新型靜止無功發(fā)生器SVG控制策略仿真研究_圖文

1、北京交通大學(xué)碩士學(xué)位論文新型靜止無功發(fā)生器SVG控制策略仿真研究姓名：李媛申請學(xué)位級別：碩士專業(yè)：電力系統(tǒng)及其自動化指導(dǎo)教師：湯鈺鵬20080601中文摘要摘要：隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展、各種用電設(shè)備對電能質(zhì)量要求的不斷提高，并伴隨柔性輸電的需要，電能質(zhì)量中的無功補(bǔ)償問題顯得越來越重要。靜止無功發(fā)生器（）作為電力系統(tǒng)無功功率動態(tài)補(bǔ)償?shù)挠行Х椒?，逐步成為電力電子領(lǐng)域研究的熱點。本文的研究目的是探討裝置的幾種控制策略的優(yōu)劣之處，為在實際中的應(yīng)用提供理論參考。本文提出了三種檢算無功電流的算法：包括基于瞬時無功理論的算法，算法和基于電網(wǎng)電壓和電流在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下進(jìn)行坐標(biāo)變換的無功檢測方法，通過在仿真平臺上

2、的試驗，驗證各種算法實現(xiàn)無功電流的提取以及無功檢測精度的能力和動態(tài)響應(yīng)能力。同時，在三相三線制電壓型靜止無功發(fā)生器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，論證了兩種直接電流控制方法：滯環(huán)控制和三角波控制。提出了預(yù)測電流控制方法，提高補(bǔ)償指令電流的跟蹤精度。本文采用軟件對系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，并搭建了一套雙負(fù)載平臺，分別完成了在兩種負(fù)載情況下，兩種檢測方法仿真的比較，三種控制策略仿真的比較。仿真結(jié)果驗證了各種控制策略良好的無功補(bǔ)償性能，表明所提出控制方法的有效性。關(guān)鍵詞；靜止無功發(fā)生器；無功補(bǔ)償：瞬時無功理論；旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換分類號：，（）西，：；。：學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解北京交通大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論

3、文的規(guī)定。特授權(quán)北京交通大學(xué)可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，并采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編以供查閱和借閱。同意學(xué)校向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤。（保密的學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)說明）學(xué)位論文作者簽名：導(dǎo)師簽名：簽字日期：年月日簽字日期：年月日獨創(chuàng)性聲明本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝之處外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得北京交通大學(xué)或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明并表示了謝

4、意。學(xué)位論文作者簽名：簽字日期：年月日致謝光陰荏苒，我的研究生生活即將結(jié)束，在此論文完成之際，特向所有關(guān)心支持我的親人、老師、同學(xué)們表示由衷的謝意。首先感謝我的父母，我的每一分成功都因為他們的欣慰而更有意義。其次對我的導(dǎo)師湯鈺鵬副教授表示深深地感謝。湯老師從本科時候就一直是我最尊敬的老師，很幸運有緣投其門下。學(xué)習(xí)上，老師深厚的理論知識，豐富的實踐經(jīng)驗使我所獲頗深。時值畢業(yè)，我仍然會有些遺憾沒能充分利用機(jī)會向老師多學(xué)一些知識。在課題研究中，老師在大方向上把關(guān)，鼓勵我們充分在自己的感興趣的領(lǐng)域發(fā)揮，盡所有可能讓我們得到充分鍛煉，同時這篇論文的完成也傾注了老師很多心血，沒有老師的悉心指導(dǎo)就不會有這篇

5、論文的完成。生活中，老師極強(qiáng)的責(zé)任心和豁達(dá)的人生態(tài)度一直是我學(xué)習(xí)的榜樣。同時，實驗室徐建軍、季曉衡、關(guān)宇三位老師在實驗器材、硬件電路設(shè)計上給予幫助和指導(dǎo)。郝志強(qiáng)老師在生活上給我很多關(guān)心與指導(dǎo)，使我兩年的研究生生涯能精彩度過。我的師兄徐嘉鵬、李勇在論文結(jié)構(gòu)方面給予很多建議，師姐鄭丹在諧波檢測和實驗平臺等方面給予我很多指導(dǎo)。我的同學(xué)喻杰、劉洪亮、金文斌等在生活中和學(xué)習(xí)上給我很多幫助，大家平時對學(xué)習(xí)中的探討使我受益很多。能生活學(xué)習(xí)在這樣一個積極奮進(jìn)，和諧友愛的大家庭，我感到十分的榮幸與幸運。即將完成學(xué)業(yè)走上工作崗位，我會珍惜老師對我的教誨，同學(xué)對我的關(guān)心，踏踏實實工作，本本分分做人，不讓每一個關(guān)心我

6、的人失望。最后，向北京交通大學(xué)電氣學(xué)院的全體老師致敬，我的人生中最寶貴的六年在交大度過，是你們用辛勤的汗水和無價的知識把我們培養(yǎng)出來。鐵打的營盤流水的兵，在即將離校之際，衷心的祝愿所有老師身體健康，闔家幸福。無功補(bǔ)償?shù)囊饬x和作用無功功率的產(chǎn)生和影響引言電力是現(xiàn)代人類社會不可或缺的一種主要能源形式，隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，尤其是近年來電力電子裝置在電力系統(tǒng)、各個工業(yè)部門和家電領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用，對電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運行構(gòu)成潛在的威脅，使電能質(zhì)量受到了嚴(yán)重的影響，甚至危及到電力系統(tǒng)的安全運行。與此同時，各種精密電子設(shè)備對電能質(zhì)量的要求也越來越高，因此改善電能質(zhì)量成為了擺在電力部門和用戶

