级联多电平静止同步补偿器及其负序补偿若干关键技术研究

发布时间：2018-03-06 12:48

本文选题：多电平变流器　切入点：无功补偿　出处：《湖南大学》2014年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：随着电力工业的不断发展，电网对无功电源要求日益严格，传统的无功补偿装置已难以满足某些特殊场合的应用要求。基于级联多电平逆变技术的静止同步补偿器(Static Synchronous Compensator，STATCOM)是一类新型的无功补偿装置，具有模块化、易扩展的优点，通过全桥或半桥子模块级联克服了单个电力电子器件耐压不足的缺点，可直接接入中高压配电网。国内外学者已对级联多电平STATCOM进行了许多前期研究，级联多电平STATCOM已开始投入工程应用。根据结构上的差异，可将三相级联多电平STATCOM将分为三种：基于全桥模块级联的星形结构(Single-Star Bridge-Cells，SSBC)、三角形结构(Single-DeltaBridge-Cells， SDBC)和基于半桥模块级联的双星形结构(Double-StarChopper-Cells，DSCC)。本论文得到了国家“863”计划项目“大型工业企业电气节能新技术新装备及其工程应用”的资助，围绕级联多电平静止同步补偿器展开，依次对级联多电平STATCOM的调制方法、直流侧电压稳定性、SDBC型STATCOM负荷平衡化补偿相电流指令计算方法、SSBC型STATCOM负序补偿控制方法以及DSCC型STATCOM的负序补偿特性等多个关键点进行研究，旨在进一步改善级联多电平STATCOM的谐波特性，提高装置的稳定性，拓展级联多电平STATCOM的应用功能。研究重点及取得的成果主要体现在以下几个方面： (1)阐述了级联多电平STATCOM的工作原理，提出了适用于级联多电平STATCOM的单载波调制方法。该调制方法采用单路三角形载波完成多电平调制，兼有载波同相层叠调制良好的消谐性能和载波移相调制开关分配均衡的优点。并将所提调制方法与电压电流双闭环控制策略结合，实现了对级联多电平STATCOM的控制。仿真对比了级联多电平STATCOM采用单载波调制和载波移相调制的控制效果，结果表明：单载波调制输出电压和电流的谐波特性优于载波移相调制。 (2)研究了直流侧电压反馈回路中的滤波环节对级联多电平STATCOM直流侧电压稳定性的影响。根据能量平衡的思想，将级联多电平STATCOM等效为积分环节；考虑直流侧电压反馈回路中的滤波环节，建立了基于PI控制的闭环模型。根据劳思-赫尔维茨稳定判据，对级联多电平STATCOM直流侧电压控制环进行了稳定性分析，结果表明：PI调节器积分时间常数大于滤波环节时间常数是系统稳定的充分必要条件。运用根轨迹法和频率特性曲线分析了调节器比例系数和积分时间常数对系统稳定性及响应速度的影响，为级联多电平STATCOM直流电压调节器的设计提供了参考。最后，搭建了3kV单相级联多电平STATCOM实验样机，验证了稳定性分析的正确性。 (3)为实现三角形级联多电平STATCOM对不平衡负荷的补偿，本文提出了基于瞬时功率理论的三角形补偿器相电流指令快速计算方法。通过对补偿电路相量图进行几何分析，并根据瞬时功率理论推导出dq/△变换矩阵，，该变换矩阵可应用于负序补偿系统和综合补偿系统。三相电流瞬时值经abc/dq变换、低通滤波，得到两相旋转坐标系下的负序有功电流分量和负序无功电流分量；再经dq/△变换矩阵，便可得到三角形级联多电平STATCOM负序补偿所需的相电流指令。为进一步简化综合补偿电流指令的计算，从计算相电流零序环流的角度出发，对三角形级联多电平STATCOM的零序电流进了推导，提出基于瞬时功率理论的零序环流计算方法和简化的综合补偿电流指令提取方法。所提电流指令提取方法均采用电流瞬时值进行运算，避免了基于Steinmetz原理的补偿导纳计算过程所需的相量识别，响应速度优于现有方法。最后，搭建了PSIM仿真模型验证了所提方法的有效性和优越性。 (4)建立了星形级联多电平STATCOM分序模型，阐述了补偿器进行无功和负序综合补偿的工作原理：调节补偿器输出电压的正、负序分量可控制其输出电流；选择合适的电压零序分量，可使链节输出电压与电流相量正交，维持各相链节直流侧电压稳定。根据相量图对零序分量进行了数学推导，得到中性点运动轨迹，由中性点坐标可知，零序分量受补偿器输出电流无功分量与负序分量比值的影响。实际应用时，补偿器电压输出能力有限，负序补偿能力往往受到限制，为此本文提出一种改进的电压电流双闭环控制策略，增加了对电流指令中负序分量的限制，在双闭环控制输出的调制信号中叠加零序分量，并通过仿真验证了所作改进的必要性。 (5)阐述了模块化多电平STATCOM进行负序电流补偿的工作原理，对比分析了三角形级联多电平STATCOM和模块化多电平STATCOM的负序补偿性能。结果表明：模块化多电平STATCOM应用于负序补偿时电流应力和安装容量均小于三角形级联多电平STATCOM。所得结论为工程应用时合理选择负序补偿拓扑提供了理论参考。
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【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM761.12

【参考文献】