D-STATCOM 的性能改进及其在配电系统中的应用研究
第一章 绪论
对于解决电力系统电压跌落等问题的方法，其中一种方式就是选用配电网静止同步补偿器（D-STATCOM）进行无功补偿，从而提高系统的电压水平。D-STATCOM 采用的是并联升压技术，通过固态开关补偿电压骤降和骤升。D-STATCOM 应用主要用于配电网中敏感并且受系统电压波动影响较大的负载。
目前，随着电力行业的不断发展壮大，配电网络也变得越来越复杂，并且人们对于电能质量的关注也越来越多，这就对配电网络的运行提出了挑战。无论从经济收益的方面还是从社会效益来看，无功功率对于配电网来说是非常重要的。无功功率对于电力设备来说是至关重要的，因为设备需要无功功率来建立磁场，在一些设备高速运行的过程中，无功功率随时间的变化是相当快的，因此消耗的无功功率如果不能及时快速的补偿，那么就对配电系统的安全性以及可靠性构成威胁，配电系统中就出现如电压跌落以及变等问题，最终导致电力系统的崩溃以及瓦解[1-3]。因此从上述分析可以得出结论，那就是维持无功均衡是目前配电网能否稳定、安全运行的关键所在，那么功率不平衡将会对电力系统造成许多不利影响，具体来说可以概括为：
1、当电力系统中的无功功率突然增加时，根据视在功率与无功功率的关系可知，视在功率将会升高，并且使得系统的总电流升高，进而使得电气装置的容量不断升高，这会导致运营成本的提高。
2、上面分析了当无功功率增加时，会使得系统的总电流升高，很显然这会增加系统的损耗。
3、在第一方面已经说明了无功功率的增加导致系统的视在功率增加，根据功率因数的表达式可知，如果无功功率增加，那么系统的功率因数就会降低。
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1.2.1 D-STATCOM 无功电流检测方法的研究
D-STATCOM的内部特性主要包括无功电流的检测（主要检测被控对象的电流信号）以及对补偿信号的控制。其中最重要的环节当然是检测模块，因为检测到的信号如果不准确，那么装置发出的补偿信号就一定会出现误差。在配电网中，D-STATCOM 能否准确、快速地补偿无功功率、提高系统电能质量，这完全取决于 D-STATCOM 检测性能。目前对于检测环节的研究有很多，但是很多设计在实际工程中还是存在一定的误差，因此距离广泛应用还存在一定的距离。在检测环节方面，目前有很多检测方法，每一种方法都有其优点以及缺陷[4-11]。
自适应检测方法属于智能控制中的一种，在 D-STATCOM 中应用较为广泛，它主要是通过自适应能够将系统的干扰抵消，从而减小检测误差。采用这种方法需要采集网侧电流与负荷侧电流信号，利用自适应能够使网侧电流信号变为与负荷侧基波有功分量相位相同的目标值，同样的利用上述方法与网侧电流相比较能够得到系统需要的补偿值。
通过上述对 D-STATCOM 关键技术的分析，可以了解到 D-STATCOM 目前发展状况，同时也为今后 D-STATCOM 性能的提高打下良好基础。上面介绍的几种方法有其优点也有其缺点，例如采用带通滤波器在检测过程当中会出现延迟，这就会影响到补偿的效果，自适应控制方式不仅在检测中会出现延迟，而且对于实际电路的设计也会带来一些困难。
线性 PID 控制器是目前在各种各样领域当中应用最为广泛的一种控制方式，在配电网静止同步补偿器中的应用更是广泛，我国研制的第一台静止同步补偿器采用的正是这种控制方式，到目前为止已经有系列化产品。PID 主要包括三个待调参数，它的最大特点就是可以根据控制对象的不同自由组合控制器，从而能够适应不同的控制场合。但是在一些非线性、时变、耦合以及参数和结构不确定的场合时，其控制效果就不是特别理想，在这种情况下这种控制器就不再适应。
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第二章 D-STATCOM 的基本原理
在输电线路或者用户侧必须加入补偿装置，用来补偿配电系统的设备以及在传输线路中损耗的无功功率，从而提高配电系统电压水平，改善系统供电可靠性。D-STATCOM通过连接电抗器与配电网相连，利用脉宽调制技术（pulse width modulation,PWM）调节输出电压与电网电压之间的夹角，从而控制 D-STATCOM 吸收或者发出无功功率。
本章分别介绍了 D-STATCOM 的原理以及数学模型的建立方法；并且针对D-STATCOM 的不同的主电路拓扑结构进行对比与分析。
2.2.1 D-STATCOM 的无功补偿原理
根据实际的工程经验得出结论：在实际运行中，电压型 D-STATCOM 运行效率要明显高于电流型 D-STATCOM，并且它安全可靠性较高，并不需要额外添加保护电路等装置，因此基于以上的优势，目前投入实际生产中的动态无功补偿设备为电压型D-STATCOM，本文在分析与研究中同样采用电压型 D-STATCOM。D-STATCOM 一般将逆变电路通过连接电抗器并联在配电系统中，当配电系统中的电压水平较低或者较高时，通过脉宽调制 PWM 发出脉冲，调节 D-STATCOM 交流侧的输出与网侧电压之间相角以及幅值，这样就可以控制 D-STATCOM 吸收以及发出输电线或者用户侧所需要的功率，调节母线的电压水平。由于对于一个系统来说，总的瞬时功率在每个时刻都等于每一相的功率的和，那么 D-STATCOM 在补偿系统所需的无功功率时就是将三相系统看作为一个整体来进行无功功率的补偿。D-STATCOM 在正常运行时，无功电流通过连接电抗器与电网侧进行信息交互，并且 D-STATCOM 本身也会进行交流侧与直流侧的信息交互[19-23]。
D-STATCOM 在正常工作时，直流侧电容内储存的电压经过逆变器结构逆变为交流电，输出与电网侧频率相等的电压，并且通过连接电抗器与节流侧电网相连接，那么在这种情况下，D-STATCOM 可以看做为一个电压型逆变器，并且在仅考虑基波频率的情况下，D-STATCOM 可以看做一个交流电压源与电网侧相连，则为了分析方便，本节利用 D-STATCOM 的单相等效电路来说明其补偿无功功率的基本原理，D-STATCOM 的单相等效电路如图 2-1 所示：
