電氣工程及其自動(dòng)化畢業(yè)設(shè)計(jì)-高壓svg裝置的應(yīng)用現(xiàn)狀(含外文翻譯)

1、<p><b>　　本科畢業(yè)論文</b></p><p><b>　　（20 屆）</b></p><p>　　高壓SVG裝置的應(yīng)用現(xiàn)狀</p><p>　　所在學(xué)院 </p><p>　　專業(yè)班級(jí) 電氣工程及其自動(dòng)化

2、 </p><p>　　學(xué)生姓名 學(xué)號(hào) </p><p>　　指導(dǎo)教師 職稱 </p><p>　　完成日期 年 月 </p><p>　　高壓SVG裝置的應(yīng)用現(xiàn)狀</p><p>

3、;<b>　　摘要</b></p><p>　　無(wú)功功率補(bǔ)償對(duì)電力系統(tǒng)有著重要意義。對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒o(wú)功補(bǔ)償，可以穩(wěn)定電網(wǎng)電壓、提高功率因數(shù)、提高設(shè)備利用率、減小網(wǎng)絡(luò)有功功率損耗；提高輸電能力，平衡三相功率；為系統(tǒng)提供電壓支撐、提高系統(tǒng)運(yùn)行安全性。而近幾年來(lái)，隨著工業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)電能質(zhì)量的要求越來(lái)越高，所以急需一種經(jīng)濟(jì)、有效的無(wú)功補(bǔ)償裝置。</p><p>　　

4、本文通過(guò)對(duì)從早期到現(xiàn)在幾種常用的無(wú)功補(bǔ)償裝置，如同步調(diào)相機(jī)、MSC、SVC、TCSC和SVG，的介紹和對(duì)比，總結(jié)出高壓大容量SVG裝置在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中的重要性和優(yōu)越性，從不同方面對(duì)比了高壓大容量SVG裝置與其他無(wú)功補(bǔ)償裝置的相同點(diǎn)和區(qū)別，并對(duì)其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析。同時(shí)通過(guò)對(duì)國(guó)外已經(jīng)應(yīng)用的高壓大容量SVG裝置進(jìn)行分析，總結(jié)出高壓大容量SVG裝置在實(shí)際應(yīng)用中的優(yōu)點(diǎn)和不足，以及其所起到的作用。最后，對(duì)高壓大容量SVG的基本原理進(jìn)行了研究和分析。介

5、紹和分析了幾種主要的SVG主電路結(jié)構(gòu)，闡釋了高壓大容量SVG裝置的作用和工作原理?？偨Y(jié)了現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外高壓大容量SVG的應(yīng)用情況。</p><p>　　關(guān)鍵字 無(wú)功補(bǔ)償；SVG； 單相橋電路</p><p>　　The Current Status of Application of SVG Device of High Voltage</p><p><b&g

6、t;　　Abstract</b></p><p>　　Reactive power compensation on the power system is of great significance. Appropriate reactive power compensation on the power system can stabilize the grid voltage,improve th

7、e power factor, improve equipment utilization, reduce the network active power loss, improve the transmission capacity, balance three-phase power, provide voltage support for the system, and improve the security of opera

8、tion of the system. In recent years, with the continuous development of industry, power quality requireme</p><p>　　This paper summed up the importance and superiority of the high-pressure high-capacity SVG d

9、evices in modern power system by introduction and comparison of several commonly used reactive power compensation device ,such as synchronous condenser, MSC, SVC, TCSC and SVG, from the early to current, and contrast fro

10、m the different aspects of the similarities and differences of the high-voltage large-capacity SVG device with other reactive power compensation device, and analyze the advantages and disa</p><p>　　Key words

11、 Reactive power compensation; SVG; Single-phase bridge circuit</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　第1

12、章 緒論1</b></p><p>　　1.1 課題研究背景1</p><p>　　1.2 幾種無(wú)功補(bǔ)償裝置簡(jiǎn)介1</p><p>　　1.2.1 早期無(wú)功補(bǔ)償裝置1</p><p>　　1.2.2 MSC1</p><p>　　1.2.3 SVC1</p><p>　　

13、1.2.4 TCSC2</p><p>　　1.2.5 SVG2</p><p>　　1.2.6 幾種無(wú)功補(bǔ)償裝置的比較2</p><p>　　1.2.7 SVG與SVC的比較2</p><p>　　1.3 我國(guó)電力系統(tǒng)對(duì)SVG的需求3</p><p>　　1.4國(guó)內(nèi)外SVG的研發(fā)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)4</

14、p><p>　　1.4.1 國(guó)外SVG的應(yīng)用現(xiàn)狀4</p><p>　　1.4.2 SVG的在應(yīng)用中的作用與優(yōu)勢(shì)7</p><p>　　1.4.3 鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)SVG7</p><p>　　1.5 本章小結(jié)7</p><p>　　第2章 高壓SVG裝置的基本原理8</p><p>　　2.1

15、SVG的工作原理8</p><p>　　2.2 單相橋電路9</p><p>　　2.2.1 單相橋電路的結(jié)構(gòu)和工作原理9</p><p>　　2.2.2 單相橋電路的時(shí)域數(shù)學(xué)模型11</p><p>　　2.3 本章小結(jié)16</p><p>　　第3章 高壓SVG的主電路結(jié)構(gòu)和工作原理分析17</p

16、><p>　　3.1 高壓SVG主電路結(jié)構(gòu)選擇的概述17</p><p>　　3.2 幾種主要逆變器結(jié)構(gòu)及分析18</p><p>　　3.2.1 變壓器多重化逆變器結(jié)構(gòu)及分析18</p><p>　　3.2.2多電平二極管鉗位逆變器結(jié)構(gòu)及分析20</p><p>　　3.2.3 飛跨電容多電平逆變器結(jié)構(gòu)及分析2

17、1</p><p>　　3.2.4 鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)的多電平逆變器結(jié)構(gòu)及分析22</p><p>　　3.3 本章小結(jié)22</p><p>　　第4章 鏈?zhǔn)絊VG系統(tǒng)與控制23</p><p>　　4.1 鏈?zhǔn)絊VG裝置的基本原理23</p><p>　　4.2 SVG的工作原理23</p><p

18、>　　4.3 逆變器主電路器件的基頻開(kāi)關(guān)法（FFS）24</p><p>　　4.4 本章小結(jié)27</p><p><b>　　結(jié)論28</b></p><p><b>　　致謝29</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)30</b></p>

19、<p><b>　　附錄33</b></p><p><b>　　第1章 緒論</b></p><p>　　1.1 課題研究背景</p><p>　　隨著近幾年來(lái)工業(yè)，尤其是電力行業(yè)的不斷發(fā)展，電能的傳輸距離和容量不斷加大，用戶對(duì)于用電質(zhì)量的要求卻越來(lái)越高；而電力系統(tǒng)中非線性用電設(shè)備，特別是電力電子裝置的使用

20、，使電力系統(tǒng)中諧波污染的問(wèn)題愈來(lái)愈嚴(yán)重，且多數(shù)電力電子裝置的低功率因數(shù)，增加了電網(wǎng)的負(fù)擔(dān)，嚴(yán)重影響電網(wǎng)的供電質(zhì)量。這使得諧波抑制問(wèn)題和無(wú)功功率補(bǔ)償問(wèn)題成為電力系統(tǒng)領(lǐng)域中的一項(xiàng)重大課題。</p><p>　　對(duì)于使用電力電子裝置所帶來(lái)的諧波污染以及功率因數(shù)低的問(wèn)題，解決方法有兩種：一是針對(duì)電力電子裝置自身進(jìn)行改造，使其在使用時(shí)既不產(chǎn)生較強(qiáng)的諧波污染，同時(shí)又能減小對(duì)無(wú)功功率的消耗，達(dá)到提高輸電質(zhì)量的目的。二是在電力系

21、統(tǒng)中裝設(shè)大量無(wú)功補(bǔ)償裝置，從而達(dá)到提高輸電網(wǎng)的傳輸能力，減小無(wú)功功率的損耗，提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性的目的。由于前者需要針對(duì)多數(shù)元器件及裝置進(jìn)行改造，范圍廣、成本高，不符合經(jīng)濟(jì)性的原則，較難達(dá)到；而后者適用范圍廣，局限性小，操作起來(lái)比較簡(jiǎn)單，已經(jīng)在實(shí)際中得到了廣泛的應(yīng)用。</p><p>　　1.2 幾種無(wú)功補(bǔ)償裝置簡(jiǎn)介</p><p>　　1.2.1 早期無(wú)功補(bǔ)償裝置</p>

