CN100413173C

CN100413173C - 基于晶闸管的静止同步补偿器

Info

Publication number: CN100413173C
Application number: CNB2006100021380A
Authority: CN
Inventors: 陈建业; 宋珊; 王赞基
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2006-01-19
Filing date: 2006-01-19
Publication date: 2008-08-20
Anticipated expiration: 2026-01-19
Also published as: CN1808827A

Abstract

基于晶闸管的静止同步补偿器，其特征在于，它用晶闸管代替普通静止同步补偿器中的可关断器件，采用闭环控制器由设定的无功功率目标值与实测无功之差计算触发角度，并将该触发角度设定值发送给开环控制器。开环控制器检测电网电压过零时刻并产生电压同步逻辑信号，以同步逻辑信号上升沿和下降沿作为触发角度起始时刻，并根据触发角度设定值在准确时刻发出触发脉冲，使装置发出所需的无功功率，实现控制目标的要求。晶闸管同步补偿器具有输出感性无功功率连续可调，谐波分量小，工作范围大，成本低的优点。

Description

基于晶闸管的静止同步补偿器

技术领域

采用晶闸管的静止同步补偿器STATCOM用于电力系统无功补偿

背景技术

随着电网技术的不断发展，大区域电网互联已经成为现代电力系统主要发展趋势之一。大区域互联电力系统带来了明显的经济效益，但是也面临着若干技术问题：首先，互连大系统中的输电线路，特别是长距离线路，其输送容量需要进一步提高，以节约修建额外长距离输电线路的巨大成本；其次，互联大系统中功率分布，特别是无功功率的走向和分配更加难以控制，亟需能够快速平滑地调节潮流分布的手段；再次，互联大系统系统阻尼大大减弱，易出现低频震荡，需要增强系统阻尼的设备；最后，各种新型的冲击性负荷不断采用，使低压配电网电能质量变差，并有可能对整个系统运行产生不利影响，需要改进电能质量的控制设备。

柔性交流输电系统(Flexible AC Transmission Systems)技术的出现为解决上述问题提供了有力的手段。它应用现代的控制技术和电力电子技术，实现对交流输电系统灵活快速的控制，实现输送功率合理分配，提高稳定性和可靠性。以及在配电系统中快速地向冲击性负荷，如电弧炉等，提供在动态过程中所需的无功；从而抑制其引起的电压波动和闪变；提高冲击负载设备及其临近电气设备的运行安全性。

作为一种重要的FACTS设备，静止无功补偿器已经在世界范围内得到了广泛应用。晶闸管控制的静止无功补偿装置SVC作为一种成熟的无功补偿技术是目前得到最为广泛应用的补偿装置。但由于SVC采用相控原理通过改变流经电抗器的电流来实现无功补偿，产生大量的谐波，无源器件占地面积大，同时电容的引入也带来潜在的诱发谐波放大的危险。和SVC相比，近年来推出的基于电压源逆变器的静态同步补偿器STATCOM具有工作范围大，控制稳定性高，响应速度快，电流谐波小，同容量下装置尺寸小等等显著优点，得到越来越广泛的重视。

常规的STATCOM装置的电压源逆变器多采用可关断器件，如IGCT和IGBT实现，在大容量STATCOM装置中，可关断电力器件及其触发、保护环节占去了装置总成本的很大一部分。同时，我国大容量可关断器件不能国产，给STATCOM的国产化带来了很大困难。如果能用晶闸管替代STATCOM中的可关断器件实现STATCOM的功能，制成基于晶闸管的STATCOM，就能够把STATCOM装置的优点与晶闸管器件成本低、容量大的优势结合起来。同时，由于国内具备生产大容量晶闸管的能力，并且在高压大功率晶闸管的应用上也积累了大量的经验，所以基于晶闸管的STATCOM在降低成本和实现国产化方面将具有显著的优点。

