配电网混合式动态无功补偿技术的研究

电能作为现代社会的支柱能源和经济命脉,其应用程度是一个国家发展水平和综合国力的重要标志之一。无功功率是交流电力系统设计和运行中的一个重要因素,它与电力系统的安全稳定和经济运行息息相关。随着电力工业的发展,电力系统对无功功率的要求日益严格,动态无功补偿对现代电力系统的重要性也越来越明显。目前,在电力系统中大力发展动态无功补偿技术势在必行,具有重要的现实意义。 静止无功补偿器(Static Var Compensator,SVC)和静止同步补偿器(StaticSynchronous Compensator,STATCOM)是电力系统中两种重要的动态无功补偿装置。本文综合考虑我国电网当前的技术经济水平,提出了一种混合型静止无功发生器(Hybrid Static Var Generator,HSVG)的拓扑结构,该结构用STATCOM替代SVC中最为常用的晶闸管控制电抗器(Thyristor Controlled Reactor,TCR),使SVC和STATCOM互相取长补短,既能满足电网中不同的无功补偿需求,又能将装置的损耗、成本以及占地面积等维持在一个比较理想的水平,从而在装置的性能和运行上获得较大的优越性。 本文从动态无功补偿技术在配电系统中改善系统电压调整、提高输电线路输送容量和预防系统电压不稳定等方面的一些基本原理出发,给出了HSVG中动态无功补偿单元在系统平衡和不平衡情况下dq0坐标系中的数学描述,并对HSVG的电压-电流特性、稳定性以及谐波特性等作了理论上的分析,从而为HSVG控制策略的研究以及试验样机的设计提供一定的理论基础。 本文提出了HSVG无功输出的协调控制方法。利用晶闸管投切电容器(ThyristorSwitched Capacitor,TSC)来满足系统中的稳态无功需求,而STATCOM则用于对系统无功需求中的动态部分作出及时的反应,并在稳态情况下保留足够的可控无功热备用,以应对系统中可能的暂态扰动。当扰动导致系统进入新的稳定工作点后,投入或切除适当数量的TSC,同时,STATCOM卸下由其承担的稳态无功需求,以应对下一次可能出现的扰动。 HSVG数字控制系统的硬件基础及其开发平台对于HSVG的性能起到决定性的作用,是整个控制策略付诸实现的载体。鉴于本控制系统需要采集和处理大量的数据,并实现较为复杂的算法,本文设计了基于数字信号处理器(Digital Signal Processor,DSP)和现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)的数字硬件控制系统。其中DSP只负责数据的采集和控制计算,而将控制系统其它的任务由FPGA来实现,从而使DSP的CPU资源得到了充分的保证,整个控制系统工作于准并行处理状态。DSP+FPGA系统具有很好的灵活性和实时性,其集成度高、通用性强,适于模块化设计,易于维护和扩展,同时,其开发周期较短,成本也较低。 最后,本文设计了一台电压等级为380V、容量为15kVA的HSVG试验样机及其实验系统。对HSVG的主电路及其外围电路进行了深入的研究,详细讨论了主电路开关器件的选择及其驱动保护电路的设计,并且采用理论分析和仿真实验相结合的方法,给出了电压源型变换器(Voltage Source Converter,VSC)直流侧电容和交流侧连接电感的选择方法。最后,在HSVG的试验样机上进行了开环并网实验和闭环并网实验,并给出了典型的实验数据和波形,实验结果验证了本文工作的可行性和正确性。