22、<p>　　早期的無(wú)功補(bǔ)償裝置是以同步調(diào)相機(jī)和固定補(bǔ)償電容器為主的[33]。其中，同步調(diào)相機(jī)的運(yùn)行成本較高，安裝復(fù)雜，且同步調(diào)相機(jī)是旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其運(yùn)行時(shí)的損耗和噪聲都較大，運(yùn)行和維護(hù)都很復(fù)雜，響應(yīng)速度慢；而固定補(bǔ)償電容器的補(bǔ)償容量并不是連續(xù)變化的，可能會(huì)與系統(tǒng)發(fā)生諧振。現(xiàn)在的生產(chǎn)實(shí)際中，已經(jīng)不再使用同步調(diào)相機(jī)來(lái)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。</p><p><b>　　1.2.2 MSC</b>&l

23、t;/p><p>　　機(jī)械開(kāi)關(guān)投切電容器組（MSC）是一種較為簡(jiǎn)單的無(wú)功補(bǔ)償裝置。其在無(wú)功補(bǔ)償時(shí)可分級(jí)調(diào)節(jié)、分組投切，但其并不屬于動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償?shù)姆懂?。由于MSC的價(jià)格低廉，適用于負(fù)荷波動(dòng)不太頻繁的地點(diǎn)[34]。目前來(lái)看，在國(guó)內(nèi)依然擁有較為廣泛的市場(chǎng)。</p><p><b>　　1.2.3 SVC</b></p><p>　　靜止無(wú)功補(bǔ)償器（SVC

24、）是目前國(guó)際上常用的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界投入運(yùn)行的SVC已經(jīng)超過(guò)1000套，總?cè)萘砍^(guò)100Gvar[35]。</p><p>　　由于SVC擁有響應(yīng)速度快，可以進(jìn)行連續(xù)的無(wú)功功率輸出等特點(diǎn)，這使得其在電力系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用。但其銅耗和鐵耗均比較大，且輸出到交流系統(tǒng)中的高次諧波較多，其中電抗的體積也很大，使得其仍需進(jìn)一步的改進(jìn)和完善[36]。</p><p>　　SVC主要有

25、以下幾種形式：飽和電抗器（SR型SVC）、晶閘管投切電容器型（TSC型SVC）、固定電容-晶閘管控制電抗器型（FC-TCR型SVC）、機(jī)械投切電容器-晶閘管控制電抗器型（MSC-TCR型SVC）以及晶閘管投切電容器-晶閘管控制電抗器型（TSC-TCR型SVC）[37]。</p><p>　　1.2.4 TCSC</p><p>　　可控串聯(lián)電容補(bǔ)償（TCSC）是基于晶閘管控制的串聯(lián)補(bǔ)償裝置

26、，其主要應(yīng)被用在輸電系統(tǒng)中，以提高電網(wǎng)的傳輸能力以及系統(tǒng)的穩(wěn)定性。</p><p><b>　　1.2.5 SVG</b></p><p>　　SVG又被稱為STATCOM，在早期國(guó)內(nèi)外的很多文獻(xiàn)中對(duì)其的稱呼多有不同。在美國(guó)其被稱為STATCON，即靜止調(diào)相機(jī)（Static Condenser），而在歐洲等地則被叫做先進(jìn)靜止無(wú)功功率補(bǔ)償器（ASVC-Advanced

27、Static Var Compensator），在中國(guó)及日本等地過(guò)去則習(xí)慣稱其為靜止無(wú)功功率發(fā)生器（SVG-Static Var Generator）。在1995年，國(guó)際高壓大電網(wǎng)會(huì)議與電力、電子工程師學(xué)會(huì)（Gigre-IEEE）建議統(tǒng)一稱為STATCOM（Static Synchronous Compensators）[38]。</p><p>　　SVG是基于瞬時(shí)無(wú)功功率的概念和補(bǔ)償原理采用GTO構(gòu)成的換相交

28、流器。SVG分為電壓型和電流型橋式電路兩種。其中電壓型因其損耗較小，易于控制而在實(shí)際中被廣泛應(yīng)用。通過(guò)對(duì)其交流側(cè)電流的直接控制或?qū)蚴诫娐方涣鱾?cè)輸出電位、幅值的調(diào)節(jié)，從而來(lái)進(jìn)行無(wú)功功率交換。SVG與SVC相比，調(diào)節(jié)速度加快，調(diào)節(jié)范圍變寬，在欠電壓條件下的無(wú)功功率的調(diào)節(jié)能力增強(qiáng)，具有良好的補(bǔ)償特性。</p><p>　　1.2.6 幾種無(wú)功補(bǔ)償裝置的比較</p><p>　　同步調(diào)相機(jī)補(bǔ)償是

29、早期的無(wú)功補(bǔ)償裝置，成本高，安裝復(fù)雜，目前正逐步被淘汰[17]。MSC出現(xiàn)也比較早，在技術(shù)上雖然不算先進(jìn)，但結(jié)合目前先進(jìn)的才、控制技術(shù)，MSC以其優(yōu)良的性價(jià)比，在無(wú)功負(fù)荷波動(dòng)不太頻繁的場(chǎng)合依然具有廣泛的市場(chǎng)空間。目前在國(guó)外，SVC技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，并取得了廣泛的工程應(yīng)用[10]。SVG裝置作為一種比SVC在動(dòng)態(tài)補(bǔ)償上表現(xiàn)更良好的先進(jìn)補(bǔ)償裝置，已經(jīng)開(kāi)始實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化并應(yīng)用于工程領(lǐng)域，只是因?yàn)閮r(jià)格比較高，還不能完全取代SVC在動(dòng)態(tài)補(bǔ)償領(lǐng)域的作用

30、。</p><p>　　1.2.7 SVG與SVC的比較</p><p>　　SVG和SVC這兩種FACTS設(shè)備都是無(wú)功補(bǔ)償裝置，它們的無(wú)功補(bǔ)償基本原理都是一致的；但是由于它們的主電路采用的電力半導(dǎo)體器件的不同，因此兩種裝置的結(jié)構(gòu)配置、無(wú)功補(bǔ)償控制原理、運(yùn)行性能等方面都不一樣?？傮w來(lái)說(shuō)，SVG裝置在很多方面具有SVC裝置無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，具體方面如下：</p><p>

31、;<b>　　一、儲(chǔ)能元件</b></p><p>　　就理論而言SVG的橋式變流電路的直流側(cè)可以不設(shè)儲(chǔ)能元件；實(shí)際上，為維持橋式變流其的正常工作，其直流側(cè)仍需要一定大小的點(diǎn)干活電容作為儲(chǔ)能元件，但所需儲(chǔ)能元件的容量遠(yuǎn)比SVG所能提供的無(wú)功容量要小。而對(duì)傳統(tǒng)的SVC裝置而言，其所需儲(chǔ)能元件的容量至少要等于其所提供無(wú)功功率的容量。因此，SVG中儲(chǔ)能元件的體積和成本與同容量的SVC相比將大大減小

32、。</p><p><b>　　二、連接電抗器</b></p><p>　　電壓源型橋式SVG接入電網(wǎng)的連接交流電抗器，其作用是濾除電流中可能存在的較高次諧波，另外起到將裝置中的變流器和電網(wǎng)這兩個(gè)交流電壓源連接起來(lái)的作用，因此所需的電感值并不大。而與補(bǔ)償容量相同的TCR等SVC裝置所需的電感量相比，SVG的連接電感要小很多。</p><p>&

33、lt;b>　　三、諧波問(wèn)題</b></p><p>　　傳統(tǒng)的SVC裝置中的諧波，一直以來(lái)是一個(gè)令人頭疼的問(wèn)題；由于TCR和TSC裝置采用晶閘管的相控技術(shù)，改變晶閘管的導(dǎo)通角的大小，來(lái)動(dòng)態(tài)調(diào)整其容量的變化，從而實(shí)現(xiàn)裝置的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。這種補(bǔ)償原理決定了裝置必然會(huì)產(chǎn)生大量的諧波成分，一般的解決辦法是設(shè)置或利用并聯(lián)電容器的方法，即通過(guò)在并聯(lián)電容器上串聯(lián)小的調(diào)諧電抗器構(gòu)成LC低通和高通濾波器的方法來(lái)抑制諧