发明内容

本发明目的在于，提供一种用于电力系统无功补偿的采用晶闸管实现的静止同步补偿器本发明特征在于：

该静止同步补偿器含有主电路、闭环控制器和开环控制器，其中

主电路，包含：

三相电压源逆变器，每相由两个晶闸管串接而成，而每一个晶闸管又反并联一个二极管；

直流侧电容，并联于所述电压源逆变器；

三相变压器，副边每相绕组的输入端与所述电压源逆变器每桥臂的中点相连；

开环控制器，由数字集成电路构成，采用了现场可编程门阵列，含有：

电网电压同步电路，设有三相电压信号输入端，分别与用于测量所述三相变压器原边相电压的电压互感器相连；

触发脉冲发生电路，由现场可编程门阵列实现，所述触发脉冲发生电路由16位总线作为触发角度设定信号输入，具有三个用于存储三相触发角度信号的寄存器，并包含多个工作在同一时钟频率下的定时器，定时器数量与所述电压源逆变器内晶闸管桥臂的数量相等，该触发脉冲发生电路接受所述电网电压同步电路输出的三相同步逻辑信号后，识别其上升沿和下降沿，在每个上升沿/下降沿时刻，相应定时器开始运行，当所述定时器运行到所制定的触发脉冲角度设定时刻后，产生晶闸管触发信号；

晶闸管门极触发电路，设有与所述电压源逆变器内晶闸管数量相等的晶闸管触发信号输入端，接受所述触发脉冲发生电路发出的晶闸管触发信号，将其放大后产生相应的晶闸管的触发脉冲，驱动该晶闸管的门极；

闭环控制器含有：

电网信号调理电路，设有三相电压信号和三相电流信号的输入端，所述各输入端与用于测量连接于电网上的所述三相变压器原边电压和电流的互感器的输出端相连，见附图6，三相电压电流信号一起依次经过运算放大器，阻容低通滤波和直流偏置环节后输出适合于所述DSP闭环控制器中A/D输入范围的电压信号；

数字信号处理电路(DSP)，其A/D转换输入端与所述电网信号调理电路的电压信号输出端相连接，所述数字信号处理电路控制算法包括前馈控制和反馈控制，前馈控制将设定的无功控制目标值与前馈比例系数相乘计算触发角度前馈控制值，反馈控制根据所述电流和电压互感器采集的电压、电流数据，用瞬时无功功率法计算三相无功功率，得到瞬时无功功率测量值，将测量值与预先设定的控制目标值相减，将差值进行比例积分计算得到触发角度的反馈控制值修正值，将前馈控制值和反馈控制修正值相加，得到发出设定无功功率所需触发角度；

总线接口电路，把闭环控制器的总线转换成为所述开环控制器所用的16位总线，所述闭环控制器计算出的触发角度通过该16位总线接口电路送往所述的开环控制器中的触发角度寄存器中。

所述开环控制器由FPGA构成。

所述的电压源逆变器是12脉波逆变器，相应地三相变压器为Y/Y/D三相三绕组变压器，该三相三绕组变压器副边的D绕组滞后于Y绕组30度角。

实验证明，本发明具有吸收感性无功连续可调，谐波含量小，成本低，工作范围大的优点。

附图说明

图16脉波STATCOM仿真电路

图26脉波STATCOM触发角为+1.8°的A相电压电流波形

图36脉波STATCOM触发角为-1.8°度的A相电压电流波形

图46脉波晶闸管STATCOM仿真电路

图56脉波晶闸管STATCOM触发角为+1.8°度时的A相电压电流波形

图612脉波晶闸管STATCOM样机系统结构图

图7DSP闭环控制器结构图

图8FPGA开环控制器结构图

图9DSP控制算法图

图10触发角为+2.7°时12脉波样机系统A相电压、电流波形

图11触发角为+3.6°时12脉波样机系统A相电压、电流波形

具体实施方式

晶闸管STATCOM基本工作原理可通过对6脉波装置的仿真来说明。以如图1所示的简单的三相六脉波STATCOM为例。装置为一六脉波逆变器，包含G1～G6的6只GTO和D1～D6的六只反并联二极管，直流侧采用电容作为直流电压支撑。逆变器通过三相Y/Y接变压器与系统隔离。仿真装置主要参数为：电源电压380V 50Hz，变压器为Y/Y接法，容量10kVA，变比380/400V，漏抗为0.2p.u.，损耗为0.04p.u.，直流电容为2200uF。

逆变器不采用PWM，控制每只GTO导通和关断各180度角，即正触发脉冲与负触发脉冲各占180度。根据STATCOM基本理论，以电网电压过零点为触发角原点，领先电网电压为触发角正方向时，触发角度δ大于0，则装置吸收感性无功，触发角度小于0，装置发出感性无功。若令系统三相电压为：

