級(jí)聯(lián)多電平靜止同步補(bǔ)償器及其負(fù)序補(bǔ)償若干關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、隨著電力工業(yè)的不斷發(fā)展，電網(wǎng)對(duì)無功電源要求日益嚴(yán)格，傳統(tǒng)的無功補(bǔ)償裝置已難以滿足某些特殊場(chǎng)合的應(yīng)用要求。基于級(jí)聯(lián)多電平逆變技術(shù)的靜止同步補(bǔ)償器(Static Synchronous Compensator，STATCOM)是一類新型的無功補(bǔ)償裝置，具有模塊化、易擴(kuò)展的優(yōu)點(diǎn)，通過全橋或半橋子模塊級(jí)聯(lián)克服了單個(gè)電力電子器件耐壓不足的缺點(diǎn)，可直接接入中高壓配電網(wǎng)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者已對(duì)級(jí)聯(lián)多電平STATCOM進(jìn)行了許多前期研究，級(jí)聯(lián)多電平STATCO

2、M已開始投入工程應(yīng)用。
　　根據(jù)結(jié)構(gòu)上的差異，可將三相級(jí)聯(lián)多電平STATCOM將分為三種：基于全橋模塊級(jí)聯(lián)的星形結(jié)構(gòu)(Single-Star Bridge-Cells，SSBC)、三角形結(jié)構(gòu)(Single-Delta Bridge-Cells，SDBC)和基于半橋模塊級(jí)聯(lián)的雙星形結(jié)構(gòu)(Double-Star Chopper-Cells，DSCC)。本論文得到了國(guó)家“863”計(jì)劃項(xiàng)目“大型工業(yè)企業(yè)電氣節(jié)能新技術(shù)新裝備及其工程應(yīng)用”的

3、資助，圍繞級(jí)聯(lián)多電平靜止同步補(bǔ)償器展開，依次對(duì)級(jí)聯(lián)多電平STATCOM的調(diào)制方法、直流側(cè)電壓穩(wěn)定性、SDBC型STATCOM負(fù)荷平衡化補(bǔ)償相電流指令計(jì)算方法、SSBC型STATCOM負(fù)序補(bǔ)償控制方法以及DSCC型STATCOM的負(fù)序補(bǔ)償特性等多個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行研究，旨在進(jìn)一步改善級(jí)聯(lián)多電平STATCOM的諧波特性，提高裝置的穩(wěn)定性，拓展級(jí)聯(lián)多電平STATCOM的應(yīng)用功能。研究重點(diǎn)及取得的成果主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
　　(1)闡述了級(jí)

4、聯(lián)多電平STATCOM的工作原理，提出了適用于級(jí)聯(lián)多電平STATCOM的單載波調(diào)制方法。該調(diào)制方法采用單路三角形載波完成多電平調(diào)制，兼有載波同相層疊調(diào)制良好的消諧性能和載波移相調(diào)制開關(guān)分配均衡的優(yōu)點(diǎn)。并將所提調(diào)制方法與電壓電流雙閉環(huán)控制策略結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)級(jí)聯(lián)多電平STATCOM的控制。仿真對(duì)比了級(jí)聯(lián)多電平STATCOM采用單載波調(diào)制和載波移相調(diào)制的控制效果，結(jié)果表明：?jiǎn)屋d波調(diào)制輸出電壓和電流的諧波特性優(yōu)于載波移相調(diào)制。
　　(2)

5、研究了直流側(cè)電壓反饋回路中的濾波環(huán)節(jié)對(duì)級(jí)聯(lián)多電平STATCOM直流側(cè)電壓穩(wěn)定性的影響。根據(jù)能量平衡的思想，將級(jí)聯(lián)多電平STATCOM等效為積分環(huán)節(jié)；考慮直流側(cè)電壓反饋回路中的濾波環(huán)節(jié)，建立了基于PI控制的閉環(huán)模型。根據(jù)勞思-赫爾維茨穩(wěn)定判據(jù)，對(duì)級(jí)聯(lián)多電平STATCOM直流側(cè)電壓控制環(huán)進(jìn)行了穩(wěn)定性分析，結(jié)果表明：PI調(diào)節(jié)器積分時(shí)間常數(shù)大于濾波環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)是系統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件。運(yùn)用根軌跡法和頻率特性曲線分析了調(diào)節(jié)器比例系數(shù)和積分時(shí)間常數(shù)

