静止同步补偿器原理与应用研究

许军山, 张超武, 曾贤虎

(1. 兰州理工大学机电工程学院, 甘肃兰州 730050;

2. 兰州电源车辆研究所, 甘肃兰州 730050; 3. 兰州理工大研究生部, 甘肃兰州 730050)

摘要:介绍了静止同步补偿器的工作原理, 结合实际应用情况综合分析了静止同步补偿器主电路的基本形式、主电路中采用的技术、系统的各种控制策略, 阐述了瞬时无功电流的检测方法、电流直接控制方法、电流间接控制方法, 并提出今后静止同步补偿技术的发展和研究方向。

关键词:静止同步补偿器; 无功补偿; 控制策略

中图分类号:TM 762. 3 文献标识码:A 文章编号:1003 4250(2007 ) 02 0040 04

作者简介:许军山

(1979 ), 男, 甘肃古浪人, 硕士研究生, 主要研究电力系统无功优化与无功补偿。

1 引言

静止同步补偿器(Static Sync hronous Co m pensa to r , STATCOM ) 是柔性交流输电系统(F lex i b l e AC Trans m issi o n Syste m s , FACTS ) 的重要成员之一, 对提高电力系统的电压稳定水平、远距离输电的输送容量、输电系统暂态稳定极限和静态稳定极限、阻尼振荡等方面发挥着重要的作用, 它可以从感性到容性的整个范围内进行连续的无功调节, 特别是在欠电压条件下仍可有效地发出无功功率, 得到了电力行业界越来越多的关注。为此, 对于STATCOM 的原理与应用进行深入地研究, 并将其应用于输、配电系统中, 将会带来显著的经济和社会效益。

1~3

图1 STATCOM 简化工作原理图

整个STATCO M 装置相当于一个电压大小可以控制的电压源, 理想情况下(忽略线路阻抗和STAT

COM 的损耗), 可以将STATC OM 的输出等效成可控电压源U I , 系统视为理想电压源U S , 两者相位一致, 连接电抗为X 。当U I >U S 时, 从系统流向STATCOM 的电流相位超前系统电压90! , STATCO M 工作于∀容性#区, 输出感性无功; 反之, 当U I

2 STATCOM 的工作原理

由于电流型P WM 变流器直流侧大电感上始终有电流流过, 该电流将在大电感的内阻上产生较大损耗, 因而, 电流型P WM 变流器目前较少使用, 实用的大容量STATCOM 基本上都采用电压型变换器(Voltage sourced inverter , VSI) 。图1为STATCOM 的原理示意图, STATCOM 的主电路包括作为储能元件的电容和基于电力电子器件的VSI , 电容为STAT CO M 提供直流电压支撑, 变流器主要功能是将直流电压变换为交流电压, 而交流电压的大小、频率和相位可以通过变流器的驱动脉冲来控制。连接变压器将变流器输出的电压变换到与系统电压等级相同, 从而使STATCOM 装置可以并联到电力系统中。连接变压器本身的漏抗可以用于限制电流, 防止变流

器故障或系统故障时产生过大的电流。

收稿日期:2007 04 10

3 主电路

3. 1 主电路的基本形式

静止同步补偿器的主电路一般由变流器构成。根据变流器的直流侧采用电容或电感两种不同的储

能元件, 其主电路结构可以分为电压型和电流型两种桥式电路; 根据电平数量进行分类, 可以分为两电平和多电平; 根据相数的不同分类, 可以分为单相与三相; 根据桥臂数量进行分类, 可以分为两桥臂、三桥臂和四桥臂电路。STATCO M 的主电路基本形式如图2所示。两桥臂电路用于单相电路, 或者将三组两桥臂电路连接成三相电路, 这在三相多级串联电路中被广泛使用。三桥臂电路和四桥臂电路区别在于后者增加了一个桥臂, 更适合用于三相四线制不平衡系统, 同时, 避免交流系统与STATCO M 直流侧相连。当然, 三桥臂也适合用于三相四线制系统, 但是需要从

直流电容或电感的中点与交流侧的中线相连。

连接方式、不同变流器间的移相角度、交流侧输出是采用并联还是串联, 同时, 还要结合其他的一些问题, 如, 谐波、动态响应, 以及是否要采用三电平结构或P WM 脉宽调制等问题进行综合考虑。3. 2. 2 多电平技术