7、面前的亟待解決的問題。無功功率作為電能質(zhì)量重要衡量指標(biāo)，對它的補(bǔ)償關(guān)系到提高供電用電設(shè)備的安全可靠運行、提高功率因數(shù)、降低電路損耗、減少設(shè)備容量等諸多方面。在工業(yè)和生活用電負(fù)載中，阻感負(fù)載占很大比例。異步電動機(jī)、變壓器、熒光燈等都是典型的阻感負(fù)載。異步電動機(jī)和變壓器所消耗的無功功率在電力系統(tǒng)所提供的無功功率中占有很高的比例。阻感負(fù)載必須吸收無功功率才能正常工作，這是由其本身的性質(zhì)所決定的。電力電子裝置等非線性裝置也要消耗無功功率，特別是各種相控裝置。如相控整流器、相控交流功率調(diào)整電路和周波變流器，在工作時基波電流滯后于電網(wǎng)電壓，要消耗大量的無功功率。另外，這些裝置也會產(chǎn)生大量的諧波電流，而諧波

8、源都是要消耗無功功率的。二極管整流電路的基波電流相位和電網(wǎng)電壓相位大致相同，基本不消耗基波無功功率，但它所產(chǎn)生大量的諧波要消耗一定的無功功率。工業(yè)用電弧爐在工作時電極處于短路狀態(tài)，要消耗大量的無功功率，且因電弧不穩(wěn)定，其所消耗的無功功率波動也很大。在一般公用電網(wǎng)中，有功功率的波動一般對電網(wǎng)電壓的影響較小，電網(wǎng)電壓的波動主要是由無功功率的波動引起的。沖擊性無功功率會使電網(wǎng)電壓劇烈波動，電動機(jī)在起動期間功率因數(shù)很低，這種甚至使接在同一電網(wǎng)上的用戶無法正常工作。電弧爐、軋鋼機(jī)等大型設(shè)備會產(chǎn)生頻繁的無功功率沖擊，嚴(yán)重影響電網(wǎng)供電質(zhì)量。電力系統(tǒng)中的無功主要來自兩個方面，一是輸電系統(tǒng)本身吸收的無功：由于電

9、網(wǎng)元件的阻抗主要是感性的，在輸送電能時，會吸收一定的無功，所以在高壓輸電網(wǎng)絡(luò)中，為提高線路的輸送容量和系統(tǒng)的穩(wěn)定性能，般會對這部分無功進(jìn)行補(bǔ)償，比如在輸電線路進(jìn)行串聯(lián)補(bǔ)償，在重要節(jié)點進(jìn)行并聯(lián)補(bǔ)償非線性負(fù)荷消耗的無功，如工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中經(jīng)常使用的異步電機(jī)、日光燈，以及各種變流裝置、工業(yè)電弧爐等，這些負(fù)載當(dāng)中有些容量非常大，在啟動和正常工作時都要吸收大量的無功功率，常常會引起電網(wǎng)電壓的波動【。在公共電網(wǎng)中的無功功率主要造成以下幾點影響：（）增加設(shè)備容量。無功功率的增加，會導(dǎo)致電流增大和視在功率的增加，從未而使發(fā)電機(jī)、變壓器及其他電氣設(shè)備容量和導(dǎo)線容量增加，從而導(dǎo)致設(shè)備體積的增大以及電力用戶運行

10、成本的增加。（）設(shè)備及線路損耗增加。無功功率的增加，會使線路電流，因而使設(shè)備及線路的損耗增加，從而降低了電氣設(shè)備的運行效率。設(shè)線路總電流為，線，、路電阻為，則線路損耗為【，；誓）只二害等只，其中（）滅這一部分損耗就是由無功功率引起的。（）使線路、變壓器的電壓降增大，如果是沖擊性無功功率負(fù)荷，還會引起電壓劇烈波動，嚴(yán)重影響供電質(zhì)量。（）由諧波源造成的無功影響同樣會帶來一系列問題，如諧波損耗，影響設(shè)備正常工作，造成振動、熱、噪聲，自動裝置誤動作，對通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾等【。無功補(bǔ)償?shù)淖饔煤鸵饬x【無功功率對供電系統(tǒng)和負(fù)載的運行都十分重要，電力系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)元件和負(fù)載所需要的無功功率必須從網(wǎng)絡(luò)中某個地方獲得

11、。顯然，這些無功功率如果都要發(fā)電機(jī)提供并經(jīng)過長距離傳送是不合理的，通常也是不可能的。合理的方法應(yīng)當(dāng)是在需要消耗無功功率的地方產(chǎn)生無功功率來補(bǔ)償無功功率的損耗。無功補(bǔ)償?shù)淖饔弥饕幸韵聨c：（）提高供用電系統(tǒng)及負(fù)載的功率因數(shù)，降低設(shè)備容量，減少功率損耗。（）穩(wěn)定受電端及電網(wǎng)的電壓，提高供電質(zhì)量。在長距離輸電線中合適的地點設(shè)置動態(tài)無功補(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。（）在電氣化鐵道等三相負(fù)載不平衡的場合，通過適當(dāng)?shù)臒o功補(bǔ)償可以平衡三相的無功負(fù)載和抑制的不平衡電壓。無功補(bǔ)償應(yīng)包含對基波無功功率的補(bǔ)償和對諧波無功功率的補(bǔ)償，后者實際上是諧波補(bǔ)償。本文只研究其中基波無功功率的補(bǔ)償部分，

