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         隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的迅速擴大和現(xiàn)代電力電子技術的快速發(fā)展,靜止無功補償技術(STATCOM)已經(jīng)成為電力系統(tǒng)節(jié)能降耗和電能質(zhì)量控制領域的研究熱點之一。目前,靜止無功補償器技術主要存在著兩種發(fā)展趨勢：用于高壓輸電系統(tǒng)無功補償及電壓支持的高壓大功率STATCOM技術和用于配電網(wǎng)終端用戶無功就地補償的配電網(wǎng)STATCOM (D-STATCOM)技術。高壓大功率STATCOM因電壓等級較高、容量較大而必須采用多重化或鏈式結(jié)構(gòu),致使其結(jié)構(gòu)復雜、成本昂貴、安全可靠性不高；D-STATCOM技術則因接入電壓較低,使其補償容量不高或補償電流較大,而且為了滿足就地補償?shù)男枰沟迷O備安裝極為分散,設備的總體利用率較低、相互之間缺乏協(xié)調(diào)控制、大量使用時存在著資源浪費以及因技術不完善帶來新的諧波污染等問題。
針對STATCOM技術應用和發(fā)展過程中的上述問題,本文在國家高技術研究發(fā)展計劃(863計劃)先進能源技術領域高效節(jié)能與分布式供能技術專題探索導向類項目《配電變一體化STATCOM節(jié)能新技術研究》(2009AA05Z208)的資助下,以配電網(wǎng)中高低電壓等級交匯處的配電變壓器(尤其是箱式變電站中的配電變壓器)作為無功補償和電能質(zhì)量控制的關鍵節(jié)點,提出了一種將配電變壓器與電力電子靜止無功補償單元相集成,構(gòu)成一體化結(jié)構(gòu)的新型配點變壓器-靜止無功補償技術(Distribution Transformer STATCOM, DT-STATCOM)。該補償技術不僅能夠充分利用配電變壓器的富余容量實現(xiàn)對變壓器及其負載的集中動態(tài)補償,同時隨著大量配電變壓器(尤其是箱式變電站)在配電網(wǎng)中的廣泛分布而又具備一定的分散性,易于實現(xiàn)相互協(xié)調(diào)控制；通過配電變壓器-靜止無功補償單元一體化設計方案,可靈活選擇靜止補償單元的連接電壓,擴大了電力電子器件的選型范圍,有利于技術經(jīng)濟指標的優(yōu)化選擇；緊湊的一體化結(jié)構(gòu)有效降低了補償裝置的體積和成本,提高裝置整體效率。為了實現(xiàn)DT-STATCOM系統(tǒng)的設計目標,發(fā)揮其技術優(yōu)勢,本文圍繞靜止無功補償器技術的基本原理和各環(huán)節(jié)的關鍵技術展開了分析和研究。
DT-STATCOM系統(tǒng)的靜止無功補償單元需要利用配電變壓器的富余容量進行無功補償和電能質(zhì)量控制,改變了變壓器繞組中原有的電流分布,因此需要避免因補償而造成變壓器過載的情況。對此,文中對變壓器負載率與DT-STATCOM可補償容量間的約束關系進行了理論研究,論證了現(xiàn)有配電變壓器負載率下,采用DT-STATCOM實現(xiàn)無功補償?shù)目尚行浴?br /> 在DT-STATCOM系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設計中,需要通過在配電變壓器的高壓繞組設置連接抽頭,實現(xiàn)靜止無功補償單元與變壓器的一體化結(jié)構(gòu)。然而由于配電變壓器繞組具有多種聯(lián)結(jié)組型式而給該一體化結(jié)構(gòu)方式的設計造成了一定困難。文中針對變壓器不同的聯(lián)結(jié)組型式及其特點,分別研究了單組和多組連接抽頭的一體化結(jié)構(gòu)方式,實現(xiàn)了不同變壓器聯(lián)結(jié)組條件下的一體化結(jié)構(gòu)設計。同時,為了適合較大的連接電壓選擇范圍和不同DT-STATCOM一體化結(jié)構(gòu),分析和比較了多種靜止補償單元的拓撲結(jié)構(gòu)型式,論證了DT-STATCOM主電路采用中性點箝位三電平結(jié)構(gòu)的合理性。
