大功率链式STATCOM电磁暂态快速等效建模和误差评估

针对含有大量模块的大功率链式静止同步补偿器(STATCOM)存在的电磁暂态仿真速度缓慢的问题,提出一种链式STATCOM级联H桥拓扑的等效建模方法,以提高仿真效率。主要开展了以下的研究:对比分析了经典电磁暂态建模和快速等效建模的原理;推导出级联H桥换流链电压、电流之间的数学模型;结合换流链数学模型及其控制方法,设计出基于MATLAB/Simulink的仿真流程;分析主要电气量如功率模块直流电压、换流链电流和功率等的理论误差。比较精确模型和等效模型的仿真精度和仿真速度,结果表明所提的等效模型与精确模型的仿真误差小于1.2%,仿真时间缩短了80%。可见所提的大功率链式STATCOM电磁暂态快速等效建模和误差评估方法,可以在精度允许范围内大幅降低仿真时间并精确评估模型,具有较强的科学和工程应用价值。

基于直流供电的大功率高压链式STATCOM的换流链等效试验

±100 Mvar以上的大功率高压链式STATCOM必须进行换流链全功率试验,但是受制于大容量设备的要求,此类试验非常困难。传统的全功率试验是采用2套高压链式STATCOM装置对拖,成本很高,对场地和接入电网的要求严苛。通过全直流供电的方式,采用充电电源和补能电源构建了一种新型的试验平台,可以有效降低对接入电网的要求。在第1条换流链上采用恒电压控制,第2条换流链上采用恒电流控制。首先推导出传递函数,并根据Bode图设计了控制器及其参数。通过Simulink仿真及现场试验,验证了该方案的有效性,为解决高压大容量链式STATCOM的全功率试验提供了一种新的方法。

基于平均模型的高压链式STATCOM功率模块直流电压失控机理

高压链式STATCOM在重载时功率模块的直流电容电压容易控制,在空载时却可能发生失控。空载失控机理分析是解决该问题的关键。针对该机理问题,主要开展了如下研究:分别将串联阻抗、并联阻抗和控制电源能耗化简并绘制出等效电路图。基于平均模型将直流电容电压分解为直流分量和交流分量,交流电流分解为基波和谐波分量。并利用调制度等效开关函数,得到单个功率模块直流电容电压的数学方程。根据稳定性分析的小信号法,分别计算功率模块直流电容电压稳态分量和扰动分量。针对未采取均压控制和采取均压控制两种情况,推导并计算任意两个功率模块在重载和空载下的直流电压平衡方程,证明了换流链的直流电压平衡与调制度、开关频率等因素有关。提出一种改进均压控制策略,在空载时增加开关频率来改善均压性能。最后,经过35 kV装置的仿真和试验,结果表明:在空载时所提均压控制策略能够实现功率模块直流电容电压均衡,从而提高了装置的可靠性。

链式STATCOM定频直接功率控制策略

针对传统链式静止同步补偿器(static synchronous compensator,STATCOM)输出功率波动较大的问题,在理论分析和系统建模的基础上,采用参考电压分解和目标函数优化相结合的方法,以电压的平方作为给定和反馈量以降低电压波动对系统功率的影响,应用PI控制器和解耦控制实现瞬时功率的快速稳定控制。结果表明:该方法可实现链节直流电容电压的自平衡,且保留了传统空间矢量调制(space vector modulation,SVM)策略直流电压利用率高的优点,克服了传统SVM查表法随电平数增加复杂度成几何级数增长的缺陷,在满足入网电流总谐波失真(total harmonic distortion,THD)要求的同时可以将瞬时功率波动控制在额定功率的1%以内。

链式STATCOM的数学模型

数学模型的研究对于装置性能的研究、主电路参数设计和控制系统设计具有重要意义。该文通过傅立叶分解的方法,建立了链式STATCOM的数学模型。该模型正确反映了暂态过程中,基波电流有功分量、基波电流无功分量和电容电压平均值的变化规律。基于PSCAD的仿真验证了模型的正确性。该文还基于该模型讨论了链式STATCOM开环响应时间常数与主电路参数之间的关系。

基于反故障控制的链式STATCOM动态控制策略的研究

静止同步补偿器在系统不对称和系统电压突降等异常工况下,需要快速有效地保证装置自身的安全,同时要能够安全、有效地发挥应有的作用。国家电网公司攻关项目——上海西郊变±50MV?A STATCOM将采用链式逆变器。针对系统异常工况,该文为链式STATCOM设计了反故障动态控制策略,包括系统电压突变控制以及不对称控制,其中不对称控制策略包括了不对称矢量控制和分相控制二种方法。仿真结果表明,系统电压突变控制能够使链式STATCOM抵御50%系统电压突然下降,而所设计的不对称控制解决了链式STATCOM在不对称工况下的安全运行问题。在链式STATCOM物理样机上的实验结果表明所设计的反故障动态控制策略能够在保证装置自身安全的同时使STATCOM发挥应有作用。