12、即補(bǔ)償時只檢測出補(bǔ)償對象的基波無功電流，并對其進(jìn)行動態(tài)補(bǔ)償，使其功率因數(shù)為。無功功率補(bǔ)償裝置的發(fā)展無功補(bǔ)償裝置發(fā)展史電力系統(tǒng)中的無功補(bǔ)償裝置發(fā)展到今天，經(jīng)歷了從電容器、同步調(diào)相機(jī)、靜止無功補(bǔ)償裝置，到今天引入注目的靜止無功發(fā)生器幾個不同階段【】。并聯(lián)電容器階段。并聯(lián)電容器在補(bǔ)償無功功率中具有結(jié)構(gòu)簡單，安裝、運行和維護(hù)方便等優(yōu)點。缺點是，它只能補(bǔ)償感性無功，且由于其阻抗固定，不能連續(xù)調(diào)節(jié)，所以不能對無功功率進(jìn)行動態(tài)補(bǔ)償。而且它有負(fù)電壓效應(yīng)，當(dāng)電網(wǎng)電壓下降時，電容器上的補(bǔ)償電流相應(yīng)下降，使得補(bǔ)償?shù)臒o功量急劇下降，系統(tǒng)電壓下降更大，在系統(tǒng)有諧波時，還可能發(fā)生并聯(lián)諧振，使諧波電流放大，甚至造成電容器的

13、燒毀。同步調(diào)相機(jī)階段。早期無功功率動態(tài)補(bǔ)償裝置的典型代表是同步調(diào)相機(jī)（）。它是專門用來產(chǎn)生無功功率的同步電機(jī)，在過激磁或欠激磁的不同情況下，可以分別發(fā)出不同大小的容性或感性無功功率。它不僅能夠補(bǔ)償固定的無功功率，對變化的無功功率也能進(jìn)行動態(tài)補(bǔ)償。自上個世紀(jì)二、三十年代以來的幾十年中，同步調(diào)相機(jī)在電力系統(tǒng)無功功率控制中一度發(fā)揮著主要作用。然而，由于它是旋轉(zhuǎn)電機(jī)，因此損耗和噪聲都較大，運行維護(hù)復(fù)雜，而且由于控制復(fù)雜造成響應(yīng)速度慢，在很多情況下己經(jīng)無法適應(yīng)快速無功功率控制的要求。階段。自上世紀(jì)七十年代至今，開始逐漸取代的靜止型無功補(bǔ)償裝置（伽叩）成為無功補(bǔ)償?shù)男律α?。早期的靜止無功補(bǔ)償裝置是飽和

14、電抗器（）型的。年，英國公司制成了世界上第一批飽和電抗器型靜止無功補(bǔ)償裝置。飽和電抗器與同步調(diào)相機(jī)相比，具有靜止型的優(yōu)點，響應(yīng)速度快，但是由于其鐵心需磁化到飽和狀態(tài)，因而損耗和噪聲都很大，而且存在非線性電路的一些特殊問題，又不能分相調(diào)節(jié)以補(bǔ)償負(fù)荷的不平衡，所以未能占據(jù)靜止無功補(bǔ)償?shù)闹髁?。電力電子技術(shù)的發(fā)展及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，將使用晶閘管器件的靜止無功補(bǔ)償裝置推上了電力系統(tǒng)無功功率控制的舞臺。年美國公司首次在實際電力系統(tǒng)中演示運行了其使用晶閘管的靜止無功補(bǔ)償裝置。年，在美國國家電力研究院（）的支持下，西屋電氣公司（）銅造的使用晶閘管的靜止無功補(bǔ)償裝置投入實際運行。隨后，世界各大電氣公司都竟相

15、推出了各具特點的系列產(chǎn)品。我國也先后引進(jìn)了數(shù)套這類裝置，并具備自行制造能力。由于使用晶閘管器件的靜止無功補(bǔ)償裝置具有優(yōu)良的性能，所以，近二十多年來，在世界范圍內(nèi)其市場一直在迅速而穩(wěn)定地增長，己占據(jù)了靜止無功補(bǔ)償裝置的主導(dǎo)地位。因此靜止無功補(bǔ)償裝置（）這個詞往往是專指使用晶閘管器件的靜止無功補(bǔ)償裝置，它包括晶閘管控制電抗器（）和晶閘管投切電容器（），以及這兩者的混合裝置（），或者晶閘管控制電抗器與固定電容器（）或機(jī)械投切電容器（）混合使用的裝置（如、等）。靜止無功補(bǔ)償裝置的重要特性是它能連續(xù)調(diào)節(jié)補(bǔ)償裝置的無功功率，因此可以對無功功率進(jìn)行動態(tài)補(bǔ)償，使補(bǔ)償點的電壓接近維持不變。其快速的響應(yīng)，適中的價

16、格，使其在電力系統(tǒng)中得以迅速的推廣。其不足之處在于諧波成分大，需要大電感、大電容等元件，而且只有在感性工況下才連續(xù)可調(diào)。階段。隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，八十年代以來，一種更為先進(jìn)的靜止型無功補(bǔ)償裝置出現(xiàn)了，這就是采用自換相變流電路的靜止無功補(bǔ)償裝置，即靜止無功發(fā)生器（），也稱為高級靜止無功補(bǔ)償器（），或者靜止調(diào)相器（）。本文采用國內(nèi)通行的名稱，稱之為靜止無功發(fā)生器。通過不同的控制，既可使其發(fā)出無功功率，呈電容性，也可使其吸收無功功率，呈電感性。采用控制，即可使其輸入電流接近正弦波。與相比，大大減小了體積、節(jié)省了材料，并具有響應(yīng)速度快、調(diào)節(jié)性能好、能綜合補(bǔ)償無功、三相不平衡和諧波的特點，成為

17、無功補(bǔ)償?shù)闹匾l(fā)展方向【。表各種無功功率補(bǔ)償裝置的簡要對比。晶閘管控制晶閘管混合型靜止靜止裝置同步調(diào)飽和電，相機(jī)抗器電抗器投切補(bǔ)償器無功（或電容器（發(fā)生器項目（）（）卜）（）或）（）響應(yīng)速度慢較快較快較快較快快吸收無功連續(xù)連續(xù)連續(xù)分級連續(xù)連續(xù)控制簡單不控較簡單較簡單較簡單復(fù)雜諧波電流無大大無大小分相調(diào)節(jié)有限不可可以有限可以可以損耗大較大中小小小噪聲大大小小小小無功補(bǔ)償器發(fā)展的歷程也是對補(bǔ)償無功性能不斷改進(jìn)的過程。結(jié)合無功補(bǔ)償器的發(fā)展過程及各自存在的問題，得出表【。國內(nèi)外研究現(xiàn)狀】隨著電力半導(dǎo)體器件的發(fā)展，出現(xiàn)了大功率門極可關(guān)斷晶閘管（）等全控型器件，并逐漸成為的自換相橋式電路中的主力，使得采用

