电力电容器zw

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沅森
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1 第 9 卷第 6 期年月电力电容器与无功补偿 Power Caacitor & Reactive Power Comesatio Vol.9 No Dec. 8 DOI:.444/j crc.8.6. 不平衡工况下星形链式 STATCOM 的控制策略及其能力分析商姣宋彬彬王宝安. 东南大学成贤学院南京 88. 东南大学南京 96 摘要星形链式 STATCOM 广泛应用于高压大功率场合的电能质量治理实际上三相负载不可能完全平衡 STATCOM 在治理无功的同时应尽其能力同时补偿负载三相不平衡根据负载电流计算出 STATCOM 同时补偿无功三相负载不平衡时的指令电流给出 STATCOM 与电网连接的等效电路根据每相链节吸收的有功功率为零计算出 STATCOM 的中性点电压设计了电流跟踪控制策略直流侧电压稳定与均衡控制策略为避免出现过调制现象分析了 STATCOM 补偿三相负载不平衡能力在 Matlab/Simulik 中搭建了.5 Mvar kv 七电平 STATCOM 仿真模型通过不同的负载情况验证了 STATCOM 能够补偿的最大负载不平衡度以及 STATCOM 控制策略的正确性关键词链式 STATCOM 星形连接不平衡工况中性点电压补偿能力 Cotrol Strategies ad Caability Aalysis of Cascaded STATCOM with Star Cofiguratio Uder Ubalaced Coditio SHANG Jiao SONG Bibi WANG Baoa. Southeast Uiversity Chegxia College Najig 88 Chia. Southeast Uiversity Najig 96 Chia Abstract: The cascaded STATCOM with star cofiguratio is used widely i ower quality cotrol at high voltage ad high ower alicatios. I fact the three hase load caot be fully balaced. The STATCOM shall while i the course of cotrollig reactive ower shall try is caability to comesate three hase load ubalace simultaeously. The istructio curret for comesatig reactive ower ad three hase u balace is calculated simultaeously i accordace with the load curret. The equivalet circuit of the STATCOM ad grid coectio is give. The eutral oit voltage of the STATCOM is calculated based o the ricile that the active ower absorbed by each cluster should be zero. The curret trackig ad DC volt age stabilizatio ad balace cotrol strategies are desiged. The caability for the STATCOM to comesate three hase ubalace is aalyzed i case of over modulatio. A.5 Mvar kv seve level STATCOM sim ulatio model is built i Matlab/Simulik. The maximum load ubalace to be comesated by the STATCOM ad the correctess of the cotrol strategy of the STATCOM are verified through differet load coditios. Keywords: cascaded STATCOM star cofiguratio ubalaced coditio eutral oit voltage com esatio caability 由彭方正等学者于世纪 9 年代中期提出 7 三相引言近年来随着电力电子技术的发展 STATCOM -4 静止同步补偿器广泛应用于电能质量治理领域尤其是在中高压配网中链式 STATCOM 因具有模块化程度高电平易拓展等优点而成为研究热点 5-6 H 桥是链式 STATCOM 的主流子模块拓扑之一收稿日期级联 H 桥可以接成三角形或星形结构 8 在相同电压等级下星形结构所需 H 桥的数量较三角形结构要少具有明显的成本优势因此也受到一定关注 9- 但星形结构补偿三相不平衡电流的能力远不及三角形结构而在工程应用中三相负载不可能完全对称因此研究不平衡工况下星形链式 STATCOM 59

