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中压静止无功发生器系统研究

郑宏  
【摘要】:静止同步无功发生器(STATic synchronous COMpensator-STATCOM)隶属智能电网的智能输配电技术及定制电力技术有关电力系统动态无功功率补偿领域,是当前世界上最先进也是最复杂的无功补偿技术产品,在响应速度、稳定电网电压、降低系统损耗、增加传输能力、提高瞬变电压极限、降低谐波等多方面具有更加优越的性能。 STATCOM技术是电力电子变换的交流柔性输电(Flexible AC Transmission System)技术的一个基础技术,基于对多重化和多电平拓扑技术研究,尤其对多电平变换器在中压大功率变换的应用进行了深入的讨论。本文对串联H桥多电平变流器、多重化变流技术、二极管箝位式多电平变流器、混合多电平变流器、过电压保护及无功电流检测等进行了研究,全文包括如下研究内容: 大容量链式STATCOM是典型非线性系统,其控制理论算法复杂且抽象。本文根据链式STATCOM有功—无功电流的动态数学模型,得到非线性动态无功控制策略,利用双输入双输出线性化的控制方法,实现双输出变量解耦控制。该链式STATCOM非线性双输出解耦控制器,在系统发生短路和大功率负载突变时具有良好的动态性能。 通过对多种特定谐波消除调制策略的分析、比较,提出了一种适用于三相系统串联H桥型多电平逆变器的改进型调制方法,即载波重叠—开关优化PWM法。这种调制方法兼具载波重叠和开关优化所持有的优点,可以增大输出线电压的基波幅值,提高直流电压利用率,并且使输出线电压具有较好的谐波性,特别是在低调制下可以显著改善输出线电压畸变率。 多脉波整流器的主要特点是可以降低网侧电流的谐波,因为采用移相整流变压器供电给多个六脉波整流电路,这些六脉波整流器产生的低次谐波相互抵消。整流器脉波数越多,网侧电流的谐波畸变越小,电能质量有明显改善。通过两个18脉波移相变压器组成的等效36脉波整流器实验平台,即使在移相变压器绕组不均衡状态下,5次和7次谐波也大为改善。虽然移相变压器的移相角度存在误差和各副边绕组漏抗不均衡,但在尽可能的减小这些误差的情况下,移相变压器网侧谐波电流的消除效果也还是很好的。 二极管箝位式(Neutral Point Clamped-NPC)多电平变流器的直流输入电压由电容串联分压,使系统具有一个浮动的中性点。因为直流输入电容的电容量有限,中点电流对电容充电或放电会使中点电压产生漂移。NPC/H桥逆变器中有三个中点,这三个中点的电位需要控制,避免中点电压漂移。对于多重化整流器作为前端供电的电力电子系统,将整流器中点和逆变器中点直接相连,逆变器中点电压被整流器输出固定,就不会随着逆变器的运行发生变化。 本文对在改进型同相层叠调制方法下的影响由双18脉波整流器供电的NPC/H桥5电平逆变器输出相电压总谐波畸变率(Total Harmonic Distortion-THD)和直流侧电容电压的偏移情况的因素进行了分析,得出了NPC/H桥5电平逆变器输出相电压THD和直流侧电容电压偏移情况与负载、输出频率和直流侧电容大小之间的关系。 混合多电平变流器包括有相同拓扑功率单元但不同电压等级的混合及不同拓扑功率单元的级联型式,由于其传统控制策略易产生电流倒灌问题,提出了一种新型主从式多电平变换器拓扑及基于指令电压的新型混合控制策略,主变换器采用基于指令电压的基频调制法,用于实现基波功率输出,从变换器采用载波相移调制法,用以改善输出波形质量,指令电压幅值在任意时刻均大于主变换器输出电压的幅值,从而使主、从变换器的输出电压始终保持同方向变化。 低场强高能ZnO压敏电阻是过电压保护最好的非线性吸收元件之一。分析其组成结构,伏安特性及其等效电路,该保护元件的限压能力、在不同情况下的能量容量、承受脉冲负荷时的要求,得出低场强高能ZnO压敏电阻在在大功率中压电力电子变流器应用的接线方法及参数选取方法。 单相无功电流的跟踪算法在一个计算周期内,用锁相环电路得到与电源电压同频率滞后1/4周期的标准正弦波与负载电流乘积后,结果存入采样数据储存队列,然后比较队列中基波周期前后一段数据来快速跟踪无功电流,可以实现对无功电流的准确提取,而且对电流变化跟踪效果好,防干扰能力强。算法简单快速,只需两个乘法器。 大功率中压等级STATCOM普遍采用高纯水的循环水冷却方法,为最大限度地减小水路接口在电位差作用下发生电离而逐渐被腐蚀、继而发生漏水、破坏装置的绝缘性能现象,提出了循环水冷却系统的等电位连接方法。该方法以两端的瞬时电位差为零或近似于零的冷却支路进行连接,兼顾每条等电位冷却支路的热均衡,改善了电结构。


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