18、電子開關(guān)逆變器的得到發(fā)展并進(jìn)入實用階段。靜止無功發(fā)生器在提高系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性、阻尼系統(tǒng)振蕩等方面，性能大大優(yōu)于傳統(tǒng)的同步調(diào)相機(jī)及的性能，且元件簡單，體積小，控制靈活，調(diào)節(jié)范圍廣，在感性和容性運行工況下均可連續(xù)快速調(diào)節(jié)。因此，已成為靜止無功補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展方向，是今后柔性交流輸電系統(tǒng)的一個重要裝置。靜止無功發(fā)生器在日本、美國、歐洲等少數(shù)發(fā)達(dá)國家和地區(qū)已經(jīng)得到了應(yīng)用。年月，日本關(guān)西電力公司與三菱電機(jī)公司共同研制并投入運行了世界上首臺樣機(jī)，它采用了晶閘管強(qiáng)迫換相橋式電路的電壓型逆變器，容量為。年月，由美國國家電力研究院和西屋公司研制成±的世界上首臺采用大功率作為逆變器元件的實驗裝置，并成功進(jìn)

19、行了現(xiàn)場試驗。之后，日本關(guān)西電力公司與三菱電機(jī)公司又采用晶閘管研制了±的裝置，于年在犬山變電站投運。美國國家電力研究院與田納西電力局（，縮寫為、）、西屋電氣公司合作，在電力系統(tǒng)的變電站建造了±的裝置，于年月投運。年月東京電力分別與東芝公司和日立公司開發(fā)的臺±的裝置在東京所屬新信濃變電所投入使用。年，德國西門子公司開發(fā)研制單機(jī)容量為的裝置，并安裝在丹麥的風(fēng)場。法國的公司也研制了高壓大容量的裝置并在電力系統(tǒng)中實際運行。以上是有關(guān)的實際裝置用于改善電網(wǎng)性能的介紹。另外用來補(bǔ)償工業(yè)負(fù)荷的研究也時有報道，使用的大都是晶閘管和這樣的全控性器件。在我國這一領(lǐng)域的研究起步較晚，華

20、北電力大學(xué)曾研制出強(qiáng)迫換相的可控硅元件無功發(fā)生器實驗裝置，東北電力大學(xué)研制了器件的實驗裝置。年研制大容量被列為電力部重點科研攻關(guān)項目。同年月，在電力部的支持下，河南省電力局決定和清華大學(xué)共同研制一臺±的，見圖。為進(jìn)行基礎(chǔ)理論研究，清華大學(xué)先研制了一臺±的中間工業(yè)試驗裝置和±的動態(tài)模擬裝置。±的工業(yè)樣機(jī)于年月在清華大學(xué)校實驗電廠掛網(wǎng)運行，通過了時的滿負(fù)荷持續(xù)運行測試，并于年月，在鄭州孟砦變電站并網(wǎng)運行，經(jīng)受了電弧爐沖擊負(fù)荷和電壓不對稱運行工況的考驗，為成功研制±匕塞鑾適太堂亟±堂僮論塞互直打下了良好基礎(chǔ)。年夏，由河南省電力局和清華大學(xué)共

21、同研制的在河南洛陽的朝陽變電站并網(wǎng)成功，這是國內(nèi)首臺投入應(yīng)用的大容量柔性交流輸電裝置。通過以上研究獲得很多實踐經(jīng)驗，并在理論上有顯著的發(fā)展。目前，清華大學(xué)研制的靜止無功發(fā)生器，利用橋級聯(lián)式逆變器在無功補(bǔ)償領(lǐng)域中的應(yīng)用，使容量達(dá)到了兆乏的等級。圖清華大學(xué)與河南電力局合作的國產(chǎn)首臺±萬千伏安鼴。刪！圈圖上海黃渡變電站的±設(shè)備甏表各國研制裝置的情況研制者地點蛐吣時間三菱電機(jī)、關(guān)西電力日本±年三菱電機(jī)、關(guān)西電力日本±年東芝、日立、東京電力日本±×年西屋公司、田納西電力美國±年西門子丹麥±年西屋、美國電力美國±年清

22、華大學(xué)、河南省電力公司中國±年、英國國家電網(wǎng)（）英國±年三菱美國年三菱，圣迭戈天然氣和電力公司美國±年、韓國±年，美國東北電力美國±年，奧斯汀能源美國±年清華大學(xué)、許繼，上海電力公司中國±年年，清華大學(xué)與上海電力公司、許昌繼電器公司合作，在上海西郊建立變電站，應(yīng)用了的新型靜止無功補(bǔ)償裝置，年月投運成功，世界首例鏈?zhǔn)酱笕萘磕孀兤鳌．?dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障或突增負(fù)荷時，能夠動態(tài)地提供電壓支撐，以防止發(fā)生暫態(tài)電壓崩潰。圖所示的就是上海黃渡變電站的設(shè)備。表是當(dāng)今世界上對研制有所建樹的國家和公司，從表中可以看到，我國在這一領(lǐng)域已經(jīng)占有了一席之地

