級聯(lián)H橋多電平STATCOM的控制策略及應(yīng)用研究.pdf

1、靜止同步無功補(bǔ)償器(Static Synchronous Compensator,STATCOM),作為一種重要的無功補(bǔ)償裝置,對電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行發(fā)揮著重要作用,是目前國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。級聯(lián)H橋多電平STATCOM,通過多個H橋模塊在輸出側(cè)串聯(lián)疊加,提高了電壓等級,增大了設(shè)備的容量,具有較高的等效開關(guān)頻率,在靜止無功補(bǔ)償?shù)念I(lǐng)域中具有重要地位。本文主要針對以級聯(lián)H橋?yàn)楹诵牡腟TATCOM的建模與控制方法、閥組內(nèi)直流側(cè)電壓平衡、零序電

2、壓注入控制以及不平衡負(fù)載的補(bǔ)償?shù)葐栴}進(jìn)行了深入研究,具體研究內(nèi)容包括以下幾個方面。
　　為了對無功功率進(jìn)行的準(zhǔn)確補(bǔ)償,需要對STATCOM進(jìn)行建模和精確控制。但是由于級聯(lián)H橋直流側(cè)電壓的波動,使得輸出電壓畸變,造成STATCOM具有很強(qiáng)的非線性,準(zhǔn)確建模困難。針對該問題,本文提出了降階的Hamiltonian模型,通過降階將偏微分方程簡化為常微分方程,避免了求解高階偏微分方程方法復(fù)雜、不易工程實(shí)現(xiàn)的困難,使得非線性控制器設(shè)計(jì)變得簡

3、單。然后基于降階Hamiltonian模型,實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)互聯(lián)與阻尼分配的無源性控制,通過系統(tǒng)互聯(lián)的能量成型和阻尼注入,使得STATCOM的動、靜態(tài)特性均得到了改善。
　　級聯(lián)H橋的直流側(cè)電容相互獨(dú)立,會出現(xiàn)直流側(cè)電壓不平衡,是級聯(lián)H橋STATCOM需要解決的重要問題之一。針對該問題提出了交換載波相位的平衡控制的解決方法,根據(jù)各個直流側(cè)電壓變化趨勢,以載波相位差造成的直流側(cè)不平衡來補(bǔ)償開關(guān)損耗等造成的不平衡,該方法適合于穩(wěn)態(tài)直流側(cè)電壓

4、不平衡度小的情況。在動態(tài)過程以及故障情況下,直流側(cè)需要較快、較強(qiáng)的平衡控制能力。針對該需求,通過分析級聯(lián)H橋STATCOM瞬時電流和開關(guān)狀態(tài)對直流側(cè)電壓的影響,提出了交換冗余開關(guān)狀態(tài)的直流側(cè)電壓平衡控制方法,將閥組內(nèi)直流側(cè)電壓高的模塊的開關(guān)狀態(tài)與直流側(cè)電壓降低的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行交換,從而實(shí)現(xiàn)直流側(cè)電壓的平衡。
　　STATCOM的負(fù)序阻抗小,當(dāng)系統(tǒng)電壓存在不對稱時,STATCOM需要輸出相同的負(fù)序電壓分量來抵消系統(tǒng)的負(fù)序電壓分量。由于

5、級聯(lián)H橋多電平STATCOM直流側(cè)分開,各相的負(fù)序電壓與正序電流相互作用,導(dǎo)致有功功率在級聯(lián)H橋STATCOM三相閥組中的不平衡,造成了閥組之間的直流側(cè)電壓不平衡現(xiàn)象。為此本文提出了基于直流側(cè)能量的零序電壓注入的一種解決方法,通過注入適當(dāng)?shù)牧阈螂妷?建立有功功率在三相閥組之間相互交換的一種機(jī)制,解決了閥組之間的直流側(cè)電壓不平衡的問題。然后分析了注入零序電壓補(bǔ)償不平衡電流的操作范圍,星接閥組級聯(lián)H橋STATCOM能夠補(bǔ)償不平衡負(fù)載,但是需

6、要占用了較大的設(shè)備容量。
　　分析了不平衡負(fù)載的平衡化方法,提出了基于平衡分量法的無功補(bǔ)償導(dǎo)納和補(bǔ)償電流的計(jì)算方法。通過將任何中性點(diǎn)不接地的三相負(fù)載分解為平衡負(fù)載和單一線間負(fù)載之和,將補(bǔ)償導(dǎo)納的計(jì)算分為平衡負(fù)載功率因數(shù)補(bǔ)償、單一線間負(fù)載功率因數(shù)補(bǔ)償以及單一線間阻性負(fù)載平衡化補(bǔ)償。在平衡分量法基礎(chǔ)上提出了閥組角接的級聯(lián)H橋STATCOM不平衡負(fù)載的參考電流計(jì)算方法,使級聯(lián)H橋STATCOM能很好地平衡不平衡負(fù)載,仿真和實(shí)驗(yàn)證明了所提

7、出的理論分析方法具有算法簡單、容易實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn),避免了星接閥組補(bǔ)償不平衡負(fù)載占用較大設(shè)備容量的缺點(diǎn)。
　　通過修正簡化的一維空間矢量調(diào)制算法,均勻了H橋模塊左右橋臂的開關(guān)頻率,減小了開關(guān)器件的開關(guān)應(yīng)力;然后對級聯(lián)H橋STATCOM實(shí)驗(yàn)平臺的進(jìn)行了軟硬件設(shè)計(jì),介紹了級聯(lián)H橋STATCOM的直流側(cè)電容的選擇以及靜態(tài)均壓電路的選取,完成了以DSP和FPGA為核心的控制系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì);最后給出現(xiàn)場運(yùn)行的測試結(jié)果,并對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析。