静止无功补偿技术.pptx

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1、STATic synchronous COMpensatorSTATCOM静止同步补偿器技术静止同步补偿器技术第1页/共51页STATCOM的优点的优点 STATCOM是基于GTO或IGBT的电压型逆变器和直流电容器构成的。它是现代柔性交流输电系统（FACTS）的核心部分，同以往的静止无功补偿装置相比较，STATCAM具有以下优点：（1）静止运行，安全稳定，没有大型转动设备，没有磨损，也没有机械噪声，很大程度上提高了装置的使用寿命；（2）在提高系统的暂态稳定性，阻尼系统振荡等方面，STATCAM也是传统的同步调相机所不能比拟的；（3）在STATCOM装置中，采用直流电容器来替代交流电容器，可以

2、省去常规装置中的大电感，大电容及相关的切换机构，故能减少STATCOM装置的体积，降低损耗；（4）STATCOM为电压源逆变装置，电容器的容量小，在网络中普遍使用，不容易产生谐振；第2页/共51页（5）STATCOM控制灵活，调节范围广，无论在感性还是容性的工况下，都可持续快速调节，响应时间为2030ms。基于PWM调制的STATCOM装置，其最快的响应时间可在10ms左右（6）谐波量小。在STATCOM中，一般采用桥式交流电路的多重化技术和多电平技术，或者PWM技术进行处理，以消除较低此谐波，使较高次谐波如7，11次谐波等，减小到可接受的程度；（7）连接电抗小。STATCOM接入电网的连接电

3、抗，除能将变流器和电网这两个交流电压连接起来，所以所需的电感量不大，量值远远小于补偿容量相同的TCR等SVC装置所需电感量。如果运用降压变压器将STATCOM接入电网，还可利用降压变压器的漏抗，进一步减小使所需的连接电抗；（8）STATCOM端电压，对外部运行条件和结构变化不敏感。当外部系统容量与补偿器容量接近时，SVC将会变得不稳定，但STATCOM仍可保持系统电压稳定；（9）STATCOM产生的无功电流，基本上不受系统电压的影响。对系统电压进行瞬时补偿，即使系统电压降低，仍可保持最大无功电流。正因为如此，STATCOM作为一种新型的无功补偿调节装置，应该说是目前性能最好的无功补偿装置，也是

4、现代无功补偿装置的发展方向。它是国内外电力系统行业的重点研究课题之一。第3页/共51页一、一、STATCOM的基本工作原理第4页/共51页1 STATCOM1 STATCOM的等效电压源特性的等效电压源特性 设有一个并网电压源逆变器，通过某种控制方式，在其逆变输出侧产生一个这样的正弦电压 与电源电压同步（频率相同）幅值可调 相位可调（以电源电压为参考）同步发电机第5页/共51页可调电压源的一种实现方法示例可调电压源的一种实现方法示例双极2电平载波比调制深度载波调制波第6页/共51页2 2 低压低压STATCOMSTATCOM的典型电路的典型电路第7页/共51页3 VSC3 VSC变换器的四象限

5、运行区间变换器的四象限运行区间第8页/共51页4 STATCOM4 STATCOM的理想运行区间的理想运行区间第9页/共51页5 STATCOM5 STATCOM的实际运行区间的实际运行区间第10页/共51页6 STATCOM6 STATCOM的损耗分析的损耗分析jXP,Q,iRUG是一个理想的纯无功发生源STATCOM第11页/共51页本数学模型仅针对电容储能型和单变量控制。PQ7 7 基于损耗的潮流分析模型基于损耗的潮流分析模型第12页/共51页交流侧直流侧？8 8 标幺化模型的基准选择标幺化模型的基准选择第13页/共51页直流侧简化交流侧9 9 标幺化模型标幺化模型第14页/共51页二、

