21）代入式（2.27）、（2.28）中，可得出p、q對(duì)于三相電壓電流的表達(dá)式 （2.30） （2.31）2.2 statcom運(yùn)行的基本概念statcom有時(shí)也稱為svg（static var generator）或asvg（advanced static var

27、 generator）。早期的statcom也稱為statcon，即靜止同步調(diào)相機(jī)（static synchronous condenser）。95年國(guó)際高壓大電網(wǎng)會(huì)議、電子工程師學(xué)會(huì)（cigre）建議用靜止同步補(bǔ)償器（static synchronous compensator,statcom）代替statcom，并將statcom定義為靜止同步電壓源，或稱為靜止 同步補(bǔ)償器。這個(gè)定義與原來(lái)的svg是有一定區(qū)別的，它是由一并聯(lián)于線路上的電壓源型逆變器構(gòu)成。statcom可以起到電壓支撐、改善系統(tǒng)穩(wěn)定性以及許多其它的作用。本章節(jié)著重介紹動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償?shù)脑砗蛃tatcom基本工作原理，為后面st

28、atcom模型的建立奠定基礎(chǔ)。2.2.1 無(wú)功功率補(bǔ)償動(dòng)態(tài)原理對(duì)電力系統(tǒng)中的無(wú)功功率進(jìn)行功率進(jìn)行快速的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，可以實(shí)現(xiàn)如下功能：（1） 對(duì)動(dòng)態(tài)無(wú)功負(fù)荷的功率因數(shù)進(jìn)行校正。（2） 改善電壓調(diào)整。（3） 提高電力系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，阻尼頻率震蕩。（4） 降低過(guò)壓降。（5） 減小電壓閃爍。（6） 阻尼次同步震蕩。（7） 減小電壓和電流的不平衡。 下面僅以改善電壓調(diào)整的基本功能為例，對(duì)無(wú)功功率動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)脑碜饕缓?jiǎn)要介紹。 圖2-3 無(wú)功動(dòng)態(tài)補(bǔ)償原理圖圖2-3所示系統(tǒng)負(fù)載和補(bǔ)償器的單相等效電路圖7。其中，u為系統(tǒng)電壓；r和x為系統(tǒng)電阻和電抗。設(shè)負(fù)載變化很小，反應(yīng)系統(tǒng)電壓與無(wú)功功率關(guān)系的特性曲線如圖

29、2-3b中的實(shí)線所示，由于系統(tǒng)電壓變化不大，其橫坐標(biāo)也可以換為無(wú)功電流。可以看出，該特性曲線是向下傾斜的，及隨系統(tǒng)供給的無(wú)功功率q的增加，供電電壓下降。實(shí)際上，由電力系統(tǒng)中的分析可知，系統(tǒng)的特性曲線可用下式表示： （2.32）式（2.32）中 u0無(wú)功功率為零時(shí)的系統(tǒng)電壓； ssc系統(tǒng)的短路容量?？梢?jiàn)，無(wú)功功率的變化將引起系統(tǒng)電壓成正比例地變化了。投入補(bǔ)償器后，系統(tǒng)供給的無(wú)功功率為負(fù)載的補(bǔ)償器無(wú)功功率之和，即： （2.33）因此，當(dāng)負(fù)載無(wú)功功率ql發(fā)生變化時(shí)，如果補(bǔ)償器的無(wú)功功率qr總能彌補(bǔ)ql的變化，從而使q維持不變，即q=0，則u也將為零，供電電壓保持恒定。也就是對(duì)無(wú)功功率實(shí)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)脑?/p>

30、理。圖2-3（b）示出了進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功補(bǔ)償，并使系統(tǒng)工作點(diǎn)保持在q=qa=常數(shù)。在實(shí)際工程中，為了分析方便，常常把負(fù)載也包括在系統(tǒng)之內(nèi)考慮，總體等效為一個(gè)串聯(lián)一定內(nèi)阻的電壓源，即將圖2-3（a）中點(diǎn)劃框內(nèi)的部分，并忽略內(nèi)部阻抗中的電阻，而電抗記為xs.等效后系統(tǒng)電壓為等效前未接補(bǔ)償器的電壓，因?yàn)檠a(bǔ)償器具有維持電壓恒定的作用，故可以視為恒壓源，電壓值取等效前未接補(bǔ)償器的系統(tǒng)電壓uref。其電壓電流特性曲線如圖2-4（b）所示，為一水平直線，由于電流為無(wú)功電流，電壓又維持一定，因此可以看做電壓一無(wú)功功率曲線，圖（2-4）中ic為容性電流；il為感性電流；qc為容性無(wú)功；ql為感性無(wú)功。這樣，整