23、。發(fā)展趨勢近十多年來，世界范圍內(nèi)有關(guān)的研究和應(yīng)用有了長足的進(jìn)步和發(fā)展，縱觀近年來建設(shè)的這些項目和投運裝置，具有如下的發(fā)展趨勢：（）的主電路由早期的以多重化的方波變流器為主要形式，發(fā)展為以變流器為主要形式。多重化技術(shù)大都與多電平變流器相結(jié)合，以減少耦合變壓器的使用，例如橋級聯(lián)型多電平變流器；采用多重化、多電平等技術(shù)提高開關(guān)器件等效開關(guān)頻率，彌補(bǔ)大容量電力電子器件開關(guān)頻率和耐壓水平不足的缺點【】【】【刀【。例如，采用多組并聯(lián)使用，通過載波移相等控制，使組按照一定規(guī)律開通關(guān)斷，各組逆變單元產(chǎn)生的補(bǔ)償電流相加后注入電網(wǎng)，而等效開關(guān)頻率卻可以提高到實際開關(guān)頻率的倍（為并聯(lián)使用單元數(shù)），逆交主電路如圖所示

24、。圖并聯(lián)多重化采用橋級聯(lián)形式的主電路結(jié)構(gòu)，每一相都由個橋串聯(lián)而成，而每個橋中開關(guān)器件只承受直流側(cè)總電壓的分之一，因此，通過這種串聯(lián)型結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)低壓器件對高壓系統(tǒng)的無功補(bǔ)償，逆變主電路如圖所示。工冀圖前級聯(lián)型結(jié)構(gòu)（）新的電力電子器件投，的引用。目前，國內(nèi)外研制的裝置大都是基于器件的二電平裝置，雖然耐壓高、容量大，但需要專門的緩沖電路，且損耗大。隨著大功率向方面發(fā)展的技術(shù)進(jìn)步，創(chuàng)造了新的，即集成門極換流晶閘管（）采用用硬驅(qū)動技術(shù)，它將門極驅(qū)動電路、芯片和反并聯(lián)二極管集成為一體，結(jié)合了晶閘管的低通態(tài)損耗和晶體管均勻關(guān)斷能力兩種優(yōu)點，具有開關(guān)頻率高、損耗小、無需關(guān)斷吸收電路、可用于串聯(lián)等優(yōu)點。同時，

25、還有成本低、復(fù)雜程度低以及高效率的優(yōu)勢。基于該器件的第一臺裝置已成功投入商業(yè)運行多年。如今，在中高壓大容量電力電子應(yīng)用中，正逐步取代。盡管如此，由于采用簡單的電壓驅(qū)動門極，且開關(guān)速度快，截止電壓已達(dá)到【，因而在中等功率變流器中仍得到廣泛應(yīng)用。但也有一些問題，例如工作電壓低、容量小、導(dǎo)通壓降和損耗高，這也限制了它的應(yīng)用。目前在基礎(chǔ)上發(fā)展而成的新一代大功率器件一一電子注入增強(qiáng)門極晶體管（）已進(jìn)入實用階段。是一種集和的優(yōu)點于一身的新型器件，它具有導(dǎo)通壓降低、工作頻率高、電壓型門極驅(qū)動、安全工作區(qū)寬、易于串聯(lián)使用等優(yōu)點。這些良好的性能使之很適用與等大容量、工作頻率高的電力電子裝置。有理由相信，在未來的

26、柔性交流輸電系統(tǒng)中，它會得到廣泛的應(yīng)用。（）的補(bǔ)償目標(biāo)已由早期的以對輸電系統(tǒng)補(bǔ)償為主，擴(kuò)展到對配電系統(tǒng)補(bǔ)償，甚至負(fù)荷補(bǔ)償?shù)母鱾€層次。（）隨著科技的進(jìn)步，尤其是高溫超導(dǎo)技術(shù)突破性的發(fā)展并進(jìn)入實用化，超導(dǎo)技術(shù)將解決電流型逆變器（，）中儲能電感儲能效率問題。同時，電力超導(dǎo)儲能系統(tǒng)中儲能線圈具有電流源特性，因而將具有更加廣泛的應(yīng)用前景。一種正在研究中新的開關(guān)技術(shù)化學(xué)沉積氣石墨三極管（）的出現(xiàn)將解決的低階諧波問題。這種新的技術(shù)將大大提高開關(guān)器件的開關(guān)頻率，能使電流脈寬調(diào)制波的頻率足夠高，足以消除低階諧波電流含量，這樣就使所需要的濾波器的容量減小，成本降低。可以預(yù)見，化學(xué)沉積氣石墨三極管將在基于電流型逆變

27、器的中得到廣泛應(yīng)用。可以相信，隨著超導(dǎo)儲能技術(shù)和新的開關(guān)技術(shù)的發(fā)展，基于電流型逆變器的也將得到廣泛應(yīng)用。選題的意義及研究內(nèi)容近年來，低壓配電網(wǎng)的非線性、沖擊性和不平衡負(fù)荷迅速增多，致使電網(wǎng)的電能質(zhì)量嚴(yán)重惡化。另一方面，現(xiàn)代工業(yè)、商業(yè)和居民用戶對電能質(zhì)量提出了更高的要求，不僅要求供電連續(xù)可靠，還希望供電電壓頻率穩(wěn)定、波形良好。尤其是產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展使得人類更加依賴數(shù)字化設(shè)備所提供的信息與服務(wù)，而數(shù)字化的設(shè)備對供電的質(zhì)量要求更高。因此，補(bǔ)償裝置來抑制系統(tǒng)的電壓波動及閃變，有必要研究容量大、響應(yīng)速度快的無功有效地提高電力系統(tǒng)的安全性，改善供電質(zhì)量。而裝置不僅可以用于改善電網(wǎng)性能，還可以用來補(bǔ)償工業(yè)負(fù)荷

