配電變壓器一體化靜止無(wú)功補(bǔ)償器(DT-STATCOM)關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的迅速擴(kuò)大和現(xiàn)代電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，靜止無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)（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(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。目前，STATCOM技術(shù)主要存在著兩種發(fā)展趨勢(shì)：用于高壓輸電系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償及電壓支持的高壓大功率STATCOM技術(shù)和用于配電網(wǎng)終端用戶無(wú)功就地補(bǔ)償?shù)呐潆娋W(wǎng)STATCOM（D-STATCOM）技術(shù)。高壓大功率STATCOM因電壓等級(jí)較高、容量較大而必須采用多重化或鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，致使其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本昂

2、貴、安全可靠性不高；D-STATCOM技術(shù)則因接入電壓較低，使其補(bǔ)償容量不高或補(bǔ)償電流較大，而且為了滿足就地補(bǔ)償?shù)男枰沟迷O(shè)備安裝極為分散，設(shè)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(shí)存在著資源浪費(fèi)以及因技術(shù)不完善帶來(lái)新的諧波污染等問(wèn)題。
　　針對(duì)STATCOM技術(shù)應(yīng)用和發(fā)展過(guò)程中的上述問(wèn)題，本文在國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）先進(jìn)能源技術(shù)領(lǐng)域高效節(jié)能與分布式供能技術(shù)專(zhuān)題探索導(dǎo)向類(lèi)項(xiàng)目《配電變一體化STATCOM節(jié)

3、能新技術(shù)研究》（2009AA05Z208）的資助下，以配電網(wǎng)中高低電壓等級(jí)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(wú)功補(bǔ)償和電能質(zhì)量控制的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，提出了一種將配電變壓器與電力電子靜止無(wú)功補(bǔ)償單元相集成，構(gòu)成一體化結(jié)構(gòu)的新型配電變壓器-靜止無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)（Distribution Transformer STATCOM，DT-STATCOM）。該補(bǔ)償技術(shù)不僅能夠充分利用配電變壓器的富余容量實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器及其負(fù)載的集中動(dòng)態(tài)補(bǔ)償

4、，同時(shí)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(shí)現(xiàn)相互協(xié)調(diào)控制；通過(guò)配電變壓器-靜止無(wú)功補(bǔ)償單元一體化設(shè)計(jì)方案，可靈活選擇靜止補(bǔ)償單元的連接電壓，擴(kuò)大了電力電子器件的選型范圍，有利于技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的優(yōu)化選擇；緊湊的一體化結(jié)構(gòu)有效降低了補(bǔ)償裝置的體積和成本，提高裝置整體效率。為了實(shí)現(xiàn)DT-STATCOM系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)，發(fā)揮其技術(shù)優(yōu)勢(shì)，本文圍繞DT-STATCOM技術(shù)的基本原理和各環(huán)節(jié)的關(guān)鍵技術(shù)展開(kāi)

5、了分析和研究。
　　DT-STATCOM系統(tǒng)的靜止無(wú)功補(bǔ)償單元需要利用配電變壓器的富余容量進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)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(bǔ)償而造成變壓器過(guò)載的情況。對(duì)此，文中對(duì)變壓器負(fù)載率與DT-STATCOM可補(bǔ)償容量間的約束關(guān)系進(jìn)行了理論研究，論證了現(xiàn)有配電變壓器負(fù)載率下，采用DT-STATCOM實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償?shù)目尚行浴?br>　　在DT-STATCOM系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，需要通過(guò)在配電變壓器的高壓繞

6、組設(shè)置連接抽頭，實(shí)現(xiàn)靜止無(wú)功補(bǔ)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(shè)計(jì)造成了一定困難。文中針對(duì)變壓器不同的聯(lián)結(jié)組型式及其特點(diǎn)，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(shí)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(shè)計(jì)。同時(shí)，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(bǔ)償單元的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)型式，論證了DT-STATCOM主電路采用中性點(diǎn)箝位三電

7、平結(jié)構(gòu)的合理性。
　　DT-STATCOM靜止無(wú)功補(bǔ)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(bǔ)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(duì)補(bǔ)償效果作用機(jī)理的基礎(chǔ)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(shè)計(jì)方法，并通過(guò)仿真分析驗(yàn)證了其有效性。文中還對(duì)高壓大功率STATCOM、D-STATCOM和DT-STATCOM展開(kāi)了比較

8、分析，進(jìn)一步論證了DT-STATCOM技術(shù)具有較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。
　　補(bǔ)償指令電流檢測(cè)是實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償和電能質(zhì)量控制的基礎(chǔ)，由于DT-STATCOM系統(tǒng)特殊的一體化結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致補(bǔ)償指令電流檢測(cè)過(guò)程中補(bǔ)償信息的檢測(cè)點(diǎn)和補(bǔ)償輸出接入點(diǎn)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(hào)存在著幅值和相位的偏差，因而傳統(tǒng)的基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的p-q檢測(cè)法和ip-iq檢測(cè)法不再適用。因此，本文提出了三種跨端口補(bǔ)

9、償電流檢測(cè)方法，能夠根據(jù)配電變壓器不同端口的電氣量信息，實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償功率或補(bǔ)償電流的跨變壓器端口轉(zhuǎn)換。同時(shí)，針對(duì)配電網(wǎng)普遍存在的電壓畸變的現(xiàn)實(shí)情況，分析了其對(duì)三種跨端口補(bǔ)償電流檢測(cè)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(cè)法可以取得更為優(yōu)良的整體性能。
　　DT-STATCOM系統(tǒng)是一種復(fù)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(qiáng)的耦合關(guān)系。論文結(jié)合DT-STATCOM的運(yùn)行特點(diǎn)，采用了前饋解

10、耦控制策略，實(shí)現(xiàn)了電流內(nèi)環(huán)的解耦，有效簡(jiǎn)化了控制器的設(shè)計(jì)。脈沖觸發(fā)控制的效果直接影響著DT-STATCOM系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償性能。論文對(duì)三角載波比較、滯環(huán)電流比較和無(wú)差拍等三種典型脈沖觸發(fā)控制方法進(jìn)行了對(duì)比研究，說(shuō)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(kāi)關(guān)頻率的波動(dòng)，文中對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了變環(huán)寬準(zhǔn)恒頻的滯環(huán)比較控制方法，有效改善了其對(duì)DT-STATCOM系統(tǒng)濾波環(huán)節(jié)

11、造成的不利影響。
　　DT-STATCOM系統(tǒng)是一個(gè)交直流混合的復(fù)雜離散系統(tǒng)，而且其靜止無(wú)功補(bǔ)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(dòng)態(tài)補(bǔ)償過(guò)程和控制方式均與傳統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償裝置有著顯著的不同。為了檢驗(yàn)上述DT-STATCOM設(shè)計(jì)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(shù)，實(shí)現(xiàn)DT-STATCOM控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)采樣計(jì)算和脈沖觸發(fā)控制。