專利名稱：：通過容性阻抗連接的靜態(tài)同步無功補(bǔ)償裝置及控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)中的靜態(tài)同步無功補(bǔ)償裝置及控制方法，屬于電氣工程中的變流
技術(shù)領(lǐng)域：
。
背景技術(shù)：
：傳統(tǒng)的無功補(bǔ)償手段有機(jī)械投入的并聯(lián)電容器，以及調(diào)相機(jī)等幾種。但它們都存在著一些問題，如最常見的并聯(lián)電容器就有運(yùn)行不便，在系統(tǒng)電壓降低時不能有效的提供無功支持等缺點(diǎn)。而調(diào)相機(jī)雖然動態(tài)性能較好，運(yùn)行范圍也較寬，但是由于包含轉(zhuǎn)動部分，其設(shè)備及運(yùn)行成本都較高。靈活交流輸電(FACTS)技術(shù)的出現(xiàn)給電力系統(tǒng)帶來了新的控制技術(shù)和應(yīng)用手段。靜態(tài)無功補(bǔ)償器(StaticVarCompensator,SVC)和靜態(tài)同步補(bǔ)償器(StaticSynchronousCompensator，STATCOM)是用來調(diào)節(jié)交流電網(wǎng)無功，即進(jìn)行無功補(bǔ)償?shù)闹匾狥ACTS設(shè)備。與傳統(tǒng)的電磁器件相比，他們的動態(tài)響應(yīng)速度高，工作范圍寬，容性或感性補(bǔ)償都很容易實(shí)現(xiàn)。其中SVC基于可控硅型開關(guān)元件，主要由一系列無源元件組成。5TATCOM是由基于GTO或IGBT等開關(guān)組件的逆變器，直流電容和連接STATCOM與電力系統(tǒng)的無源元件組成。文獻(xiàn)"靜止同步補(bǔ)償器與傳統(tǒng)靜止無功補(bǔ)償器的比較與分析"(華東電力，2005.Vol.33No.9:16-18)中指出，與SVC相比STATCOM響應(yīng)速度快、控制穩(wěn)定性好、交流側(cè)電源諧波含量較小，但STATCOM的控制比SVC復(fù)雜，成本也較高?，F(xiàn)有的STATCOM通過純電感將三相電壓逆變器并聯(lián)到電力系統(tǒng)中，如"無功補(bǔ)償裝置的控制方法及裝置"(中國發(fā)明專利，公開日:2003年9月6日，公開號CN1414679)。圖1是現(xiàn)有STATCOM的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。STATCOM通過控制逆變器的輸出電壓達(dá)到改變注入系統(tǒng)無功功率的目的。實(shí)際系統(tǒng)中，大多數(shù)負(fù)載是感性負(fù)載，需要補(bǔ)償器注入容性無功來補(bǔ)償功率因數(shù)。如圖2所示，當(dāng)STATCOM向系統(tǒng)注入容性無功的時候，電壓型逆變器的輸出電壓必須高于系統(tǒng)電壓，這使得電壓型逆變器直流電容部分必須保持較高的電壓，相應(yīng)的逆變器所選用的開關(guān)元件也必須有較高的耐壓值，因而增加了成本；隨著直流電容電壓值的增大，開關(guān)損耗也隨之增大。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是為了減小電壓型逆變器的直流電容電壓，降低開關(guān)元件的成本以及開關(guān)損耗，提供一種通過容性阻抗將逆變器并聯(lián)在電力系統(tǒng)中的靜態(tài)無功補(bǔ)償裝置及控制方法。為了實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明提供一種通過容性阻抗連接的靜態(tài)同步無功補(bǔ)償裝置，包括基于全控型電力電子器件的電壓型逆變器、連接逆變器和電力系統(tǒng)的容性阻抗、以及控制裝置，所述容性阻抗包括一個為了補(bǔ)償無功而設(shè)定的電容和一個為了抑制電流波動而加的電感。針對上述提出的通過容性阻抗連接的靜態(tài)同步無功補(bǔ)償裝置，本發(fā)明提供一種通過容性阻抗連接的靜態(tài)同步無功補(bǔ)償控制方法，包括如下步驟首先，計(jì)算三相的瞬時無功；然后，再由瞬時無功計(jì)算出每相需要的無功補(bǔ)償電流；之后，根據(jù)補(bǔ)償電流的基頻有效值和容性阻抗計(jì)算逆變器補(bǔ)償基頻無功所需輸出的基波電壓，動態(tài)補(bǔ)償無功。以上的方案，由于采用了容性阻抗連接，逆變器直流部分的電壓大大降低，減小了無功補(bǔ)償?shù)某杀竞烷_關(guān)損耗，STATCOM逆變器部分的容量大大減小，現(xiàn)有的基于鏈?zhǔn)交蚨嚯娖降哪孀兤骺梢员缓唵蔚膬呻娖交蛉娖侥孀兤魉〈?，成本隨之降低。