31、個(gè)等效電路如圖2-4（a）所示：圖2-4 理想補(bǔ)償器等效電路及特性當(dāng)圖2-3（a）中未接補(bǔ)償器而由于某種原因使連接點(diǎn)處電壓變化us時(shí)，也就是在圖2-4（a）中系統(tǒng)電壓源電壓變化us時(shí)，接入補(bǔ)償器后，連接點(diǎn)電壓既可以回到正常值。由圖2-4（a）可得，此時(shí)補(bǔ)償器所吸收無(wú)功功率應(yīng)為： （2.34）換句話，一臺(tái)可以吸收無(wú)功功率qr的補(bǔ)償器，可以補(bǔ)償?shù)南到y(tǒng)電壓變化為： （2.35）以上所討論的補(bǔ)償器具有水平的電壓電流性曲線，能維持連接點(diǎn)電壓恒定不變，被稱為完全補(bǔ)償器。但實(shí)際中的靜補(bǔ)裝置通常設(shè)計(jì)成如圖2-5所示的傾斜曲線，傾斜方向是電壓隨吸收的感性電流的增加而升高。這種傾斜曲線可以兼顧補(bǔ)償器容量和電壓穩(wěn)定

32、的要求，還可以改善并聯(lián)的補(bǔ)償器之間的電流分配，并有利于預(yù)留穩(wěn)定要求的無(wú)功功率備用圖2-5 實(shí)際不產(chǎn)其電壓電流（無(wú)功功率）特性曲線電壓電流特性傾斜表明，補(bǔ)償器電壓隨無(wú)功電流的變化而有一定的變化，因此其等效電路可以看做在恒定電壓源基礎(chǔ)上還串聯(lián)了一個(gè)等效電抗x，如圖2-6所示： 圖2-6 實(shí)際補(bǔ)償器等效電路圖由該等效電路圖可得，當(dāng)未接補(bǔ)償器時(shí)，由于負(fù)載無(wú)功的變化所引起的連接點(diǎn)的電壓變化為us時(shí)，則投入補(bǔ)償器后補(bǔ)償器所吸收的無(wú)功功率為： （2.36）可見(jiàn)與理想補(bǔ)償器相比，所吸收的無(wú)功功率減小了。而連接點(diǎn)的電壓并不像理想補(bǔ)償器一樣保持不變，而是變化了 （2.37）另外補(bǔ)償器特性曲線的斜率取決于其控制系統(tǒng)

33、的參數(shù)，在工程實(shí)際中，一般調(diào)整為0%10%之間，最常用的是2%5%8。2.2.2 statcom的工作原理圖2-7為statcom的原理示意圖，其中直流側(cè)為儲(chǔ)能電容，為statcom提供直流電壓支撐，gto逆變器通常由多個(gè)逆變器串聯(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(guò)控制gto的驅(qū)動(dòng)脈沖進(jìn)行控制，連接變壓器將逆變器輸出的電壓變換到與系統(tǒng)電壓等級(jí)相同，從而使statcom裝置可以并聯(lián)到電力系統(tǒng)中。連接變壓器本身的漏電抗可以用于限制電流防止逆變器故障或系統(tǒng)故障時(shí)產(chǎn)生過(guò)大的電流9。 圖2-7 statcom裝置調(diào)節(jié)無(wú)功的原理示意圖整個(gè)statcom裝