28、的無功功率，具有十分廣闊的應(yīng)用前景和實際價值。靜止無功發(fā)生器的基本原理靜止無功發(fā)生器（）的基本原理，就是將自換相橋式電路通過電抗器或者直接并聯(lián)在電網(wǎng)上，通過控制開關(guān)器件的通斷，來調(diào)節(jié)橋式電路交流側(cè)輸出電壓的相位和幅值，或者直接控制其交流側(cè)電流，使該電路吸收或發(fā)出所需無功電流，實現(xiàn)動態(tài)無功補(bǔ)償?shù)哪康摹?。工作原理主電路通常分為采用電壓型橋式電路和電流型橋式電路兩種類型。其電路基本結(jié)構(gòu)分別如圖瘌圖所示，直流側(cè)分別采用電容和電感這兩種不同的儲能元件。中的儲能元件電容器與的儲能元件電感器相比，儲能效率和儲能元件的體積、價格都具有明顯的優(yōu)勢。）采用電壓型橋式電路）采用電流型橋式電路）盱一）盱圖的電路基本結(jié)

29、構(gòu)基于電壓型逆變器的一般是由幾個電平臺階合成階梯波以逼近正弦波，諧波少，因此不需要另加濾波電路。而基于電流型逆變器的在諧波電流消除方面有很大困難，現(xiàn)有的半導(dǎo)體開關(guān)器件的開關(guān)頻率限制了電流脈寬調(diào)制波的頻率，導(dǎo)致一些低階諧波電流產(chǎn)生。因而，投入實用的大都采用電壓型橋式電路，本文中的專指采用自換相的電壓型橋式電路作動態(tài)無功補(bǔ)償?shù)难b詈【，土的工作原理可以用如圖所示的單相等效電路圖來說明。設(shè)電網(wǎng)電壓和輸出的交流電壓分別用相量班和矽，表示，則連接電抗上的電壓玩即為阢和玩的相量差，而連接電抗的電流是可以由其電壓來控制的。這個電流就是從電網(wǎng)吸收的電流。因此，改變交流側(cè)輸出電壓（，的幅值及其相對于政的相位，就可

30、以改變連接電抗上的電壓，從而控，）從電網(wǎng)吸收電流的相位和幅值，也就控制了吸收無功功率的性質(zhì)和大小。）單相等效電路）電流超前電流滯后）工作相量圖）圖等效電路及工作原理（不考慮損耗）（）在圖的等效電路中，將所連接的電抗器視為純電感，沒有考慮其損耗。因此不必從電網(wǎng)吸收有功能量。在這種情況下，只需使驢，與阢同相，僅改變矽，的幅值大，可以控從電網(wǎng)吸收的電流的相位和大小，從而也就控制了從電網(wǎng)吸收的無功功率的大小。如圖所示，當(dāng)玩大于班時，電流超前電壓，吸收容性的無功功率；當(dāng)玩小于玩時，電流滯后電壓，吸收感性的無功功率?？紤]到連接電抗器的損耗和變流器本身的損耗（如管壓降、線路電阻等），并將總的損耗集中作為連接

31、電抗器的電阻考慮，則的實際等效電路如圖所示，其電流超前和滯后工作的相量圖如圖所示。在這種情況下，變流器電壓玩與電流相差。，因為變流器無需有功能量。而電網(wǎng)電壓啦與電潮的相差則不再是。，而是比。小了角，因此電網(wǎng)提供了有功功率來補(bǔ)充電路中的損耗，也就是說相對于電網(wǎng)電壓來講，電流中有一定量的有功分量。這個角也就是變流器電壓玩與電網(wǎng)電壓玩的相位差。改變這個相位差，并且改變，的幅值，則產(chǎn)生的電流的相位和大小也就隨之改變，從電網(wǎng)吸收的無功功率也就因此得到調(diào)節(jié)。當(dāng)電流超前電壓，吸收容性的無功功率；當(dāng)電流滯后電壓，吸收感性的無功功率。電流超前電流滯后）單相等效電路）工作相量圖）圖的等效電路及工作原理（計及損耗）

32、（）在圖中，將變流器本身的損耗也歸算到了交流側(cè)，并歸入連接電抗器電阻中統(tǒng)一考慮。實際上，這部分損耗發(fā)生在變流器內(nèi)部，應(yīng)該由變流器從交流側(cè)吸收一定有功能量來補(bǔ)充。因此，實際上變流器交流側(cè)電壓矽，與電流的相位差并不是嚴(yán)格的。，而是比。略，】。工作特性根據(jù)上一節(jié)對工作原理的分析，可得其電壓一電流特性，如圖所示?？梢钥闯?，當(dāng)電網(wǎng)電壓下降，補(bǔ)償器的電壓電流特性向下調(diào)整時，可以調(diào)整其變流器交流側(cè)電壓的幅值和相位，以使其所能提供的最大無功電流，和一維持不變，僅受其電力半導(dǎo)體器件的電流容量限制。而對傳統(tǒng)的，由于其所能提供的最大電流分別受其并聯(lián)電抗器和并聯(lián)電容器的阻抗特性限制，因而隨著電壓的降低而減小。因此的運

33、行范圍比傳統(tǒng)的大，的運行范圍是向下收縮的三角形區(qū)域，而的運行范圍是上下等寬的近似矩形的區(qū)域。這是優(yōu)越于傳統(tǒng)的一大特點，。藝彭勿！圖的電壓電流特性此外，對于那些以輸電補(bǔ)償為目的的來講，如果直流側(cè)采用較大的儲能電容，或者其它直流電源（如蓄電池組，采用電流型變流器時直流側(cè)用超導(dǎo)儲能裝置等），則還可以在必要時短時間內(nèi)向電網(wǎng)提供一定量的有功功率。這對于電力系統(tǒng)來說是非常有益的，也是傳統(tǒng)的裝置所望塵莫及的。對于裝置中的諧波問題，可以采用橋式變流電路的多重化技術(shù)或技術(shù)來進(jìn)行處理，以消除次數(shù)較低的諧波，受的程度，也可以通過控制策略的優(yōu)化，對兩者同時進(jìn)行補(bǔ)償。并使較高次數(shù)的諧波電流減，可以接在檢測無功電流的同時