6、對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性及響應(yīng)速度的影響，為級(jí)聯(lián)多電平STATCOM直流電壓調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)提供了參考。最后，搭建了3kV單相級(jí)聯(lián)多電平STATCOM實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，驗(yàn)證了穩(wěn)定性分析的正確性。
　　(3)為實(shí)現(xiàn)三角形級(jí)聯(lián)多電平STATCOM對(duì)不平衡負(fù)荷的補(bǔ)償，本文提出了基于瞬時(shí)功率理論的三角形補(bǔ)償器相電流指令快速計(jì)算方法。通過對(duì)補(bǔ)償電路相量圖進(jìn)行幾何分析，并根據(jù)瞬時(shí)功率理論推導(dǎo)出dq/△變換矩陣，該變換矩陣可應(yīng)用于負(fù)序補(bǔ)償系統(tǒng)和綜合補(bǔ)償系統(tǒng)。三相電流瞬

7、時(shí)值經(jīng)abc/dq變換、低通濾波，得到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的負(fù)序有功電流分量和負(fù)序無功電流分量；再經(jīng)dq/△變換矩陣，便可得到三角形級(jí)聯(lián)多電平STATCOM負(fù)序補(bǔ)償所需的相電流指令。為進(jìn)一步簡(jiǎn)化綜合補(bǔ)償電流指令的計(jì)算，從計(jì)算相電流零序環(huán)流的角度出發(fā)，對(duì)三角形級(jí)聯(lián)多電平STATCOM的零序電流進(jìn)了推導(dǎo)，提出基于瞬時(shí)功率理論的零序環(huán)流計(jì)算方法和簡(jiǎn)化的綜合補(bǔ)償電流指令提取方法。所提電流指令提取方法均采用電流瞬時(shí)值進(jìn)行運(yùn)算，避免了基于Steinme

8、tz原理的補(bǔ)償導(dǎo)納計(jì)算過程所需的相量識(shí)別，響應(yīng)速度優(yōu)于現(xiàn)有方法。最后，搭建了PSIM仿真模型驗(yàn)證了所提方法的有效性和優(yōu)越性。
　　(4)建立了星形級(jí)聯(lián)多電平STATCOM分序模型，闡述了補(bǔ)償器進(jìn)行無功和負(fù)序綜合補(bǔ)償?shù)墓ぷ髟恚赫{(diào)節(jié)補(bǔ)償器輸出電壓的正、負(fù)序分量可控制其輸出電流；選擇合適的電壓零序分量，可使鏈節(jié)輸出電壓與電流相量正交，維持各相鏈節(jié)直流側(cè)電壓穩(wěn)定。根據(jù)相量圖對(duì)零序分量進(jìn)行了數(shù)學(xué)推導(dǎo)，得到中性點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡，由中性點(diǎn)坐標(biāo)可知，

9、零序分量受補(bǔ)償器輸出電流無功分量與負(fù)序分量比值的影響。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，補(bǔ)償器電壓輸出能力有限，負(fù)序補(bǔ)償能力往往受到限制，為此本文提出一種改進(jìn)的電壓電流雙閉環(huán)控制策略，增加了對(duì)電流指令中負(fù)序分量的限制，在雙閉環(huán)控制輸出的調(diào)制信號(hào)中疊加零序分量，并通過仿真驗(yàn)證了所作改進(jìn)的必要性。
　　(5)闡述了模塊化多電平STATCOM進(jìn)行負(fù)序電流補(bǔ)償?shù)墓ぷ髟?，?duì)比分析了三角形級(jí)聯(lián)多電平STATCOM和模塊化多電平STATCOM的負(fù)序補(bǔ)償性能。結(jié)果表