DT-STATCOM靜止無功補償單元的交流輸出側(cè)與配電變壓器連接,不僅有助于縮小補償裝置的整體體積,而且可以將變壓器漏抗作為輸出濾波器的一部分,從而獲得更好的濾波效果。本文在分析LCL濾波器各元件參數(shù)對補償效果作用機理的基礎上,提出了適用于DT-STATCOM一體化結(jié)構(gòu)的多約束條件濾波器設計方法,并通過仿真分析驗證了其有效性。文中還對高壓大功率STATCOM、D-STATCOM和DT-STATCOM展開了比較分析,進一步論證了DT-STATCOM技術具有較好的技術經(jīng)濟性。
補償指令電流檢測是實現(xiàn)無功補償和電能質(zhì)量控制的基礎,由于DT-STATCOM系統(tǒng)特殊的一體化結(jié)構(gòu),導致補償指令電流檢測過程中補償信息的檢測點和補償輸出接入點分別位于變壓器的不同端口。由于這兩端口之間間隔了變壓器的繞組,各端口的電壓和電流信號存在著幅值和相位的偏差,因而傳統(tǒng)的基于瞬時無功功率理論的p-q檢測法和ip-iq檢測法不再適用。因此,本文提出了三種跨端口補償電流檢測方法,能夠根據(jù)配電變壓器不同端口的電氣量信息,實現(xiàn)補償功率或補償電流的跨變壓器端口轉(zhuǎn)換。同時,針對配電網(wǎng)普遍存在的電壓畸變的現(xiàn)實情況,分析了其對三種跨端口補償電流檢測方法的影響。理論和仿真研究表明,DT-STATCOM采用跨端口ip-iq檢測法可以取得更為優(yōu)良的整體性能。
DT-STATCOM系統(tǒng)是一種復雜的非線性系統(tǒng),其交流輸出和直流電壓之間存在著較強的耦合關系。論文結(jié)合DT-STATCOM的運行特點,采用了前饋解耦控制策略,實現(xiàn)了電流內(nèi)環(huán)的解耦,有效簡化了控制器的設計。脈沖觸發(fā)控制的效果直接影響著DT-STATCOM系統(tǒng)的動態(tài)補償性能。論文對三角載波比較、滯環(huán)電流比較和無差拍等三種典型脈沖觸發(fā)控制方法進行了對比研究,說明了滯環(huán)電流比較控制策略是最為適合的DT-STATCOM系統(tǒng)脈沖觸發(fā)方式。為了降低滯環(huán)比較控制中功率器件開關頻率的波動,文中對其進行了改進和優(yōu)化,實現(xiàn)了變環(huán)寬準恒頻的滯環(huán)比較控制方法,有效改善了其對DT-STATCOM系統(tǒng)濾波環(huán)節(jié)造成的不利影響。
DT-STATCOM系統(tǒng)是一個交直流混合的復雜離散系統(tǒng),而且其靜止無功補償單元與配電變壓器特殊的一體化結(jié)構(gòu)方式,使得其動態(tài)補償過程和控制方式均與傳統(tǒng)無功補償裝置有著顯著的不同。為了檢驗上述DT-STATCOM設計方案和控制策略的正確性,本文構(gòu)建了適合DT-STATCOM一體化結(jié)構(gòu)的配電變壓器仿真模型,并利用電力系統(tǒng)仿真模塊與S函數(shù)模塊混合編程技術,實現(xiàn)DT-STATCOM控制系統(tǒng)的實時采樣計算和脈沖觸發(fā)控制。仿真結(jié)果表明,DT-STATCOM系統(tǒng)可實現(xiàn)無功功率的快速動態(tài)補償和電能質(zhì)量的有效控制。
在上述理論研究和仿真分析的基礎上,研制開發(fā)了DT-STATCOM系統(tǒng)的動模樣機和試驗平臺,開展了DT-STATCOM系統(tǒng)空載損耗試驗、無功補償動模試驗、諧波抑制動模試驗和系統(tǒng)不平衡電流補償動模試驗。動模試驗結(jié)果驗證了靜止無功補償器技術的正確性和有效性。