则触发角为δ时装置稳态下吸收的感性无功Q和三相相电流可表示如下：

Q = \frac{{2 U}_{S}^{2} \sin 2 δ}{2 R}

(公式1)

仿真分别取δ为+1.8°和-1.8°，以图1中所示i_A箭头方向为A相电流正方向，观察装置稳态运行时的A相电流波形和A相四只管子G1，G4，D1，D4中的电流波形。如图2和图3。

图2中，当δ＝+1.8°时(领先于电网电压)，仿真装置稳态运行时吸收感性无功7.9kVA，与公式1计算相符。相电流i_A领先于相电压u_A(90°-δ)＝88.2°，装置吸收感性无功。在i_A的一个周期内，由图3所示各管电流i_G1，i_G4，i_D1，i_D4波形可知，A相桥臂的导通顺序为D4～G1～D1～G4，开关管的开通信号促使每相桥臂二极管中的电流转移到开关管中，而开关管的关断信号不起任何作用。

相似地，在图3中δ＝-1.8°时(落后于电网电压)，仿真装置稳态运行时发出感性无功7.9kVA，与公式1计算相符。相电流i_A滞后于相电压u_A(90°-δ)＝91.8°，说明装置发出感性无功。在i_A的一个周期内，由图3所示各管电流i_G1，i_G4，i_D1，i_D4波形可知，A相桥臂的导通顺序为G1～D4～G4～D1，这种运行状态下，开关管的关断信号促使每相桥臂开关管中的电流转移到二极管中，而开关管的开通信号不起任何作用。

对于超前运行的情况，由于只有开通信号起作用，开关管的行为和晶闸管没有任何区别，因而完全可以用晶闸管代替开关管，在同样的时刻给以触发信号，实现吸收感性无功的功能。据此思路，将六脉波STATCOM仿真电路中的开关管替换成晶闸管，其余参数不变，如图4所示，令触发角δ＝+1.8°(领先于电网电压)，观察A相电压，电流仿真波形，如图5所示。

在δ＝+1.8°时，由图5所示各管电流i_T1，i_T4，i_D1，i_D4波型可知，A相桥臂按照D4～T1～D1～T4的顺序导通，其次序和采用开关管的STATCOM在图2中的次序完全相同，而且每次晶闸管开通时也都是在变压器漏抗的续流作用之下，电流由二极管转移到晶闸管中。图5中各电流波形与图2中相应的波形完全相同，且δ＝+1.8°时，晶闸管STATCOM装置发出感性无功为7.9kVA，和用公式1计算的结果相同，说明采用晶闸管的STATCOM在δ＞0时的运行方式与STATCOM完全相同，能够吸收连续可调的感性无功，因而采用晶闸管的STATCOM在理论上是可行的。

为实际验证上面所讨论的晶闸管STATCOM，我们在实验室中构建了12脉波晶闸管STATCOM样机，并设计了基于现场可编程门阵列(FPGA)和数字信号处理器(DSP)的数字控制器，下面将详述样机系统的实现方法。

12脉波晶闸管STATCOM样机系统及其控制器结构图如图6所示。主电路包括Y/Y/D三相三绕组变压器，两个由晶闸管和反并联二极管构成的六脉波桥(Y桥包括晶闸管TY1～TY6，二极管DY1～DY6，D桥包括晶闸管TD1～TD6，二极管DD1～DD6)以及直流侧电容C。其中，三相三绕组变压器副边D绕组滞后于Y绕组30°。主电路的运行由数字控制器来控制。如图6所示，晶闸管STATCOM样机系统的数字控制器由基于FPGA的开环控制器和基于DSP的闭环控制器组成。

基于FPGA的开环控制器实现了根据给定触发角度产生相应触发脉冲的开环控制功能。如图8所示，开环控制器由电网电压同步电路、FPGA触发脉冲发生电路和晶闸管门极触发电路三部分构成，每部分工作原理如下：

电网电压同步电路接收由电压互感器传来的三相电网电压信号，经过运算放大器信号调理、比较器过零比较和逻辑电平转换，最终产生与电网电压同步，且与FPGA输入逻辑电平相吻合的三相同步逻辑信号，输入到FPGA。

