电力电子在电力系统中的应用

ABSTRACT: Along with the power electronic technology development, the power electronics device in capacity and controllable aspects had the very big development. FACTS (Flexible AC Transmission Systems) technology, in the power system used more and more widely, makes the power system in power quality aspects of stability and has improved a lot. The early exchanges power transmission, by mechanical device to control in power system reactive power generation and absorption. FACTS technology to bring power system is still the reactive power compensation, makes it by mechanical turn to accomplish the mission of static device to finish by. Thyristor controlled reactor TCR and static synchronous compensator STACOM FACTS technology is one of the important aspects of the application. This paper briefly introduces the working principle of TCR and STACOM, with MATLAB simulation of both. According to the simulation of the connection mode and get transformer is better than the alternative and eliminate harmonic relationship.

KEY WORDS：FACTS ; STACOM ; TCR ; 48 pulse converters

摘要：　随着电力电子技术的发展，电力电子器件在容量和可控性方面都有了很大的发展。FACTS（Flexible  AC Transmission Systems）技术，在电力系统中应用越来越广泛，使得电力系统在稳定性及电能质量方面有了很大的提高。早期的交流功率传输中，通过机械装置来控制电力系统中无功的产生和吸收。FACTS技术给电力系统带来了静止无功补偿器，使得原来靠机械转动完成的任务可以通过静止器件来完成。晶闸管控制电抗器TCR和静止同步补偿器STACOM就是FACTS技术应用的一个重要方面。本文简要介绍了TCR和STACOM的工作原理，并用MATLAB对两者进行了仿真。由仿真得到变压器的连接方式及变比选择与消除谐波的关系。

关键词：FACTS ； STACOM ；TCR ；48脉波变流器

0  引言 

柔性输电系统，即FACTS（Flexible  AC Transmission Systems）技术，是电力电子技术在电力系统中应用的一个重要方面，借助于电力电子器件高速、可靠和先进的开关技术，电能的生产、传输和使用的质量得到了有力的提高。

输电系统中静止无功补偿器的主要目的是提高输电能力，静止无功补偿器不会发出（吸收）有功，它通过控制电压来间接影响输电系统，即在系统扰动和危急的情况下控制输电定端口的电压来维持希望的潮流。阻抗型无功发生器的性能和运行特性是由晶闸管控制的器件所决定的。静止同步补偿器(STACOM)是柔性输电系统(FACTS)家族中一员，它利用电力电子技术控制电力系统潮流，提高电力系统暂态稳定性。当系统电压过低时，STACOM向电力系统注入无功，提高系统电压；当电力系统电压过高时，STACOM从电力系统汲取无功，降低系统电压。

1  可变阻抗型静止无功发生器TCR

图1所示为最基本的单相晶闸管控制电抗器（TCR）的原理图，它由固定电感L（通常为空芯电感）和双向晶闸管开关阀或开关电路组成。

通过对触发延迟角的控制，可使电抗器中的电流从晶闸管的触发导通是以在半周期中的电流控制，它表明外加电压为U、触发延迟角为零（即开关阀完全导通）或其它任意触发延迟角时，流过电抗器的电流对应的输出波形。当时，开关阀在外施电压的峰值点导通，显然电抗器中流过的电流就相当于开关阀永久闭合是的稳定电流。当开关阀在电压峰值后延迟角后，电抗器中的电流与电压的关系可表示为

（1）

根据图1a的电路结构知，当电抗器中的电流过零时，晶闸管开关阀将自动关断，所以式（1）只有在区间是有效的。对于随后负半周的电流分析式（1）同样有效，知识将式中各项的符号取反即可。

图1 TCR工作原理

如图1b所示，式（1）中的项是仅取决于的常数。该值为正时，即在电流的正半周，波形向下偏移；而在电流的负半周时，则向上偏移。当电流过零时，开关阀会立即自动关断。触发延迟角决定了导通角。当触发延迟角增加时，偏移量就增加，从而导致开关阀的导通角减小，最终使得流过电抗器的电流减小；当触发延迟角达到了它的最大值时，偏移量也达到它的最大值，此时导通角和电抗器的电流都变为零。仿真结果如图2所示。

2.静止无功补偿器STACOM

2.1 STACOM的工作原理

a．MATLAB仿真电路图

b．当时电流波形图

c．当时电流波形图

图2 MATLAB仿真结果

P = (V1V2)sinδ / X , 

Q = V1(V1 – V2cosδ) / X

在系统稳态时，VSC的变换电压V2与电压V1(δ= 0)同相位，此时VSC与电力系统之间只有无功功率交换，有功功率(P = 0)。如果电压V2低于电压V1，无功功率Q从V1流向V2，（此时 

STACOM吸收无功功率）。相反地，如果电压V2高于电压V1，无功功率Q从V1流向V2，（此时STACOM吸收无功功率）。无功功率的交换值可以通过式2进行计算

Q=(V1(V1 - V2)/ X （2）

在VSC的直流侧接有电容器充当直流电源，在稳态的时，电压V2需要滞后电压V1一个微小的角度，以补偿变压器和VSC的有功损失，同时补给电容的有功能量损失。

图3 STACOM控制系统模块框图

STACOM的控制系统主要包括一下几个模块：

●锁相环电路模块（PLL）。锁相环电路模块的主要功能是为控制系统提供电压V1的相位，使VSC模块与电压V1的正序基波电压相位保持同步。锁相环输出信号将用于计算AC三相电压和电流的直轴和交轴分量。

