D-STATCOM 的性能改進及其在配電系統(tǒng)中的應用研究
第一章 緒論
對于解決電力系統(tǒng)電壓跌落等問題的方法，其中一種方式就是選用配電網靜止同步補償器（D-STATCOM）進行無功補償，從而提高系統(tǒng)的電壓水平。D-STATCOM 采用的是并聯(lián)升壓技術，通過固態(tài)開關補償電壓驟降和驟升。D-STATCOM 應用主要用于配電網中敏感并且受系統(tǒng)電壓波動影響較大的負載。
目前，隨著電力行業(yè)的不斷發(fā)展壯大，配電網絡也變得越來越復雜，并且人們對于電能質量的關注也越來越多，這就對配電網絡的運行提出了挑戰(zhàn)。無論從經濟收益的方面還是從社會效益來看，無功功率對于配電網來說是非常重要的。無功功率對于電力設備來說是至關重要的，因為設備需要無功功率來建立磁場，在一些設備高速運行的過程中，無功功率隨時間的變化是相當快的，因此消耗的無功功率如果不能及時快速的補償，那么就對配電系統(tǒng)的安全性以及可靠性構成威脅，配電系統(tǒng)中就出現(xiàn)如電壓跌落以及變等問題，最終導致電力系統(tǒng)的崩潰以及瓦解[1-3]。因此從上述分析可以得出結論，那就是維持無功均衡是目前配電網能否穩(wěn)定、安全運行的關鍵所在，那么功率不平衡將會對電力系統(tǒng)造成許多不利影響，具體來說可以概括為：
1、當電力系統(tǒng)中的無功功率突然增加時，根據(jù)視在功率與無功功率的關系可知，視在功率將會升高，并且使得系統(tǒng)的總電流升高，進而使得電氣裝置的容量不斷升高，這會導致運營成本的提高。
2、上面分析了當無功功率增加時，會使得系統(tǒng)的總電流升高，很顯然這會增加系統(tǒng)的損耗。
3、在第一方面已經說明了無功功率的增加導致系統(tǒng)的視在功率增加，根據(jù)功率因數(shù)的表達式可知，如果無功功率增加，那么系統(tǒng)的功率因數(shù)就會降低。
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1.2.1 D-STATCOM 無功電流檢測方法的研究
D-STATCOM的內部特性主要包括無功電流的檢測（主要檢測被控對象的電流信號）以及對補償信號的控制。其中最重要的環(huán)節(jié)當然是檢測模塊，因為檢測到的信號如果不準確，那么裝置發(fā)出的補償信號就一定會出現(xiàn)誤差。在配電網中，D-STATCOM 能否準確、快速地補償無功功率、提高系統(tǒng)電能質量，這完全取決于 D-STATCOM 檢測性能。目前對于檢測環(huán)節(jié)的研究有很多，但是很多設計在實際工程中還是存在一定的誤差，因此距離廣泛應用還存在一定的距離。在檢測環(huán)節(jié)方面，目前有很多檢測方法，每一種方法都有其優(yōu)點以及缺陷[4-11]。
自適應檢測方法屬于智能控制中的一種，在 D-STATCOM 中應用較為廣泛，它主要是通過自適應能夠將系統(tǒng)的干擾抵消，從而減小檢測誤差。采用這種方法需要采集網側電流與負荷側電流信號，利用自適應能夠使網側電流信號變?yōu)榕c負荷側基波有功分量相位相同的目標值，同樣的利用上述方法與網側電流相比較能夠得到系統(tǒng)需要的補償值。
通過上述對 D-STATCOM 關鍵技術的分析，可以了解到 D-STATCOM 目前發(fā)展狀況，同時也為今后 D-STATCOM 性能的提高打下良好基礎。上面介紹的幾種方法有其優(yōu)點也有其缺點，例如采用帶通濾波器在檢測過程當中會出現(xiàn)延遲，這就會影響到補償?shù)男Ч�，自適應控制方式不僅在檢測中會出現(xiàn)延遲，而且對于實際電路的設計也會帶來一些困難。
線性 PID 控制器是目前在各種各樣領域當中應用最為廣泛的一種控制方式，在配電網靜止同步補償器中的應用更是廣泛，我國研制的第一臺靜止同步補償器采用的正是這種控制方式，到目前為止已經有系列化產品。PID 主要包括三個待調參數(shù)，它的最大特點就是可以根據(jù)控制對象的不同自由組合控制器，從而能夠適應不同的控制場合。但是在一些非線性、時變、耦合以及參數(shù)和結構不確定的場合時，其控制效果就不是特別理想，在這種情況下這種控制器就不再適應。
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第二章 D-STATCOM 的基本原理
