电气工程及其自动化毕业论文-范本

电气工程及其自动化毕业论文-范本内容摘要：

分组的具体方法比较灵活，一般希望能组合产生的电容值级数越多越好，这样可以尽可能的实现平滑调节，但是也应综合考虑到系统复杂性以及经济性的问题。 另外，电容器的投切时刻必须是电源电压与电容器预先充电电压相等的时刻，否则将会产生冲击电流， 很可能会破坏晶闸管或给电源带来高频振荡等不利影响 所有形式的 SVC 虽然能够快速动态的调节系统无功功率，但是我们应该注意到，这些 SVC 设备之所以能产生感性无功功率，依靠的还是其中的电容器，这就使得 SVC 与静电电容器有同样不可逾越的障碍，即电压调节特性差，另外装置的补偿能力受其安装容量的限制，这些缺点，都是促使 STATCOM 产生的必要条件。 STATCOM 研究现状和发展趋势 STATCOM 研究现状 采用电力电子半导体变流器实现无功补偿的思想早在 20世纪 80年代初就已提出， 1980 年日本研制出第一台士 20Mvar STATCOM,1987 年，美国 Westinghouse 西屋公司 研制成 Mvar 晶闸管的 STATCOM 实验装置，并成功的进行了现场实验。 1991 年和 1994 年日本和美国分别研制成功了一套 80MVA 和 100MVA 的采用 GTO晶闸管的 STATCOM 装置，并且最终成功的投入了商业运行。 另外，用 STATCOM来补偿工业负荷的研究也时有报道，使用的大都是 GTO 晶闸管和 IGBT 这样的全控型器件。 在国内， 1994 年研制大容量 STATCOM 被列为电力部重点科研攻关项目。 1999 年 3 月，由清华大学和河南省电力局 合作共同研制的 20Mvar STATCOM在河南朝阳变电站并网成功，使我国成为世界上继日本、美国、德国之后第四个拥有该项技术的国家。 2020 年 2 月国家电力公司电力自动化研究院也将500KvarSTATCOM 投入了运行。 目前清华大学与上海电力公司合作，正在研制基于 IGCT50Mvar 链式 STATCOM 装置。 东南大学、哈尔滨工业大学、西安交通大学等院校与科研机构也在进行 STATCOM 的相关研究。 但国内对 STATCOM 的研究和应用还处于刚刚起步阶段，具有十分广阔的发展空间与工程应用前景。 STATCOM 发展趋势 近十多年来，世界范围内有关 STATCOM 的研究和应用有了长足的进步和发展，纵观近年来建设的这些项目和投运装置，具有如下的发展趋势 : 1 更大容量如 100Mvar200Mvar 的 STATCOM 主电路的研究。 为了加强 500kV 网络的电压调节能力，对百兆乏级 STATCOM 的需求将更大，由于开关元器件如 IGBT, IGCT 的单管容量限制，必须采用多重化连接或其他方式来增大装置容量和提高装置的耐压水平，为此需要对更大容量 STATCOM 的主电路进行深入研究。 2 STATCOM 在异常状态下的行为及新的保护 和监测系统的研究。 由于 STATCOM 的最终目的是用于改善系统的稳定性，因此要求在系统异常情况下仍安全、可靠地运行，并且提供所需的无功支持。 但是当系统电压幅值、相位发生很大的突变或系统电压存在较大的不平衡度时， STATCOM 又可能出现过电流。 目前采用的措施是当系统异常导致装置发生过电流时，立即封锁脉冲以保证装置的安全，等系统电压变化趋于缓和时再重新投入运行，因此为了加强STATCOM 对系统电压变化的跟踪能力，充分发挥它的作用，需要系统地研究STATCOM 在异常情况下的行为及其相应的保护对策。 另外为了保证 STATCOM 在系统中的可靠运行，还需加强对 STATCOM 的监测，尤其是遥控监测，以便及时掌握装置的安全状态。 3 STATCOM 布点优化规划、多个 STATCOM 协调控制与其他控制器综合控制研究。 为了充分发挥 STATCOM 在系统中的作用，需要对 STATCOM 的装设地点进行优化，以提高系统的性能投资比。 另外，由于电力系统是个统一的、元件间相互耦合的整体，当装设多个 STATCOM 时，则要求当系统发生故障时，各 STATCOM 装置以及其他装置除了要维持自身的安全和稳定，还必须尽可能多地为全系统的安全和动态性能的改 善做出贡献，至少不恶化全系统的安全和动态性能，这样就需要研究多个 STATCOM 的协调控制以及与其它控制器的综合控制。 