靜止無功補(bǔ)償技術(shù)_STATCOM

1、靜止無功補(bǔ)償技術(shù)主要內(nèi)容主要內(nèi)容q 無功補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展無功補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展q 靜止無功補(bǔ)償器（靜止無功補(bǔ)償器（SVC）技術(shù)）技術(shù)q 靜止同步補(bǔ)償器（靜止同步補(bǔ)償器（STATCOM）技術(shù)）技術(shù)STATic synchronous COMpensatorSTATCOM靜止同步補(bǔ)償器技術(shù)靜止同步補(bǔ)償器技術(shù) 靜止無功補(bǔ)償器SVC實(shí)現(xiàn)了無功功率的連續(xù)動態(tài)補(bǔ)償，但它是無源型，相當(dāng)于一個連續(xù)可調(diào)電容器或電抗器，具有如下缺點(diǎn)：l當(dāng)電壓降低時，補(bǔ)償容量嚴(yán)重不足；lTCR產(chǎn)生諧波干擾。上述缺點(diǎn)在STATCOM中得到有效解決！一、一、STATCOM的基本工作原理1 STATCOM1 STATCOM的等效電壓源特性的等

2、效電壓源特性 設(shè)有一個并網(wǎng)電壓源逆變器，通過某種控制方式，在其逆變輸出側(cè)產(chǎn)生一個這樣的正弦電壓 與電源電壓同步（頻率相同） 幅值可調(diào) 相位可調(diào)（以電源電壓為參考）控制與驅(qū)動UdcgUggUU同步發(fā)電機(jī)可調(diào)電壓源的一種實(shí)現(xiàn)方法示例可調(diào)電壓源的一種實(shí)現(xiàn)方法示例圖6-6urucuOtOtuouofuoUd- Ud雙極2電平載波比調(diào)制深度載波調(diào)制波iL=iL.p+iL.qiS=iL.piC=iL.quaubuc驅(qū)動電路PWM信號DSTATCOM用電負(fù)荷PWM發(fā)生器調(diào)節(jié)器IL.qIC負(fù)荷無功電流計(jì)算iL.abcuabc+-PLLwt2 2 低壓低壓STATCOMSTATCOM的典型電路的典型電路3 VS

3、C3 VSC變換器的四象限運(yùn)行區(qū)間變換器的四象限運(yùn)行區(qū)間jXgUSUXUUPgSsinXUUUQgSScos20jXUUIGS*IUS4 STATCOM4 STATCOM的理想運(yùn)行區(qū)間的理想運(yùn)行區(qū)間0PXUUUQgSS05 STATCOM5 STATCOM的實(shí)際運(yùn)行區(qū)間的實(shí)際運(yùn)行區(qū)間XUUPgSsinXUUUQgSScos606 STATCOM6 STATCOM的損耗分析的損耗分析0SUjXgUP, Q, iRIgURIXI jSUsinSUsinsinRUIIRUSS22sin)sin(RUPIUPSS)2sin(2)cos(2RUQIUQSSUG是一個理想的純無功發(fā)生源STATCOMcos

4、SURXRXUURXUUUSgSSg1sincossincos本數(shù)學(xué)模型僅針對電容儲能型和單變量控制。22)(sinRUPSP2sin22RUQSQ7 7 基于損耗的潮流分析模型基于損耗的潮流分析模型NSbaseUU.NSTATCOMbaseQS.basebasebaseSUZ2交流側(cè)dcVVSIUkUtUudcVSIsin23直流側(cè)？baseVdcbaseUkU1.8 8 標(biāo)幺化模型的基準(zhǔn)選擇標(biāo)幺化模型的基準(zhǔn)選擇2*1RP *1RQ *11RXRXUUgdc直流側(cè)2*sin1RP 2sin21*RQ 簡化交流側(cè)9 9 標(biāo)幺化模型標(biāo)幺化模型二、二、STATCOM的工作參數(shù)估計(jì) STATCOM系