2 8 年第 6 期电力电容器与无功补偿第 9 卷的控制策略及其补偿不平衡的能力很有必要星形链式 STATCOM 的控制策略区别于三角形链式 STATCOM 主要有指令电流的获取链节直流侧电压的稳定两部分已有文献对星形链式 [] STATCOM 的指令电流获取作过研究, 但多限于补偿三相平衡负载 ; 文献 [-4] 探讨了不平衡工况下星形链式 STATCOM 的控制策略以及不平衡运行范围, 通过叠加零序电压, 使得 STATCOM 的电压与电流垂直, 以保证链节直流侧电压恒定, 但其得到零序电压的幅值和相位的计算结果较为复杂 ; 文献 [5] 根据文献 [] 的思想, 对零序电压的计算公式进行了精简, 但该公式与链节有功功率无关, 不利于链节直流侧电压的反馈控制, 且未分析负序电流的补偿能力 ; 文献 [] 定量给出了星形接线的 STATCOM 不平衡运行极限, 但其未给出不平衡工况下 STATCOM 的控制策略本文针对不平衡负载工况, 首先设计了星形链式 STATCOM 的控制策略, 包括指令电流获取中性点电压计算链节电压控制 ; 然后分析了星形 STATCOM 补偿不平衡电流的能力 ; 最后通过仿真验证了 STATCOM 能够补偿的最大负载不平衡度以及 STATCOM 控制策略的正确性星形链式 STATCOM 的拓扑结构星形链式 STATCOM 由三相链节构成星形连接, 每相链节由多个 H 桥和一个电抗器级联而成, 三相各引出一个端子连接在一起形成中性点 N, 另一个端子分别为 A B C, 连接在电网与负载之间, 如图所示, 本文以每相个 H 桥级联为例进行说明 STATCOM 电流当 STATCOM 用于补偿负载的无功电流三相不平衡电流时, 只需检测出负载电流中的无功和三相不平衡分量,STATCOM 产生大小相同方向相反的分量即可实现补偿控制策略. STATCOM 电流指令的获取 STATCOM 电流指令的获取策略如图所示, 将三相负载电流 i la i lb i lc 进行 abc/dq+ 变换, 将 d 轴分量经过低通滤波器后, 与零一起进行 dq+/abc 变换, 得到负载电流的基波有功分量 ; 将其减去三相负载电流后, 即可得到 STATCOM 的电流指令为保证 STATCOM 中 H 桥直流侧电压恒定,STATCOM 需要吸收一定的有功电流, 将稳压所需有功电流分量 I 叠加到 d 轴分量中, 经变换后得到 STATCOM 的电流指令 i aref i bref i cref 图 STATCOM 电流指令获取策略框图 Fig. Block diagram of acquisitio strategy of the STATCOM curret commad. 中性点电压计算 STATCOM 与电网连接的等效电路如图所示, 以 A 相为例,STATCOM 输出的电压 u A N 由三部分组成, 电网电压 u sa STATCOM 中性点 N 相对于电源中性点 N 的电压 u N N 电抗器压降 u AA 满足 u A N = u sa - u N N - u AA ( 图星形链式 STATCOM 与电网连接示意图 Fig. Coectio schematic diagram betwee cascaded STATCOM with star cofiguratio ad grid 图中,u sa u sb u sc 为三相电网电压 ;i sa i sb i sc 为三相电网电流 ;i la i lb i lc 为三相负载电流 ;i a i b i c 为三相 6 图 STATCOM 与电网连接的等效电路 Fig. Equivalet circuit of the STATCOM ad the grid coectio 由式 ( 可知, 星形连接的 STATCOM 的每相输出电压与三角形连接时不同, 除了含有电网电压分量和电抗器压降外, 还含有中性点电压分量因此在控制星形 STATCOM 时, 需要计算出中性点电压分量不考虑电网电压中的负序分量和谐波分量, 电网相电压可以表示为

