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文檔簡介
1、隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展,越來越多的冶煉爐、變頻器、電氣化機車等負(fù)荷并網(wǎng)運行。這些負(fù)荷具有很強的沖擊性和間歇性,并體現(xiàn)出明顯的非線性特征,導(dǎo)致電網(wǎng)的諧波、電壓波動等問題日益突出,惡化了用電設(shè)備的運行環(huán)境,給社會經(jīng)濟造成巨大損失,并顯現(xiàn)出逐年增大趨勢。目前針對非線性負(fù)荷帶來的無功及諧波問題,仍采取不同裝置分別治理的方式,采用固定無功補償器、SVC、STATCOM等補償技術(shù)進(jìn)行基波無功補償,采用無源濾波器、TSF、APF等濾波技術(shù)進(jìn)行諧波治理
2、。此方法存在成本高、占地面積大,裝置間配合復(fù)雜等問題。為解決這些問題,近年來,隨著高壓大容量STATCOM技術(shù)的日趨成熟,使得STATCOM兼具諧波補償功能,使其進(jìn)行無功和諧波統(tǒng)一治理的技術(shù),已具備工程實施條件。目前STATCOM進(jìn)行諧波電流補償時,由同一換流閥進(jìn)行無功和諧波電流補償(簡稱同體補償)方式,一方面提高了換流閥直流電壓水平,加大了裝置體積和成本。另一方面,隨著補償諧波次數(shù)的提升,將會提高換流閥開關(guān)頻率,增大運行損耗;在換流閥
3、開關(guān)頻率難以提升時,將會降低諧波補償精度。APF進(jìn)行基波無功電流補償時,也采用同體補償方式,換流器開關(guān)頻率高,需輸出全部諧波和基波無功電流,運行損耗大,不適用于高壓大容量場合?;谏鲜鲈颍斜匾_展低成本、高補償精度、低損耗的無功和諧波電流補償技術(shù)研究。本文針對上述問題,開展了兼具諧波補償功能STATCOM的新型拓?fù)溲芯?,并以此為基礎(chǔ),進(jìn)行了10kV樣機研制及實驗驗證等工作,取得了多項創(chuàng)新成果。
提出了諧波電流分體補償式ST
4、ATCOM的新拓?fù)?,具有成本低、補償精度高、損耗低等突出特點?;趯PF高精度補償諧波與STATCOM大容量補償基波相結(jié)合的思路,提出將諧波補償單元并聯(lián)于基波補償單元電抗器兩端,諧、基波補償單元的輸出相并聯(lián)的電路結(jié)構(gòu),通過適當(dāng)策略,控制基波補償單元僅輸出基波無功補償電流,諧波補償單元僅輸出諧波補償電流,構(gòu)成了一種諧波電流分體補償式STATCOM新拓?fù)?。通過剖析該拓?fù)潆娐方Y(jié)構(gòu),研究了其工作原理。在此基礎(chǔ)上,建立了諧波電流分體補償式STA
5、TCOM輸出方程,獲得了其輸出諧、基波補償電流與換流器輸出電壓的關(guān)系。與諧基同體補償式STATCOM拓?fù)湎啾?,該拓?fù)渲谢ㄑa償單元不輸出諧波電流,降低了對換流閥直流電壓水平和開關(guān)頻率要求,減少了裝置體積和損耗。此外,諧波補償單元采用定制化的高頻換流器,提高了諧波的補償精度。以基波補償額定參數(shù)10kV/2MVA STATCOM,補償含有容量1MVA的6脈動整流負(fù)荷的25次以內(nèi)諧波電流為例,對諧波電流分體補償式和同體補償式拓?fù)溥M(jìn)行了計算分析
6、,當(dāng)同體補償式采用提高直流電壓水平的方式時,前者較后者換流器數(shù)量減少了15.4%,裝置成本降低了23.4%,占地面積減少約20.2%。當(dāng)同體補償式采用降低補償基波電流能力方式時,完全補償上述負(fù)荷中任一單次諧波,最大將降低其基波補償能力的一半。此外,就諧波補償而言,以通常采用的12個換流器級聯(lián)、開關(guān)頻率為400Hz的10kV STATCOM為例,僅可精確補償13以內(nèi)諧波電流;若精確補償25次以內(nèi)諧波電流,其所有換流器的開關(guān)頻率需提升1.8