5、統(tǒng)的工作參數(shù)除了交流電源的參數(shù)和本身的額定容量外，主要有兩個：控制角和直流側(cè)電壓。2*1RP *1RQ 11*NNQR2*1NNRP*NNNRP 輸出額定無功時譬如：X*=0.2，X/R=5R*=0.04=2.3，PN*=4%額定損耗決定了額定損耗決定了 的范圍！的范圍！1 STATCOM1 STATCOM參數(shù)估計(jì)參數(shù)估計(jì)控制角范圍控制角范圍*1RQ 1*0 .dcU0000Q零無功輸出時 連接電抗決定了直流電壓逆變電壓無功的輸出范圍！*1RXUdc *11XXUdc*0 .*RXUUUdcdcdc*.*XURNdcN增量2 STATCOM2 STATCOM參數(shù)估計(jì)參數(shù)估計(jì)直流電壓范圍直流電壓

6、范圍三、三、STATCOM的主要元件選擇 STATCOM系統(tǒng)的參數(shù)主要有兩個：濾波電抗器和直流側(cè)電容器。其中，濾波電抗器對系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行性能有著全面而顯著的影響。(1) 濾波電抗器對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響： 濾波電感越大，額定無功輸出時的直流電壓越高，對直流電容器和電力電子器件的耐壓水平要求也越高。由于器件耐壓水平的限制，增大電感可能會導(dǎo)致逆變器結(jié)構(gòu)的變化或增大裝置結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度。 *11XXUdc1 1 濾波電抗器的選擇濾波電抗器的選擇 例：例：設(shè)三相橋式逆變器結(jié)構(gòu)，電源電壓設(shè)三相橋式逆變器結(jié)構(gòu)，電源電壓380V，調(diào)制深，調(diào)制深度度 =0.9，直流電容為，直流電容為2200uF，采用，采用SPWM控

7、制，則空控制，則空載直流電壓為載直流電壓為690V。取取X*=0.2，則，則Udc.N=828V，每個橋臂采用，每個橋臂采用1只只1600V耐壓耐壓的的IGBT器件，直流側(cè)需要器件，直流側(cè)需要2串串2并共并共4只只2200uF/450V電電容器；容器；取取X*=0.5，則，則Udc.N=1035V，每個橋臂需要采用，每個橋臂需要采用2只只1200V耐壓的耐壓的IGBT器件串聯(lián)，直流側(cè)需要器件串聯(lián)，直流側(cè)需要3串串3并共并共9只只2200uF /400V電解電容器。電解電容器。 (2) 在PWM控制方式下，逆變器輸出電壓為雙極性PWM脈沖波形，含有基波電壓分量和高次諧波成分。當(dāng)逆變器輸出電壓施加

8、到濾波電抗器的一端時，必將在補(bǔ)償電流中產(chǎn)生相應(yīng)的諧波電流。濾波電抗器的主要作用之一是濾除逆變器輸出電壓中的高次諧波分量。 濾波電感越大，濾波效果越好，無功補(bǔ)償電流濾波電感越大，濾波效果越好，無功補(bǔ)償電流中的諧波分量越小。中的諧波分量越小。051015202530354045-1.5-1-0.500.511.5輸出無功功率標(biāo)么值Q*總諧波畸變率THD%X*=0.1X*=0.2X*=0.5X*=1.040kvar/400V STATCOM40kvar/400V STATCOM裝置在開關(guān)頻率為裝置在開關(guān)頻率為4800Hz4800Hz時的仿真結(jié)果時的仿真結(jié)果(a) X*=0.8 Q*=0.1(b) X

9、*=0.2 Q*=0.1不同濾波電感下的實(shí)驗(yàn)波形 (a) X*=0.2 Q*=1.0(b) X*=0.2 Q*=0.5(c) X*=0.2 Q*=0.1不同輸出無功下的仿真波形 (a) X*=0.2 Q*=0.1(b) X*=0.2 Q*=0.3不同輸出無功下的實(shí)驗(yàn)波形 濾波電感越小，補(bǔ)償電流的總諧波畸變率越大。 STATCOM裝置輸出無功越小，補(bǔ)償電流畸變越嚴(yán)重，總諧波畸變率越大。 在同等補(bǔ)償電流下，輸出容性無功時的總諧波畸變率比吸收感性無功時的值大。 因此，從諧波的角度來看，濾波電感不宜太小。當(dāng)濾波電抗 X*0.2時，補(bǔ)償電流諧波含量較大。此外，STATCOM裝置不宜長期運(yùn)行于輕載工況。