34、波。由于電網(wǎng)電壓和負(fù)載總是動(dòng)態(tài)變化的，對(duì)諧波的一直也是隨之變化的，效果并不是很理想。而對(duì)SVG而言，完全可以采用橋式變流電路的多重化技術(shù)、多電平技術(shù)或PWM技術(shù)來(lái)進(jìn)行處理，能夠很方便的去除低次諧波，也能夠使高次諧波分量抑制到可以接受的程度[7]。</p><p>　　1.3 我國(guó)電力系統(tǒng)對(duì)SVG的需求</p><p>　　目前，我國(guó)正在發(fā)展大區(qū)域互聯(lián)電網(wǎng)，因廣大電網(wǎng)都缺乏有效地?zé)o功調(diào)控手段

35、及500kV電網(wǎng)相對(duì)薄弱，使得我國(guó)原先主要發(fā)生在220kV等級(jí)的功角穩(wěn)定已開(kāi)始逐漸轉(zhuǎn)移為500kV電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定問(wèn)題，嚴(yán)重威脅著大區(qū)電網(wǎng)的運(yùn)行安全[39]。從環(huán)境保護(hù)考慮，以后新建火電廠將要遠(yuǎn)離城市，如果受電端扔缺乏有效地?zé)o功支撐措施，則電壓穩(wěn)定問(wèn)題將更加嚴(yán)重。</p><p>　　目前我國(guó)常用的無(wú)功調(diào)節(jié)設(shè)備仍為機(jī)械式并聯(lián)電抗器、投切電容器，這些靜止型調(diào)壓手段，因調(diào)節(jié)不連續(xù)，響應(yīng)速度慢，很難滿足系統(tǒng)運(yùn)行方式快速變

36、化時(shí)的需求。而另一種調(diào)壓裝置SVC，響應(yīng)速度很快，但由于呈恒阻抗特性，使得在電壓低時(shí)，無(wú)法提供所需的無(wú)功支持，因此應(yīng)付突發(fā)事件的能力較弱，并且為了諧波必須裝設(shè)濾波器，占地面積較大，此外，過(guò)多的SVC裝置容易引發(fā)系統(tǒng)振蕩。相比之下，SVG則是較為有效的調(diào)壓手段，他的無(wú)功電流輸出可在很大電壓變化范圍內(nèi)恒定，在電壓低時(shí)仍能提供較強(qiáng)的無(wú)功支持，并且可在從感性到容性全范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)，使得其無(wú)功輸出相當(dāng)與同容量SVC的1.4倍~2.0倍，據(jù)專家估計(jì)

37、，當(dāng)容量超過(guò)100Mvar時(shí)，SVG的性價(jià)比與SVC相當(dāng)[40]。另外因SVG的靈活調(diào)壓，還可以大大減少變壓器分接頭的切換次數(shù)，從而減少分接頭故障次數(shù)。除了具有上述諸多優(yōu)點(diǎn)之外，SVG還可以抑制電壓閃變，提高系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定水平，并且其可靠性已得到很大提高[8]。結(jié)合我國(guó)的國(guó)情和已有的技術(shù)，發(fā)展SVG應(yīng)是解決我國(guó)電壓穩(wěn)定問(wèn)題的有效手段，并且也是我國(guó)FACTS發(fā)展的主要方向[1]。</p><p>　　1.4國(guó)內(nèi)外SV

38、G的研發(fā)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)</p><p>　　1.4.1 國(guó)外SVG的應(yīng)用現(xiàn)狀</p><p>　　一、1991年日本關(guān)西電力±80MvarSVG[22]</p><p>　　1991年，日本關(guān)西電力公司發(fā)起，由三菱公司研制的±80Mvar SVG在Inuyama開(kāi)關(guān)站投運(yùn)，其電網(wǎng)接線如圖1-1所示，SVG位于水電廠群至負(fù)荷中心長(zhǎng)距離輸電線路的中段

39、，安裝了這臺(tái)SVG之后，輸電通道輸送功率極限由530MW提高到620MW，提升了約17％。另?yè)?jù)統(tǒng)計(jì)，13本在20世紀(jì)90年代共安裝了4臺(tái)用于輸電網(wǎng)的SVG，到2002年，這4臺(tái)裝置的可用率均在99％以上，具有非常高的可靠性[23]。</p><p>　　圖1-1 日本關(guān)西電力±80MvarSVG系統(tǒng)接線圖</p><p>　　二、1996年美國(guó)TVA±100MvarS

40、TATCOM[24]</p><p>　　Sullivan變電站位于美國(guó)田納西州東北部，屬于TVA(Tennessee Valley Authority)管轄，其接線簡(jiǎn)圖如圖1-2(b)所示。該變電站由500kV輸電網(wǎng)和4條160kV線路供電，冬季負(fù)荷高峰期，該地區(qū)負(fù)荷可達(dá)900MW，其中55％由Sullivan變電站提供。</p><p><b>　　(a)</b>

41、</p><p><b>　　(b)</b></p><p>　　圖1-2 美國(guó)TVA±100MvarSTATCOM系統(tǒng)</p><p>　　(a)STATCOM裝置外觀；(b)變電站接線簡(jiǎn)圖</p><p>　　三、1997年丹麥某風(fēng)電廠±8MvarSTATCOM[25]</p>&

42、lt;p>　　該STATCOM的主要目的是研究STATCOM應(yīng)用于風(fēng)電廠提高接人電網(wǎng)系統(tǒng)的電能質(zhì)量并防止風(fēng)電廠形成“孤島”后的災(zāi)難性后果[41]。</p><p>　　風(fēng)電廠接入電網(wǎng)系統(tǒng)時(shí)一般面臨兩個(gè)主要問(wèn)題：其一是異步發(fā)電機(jī)吸收的無(wú)功功率隨輸出有功功率的變化而變化，受風(fēng)力的影響變化比較頻繁；其二是形成孤島后，若并聯(lián)補(bǔ)償無(wú)功功率高于異步發(fā)電機(jī)吸收的無(wú)功功率，異步發(fā)電機(jī)容易激發(fā)自激振蕩?；谏鲜鰞蓚€(gè)原因，固定

43、并聯(lián)電容補(bǔ)償在風(fēng)電廠中的應(yīng)用受到限制，而STATCOM動(dòng)態(tài)無(wú)功響應(yīng)快速的優(yōu)點(diǎn)可得到充分發(fā)揮。</p><p>　　隨著風(fēng)力發(fā)電的蓬勃發(fā)展，STATCOM越來(lái)越多地應(yīng)用于風(fēng)電入網(wǎng)的場(chǎng)合，發(fā)揮靜態(tài)電壓調(diào)節(jié)和暫態(tài)電壓支撐的作用[26][27]。</p><p>　　四、1999年英國(guó)國(guó)家電網(wǎng)±75MvarSTATCOM[28]</p><p>　　20世紀(jì)90年

44、代中期，英國(guó)國(guó)家電網(wǎng)計(jì)劃在北方地區(qū)新建一座低成本燃?xì)怆姀S，分析表明電廠投運(yùn)后將增加流向南方負(fù)荷中心的潮流，使得南方地區(qū)無(wú)功不足的問(wèn)題凸現(xiàn)。在增加南方受端地區(qū)無(wú)功補(bǔ)償?shù)恼w計(jì)劃中，位于倫敦北部的East Clayton變電站加裝225Mvar的無(wú)功補(bǔ)償裝置是一個(gè)重要內(nèi)容。出于節(jié)省用地和發(fā)展新技術(shù)的目的，英國(guó)國(guó)家電網(wǎng)選擇了基于STATCOM的動(dòng)態(tài)無(wú)功系統(tǒng)。</p><p>　　英國(guó)國(guó)家電網(wǎng)對(duì)動(dòng)態(tài)無(wú)功系統(tǒng)的要求為：容量

45、為0～225Mvar，輸出連續(xù)可調(diào)，接人電壓等級(jí)為400kV或275kV，在6個(gè)月內(nèi)可以從一個(gè)安裝點(diǎn)整體移動(dòng)至另一安裝點(diǎn)，系統(tǒng)可用率高于98％等[29]。</p><p>　　ALSTOM公司根據(jù)上述性能指標(biāo)，率先提出了一種鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)的STATCOM，其系統(tǒng)構(gòu)成如圖1-3(b)所示，由23Mvar濾波器、127MvarTSC及一臺(tái)±75Mvar鏈?zhǔn)絊TATCOM組成。由于裝置的核心部分——電壓源逆變器采用