4 STATCOM 控制方法的研究。 在理论研究方面， STATCOM 的控制方法目前己有 PI 控制、基于微分几何的非线性控制、神经网络控制和鲁棒控制等。 由于 PI 控制的参数很难整定，所以也很难满足装置的实时性。 而基于微分几何的非线性控制虽然取得了较以前更好的效果，但它需要复杂的坐标变换，对数学基础要求较高，不利于工程中的广泛应用。 基于专家系统设计具有学习功能的控制器，在多目标问题上也取得了重大的 突破，但也存在某一运行点控制效果无法超越训练器，难以进行在线训练，难以选择最恰当的期望接入点电压以及无法实现控制误差的实时反馈。 本文研究的主要内容 1 STATCOM 研究现状和发展趋势 2 无功功率的产生和危害 无功功率是为了建立交变磁场和感应磁通。 主要危害有：引起线路电压损耗增大，使设备及线路损耗增加和增加设备容量。 3 STATCOM 的工作原理和数学模型 4 STATCOM 的控制策略和无功功率的检测方法 本论文采用了瞬时无功功率理论的检测方法，控制策略采用了间接电流控制。 5 基于 PSCAD/EMTDC 的 STATCOM 仿真 通过在 EMTDC/PSCAD 环境下进行了仿真分析，得出仿真后的波形。 仿真结果表明 STATCOM 能够对负荷进行快速地无功补偿，证实本模型算法的合理性、正确性，具有一定的参考价值。 2 STATCOM 的工作原理及数学模型 STATCOM 的基本电路结构 与传统的以 TCR 为代表的 SVC 装置相比， STATCOM 的调节速度更快，运行范围宽，而且在采取多重化、多电平、 PWM 技术和链式结构等措施后可大大减少补偿电流中谐波的含量。 更重要的是， STATCOM 使用的电抗器 和电容元件远比 SVC中使用的电抗器和电容元件要小，可大大缩小装置的体积。 而且，考虑到电力电子器件成本有大幅度降低的趋势，使用小参数的电容和电抗也将降低装置的成本。 正是因为 STATCOM 具有如此优越的性能，所以它代表着动态无功补偿装置的发展方向。 STATCOM 的基本工作原理是将电压型逆变桥电路直接或者通过电抗与公用电网连接起来，然后通过调节逆变桥交流侧输出电压的相位和幅值，或通过直接控制交流侧电流，使逆变桥电路吸收或者发出需要的无功电流，达到动态无功补偿的目的。 a 采用电压型桥式电路 b 采用电流型桥式电路 图 21 STATCOM 基本电路结构 根据直流侧电气元件不同， STATCOM 可分为基于电压型逆变器和基于电流型逆变器等两种类型。 其电路基本结构如图 21 所示。 对于电压型桥式电路，其直流侧以电容作为储能元件，将直流电压逆变为交流电压，通过串联电抗并入电网，其中串联电抗起到阻尼过电流、滤除纹波的作用。 对于电流型桥式电路，其直流侧以电感作为储能元件，将直流电流逆变为交流电流送入电网，并联于交流侧的电容可以吸收换相产生的过电压。 我们知道，在平衡的三相系统中，三相瞬时功率的和是一定的，在 任何时刻都等于三相总的有功功率。 因此总的看来，在三相系统的电源和负载之间没有无功功率的往返，各相的无功能量是在三相之间来回往返的。 而 STATCOM 正是将三相的无功功率统一以来进行处理的，所以理论上说， STATCOM 的桥式变流电路的直流侧可以不设无功储能元件。 但实际上由于谐波的存在，使得总体看来，电源和 STATCOM 之间会有少许无功能量的往返。 所以，为维持 STATCOM 的正常工作，其直流侧仍需一定大小的电容或电感作为储能元件，但所需储能元件的容量远比STATCOM 所能提供的无功容量要小。 而对传统的 SVC 装置， 其所需储能元件的容量至少要等于其所提供的无功功率的容量。 因此， STATCOM 中储能元件的体积和成本比同容量的 SVC 要小的多。 在实际运行中，由于电流型桥式电路效率比较低，而且发生短路故障时危害比较大，所以迄今投入实用的 STATCOM 大都采用电压型桥式电路，因此 STATCOM往往专指采用换相的电压型桥式电路作为动态无功补偿的装置。 本文也将只针对采用自换向电压型逆变器的 STATCOM 为对象进行研究。 STATCOM 的工作原理 以采用电压型桥式电路的 STATCOM 为例，其基本工作原理简而言之就是通过适当调 节桥式电路交流侧输出电压的相位和幅值，或者直接控制其交流侧电流，从而吸收或发出满足要求的无功电流，实现动态无功补偿的目的。 