多电平技术是由几个电平台阶合成阶梯波以逼近正弦波输出的处理方式, 由此构成的多电平变流器不仅能降低所用功率开关器件的电压定额, 而且大大地改善了输出特性, 减少了输出电压中的谐波含量, 也无需像多重化中要使用多台特殊连接的输出变压器, 在减少电网谐波和补偿电网无功功率方面都有了非常良好的应用前景。多电平变流器有三种典型拓扑:二极管箝位型、浮动电容箝位型(或称飞跨电容型) 、链式H 桥型(或称级联逆变器型) 。3. 2. 3 单相桥串联技术

即所谓的链式连接技术。采用链式结构的STATCO M 装置每相都有若干个单相桥串联组成。由于采用单相桥串联, 因此, 总的电压输出和整个装置的容量可以成倍提高, 而且可以对串联的每个桥采用不同的驱动脉冲, 使每个桥输出电压所含谐波大小和相位不一样, 使最终叠加而成的总输出电压谐波含量很小。链式连接方式可以做成模块化, 而且在设计时可以采用冗余设计, 串联桥链中某一个单相桥损坏可以不影响整个桥链的工作。链式结构另一个突出优点是其三相相互独立, 因此, 可以三相独立控制, 在电力系统不平衡时, 装置仍然可以正常运行。但链式结构也存在缺点, 即三相分开且每个单相桥分开, 因此, STATCO M 装置在工作时, 单相桥直流侧电压波动较大, 因而, 直流侧需要安装容量较大的交流电容器, 同时, 串联的单相桥直流侧电压可能不平衡, 因此, 要采取较复杂的外围电路或控制方法平衡直流侧电压, 否则会影响STATC OM 装置的安全。

图2 单相桥、三相桥、三单相桥示意图

3. 2 主电路中采用的技术

由于单相桥(或三相桥) 电路输出电压谐波含量大, 直接接入电力系统, 会造成谐波污染, 同时, 受到GTO 等开关器件的容量和安全工作电压的限制, 三个单相桥或单个三相桥还不能构成真正满足电力系统谐波要求与容量要求的大容量电压型逆变装置。如何采用GTO 等器件配合变压器、电抗器、电容器等构成满足电力系统电压等级要求、谐波要求与容量要求的STATCO M 装置就成为STATCOM 主电路设计的关键。在目前的电力电子技术水平下经常使用多重化技术、多电平技术和单相桥串联技术来提高逆变器容量和电压等级, 同时, 有效地消除谐波, 所以, 在具体的实际工程中应用较多。3. 2. 1 多重化技术

多重化就是将多组变流器的输出矩形波在相位上错开一定角度进行叠加, 使之尽可能接近正弦波的多阶梯波。即由多组变流器组成输出近似正弦电压的STATCO M 。这是大幅度提高装置总容量的最有效的办法, 采用2、4或者8个三相桥变流器或三单相桥变流器组合使用的方法, 可成倍提高装置的总容量。采用多重化时, 必须考虑交流侧变压器的

4 控制系统

4. 1 瞬时无功电流的检测

要实现STATC OM 的快速补偿功能, 必须要快速准确地从负荷电流中检测出无功电流, 应用赤木于1983年提出的瞬时无功理论将三相瞬时电流分解成有功与无功电流分量, 图3为无功电流检测电路。通过锁相环PLL 和正余弦发生电路获得与Ua 同相位的si n t 和∃cos , t 然后, 将三相电流通过dq 变换, 得到交轴分量iq 。i q 经低通滤波器(LPF) 得到直流分量i q , iq 再经过dq 反变换后就得到a 、b 、c 三相基波正序无功电流。

