諧波電流分體補償式靜止同步補償器研究.pdf

1、隨著國民經濟的快速發(fā)展，越來越多的冶煉爐、變頻器、電氣化機車等負荷并網運行。這些負荷具有很強的沖擊性和間歇性，并體現出明顯的非線性特征，導致電網的諧波、電壓波動等問題日益突出，惡化了用電設備的運行環(huán)境，給社會經濟造成巨大損失，并顯現出逐年增大趨勢。目前針對非線性負荷帶來的無功及諧波問題，仍采取不同裝置分別治理的方式，采用固定無功補償器、SVC、STATCOM等補償技術進行基波無功補償，采用無源濾波器、TSF、APF等濾波技術進行諧波治理

2、。此方法存在成本高、占地面積大，裝置間配合復雜等問題。為解決這些問題，近年來，隨著高壓大容量STATCOM技術的日趨成熟，使得STATCOM兼具諧波補償功能，使其進行無功和諧波統(tǒng)一治理的技術，已具備工程實施條件。目前STATCOM進行諧波電流補償時，由同一換流閥進行無功和諧波電流補償（簡稱同體補償）方式，一方面提高了換流閥直流電壓水平，加大了裝置體積和成本。另一方面，隨著補償諧波次數的提升，將會提高換流閥開關頻率，增大運行損耗;在換流閥

3、開關頻率難以提升時，將會降低諧波補償精度。APF進行基波無功電流補償時，也采用同體補償方式，換流器開關頻率高，需輸出全部諧波和基波無功電流，運行損耗大，不適用于高壓大容量場合?；谏鲜鲈?，有必要開展低成本、高補償精度、低損耗的無功和諧波電流補償技術研究。本文針對上述問題，開展了兼具諧波補償功能STATCOM的新型拓撲研究，并以此為基礎，進行了10kV樣機研制及實驗驗證等工作，取得了多項創(chuàng)新成果。
　　提出了諧波電流分體補償式ST

4、ATCOM的新拓撲，具有成本低、補償精度高、損耗低等突出特點?；趯PF高精度補償諧波與STATCOM大容量補償基波相結合的思路，提出將諧波補償單元并聯于基波補償單元電抗器兩端，諧、基波補償單元的輸出相并聯的電路結構，通過適當策略，控制基波補償單元僅輸出基波無功補償電流，諧波補償單元僅輸出諧波補償電流，構成了一種諧波電流分體補償式STATCOM新拓撲。通過剖析該拓撲電路結構，研究了其工作原理。在此基礎上，建立了諧波電流分體補償式STA

5、TCOM輸出方程，獲得了其輸出諧、基波補償電流與換流器輸出電壓的關系。與諧基同體補償式STATCOM拓撲相比，該拓撲中基波補償單元不輸出諧波電流，降低了對換流閥直流電壓水平和開關頻率要求，減少了裝置體積和損耗。此外，諧波補償單元采用定制化的高頻換流器，提高了諧波的補償精度。以基波補償額定參數10kV/2MVA STATCOM，補償含有容量1MVA的6脈動整流負荷的25次以內諧波電流為例，對諧波電流分體補償式和同體補償式拓撲進行了計算分析

6、，當同體補償式采用提高直流電壓水平的方式時，前者較后者換流器數量減少了15.4％，裝置成本降低了23.4％，占地面積減少約20.2％。當同體補償式采用降低補償基波電流能力方式時，完全補償上述負荷中任一單次諧波，最大將降低其基波補償能力的一半。此外，就諧波補償而言，以通常采用的12個換流器級聯、開關頻率為400Hz的10kV STATCOM為例，僅可精確補償13以內諧波電流;若精確補償25次以內諧波電流，其所有換流器的開關頻率需提升1.8

7、倍以上。
　　研究獲得了諧波電流分體補償式STATCOM換流閥的損耗特性，與同體補償式STATCOM相比，其額定工況損耗降低約12.6％。分析了STATCOM各運行參數的變化范圍和相互關系，推導并建立了諧、基波電流流過換流閥時產生的損耗隨運行參數變化的計算模型，分析獲得了換流閥損耗隨運行電流有效值變化的規(guī)律。以基波補償額定參數10kV/2MVA STATCOM，補償含有容量1MVA的6脈動整流負荷的25次諧波電流為例，仿真計算了諧

8、波電流分體補償式和同體補償式STATCOM在幾種典型電流工況下的損耗。結果表明:在進行額定電流及25次諧波電流補償時，諧波電流分體補償式較同體補償式STATCOM換流閥損耗大約降低12.6％，且隨著電流的減小，優(yōu)勢更加明顯。
　　提出了諧波電流分體補償式STATCOM控制策略，實現了諧、基波補償單元之間的協調控制。基于諧、基波補償單元在電路上通過基波連接電抗器存在耦合關系，提出了基波連接電抗器端電壓的快速檢測方法，并將該電壓用于諧

9、波補償單元輸出電流的前饋控制，實現了諧、基補償單元之間解耦的控制。通過建立基波補償單元在旋轉坐標系下輸出方程，采用了dq解耦算法和電壓前饋控制，設計了基波補償單元的補償控制策略，實現了基波無功的穩(wěn)定控制。分析了幾種典型諧波檢測方法，采用了頻域分析與時域重構的方法，設計了諧波電流的補償控制策略，實現了諧波電流高精度補償控制。
　　揭示了STATCOM預充電過程直流電壓不均衡分布的機理，提出了電容補償均衡取能變壓器勵磁特性的方案，解決

10、了直流電壓漂移的突出難題。首先分析了取能電路的負荷特性，建立了預充電過程中換流閥等效電路，然后分析了交流取能電路與換流閥主電路的相互影響，揭示了預充電過程直流電壓不平衡分布的機理，并提出了電容補償均衡取能變壓器勵磁特性的取能電路方案。搭建了低壓物理實驗電路，進行了預充電實驗測試。測試結果表明:未采取電容補償措施前，換流器直流電壓最大偏差304V，分布嚴重不均。采取電容補償措施后，電壓偏差僅為5V，驗證了取能電路設計方案的有效性，解決了預

11、充電過程直流電壓漂移的突出難題。
　　提出了諧波電流分體補償式STATCOM諧、基波補償單元的參數設計方案，計算確定了10kV/2MVA樣機主要元件參數。由于諧、基波補償單元的主電路參數通過基波連接電抗器存在相互耦合，本文提出了通過基波連接電抗器的電感值最小化為手段，來統(tǒng)籌優(yōu)化設計的思路，從而降低了諧波補償單元直流電壓水平，并提高其運行的可靠性。從諧、基波補償單元功能特點出發(fā)，確定了諧、基波補償單元的各主要參數計算方法，滿足了諧、

12、基波補償單元的功能要求。并確定了參數設計原則及設計流程，計算確定了10kV/2MVA樣機的主要元件參數。
　　研制出10kV/2MVA諧波電流分體補償式STATCOM樣機，實驗驗證了諧波電流分體補償式拓撲的可行性。根據控制策略的需求及裝置實際情況，利用分層控制的思想，構建了監(jiān)控層、主控層、閥控層的三級控制體系，并根據具體功能劃分和要求，進行了各層控制系統(tǒng)的研制，通過RTDS-物理控制器閉環(huán)實驗，對控制系統(tǒng)的性能進行了驗證。以研制出