3 8 年第 6 期商姣等不平衡工况下星形链式 STATCOM 的控制策略及其能力分析 ìu sa = U m si(ωt u sb = U m si(ωt - π í π u sc = U m si(ωt + 式中 Um 为电网相电压的峰值 ω为电网角频率不考虑链节稳压所需的有功电流 STATCOM 的三相线电流指令 ia ib ic可以表示为 ìi a = I m si(ωt + θ + I m si(ωt + θ i = I si(ωt + θ - π + I si(ωt + θ + π m m íb i c = I m si(ωt + θ + π + I m si(ωt + θ - π 式中 Im 为正序无功电流的峰值 θ 为正序无功电流总第 8 期压恒定所需的有功功率式 7 中含有 Im Im θ 同时含有幅值及角度量不便于计算 un N 因此将三相负载电流取负之后分别进行 abc/dq+ abc/dq-变换将各自 d 轴 q 轴分量经过低通滤波器后得到 STATCOM 线电流指令中的正序无功电流幅值 Im 负序有功电流幅值 Id 负序无功电流幅值 Iq 如图 4 所示的初相位 θ=±π/ Im 为负序电流的峰值 θ 为负序电流的初相位设 STATCOM 中性点电压为 u N N = U si(ωt + θ 4 式中 U 为电压峰值 θ 为 U 相位为保证各相链节直流侧电容电压保持恒定 STATCOM 每相链节吸收的有功功率应为因此 ì T [U si ωt - U si(ωt + θ ][I si(ωt + θ + m m I si(ωt + θ ]dt = m T π [U m si(ωt - - U si(ωt + θ ][I m si(ωt + 5 í θ - π + I si(ωt + θ + π ]dt = m T π [U m si(ωt + - U si(ωt + θ ][I m si(ωt + θ + π + I m si(ωt + θ - π ]dt = 以上仅有两个式子是独立的化简得 ì U I cos θ - U I cos(θ - θ m m m U I m cos(θ - θ = 6 í U m I m cos(θ - π - U I m cos(θ - θ + π - U I m cos(θ - θ - π = STATCOM 在工程应用中所有元件都存在损耗需要从电网吸收少量有功功率以维持各相链节直流侧电压恒定将式 6 修正为 ì U I cos θ - U I cos(θ - θ m m m U I m cos(θ - θ = P ra 7 í π U m I m cos(θ - - U I m cos(θ - θ + π - U I cos(θ - θ - π = P rb m 式中 Pra Prb 分别为 A 相 B 相为维持链节直流侧电 Fig. 4 图 4 中性点电压计算原理框图 Pricile block diagram of eutral voltage calculatio 负序电流幅值满足 ìi d = I m cos θ íi = I si θ q m 8 综合式 7-8 可得 ì U si θ I d = U cos θ (I q - I m si θ 4 4 P rb - 4 U m I q + P ra 9 í U si θ (I + I si θ = U cos θ I d q m P ra - U m I d 解得 ìu cos θ = N - U m I d I d - M - U m I q I q + I m si θ I m - I q - I d íu si θ = N - U m I d I q - I m si θ + M - U m I q I d I m - I q - I d æp ö 其中 M = 4 ç ra + P rb,n = P ra è ø ( ( ( ( ( ( 根据式 un N 可以表示为 u N N = U (si ωt cos θ + cos ωt si θ 结合式和式即可计算出 un N 其原理如图 4 所示 6

4 8 年第 6 期电力电容器与无功补偿第 9 卷 STATCOM 的控制信号产生原理如图 5 所示, 将 STATCOM 的线电流指令 i xref 与实际电流 i x 作差后, 送入 PI 控制器 ; 根据式 (, 得到 u x N, 即 x 相链节的原始控制信号 ; 由于每相链节中的 H 桥参数各异, 需要电压均衡控制维持其电压均衡, 将原始控制信号分别与各个 H 桥的电压均衡控制信号 u cx~ u cx 叠加后, 即可得到 STATCOM 的最终控制信号 u x_ref~u x_ref, 送入脉冲宽度调制 (PWM 单元, 即可产生 PWM 脉冲图 5 控制信号产生原理框图 Fig. 5 Pricile diagram of cotrol sigal geeratio. 