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九十年代以来电力电子器件开始新的飞跃,从而电力电子技术在电力系统中的应用一柔性交流输电系统(Flexible AC Transmission System-FACTS)技术得以大规模发展,其中静止无功补偿器(Static Synchronous Compensator-STATCOM)是一类新型电力系统动态无功补偿装置。
已有的STATCOM大多采用可关断晶闸管(Gate Turned Off Thyristor-GTO)作为功率转换元件,绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor-IGBT)新型功率转换元件发展至今已经更适合于中等容量等级STATCOM的功能实现,本文专题研究基于IGBT的配电网用STATCOM装置。
本文在完成上海市教委重点学科项目“高级静止无功发生器的研究”的基础上(2005年教育部科技进步二等奖),对STATCOM装置进行了系统而又全面的分析和研究。主要成果归纳如下:
本文在针对基于电压源逆变器(Voltage Source Inverter-VSI)拓扑结构VSI-STATCOM进行系统理论分析和研究的基础上,提出基于单相曲折变压器四重化结构的IGBT型VSI-STATCOM拓扑结构,通过全面的数学建模、数字仿真和动态模拟实验,验证了该新型拓扑结构的可行性；针对多重化或链式结构VSI-STATCOM装置控制的复杂性,提出了一种新型PWM脉冲专用控制器,其控制精度达到了0.006°；通过引入“基于1/6工频周期和非线性目标参数跟踪+逆系统PI控制相结合的控制策略”,使得装置无功功率动态响应时间达到理论分析水平,约为30ms。
本文在对380V±10kVar基于单相曲折变压器四重化结构的IGBT型VSI-STATCOM进行性能优化的仿真和实验的基础上,总结了若干全面提高VSI-STATCOM运行性能的关键性技术,主要包括:拓扑结构的优化、动态性能的提高、输出谐波的消除和不对称运行能力等。
分析了典型的电流型双向换流器(Current Source Inverter-CSI)的工作原理,并对CSI-STATCOM进行数学建模和数字仿真,并就其拓扑结构、动态性能和输出谐波进行详细的理论分析。针对CSI-STATCOM数学模型的控制复杂性,提出一种基于线性化模型的改进控制策略,并通过新型控制器状态方程的构造,有效降低了CSI-STATCOM装置的控制复杂性；根据CSI-STATCOM装置的运行性能,首次提出了“基于PAM+PWM调制方案的非线性目标参数跟踪+逆系统PI控制相结合的控制策略”,有效提高了CSI-STATCOM装置运行稳定性、动态特性并极大地降低了装置的功率损耗。本文在针对CSI-STATCOM运行特性全面分析的基础上,总结了提高CSI-STATCOM装置性能的若干关键技术,为大容量CSI-STATCOM装置的设计和运行提供了必要的理论依据。
根据VSI-STATCOM和CSI-STATCOM运行性能的综合对比,本文归纳了两种拓扑结构优、缺点和各自的应用场合。将两种拓扑结构的性能综合,提出双逆变器结构(CSI+VSI)的静止式动态无功功率补偿器--Tandem STATCOM。完成对Tandem STATCOM装置的理论分析,并针对CSI+VSI结构的基于三相双向逆变全桥拓扑结构和基于单相逆变H拓扑结构的Tandem STATCOM,分别进行数学建模和数字仿真,并对其拓扑结构和控制策略进行深入研究,为MVar级别的Tandem STATCOM的设计提供理论支持。