46、了新型的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，獲得了一系列優(yōu)異的性能，包括造價(jià)低(省去了多重化變壓器的投資)、占地少(主體部分占地面積少于400m²)、冗余運(yùn)行可靠性高、模塊化設(shè)計(jì)擴(kuò)展性好，等等[30]。</p><p><b>　　(a)</b></p><p><b>　　(b)</b></p><p>　　(a)STATCOM裝置外觀

47、；(b)并聯(lián)無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)構(gòu)成</p><p>　　圖1-3 英國(guó)國(guó)家電網(wǎng)±75Mvar鏈?zhǔn)絊TATCOM</p><p>　　1.4.2 SVG的在應(yīng)用中的作用與優(yōu)勢(shì)</p><p>　　從國(guó)內(nèi)外的研究成果和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，STATCOM作為一種先進(jìn)的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置，應(yīng)用于輸電網(wǎng)可發(fā)揮以下幾方面的作用：</p><p>　?。?）

48、當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，動(dòng)態(tài)地提供電壓支撐，確保母線電壓的穩(wěn)定性，提高電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定水平，減少低壓釋放負(fù)荷數(shù)量，并防止因暫態(tài)電壓崩潰導(dǎo)致的大面積惡性停電事故；</p><p>　?。?）動(dòng)態(tài)地維持輸電線路端電壓，提高輸電線路穩(wěn)態(tài)傳輸功率極限(每kvar的無(wú)功輸出約能提高0.5~0.7kW的暫態(tài)穩(wěn)定極限值)，提高交直流遠(yuǎn)距離輸電能力；</p><p>　?。?）抑制系統(tǒng)過(guò)電壓，改善系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性

49、；</p><p>　　（4）阻尼電力系統(tǒng)功率振蕩。</p><p>　　1.4.3 鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)SVG</p><p>　　由于鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)多電平SVG摒棄了以往SVG必備的多重化變壓器，兩種不同結(jié)構(gòu)的SVG進(jìn)行比較，鏈?zhǔn)蕉嚯娖浇Y(jié)構(gòu)的SVG具有下列明顯的優(yōu)點(diǎn)：</p><p>　?。?）鏈?zhǔn)蕉嚯娖侥孀兤骺梢圆捎闷胀ㄗ儔浩鹘尤胂到y(tǒng)，避免了多重化變壓器

50、，減少了占地面積，降低了裝置成本；</p><p>　　（2）在電力系統(tǒng)收到擾動(dòng)的情況下，鏈?zhǔn)蕉嚯娖侥孀兤鹘Y(jié)構(gòu)的SVG裝置可以分相進(jìn)行控制，從而能更好地提供電壓的支撐作用；</p><p>　　（3）鏈?zhǔn)蕉嚯娖侥孀兤鞑捎媚K化結(jié)構(gòu)，十分便于擴(kuò)展SVG裝置的容量；</p><p>　?。?）由于鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)逆變器的每一相都是由相互獨(dú)立的單相橋串聯(lián)而成，因此，可以采用冗余的

51、功率模塊，從而大大提高裝置的可靠性；</p><p>　?。?）在變壓器多重化逆變器中，存在變壓器激磁回路中剩磁飽和問(wèn)題和非線性導(dǎo)致的裝置過(guò)電壓和過(guò)電流問(wèn)題，這些問(wèn)題在鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)逆變器里面完全的避免了。</p><p>　　鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)SVG是最新型的靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置，其基本的主電路變流器結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的SVG結(jié)構(gòu)不同，鏈?zhǔn)窖b置由多個(gè)單相H橋逆變器串聯(lián)構(gòu)成主電路的一相，其中每個(gè)單相H橋都有自己獨(dú)立的

52、分立直流電容器；這種結(jié)構(gòu)決定了其控制的復(fù)雜性，其中的直流電容器電壓的平衡控制等問(wèn)題是此裝置的主要難點(diǎn)之一[5]。</p><p><b>　　1.5 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章主要分析了幾種常見(jiàn)的無(wú)功補(bǔ)償裝置的優(yōu)點(diǎn)與不足，并對(duì)國(guó)外近幾年中SVG的應(yīng)用實(shí)例進(jìn)行了介紹。簡(jiǎn)單地總結(jié)了SVG在當(dāng)前應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)。</p><p>　　第2章

53、 高壓SVG裝置的基本原理</p><p>　　2.1 SVG的工作原理</p><p>　　逆變器 連接變壓器 電力系統(tǒng)</p><p>　　圖2-1 SVG裝置調(diào)節(jié)無(wú)功的原理示意圖</p><p>　　如圖2-1所示，為SVG的原理示意圖，其中直流側(cè)為儲(chǔ)能電容，為SVG提供直流電壓支撐，逆變器通常由多個(gè)逆變橋串聯(lián)或并

54、聯(lián)而成，其主要功能是將直流電壓變換為交流電壓，而交流電壓的大小、頻率和相位可以通過(guò)控制逆變器中可關(guān)斷器件（如GTO、IGCT、IEGT等）的驅(qū)動(dòng)脈沖進(jìn)行控制。連接變壓器將逆變器輸出的電壓變換到系統(tǒng)電壓，從而使SVG裝置可以并聯(lián)到電力系統(tǒng)中[4]。連接變壓器本身的漏抗可以用于限制電流，防止逆變器故障或系統(tǒng)故障時(shí)產(chǎn)生過(guò)大的電流。整個(gè)SVG裝置相當(dāng)于一個(gè)電壓大小可以控制的電壓源。設(shè)置SVG裝置產(chǎn)生的歸算到系統(tǒng)側(cè)的空載相電壓為UI，系統(tǒng)相電壓為

55、US，連接電抗為X，則SVG裝置輸出的電流為</p><p><b>　　(2-1)</b></p><p>　　因此，SVG裝置輸出的單相視在功率為</p><p><b>　　(2-2)</b></p><p>　　通常情況下，SVG裝置只吸收很小的有功功率或不吸收有功功率，因此其產(chǎn)生的電壓UI

56、與系統(tǒng)電壓US相位相同，因此SVG裝置輸出的單相無(wú)功功率為</p><p><b>　　(2-3)</b></p><p>　　當(dāng)控制SVG裝置產(chǎn)生的電壓小于系統(tǒng)電壓即UI<US時(shí)，SVG裝置向系統(tǒng)輸出的無(wú)功功率Q<0，此時(shí)SVG裝置相當(dāng)于電感；當(dāng)控制SVG裝置產(chǎn)生的電壓大于系統(tǒng)電壓即UI>US時(shí)，SVG裝置想系統(tǒng)輸出的無(wú)功功率Q>0，此時(shí)SV

57、G裝置相當(dāng)于電容。由于SVG裝置產(chǎn)生的電壓UI的大小可以連續(xù)快速地控制，因此SVG吸收的無(wú)功功率可以連續(xù)地由正到負(fù)進(jìn)行快速調(diào)節(jié)。</p><p><b>　　2.2 單相橋電路</b></p><p>　　2.2.1 單相橋電路的結(jié)構(gòu)和工作原理</p><p>　　由于單相橋電路是構(gòu)成SVG裝置的基礎(chǔ)，而且三相橋工作原理也與它類似，所以應(yīng)從單相

58、橋電路的工作原理著手，對(duì)SVG裝置進(jìn)行分析。</p><p>　　如圖2-2所示，為單相橋電路，直流側(cè)為儲(chǔ)能電容，電壓為，G1、</p><p>　　圖2-2 單相橋電路</p><p>　　G2、G3、G4為晶閘管件而V1、V2、V3、V4為與相應(yīng)可關(guān)斷器件反并聯(lián)的二極管，單相橋電路的輸出電壓為uLR(t)。通過(guò)控制四個(gè)可關(guān)斷器件的開(kāi)通與關(guān)斷，可以方便地控制單相橋

59、電路的輸出電壓。由于大功率可關(guān)斷器件的工作頻率不能太高（最高為幾千赫茲），同時(shí)，開(kāi)關(guān)頻率高也會(huì)導(dǎo)致器件的損耗增大，因此用于SVG的單相橋電路中的可關(guān)斷器件的工作頻率都較低（小于幾百赫茲）[2]。</p><p>　　圖2-3 單相橋電路各可關(guān)斷器件的觸發(fā)脈沖及輸出電壓</p><p>　　圖2-3給出了單相橋電路各可關(guān)斷器件的觸發(fā)脈沖，其中觸發(fā)脈沖為1表示該可關(guān)斷器件導(dǎo)通，而觸發(fā)脈沖為0表