7、倍以上。
研究獲得了諧波電流分體補償式STATCOM換流閥的損耗特性,與同體補償式STATCOM相比,其額定工況損耗降低約12.6%。分析了STATCOM各運行參數(shù)的變化范圍和相互關(guān)系,推導(dǎo)并建立了諧、基波電流流過換流閥時產(chǎn)生的損耗隨運行參數(shù)變化的計算模型,分析獲得了換流閥損耗隨運行電流有效值變化的規(guī)律。以基波補償額定參數(shù)10kV/2MVA STATCOM,補償含有容量1MVA的6脈動整流負(fù)荷的25次諧波電流為例,仿真計算了諧
8、波電流分體補償式和同體補償式STATCOM在幾種典型電流工況下的損耗。結(jié)果表明:在進(jìn)行額定電流及25次諧波電流補償時,諧波電流分體補償式較同體補償式STATCOM換流閥損耗大約降低12.6%,且隨著電流的減小,優(yōu)勢更加明顯。
提出了諧波電流分體補償式STATCOM控制策略,實現(xiàn)了諧、基波補償單元之間的協(xié)調(diào)控制?;谥C、基波補償單元在電路上通過基波連接電抗器存在耦合關(guān)系,提出了基波連接電抗器端電壓的快速檢測方法,并將該電壓用于諧
9、波補償單元輸出電流的前饋控制,實現(xiàn)了諧、基補償單元之間解耦的控制。通過建立基波補償單元在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下輸出方程,采用了dq解耦算法和電壓前饋控制,設(shè)計了基波補償單元的補償控制策略,實現(xiàn)了基波無功的穩(wěn)定控制。分析了幾種典型諧波檢測方法,采用了頻域分析與時域重構(gòu)的方法,設(shè)計了諧波電流的補償控制策略,實現(xiàn)了諧波電流高精度補償控制。
揭示了STATCOM預(yù)充電過程直流電壓不均衡分布的機理,提出了電容補償均衡取能變壓器勵磁特性的方案,解決
10、了直流電壓漂移的突出難題。首先分析了取能電路的負(fù)荷特性,建立了預(yù)充電過程中換流閥等效電路,然后分析了交流取能電路與換流閥主電路的相互影響,揭示了預(yù)充電過程直流電壓不平衡分布的機理,并提出了電容補償均衡取能變壓器勵磁特性的取能電路方案。搭建了低壓物理實驗電路,進(jìn)行了預(yù)充電實驗測試。測試結(jié)果表明:未采取電容補償措施前,換流器直流電壓最大偏差304V,分布嚴(yán)重不均。采取電容補償措施后,電壓偏差僅為5V,驗證了取能電路設(shè)計方案的有效性,解決了預(yù)
11、充電過程直流電壓漂移的突出難題。
提出了諧波電流分體補償式STATCOM諧、基波補償單元的參數(shù)設(shè)計方案,計算確定了10kV/2MVA樣機主要元件參數(shù)。由于諧、基波補償單元的主電路參數(shù)通過基波連接電抗器存在相互耦合,本文提出了通過基波連接電抗器的電感值最小化為手段,來統(tǒng)籌優(yōu)化設(shè)計的思路,從而降低了諧波補償單元直流電壓水平,并提高其運行的可靠性。從諧、基波補償單元功能特點出發(fā),確定了諧、基波補償單元的各主要參數(shù)計算方法,滿足了諧、
12、基波補償單元的功能要求。并確定了參數(shù)設(shè)計原則及設(shè)計流程,計算確定了10kV/2MVA樣機的主要元件參數(shù)。
研制出10kV/2MVA諧波電流分體補償式STATCOM樣機,實驗驗證了諧波電流分體補償式拓?fù)涞目尚行?。根?jù)控制策略的需求及裝置實際情況,利用分層控制的思想,構(gòu)建了監(jiān)控層、主控層、閥控層的三級控制體系,并根據(jù)具體功能劃分和要求,進(jìn)行了各層控制系統(tǒng)的研制,通過RTDS-物理控制器閉環(huán)實驗,對控制系統(tǒng)的性能進(jìn)行了驗證。以研制出
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