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STATCOM电流检测与控制策略.docx

发布时间：2022-06-09 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：2.22M 资料格式：docx 举报 版权申诉
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    一、项目简介
    1、项目背景：
    2、主要研究内容：
    3、拟解决的主要问题
    二、实验方法
    三、实验步骤及结果分析
    1、三相电网无功电流检测方法的研究
    (1) 基于瞬时无功功率理论的无功电流检测
    ①基于p、q运算方式的无功电流检测
    ②基于ip、iq运算方式的无功电流检测
    （2）无锁相环的三相电网无功电流检测新方法
    ①检测原理
    ②仿真模型
    ③与ip、iq运算方式检测的比较
    2、基于三相不平衡负载的statcom主电路设计
    （1）statcom主电路结构
    （2）主电路的设计
    ①逆变电路的设计
    ②整流电路的设计
    ③直流侧电容的选择
    ④连接电感的选择
    3、statcom的控制策略的研究
    （1）三角波比较法
    （2）滞环比较法
    4、statcom的IGBT保护
    （1）IGBT的过电压保护
    ①IGBT栅极的保护
    ②集电极与发射极间的过压保护
    （2）IGBT的过电流保护
    5、完整的三相系统的statcom的补偿波形研究
    （1）无锁相环+三角波比较
    （2）无锁相环+滞环比较
    （3）pq检测+三角波比较
    （4）分析与比较
    四、实验总结
    参考文献
    南 京 理 工 大 学 科研训练结题报告 项目名称：STATCOM 抑制三相不平衡的策略研究 资助级别： 校级普通 完成学生： （主持人） 指导老师： 结题时间： 摘要 随着电力电子器件和各种非线性设备的使用，以及用户对电能质量要求的不 断 提 高 ， 电 能 质 量 中 的 无 功 补 偿 问 题 显 得 越 来 越 重 要 。 静 止 同 步 补 偿 器 （STATCOM-Static Synchronous Compensatory）以其对系统无功功率补偿的优越性 能，成为目前电力系统中最具代表性的无功补偿装置之一，是近年来电力电子与 控制领域研究的热点。 首先，本文针对 STATCOM 系统设计中的关键问题之一，即无功电流的实时 检测，介绍了基于 p、q 运算方式的无功电流检测方法、基于 ip、iq 运算方式的 无功电流检测方法和无锁相环的三相电网无功电流检测法这三种无功电流检测 1
    方法的原理，并在 MATLAB/simulink 中进行了仿真验证，然后对比分析了它们在 三相四线制电网负载不平衡和三相电压有频率偏移和畸变的情况下，实时检测无 功分量的能力。 然后选定系统容量为 10Kvar，电压级别为 380V，statcom 模块选择三单相桥 式主电路拓扑，对逆变电路、整流电路、直流侧电容，交流侧连接电感等参数进 行了理论设计。 然后，介绍了电流间接控制和电流直接控制中的几种控制方法的原理，并在 MATLAB/simulink 中进行了仿真验证。 最后，在 MATLAB/simulink 仿真环境下，在三相四线制电网负载不平衡的情 况下，对三种不同检测方式和控制方式的组合控制的系统进行了实时无功补偿的 仿真研究，对其中的参数进行调节，从三组仿真模型的 a 相电压电流补偿前后的 波形图和反馈跟踪情况的波形图进行了比较分析，分析了各检测方法和控制方法 的优劣。结果证明了静止同步补偿器实现抑制三相不平衡，实时补偿无功分量的 可行性。 关键词:STATCOM，无功补偿，三单相桥式主电路，三相不平衡负载，抑制三相 不平衡，提高电网效率 目录 一、 项目简介 .................................................................................................................................. 3 1、 项目背景： ........................................................................................................................ 3 2、 主要研究内容： ................................................................................................................ 4 3、 拟解决的主要问题 ............................................................................................................ 4 二、实验方法 .................................................................................................................................... 4 三、实验步骤及结果分析................................................................................................................ 4 1、三相电网无功电流检测方法的研究 ..................................................................................4 (1) 基于瞬时无功功率理论的无功电流检测................................................................. 4 2