STATCOM 的工作原理可以用如图 22 所示的单相等效电路来说明。 由于STATCOM 正常工作时就是通过电力半导体开关的通断将直流侧电压转换成交流侧与电网同频率的输出电压，类似于一个电压型逆变器，只不过其交流侧输出接的不是无源负载，而是电网。 单相等效电路 b 电流超前 c 电流滞后 图 22 STATCOM 等效电路及工作原理 不考虑损 耗 因此，当仅仅考虑基波频率时， STATCOM 可以等效地被看作是幅值和相位均可以控制的一个与电网同频率的交流电压源，通过交流电抗器接到电网上。 电网电压和 STATCOM 输出的交流电压分别用相量和，表示，则连接电抗 X 上的电压即为、和的相量差，而连接电抗的电流是由其电压来控制的。 这个电流就是 STATCOM从电网吸收的电流 I。 因此，改变 STATCOM 交流侧输出电压的幅值及其相对于的相位，就可以改变连接电抗上的电压，从而控制 STATCOM 从电网吸收电流的相位和幅值，也就控制了 STATCOM 吸收无功功率的性质和大小。 在图 22 的等效电路中，将连接电抗器视为纯电感，没有考虑其损耗以及变流器的损耗，因此不必从电网吸收有功能量。 在这种情况下，只需要使和同相，仅改变的幅值大小即可控制 STATCOM 从电网吸收的电流 I 是超前还是滞后，并且能控制该电流的大小。 如图 23 所示，当大于时，电流超前电压， STATCOM 吸收感性的无功功率。 考虑到连接电抗器的损耗和变流器本身的损耗 如管压降、线路电感 ，并将总的损耗集中作为连接电抗器的电阻考虑，则 STATCOM 的实际等效电路和电流分别超前、滞后工作的相量图如图 23 所示。 a 单相等效 电路 b 电流超前 c 电流滞后 图 23 STATCOM 等效电路及工作原理 考虑损耗 这种情况下，变流器电压与电流 I 仍相差。 因为变流器无需有功能量。 而电网电压与电流 I 的相差不再是，而是比小了角，因此电网提供了有功功率来补充电路中的损耗，也就是说相对于电网电压来讲，电流 I 中有一定量的有功分量。 这个角也就是变流器电压与电网电压的相位差。 改变这个相位，并且改变的幅值，则产生的电流 I 的相位和大小也就随之改变， STATCOM 从电网吸收的无功功 率也就因此得到调节。 在图 23 中，将变流器本身的损耗也归算到了交流侧，并归入连接电抗器电阻中统一考虑。 实际上，这部分损耗发生在变流器内部，应该由变流器从交流侧吸收一定的有功能量来补充。 因此，实际上变流器交流侧电压与电流 I 的相位差并不是严格的。 而是比略小一些。 如图 23 b 和 c 所示， STATCOM 分别工作在容性工况和感性工况。 图中，是和之间的相位差，以滞后为正。 为等效电抗器的阻抗角，为等效阻抗器的两端电压。 STATCOM 从系统吸收容性或感性无功功率的计算公式为， （ 21） 当滞后于时 0 , STATCOM 工作于容性工况，此时电流 I 超前于系统电压，STATCOM 从系统吸收容性无功功率，为系统提供无功支撑。 当超前于时 0 ， STATCOM 工作于感性工况，此时电流 I 滞后于系统电压 , STATCOM 从系统吸收感性无功功率。 通过控制的大小，可以动态平滑地调节 STATCOM 吸收的感性或容性无功功率的大小。 由图中还可以看出，因为变流器无需有功能量，所以不管是容性工况还是感性工况，都与 I 保持垂直。 由于电网需要提供有功功率来补充 STATCOM电路中的有功损耗以及维持直流侧电容电压的稳定，所以电网电压与电流 I 则不再保持，而是比小了角。 通过对 STATCOM 工作原理的分析，可以知道 STATCOM 的伏安特性如图 24所示。 图 24 STATCOM 的伏安特性 通过改变控制系统的参数 电网电压的参考值 可以使伏安特性上下移动。 与传统的 SVC 伏安特性不同的是，当电网电压下降，补偿器的伏安特性向下调整时，STATCOM，可以通过调整其变流器交流侧电压的幅值和相位，以使其所能提供的最大无功电流和维持不变，其值仅受电力半导体器件的电流容量的限制。 而对 于传统的 SVC，由于其所能提供的最大电流分别受其并联电抗器和并联电容器的阻抗特性限制，随着电网电压的降低反而减小。 因此， STATCOM 的运行范围比传统的 SVC 大， SVC 的运行范围是向下收缩的三角形区域，而 STAT。