6、二、STATCOM的工作参数估计 STATCOM系统的工作参数除了交流电源的参数和本身的额定容量外，主要有两个：控制角和直流侧电压。第15页/共51页输出额定无功时譬如：X*=0.2，X/R=5R*=0.04=2.3，PN*=4%额定损耗决定了额定损耗决定了 的范围！的范围！1 STATCOM1 STATCOM参数估计参数估计控制角范围控制角范围第16页/共51页零无功输出时 连接电抗决定了直流电压逆变电压无功的输出范围！增量2 STATCOM2 STATCOM参数估计参数估计直流电压范围直流电压范围第17页/共51页三、三、STATCOM的主要元件选择 STATCOM系统的参数主要有两个：滤

7、波电抗器和直流侧电容器。其中，滤波电抗器对系统设计和运行性能有着全面而显著的影响。第18页/共51页(1)1)滤波电抗器对系统结构的影响：滤波电抗器对系统结构的影响：滤波电感越大，额定无功输出时的直流电压越高，对直滤波电感越大，额定无功输出时的直流电压越高，对直流电容器和电力电子器件的耐压水平要求也越高。流电容器和电力电子器件的耐压水平要求也越高。由于器件耐压水平的限制，增大电感可能会导致逆变器由于器件耐压水平的限制，增大电感可能会导致逆变器结构的变化或增大装置结构的复杂程度。结构的变化或增大装置结构的复杂程度。1 1 滤波电抗器的选择滤波电抗器的选择第19页/共51页 例：例：设三相桥式逆变

8、器结构，电源电压设三相桥式逆变器结构，电源电压380V380V，调制深，调制深度度 =0.9=0.9，直流电容为，直流电容为2200uF2200uF，采用，采用SPWMSPWM控制，则空载控制，则空载直流电压为直流电压为690V690V。取取X*X*=0.2=0.2，则，则U Udc.Ndc.N=828V=828V，每个桥臂采用，每个桥臂采用1 1只只1600V1600V耐压耐压的的IGBTIGBT器件，直流侧需要器件，直流侧需要2 2串串2 2并共并共4 4只只2200uF/450V2200uF/450V电容电容器；器；取取X*X*=0.5=0.5，则，则U Udc.Ndc.N=1035V=

9、1035V，每个桥臂需要采用，每个桥臂需要采用2 2只只1200V1200V耐压的耐压的IGBTIGBT器件串联，直流侧需要器件串联，直流侧需要3 3串串3 3并共并共9 9只只2200uF 2200uF/400V/400V电解电容器。电解电容器。第20页/共51页(2)2)滤波电抗器与滤波电抗器与滤波电抗器与滤波电抗器与滤波电抗器与滤波电抗器与STATCOMSTATCOMSTATCOM的谐波发生量：的谐波发生量：的谐波发生量：的谐波发生量：的谐波发生量：的谐波发生量：在在PWMPWM控制方式下，逆变器输出电压为双极性控制方式下，逆变器输出电压为双极性PWMPWM脉冲波形，含有基波电压分量和高

10、次谐波成分。脉冲波形，含有基波电压分量和高次谐波成分。当逆变器输出电压施加到滤波电抗器的一端时，必当逆变器输出电压施加到滤波电抗器的一端时，必将在补偿电流中产生相应的谐波电流。将在补偿电流中产生相应的谐波电流。滤波电抗器的主要作用之一是滤除逆变器输出滤波电抗器的主要作用之一是滤除逆变器输出电压中的高次谐波分量。电压中的高次谐波分量。滤波电感越大，滤波效果越好，无功补偿电流滤波电感越大，滤波效果越好，无功补偿电流中的谐波分量越小。中的谐波分量越小。第21页/共51页X*=0.1X*=0.2X*=0.5X*=1.040kvar/400V STATCOM40kvar/400V STATCOM40kv