图3 无功电流检测电路

图4 采用dq 变换的电流直接控制电路

4. 2 控制方法、策略

目前, STATCOM 的控制从控制方式上讲, 有3

种基本结构:开环控制、闭环控制或者两者结合的复合控制。按照控制策略来分, 主要包括基于比例的系统电压控制, 基于PI 的无功功率控制, PI D 控制, PI D+PSS 控制, 逆系统PI 控制, 微分代数控制, 非线性鲁棒控制, 滑模变结构控制, 模糊控制, 递归神经网络自适应控制等等。神经网络自适应控制方法不依赖于系统模型的建立, 但是它有实时性不好, 网络结构难确定等缺点; 其余几种方法均是对非线性系统进行线性化, 其中微分代数控制方法中微分方程和代数方程的联立求解过程太复杂, 鲁棒自适应控制方法中权系数的正确选择很困难, 因此, 实际应用中以PI 控制居多。我国自行研制的20 var STATCOM 的控制器就是采用单环PI 控制, 仅用控制环控制STATCO M 输出的无功功率, 控制算法分别采用了三种典型模块, 即恒无功功率控制、恒电压控制和阻尼振荡的迭代学习控制。

根据控制物理量, 由无功电流参考值调节STATCOM 产生所需无功电流的具体控制方法, 可以

分为直接电流控制和间接电流控制两大类。4. 2. 1 直接电流控制

所谓电流的直接控制, 就是采用跟踪型P WM 控制技术对电流波形的瞬时值进行反馈控制。其中的跟踪型P WM 控制技术可以采用滞环比较方式, 也可以采用三角波比较方式。图4给出了引入dp 坐标变换的电流直接控制方法, 此法由于其参考值I I Pref 和反馈值Iq 、I p 在稳态时均为直流信号, 因Q ref 、

此, 通过PI 调节器可以实现无稳态误差的电流跟踪控制。由于直接电流控制法是对电流瞬时值的跟踪控制, 它有较高的相应速度和控制精度, 但它要求主电路中电力半导体开关器件有较高的开关频率, 对于目前的大功率STATCOM 场合, 这种方法有很大的局限性, 适用于中小容量的STATCO M 的控制。4. 2. 2 间接电流控制

所谓间接电流控制, 是通过对STATCOM 逆变器所产生交流电压基波分量的相位和幅值来间接控制STATCOM 的交流侧所需产生的无功电流。图

6~8

为角和! 角配合控制的间接电流控制电路, 根据稳态时角与逆变器交流测电压基波有效值U I 应有的一一对应关系, 在控制逆变器交流测方波脉冲超前角(即逆变器等效交流电压源的相位) 的同时, 配合进行方波脉冲宽度角! (即等效交流电压源或者说U I ) 的控制, 也就是通过改变逆变器交流测输出方波脉冲的宽度来使U I 调节到当前角对应所需的稳态值。间接电流控制方法多应用于较大容量STATCO M 。大容量的系统, 由于开关频率的降低, 输出的电压会产生大量的谐波并降低直流电压的利用率, 为了减少谐波, 可以采用多重化、多电平或者采用P WM

控制技术。

图5 采用和! 配合控制的电流间接控制电路

5 结语

静止同步补偿器作为一种新型的无功功率补偿调节装置, 已经成为现代无功功率补偿装置的发展方向, 成为国内外电力系统行业的重点研究方向之一。近年来, 人工智能技术获得了飞速地发展, 充分利用人工智能领域的研究成果, 依据人们在常年的系统运行中所积累的丰富经验, 基于专家系统设计具有学习功能的STATC OM 智能控制器, 有望在多目标、非线性控制问题上取得突破。参考文献:

1 K eshavan B K, N agesh Prabhu . D a m ping of subsynchron

ous oscillati ons usi ng STATCOM a FA CTS dev i ce C . I EEE T rans m ission and D i str i bution Conference and Ex pos i tion , 2001, 1(1):1~7.

2 孙元章, 赵枚, 黎雄, 等. STATCOM 控制的电力系统稳

定性分析 J . 电力系统自动化, 2001, 25(11):1~5. 3 P ranesh R ao , C row M L, Y ang z h i p i ng. STATCOM contro l

f o r po w er sy stem vo ltage contro l applica tions J . IEEE T rans . on Pow er D eli very , 2000, 15(4):1311~1317.

4 谢小荣, 姜齐荣. 柔性交流输电系统的原理与应用

M . 北京. 清华大学出版社. 2006.

5 Akag iH, K ana i aw a Y, N abae A. G enera lized t heory o f t he

instaneous reac tive powe r i n t hree phase circu its C . IPEC . 1983. 1375.