34、置相當(dāng)于一個(gè)電壓大小可以控制的電壓源，設(shè)statcom裝置產(chǎn)生的電壓為，系統(tǒng)電壓，連接電抗x，則statcom裝置吸收的電流為 （2.38）因此statcom裝置吸收的視在功率為： （2.39）通常情況下，statcom裝置至吸收很小的有功功率或不吸收有功功率，因此其產(chǎn)生的電壓與系統(tǒng)電壓相位相同，因此statcom裝置吸收的無(wú)功功率為 （2.40） 當(dāng)控制statcom裝置產(chǎn)生的電壓小于系統(tǒng)電壓（即ui0時(shí)，此時(shí)statcom裝置相當(dāng)于電感；當(dāng)控制statcom裝置產(chǎn)生的電壓大于系統(tǒng)電壓（即uius）時(shí)，statcom裝置吸收的無(wú)功功率q0,此時(shí)statcom裝置相當(dāng)于電容，由于statcom

35、裝置產(chǎn)生的電壓的大小可以連續(xù)快速地控制，因此statcom吸收的無(wú)功功率可以連續(xù)地由正到負(fù)快速地調(diào)節(jié)。第三章 配電系統(tǒng)statcom的結(jié)構(gòu)及控制策略分析第三章 配電系統(tǒng)statcom的結(jié)構(gòu)及控制策略分析本課題的重點(diǎn)在于研究配電系統(tǒng)statcom，是以配電系統(tǒng)為無(wú)功補(bǔ)償和電能質(zhì)量控制為主要目標(biāo)。其作用是提供或吸收無(wú)功功率，維持母線電壓穩(wěn)定，必要時(shí)還可濾除負(fù)荷產(chǎn)生的諧波。本章圍繞配電系統(tǒng)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了statcom裝置，從主電路及控制策略方面進(jìn)行了研究和分析，并建立了statcom數(shù)學(xué)模型，對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行了辨識(shí)。3.1 配電系統(tǒng)statcom的基本特點(diǎn)配電系統(tǒng)中的facts技術(shù)與輸電系統(tǒng)中的fac

36、ts技術(shù)不完全相同。在高壓輸電網(wǎng)絡(luò)中，facts設(shè)備的主要作用是：調(diào)整輸電線路的參數(shù)，控制線路的潮流，提高輸電線路的功率傳輸極限，使輸電線路的潮流能按預(yù)定計(jì)劃實(shí)現(xiàn)控制，提高全網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性；也可以通過(guò)快速控制提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能，如調(diào)節(jié)電壓、抑制功率震蕩和抑制次同步震蕩等。而在配電系統(tǒng)中facts用來(lái)提高供電質(zhì)量，及減小諧波畸變、電壓波動(dòng)與閃變、消除各相電壓不平衡，使電壓幅值符合要求、功率因數(shù)也要符合要求并保證供電可靠。由于在兩個(gè)系統(tǒng)中的控制目的不同，必須針對(duì)配電系統(tǒng)的特點(diǎn)，來(lái)研究facts的應(yīng)用。此外，兩個(gè)系統(tǒng)的電壓等級(jí)不同，在低電壓配電系統(tǒng)中 電力電子器件的選擇范圍更廣泛，發(fā)展facts技術(shù)具有優(yōu)

37、越性，用facts技術(shù)提高供電質(zhì)量具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益10。對(duì)于配電系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，由于負(fù)荷的變化是隨機(jī)的，其參數(shù)是分散的，那么statcom既要補(bǔ)償電網(wǎng)中的電壓，又要補(bǔ)償電流。要同時(shí)做到這兩個(gè)方面的實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，還有一定的困難，所以本研究針對(duì)配電網(wǎng)的這種特點(diǎn)，旨在研究一種控制策略，來(lái)解決配電系統(tǒng)statcom的問(wèn)題。3.2 配電系統(tǒng)statcom的電路結(jié)構(gòu) statcom的基本原理是將橋式變流電路通過(guò)電抗器并聯(lián)在電網(wǎng)上，通過(guò)適當(dāng)調(diào)節(jié)橋式變流電路交流側(cè)輸出電壓的相位和幅值，或直接控制其交流側(cè)輸出的電流，使該電路吸收或者發(fā)出滿足要求的無(wú)功電流，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償?shù)哪康?。本課題研究的statcom裝置