10、諧波影響小結(jié)(3) 濾波電感小，則變換器回路的電磁時間常數(shù)小，直流電容器可以在較短時間內(nèi)完成與電源之間的能量交換，無功補(bǔ)償電流的動態(tài)響應(yīng)速度較快。 下圖所示為某80kvar/400V STATCOM裝置從輸出額定容性無功切換到輸出額定感性無功時的電流變化過程。(a) X*=0.25時 電壓電流(b) X*=0.5時 電壓電流(c) X*=1時 電壓電流濾波電感對動態(tài)響應(yīng)特性的影響 STATCOM裝置的濾波電感不僅決定著補(bǔ)償裝置的容量，對裝置的性能也有全面影響。濾波電感小，則對電力電子器件的耐壓要求低，裝置結(jié)構(gòu)簡單，體積小，成本低，動態(tài)響應(yīng)較快。濾波電感小，輸出無功電流的諧波含量大，裝置抗電源電

11、壓擾動的能力差，而且對控制系統(tǒng)的要求高。 因此，濾波電感的選擇，需要根據(jù)現(xiàn)有器件和控制系統(tǒng)的水平，按照裝置容量和性能要求，從技術(shù)經(jīng)濟(jì)等方面全面權(quán)衡而定。若從諧波特性和響應(yīng)特性而論，濾波電抗標(biāo)么值宜選擇在0.20.5之間。 (4) 結(jié)論理想情況下，三相STATCOM與電源之間沒有能量交換，僅需要很小容量的直流電容器來提供直流電壓支撐即可。 實(shí)際上，三相不平衡、非理想正弦逆變電源、動態(tài)調(diào)節(jié)過程等，都會使得STATCOM與電源之間存在暫態(tài)能量交換。因此，為了維持逆變器直流電壓的穩(wěn)定，直流側(cè)必然需要一定容量的電容器。電容量的選擇可參考如下經(jīng)驗(yàn)公式：式中，k為允許直流電壓波動系數(shù)，常取為5左右；為電源角

12、頻率；IN為STATCOM額定電流；Udc為額定直流電壓。)(102 . 06uFUkICdcN2 2 直流電容器的選擇直流電容器的選擇四、四、STATCOM的控制策略 如何產(chǎn)生PWM信號，使得變換器的輸出電壓為幅值和相角均可控的正弦同步電壓。XUUPgSsinXUUUQgSScosXUUQUPSgg000000QXUUPgS1 1 潮流控制特性分析潮流控制特性分析結(jié)論 有功功率 Ug 無功功率有功功率增量的運(yùn)行功耗總有功功率STATCOM2 STATCOM2 STATCOM的能量平衡分析的能量平衡分析結(jié)論q有功功率直流電壓直流電容器電壓變化直流電容儲能電流變化交流電感儲能有功功率增量STAT

13、COM直流電壓增量電容儲能有功增量；，電感儲能一個基波周波平均而言2221021UCIL相角幅值電壓逆變側(cè)滯后超前相位角交流無功功率控制目標(biāo)svgUU/I3 STATCOM3 STATCOM控制目標(biāo)控制目標(biāo)直接電流控制調(diào)節(jié)單脈沖寬度直流電壓恒定下自身調(diào)節(jié)自勵外部調(diào)節(jié)他勵調(diào)節(jié)直流側(cè)電壓逆變側(cè)電壓SVPWMSPWM /調(diào)節(jié)直流側(cè)電壓穩(wěn)定直流側(cè)電壓鎖相同步控制控制相位角PLL控制方法4 STATCOM4 STATCOM控制方法控制方法gUandor調(diào)節(jié)控制穩(wěn)定直流電壓控制雙變量控制他勵直流電壓恒定控制恒定控制單變量控制控制策略PWM)(PWMPWM5 STATCOM5 STATCOM控制策略控制策略

