级联多电平静止同步补偿器关键技术及应用研究

摘要

随着工业的发展及人们对清洁能源的迫切需求，大量的非线性、不平衡负载及可再生能源接入电网，带来了一系列电能质量问题，尤其以无功、谐波、三相不平衡和电压波动、闪变及不对称等最为突出，对电网的安全稳定高效运行产生影响，限制了电网接纳新能源的能力。基于级联多电平结构的静止同步补偿器(Static Synchronous Compensator，STATCOM)，具有结构模块化、无功调节速度快、输出特性理想、接入系统无谐振等优点，是目前高压大容量应用场合中最有效的电能质量解决方案之一。
　　针对级联多电平结构的静止同步补偿器关键理论和技术，本文以国家高技术研究发展计划(863计划)项目《大型光伏电站并网关键技术研究》[2011AA05A301]为依托，深入研究了静止同步补偿器输出滤波器结构、电流控制策略、直流侧电压稳定性、不平衡负载补偿策略及在电压不对称工况下的无功控制策略等。研究重点和取得的成果主要体现在以下几个方面:
　　(1)提出了级联型STATCOM的预测控制策略，由基于有限控制集的模型预测电流控制与电容电压控制组成。从级联型STATCOM的工作原理出发，建立了变换器等效电路，推到了变换器数学模型;针对常规模型预测控制存在电流跟踪误差的问题，通过分析单个控制周期内变换器输出电平变化量与电流变化率的关系，提出了优化模型预测控制，在一个控制周期内利用两个不同电流变化率的线性组合，调整该周期内电流的变化，从而在每个周期末消除电流跟踪误差。该方法保留了预测控制良好的动态性能，相比于常规模型预测控制，相同控制频率时所提方法能够减少平均电流误差，降低电流畸变率，改善了预测控制静态性能。同时，研究了级联型STATCOM直流侧电压稳定性，考虑电压反馈通道上的滤波环节，建立了电压控制闭环模型，求解了闭环传递函数，分析了二阶低通滤波器和二阶带阻滤波器参数对电压稳定性的影响，利用稳定判据推导了电压闭环控制参数的选取约束条件，可以为电容电压外环PI控制器的设计提供理论支持。
　　(2)针对不平衡非线性负载产生的无功、负序和谐波电流，提出了角形级联STATCOM的综合补偿策略。从分析不平衡工况下相电流和线电压在三相链节上产生的不平衡有功功率入手，推导了不对称电压工况下角形STATCOM三相链节有功功率，给出了零序电流可以实现相间功率再平衡的理论推导。再结合角形变换器相电流与线电流的关系，利用相量分解法，给出了角形STATCOM在正序无功电流、负序电流和综合补偿三种补偿模式下线电压与相电流相量的约束关系，推导了满足线电压相量和相电流相量垂直关系的零序电流表达式。进而，提出角形STATCOM综合补偿策略，包括指令计算、指令合成和链节电压电流控制三部分，首先根据提取的电压和电流信号计算出零序电流和正序有功电流指令，零序电流指令与线电流指令叠加得到补偿器相电流指令，再根据相电流指令结合相链节电压和电流控制实现对非线性、不平衡负载的综合补偿。搭建了仿真模型，仿真结果表明所提方法能够改善补偿器动态响应性能，消除负序电压对补偿性能的影响。
　　(3)针对不对称电压工况下级联STATCOM无功控制问题，提出一种适用于角形级联STATCOM的柔性无功支撑策略。利用所提无功控制策略，STATCOM在电压不对称工况下能够向电网提供正序和负序的无功功率，稳定电网正序电压减少公共连接点电压波动，抑制连接点电压负序电压改善电网电压不平衡度;有利于更好地接纳风电、光伏等新能源，减轻新能源接入对电网的影响，增强风电站、光伏电站等的故障穿越能力;并具备最大电流限幅能力，向电网提供无功功率的同时可以维持STATCOM的安全稳定运行，提高补偿器自身的故障穿越能力。考虑电压不对称工况下已知功率指令求解电流指令具有多种方法，本文还对比分析了采用消除有功功率波动法、消除无功功率波动法及对称正序无功电流注入法求解相电流指令时STATCOM输出性能的差异，为不对称工况下的STATCOM的无功控制策略选取提供参考。
　　(4)研究了LC串联耦合式级联STATCOM及其控制策略。不同于常规电感滤波式的STATCOM，LC耦合式STATCOM输出滤波器采用电感和电容串联结构，在容性无功补偿补偿容量、运行效率等方面更具优势。分析了LC耦合式STATCOM的工作原理和运行性能，并建立了离散状态方程。针对LC串联存在谐振的问题，提出了适用于LC耦合式STATCOM的状态反馈控制，可以有效地增大谐振阻尼，并改善系统的基频增益，提高电流控制的性能;基于所推导的离散状态方程，构建了输出电容电压状态观测器，利用电压观测值进行状态反馈可以省去电容电压传感器，降低系统成本。最后仿真验证了所提LC耦合式STATCOM及其控制策略的可行性和有效性。
　　(5)针对10kV/±6MVar级联型STATCOM工程设计，详细叙述了主电路拓扑结构、主电路参数包括:直流侧电容、连接电抗器和功率模块及其驱动电路的设计原则与方法，及控制系统的构成及软件的实现过程;并重点分析了电容等效串联电阻对直流侧电容的阻抗特性及电容过流能力的影响，给出了考虑电容耐压、过电流能力及功率损耗等因素影响时直流侧电容的设计方案。再结合高压试验对设计的STATCOM进行了可行性验证。