34、也檢測諧波電流，在平衡的三相電路中，不論負(fù)載的功率因數(shù)如何，三相瞬時功率之和在任何時刻都等于三相總的有功功率。各相的無功能量在交流側(cè)來回往返而三相電源和負(fù)載之間沒有無功流動，所以理論上講的橋式變流電路的直流側(cè)可以不設(shè)儲能元件?？紤]到變流電路吸收的電流的諧波成分以及有功能量的損耗，其直流側(cè)仍需要一定大小的電容作為儲能元件，但其容量遠(yuǎn)，所能提供的無功容量要小得多。另外，連接電抗由于是濾除電流中高頻成分，所以電感值也不大。這也是的一個顯著特點。主要優(yōu)點靜止無功發(fā)生器（）作為現(xiàn)代柔性交流輸電系統(tǒng)（鋤）的核心組成部分，它與常規(guī)的無功補(bǔ)償裝置相比，具有以下幾大優(yōu)點【，：（）在提高系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性、阻尼系統(tǒng)

35、振蕩等方面，的性能大大優(yōu)于傳統(tǒng)裝置；（）采用數(shù)字控制技術(shù)，系統(tǒng)可靠性高，基本不需要維護(hù)，可以節(jié)省大量維護(hù)費用。同時，可通過電網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)（）實現(xiàn)無功潮流和電壓最優(yōu)控制，是建設(shè)中的數(shù)字電力系統(tǒng)（）的組成部分；（）控制靈活、調(diào)節(jié)范圍廣，在感性和容性運行工況下均可連續(xù)快速調(diào)節(jié)，響應(yīng)速度可達(dá)毫秒級；（）靜止運行，安全穩(wěn)定，沒有調(diào)相機(jī)那樣的大型轉(zhuǎn)動設(shè)備，無磨損，無機(jī)械噪聲，將大大提高裝置壽命，改善環(huán)境影響；（）對電容器的容量要求不高，這樣可以省去常規(guī)裝置中的大電感和大電容及龐大的切換機(jī)構(gòu)，使裝置的體積小、損耗低；（）連接電抗小。接入電網(wǎng)的連接電抗，其作用是濾除電流中存在的較高次諧波，另外起到將變流器

36、和電網(wǎng)這兩個交流電壓源連接起來的作用，因此所需的電感量并不大，也遠(yuǎn)小于補(bǔ)償容量相同的等裝置所需的電感量，如果使用降壓變壓器將連入電網(wǎng)，則還可以利用降壓變壓器的漏抗，使所需的連接電抗器進(jìn)一步減小；（）對系統(tǒng)電壓進(jìn)行瞬時補(bǔ)償，即使系統(tǒng)電壓降低，它仍然可以維持最大無功電流，即產(chǎn)生無功電流基本不受系統(tǒng)電壓的影響；（）諧波量小。在多種型式的裝置中，本身產(chǎn)生一定量的諧波，如型的、次特征諧波量比較大，占基波值的；其它型式如、等也產(chǎn)生、等次的諧波，這給系統(tǒng)的濾波器設(shè)計帶來許多困難，而則可以采用橋式交流電路的多重化技術(shù)、多電平技術(shù)或技術(shù)來進(jìn)行處理，以消除次數(shù)較低的諧波，并使較高次數(shù)如、等次諧波減小到可以接受的程

37、度；（）中的電容器容量小，在網(wǎng)絡(luò)中普遍使用也不會產(chǎn)生諧振，而使用或固定電容器補(bǔ)償，如果系統(tǒng)安裝臺數(shù)較多，有可能會導(dǎo)致系統(tǒng)諧振的產(chǎn)生；（）的端電壓對外部系統(tǒng)的運行條件和結(jié)構(gòu)變化是不敏感的。當(dāng)外部系統(tǒng)容量與補(bǔ)償裝置容量可比時，將會變得不穩(wěn)定，而仍然可以保持穩(wěn)定，即輸出穩(wěn)定的系統(tǒng)電壓；（）的直流側(cè)采用較大的儲能電容，或者其它直流電源（如蓄電池組）后，它不僅可以調(diào)節(jié)系統(tǒng)的無功功率，還可以調(diào)節(jié)系統(tǒng)的有功功率。這對于電力網(wǎng)來說是非常有益的，這是裝置所不能比擬的，】。正因為上述優(yōu)點，作為一種新型的無功調(diào)節(jié)裝置，已經(jīng)成為現(xiàn)代無功補(bǔ)償裝置的發(fā)展方向，它已成為國內(nèi)外電力系統(tǒng)行業(yè)的重點研究課題之一【】。本章小結(jié)本章

38、首先介紹了無功補(bǔ)償?shù)囊饬x，無功補(bǔ)償裝置的發(fā)展情況，并比較了新型靜止無功發(fā)生器與的區(qū)別，列舉了的各個有點，并介紹了國內(nèi)外研究現(xiàn)狀等內(nèi)容，論述了進(jìn)行課題研究的意義。其次，本章還詳細(xì)介紹了的工作原理、基本類型及其特性和優(yōu)點。逆變器的主電路基本類型有兩種，實際工業(yè)應(yīng)用中多采用電壓型逆變器，而電流型逆變器則采用較少，主要原因在于其直流側(cè)采用電感儲能，逆變器損耗大、成本高、效率低。但是，隨著高溫超導(dǎo)技術(shù)的不斷發(fā)展，電流型逆變器將會具有較廣闊的應(yīng)用前景。無功電流檢算從上章基本工作原理的分析可知，起到良好補(bǔ)償效果的首要條件是根據(jù)裝置具體功能的需要，準(zhǔn)確實時地檢測計算出無功電流，并由此得到裝置無功指令信號產(chǎn)生相