38、主要是應(yīng)用于配電系統(tǒng)，不需要像輸電補(bǔ)償用的statcom裝置那樣大的容量，只用一個(gè)三相逆變單元就可以。因此，有關(guān)單橋路statcom裝置基本實(shí)現(xiàn)原理的研究對(duì)課題有重要的意義11。在前文已經(jīng)提及，在單相電路中與基波無(wú)功功率有關(guān)的能量是在電源和負(fù)載之間來(lái)回往返的。但是在平衡的三相電路中，不論負(fù)載的功率如何，三相瞬時(shí)功率之和是一定的，在任何時(shí)刻都等于三相總的有功功率?？傮w上看，在三相電流的電源與負(fù)載之間沒(méi)有無(wú)功能量的來(lái)回往返，無(wú)功能量是在三相之間來(lái)回往返的。所以如果能用三相橋路的辦法將電路三個(gè)單相部分總體上統(tǒng)一起來(lái)處理，則因?yàn)榭偟目磥?lái)三相電路電源和負(fù)載之間沒(méi)有無(wú)功能量的傳遞，在總的負(fù)載側(cè)就無(wú)需設(shè)置無(wú)

39、功儲(chǔ)能元件。因此理論上講，statcom的三相橋式變流電路的直流電流側(cè)可以不儲(chǔ)能元件，但是由于實(shí)際線路中諧波的存在，各次諧波之間的交叉功率使得逆變器與交流系統(tǒng)之間仍有少量的無(wú)功能量的交換，而且逆變器本身在工作時(shí)多少也要消耗一部分能量，所以為維持橋式電路的正常工作，其直流側(cè)仍需要一定大小的電感或電容作為儲(chǔ)能元件，但是儲(chǔ)能元件的容量遠(yuǎn)比statcom所能提供的無(wú)功能量要小，它能為系統(tǒng)提供的無(wú)功能量只要受逆變器的容量限制，這也是statcom裝置比svc裝置優(yōu)越的原因之一。 圖3-1 statcom的電路基本結(jié)構(gòu)根據(jù)直流側(cè)儲(chǔ)能元件的不同，statcom分為采用電壓型橋式電路和電流型橋式電路兩種類型（

40、見(jiàn)圖3-1），對(duì)于電壓型橋式電路，還需再串聯(lián)上連接電抗器才能并入電網(wǎng)，連接電抗器的作用是逆變器與交流母線這兩個(gè)電壓不等的電源相連接，另外一個(gè)作用是可以抑制電流中的高次諧波，電感的數(shù)值并不需要很大；對(duì)電流型橋式電路，還需要在交流側(cè)并聯(lián)上吸收換相過(guò)電壓的電容器。實(shí)際上，由于運(yùn)行效率和裝置體積成本等方面的原因，迄今投入實(shí)際運(yùn)行的statcom大都采用的是電壓型橋式電路，因此目前statcom往往專指采用自換相的電壓型橋式電作動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償?shù)难b置。本課題所研究的statcom裝置也是屬于電壓型的橋式補(bǔ)償裝置（圖3-1a）。對(duì)于statcom主電路而言，不同開(kāi)關(guān)狀態(tài)電路結(jié)構(gòu)也不同，目前來(lái)看，大多數(shù)stat

41、com裝置都采用了多重化技術(shù)，但是在中低壓系統(tǒng)或者是工業(yè)負(fù)荷無(wú)功補(bǔ)償?shù)念I(lǐng)域中如果采用多重化技術(shù)，裝置的成本太高也并不經(jīng)濟(jì)，因此在這些領(lǐng)域中決定采用但橋路的statcom裝置，所謂單橋路指的是裝置只有一個(gè)三相逆變橋。另外，由于課題研究的statcom裝置主要用來(lái)補(bǔ)償?shù)蛪号潆娤到y(tǒng)的無(wú)功，因此，逆變電路使用的是具有自換相能力且調(diào)節(jié)速度極快的igbt作為電力開(kāi)關(guān)元件，同時(shí)對(duì)逆變橋路采用pwm控制，裝置輸出的的諧波也可以得到控制。3.3 配電系統(tǒng)statcom的控制策略statcom裝置應(yīng)該根據(jù)不同的控制算法，在這里主要介紹statcom裝置兩種常用的控制算法，一種基于比例積分（pi）的無(wú)功功率控制方法