目录

声明

摘要

插图索引

附表索引

第1章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 无功补偿方式

1．3 高压大容量静止同步补偿器的拓扑结构

1．4 级联多电平静止同步补偿器的研究现状

1．4．1 级联型STATCOM调制策略

1．4．2 级联型STATCOM电流控制策略

1．4．3 级联型STATCOM直流侧电压控制方法

1．4．4 级联型STATCOM不平衡补偿策略

1．4．5 不对称电压工况下的控制策略

1．4．6 级联型STATCOM输出滤波器

1．5 选题背景及章节安排

第2章 级联型STATCOM工作原理与预测控制

2．1 级联型多电平STATCOM工作原理与数学模型

2．1．1 级联型多电平STATCOM拓扑结构与工作原理

2．1．2 级联型STATCOM数学模型

2．2 基于有限控制集的预测控制

2．2．1 常规预测控制

2．2．2 优化预测控制

2．2．3 链节内电压平衡控制与开关分配

2．3 直流侧电压控制及稳定性分析

2．3．1 直流侧电压波动及控制

2．3．2 直流侧电压稳定性分析

2．4 仿真分析与实验验证

2．4．1 电流预测控制验证

2．4．2 直流侧电压稳定性分析验证

2．5 本章小结

第3章 角形级联STATCOM不平衡补偿策略研究

3．1 角形级联STATCOM零序电流与功率分析

3．1．1 相电流与线电流约束关系

3．1．2 不平衡补偿时的功率分析

3．2 不平衡补偿策略

3．2．1 零序电流相量求解

3．2．2 相电流指令计算及控制

3．3 不平衡工况下角形STATCOM补偿范围探讨

3．4 仿真验证

3．5 本章小结

第4章 角形级联STATCOM无功支撑策略

4．1 不对称电压控制

4．2 柔性无功支撑策略

4．2．1 柔性无功功率与电流指令

4．2．2 带最大电流限幅功能的相电流指令计算

4．2．3 仿真验证

4．3 无功控制策略对比

4．3．1 无功功率与指令求解

4．3．2 无功控制策略对比

4．3．3 仿真验证

4．4 本章小结

第5章 LC耦合式级联STATCOM及控制策略

5．1 LC-STATCOM拓扑结构与工作原理

5．2 LC-STATCOM数学模型及状态反馈控制

5．2．1 离散状态模型

5．2．2 状态反馈控制及状态观测器

5．3 仿真验证

5．4 本章小结

第6章 级联多电平STATCOM工程设计

6．1 级联STATCOM主电路结构分析与设计

6．1．1 主电路拓扑结构选择

6．1．2 主电路硬件设计

6．2 级联STATCOM控制系统设计

6．2．1 主控制器设计

6．2．2 扩展控制器设计

6．2．3 控制软件设计

6．3 STATCOM试验测试

6．3．1 控制电路试验测试

6．3．2 级联STATCOM并网测试

6．4 本章小结

总结和展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间的主要成果