39、應(yīng)的脈沖信號去控制主電路的開關(guān)器件。無功電流的實時檢測是保證工作性能的關(guān)鍵。新型靜止無功發(fā)生器是一種動態(tài)補(bǔ)償裝置，它對無功電流的實時檢測提出了很高的要求。無功電流檢算的快速性、準(zhǔn)確性及靈活性直接影響到的跟蹤、補(bǔ)償特性，以及的應(yīng)用范圍。因此，在選擇無功電流的實時檢算方法時，應(yīng)保證：精度高、具有瞬時性、算法簡單、配合使用的硬件簡單、實現(xiàn)方便、具有多種功能等。因此如何準(zhǔn)確、實時地檢算出電網(wǎng)中瞬時變化的無功電流，是目前無功補(bǔ)償領(lǐng)域的一個重要研究課題。本文從探討傳統(tǒng)的諧波與無功檢測方法出發(fā)，在介紹瞬時無功功率理論的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提出本文的檢測檢算方法。傳統(tǒng)諧波和無功檢測方法在非正弦條件下，對電能質(zhì)量的改

40、善主要是從諧波和無功兩個方面下手，而我們需要的是能把無功電流從畸變的電流中有效分離出來的無功檢測方法，這就要從傳統(tǒng)的檢算方法入手進(jìn)行研列】。這些方法包括：采用模擬帶通（或帶阻）濾波器檢測高次諧波電流帶通（或帶阻）濾波器用于預(yù)定分離出被檢測信號中的單一諧波分量。在這里一般用的帶通和帶阻濾波器把被檢測信號中的基波分量分離出來，從而得到諧波電流。該檢測法的優(yōu)點是電路結(jié)構(gòu)簡單，造價低，輸出阻抗低，品質(zhì)因數(shù)易于控制。但該方法也有很多缺點，如濾波器中心頻率對元件參數(shù)十分敏感，受外界環(huán)境的影響較大，難以獲得理想的幅頻和相頻特性；當(dāng)電網(wǎng)頻率發(fā)生波動時，不僅影響檢測精度，而且檢測出的諧波電流中含有較多的基波分量

41、，大大增加了有源補(bǔ)償器的容量和運行損耗。此外，這種方法不能分離出無功電流，因此也不能作為的無功電流檢測方法?；跁r域分析的有功電流分離法該方法的基本原理使將負(fù)荷電流分解為兩個正交分量：一個是與電壓波形完全一致的分量，即有功電流；另一個分量作為廣義無功電流，也就是負(fù)荷電流與有功電流的差值。該方法的缺點是：因為功率定義是建立在平均功率的基礎(chǔ)行的，所以要求得瞬時有功電流需要進(jìn)行一個周期的積分，因此該方法檢測出的廣義無功電流瞬時值，至少有一個周期以上的時間延遲?；陬l域分析的分解法該方法的基礎(chǔ)是傅立葉級數(shù)分析，將檢測到的畸變電流（或電壓）進(jìn)行快速傅立葉變換，分解為基波和高次諧波代數(shù)和的形式，再將高次諧

42、波合并為總的補(bǔ)償電流。該方法需進(jìn)行兩次變換，由于變換需要進(jìn)行大量的運算，因而有較大的時間延遲，約需要，瞬時性誤差較大。并且電壓波形畸變時將帶來較大的非同步采樣誤差，對高次諧波的檢測精度影響較大。用于不平衡三相系統(tǒng)的同步檢測法這種方法多用于不平衡三相系統(tǒng)中諧波和無功電流的檢測，其基本思想是分別考慮各相情況，并把補(bǔ)償分量分配到三相中，統(tǒng)一確定各相補(bǔ)償電流，即該方法不是從電流的分解出發(fā)，而是從功率平衡的角度來確定補(bǔ)償電流。對三相系統(tǒng)來說，同步檢測法在補(bǔ)償無功及諧波的同時，還具有平衡三相電流的作用。但是由于該檢測法是根據(jù)總平均功率確定補(bǔ)償后的電流，再計算出補(bǔ)償指令電流，而在計算補(bǔ)償后電流時，不僅需要知

43、道三相電路的平均功率，還需要知道各個相電壓的幅值，因此檢測過程中的延時較大。而且該方法僅適用于三相電壓均為正弦波的情況。若電壓波形存在畸變，必將影響檢測精度。此外，該方法檢測出的補(bǔ)償電流包括無功電流、諧波電流和一些不平衡分量，無法將它們分離出來，因而大大限制了它的應(yīng)用范圍。基于瞬時無功功率理論的檢測法三相電路瞬時無功功率理論首先于年由日本學(xué)者赤木泰文提出，此后該理論經(jīng)過不斷研究逐漸完善。該理論突破了傳統(tǒng)的以平均值為基礎(chǔ)的功率定義，系統(tǒng)地定義了瞬時無功功率和瞬時有功功率等瞬時功率量。以該理論為基礎(chǔ)的諧波和無功電流實時檢測方法在有源電力濾波器中得到了成功和廣泛的應(yīng)用。下面將簡要介紹三相瞬時無功功率的理論，和根據(jù)瞬時無功理論為基礎(chǔ)的檢算方法。坐標(biāo)變換及瞬時無功理論八十年代初日本學(xué)者赤木泰文（百）【】提出了建立在坐標(biāo)變換和瞬時值基礎(chǔ)上的瞬時無功功率理論（簡稱朋理論）。該理論是以電網(wǎng)電壓和電流在邢坐標(biāo)系下進(jìn)行坐標(biāo)變換為基礎(chǔ)，建立瞬時有功功率和瞬時無功功率的定義。它突破了以平均值為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)無功功率定義，可以用于諧波和無功電流的實時檢測。下面介紹以瞬時有功電流和瞬時無功電流厶為基礎(chǔ)的瞬時