11、ar/400V STATCOM40kvar/400V STATCOM装置在开关频率为装置在开关频率为装置在开关频率为装置在开关频率为4800Hz4800Hz4800Hz4800Hz时的仿真结果时的仿真结果时的仿真结果时的仿真结果第22页/共51页(a)X*=0.8 Q*=0.1(b)X*=0.2 Q*=0.1不同滤波电感下的实验波形 第23页/共51页(a)X*=0.2 Q*=1.0(b)X*=0.2 Q*=0.5(c)X*=0.2 Q*=0.1不同输出无功下的仿真波形 第24页/共51页(a)X*=0.2 Q*=0.1(b)X*=0.2 Q*=0.3不同输出无功下的实验波形 第25页/共51

12、页 滤波电感越小，补偿电流的总谐波畸变率越大。滤波电感越小，补偿电流的总谐波畸变率越大。STATCOMSTATCOM装装置置输输出出无无功功越越小小，补补偿偿电电流流畸畸变变越越严严重，总谐波畸变率越大。重，总谐波畸变率越大。在在同同等等补补偿偿电电流流下下，输输出出容容性性无无功功时时的的总总谐谐波波畸畸变率比吸收感性无功时的值大。变率比吸收感性无功时的值大。因此，从谐波的角度来看，滤波电感不宜太因此，从谐波的角度来看，滤波电感不宜太小。当滤波电抗小。当滤波电抗 X*X*0.20.2时，补偿电流谐波含量时，补偿电流谐波含量较大。此外，较大。此外，STATCOMSTATCOM装置不宜长期运行于

13、轻装置不宜长期运行于轻载工况。载工况。谐波影响小结第26页/共51页(3)3)滤波电抗器与滤波电抗器与滤波电抗器与滤波电抗器与滤波电抗器与滤波电抗器与STATCOMSTATCOMSTATCOM的响应特性：的响应特性：的响应特性：的响应特性：的响应特性：的响应特性：滤滤波波电电感感小小，则则变变换换器器回回路路的的电电磁磁时时间间常常数数小小，直直流流电电容容器器可可以以在在较较短短时时间间内内完完成成与与电电源源之之间间的的能能量量交换，无功补偿电流的动态响应速度较快。交换，无功补偿电流的动态响应速度较快。下下图图所所示示为为某某80kvar/400V 80kvar/400V STATCOMS

14、TATCOM装装置置从从输输出出额额定定容容性性无无功功切切换换到到输输出出额额定定感感性性无无功功时时的的电电流流变变化化过程。过程。第27页/共51页(a)X*=0.25时 电压电流(b)X*=0.5时 电压电流(c)X*=1时 电压电流滤波电感对动态响应特性的影响 第28页/共51页 STATCOMSTATCOM装置的滤波电感不仅决定着补偿装置的容装置的滤波电感不仅决定着补偿装置的容量，对装置的性能也有全面影响。量，对装置的性能也有全面影响。滤滤波波电电感感小小，则则对对电电力力电电子子器器件件的的耐耐压压要要求求低低，装装置置结结构简单，体积小，成本低，动态响应较快。构简单，体积小，成

15、本低，动态响应较快。滤滤波波电电感感小小，输输出出无无功功电电流流的的谐谐波波含含量量大大，装装置置抗抗电电源源电压扰动的能力差，而且对控制系统的要求高。电压扰动的能力差，而且对控制系统的要求高。因因此此，滤滤波波电电感感的的选选择择，需需要要根根据据现现有有器器件件和和控控制制系系统统的的水水平平，按按照照装装置置容容量量和和性性能能要要求求，从从技技术术经经济济等等方方面面全全面面权权衡衡而而定定。若若从从谐谐波波特特性性和和响响应应特特性性而而论论，滤滤波波电电抗抗标么值宜选择在标么值宜选择在0.20.50.20.5之间。之间。(4)结论第29页/共51页 理想情况下，三相理想情况下，三