所提出的容性阻抗連接的STATCOM同時可以實(shí)現(xiàn)動態(tài)的不對稱無功補(bǔ)償，提高電網(wǎng)的電能質(zhì)量。該技術(shù)方案同時適用于三相三線和三相四線的電力系統(tǒng)。圖l為現(xiàn)有STATCOM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖2為現(xiàn)有電感連接的STATCOM補(bǔ)償感性無功時的向量圖3為本發(fā)明提供的容性阻抗連接的STATCOM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖4為本發(fā)明提供的容性阻抗連接的STATCOM補(bǔ)償感性無功時的向量圖5為本發(fā)明提供的STATCOM系統(tǒng)控制原理方框圖6為仿真例一中采用兩電平三相全橋逆變器的容性阻抗連接的STATCOM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖7為仿真例一三相三線系統(tǒng)中電壓和負(fù)載電流波形圖8為仿真例一無功補(bǔ)償后的系統(tǒng)電壓和電流波形圖9為仿真例二中采用兩電平四橋臂逆變器的容性阻抗連接的STATCOM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖10為仿真例二三相四線系統(tǒng)中電壓和負(fù)載電流波形圖；圖11為仿真例二無功補(bǔ)償后的系統(tǒng)電壓和電流波形圖。具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖與具體實(shí)施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。如圖3所示，通過容性阻抗連接的靜態(tài)同步無功補(bǔ)償裝置(STATCOM)包括基于全控型電力電子器件(GTO或IGBT)的電壓型逆變器、連接逆變器和電力系統(tǒng)的容性阻抗、以及控制裝置，其中所述控制裝置用于控制逆變器中的電力電子器件，屬于習(xí)知技術(shù)，所以圖3中未示。當(dāng)圖3所示的STATCOM向系統(tǒng)注入容性無功的時候，逆變器輸出電壓和系統(tǒng)電壓的相位關(guān)系如圖4所示。如果選取適當(dāng)?shù)娜菪宰杩怪?，電壓型逆變器的輸出電壓將大大低于系統(tǒng)電壓，這使得電壓型逆變器直流電容部分的電壓大大降低，相應(yīng)的逆變器所選用的開關(guān)元件的耐壓值可以降低，從而減小裝置的成本和開關(guān)損耗。針對以上所提出的新型STATCOM,其所采用的控制方法包括首先，計(jì)算三相的瞬時無功；然后，再由瞬時無功計(jì)算出每相需要的無功補(bǔ)償電流；之后，根據(jù)補(bǔ)償電流的基頻有效值和容性阻抗計(jì)算逆變器補(bǔ)償基頻無功所需輸出的基波電壓，動態(tài)補(bǔ)償無功。該方法的實(shí)現(xiàn)過程如下(一)容性阻抗的參數(shù)確定根據(jù)準(zhǔn)備安裝STATCOM的地點(diǎn)所需的無功補(bǔ)償容量，連接STATCOM和電力系統(tǒng)的容性阻抗可以通過下式來確定<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>其中K是電力系統(tǒng)相電壓的有效值，O)是單相無功功率。當(dāng)電壓單位為伏特(V)時，功率單位為伏安(VA)。當(dāng)電壓單位為千伏(KV)時，功率單位應(yīng)采用兆伏安(MVA)?？紤]到負(fù)載無功是不斷變化的，gc可以通過下式來計(jì)算:<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>其中的時間T可以選擇一天或者一周或其它的時間長度，主要根據(jù)STATOCM安裝地點(diǎn)的負(fù)荷波動情況來選定。Qc實(shí)際上是一個平均功率，當(dāng)系統(tǒng)需要補(bǔ)償?shù)臒o功就是Q。時，逆變器輸出的無功將是最小。當(dāng)負(fù)載需要補(bǔ)償?shù)臒o功Q在平均值上下波動的時候，就通過控制電壓型逆變器的輸出電壓來調(diào)節(jié)補(bǔ)償裝置輸出的無功功率。根據(jù)需要補(bǔ)償?shù)臒o功波動的范圍就可以確定逆變器輸出電壓的范圍。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>從而根據(jù)不同電壓型逆變器的直流電壓與輸出電壓的關(guān)系，可以確定相應(yīng)的電壓型逆變器直流部分的電壓。根據(jù)容性阻抗值，就可以根據(jù)下式，計(jì)算出相應(yīng)的電容大小。電容與逆變器之間需要串接一個小電感，以避免逆變器輸出電壓對于電容的直接沖擊，同時可以平滑逆變器輸出電流的波形。