級聯(lián)多電平靜止同步補償器及其負序補償若干關(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)對無功電源要求日益嚴格，傳統(tǒng)的無功補償裝置已難以滿足某些特殊場合的應(yīng)用要求?；诩壜?lián)多電平逆變技術(shù)的靜止同步補償器(Static Synchronous Compensator，STATCOM)是一類新型的無功補償裝置，具有模塊化、易擴展的優(yōu)點，通過全橋或半橋子模塊級聯(lián)克服了單個電力電子器件耐壓不足的缺點，可直接接入中高壓配電網(wǎng)。國內(nèi)外學(xué)者已對級聯(lián)多電平STATCOM進行了許多前期研究，級聯(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，可將三相級聯(lián)多電平STATCOM將分為三種：基于全橋模塊級聯(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)和基于半橋模塊級聯(lián)的雙星形結(jié)構(gòu)(Double-Star Chopper-Cells，DSCC)。本論文得到了國家“863”計劃項目“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，圍繞級聯(lián)多電平靜止同步補償器展開，依次對級聯(lián)多電平STATCOM的調(diào)制方法、直流側(cè)電壓穩(wěn)定性、SDBC型STATCOM負荷平衡化補償相電流指令計算方法、SSBC型STATCOM負序補償控制方法以及DSCC型STATCOM的負序補償特性等多個關(guān)鍵點進行研究，旨在進一步改善級聯(lián)多電平STATCOM的諧波特性，提高裝置的穩(wěn)定性，拓展級聯(lián)多電平STATCOM的應(yīng)用功能。研究重點及取得的成果主要體現(xiàn)在以下幾個方面：
　　(1)闡述了級

4、聯(lián)多電平STATCOM的工作原理，提出了適用于級聯(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。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，實現(xiàn)了對級聯(lián)多電平STATCOM的控制。仿真對比了級聯(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：單載波調(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)對級聯(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)，對級聯(lián)多電平STATCOM直流側(cè)電壓控制環(huán)進行了穩(wěn)定性分析，結(jié)果表明：PI調(diào)節(jié)器積分時間常數(shù)大于濾波環(huán)節(jié)時間常數(shù)是系統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件。運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)和積分時間常數(shù)

6、對系統(tǒng)穩(wěn)定性及響應(yīng)速度的影響，為級聯(lián)多電平STATCOM直流電壓調(diào)節(jié)器的設(shè)計提供了參考。最后，搭建了3kV單相級聯(lián)多電平STATCOM實驗樣機，驗證了穩(wěn)定性分析的正確性。
　　(3)為實現(xiàn)三角形級聯(lián)多電平STATCOM對不平衡負荷的補償，本文提出了基于瞬時功率理論的三角形補償器相電流指令快速計算方法。通過對補償電路相量圖進行幾何分析，并根據(jù)瞬時功率理論推導(dǎo)出dq/△變換矩陣，該變換矩陣可應(yīng)用于負序補償系統(tǒng)和綜合補償系統(tǒng)。三相電流瞬

7、時值經(jīng)abc/dq變換、低通濾波，得到兩相旋轉(zhuǎn)坐標系下的負序有功電流分量和負序無功電流分量；再經(jīng)dq/△變換矩陣，便可得到三角形級聯(lián)多電平STATCOM負序補償所需的相電流指令。為進一步簡化綜合補償電流指令的計算，從計算相電流零序環(huán)流的角度出發(fā)，對三角形級聯(lián)多電平STATCOM的零序電流進了推導(dǎo)，提出基于瞬時功率理論的零序環(huán)流計算方法和簡化的綜合補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值進行運算，避免了基于Steinme

8、tz原理的補償導(dǎo)納計算過程所需的相量識別，響應(yīng)速度優(yōu)于現(xiàn)有方法。最后，搭建了PSIM仿真模型驗證了所提方法的有效性和優(yōu)越性。
　　(4)建立了星形級聯(lián)多電平STATCOM分序模型，闡述了補償器進行無功和負序綜合補償?shù)墓ぷ髟恚赫{(diào)節(jié)補償器輸出電壓的正、負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)相量圖對零序分量進行了數(shù)學(xué)推導(dǎo)，得到中性點運動軌跡，由中性點坐標可知，

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