6 Y ao Z , Donescu V, K esi m par P eta. l N on li near Con tro l for

STAT COM Based on D ifferen ti a lA l gebra[J].I EEE P o w er E l ec tron i cs Spec iali st Conference , 1998, 17 22:329~

334.

7 陈巍. 吴捷. 静止无功发生器递归神经网络自适应控

制 J . 电力系统自动化, 1999, 23(8):27~31. 8 谢小荣, 崔文进, 唐义良, 等. STATCOM 无功电流的鲁

棒自适应控制 N . 中国电机工程学报, 2001, 21(4):35~39.

9 范舜, 韩水. 配电网无功优化及无功补偿装置 M . 北

京. 中国电力出版社, 2004.

Research of static sync hronous co mpensat or pri nci ple and applicati ons

XU Jun shan , Z HANG Chao w u , ZENG X ian hu

(1. School of M echanical and E lectronic E ngineering of Lanzhou Un i v ersit y of Technology , Gansu P rov. , Lanzhou 730050, China; 2. Lanzhou Po w er Station &Vehicle Institute , G ans u P rov. , Lanzhou 730050, Ch i n a;

3. Lanzhou University o f T echno logy, G ans u P rov . , Lanzhou 730050, Ch i n a; ) Abst ract :Based on the practica l app li c ations of static synchronous co m pensato r and its theo retica l pri n ciples, t h e paper ai m s at the syste m atic study o fm a i n circu its, techn i q ues e m ployed and contr o lli n g tactics as w ell as test m ethods of instantaneous reactive curren, t d irect and ind irect contro lli n g m eans of curren t, and fi n ally t h e f u ture technical develop m ent and study o f static synchronous co m pensation is put for w ard .

K ey w ords :static synchronous co m pensator ; reactive load co m pensati o n ; contro l stra tegy (上接第35页)

(6) 当内燃机在工作时, 严禁用蓄电池测量仪或三用表检查电量或电压, 并不得在蓄电池附近抽烟, 或火焰靠近。以防发生爆炸;

(7) 严禁用短路打火的方法检查蓄电池电量。不可将工具或其它金属物放在蓄电池上, 以防短路;

(8) 要定期对蓄电池加水塞上的通气孔进行检查以防杂物或灰尘堵塞其孔导致事故发生; (9) 研制蓄电池电量自动检测显示器, 无须油机员或驾驶员冒风险去检测蓄电池电量。只要在配

电箱面板上或驾驶室内一按按钮就能显示出蓄电池的存电量。这就彻底根除了人为检测蓄电池带来的危险;

(10) 万一蓄电池出现破裂和爆炸时, 若有电解液溅在皮肤上, 应立即就近用清水进行清洗, 然后, 迅速就诊, 不得迟误, 否则会留下终身残疾。参考文献:

1 发动机维护与修理(移动电站专业教材) Z . 桂林空

军高炮学院, 1997. 8.

Anal yzi ng and preve ntive m easure of explosibilit y

for m obile po wer station battery

LU X in x iang , KANG Feng

(GuilinAir Force Acadi m y , G uangx iP rov . , G uilin 541003, China )

Abst ract :Analyx zed exp losive cause and expounded preventive m easure ofm obile po w er station ba tter y . K ey w ords :battery ; exp l o si v e cause ; preventive m easure

静止同步补偿器原理与应用研究

许军山, 张超武, 曾贤虎

(1. 兰州理工大学机电工程学院, 甘肃兰州 730050;

2. 兰州电源车辆研究所, 甘肃兰州 730050; 3. 兰州理工大研究生部, 甘肃兰州 730050)

