諧波電流分體補(bǔ)償式靜止同步補(bǔ)償器研究.pdf

1、隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，越來(lái)越多的冶煉爐、變頻器、電氣化機(jī)車等負(fù)荷并網(wǎng)運(yùn)行。這些負(fù)荷具有很強(qiáng)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(dòng)等問(wèn)題日益突出，惡化了用電設(shè)備的運(yùn)行環(huán)境，給社會(huì)經(jīng)濟(jì)造成巨大損失，并顯現(xiàn)出逐年增大趨勢(shì)。目前針對(duì)非線性負(fù)荷帶來(lái)的無(wú)功及諧波問(wèn)題，仍采取不同裝置分別治理的方式，采用固定無(wú)功補(bǔ)償器、SVC、STATCOM等補(bǔ)償技術(shù)進(jìn)行基波無(wú)功補(bǔ)償，采用無(wú)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(wèn)題。為解決這些問(wèn)題，近年來(lái)，隨著高壓大容量STATCOM技術(shù)的日趨成熟，使得STATCOM兼具諧波補(bǔ)償功能，使其進(jìn)行無(wú)功和諧波統(tǒng)一治理的技術(shù)，已具備工程實(shí)施條件。目前STATCOM進(jìn)行諧波電流補(bǔ)償時(shí)，由同一換流閥進(jìn)行無(wú)功和諧波電流補(bǔ)償（簡(jiǎn)稱同體補(bǔ)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(bǔ)償諧波次數(shù)的提升，將會(huì)提高換流閥開關(guān)頻率，增大運(yùn)行損耗;在換流閥

3、開關(guān)頻率難以提升時(shí)，將會(huì)降低諧波補(bǔ)償精度。APF進(jìn)行基波無(wú)功電流補(bǔ)償時(shí)，也采用同體補(bǔ)償方式，換流器開關(guān)頻率高，需輸出全部諧波和基波無(wú)功電流，運(yùn)行損耗大，不適用于高壓大容量場(chǎng)合。基于上述原因，有必要開展低成本、高補(bǔ)償精度、低損耗的無(wú)功和諧波電流補(bǔ)償技術(shù)研究。本文針對(duì)上述問(wèn)題，開展了兼具諧波補(bǔ)償功能STATCOM的新型拓?fù)溲芯浚⒁源藶榛A(chǔ)，進(jìn)行了10kV樣機(jī)研制及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等工作，取得了多項(xiàng)創(chuàng)新成果。
　　提出了諧波電流分體補(bǔ)償式ST

4、ATCOM的新拓?fù)?，具有成本低、補(bǔ)償精度高、損耗低等突出特點(diǎn)?；趯PF高精度補(bǔ)償諧波與STATCOM大容量補(bǔ)償基波相結(jié)合的思路，提出將諧波補(bǔ)償單元并聯(lián)于基波補(bǔ)償單元電抗器兩端，諧、基波補(bǔ)償單元的輸出相并聯(lián)的電路結(jié)構(gòu)，通過(guò)適當(dāng)策略，控制基波補(bǔ)償單元僅輸出基波無(wú)功補(bǔ)償電流，諧波補(bǔ)償單元僅輸出諧波補(bǔ)償電流，構(gòu)成了一種諧波電流分體補(bǔ)償式STATCOM新拓?fù)?。通過(guò)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(bǔ)償式STA

5、TCOM輸出方程，獲得了其輸出諧、基波補(bǔ)償電流與換流器輸出電壓的關(guān)系。與諧基同體補(bǔ)償式STATCOM拓?fù)湎啾?，該拓?fù)渲谢ㄑa(bǔ)償單元不輸出諧波電流，降低了對(duì)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(bǔ)償單元采用定制化的高頻換流器，提高了諧波的補(bǔ)償精度。以基波補(bǔ)償額定參數(shù)10kV/2MVA STATCOM，補(bǔ)償含有容量1MVA的6脈動(dòng)整流負(fù)荷的25次以內(nèi)諧波電流為例，對(duì)諧波電流分體補(bǔ)償式和同體補(bǔ)償式拓?fù)溥M(jìn)行了計(jì)算分析