42、，另一種基于比例（p）的控制系統(tǒng)電壓的算法。圖3-2 基于pi的無(wú)功功率控制框圖（直流側(cè)電壓變化）圖3-2為基于pi的無(wú)功功率控制框圖，由框圖可見(jiàn)控制系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)三相電壓與statcom裝置的輸出電流，利用瞬時(shí)無(wú)功功率理論計(jì)算瞬時(shí)無(wú)功功率q，與給定的無(wú)功功率參考值qref比較，經(jīng)過(guò)比例積分環(huán)節(jié)調(diào)節(jié)statcom裝置的控制角，最終使statcom裝置產(chǎn)生的無(wú)功功率與給定的無(wú)功功率相等。從控制框圖中還可以看出，此時(shí)沒(méi)有對(duì)statcom裝置直流側(cè)電容電壓進(jìn)行控制，即角（igbt的導(dǎo)通角）固定，因此直流側(cè)電容電壓隨無(wú)功功率而變化。而圖3-3是對(duì)statcom裝置直流側(cè)電容電壓進(jìn)行控制的框圖。值得注意的

43、是，對(duì)角進(jìn)行控制確實(shí)可以維持直流側(cè)電容電壓不變，但角改變會(huì)導(dǎo)致statcom裝置產(chǎn)生較大的諧波，因此通常情況下statcom裝置都保持為某一固定值，以使statcom裝置輸出電壓中諧波最小 圖3-3 基于pi的無(wú)功功率控制框圖（控制直流側(cè)電壓不變） 圖3-4 基于比例的系統(tǒng)電壓控制方法的控制框圖（直流側(cè)電壓變化）圖3-4為基于比例的系統(tǒng)電壓控制方法的控制框圖。通常情況下，由于statcom受容量的限制，并聯(lián)在電力系統(tǒng)中通過(guò)吸收或發(fā)出無(wú)功電流（功率）控制系統(tǒng)節(jié)電電壓時(shí)，即整個(gè)裝置的容量完全利用，也不太可能維持電力系統(tǒng)中給點(diǎn)節(jié)電電壓不變。為此采用statcom控制系統(tǒng)某點(diǎn)節(jié)點(diǎn)電壓時(shí)，通常只用比例環(huán)

44、節(jié)而不加積分環(huán)節(jié)，因?yàn)榍罢邽橛胁钫{(diào)節(jié)而后者為無(wú)差調(diào)節(jié)，它可能導(dǎo)致statcom裝置經(jīng)常處于滿容量運(yùn)行狀態(tài)，一旦系統(tǒng)電壓發(fā)生變化statcom可能因?yàn)樘幱陲柡蜖顟B(tài)而失去調(diào)節(jié)能力。采用比例環(huán)節(jié)控制電力系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)電壓的statcom運(yùn)行曲線如圖3-5所示，中間可控制部分曲線斜率的設(shè)定是根據(jù)statcom裝置接入點(diǎn)的系統(tǒng)容量和statcom本身容量共同確定，其目的是充分發(fā)揮statcom維持節(jié)點(diǎn)電壓的能力。同樣，如果控制statcom裝置直流側(cè)電容電壓不變，控制框圖如圖3-6所示。 圖3-5 statcom裝置的運(yùn)行曲線 圖3-6基于比例的系統(tǒng)電壓控制方法的控制框圖（控制直流側(cè)電壓不變）針對(duì)配電系統(tǒng)st

45、atcom的特點(diǎn)，本課題采用基于pi的無(wú)功功率控制方法，主要考慮圖3-2所示的控制方法從而得到控制角。通過(guò)上述算法得到statcom裝置的控制角，都是屬于電流間控制的方法。但是對(duì)于statcom裝置的主電路，其結(jié)構(gòu)前面所述的逆變橋路，該控制角不是statcom裝置的最終控制信號(hào).pwm（pulse width modulation）脈沖信號(hào)是控制statcom的最終有效信號(hào)，因此pwm脈沖信號(hào)的生成方式，也是影響statcom無(wú)功補(bǔ)償性能的因素之一。如何將控制角轉(zhuǎn)化為pwm脈沖信號(hào)，也是要根據(jù)實(shí)際情況而確定的。pwm技術(shù)可以及其有效地進(jìn)行諧波抑制，使逆變電路的技術(shù)性能與可靠性得到了明顯的提高。