14、負(fù)荷DSTATCOM無功計(jì)算d-q變換控制策略PWM發(fā)生器Iq.refIq+-,6 STATCOM6 STATCOM控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)7 7 基于基于 的單變量控制策略的單變量控制策略iLiSiCuaubuc驅(qū)動電路PWM信號用電負(fù)荷SPWM/SVPWMPI調(diào)節(jié)器IL.qIC.q負(fù)荷無功電流計(jì)算iL.abcuabc+-PLLwtsinsin(wt+)=constd-q變換iC.abcIC.d8 8 基于基于 的單變量控制策略的單變量控制策略iLiSiCuaubuc驅(qū)動電路PWM信號用電負(fù)荷SPWM/SVPWMPI調(diào)節(jié)器IL.qIC.q負(fù)荷無功電流計(jì)算iL.abcuabc+-=0P

15、LLwtsinsin(wt)外部直流電壓控制d-q變換iC.abcIC.diLiSiCuaubuc驅(qū)動電路PWM信號用電負(fù)荷SPWM/SVPWMPI調(diào)節(jié)器IL.qIC.q負(fù)荷無功電流計(jì)算iL.abcuabc+-PLLwtsinsin(wt)外部直流電壓控制d-q變換iC.abcIC.d0-+9 9 基于基于 的單變量控制策略（無能量交換）的單變量控制策略（無能量交換）iLiSiCuaubuc驅(qū)動電路PWM信號用電負(fù)荷SPWM/SVPWMPI調(diào)節(jié)器IL.qIC.q負(fù)荷無功電流計(jì)算iL.abcuabc+-UdcPLLwtsinsin(wt+)d-q變換iC.abcIC.dUrefPI調(diào)節(jié)器-+10

16、 10 基于基于 和和 的雙變量控制策略的雙變量控制策略11 11 基于滯環(huán)比較的直接電流控制策略基于滯環(huán)比較的直接電流控制策略iLiSiCuaubuc驅(qū)動電路PWM信號用電負(fù)荷IL.q負(fù)荷無功電流計(jì)算iL.abcuabc+UdcPLLwtcosiC.refiC.abcUrefPI調(diào)節(jié)器-+X-+iLiSiCuaubuc驅(qū)動電路PWM信號用電負(fù)荷調(diào)節(jié)器IL.q負(fù)荷無功電流計(jì)算iL.abcuabc+UdcPLLwtcosiC.refiC.abcUrefPI調(diào)節(jié)器-+X+-12 12 基于三角波比較的直接電流控制策略基于三角波比較的直接電流控制策略五、五、STATCOM的基本調(diào)壓方式1 1 工頻雙極性（工頻雙極性（2 2電平）調(diào)制系統(tǒng)電平）調(diào)制系統(tǒng)調(diào)壓方式 控制UdcUg1.他勵UdcUg =02 2 工頻單極性（工頻單極性（3 3電平）調(diào)制系統(tǒng)電平）調(diào)制系統(tǒng)調(diào)壓方式控制穩(wěn)定Udc控制Ug3 3 工頻級聯(lián)多電平系統(tǒng)工頻級聯(lián)多電平系統(tǒng)調(diào)壓方式控制穩(wěn)定Udc，或他勵調(diào)節(jié)各級Ug幅值及波形4 4 高頻高頻SPWM/SVPWMSPWM/SVPWM調(diào)制系統(tǒng)調(diào)制系統(tǒng)調(diào)壓方式2控制穩(wěn)定Udc；他勵控制Ug幅值調(diào)壓方式1 控制Udc Ug =const1、徐政譯：高壓直流輸電與柔性交流輸電控制裝置第7章2、陳建業(yè)等：電力電子技術(shù)在電力