6、，當(dāng)同體補(bǔ)償式采用提高直流電壓水平的方式時(shí)，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(bǔ)償式采用降低補(bǔ)償基波電流能力方式時(shí)，完全補(bǔ)償上述負(fù)荷中任一單次諧波，最大將降低其基波補(bǔ)償能力的一半。此外，就諧波補(bǔ)償而言，以通常采用的12個(gè)換流器級(jí)聯(lián)、開關(guān)頻率為400Hz的10kV STATCOM為例，僅可精確補(bǔ)償13以內(nèi)諧波電流;若精確補(bǔ)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(bǔ)償式STATCOM換流閥的損耗特性，與同體補(bǔ)償式STATCOM相比，其額定工況損耗降低約12.6％。分析了STATCOM各運(yùn)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(guò)換流閥時(shí)產(chǎn)生的損耗隨運(yùn)行參數(shù)變化的計(jì)算模型，分析獲得了換流閥損耗隨運(yùn)行電流有效值變化的規(guī)律。以基波補(bǔ)償額定參數(shù)10kV/2MVA STATCOM，補(bǔ)償含有容量1MVA的6脈動(dòng)整流負(fù)荷的25次諧波電流為例，仿真計(jì)算了諧

8、波電流分體補(bǔ)償式和同體補(bǔ)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(bǔ)償時(shí)，諧波電流分體補(bǔ)償式較同體補(bǔ)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(shì)更加明顯。
　　提出了諧波電流分體補(bǔ)償式STATCOM控制策略，實(shí)現(xiàn)了諧、基波補(bǔ)償單元之間的協(xié)調(diào)控制?；谥C、基波補(bǔ)償單元在電路上通過(guò)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(cè)方法，并將該電壓用于諧

9、波補(bǔ)償單元輸出電流的前饋控制，實(shí)現(xiàn)了諧、基補(bǔ)償單元之間解耦的控制。通過(guò)建立基波補(bǔ)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(jì)了基波補(bǔ)償單元的補(bǔ)償控制策略，實(shí)現(xiàn)了基波無(wú)功的穩(wěn)定控制。分析了幾種典型諧波檢測(cè)方法，采用了頻域分析與時(shí)域重構(gòu)的方法，設(shè)計(jì)了諧波電流的補(bǔ)償控制策略，實(shí)現(xiàn)了諧波電流高精度補(bǔ)償控制。
　　揭示了STATCOM預(yù)充電過(guò)程直流電壓不均衡分布的機(jī)理，提出了電容補(bǔ)償均衡取能變壓器勵(lì)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(guò)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(guò)程直流電壓不平衡分布的機(jī)理，并提出了電容補(bǔ)償均衡取能變壓器勵(lì)磁特性的取能電路方案。搭建了低壓物理實(shí)驗(yàn)電路，進(jìn)行了預(yù)充電實(shí)驗(yàn)測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明:未采取電容補(bǔ)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(bǔ)償措施后，電壓偏差僅為5V，驗(yàn)證了取能電路設(shè)計(jì)方案的有效性，解決了預(yù)

11、充電過(guò)程直流電壓漂移的突出難題。
　　提出了諧波電流分體補(bǔ)償式STATCOM諧、基波補(bǔ)償單元的參數(shù)設(shè)計(jì)方案，計(jì)算確定了10kV/2MVA樣機(jī)主要元件參數(shù)。由于諧、基波補(bǔ)償單元的主電路參數(shù)通過(guò)基波連接電抗器存在相互耦合，本文提出了通過(guò)基波連接電抗器的電感值最小化為手段，來(lái)統(tǒng)籌優(yōu)化設(shè)計(jì)的思路，從而降低了諧波補(bǔ)償單元直流電壓水平，并提高其運(yùn)行的可靠性。從諧、基波補(bǔ)償單元功能特點(diǎn)出發(fā)，確定了諧、基波補(bǔ)償單元的各主要參數(shù)計(jì)算方法，滿足了諧、

12、基波補(bǔ)償單元的功能要求。并確定了參數(shù)設(shè)計(jì)原則及設(shè)計(jì)流程，計(jì)算確定了10kV/2MVA樣機(jī)的主要元件參數(shù)。
　　研制出10kV/2MVA諧波電流分體補(bǔ)償式STATCOM樣機(jī)，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了諧波電流分體補(bǔ)償式拓?fù)涞目尚行浴８鶕?jù)控制策略的需求及裝置實(shí)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(jí)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(guò)RTDS-物理控制器閉環(huán)實(shí)驗(yàn)，對(duì)控制系統(tǒng)的性能進(jìn)行了驗(yàn)證。以研制出