60、示該可關(guān)斷器件關(guān)斷。如果直流側(cè)電壓不變，則單相橋電路的輸出電壓波形如圖2-3所示。</p><p>　　圖2-4 單相橋電路接入系統(tǒng)的等效電路圖</p><p>　　如圖2-4為單相橋電路接人系統(tǒng)的等效電路圖，圖中C為直流側(cè)電容，L為連接變壓器閥側(cè)至SVG同步信號(hào)采樣點(diǎn)之間的電感，忽略單相橋電路的損耗。圖2-3給出了單相橋電路各個(gè)可關(guān)斷器件的觸發(fā)脈沖及其時(shí)序關(guān)系。單相橋電路的觸發(fā)脈沖滿足如

61、下條件，即同一橋臂上的可關(guān)斷器件不能同時(shí)開(kāi)通，即G1和G3、G2和G4不能同時(shí)開(kāi)通，否則電容將通過(guò)橋臂短路，造成可關(guān)斷器件過(guò)流而損壞。其次按照SVG裝置的要求，還對(duì)觸發(fā)脈沖提出了如下要求：</p><p>　　（1）每個(gè)可關(guān)斷器件導(dǎo)通和關(guān)斷各半個(gè)周期（即電角度），因此觸發(fā)脈沖為1和0的時(shí)間各為半周期，如圖2-3所示。</p><p>　?。?）根據(jù)（1），橋臂上下的可關(guān)斷器件必然處于互補(bǔ)狀

62、態(tài)，即上下橋臂可關(guān)斷器件觸發(fā)脈沖不能同時(shí)為1也不能同時(shí)為0，從而必然是一個(gè)為1，另一個(gè)為0，即互補(bǔ)。</p><p>　?。?）以δ為參考角（δ為同步信號(hào)usa(t)與單相橋輸出電壓uLR(t)的相角差，即單相橋輸出基波電壓滯后同步信號(hào)電壓的角度），G1超前β角而G4滯后β角（0≤β≤π/2，β一般固定）。</p><p>　　圖2-3所示的單相橋電路的觸發(fā)脈沖滿足上述三個(gè)條件。根據(jù)觸發(fā)脈

63、沖的情況可以分析一周期內(nèi)各可關(guān)斷器件的導(dǎo)通狀態(tài)及單相橋電路的工作狀態(tài)。</p><p>　　2.2.2 單相橋電路的時(shí)域數(shù)學(xué)模型</p><p>　　由圖2-4可以對(duì)一周期內(nèi)各可關(guān)斷器件導(dǎo)通的情況及單相橋電路的工作狀態(tài)進(jìn)行分析。</p><p><b>　　（1）當(dāng)及時(shí)有</b></p><p>　　可見(jiàn)只有G1和G2可

64、能導(dǎo)通，G3和G4關(guān)斷，G1與V2或G2與V1構(gòu)成不過(guò)電容C的短路環(huán)，此時(shí)單相橋處于短路狀態(tài)。</p><p><b>　?。?）當(dāng)時(shí)有</b></p><p>　　此時(shí)G2與G3關(guān)斷，G1與G4可能導(dǎo)通。若iL>0，則G1與G4導(dǎo)通；若iL<0，則V1與V4導(dǎo)通，其中iL<0為整流狀態(tài)，而iL>0為逆變狀態(tài)，無(wú)論整流狀態(tài)還是逆變狀態(tài)，電路拓?fù)?/p>

65、一樣，均是經(jīng)過(guò)電容C形成的回路。</p><p><b>　　（3）當(dāng)時(shí)有</b></p><p>　　此時(shí)G1和G2關(guān)斷，G3和G4可能導(dǎo)通，G3與V4或G4與V3構(gòu)成不過(guò)電容C的短路環(huán)，單相橋電路處于短路狀態(tài)。</p><p><b>　?。?）當(dāng)時(shí)有</b></p><p>　　此時(shí)G1與G4

66、關(guān)斷，G2與G3可能導(dǎo)通。若iL>0，則V2與V3導(dǎo)通；若iL<0，則G2與G3導(dǎo)通，其中iL<0為逆變狀態(tài)，而iL>0為整流狀態(tài)。無(wú)論整流狀態(tài)還是逆變狀態(tài)，電路拓?fù)湟粯?，均是?jīng)過(guò)電容C形成的回路。</p><p>　　圖2-5 單相橋電路的四種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)</p><p>　　圖2-5示出了四種工作狀態(tài)下單相橋電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。下面根據(jù)單相橋電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化分別列出其

67、微分方程及解如下，并作出如下假定：</p><p>　?。?）單相橋從拓?fù)錉顟B(tài)（a）開(kāi)始運(yùn)行，且0≤δ≤β。</p><p>　?。?）電容初始電壓為udc0，電感初始電流為iL0。</p><p>　　（3）取同步信號(hào)采樣點(diǎn)的系統(tǒng)電壓usa=Usinωt為參考電壓。忽略同步信號(hào)采樣點(diǎn)系統(tǒng)側(cè)的電感及電路中的電阻。</p><p>　　拓?fù)洌╝

68、）：0<ωt≤δ+β（為簡(jiǎn)化書寫，下面用udc(ωt)代表udc(t)記初值，iL相同）時(shí)有</p><p><b>　　解：</b></p><p><b>　　拓?fù)洌╞）：時(shí)有</b></p><p><b>　　解：</b></p><p><b>　　其

69、中</b></p><p><b>　　拓?fù)洌╟）：時(shí)有</b></p><p><b>　　解：</b></p><p><b>　　拓?fù)洌╠）：時(shí)有</b></p><p><b>　　解：</b></p><p>

70、<b>　　其中</b></p><p><b>　　拓?fù)洌╝）：時(shí)有</b></p><p><b>　　解：</b></p><p>　　單相橋電路經(jīng)由（a）、（b）、（c）、（d）四種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)后再回到狀態(tài)（a），不斷周期地循環(huán)下去，只要將（d）的終值作為狀態(tài)（a）的初值即可將電路的狀態(tài)解出，將前

71、一狀態(tài)的終值作為后一狀態(tài)的初值不斷地解微分方程組，即可將整個(gè)電路在無(wú)限長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)運(yùn)行的狀態(tài)解出。</p><p><b>　　2.3 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章具體介紹了SVG的工作原理。同時(shí)對(duì)其基本組成結(jié)構(gòu)單相橋電路的結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行了分析，并分析了其的時(shí)域數(shù)學(xué)模型。</p><p>　　第3章 高壓SVG的主電路結(jié)構(gòu)和工作原

72、理分析</p><p>　　3.1 高壓SVG主電路結(jié)構(gòu)選擇的概述</p><p>　　研制高壓大容量SVG的難點(diǎn)在于其容量大以及由此引發(fā)的系統(tǒng)復(fù)雜龐大的問(wèn)題，大容量對(duì)主電路結(jié)構(gòu)的合理化、科學(xué)化提出了更高的要求[6]。</p><p>　　通常SVG采用的主電路基本單元結(jié)構(gòu)為如圖3-1所示的單相橋、三相橋和三單相橋電路。由于單相橋（或三相橋）電路輸出電壓諧波含量較&

73、lt;/p><p>　　圖3-1 基本逆變橋結(jié)構(gòu)示意圖</p><p>　　大，因此不能直接接入電力系統(tǒng)，否則會(huì)造成諧波污染；再者，由于GTO等器件開(kāi)關(guān)容量及電壓等級(jí)的限制，單個(gè)單相橋（或三相橋）電路的容量與電力系統(tǒng)對(duì)無(wú)功容量的需求相比還有較大差距，因此單個(gè)單相橋或單個(gè)三相橋還不能構(gòu)成真正滿足電力系統(tǒng)諧波要求容量要求的SVG裝置。由此，如何采用IGCT等電力電子器件，配合變壓器、電抗器、電容器