16、相STATCOMSTATCOM与电源之间没有能量交换，仅与电源之间没有能量交换，仅需要很小容量的直流电容器来提供直流电压支撑即可。需要很小容量的直流电容器来提供直流电压支撑即可。实际上，三相不平衡、非理想正弦逆变电源、动态调节实际上，三相不平衡、非理想正弦逆变电源、动态调节过程等，都会使得过程等，都会使得STATCOMSTATCOM与电源之间存在暂态能量交换。因与电源之间存在暂态能量交换。因此，为了维持逆变器直流电压的稳定，直流侧必然需要一定此，为了维持逆变器直流电压的稳定，直流侧必然需要一定容量的电容器。电容量的选择可参考如下经验公式：容量的电容器。电容量的选择可参考如下经验公式：式中，式中

17、，k k为允许直流电压波动系数，常取为为允许直流电压波动系数，常取为5 5左右；左右；为电源为电源角频率；角频率；I IN N为为STATCOMSTATCOM额定电流；额定电流；U Udcdc为额定直流电压。为额定直流电压。2 2 直流电容器的选择直流电容器的选择第30页/共51页四、四、STATCOM的控制策略 如何产生PWM信号，使得变换器的输出电压为幅值和相角均可控的正弦同步电压。第31页/共51页1 1 潮流控制特性分析潮流控制特性分析结论 有功功率 Ug 无功功率第32页/共51页2 STATCOM2 STATCOM的能量平衡分析的能量平衡分析结论q有功功率直流电压第33页/共51页

18、3 STATCOM3 STATCOM控制目标控制目标第34页/共51页控制方法4 STATCOM4 STATCOM控制方法控制方法第35页/共51页5 STATCOM5 STATCOM控制策略控制策略第36页/共51页6 STATCOM6 STATCOM控制系统总体结构控制系统总体结构第37页/共51页7 7 基于基于 的单变量控制策略的单变量控制策略第38页/共51页8 8 基于基于 的单变量控制策略的单变量控制策略第39页/共51页9 9 基于基于 的单变量控制策略（无能量交换）的单变量控制策略（无能量交换）第40页/共51页10 10 基于基于 和和 的双变量控制策略的双变量控制策略第4

19、1页/共51页11 11 基于滞环比较的直接电流控制策略基于滞环比较的直接电流控制策略第42页/共51页12 12 基于三角波比较的直接电流控制策略基于三角波比较的直接电流控制策略第43页/共51页五、五、STATCOM的基本调压方式第44页/共51页1 1 工频双极性（工频双极性（2 2电平）调制系统电平）调制系统调压方式1.控制UdcUg2.他励UdcUg=0第45页/共51页2 2 工频单极性（工频单极性（3 3电平）调制系统电平）调制系统调压方式控制稳定Udc控制Ug第46页/共51页3 3 工频级联多电平系统工频级联多电平系统调压方式控制稳定Udc，或他励调节各级Ug幅值及波形第47

20、页/共51页4 4 高频高频SPWM/SVPWMSPWM/SVPWM调制系统调制系统调压方式2控制稳定Udc；他励控制Ug幅值调压方式1 控制Udc Ug=const第48页/共51页1、徐政译：高压直流输电与柔性交流输电控制装置第7章2、陈建业等：电力电子技术在电力系统中的应用，机械工业出版社，2008.1，P105-1273、谢小荣等：柔性交流输电系统的原理与应用第6、7章，清华大学出版社，2006.9，阅读材料阅读材料第49页/共51页1、在STATCOM应用中，请比较级联多电平VSC拓扑与2电平高频PWM控制VSC拓扑的优缺点，并说明其适用场合。2、级联多电平VSC拓扑中，请给出确定各模块输出电平宽度的比例关系的原则。3、如果STATCOM直流侧电压采取他励方式，则对他励电路有何要求？试设计他励电路并阐明工作原理。4、直接电流控制和间接电流控制的实质区别是什么？试比较两者的优缺点。讨论问题讨论问题第50页/共51页感谢您的观看。第51页/共51页