    ①基于 p、q 运算方式的无功电流检测 ..................................................................5 ②基于 ip、iq 运算方式的无功电流检测................................................................7 （2）无锁相环的三相电网无功电流检测新方法..........................................................8 ①检测原理 ................................................................................................................ 9 ②仿真模型 ................................................................................................................ 9 ③与 ip、iq 运算方式检测的比较 ..........................................................................11 2、 基于三相不平衡负载的 statcom 主电路设计...............................................................13 （1） statcom 主电路结构............................................................................................ 13 （2） 主电路的设计 ...................................................................................................... 13 ①逆变电路的设计 .................................................................................................. 13 ②整流电路的设计 .................................................................................................. 14 ③直流侧电容的选择 .............................................................................................. 16 ④连接电感的选择 .................................................................................................. 16 3、 statcom 的控制策略的研究 ............................................................................................ 16 （1）三角波比较法........................................................................................................ 17 （2）滞环比较法............................................................................................................ 17 4、 statcom 的 IGBT 保护 .......................................................................................................18 （1）IGBT 的过电压保护 ................................................................................................18 ①IGBT 栅极的保护..................................................................................................18 ②集电极与发射极间的过压保护 ..........................................................................18 （2）IGBT 的过电流保护 ................................................................................................19 5、完整的三相系统的 statcom 的补偿波形研究 .................................................................20 （1）无锁相环+三角波比较..........................................................................................20 （2）无锁相环+滞环比较 ..............................................................................................21 （3） pq 检测+三角波比较 ...........................................................................................22 （4） 分析与比较.......................................................................................................... 24 四、实验总结 .................................................................................................................................. 