電感的取值可以根據(jù)下式估算-<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>其中E是所采用逆變器輸出電壓發(fā)生一個電平的變化時的電壓輸出差值，Ts是脈寬調(diào)制的控制周期，Iri^是實(shí)際系統(tǒng)對輸出電流設(shè)定的波動范圍，k是調(diào)整系數(shù)，考慮到脈寬調(diào)制下的輸出電壓不會在整個控制周期都處于同一個電平的狀態(tài)，實(shí)際需要的電感值要比上式計(jì)算所得偏小，k可以選取0.40.6之間的數(shù)值?？紤]到STATCOM只補(bǔ)償系統(tǒng)無功，在選取電感值時，要避免電感與連接電容諧振在諧波頻率，如150Hz，250Hz等，否則STATCOM輸出會發(fā)生諧振，影響補(bǔ)償效果和系統(tǒng)穩(wěn)定。加入連接電感后，STATCOM與系統(tǒng)連接的阻抗可以由下式計(jì)算得到。因?yàn)殡姼械淖杩雇蟠笮∮诟鶕?jù)無功補(bǔ)償容量估算出的電容的阻抗，STATCOM與系統(tǒng)之間的連接阻抗將始終保持容性。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>(二)逆變器輸出電壓檢測方法根據(jù)瞬時無功的定義，三相系統(tǒng)的無功功率為一個三維矢量，可以按照下式計(jì)算<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>分別為每相的無功功率。根據(jù)瞬時無功理論，補(bǔ)償無功所需要的每相補(bǔ)償電流可以由下式計(jì)算得到<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>STATCOM補(bǔ)償無功時的等效電路如圖4所示，根據(jù)系統(tǒng)側(cè)電壓，連接STATCOM的無源部分為電感時，電壓型逆變器輸出電壓的有效值以下式計(jì)算<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>當(dāng)連接部分的無源阻抗為容性時，逆變器的輸出電壓為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>其中Vs是系統(tǒng)電壓的有效值，^(j-a,b，c)是每相無功補(bǔ)償電流的基頻有效值。本發(fā)明采用連接部分的無源阻抗為容性的計(jì)算公式。當(dāng)要補(bǔ)償?shù)呢?fù)載無功為感性時，傳統(tǒng)由電感連接的STATCOM輸出電壓必需高于系統(tǒng)電壓；而本發(fā)明所提出的由容性阻抗連接的STATCOM輸出電壓低于系統(tǒng)電壓，如果選取適當(dāng)?shù)娜菪宰杩怪?，可以大大減小STATCOM中有源部分，即電壓型逆變器的容量。控制原理方框示意圖如圖5所示。下面是本發(fā)明的兩個仿真例仿真例一三相三線系統(tǒng)無功補(bǔ)償該仿真例中，STATCOM被并聯(lián)在一個線電壓為380V的三相三線系統(tǒng)中，用來補(bǔ)償無功功率，該補(bǔ)償系統(tǒng)的詳細(xì)示意圖如圖6所示。STATCOM選用了兩電平三相全橋電壓源逆變器,該逆變器通過由串聯(lián)電感和電容組成的容性阻抗并聯(lián)到主電路，實(shí)現(xiàn)對于無功功率的補(bǔ)償。連接電容為180uF，連接電感為5mH。逆變器直流電壓為50V，利用5kHz的空間矢量脈寬調(diào)制方法控制逆變器輸出跟蹤參考電壓。系統(tǒng)電壓和負(fù)載電流波形如圖7所示，仿真得到的無功補(bǔ)償結(jié)果如圖8所示。補(bǔ)償前后的功率因數(shù)和電流有效值如下表所示<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>仿真例二三相四線系統(tǒng)無功補(bǔ)償該仿真例中，STATCOM被并聯(lián)在一個線電壓為380V的三相四線系統(tǒng)中，用來補(bǔ)償無功功率，該補(bǔ)償系統(tǒng)的詳細(xì)示意圖如圖9所示。STATCOM選用了兩電平四橋臂電壓源逆變器,該逆變器通過由串聯(lián)電感和電容組成的容性阻抗并聯(lián)到主電路，實(shí)現(xiàn)對于無功功率的補(bǔ)償。連接電容為160uF，連接電感為3mH。逆變器直流電壓為40V，利用5kHz的直接PWM方法控制逆變器輸出跟蹤參考電壓。系統(tǒng)電壓和負(fù)載電流波形如圖10所示，仿真得到的無功補(bǔ)償結(jié)果如圖11所示。補(bǔ)償前后的功率因數(shù)和電流有效值如下表所示-<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>權(quán)利要求1.