链节电压控制策略为保证 STATCOM 每相链节直流侧总电压恒定, 需要对每相直流侧总电压进行控制, 如图 6(a 所示直流侧总电压指令值为 u dcref, 三相链节的直流侧电压之和分别为 u dca u dcb u dcc, 指令值与实际值的作差后送入 PI 控制器, 得到每一相所需的有功功率 P ra P rb P rc 三相有功功率之和 P r 除以电压幅值 U m 和系数, 即可得到有功电流幅值 I, 送往线电流指令获取单元, 见图 P ra P rb I 送往中性点电压计算单元, 见图 4 由于每相链节中的 H 桥参数各异, 需要电压均衡控制维持其电压均衡, 其控制框图如图 6(b 所示图 6 链节电压控制原理框图 Fig. 6 Pricile diagram of cluster DC voltage cotrol 以 x 相为例, 将该相链节直流侧电压之和 u dcx 乘以 / 后得到该相的平均直流电压 u dcxav, 与第 i 个 H 桥的直流侧电压 u dcxi 作差, 送入 P 控制器, 与该相 STATCOM 电流 i x 的方向信号 (± 相乘后, 得到电压均衡控制信号 u cxi, 送入控制信号产生单元, 即可实现级联 H 桥电压均衡, 见图 5 补偿不平衡负载的能力分析调制时, 若要工作在线性调制区, 并给电压均衡控制信号留有一定裕量 (%,STATCOM 发出的最大电压标幺值 u max 需满足条件 u max = max{u A N,u B N,u C N } 9%u dcref /U m ( 其中若取电压基准值为 U m, 则 u A N u B N u C N 分别为 STATCOM 的三相输出电压标幺值定义不平衡度 k = I d + I q /I m ( 结合式 ( 式 (8 式 ( 式 ( 式 (, 忽略 P ra P rb, 即可求得 u A N, u A N = si ωt - k si θ si θ - k cos θ - k si ωt - k cos θ si θ - k si θ - k cos ωt - [si(ωt + θ + k si(ωt + θ ]Z L 式中,Z L 为桥臂电抗器的标幺值表同理可求得 u B N u C N (4 本文以.5 Mvar 的 STATCOM 为例, 其参数见表仿真参数 Table Simulatio arameters 参数名称系统电压 /kv 电网频率 /Hz 每相 H 桥子模块数桥臂电抗器电感值 /mh H 桥直流侧电容值 /mf 开关频率 /khz H 桥直流电压指令值 /V 参数取值根据表参数, 在 Matlab 中求出满足式 ( 的不平度 k 值, 并画出 u max 与 θ k 的关系图, 如图 7 所示当 θ =±(π/ 时, 最大不平衡度 k 值均为 8% u max 不仅与不平衡度 k 有关, 还与 θ 有关当 θ 一定时,k 越大,u max 越大 ; 当 k 一定时,u max 随 θ 周期性变化当 k=.8,θ =π/, 且 θ = 时, u max 均可取得最大值.4; 当 k=.8,θ =-π/, 且 θ = 时,u max 均可取得最大值.4 6

8 年第 6 期商姣等不平衡工况下星形链式 STATCOM 的控制策略及其能力分析总第 8 期 STATCOM 的仿真模型其主电路见图参数见表由图 7 a 可知当 k=.8 θ=π/ 且θ=.44 时 u 可取得最大值是一定裕度下 STATCOM 能够补 max 偿的最大不平衡负载因此设定两组负载 θ=.

5 8 年第 6 期商姣等不平衡工况下星形链式 STATCOM 的控制策略及其能力分析总第 8 期 STATCOM 的仿真模型其主电路见图参数见表由图 7 a 可知当 k=.8 θ=π/ 且θ=.44 时 u 可取得最大值是一定裕度下 STATCOM 能够补 max 偿的最大不平衡负载因此设定两组负载 θ=.44 对比不同 k 值下的仿真结果两组负载情况为 A 相 Ra= Ω La=9.5 mh B 相 Rb=.97 Ω Lb=.97 mh C 相 Rc=.78 Ω Lc=4.6 mh 此时 k=.8 θ =.44 A 相 Ra= Ω La=9.5 mh B 相 Rb=. Ω Lb=.6 mh C 相 Rc=.44 Ω Lc=4.88 mh 此时 k=.5 θ=.44 两组负载的仿真结果分别如图 8-9 所示 H 桥直流侧电容的初始电压为 75 V. s 后 STATCOM Fig. 7 4 图 7 u max与θ k 的关系图 Relatioshi diagram betwee u max θ ad k 仿真结果在 Matlab/Simulik 中搭建三相星形链式 Fig. 8 开始补偿负载的无功及三相不平衡电流在第组负载情况下由图 8 a 可见链节各级联 H 桥直流侧电压稳定均衡均在指令值 85 V 附近波动验证了链节直流侧总电压控制电压均衡控制的有效性图 8 第组负载情况下的波形 Waveform uder load at the first grou 由图 8 b 可见三相均未出现过调制现象但补偿后电网侧电压和电流如图 8 f 所示三相电网接近说明此时已接近 STATCOM 能够补偿的最大平衡及无功补偿由此说明 STATCOM 能够补偿此此时调制波的最大幅值与三角波的最大幅值非常负载不平衡度由图 8 c 可见 uxn 与 x 相电流指令的相位基本正交即 x 相链节吸收的有功功率基本电流平衡且每相电流与电压同相位实现了三相不时的负载不平衡在第组负载情况下由图 9 a 可见当为保证了链节的总直流电压恒定由图 8 d STATCOM 在. s 时开始补偿负载无功及三相不偿前电网电压和负载电流波形如图 8 e 所示三相流电压与指令值偏移较多由图 9 b 可见 a 相 b STATCOM 的电流能够快速准确跟踪指令电流补负载电流不平衡且存在感性无功电流经 STATCOM 平衡电流时 H 桥的直流侧电压波动非常大且直相出现过调制现象这也是导致直流侧电压偏移的 6