74、等構(gòu)成滿足電力系統(tǒng)電壓等級(jí)要求、諧波要求和容量要求的SVG裝置，就成為SVG裝置主電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。[9]目前，能提高SVG裝置逆變器容量、提高電壓等級(jí)又能較為有效地消除諧波的技術(shù)措施，主要有下列三種：</p><p>　?。?）多重化技術(shù)：這是一種對(duì)SVG裝置研究開(kāi)發(fā)最早選用的大幅度提高裝置總?cè)萘康挠行мk法。采用2、4或者8個(gè)三相橋逆變器或三單相橋逆變器組合使用的方法，可以成倍提高裝置的總?cè)萘俊２捎枚嘀鼗瘯r(shí)，必須

75、考慮交流側(cè)變壓器的連接方式、不同逆變器間的移相角度、交流側(cè)輸出是采用并聯(lián)還是串聯(lián)，以及輸出電壓總諧波等問(wèn)題。</p><p>　?。?）多電平技術(shù)：?jiǎn)蜗鄻蜉敵鲭妷弘m然為三電平，但是每個(gè)橋臂只能輸出兩個(gè)電平的電壓，橋臂中點(diǎn)對(duì)直流側(cè)電容負(fù)極的電壓要么為零，要么為udc，只有兩種可能的值，而采用多電平技術(shù)，則橋臂中點(diǎn)的輸出電平有多個(gè)值，如三電平電路、5電平電路、7電平電路等。采用多電平技術(shù)可以有效地消除輸出電壓中的諧波

76、，同時(shí)提高輸出電壓的等級(jí)和增加逆變器的容量，如三電平結(jié)構(gòu)逆變器輸出電壓和容量都比兩電平結(jié)構(gòu)增加一倍。但采用5電平以上的電路，電路結(jié)構(gòu)和控制都很復(fù)雜，直流側(cè)電容電壓的平衡控制更加困難，因此在大容量的SVG裝置中一般只采用三電平的結(jié)構(gòu)。</p><p>　?。?）單相橋串聯(lián)技術(shù)：即所謂的鏈?zhǔn)竭B接技術(shù)。采用鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)的SVG裝置每相都由若干單相橋串聯(lián)組成，因此總的電壓輸出和整個(gè)裝置的容量都可以成倍提高，而且可以對(duì)串聯(lián)的每

77、個(gè)橋采用不同的驅(qū)動(dòng)脈沖，使每個(gè)橋輸出電壓所含諧波大小和相位不一樣，使最終疊加而成的總輸出電壓諧波含量很小[13]。鏈?zhǔn)竭B接方式可以做成模塊化，而且在設(shè)計(jì)時(shí)可以采用冗余設(shè)計(jì)，串聯(lián)橋鏈中某一個(gè)損壞可以不影響整個(gè)橋鏈的工作。鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)的另一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)是三相相互獨(dú)立，因此可以三相獨(dú)立控制，在電力系統(tǒng)三相不平衡時(shí)，裝置仍然可以正常運(yùn)行[3]。但鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)也存在不足之處，即三相分開(kāi)且每個(gè)單相橋分開(kāi)，因此SVG裝置在工作時(shí)，三相橋直流側(cè)電壓波動(dòng)較大，因而

78、直流側(cè)需要安裝容量較大的電容器，同時(shí)串聯(lián)的單相橋直流側(cè)電壓可能不平衡，因此要采取較為復(fù)雜的外圍電路或控制方法平衡直流側(cè)電容，否則會(huì)影響SVG裝置的安全。</p><p>　　綜上所述，SVG要實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)的補(bǔ)償性能，其主電路的結(jié)構(gòu)選型時(shí)一項(xiàng)很重要的工作。</p><p>　　3.2 幾種主要逆變器結(jié)構(gòu)及分析</p><p>　　3.2.1 變壓器多重化逆變器結(jié)構(gòu)及

79、分析</p><p>　　圖3-2為清華大學(xué)研制的±20Mvar SVG裝置的變壓器多重化主電路結(jié)構(gòu)及曲折變壓器的連接。圖3-3中每個(gè)三相逆變器均由三個(gè)單相橋逆變器構(gòu)成。圖3-3為逆變器多重化主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)原理接線圖。圖3-4給出了交流側(cè)曲折變壓器的連接方法。從圖3-4可以看到±20MvarSVG裝置輸出的線電壓由6個(gè)單相橋疊加而成，而各單相橋輸出的脈沖都是階梯波，只是各自的相角不同。為了消除

80、3、5、7次諧波及3的倍數(shù)次諧波的目的，30°與45°單相橋輸出電壓比0°與15°單相橋輸出電壓高倍（通過(guò)改變變壓器變比實(shí)現(xiàn)）。因此，理論上采取圖3-3所示的變壓接</p><p>　　圖3-2 SVG裝置的主電路結(jié)構(gòu)及變壓器連接</p><p>　　圖3-3 SVG裝置三相逆變器的接線圖</p><p>　　圖3-4 SVG

81、裝置的主電路的曲折接法</p><p>　　法的SVG裝置，輸出的線電壓中只含有11次和13次等高次諧波，輸出電壓總的諧波畸變率（THD）為6.81%，符合電力系統(tǒng)的諧波限制條件[14]。圖3-4所示的是SVG裝置的主電路的曲折接法示意圖。</p><p>　　SVG裝置采用變壓器多重化主電路結(jié)構(gòu)存在下列不足之處：</p><p>　?。?）由于曲折結(jié)構(gòu)變壓器的存在

82、，占據(jù)了本裝置設(shè)備投資建設(shè)所需高額成本的絕大部分；</p><p>　?。?）在變壓器多重化主電路結(jié)構(gòu)SVG裝置的總有功功率損耗中，曲折變壓器內(nèi)的有功功率損耗占據(jù)了高達(dá)近50%的份額；</p><p>　?。?）變壓器多重化主電路結(jié)構(gòu)SVG裝置結(jié)構(gòu)龐大，其中曲折變壓器一項(xiàng)是其中體積最大的，需要占據(jù)總體系統(tǒng)40%的實(shí)際空間；</p><p>　?。?）電力系統(tǒng)暫態(tài)的浪

83、涌過(guò)壓等問(wèn)題會(huì)引起曲折變壓器飽和，從而導(dǎo)致控制上十分困難。</p><p>　　3.2.2多電平二極管鉗位逆變器結(jié)構(gòu)及分析</p><p>　　由于SVG裝置采用曲折變壓器多重化主電路，帶來(lái)以上所述的很多問(wèn)題；為了改善這些問(wèn)題，研究者提出了兩種全新拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的解決方案，即：二極管鉗位多電平逆變器和飛跨電容多電平逆變器[12]。</p><p>　　這類拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的多電平

84、電壓源逆變器能夠達(dá)到很高的電壓，并且無(wú)需變壓器僅通過(guò)新設(shè)計(jì)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)就能夠有效地抑制諧波；尤其這種結(jié)構(gòu)的SVG裝置可以滿足高電壓、高功率的應(yīng)用。</p><p>　　圖3-5 5電平二極管鉗位逆變器結(jié)構(gòu)</p><p>　　圖3-5所示的就是5電平二極管鉗位電壓源逆變器結(jié)構(gòu)圖。這種結(jié)構(gòu)的逆變器無(wú)需變壓器就可以達(dá)到較高的性能。</p><p>　　二極管鉗位多電平逆變

85、器存在的不足之處：</p><p>　?。?）隨著電平數(shù)的增加，需要的大功率鉗位二極管的數(shù)目也將成倍的增加；</p><p>　?。?）鉗位二極管要承受很高的反向擊穿電壓；</p><p>　?。?）必須要維持電壓的持續(xù)平衡。</p><p>　　3.2.3 飛跨電容多電平逆變器結(jié)構(gòu)及分析</p><p>　　另一種多

86、電平電壓源逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是，飛跨電容多電平逆變器。這種結(jié)構(gòu)的逆變器能夠解決系統(tǒng)電壓不平衡問(wèn)題，同時(shí)也避開(kāi)了二極管鉗位多電平逆變器結(jié)構(gòu)需要太多數(shù)量鉗位二極管的問(wèn)題。</p><p>　　圖3-6 5電平飛跨電容逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)</p><p>　　在這種結(jié)構(gòu)的逆變器中，雖然解決了鉗位二極管等問(wèn)題，但是這種結(jié)構(gòu)的逆變器需要大量的鉗位電容。</p><p>　　采用飛跨電容

