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配电网静止同步补偿器不平衡控制策略研究及系统设计

杨晓萍  
【摘要】: 配电网静止同步补偿器(Distribution Static Synchronous Compensator-DSTATCOM)因其能对系统无功功率进行双向动态补偿、抑制谐波、补偿负载不平衡等,成为现代静止无功补偿技术研究的热点之一。以往电力电子设备的设计和运行分析,通常假设运行在对称条件下,但这与实际情况不符,尤其在三相四线系统中对称的假设难于满足。因此,研究DSTATCOM及其在系统不平衡补偿中的控制策略对于提高配电网的电能质量具有十分重要的意义。本文针对配电网不平衡补偿这一课题,从理论和技术上进行了深入研究,主要研究内容及结果如下: 建立了三相四线DSTATCOM的数学模型。从abc静止坐标系出发建立了三相四线三电平NPC逆变器的开关模型和平均模型,并将abc坐标下的平均模型转化为dqO坐标下的平均模型;在对直流电容引入“等值电容”概念的基础上,将交流侧和直流侧电量进行统一处理,建立了不依赖主电路结构的三相四线DSTATCOM装置的标幺值平均数学模型,并给出了等值电路。标幺值模型的引入,为进行装置的稳定性分析和装置参数评估提供了统一方法,解决了不同电压等级不同容量的统一处理问题。 提出了基于参考电压分解的新型3-D多电平空间矢量PWM调制算法。针对算法中的开关矢量选择问题,提出将参考电压矢量分解成偏移矢量和3-D两电平矢量,采用3-D两电平空间矢量PWM算法来合成多电平参考电压矢量,将任意电平数目的3-D空间矢量PWM调制算法问题简化成3-D两电平空间矢量PWM调制算法问题。 分析了配电网不平衡对DSTATCOM运行和控制的影响,建立了电网不平衡状态下DSTATCOM的复矢量模型和零序单变量矢量模型。研究了补偿三相负载不平衡的正、负序双同步控制器和零序同步控制器,实现了对不平衡负载负序、谐波电流的补偿及三相四线系统中线电流的控制:并提出了基于正负序分量调节的不平衡电压控制策略,解决了配电网电压的不平衡问题。 分析了DSTATCOM装置自身故障及电力系统故障对装置的影响,提出了将封锁脉冲运行方式作为DSTATCOM装置处于紧急状态下的保护措施,针对NPC逆变器桥臂直通短路故障,提出了采用阳极电抗及其箝位电路限制短路电流及阻尼短路电流振荡,使短路电流在IGBT浪涌电流的承受能力内。在电力系统发生不对称故障情况下,采用对称调制方式,应对正序电流进行快速控制来抵御系统对装置的影响;采用非对称调制方式,在保证装置安全的条件下,增加对系统无功的支持能力。 最后根据本文提出的DSTATCOM的控制策略,研制了基于3-D空间矢量调制三电平NPC逆变器的100kVar DSTATCOM装置。仿真实验和样机的运行试验表明,多电平3-D空间矢量PWM调制算法设计简单,计算时间少;DSTATCOM的不对称控制策略能有效实现负载不对称、谐波的补偿,减小电网的不平衡度,装置设计达到了预期目的。


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