6 8 年第 6 期电力电容器与无功补偿第 9 卷图 9 第组负载情况下的波形 Fig. 8 Waveform uder load at the secod grou 主要原因由于直流侧电压偏移较多三相链节稳压所需的有功较大计算出的中性点电压幅值也较大由图 9 c 可见 uxn 与 x 相电流指令的相位不再正交即 x 相链节需要吸收有功功率来使链节直流侧电压恒定因受到过调制的影响 STATCOM 电流跟踪效果变差电流发生畸变如图 9 d 所示补偿前电网电压和负载电流波形如图 9 e 所示三相负载电流不平衡且存在感性无功电流经 STATCOM 补偿后电网侧电压和电流如图 9 f 所示电网电流发生畸变由此说明第组负载情况已经超出了 STATCOM 的补偿能力 5 结束语星形 STATCOM 在补偿负载无功电流的同时应尽其能力同时补偿三相不平衡电流 actios o Power Delivery 5 4 :-7. SOTOAND D PENA R. Noliearcotrolstrategiesforcas cadedmultilevel STATCOMs J. IEEE Tras. o Power De livery : FANG Zhegeg JIHSHENG L. Dyamic erformace ad cotrol of a static var geerator usig cascade multilevel i verters J. IEEE Tras. o Idustry Alicatios 997 : FANG Zhegeg JIHSHENG L MCKEEVER J W et al. A multilevel voltage source iverter with searate DC sourc es for static var geeratio J. IEEE Trasactios o Idus try Alicatios :-8. 5 LEE C K LEUNG J S HUI S Y et al. Circuit level comar iso of STATCOM techologies J. IEEE Trasactios o Power Electroics 8 4 : 刘钊. 风力发电系统中链式 STATCOM 关键技术 D. 武汉华中科技大学. 当星形 STATCOM 补偿负载三相不平衡电流 7 AKAGI HIROFUMI. Classificatio termiology ad a 电位 STATCOM 发出的电压中应包含电源电压中 MMCC C // Iteratioal Power Electroics Co 时 STATCOM 的中性点 N 与电源中性点 N 不再等性点电压电抗器压降三部分为保证各相链节直流侧电容电压保持恒定直流电压恒定时 STATCOM 每相链节吸收的有功功率应为由此计算出中性点电压 STATCOM 补偿负载三相不平衡的能力与其链节直流侧电压负载情况有关本文参数条件下能够允许补偿的负载不平衡度最大为 8% 4 工程应用中可以根据 STATCOM 的参数预先计算出其允许补偿的最大负载不平衡度尽其能力补偿负载的三相不平衡电流参考文献 RAO P CROW M L YANG Z P. STATCOM cotrol for ower system voltage cotrol alicatios J. IEEE Tras 64 licatio of the modular multilevel cascade coverter ferece. S.L. :IEEE : 丁善宝. STATCOM 的链式结构与 MMC 结构对比分析 D. 鞍山辽宁科技大学. 9 许湘莲邹云屏郭江. 基于自抗扰控制器的级联多电平静态同步补偿器控制系统 J. 中国电机工程学报 XU Xiaglia ZOU Yubig GUO Jiag. Cotrol system of cascade multilevel statcom based o auto disturbace re jectio cotroller J. Proceedigs of the CSEE 7 7 :4-44. AKAGI H INOUE S YOSHII T. Cotrol ad erformace of a trasformerless cascade PWM STATCOM with star cofiguratio J. Idustry Alicatios IEEE Trasactios o : 4-49.