基于d-q坐标系的单相链式STATCOM直流电压平衡控制策略

直流侧电压平衡是单相链式STATCOM能够安全、可靠运行的前提,而各H桥之间有功功率损耗的差异是造成直流侧电压不平衡的根本原因。建立了单相链式STATCOM在d-q旋转坐标系下的数学模型,基于瞬时功率理论分析了引起直流电压不平衡的原因,并设计了由前馈解耦电流内环、电压均值外环和电压平衡外环组成的三环控制策略。与在a-b-c静止坐标系下的控制策略相比,该方法不仅实现了网侧电流的无静差控制,同时更便于直流侧电压平衡环节的实现。仿真与实验均验证了该方法的有效性。

一种改进的电网电压不平衡环境下链式STATCOM控制策略

电网电压不平衡现象在煤矿配电网中尤其严重,达不到国标要求。针对这种现象,提出一种改进的电网电压不平衡情况下链式STATCOM控制策略,一方面从全局、相间、相内三个层次,尤其是电网电压不平衡条件下控制直流侧电容电压平衡,另一方面通过正、负双序电流控制环对不平衡系统的无功和负序电流进行完全补偿。仿真分析与工业样机试验表明,所提出的链式STATCOM控制策略,不仅有效解决了不平衡环境下直流侧电容电压的平衡控制难题,并且提高了装置的抗不平衡能力。

阶梯波调制法链式STATCOM直流电容电压平衡控制

为提高采用阶梯波调制法的链式静止同步补偿器(STATCOM)输出电压和输出电流的波形质量,提出一种直流侧电容电压平衡控制策略。分析导通方式、工作模式和电容电压变化量的关系,总结出链节的四种工作区间(A、B、C、D)及各个区间导通角与电压变化量的数值关系。根据单个采样点电容电压的排序结果在各个区间选择导通方式,使电压越高的链节在A和D区间电压上升程度越小,在B和C区间电压下降程度越大,从而将电容电压向平均值调整,在调整过程中不改变各个链节的导通角、调制比等参数。为避免锁相环误差引起的工作模式判断不准确问题,根据两个相邻采样点电容电压大小和变化量判断装置的工作模式(容性、感性)。三相11电平链式STATCOM的实验结果验证了控制策略的可行性和有效性。

基于链式逆变器的大容量STATCOM的直流电压平衡控制(英文)

结合50 MVA STATCOM的研制,建立了基于链式逆变器的STATCOM直流电容电压稳态数学模型,揭示了电容电压不平衡现象产生的机理,分析了控制直流电压平衡的手段,提出了一种基于直流母线能量交换的直流电压平衡控制方法。分析了基于交流电源母线能量交换的直流电容电压平衡控制方法的原理,提出了最大(或最小)电容电压跟踪的平衡控制方法,并在50 MVA STATCOM的PSCAD模型和±18 kvar STATCOM的实验模型上进行了仿真研究。仿真和实验结果验证了稳态模型以及所提出的控制方法的正确性和可行性。

具有储能功能的链式STATCOM研究

针对具有储能功能的无功补偿器BS-STATCOM(STATCOM with battery energy storge system),讨论了其拓扑演化过程与系统集成特点,研究了其有功无功耦合问题,并分析了采用类STATCOM控制策略存在的问题。提出一种基于bangbang原理的新型控制策略,并对比分析,结果表明所提出的基于bangbang原理的新型控制策略能够有效地改善功率控制性能,扩大有功输出的范围。基于MATALB/Simulink构建了2 Mvar的BS-STATCOM仿真分析平台,分别对两种控制策略进行了仿真分析,验证了理论分析的正确性。

不平衡工况下链式STATCOM的运行极限分析

在并网电压不平衡或补偿无功电流不平衡的工况下,需采用控制策略以保证链式静止同步补偿器(STATCOM)各个链节单元的直流电压基本恒定。常用的方法是将三角形接线的STATCOM叠加零序电流或星形接线的STATCOM叠加零序电压。基于零序分量叠加的方法,分析了在不平衡工况下保证链式STATCOM正常运行的条件。综合考虑并网电压不平衡与补偿无功电流不平衡的情况,分析了并网电压不平衡度、补偿无功电流不平衡度与装置额定电流、额定电压之间的关系。据此定量给出了三角形接线与星形接线的STATCOM装置不平衡运行的极限。通过比较发现,三角形接线的STATCOM更适用于补偿无功电流不平衡度较高的场合,而星形接线的STATCOM更适用于并网电压不平衡度较高的场合。最后在MATLAB/Simulink环境中搭建了仿真系统,仿真结果验证了上述分析的正确性和有效性。

基于不对称分析的高压链式STATCOM的低压穿越控制策略

作为新能源电站的主要无功补偿和电压支撑设备,高压链式静止同步补偿器(STATCOM)也需具备低电压穿越的能力,特别是三相电网电压不对称故障的低压穿越能力。为解决此难题,采用对称分量法分别分析了电网侧和换流链侧,并推导出数学公式,结合该公式提出了一种基于负序电流注入的高压链式STATCOM的低电压穿越控制策略。该策略包含了控制算法和控制逻辑,能够满足三相电网对称以及不对称下的跌落工况。通过仿真和试验,验证了该方法的有效性,并将其应用于工程实践中。