87、結(jié)構(gòu)的逆變器存在的不足之處：</p><p>　?。?）此種結(jié)構(gòu)由于需要大量的電容器，大大增加了裝置的體積，同時(shí)也使得裝置的成本增加；</p><p>　?。?）和二極管鉗位逆變器類似，控制電容電壓平衡十分困難。</p><p>　　3.2.4 鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)的多電平逆變器結(jié)構(gòu)及分析</p><p>　　采用鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)的M電平逆變器每相都由（M-1）

88、/2個(gè)單相橋串聯(lián)組成，同時(shí)每個(gè)單相橋都有獨(dú)立的直流電源。這種逆變器不需要變壓器、鉗位二極管或飛跨電容。</p><p>　　圖3-7 鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)示意圖</p><p>　　由于采用單相橋串聯(lián)，因此總的電壓輸出和整個(gè)裝置的容量都可以成倍提高，而且可以對(duì)串聯(lián)的每個(gè)橋采用不同的驅(qū)動(dòng)脈沖，使每個(gè)橋輸出電壓所含諧波大小和相位不一樣，使最終疊加而成的總輸出電壓諧波含量很小[19]。</p>

89、<p>　　鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)多電平逆變器的優(yōu)點(diǎn)：</p><p>　?。?）該結(jié)構(gòu)逆變器特別適合于高壓、大功率場(chǎng)合的應(yīng)用；</p><p>　　（2）單個(gè)工頻電源周期中每個(gè)開(kāi)關(guān)管可以只開(kāi)關(guān)一次；而且產(chǎn)生的多級(jí)階梯波形非常接近正弦輸出電壓，并且電平越高產(chǎn)生的波形就越接近；</p><p>　?。?）鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)本身是由多個(gè)單相全橋逆變器單元構(gòu)成每個(gè)單相橋都有自己的分離

90、直流電源，因此可以不需要電壓平衡電路或者有開(kāi)關(guān)設(shè)備的電壓匹配問(wèn)題；</p><p>　　（4）可以采用模塊化結(jié)構(gòu)，提高裝置的可擴(kuò)展性；</p><p>　?。?）與變壓器多重化電壓型逆變器和二極管鉗位多電平逆變器及飛跨電容逆變器相比也有其明顯的優(yōu)越性。</p><p>　　鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)多電平逆變器存在的不足之處：</p><p>　?。?）每個(gè)單

91、相橋就需要一個(gè)獨(dú)立的直流儲(chǔ)能電容器或直流電源；</p><p>　?。?）當(dāng)采用直流儲(chǔ)能電容器時(shí)，需要控制直流電壓的平衡問(wèn)題。</p><p><b>　　3.3 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章詳細(xì)介紹了SVG常用的幾種主電路結(jié)構(gòu)，變壓器多重化逆變器結(jié)構(gòu)、多電平二極管鉗位逆變器結(jié)構(gòu)、飛跨電容多電平逆變器結(jié)構(gòu)、鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)的多電平逆變器結(jié)

92、構(gòu)，并對(duì)其的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析和對(duì)比。</p><p>　　第4章 鏈?zhǔn)絊VG系統(tǒng)與控制</p><p>　　4.1 鏈?zhǔn)絊VG裝置的基本原理</p><p>　　SVG裝置的基本原理簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是將自換相橋式電路通過(guò)電抗器或者直接并聯(lián)在電網(wǎng)上，適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)橋式電路交流側(cè)輸出電壓的相位和幅值，或者只就控制其交流側(cè)電流，就可以使電路吸收或者發(fā)出滿足要求的無(wú)功電流，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)補(bǔ)

93、償?shù)哪康摹?lt;/p><p>　　SVG裝置分為電壓型橋式電路和電流型橋式電路兩種類型。直流側(cè)分別采用的是電容和電感這兩種不同的儲(chǔ)能元件。[21]對(duì)電壓型橋式電路，還需要串聯(lián)上連接電抗器才能并入電網(wǎng)；對(duì)電流型橋式電路，還需要在交流側(cè)并聯(lián)上吸收換相產(chǎn)生的過(guò)電壓的電容器。由于運(yùn)行效率等原因，投入使用的SVG裝置大都采用電壓橋式電路[15]。</p><p>　　作為動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置類型之一，SV

94、G裝置的控制從控制策略的選擇來(lái)講，應(yīng)該根據(jù)補(bǔ)償器要實(shí)現(xiàn)的功能和應(yīng)用的場(chǎng)合，以決定采用開(kāi)環(huán)控制、閉環(huán)控制或者兩者相結(jié)合的控制策略。</p><p>　　通常SVG根據(jù)對(duì)無(wú)功電流（或無(wú)功功率）參考值的調(diào)節(jié)來(lái)產(chǎn)生所需的無(wú)功電流（或無(wú)功功率）；由于在系統(tǒng)電壓基本保持恒定時(shí)，對(duì)無(wú)功電流的控制也就是對(duì)無(wú)功功率的控制；因此此種單一參數(shù)的控制方法有間接電流控制和直接電流控制兩大類控制方法。</p><p>

95、;　　針對(duì)鏈?zhǔn)蕉嚯娖絊VG的控制策略，由于鏈?zhǔn)蕉嚯娖絊VG主電路逆變器每相是由若干個(gè)具有獨(dú)立直流電容的單相橋（已成為H橋）串聯(lián)而成，每個(gè)單相橋工作在三電平逆變器模式下；因此現(xiàn)有的兩電平逆變器調(diào)制方法不能直接應(yīng)用于鏈?zhǔn)侥孀兤鞯母鱾€(gè)H橋，另外由于鏈?zhǔn)侥孀兤鬏敵鲭妷菏歉鱄橋輸出電壓的疊加，電平數(shù)的增加可以使輸出電壓的諧波含量進(jìn)一步減少，或者在滿足諧波要求的前提下降低主開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)頻率。此外在對(duì)鏈?zhǔn)蕉嚯娖絊VG的控制策略選擇上還要充分考慮一個(gè)

96、關(guān)鍵問(wèn)題，就是主電路逆變器串聯(lián)的各個(gè)H橋的獨(dú)立直流電容的電壓平衡[18]。綜合考慮上述情況，鏈?zhǔn)蕉嚯娖絊VG的控制目標(biāo)為：</p><p>　?。?）使輸出電壓的基波幅值為控制目標(biāo)值，并且使各個(gè)單相橋輸出的基波電壓的幅值相位完全相同；</p><p>　　（2）使逆變器總輸出電壓中的低次諧波性能達(dá)到最優(yōu)，即逆變器總輸出電壓低次諧波的諧波畸變率最低。</p><p>

97、　　4.2 SVG的工作原理</p><p>　　SVG正常工作時(shí)，是通過(guò)電力半導(dǎo)體器件的通斷將直流側(cè)電壓轉(zhuǎn)換成交流側(cè)與電網(wǎng)同頻率的輸出電壓；因此當(dāng)僅考慮基波頻率時(shí)，SVG可以等效的看做幅值和相位均可以控制的一個(gè)與電網(wǎng)同頻率的交流電壓源，通過(guò)交流電抗器連接到電網(wǎng)上?？紤]到主電路逆變器的開(kāi)關(guān)損耗、直流電容器的有功功率損耗以及交流電抗器的有功損耗，為簡(jiǎn)化分析，將總的損耗集中作為連接電抗器的電阻來(lái)考慮；那么SVG大的工

98、作原理可以用圖4-1所示的單相等效電路圖來(lái)說(shuō)明。</p><p>　　圖4-1 SVG與系統(tǒng)連接單相等效原理圖</p><p>　　理想情況下，可將裝置等效成可控電壓源，系統(tǒng)視為理想電壓源，兩者相位一致。當(dāng)>時(shí)，從系統(tǒng)流向裝置的電流超前系統(tǒng)電壓，裝置工作于容性區(qū)，輸出感性無(wú)功；反之，當(dāng)<時(shí)，從系統(tǒng)流向裝置的電流相位滯后系統(tǒng)電壓，裝置工作于感性區(qū)，吸收感性無(wú)功；當(dāng)=時(shí)，系統(tǒng)與裝置

99、之間電流為零，不交換無(wú)功功率。由此，調(diào)節(jié)的大小就可以控制輸出無(wú)功的性質(zhì)和大小。</p><p>　　4.3 逆變器主電路器件的基頻開(kāi)關(guān)法（FFS）</p><p>　　所謂的基頻開(kāi)關(guān)法（FFS-Fundamental Frequency Switching），即在每個(gè)電網(wǎng)電壓周期（50Hz），鏈?zhǔn)蕉嚯娖絊VG主電路逆變器上的每個(gè)電力電子開(kāi)關(guān)器件IGCT（或GTO、IGBT等）只開(kāi)關(guān)一次，從