24 参考文献 ...........................................................................................................................................25 一、项目简介 1、项目背景： 随着西电东送力度的加大和互联电网范围的扩大，电力系统面临许多新的稳定问题。与 此同时，工业电弧炉、电力机车以及轧钢机等各种新型的冲击性负荷的增多，严重恶化了电 能质量，再加上各种自动化、智能化的复杂精密设备使用，对电能质量提出了更高的要求， 改善电能质量口益成为研究的热点。2009 年_5 月，国家电网公司“坚强智能电网”发展规 划的提出，要求电网在传统电网安全、经济的基础上更清洁、高效，再加上能源危机背景下， 各种间歇性可再生能源的大规模利用对传统电网提出了更严峻的挑战。针对大型互联电网存 在的问题，N.H.Hingorani 在 1986 年就提出了灵活交流输电系统(Flexible AC Transmission 3
    System, FACTS)的概念，这是一项将电力电子技术、微处理技术和控制技术等高新技术集中 应用于高压输变电系统，以提高输配电系统的运行性能和电能质量，并获取大量节电效益的 一种新型综合技术。 STATCOM 装置是一种应用形式相对简单的典型 FACTS 装置，具有体积小、调节速度更 快(可达 l Oms 级)、在电网电压较低时输出电流不受电压影响、较硬的低压无功功率特性， 且接入系统后不存在改变系统阻抗特性而引起振荡的隐患，因此受到广泛重视。 2、主要研究内容： 熟悉了解 STATCOM 的拓扑结构及工作原理,深入学习 STATCOM 无功补偿与抑制三相不平 衡的原理；研究电网电压不平衡对 STATCOM 装置的影响，设计相应的控制策略，分析 STATCOM 补偿时控制策略及检测方法；搭建中低压配电网中 STATCOM 仿真模型，并进行调 试。 3、拟解决的主要问题 抑制三相不平衡，降低电能损耗，恢复配变出力，抑制配变产生的零序电流，提高电动 机效率。 二、实验方法 选择 STATCOM 的拓扑结构，在 MATLAB/simulink 建立仿真模型,搭建包括 STATCOM、检测模块、控制模块和不平衡负载的三相系统。对几种不同的检测方 式、控制方式以及 statcom 主电路进行了研究分析，仿真模拟出了 statcom 实时 监测三相系统，无功补偿与抑制三相不平衡的动态过程。 三、实验步骤及结果分析 1、三相电网无功电流检测方法的研究 (1) 基于瞬时无功功率理论的无功电流检测 三相电路各相电压和电流的瞬时值分别表示为 ea、eb、ec 和 ia、ib、ic。为了分析方便 将 abc 三相电压、电流变换成α-β坐标系上的两相瞬时电压 eα、eβ和瞬时电流 iα、iβ。 4
    式中， 在上图所示的α-β坐标系平面上，矢量 eα、eβ和 iα、iβ可以分别合成旋转电压 矢量 e 和电流矢量 i。 三相电路瞬时有功电流 ip= i cosφ ，瞬时无功电流 iq = i sinφ。其中φ=φe-φi，因此， 瞬时有功功率 P=eip，瞬时无功功率 q=eiq。由上式可得 综上可得 基于瞬时无功功率理论的无功检测方法的一个最重要的优点是实时性好。该方法在仅检 测无功电流时，完全可以无延时地进行检测。以三相电路瞬时无功功率理论为基础，计算 p、 q 或 ip、iq 即可以得到三相电路无功检测的两种方法，即 p、q 运算方式和 ip、iq 运算方式。 ①基于 p、q 运算方式的无功电流检测 该方法根据定义算出 p、q，再经过低通滤波器(LPF)滤波后得到 p、q 的直流分量 p 、q 。 当电网电压波形无畸变时， p 为基波有功电流与电压作用所产生，q 为基波无功电流与电压 作用所产生。因此，由 p 、 q 即可计算出被检测电流 ia、ib、ic 的基波分量 iaf、ibf、icf。 5
    将 iaf、ibf、icf 与 ia、ib、ic 相减，可求得 ia、ib、ic 的谐波分量。当同时检测补偿对象中 的谐波和无功电流时，检测框图如图 2.2 所示。图中，基波有功分量 iapf、ibpf、icpf 为 将 iapf、ibpf、icpf 与 ia、ib、ic 相减，得出 ia、ib、ic 的谐波分量和基波无功 分量之和 iad、ibd、icd。该方法的原理如下图所示： 在 simulink 中的仿真模型如下图所示 经过测试 当三相负载不平衡时，检测出的波形如下： 6
    当三相负载平衡时，检测出的波形如下： 可以看出，当三相负载平衡时检测出的波形是少量的谐波（10-13 级），无功电流为 0。 而三相负载不平衡时，检测出的波形是 0.2,包含无功分量和谐波分量。当改变负载，形成 不同的不平衡负载时，上图的检测模块也能实时跟踪检测。 ②基于 ip、iq 运算方式的无功电流检测 基于 ip、iq 运算方式的无功电流检测方法中，需用到与 a 相电网电压 ea 同相位的正弦 信号 sin wt 和余弦信号-cos wt，它们通过一个锁相环(PLL)和正余弦信号发生电路得出。三相 电流 ia、ib、ic 通过α-β变换得到 iα、iβ，再由公式 7
    得出α-β两相坐标下电流的有功和无功分量。 当检测谐波和无功电流之和时，断开 iq 的通道即可。再经 LPF 滤波后得到 ip、iq 的 直流分量  pi  qi 、 ，由此可以计算出 iapf、ibpf、icpf，进而求出的 ia、ib、ic 谐波分量和基波无功 分量之和 iad、ibd、icd。该方法的原理如图所示。 图中， 在 simulink 中的仿真模型如下图所示 P、Q 法和 ip、iq 法的原理过程大致相似，经检测，ip、iq 运算方式测量的情况与 p、q 法检测的相似，上图的模块可以及时准确的跟踪系统无功分量的变化。 但两种方式还是有点区别的。由于 p、q 运算方式要采集电网的电压和电流，且受电网 电压畸变和三相不平衡的影响。ip、iq 运算方式以标准的正弦信号代替电压信号，但使用了 锁相环 PLL，当电网电压频率发生偏移时，由于锁相环的存在而无法得到准确的检测结果。 该点在下文会和另一种检测方式比较而得出。 （2）无锁相环的三相电网无功电流检测新方法 由以上分析可知，现有的这些方法大多都使用了锁相环，当电网电压频率发生偏移时， 由于锁相环的存在而无法得到准确的检测结果。要实现对畸变且不对称的三相电网进行基波 无功、不对称分量、谐波的综合补偿，就必须从负载电流中检测出基波正序有功电流，与负 8
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