級聯(lián)多電平靜止同步補(bǔ)償器關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用研究.pdf

1、隨著工業(yè)的發(fā)展及人們對清潔能源的迫切需求，大量的非線性、不平衡負(fù)載及可再生能源接入電網(wǎng)，帶來了一系列電能質(zhì)量問題，尤其以無功、諧波、三相不平衡和電壓波動(dòng)、閃變及不對稱等最為突出，對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定高效運(yùn)行產(chǎn)生影響，限制了電網(wǎng)接納新能源的能力?；诩壜?lián)多電平結(jié)構(gòu)的靜止同步補(bǔ)償器(Static Synchronous Compensator，STATCOM)，具有結(jié)構(gòu)模塊化、無功調(diào)節(jié)速度快、輸出特性理想、接入系統(tǒng)無諧振等優(yōu)點(diǎn)，是目前高壓大容量

2、應(yīng)用場合中最有效的電能質(zhì)量解決方案之一。
　　針對級聯(lián)多電平結(jié)構(gòu)的靜止同步補(bǔ)償器關(guān)鍵理論和技術(shù)，本文以國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)項(xiàng)目《大型光伏電站并網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究》[2011AA05A301]為依托，深入研究了靜止同步補(bǔ)償器輸出濾波器結(jié)構(gòu)、電流控制策略、直流側(cè)電壓穩(wěn)定性、不平衡負(fù)載補(bǔ)償策略及在電壓不對稱工況下的無功控制策略等。研究重點(diǎn)和取得的成果主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:
　　(1)提出了級聯(lián)型STATCOM的預(yù)測控

3、制策略，由基于有限控制集的模型預(yù)測電流控制與電容電壓控制組成。從級聯(lián)型STATCOM的工作原理出發(fā)，建立了變換器等效電路，推到了變換器數(shù)學(xué)模型;針對常規(guī)模型預(yù)測控制存在電流跟蹤誤差的問題，通過分析單個(gè)控制周期內(nèi)變換器輸出電平變化量與電流變化率的關(guān)系，提出了優(yōu)化模型預(yù)測控制，在一個(gè)控制周期內(nèi)利用兩個(gè)不同電流變化率的線性組合，調(diào)整該周期內(nèi)電流的變化，從而在每個(gè)周期末消除電流跟蹤誤差。該方法保留了預(yù)測控制良好的動(dòng)態(tài)性能，相比于常規(guī)模型預(yù)測控制

4、，相同控制頻率時(shí)所提方法能夠減少平均電流誤差，降低電流畸變率，改善了預(yù)測控制靜態(tài)性能。同時(shí)，研究了級聯(lián)型STATCOM直流側(cè)電壓穩(wěn)定性，考慮電壓反饋通道上的濾波環(huán)節(jié)，建立了電壓控制閉環(huán)模型，求解了閉環(huán)傳遞函數(shù)，分析了二階低通濾波器和二階帶阻濾波器參數(shù)對電壓穩(wěn)定性的影響，利用穩(wěn)定判據(jù)推導(dǎo)了電壓閉環(huán)控制參數(shù)的選取約束條件，可以為電容電壓外環(huán)PI控制器的設(shè)計(jì)提供理論支持。
　　(2)針對不平衡非線性負(fù)載產(chǎn)生的無功、負(fù)序和諧波電流，提出了

5、角形級聯(lián)STATCOM的綜合補(bǔ)償策略。從分析不平衡工況下相電流和線電壓在三相鏈節(jié)上產(chǎn)生的不平衡有功功率入手，推導(dǎo)了不對稱電壓工況下角形STATCOM三相鏈節(jié)有功功率，給出了零序電流可以實(shí)現(xiàn)相間功率再平衡的理論推導(dǎo)。再結(jié)合角形變換器相電流與線電流的關(guān)系，利用相量分解法，給出了角形STATCOM在正序無功電流、負(fù)序電流和綜合補(bǔ)償三種補(bǔ)償模式下線電壓與相電流相量的約束關(guān)系，推導(dǎo)了滿足線電壓相量和相電流相量垂直關(guān)系的零序電流表達(dá)式。進(jìn)而，提出角

6、形STATCOM綜合補(bǔ)償策略，包括指令計(jì)算、指令合成和鏈節(jié)電壓電流控制三部分，首先根據(jù)提取的電壓和電流信號計(jì)算出零序電流和正序有功電流指令，零序電流指令與線電流指令疊加得到補(bǔ)償器相電流指令，再根據(jù)相電流指令結(jié)合相鏈節(jié)電壓和電流控制實(shí)現(xiàn)對非線性、不平衡負(fù)載的綜合補(bǔ)償。搭建了仿真模型，仿真結(jié)果表明所提方法能夠改善補(bǔ)償器動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，消除負(fù)序電壓對補(bǔ)償性能的影響。
　　(3)針對不對稱電壓工況下級聯(lián)STATCOM無功控制問題，提出一種適

7、用于角形級聯(lián)STATCOM的柔性無功支撐策略。利用所提無功控制策略，STATCOM在電壓不對稱工況下能夠向電網(wǎng)提供正序和負(fù)序的無功功率，穩(wěn)定電網(wǎng)正序電壓減少公共連接點(diǎn)電壓波動(dòng)，抑制連接點(diǎn)電壓負(fù)序電壓改善電網(wǎng)電壓不平衡度;有利于更好地接納風(fēng)電、光伏等新能源，減輕新能源接入對電網(wǎng)的影響，增強(qiáng)風(fēng)電站、光伏電站等的故障穿越能力;并具備最大電流限幅能力，向電網(wǎng)提供無功功率的同時(shí)可以維持STATCOM的安全穩(wěn)定運(yùn)行，提高補(bǔ)償器自身的故障穿越能力。考

8、慮電壓不對稱工況下已知功率指令求解電流指令具有多種方法，本文還對比分析了采用消除有功功率波動(dòng)法、消除無功功率波動(dòng)法及對稱正序無功電流注入法求解相電流指令時(shí)STATCOM輸出性能的差異，為不對稱工況下的STATCOM的無功控制策略選取提供參考。
　　(4)研究了LC串聯(lián)耦合式級聯(lián)STATCOM及其控制策略。不同于常規(guī)電感濾波式的STATCOM，LC耦合式STATCOM輸出濾波器采用電感和電容串聯(lián)結(jié)構(gòu)，在容性無功補(bǔ)償補(bǔ)償容量、運(yùn)行效率

9、等方面更具優(yōu)勢。分析了LC耦合式STATCOM的工作原理和運(yùn)行性能，并建立了離散狀態(tài)方程。針對LC串聯(lián)存在諧振的問題，提出了適用于LC耦合式STATCOM的狀態(tài)反饋控制，可以有效地增大諧振阻尼，并改善系統(tǒng)的基頻增益，提高電流控制的性能;基于所推導(dǎo)的離散狀態(tài)方程，構(gòu)建了輸出電容電壓狀態(tài)觀測器，利用電壓觀測值進(jìn)行狀態(tài)反饋可以省去電容電壓傳感器，降低系統(tǒng)成本。最后仿真驗(yàn)證了所提LC耦合式STATCOM及其控制策略的可行性和有效性。