46、目前常用的pwm生成方式主要有三角波比較法、滯環(huán)控制法、周期采樣法、空間矢量法12。 三角波比較法的突出優(yōu)點(diǎn)是輸出開(kāi)關(guān)頻率恒定，等于三角載波頻率。缺點(diǎn)是當(dāng)調(diào)制信號(hào)的變化率大于三角波的變化率時(shí)，會(huì)產(chǎn)生多次開(kāi)關(guān)現(xiàn)象，輸出是具有幅值和相位誤差。當(dāng)用數(shù)字方法實(shí)現(xiàn)三角波比較法時(shí)，有自然采樣法和規(guī)則采樣法。自然采樣法計(jì)算量很大，有時(shí)用數(shù)字方法根本不可能實(shí)現(xiàn)；規(guī)則采樣法是自然采樣法的近似實(shí)現(xiàn)，它的輸出脈寬波形對(duì)三角波峰谷或峰值具有對(duì)稱性，只要計(jì)算出正跳變的發(fā)生時(shí)刻，根據(jù)三角載波周期，即可很容易的計(jì)算出負(fù)跳變發(fā)生的時(shí)刻，因此規(guī)則采樣法計(jì)算量比起自然采樣法大大降低，也容易實(shí)現(xiàn)。其代價(jià)就是犧牲了調(diào)制精度，跟隨精度

47、不如自然采樣法高。周期采樣法是將生成信號(hào)與指令信號(hào)進(jìn)行瞬時(shí)值比較，輸出脈沖在周期采樣脈沖的同步控制下作為功率管的開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)。這種控制方式僅用一個(gè)比較器和d觸發(fā)器就可實(shí)現(xiàn)，電路非常簡(jiǎn)單。周期采樣法的誤差信號(hào)與采樣周期的長(zhǎng)短密切相關(guān)，提高采樣頻率能提高信號(hào)跟蹤的精度，但采樣頻率的提高受開(kāi)關(guān)器件最大開(kāi)關(guān)頻率的限制。滯環(huán)控制法是另一種應(yīng)用較多的開(kāi)關(guān)方法。在穩(wěn)態(tài)工作條件下，誤差信號(hào)被限定在固定的滯環(huán)寬范圍之內(nèi)。滯環(huán)控制器具有很好的動(dòng)態(tài)性能和限流性能。但滯環(huán)控制法的開(kāi)關(guān)頻率不固定，逆變器開(kāi)關(guān)動(dòng)作呈現(xiàn)非周期性，開(kāi)關(guān)損耗較大。為了改進(jìn)固定環(huán)寬滯環(huán)控制的缺點(diǎn)，有人提出了正弦環(huán)寬滯環(huán)控制，當(dāng)生成正弦電流時(shí)，正弦

48、環(huán)寬滯環(huán)控制方法能夠獲得較好的開(kāi)關(guān)特性，輸出信號(hào)的的過(guò)零比較平滑，也有人提出了pll預(yù)測(cè)環(huán)寬滯環(huán)控制方法。為了限定開(kāi)關(guān)頻率，可以將滯環(huán)控制方法和周期采樣控制方法混合使用?？臻g矢量pwm方法將-平面上的電壓和電流矢量分成六個(gè)區(qū)域，電流和電壓矢量區(qū)域相差30，根據(jù)電流誤差矢量所處的區(qū)域，選擇逆變器輸出電壓矢量迫使電流誤差矢量向相反方向變化，以使逆變器輸出電流很好地跟蹤指令參考電流的變化。工程實(shí)際應(yīng)用中，脈寬調(diào)制信號(hào)的產(chǎn)生方式用得最多的是滯環(huán)控制法和三角波比較法，而三角波比較法跟多的用于連續(xù)時(shí)域控制，滯環(huán)控制法及改進(jìn)的滯環(huán)控制法則更適合于數(shù)字化控制應(yīng)用?？臻g矢量法由于計(jì)算量大，利用現(xiàn)代電子技術(shù)很難在