一種通過容性阻抗連接的靜態(tài)同步無功補(bǔ)償裝置，包括基于全控型電力電子器件的電壓型逆變器以及控制裝置，其特征在于，還包括連接逆變器和電力系統(tǒng)的容性阻抗，所述容性阻抗包括一個為了補(bǔ)償無功而設(shè)定的電容和一個為了抑制電流波動而加的電感。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的通過容性阻抗連接的靜態(tài)同步無功補(bǔ)償裝置，其特征在于，所述逆變器為電壓型逆變器，并采用GTO和IGBT中的一種為電力電子器件。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的通過容性阻抗連接的靜態(tài)同步無功補(bǔ)償裝置，其特征在于，所述電容的容性阻抗可以通過下式來確定e。其中K是電力系統(tǒng)相電壓的有效值，G)是單相無功功率，G)可以通過下式來計(jì)算<formula>formulaseeoriginaldocumentpage2</formula>其中的時間T根據(jù)所述通過容性阻抗連接的靜態(tài)同步無功補(bǔ)償裝置安裝地點(diǎn)的負(fù)荷波動情況來選定；進(jìn)而所述電容的大小可以根據(jù)下式確定<formula>formulaseeoriginaldocumentpage2</formula>。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的通過容性阻抗連接的靜態(tài)同步無功補(bǔ)償裝置，其特征在于，所述電感的取值可以根據(jù)下式估算5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的通過容性阻抗連接的靜態(tài)同步無功補(bǔ)償裝置，其特征在于，根據(jù)以下公式<formula>formulaseeoriginaldocumentpage2</formula>確定所述逆變器輸出電壓的范圍。6.—種通過容性阻抗連接的靜態(tài)同步無功補(bǔ)償控制方法，其特征在于包括如下步驟首先，計(jì)算三相的瞬時無功；然后，再由瞬時無功計(jì)算出每相需要的無功補(bǔ)償電流；之后，根據(jù)補(bǔ)償電流的基頻有效值和容性阻抗計(jì)算逆變器補(bǔ)償基頻無功所需輸出的基波電壓，動態(tài)補(bǔ)償無功。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的通過容性阻抗連接的靜態(tài)同步無功補(bǔ)償控制方法，其特征在于，瞬時無功按照下式計(jì)算《=6"+《A+《A其中^=W:-v'A，&=v^-iv'￡，^=vA-Va，分別為每相的無功功率。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的通過容性阻抗連接的靜態(tài)同步無功補(bǔ)償控制方法，其特征在于，每相需要的無功補(bǔ)償電流可以由下式計(jì)算得到-=(仏—《A)=(g。~^9。_△，96—A9C—△其中Ai，+《+g。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的通過容性阻抗連接的靜態(tài)同步無功補(bǔ)償控制方法，其特征在于，電壓型逆變器輸出電壓的有效值由下式計(jì)算置=-~+(-~^;H+(v,c-~其中Vs是系統(tǒng)電壓的有效值，^(j-a，b,c)是每相無功補(bǔ)償電流的基頻有效值。全文摘要本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)中的靜態(tài)同步無功補(bǔ)償裝置及控制方法，該補(bǔ)償裝置包括基于全控型電力電子器件的電壓型逆變器、連接逆變器和電力系統(tǒng)的容性阻抗以及控制裝置，所述容性阻抗包括一個為了補(bǔ)償無功而設(shè)定的電容和一個為了抑制電流波動而加的電感。由于采用了容性阻抗連接，逆變器直流部分的電壓大大降低，減小了無功補(bǔ)償?shù)某杀竞烷_關(guān)損耗，該控制方法包括首先計(jì)算三相的瞬時無功，再由瞬時無功計(jì)算出每相需要的無功補(bǔ)償電流，根據(jù)補(bǔ)償電流的基頻有效值和容性阻抗計(jì)算逆變器補(bǔ)償基頻無功所需輸出的基波電壓，動態(tài)補(bǔ)償無功。由于各相無功功率獨(dú)立計(jì)算從而實(shí)現(xiàn)了動態(tài)的不對稱無功補(bǔ)償，并且在三相三線和三線四線系統(tǒng)中都適用。文檔編號H02J3/18GK101409450SQ200710196710公開日2009年4月15日申請日期2007年11月30日優(yōu)先權(quán)日2007年11月30日發(fā)明者戴寧怡,林智聲,黃民聰申請人:澳門大學(xué)