在輸電線路或者用戶側必須加入補償裝置，用來補償配電系統(tǒng)的設備以及在傳輸線路中損耗的無功功率，從而提高配電系統(tǒng)電壓水平，改善系統(tǒng)供電可靠性。D-STATCOM通過連接電抗器與配電網相連，利用脈寬調制技術（pulse width modulation,PWM）調節(jié)輸出電壓與電網電壓之間的夾角，從而控制 D-STATCOM 吸收或者發(fā)出無功功率。
本章分別介紹了 D-STATCOM 的原理以及數(shù)學模型的建立方法；并且針對D-STATCOM 的不同的主電路拓撲結構進行對比與分析。
2.2.1 D-STATCOM 的無功補償原理
根據(jù)實際的工程經驗得出結論：在實際運行中，電壓型 D-STATCOM 運行效率要明顯高于電流型 D-STATCOM，并且它安全可靠性較高，并不需要額外添加保護電路等裝置，因此基于以上的優(yōu)勢，目前投入實際生產中的動態(tài)無功補償設備為電壓型D-STATCOM，本文在分析與研究中同樣采用電壓型 D-STATCOM。D-STATCOM 一般將逆變電路通過連接電抗器并聯(lián)在配電系統(tǒng)中，當配電系統(tǒng)中的電壓水平較低或者較高時，通過脈寬調制 PWM 發(fā)出脈沖，調節(jié) D-STATCOM 交流側的輸出與網側電壓之間相角以及幅值，這樣就可以控制 D-STATCOM 吸收以及發(fā)出輸電線或者用戶側所需要的功率，調節(jié)母線的電壓水平。由于對于一個系統(tǒng)來說，總的瞬時功率在每個時刻都等于每一相的功率的和，那么 D-STATCOM 在補償系統(tǒng)所需的無功功率時就是將三相系統(tǒng)看作為一個整體來進行無功功率的補償。D-STATCOM 在正常運行時，無功電流通過連接電抗器與電網側進行信息交互，并且 D-STATCOM 本身也會進行交流側與直流側的信息交互[19-23]。
D-STATCOM 在正常工作時，直流側電容內儲存的電壓經過逆變器結構逆變?yōu)榻涣麟�，輸出與電網側頻率相等的電壓，并且通過連接電抗器與節(jié)流側電網相連接，那么在這種情況下，D-STATCOM 可以看做為一個電壓型逆變器，并且在僅考慮基波頻率的情況下，D-STATCOM 可以看做一個交流電壓源與電網側相連，則為了分析方便，本節(jié)利用 D-STATCOM 的單相等效電路來說明其補償無功功率的基本原理，D-STATCOM 的單相等效電路如圖 2-1 所示：
D-STATCOM 的種類根據(jù) D-STATCOM 直流側儲能元件的不同分為電壓型D-STATCOM 與電流型 D-STATCOM；除此之外，兩種類型的補償裝置的逆變器組也不同，根據(jù)電力電子器件的不同分別采用電壓型逆變器組和電流型逆變器組；最后，兩種類型的補償裝置交流側分別連接電感與并聯(lián)電容，并聯(lián)電容主要是為了吸收系統(tǒng)由于換向而產生的過電壓，保持系統(tǒng)運行的穩(wěn)定。在工程應用當中，由于電流型 D-STATCOM的逆變器組轉化效率較低，并且當系統(tǒng)發(fā)生故障時，電流型 D-STATCOOM 會影響系統(tǒng)的正常運行[32]。因此在工程當中，普遍使用逆變器組轉化效率較高的電壓型D-STATCOM 作為無功功率補償裝置。
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3.1 引言....................................................16
3.2 基于瞬時無功功率理論的傳統(tǒng)檢測方法.......................16
四章 基于線性自抗擾（LADRC）的 D-STATCOM 解耦控制..............32
4.1 引言.......................................................32
4.2 自抗擾控制技術概述........................................32
第五章 結論與展望.............................................. 47
第四章 基于線性自抗擾（LADRC）的 D-STATCOM 解耦控制