49、對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的有源濾波器中實(shí)現(xiàn)，目前多為理論研究。spwm（sinusoidal pwm）脈寬調(diào)制是利用相當(dāng)于基波分量的信號(hào)波對(duì)三角載波進(jìn)行調(diào)制，達(dá)到調(diào)節(jié)輸出脈沖寬度的一種方法。而從statcom所追求的輸出效果來(lái)看，都是要求輸出信號(hào)盡可能的逼近正弦波，也就是說(shuō)，其調(diào)制信號(hào)為正弦波，本課題基于這種考慮，采用spwm的調(diào)制方法來(lái)產(chǎn)生pwm信號(hào)（圖3-7）。對(duì)于三相橋式pwm型逆變電路，采用雙級(jí)性控制方式。a、b、c三相的pwm控制通常公用一個(gè)三角波載波u，三相調(diào)制信號(hào)依次相差12013。3.4 配電系統(tǒng)statcom模型的建立綜上所述，本課題所設(shè)計(jì)的配電系統(tǒng)statcom主要由以下幾部分組成

50、：主電路結(jié)構(gòu)為單橋路三相spwm逆變；控制策略為電流間接控制，根據(jù)三相瞬時(shí)無(wú)功理論得到三相瞬時(shí)無(wú)功q，并通過(guò)pi調(diào)節(jié)得到三相瞬時(shí)無(wú)功q，并通過(guò)pi調(diào)節(jié)得到無(wú)功控制角，最終通過(guò)載波為三角波的spwm調(diào)制得到逆變器的pwm控制信號(hào)。出于配電系統(tǒng)節(jié)約成本的考慮。該statcom僅用連接電抗來(lái)代替連接變壓器。下面根據(jù)配電系統(tǒng)statcom裝置的設(shè)計(jì)思想，推出該裝置的數(shù)學(xué)模型。如果按照拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化建立裝置的微分方程，然后分別求解，建立裝置的數(shù)學(xué)模型是非常復(fù)雜的，特別是當(dāng)開(kāi)關(guān)器件數(shù)量很多時(shí)，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會(huì)急劇上升，按照拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)分析將非常困難。而實(shí)際研究中，我們更關(guān)心裝置的主要特性，如輸入、輸出特性等，為此

51、我們要建立能反映裝置主要特性的數(shù)學(xué)模型，而對(duì)裝置中具體的某個(gè)開(kāi)關(guān)器件某時(shí)刻的電流，并不是很關(guān)心，只要保證該電流不超過(guò)開(kāi)關(guān)器件允許的電流，不會(huì)導(dǎo)致裝置異?；蚬收暇涂梢粤恕榇宋覀儾捎幂斎?、輸出的建模方法來(lái)建立statcom裝置的數(shù)學(xué)模型。 圖3-7 同步調(diào)制三相spwm波形 圖3-8 statcom裝置原理圖圖3-8為statcom裝置原理接線圖，為利用輸入輸出建模方法來(lái)建立statcom裝置的數(shù)學(xué)模型，先做以下假設(shè)：將statcom裝置中各種損耗及電阻包括開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通電阻用等效電阻r表示，statcom與系統(tǒng)之間的連接電感用等效電感l(wèi)表示；由于statcom裝置輸出電壓由多個(gè)單相橋輸出電壓疊

52、加而成，諧波含量低，因此只考慮statcom輸出電壓的基波分量而忽略諧波分量。 基于上面的假設(shè)可得出statcom裝置總輸出電壓為： （3.1）式中（3.1）中k為比例系數(shù)，為statcom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 （3.2）由圖3-8可列出statcom裝置abc三相數(shù)學(xué)方程： （3.3）將式（3.1）和（3.2）代入式（3.3）中，可得： （3.4）直流側(cè)電容電壓的方程可由能量關(guān)系推出： （3.5）利用式（3.1）對(duì)（3.5）化簡(jiǎn)可以得到： （3.6） 因此statcom裝置的數(shù)學(xué)模型為： （3.7） 式（3.7）有四個(gè)未知數(shù)和四個(gè)方程，只要已知statcom的電流和直流電壓的初始值，通過(guò)解微分方程即可求出各變量隨時(shí)間變化的規(guī)律。3.5 statcom的運(yùn)行性能與參數(shù)之間的關(guān)系描述 圖3-9 statcom控制模型從圖3-9中可以看到，statcom動(dòng)態(tài)模型通常有2個(gè)可控量（即和）及3個(gè)主要參數(shù)。statcom的穩(wěn)態(tài)無(wú)功功率為： （3.8）式（3.8）中us為statcom與系統(tǒng)連接處電壓的有效值；r為等值電阻。其中角為statcom