D-STATCOM 的种类根据 D-STATCOM 直流侧储能元件的不同分为电压型D-STATCOM 与电流型 D-STATCOM；除此之外，两种类型的补偿装置的逆变器组也不同，根据电力电子器件的不同分别采用电压型逆变器组和电流型逆变器组；最后，两种类型的补偿装置交流侧分别连接电感与并联电容，并联电容主要是为了吸收系统由于换向而产生的过电压，保持系统运行的稳定。在工程应用当中，由于电流型 D-STATCOM的逆变器组转化效率较低，并且当系统发生故障时，电流型 D-STATCOOM 会影响系统的正常运行[32]。因此在工程当中，普遍使用逆变器组转化效率较高的电压型D-STATCOM 作为无功功率补偿装置。
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3.1 引言....................................................16
3.2 基于瞬时无功功率理论的传统检测方法.......................16
四章 基于线性自抗扰（LADRC）的 D-STATCOM 解耦控制..............32
4.1 引言.......................................................32
4.2 自抗扰控制技术概述........................................32
第五章 结论与展望.............................................. 47
第四章 基于线性自抗扰（LADRC）的 D-STATCOM 解耦控制
静止同步补偿装置作为动态无功功率补偿设备能够提高系统功率因数、降低线路损耗，是目前电能质量调节领域当中主要组成部分，也是柔性交流输电系统（FlexibleAlternative Current Transmission Systems，，FACTS）中的重要装置。在配电网中，D-STATCOM 能否准确、快速地补偿无功功率、提高系统电压稳定性，这取决于D-STATCOM 中无功电流检测环节是否能够实时地检测出配电网中需要补偿的无功电流，而无功电流检测环节又是依靠其补偿电流的跟踪控制。因此，补偿电流的跟踪控制是 STATCOM 的关键技术，对于 STATCOM 直流侧电压控制与交流侧电流的控制策略成为目前的研究热点。
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由于 PID 控制存在的一些问题导致不能准确提取误差，因此它的应用范围比较局限：
（1）上面说到了在 PID 控制中误差提取不合理，因为 PID 控制技术在初始阶段容易出现超调现象，然而控制器又需要保证其控制对象快速性，因此导致被控对象的不能同时满足快速性与超调；
（2）通过很多控制工程实践表明，经典 PID 控制中的误差积分反馈的应用，对抑制常值扰动的作用是显著的，然而常常使闭环系统的反应迟钝、容易产生振荡和控制量饱和等的负作用[52]。
为了解决上述提到的“矛盾”问题，一般利用预先安排过度过程的方式改善输入信号的突变，从而使系统中不再出现超调现象[53-56]。而 TD 可以方便的实现这个功能，同时可以提取系统响应的微分信号，改善系统参数整定的范围。通过在系统中加入 TD 环节、合理的安排过度过程，能够准确的提取到系统的误差信号，从而减小了系统的超调问题，可以实现系统快速无超调响应，其 TD 结构示意图表示为（4-2）：
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第五章 结论与展望
（1）介绍了 D-STATCOM 的无功补偿原理及其两种主要结构（电压型补偿装置与电流型补偿装置），分析了两种补偿装置在理论研究与实际应用中的优劣，通过对两种类型补偿装置进行分析，最终确定了本文的重点研究对象其次，本文对大容量D-STATCOM 的主电路拓扑结构进行分析，详细阐述了多重化逆变器结构与多电平逆变器结构，阐述了这两结构的功能以及运行状况，通过比较与研究得到其结构优缺点。
（2）从配电网静止同步补偿装置的检测环节进行深入分析与性能的提高，列出了几种传统方法，并且主要对传统 ip-iq 的缺陷进行数学推导，找出问题所在，并在此基础上提出了改进型 ip-iq 检测算法。文章设置了电压波动动态仿真实验，实验结果证明了本文提出的改进方法在三相不平衡状态下具有良好的稳定性和动态跟踪性能。
D-STATCOM 是一个相当复杂的装置，本文主要从其中的无功电流检测环节以及控制环节进行分析，在该领域还有许多研究方向值得深入研究
（1）在上文中已经提到了 LADRC 控制器在系统中具有良好的鲁棒性以及抗扰特性，但是 LADRC 中的线性扩张状态观测器是不是能够预测出任何一种扰动也是未来需要进行研究的，希望在未来利用我们实验的设备进行实际操作，验证其解耦特性；
（2）本文的研究主要集中在建模、D-STATCOM 检测环节与控制器的分析等方面。但是研究表明，当系统中不仅有 D-STATCOM，同时还有其他 FACTS 装置时（例如有源电力滤波器 APF），它们之间可能存在交互影响，从而破坏电力系统的稳定。因此，控制器与其他 FACTS 控制器间的交互影响分析及其协调控制均有待研究。
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参考文献（略）
本文编号：106499
本文链接：https://www.wllwen.com/wenshubaike/lwfw/106499.html