基于LCL滤波器的中高压链式STATCOM参数设计

目前LCL滤波器的研究主要集中于整流器、有源滤波器APF和新能源并网发电方面,在中高压链式STATCOM方面研究较少。建立基于LCL滤波器的中高压链式STATCOM的数学模型,其次研究中高压链式STATCOM的各级直流侧电容和纹波之间的变化关系,设计出容量2.8 MVar电压6 kV链式STATCOM主电路的参数值,基于LCL滤波器各参数变化与电流纹波抑制和装置效率之间的限制条件,在此基础上提出在满足电流纹波抑制效果、电压损耗和装置效率3个要求的前提下,设计出滤波效果最优的LCL滤波器的参数值。最后通过计算机仿真与实验装置验证LCL滤波器参数设计方案的正确性。

大容量链式STATCOM的三角载波移相-开关频率最优PWM法控制策略的研究

提出了适用于大容量链式静止无功发生器(STATCOM)的一种新的脉冲控制策略,即三角载波移相-开关频率最优PWM法(PS-SFO-PWM)。这种新的PWM方法兼具三角载波移相PWM法(PSPWM)法和开关频率优化PWM法(SFOPWM)的优点,在不提高开关频率的情况下,实现等效高频载波的效果,并提高了直流电压的利用率。研究了链式多电平逆变器的PS-SFO-PWM技术,给出了PS-SFO-PWM控制方法的基本算法,并以2个H桥串联的5电平链式多电平变换器为例,通过Matlab仿真,验证了方法的正确性。

链式STATCOM直流侧电容电压控制策略研究

链式结构的STATCOM以其损耗小、效率高、输出电压谐波含量少、易于模块化等优点,被广泛应用于各类STATCOM样机及工程中。然而这种结构的STATCOM存在直流侧电容电压不平衡的问题,严重时可能导致STATCOM装置无法正常工作。针对这一突出问题展开研究,分析了各种可能影响到直流侧电容电压不平衡的因素,认为并联损耗、混合损耗和脉冲延时是主要的影响因素。从能量平衡角度归纳了4种常见控制策略,从控制变量角度归纳了3种常见控制策略,最后介绍了1种便于软件实现的新型直流侧电容电压不平衡控制策略,并给出了相关推荐意见。这些可为STATCOM工程设计者提供参考。

基于链式STATCOM的三相不平衡负载的平衡化补偿

链式STATCOM由于具有分相控制能力、输出无功电流谐波含量低、响应速度快等优点而适合于不平衡负荷的平衡化补偿。给出了采用链式STATCOM实现平衡化补偿的主电路结构及电压-无功综合控制方法。三相补偿电流相量采用对称分量法通过矢量变换获得,单相无功功率采用单相瞬时无功功率算法得到,链式逆变器采用特定谐波消除PWM算法(SHE-PWM)以保证输出无功电流的谐波总畸变率小于5%,同时保证直流侧电容电压的稳定。对所给出的补偿方法进行了仿真研究,结果验证了链式STATCOM进行快速平衡化补偿的能力。

角接链式STATCOM的环流控制方法

以电弧炉负荷的综合补偿为背景,研究角接链式静止同步补偿器(static synchronous compensator,STATCOM)的环流控制方法。针对不对称电网电压下STATCOM补偿效果不理想的问题,从理论上分析电网电压负序分量与补偿偏差之间的关系。在此基础上提出一种基于网侧电流闭环的STATCOM环流控制方法,能够有效抵御不对称电网电压,消除负序电压造成的补偿偏差,同时保持较快的响应速度。RTDS混合仿真和现场运行试验,验证所提出的控制方法的有效性。

35kV直挂式角接链式STATCOM控制策略

在大型电弧炉的补偿应用中,为了应对电网电压不对称的应用条件,提出一种35 k V直挂式角接链式STATCOM网侧电流闭环综合补偿控制策略。该策略将经典电纳平衡补偿和网侧电流闭环控制相结合,使得链式STATCOM装置可以在电网电压不对称条件下对电弧炉负载进行无功、谐波和负序的综合补偿。经35 k V/±40 MVA STATCOM装置实际运行,结果表明:STATCOM装置能够在保持快速的动态响应的同时,实现良好的稳态补偿效果,并能抵御电网电压不平衡造成的影响。

十一电平链式STATCOM直流电容电压平衡控制研究

直流侧电容电压的不平衡及其控制是链式STATCOM要解决的关键问题。笔者给出了链式STATCOM直流电容稳态数学模型,分析了逆变桥参数对电容电压不平衡的影响,指出开关脉冲延时不同、混合型损耗差异以及并联型损耗差异是造成电容电压不平衡的主要原因。结合十一电平STATCOM,提出采用基频开关法投和基频脉冲循环换位法可以有效的保持链式STATCOM直流电容电压的平衡稳定,STATCOM的PSCAD模型及其仿真验证了该方法的可行性和有效性。