100、而大大減少了開(kāi)關(guān)器件的損耗，增加了SVG轉(zhuǎn)電路的安全裕度[20]。</p><p>　　圖4-2 單相橋逆變器（HBI-1）結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　鏈?zhǔn)蕉嚯娖絊VG主電路逆變器的每一相都是由若干個(gè)模塊化結(jié)構(gòu)的單H橋串聯(lián)而成的。以11電平逆變器主電路的a相為例來(lái)分析。11電平逆變器主電路的a相由5個(gè)單H橋串聯(lián)而成，從上到下依次為HBI-1、HBI-2、HBI-3、HBI-4和HBI-5。

101、</p><p>　　盡管逆變器的a相由五個(gè)單H橋串聯(lián)而成，由于各H橋相互獨(dú)立，因此每個(gè)H橋上的4電力電子開(kāi)關(guān)器件的工作原理是一樣的，所不同的只是觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)間的不同而已。下面以HBI-1為例來(lái)說(shuō)明基頻開(kāi)關(guān)法原理。</p><p>　　圖4-3 各個(gè)H橋輸出電壓波形</p><p>　　HBI-1上的4個(gè)IGCT，T1、T2、T3和T4如圖4-2所示，他們?cè)诿總€(gè)工頻周

102、期必須開(kāi)通周期，而在另周期保持關(guān)斷。如圖4-3所示，T1在時(shí)刻開(kāi)通，T2在時(shí)刻開(kāi)通，T3在時(shí)刻開(kāi)通，T4在時(shí)刻開(kāi)通；T1在時(shí)刻關(guān)斷，T2在時(shí)刻關(guān)斷，T3在時(shí)刻關(guān)斷，T4在時(shí)刻關(guān)斷。單相橋HBI-1在單工頻周期的輸出電壓分析如下：</p><p>　?。?）在期間，T1和T2開(kāi)通，T3和T4關(guān)斷，H橋輸出電壓為0；</p><p>　?。?）在期間，T1和T3開(kāi)通，T2和T4關(guān)斷，H橋輸出電

103、壓為；</p><p>　?。?）在期間，T3和T4開(kāi)通，T1和T2關(guān)斷，H橋輸出電壓為0；</p><p>　?。?）在期間，T4和T2開(kāi)通，T1和T3關(guān)斷，H橋輸出電壓為；</p><p>　?。?）在期間，T1和T2開(kāi)通，T4和T3關(guān)斷，H橋輸出電壓為0。</p><p>　　圖4-4 鏈?zhǔn)?1電平a相輸出電壓波形</p>

104、<p>　　采用上述的開(kāi)關(guān)模式，單相橋三電平輸出：、0、就產(chǎn)生了。把同樣的開(kāi)關(guān)方法應(yīng)用于其他的單相橋HBI-2、HBI-3、HBI-4和HBI-5，只要每個(gè)橋的觸發(fā)角度不同，如圖4-4，分別為、、和并設(shè)：</p><p>　　那么，就得到了電壓幅值相同而觸發(fā)角不同的各個(gè)單相H橋的三電平輸出電壓波形，如圖4-3所示。只要通過(guò)簡(jiǎn)單的代數(shù)和或者方波疊加的方法就得到了鏈?zhǔn)?1電平SVG的單相輸出總電壓波形，如

105、圖4-4所示。</p><p><b>　　4.4 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章通過(guò)對(duì)SVG主電路常見(jiàn)的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，介紹了鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)的工作原理和等效電路圖，并對(duì)逆變器主電路器件的基頻開(kāi)關(guān)法的工作原理進(jìn)行了介紹。</p><p><b>　　結(jié)論</b></p><p>　　SVC和

106、SVG是目前兩種主要的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)。20世紀(jì)90年代中后期以來(lái)，SVG技術(shù)在世界范圍內(nèi)獲得推廣，積累了一些成功的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。目前，在歐美等一些發(fā)達(dá)國(guó)家SVC補(bǔ)償裝置已經(jīng)取得廣泛應(yīng)用，SVG補(bǔ)償裝置的產(chǎn)業(yè)化也有10年的時(shí)間。在國(guó)內(nèi)，機(jī)械投切電容器（MSC）裝置以其低廉的價(jià)格依然占據(jù)較大的市場(chǎng)份額。而SVG的應(yīng)用尚處在試運(yùn)行階段。</p><p>　　隨著現(xiàn)在工業(yè)的發(fā)展，對(duì)電能質(zhì)量要求的不斷提高。為滿足需求，對(duì)高壓

107、大容量SVG裝置的研究已經(jīng)勢(shì)在必行。本文對(duì)SVG裝置與其他無(wú)功補(bǔ)償裝置（同步調(diào)相機(jī)、MSC、SVC和TCSC）進(jìn)行了介紹和對(duì)比，并且詳細(xì)地分析了SVG裝置的工作原理和特性，同時(shí)介紹了幾種主要的SVG主電路結(jié)構(gòu)。最后總結(jié)出SVG裝置具有以下優(yōu)點(diǎn)：</p><p>　?。?）SVG應(yīng)用先進(jìn)的電力電子技術(shù)，以全控器件構(gòu)成的電壓源逆變器為核心，在輸出正弦度、響應(yīng)速度、低壓特性等方面具有優(yōu)越的性能。</p>

108、<p>　?。?）相同容量的SVG占地面積約為SVC的1/5～1/3，在負(fù)荷中心用地資源日益緊缺的背景下SVG具有良好的實(shí)用性。</p><p>　?。?）為保證足夠的動(dòng)態(tài)無(wú)功備用，以TCR為核心的SVC在日常運(yùn)行時(shí)需投入比SVG更多的容量，帶來(lái)的損耗也更大。</p><p>　?。?）隨著電力電子器件技術(shù)的發(fā)展，SVG與其他無(wú)功補(bǔ)償裝置在投資方面的差異在逐漸縮小。若采用混合式動(dòng)

109、態(tài)無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)的思路，則SVG與SVC的投資已基本相當(dāng)。</p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　本論文是在朱東柏老師的親切關(guān)懷和悉心指導(dǎo)下完成的。他嚴(yán)肅的科學(xué)態(tài)度，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)精神，精益求精的工作作風(fēng)，深深地感染和激勵(lì)著我。從課題的選擇到論文的最終完成，朱老師都始終給予我細(xì)心的指導(dǎo)和不懈的支持。在此謹(jǐn)向朱老師致以誠(chéng)摯的謝意和崇高的敬意。</

110、p><p>　　同時(shí)，還要感謝一直幫助我的祝軍師兄，在我完成論文期間幫我解答疑問(wèn)，師兄認(rèn)真的學(xué)習(xí)態(tài)度是我今后學(xué)習(xí)和工作的榜樣。</p><p>　　我還要感謝在一起愉快的度過(guò)四年大學(xué)生活的各位室友，正是由于你們的幫助和支持，我才能克服一個(gè)一個(gè)的困難和疑惑，直至本文的順利完成。感謝你們一直以來(lái)給予我的幫助和關(guān)懷。</p><p>　　在論文即將完成之際，我的心情無(wú)法平靜，

111、從開(kāi)始進(jìn)入課題到論文的順利完成，有多少可敬的師長(zhǎng)、同學(xué)、朋友給了我無(wú)言的幫助，在這里請(qǐng)接受我誠(chéng)摯的謝意！最后我還要感謝培養(yǎng)我長(zhǎng)大含辛茹苦的父母，謝謝你們！</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　王軒，趙國(guó)亮，周飛等，STATCOM在輸電系統(tǒng)中的應(yīng)用.電力設(shè)備.2008：66~70</p><p>　　劉文華，梁旭，姜

112、齊榮，采用GTO逆變器的±20 Mvar STATCOM[期刊論文]-電力系統(tǒng)自動(dòng)化 2000(23)</p><p>　　臧春艷，裴振江，何俊佳等，鏈?zhǔn)絊TATCOM直流側(cè)電容電壓控制策略研究[期刊論文]-高壓電器2010(1)</p><p>　　周雪松，張書瑞，馬幼捷，靜止同步補(bǔ)償器(STATCOM)原理及性能分析研究[期刊論文]-機(jī)械設(shè)計(jì)與制造 2009(12)</