FPGA触发脉冲发生电路中设计了6个工作在1MHz时钟下的16位定时器，用于产生12只晶闸管的触发脉冲。FPGA触发脉冲发生电路接收三相同步逻辑信号，识别其上升沿和下降沿，在每个上升沿或下降沿到来时，根据所指定的触发角度设定16位定时器的时刻，定时器运行到指定时刻后，产生晶闸管触发信号。为了和DSP闭环控制器通信，触发脉冲发生电路上还具备与16位总线的接口功能，由DSP控制器对触发角度进行设定。上述16位定时器、总线接口等逻辑功能均在FPGA中由硬件描述语言VHDL设计并实现。

FPGA产生的晶闸管触发信号仅是逻辑信号，不具有驱动晶闸管的能力，因而最终还要由晶闸管门极触发电路接收晶闸管触发信号，将其放大后产生晶闸管触发脉冲，以驱动晶闸管门极。本文12脉波样机装置触发电路采用了宽度为30°的脉冲群，并具有强触发功能，以提高触发环节可靠性。

STATCOM的触发角度调节范围较小，因而用于产生STATCOM触发脉冲的控制器必须能够对电网电压进行精确的同步和定时，以便在准确的时刻发出触发脉冲，基于晶闸管的STATCOM也是如此。通常STATCOM要求的触发脉冲控制精度都在微秒量级，然而现有的常用集成数字式或模拟式晶闸管移相触发电路都无法满足这一精度要求，因而必须专门针对晶闸管STATCOM设计专门的触发脉冲发生电路。采用FPGA的触发脉冲发生电路很好的解决了这一问题。在12脉波样机系统中，FPGA接受电网电压同步信号，通过高频计数器进行移相，产生12只晶闸管的触发脉冲，其调节精度可达到1微秒，完全满足STATCOM控制的要求。同时，采用FPGA还能够方便的实现与DSP控制器或其它控制装置的总线接口和通信接口，具有很强的可扩展性。这些都是基于FPGA的开环控制器的特点。

基于DSP的闭环控制器结构如图7，闭环控制器负责检测系统电压、电流信号，计算所需触发角度，将其发送给开环控制器，从而实现对装置的闭环控制。闭环控制器由电网信号调理电路，DSP控制器和总线接口三部分组成，每部分工作原理如下：

电网信号调理电路接受电压、电流互感器传来的电网三相电压电流信号，经过运算放大器和电阻、电容构成的低通滤波和直流偏置环节，将其调理为适合于DSP控制器A/D输入范围的电压信号。

DSP控制器采集到电压电流数据后，根据设定的控制算法，计算实现控制目标所需的晶闸管STATCOM触发角度。实现晶闸管STATCOM基本功能的控制算法流程如图9所示。控制算法包括了前馈控制环和反馈控制环，前馈控制根据预先设定的无功控制目标值Qref，与前馈比例系数Kf相乘，Kf为设定值，得到触发角度的前馈控制值δ₀。反馈控制根据A/D采集电压电流数据，用瞬时无功法计算三相无功功率，计算公式为：

Q = \frac{\sqrt{3}}{3} [u_{a} (i_{c} - i_{b}) + u_{b} (i_{a} - i_{c}) + u_{c} (i_{b} - i_{a})]

计算出无功功率检测值Q后，将其与预先设定的控制目标值Qref相减，经过比例积分计算后(Ki，Kp分别为积分环节和比例环节的系数)，得到触发角度的反馈控制值修正值δ’。将前馈控制值δ₀和反馈控制修正值δ’相加，即得到所需的触发角度δ，用于调节晶闸管STATCOM装置的运行。根据具体应用要求的不同，STATCOM的控制算法也会有所不同，本样机装置采用了高性能DSP控制器，能够满足更为复杂的实时控制算法的要求。

总线接口电路主要包括地址译码器和总线驱动器，该环节将DSP芯片的总线转换为与FPGA开环控制器接口所用的16位总线。DSP计算出的触发角度信息通过总线接口发送给FPGA开环控制器，从而实现对主电路工作状态的调节。