7 8 年第 6 期商姣, 等不平衡工况下星形链式 STATCOM 的控制策略及其能力分析 ( 总第 8 期 [] 谭树龙, 杨耕, 耿华. 不平衡工况下链式 STATCOM 的运行极限分析 [J]. 电力自动化设备,5,5(: TAN Shulog,YANG Geg,GENG Hua. Aalysis of oer atig limit for cascaded STATCOM i ubalaced coditio [J]. Electric Power Automatio Equimet,5,5(: [] 王松, 谈龙成, 李耀华, 等. 链式 STATCOM 的新型电流控制策略 [J]. 电力电子技术,4,48(:4-4. WANG Sog,TAN Logcheg,LI Yaohua,et al. A ovel curret cotrol strategy of cascade STATCOM[J]. Power Electroics,4,48(:4-4. []QIANG Sog,LIU Wehua. Cotrol of a cascade STAT COM with star cofiguratio uder ubalaced coditios [J]. Power Electroics,IEEE Trasactios o,9,4 (: [4] 季振东, 孙毅超, 李东野, 等. 星形和三角形连接的链式 H 桥 STATCOM 不平衡补偿分析 [J]. 高电压技术,5, 4(7: JI Zhedog,SUN Yichao,LI Dogye,et al. Comarative for ubalace comesatio of cascaded H bridge STAT COMs betwee star ad delta cofiguratio[j]. High Volt age Egieerig,5,4(7: [5] 王松, 谈龙成, 李耀华, 等. 链式星形 STATCOM 补偿不平衡负载的控制策略 [J]. 中国电机工程学报,, (7:-7. WANG Sog,TAN Logcheg,LI Yaohua,et al. A cotrol strategy of star coected cascade circuit STATCOM for ubalaced load comesatio[j]. Proceedigs of the CSEE,,(7:-7. 作者简介 : 商姣 (989, 女, 硕士, 研究方向为电力电子在电力系统中的应用电能质量技术宋彬彬 (98, 女, 硕士, 研究方向为电力系统分析与控制技术王宝安 (978, 男, 副教授, 主要研究方向为电能质量技术电力电子技术电力电容器与无功补偿 8 No.6 杂志刊登广告单位江苏雷特电机股份有限公司封面上海思源电力电容器有限公司封二浙江桂容谐平科技有限责任公司封三 4 桂林电力电容器有限责任公司封底 5 西安高压电器研究院有限责任公司封面拉页 6 佛山艾威普电气工业有限公司前插 7 无锡赛晶电力电容器有限公司前插 8 中山凯旋真空技术工程有限公司前插 9 河南省 ( 豫电中原电力电容器有限公司前插 4 西安金叶电力科技有限公司前插 5 山东海源泰和电气有限公司前插 6 上海库柏电力电容器有限公司前插 7 陕西凯瑞宏星电器有限公司前插 8 4 新东北电气集团电力电容器有限公司前插 9 6 沈阳诚桥真空设备有限公司前插 7 西安西电电力电容器有限责任公司前插 8 杭州精诚电力设备有限公司前插 9 合容电气股份有限公司前插 4 西安容泰电气有限公司前插 5 佛山市顺德区胜业电气有限公司前插 6 深圳市三和电力科技有限公司前插 7 温州凯泰特种电器有限公司前插 8 4 无锡锡源真空设备有限公司前插 9 5 上海上电电容器有限公司前插上 6 无锡康派特电气有限公司前插下 7 上海展奥通兴实业有限公司前插上 8 电力电容器与无功补偿编辑部前插下 9 广西睿奕科技开发有限公司前插 5 济南银河电气有限公司前插 65

电子技术基础 ( 第版 ) 3. 图解单相桥式整流电路 ( 图 4-1-3) 电路名称电路原理图波形图整流电路的工作原理 1. 单相半波整流电路 u 1 u u sin t a t 1 u 0 A B VD I A VD R B

电子技术基础 ( 第版 ) 3. 图解单相桥式整流电路 ( 图 4-1-3) 电路名称电路原理图波形图整流电路的工作原理 1. 单相半波整流电路 u 1 u u sin t a t 1 u 0 A B VD I A VD R B 直流稳压电源第 4 章 4.1 整流电路及其应用学习目标 1. 熟悉单相整流电路的组成, 了解整流电路的工作原理. 掌握单相整流电路的输出电压和电流的计算方法, 并能通过示波器观察整流电路输出电压的波形 3. 能从实际电路中识读整流电路, 通过估算, 能合理选用整流元器件 4.1.1 认识整流电路 1. 图解单相半波整流电路 ( 图 4-1-1) 电路名称电路原理图波形图 4-1-1. 图解单相全波整流电路