关键词:静止同步补偿器; 无功补偿; 控制策略

中图分类号:TM 762. 3 文献标识码:A 文章编号:1003 4250(2007 ) 02 0040 04

作者简介:许军山

(1979 ), 男, 甘肃古浪人, 硕士研究生, 主要研究电力系统无功优化与无功补偿。

1 引言

1~3

图1 STATCOM 简化工作原理图

整个STATCO M 装置相当于一个电压大小可以控制的电压源, 理想情况下(忽略线路阻抗和STAT

2 STATCOM 的工作原理

器故障或系统故障时产生过大的电流。

收稿日期:2007 04 10

3 主电路

3. 1 主电路的基本形式

静止同步补偿器的主电路一般由变流器构成。根据变流器的直流侧采用电容或电感两种不同的储

直流电容或电感的中点与交流侧的中线相连。

图2 单相桥、三相桥、三单相桥示意图

3. 2 主电路中采用的技术

4 控制系统

4. 1 瞬时无功电流的检测

图3 无功电流检测电路

图4 采用dq 变换的电流直接控制电路

4. 2 控制方法、策略

目前, STATCOM 的控制从控制方式上讲, 有3

根据控制物理量, 由无功电流参考值调节STATCOM 产生所需无功电流的具体控制方法, 可以

分为直接电流控制和间接电流控制两大类。4. 2. 1 直接电流控制

所谓间接电流控制, 是通过对STATCOM 逆变器所产生交流电压基波分量的相位和幅值来间接控制STATCOM 的交流侧所需产生的无功电流。图

6~8

控制技术。

图5 采用和! 配合控制的电流间接控制电路

5 结语

1 K eshavan B K, N agesh Prabhu . D a m ping of subsynchron

ous oscillati ons usi ng STATCOM a FA CTS dev i ce C . I EEE T rans m ission and D i str i bution Conference and Ex pos i tion , 2001, 1(1):1~7.

2 孙元章, 赵枚, 黎雄, 等. STATCOM 控制的电力系统稳

定性分析 J . 电力系统自动化, 2001, 25(11):1~5. 3 P ranesh R ao , C row M L, Y ang z h i p i ng. STATCOM contro l

f o r po w er sy stem vo ltage contro l applica tions J . IEEE T rans . on Pow er D eli very , 2000, 15(4):1311~1317.

4 谢小荣, 姜齐荣. 柔性交流输电系统的原理与应用

M . 北京. 清华大学出版社. 2006.

5 Akag iH, K ana i aw a Y, N abae A. G enera lized t heory o f t he

instaneous reac tive powe r i n t hree phase circu its C . IPEC . 1983. 1375.

6 Y ao Z , Donescu V, K esi m par P eta. l N on li near Con tro l for

STAT COM Based on D ifferen ti a lA l gebra[J].I EEE P o w er E l ec tron i cs Spec iali st Conference , 1998, 17 22:329~

334.

7 陈巍. 吴捷. 静止无功发生器递归神经网络自适应控

制 J . 电力系统自动化, 1999, 23(8):27~31. 8 谢小荣, 崔文进, 唐义良, 等. STATCOM 无功电流的鲁

棒自适应控制 N . 中国电机工程学报, 2001, 21(4):35~39.

9 范舜, 韩水. 配电网无功优化及无功补偿装置 M . 北

京. 中国电力出版社, 2004.

Research of static sync hronous co mpensat or pri nci ple and applicati ons

XU Jun shan , Z HANG Chao w u , ZENG X ian hu

K ey w ords :static synchronous co m pensator ; reactive load co m pensati o n ; contro l stra tegy (上接第35页)

(6) 当内燃机在工作时, 严禁用蓄电池测量仪或三用表检查电量或电压, 并不得在蓄电池附近抽烟, 或火焰靠近。以防发生爆炸;

(7) 严禁用短路打火的方法检查蓄电池电量。不可将工具或其它金属物放在蓄电池上, 以防短路;

电箱面板上或驾驶室内一按按钮就能显示出蓄电池的存电量。这就彻底根除了人为检测蓄电池带来的危险;

(10) 万一蓄电池出现破裂和爆炸时, 若有电解液溅在皮肤上, 应立即就近用清水进行清洗, 然后, 迅速就诊, 不得迟误, 否则会留下终身残疾。参考文献:

1 发动机维护与修理(移动电站专业教材) Z . 桂林空

军高炮学院, 1997. 8.

Anal yzi ng and preve ntive m easure of explosibilit y

for m obile po wer station battery

LU X in x iang , KANG Feng

(GuilinAir Force Acadi m y , G uangx iP rov . , G uilin 541003, China )

Abst ract :Analyx zed exp losive cause and expounded preventive m easure ofm obile po w er station ba tter y . K ey w ords :battery ; exp l o si v e cause ; preventive m easure

静止同步补偿器原理与应用研究

相关文章