采用DSP作为闭环控制器满足了晶闸管实时控制的要求，由于DSP具有很强的计算能力，因而能够在每个采样周期内实时地计算并调整晶闸管STATCOM触发角度，从而调节装置输出无功。同时，由于DSP控制器具有多种通信接口，且FPGA也具有灵活的接口能力，DSP闭环控制器和FPGA开环控制器之间的通信也可以采用串行通信接口或串行总线来实现。

上述12脉波样机装置，其工作波形如图10和图11所示。实验中，系统相电压为50V/50Hz，晶闸管STATCOM装置触发角分别为2.7°和3.6°(即领先于系统相电压150us和300us)。图10为触发角为2.7°时的电压、电流波形，图11为触发角为3.2°时的电压、电流波形，两图中，u_A为系统电压。i_A为装置输出相电流。i_AY为Y桥A相输出相电流。i_AD为D桥A相输出相电流。i_A，i_AY，i_AD的正方向如图6所示。

根据实验波形，晶闸管STATCOM触发角领先于系统电压时，装置输出相电流iA领先于系统电压约90°，说明装置吸收感性无功。增加触发角度后，装置相电流随之增大，吸收无功增加，且吸收无功量随触发角度的调节实现了连续可调。该实验结果与之前仿真分析的结果相吻合，从而验证了晶闸管STATCOM的可行性。同时，12脉波装置的相电流i_A波形比较接近正弦波，谐波含量不高，说明装置具备了工作谐波小的特点。

计算机仿真和实验装置物理实验均表明，采用上述方法能够实现晶闸管STATCOM，该装置吸收感性无功连续可调，谐波含量小，达到了预期目的。

Claims

1. 基于晶闸管的静止同步补偿器，其特征在于，该静止同步补偿器由主电路、闭环控制器和开环控制器组成，其中

主电路，包含：

三相电压源逆变器，其中每相由两个晶闸管串接而成，而每一个晶闸管又反并联一个二极管；

直流侧电容，并联于所述三相电压源逆变器；

三相变压器，三相变压器的原边绕组与系统的三相交流电源相连，副边每相绕组的输入端与所述三相电压源逆变器每相两个晶闸管的连接点相连；

触发脉冲发生电路，由现场可编程门阵列实现，所述触发脉冲发生电路由16位总线作为触发角度设定信号输入，具有三个用于存储三相触发角度信号的触发角度寄存器，并包含多个工作在同一时钟频率下的定时器，定时器数量与所述三相电压源逆变器内晶闸管桥臂的数量相等，该触发脉冲发生电路接受所述电网电压同步电路输出的三相同步逻辑信号后，识别三相同步逻辑信号上升沿和下降沿，在每个上升沿/下降沿时刻，相应定时器开始运行，当所述定时器运行到所制定的触发脉冲角度设定时刻后，产生晶闸管触发信号；

晶闸管门极触发电路，设有与所述三相电压源逆变器内晶闸管数量相等的晶闸管触发信号输入端，接受所述触发脉冲发生电路发出的晶闸管触发信号，将晶闸管触发信号放大后产生相应的晶闸管的触发脉冲，驱动相应的晶闸管的门极；

闭环控制器含有：

电网信号调理电路，设有三相电压信号和三相电流信号的输入端，所述各输入端与用于测量连接于电网上的所述三相变压器原边电压和电流的互感器的输出端相连，三相电压电流信号一起依次经过运算放大器，阻容低通滤波和直流偏置环节后输出适合于所述闭环控制器中A/D输入范围的电压信号；

数字信号处理电路DSP，其A/D转换输入端与所述电网信号调理电路的电压信号输出端相连接，所述数字信号处理电路控制算法包括前馈控制和反馈控制，前馈控制将设定的无功控制目标值与前馈比例系数相乘计算触发角度前馈控制值，反馈控制则根据所述电流和电压互感器采集的电压、电流数据，用瞬时无功功率法计算三相无功功率，得到瞬时无功功率测量值，将测量值与预先设定的控制目标值相减，将差值进行比例积分计算得到触发角度的反馈控制修正值，将前馈控制值和反馈控制修正值相加，得到发出设定无功功率所需触发角度；

2. 根据权利要求1所述的基于晶闸管的静止同步补偿器，其特点在于，所述三相电压源逆变器是12脉波逆变器，相应地所述三相变压器为Y/Y/D三相三绕组变压器。