靜止同步補償裝置作為動態(tài)無功功率補償設備能夠提高系統(tǒng)功率因數(shù)、降低線路損耗，是目前電能質量調節(jié)領域當中主要組成部分，也是柔性交流輸電系統(tǒng)（FlexibleAlternative Current Transmission Systems，，F(xiàn)ACTS）中的重要裝置。在配電網中，D-STATCOM 能否準確、快速地補償無功功率、提高系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性，這取決于D-STATCOM 中無功電流檢測環(huán)節(jié)是否能夠實時地檢測出配電網中需要補償?shù)臒o功電流，而無功電流檢測環(huán)節(jié)又是依靠其補償電流的跟蹤控制。因此，補償電流的跟蹤控制是 STATCOM 的關鍵技術，對于 STATCOM 直流側電壓控制與交流側電流的控制策略成為目前的研究熱點。
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由于 PID 控制存在的一些問題導致不能準確提取誤差，因此它的應用范圍比較局限：
（1）上面說到了在 PID 控制中誤差提取不合理，因為 PID 控制技術在初始階段容易出現(xiàn)超調現(xiàn)象，然而控制器又需要保證其控制對象快速性，因此導致被控對象的不能同時滿足快速性與超調；
（2）通過很多控制工程實踐表明，經典 PID 控制中的誤差積分反饋的應用，對抑制常值擾動的作用是顯著的，然而常常使閉環(huán)系統(tǒng)的反應遲鈍、容易產生振蕩和控制量飽和等的負作用[52]。
為了解決上述提到的“矛盾”問題，一般利用預先安排過度過程的方式改善輸入信號的突變，從而使系統(tǒng)中不再出現(xiàn)超調現(xiàn)象[53-56]。而 TD 可以方便的實現(xiàn)這個功能，同時可以提取系統(tǒng)響應的微分信號，改善系統(tǒng)參數(shù)整定的范圍。通過在系統(tǒng)中加入 TD 環(huán)節(jié)、合理的安排過度過程，能夠準確的提取到系統(tǒng)的誤差信號，從而減小了系統(tǒng)的超調問題，可以實現(xiàn)系統(tǒng)快速無超調響應，其 TD 結構示意圖表示為（4-2）：
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第五章 結論與展望
（1）介紹了 D-STATCOM 的無功補償原理及其兩種主要結構（電壓型補償裝置與電流型補償裝置），分析了兩種補償裝置在理論研究與實際應用中的優(yōu)劣，通過對兩種類型補償裝置進行分析，最終確定了本文的重點研究對象其次，本文對大容量D-STATCOM 的主電路拓撲結構進行分析，詳細闡述了多重化逆變器結構與多電平逆變器結構，闡述了這兩結構的功能以及運行狀況，通過比較與研究得到其結構優(yōu)缺點。
（2）從配電網靜止同步補償裝置的檢測環(huán)節(jié)進行深入分析與性能的提高，列出了幾種傳統(tǒng)方法，并且主要對傳統(tǒng) ip-iq 的缺陷進行數(shù)學推導，找出問題所在，并在此基礎上提出了改進型 ip-iq 檢測算法。文章設置了電壓波動動態(tài)仿真實驗，實驗結果證明了本文提出的改進方法在三相不平衡狀態(tài)下具有良好的穩(wěn)定性和動態(tài)跟蹤性能。
D-STATCOM 是一個相當復雜的裝置，本文主要從其中的無功電流檢測環(huán)節(jié)以及控制環(huán)節(jié)進行分析，在該領域還有許多研究方向值得深入研究
（1）在上文中已經提到了 LADRC 控制器在系統(tǒng)中具有良好的魯棒性以及抗擾特性，但是 LADRC 中的線性擴張狀態(tài)觀測器是不是能夠預測出任何一種擾動也是未來需要進行研究的，希望在未來利用我們實驗的設備進行實際操作，驗證其解耦特性；
（2）本文的研究主要集中在建模、D-STATCOM 檢測環(huán)節(jié)與控制器的分析等方面。但是研究表明，當系統(tǒng)中不僅有 D-STATCOM，同時還有其他 FACTS 裝置時（例如有源電力濾波器 APF），它們之間可能存在交互影響，從而破壞電力系統(tǒng)的穩(wěn)定。因此，控制器與其他 FACTS 控制器間的交互影響分析及其協(xié)調控制均有待研究。
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參考文獻（略）
本文編號：106499
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