●测量系统模块。测量模块用于测量被控AC正序电压和电流相应的直轴和交轴分量，同时也用于测量电容上的直流电压。

●输出调节环路。输出调节环路包括交流AC电压调节器和直流DC电压调节器。AC电压调节器的输出为电流调节器提供交轴参考电流。DC电压调节器的输出为为电流调节器提供直轴参考电流。

●内部电流调节环流包括交流电压调节器和直流电压调节器。电流调节器控制由PWM变流器转换电压的幅值和相位。前馈调节器对电流调节器起到一定的辅助作用。前馈调节器根据V1的测量量和变压器的漏阻抗控制输出电压V2。

2.2STACOM的V-I特性

STACOM有两种不同的工作模式：

●电压调节模式

●输出无功控制模式

当STACOM工作在第一种工作模式时，其输出V-I特性如图4所示。

图4 STACOM的V-I输出特性

2.3STACOM的变流器结构

电压型变流器输出的三相交流电压一般是由直流侧的储能电容来维持的。迄今为止，在实际电力传输中所使用的变流器几乎都是由常用的基本部件所组成，即由单相H桥臂、三相两电平6脉波桥臂，或三相三电平12脉波桥臂所组成。图5给出了这些电路的基本结构。二这些基本的变流器中包含了3~10个串联的功率半导体开关阀，这种开关阀还有反并联的二极管与之相连，如GTO与反并联二极管组成的开关阀等。与的单个开关器件所不同的是，在单相桥路中，这种基本的变流器可以串联起来使用，形成所谓的链接型串联电路。每个基本变流器都会输出一个矩形（准矩形）或脉宽调制的电压波形，这些电压波形之间有一个相位偏移，或彼此互为补充。最终的波形通常是经过适当的磁耦合后形成变流器应输出的完整电压波形，只要对变流器进行合理的设计，完全可以使这个最终输出的电压波形能够成为足够精确的正弦波，且只需容量很小的滤波器，甚至不需要滤波器。例如典型48脉冲输出波形，它可以是8个两电平6脉冲变流器的组合输出波形，也可以是4个3电平12脉冲变流器的输出波形。

对于电压型变流器构成的可控静止无功发生器，可不必了解变流器开关阀在输入、输出时的

a．单相两电平H桥  b.三相两电平6脉波桥

c．三相三电平12脉波桥

图5 电压型变流器结构

物理控制规律，关键是要能理解客观的物理事实本身。当变流器作为无功发生器使用时，一般很少涉及到有功功率的问题，但实际上它与交流系统仍有一定的有功功率交换。与所有开关型功率变流器一样若忽略功率半导体开关中的损耗，则交流输出的顺势功率必须总是等于直流端的瞬时输入功率。

多电平逆变电路输出端可以有更多级的输出电压波形，谐波含量小，波形更接近正弦，逆变器性能更好，更适用于高压大容量的电力电子变换，缺点是电路结构比较复杂，控制比较困难。三相三电平中点钳位式逆变器的电路结构如图5.c所示。逆变器每相桥臂有4个半导体电力开关管T1、T2、T3、T4，4个续流二极管D1~D4和两个钳位二极管D5~D6。三相桥两电平逆变器每个桥臂只有两个开关器件，每个桥臂只有两种状态：例如A相桥臂，上管导通、下管截止时称为1态，这是A桥臂的开关变量；下管导通、上管截止称为零态，。在图5.c中每个桥臂有三种工作状态：。控制器通过合理控制这三种状态可以得到三电平的任意频率波形。在这里，我们的目标是输出12脉波正弦波形。48脉波正弦波形的产生需要4个3电平12脉波变流器的组合输出，如图7和图8所示。这四个12脉波变流器在对应的每相波形在相位上依次相差7.5度。如果组合后输出的波形直接经过变压器升压，变压器的连接方式为依次串联连接如图7所示，则最后得到的波形如图9所示。图7中的变压器变比均为1。如果换一种变压器连接方式，如图8所示，则最后得到的波形如图10所示。通过对比两种波形可以看出，即使逆变输出的12脉波正弦波相同，通过改变变压器的连接方式和变压器变比可以得到不同的波形。从另一个角度来看，不同变压器连接方式和不同的变压器变比对不同次谐波的滤除效果不一样，因此得到的最后的波形也不一样。变压器的连接方式很多，可以对应相的绕组相互串联，也可以同一相设置两个二次绕组，其中一个二次绕组与另一组变压器的其它相相连，二次绕组的变比可以通过对叠加后波形的傅里叶分析，以确定合适的变比和连接方式，从而消除特定的谐波。当然，48脉冲变流器的设计目标应该是使得输出的电压谐波次数最小为工频频率的481次谐波。

由于变流器仅能提供无功输出，且它的输出电压与连接点处的交流系统电压同相，因此由充电电容支持的直流电源所提供的输入有功功率一定为零，所以交流侧得到的瞬时有功功率之和也应为零。此外，由于直流电容上的电压为直流电压，即工作频率为零，根据无功功率的基本定义可知，直流电容器输出的无功功率也应为零，即直流电容在无功功率的产生中不起任何作用。换句话说，变流器是简单地将3个交流端子连接在一起，使无功输出电流能够在各相之间自由的流动。从交流端子向变流器的方向看，可以认为变流器重新建立了各相之间的环路电流通道，而且与系统之间没有净的瞬时功率交换。 

由于变流器的直流到交流输出的电压波形并不是完全的正弦波，一次变流器的净输出功率仍会有一定的波动，即使变流器输出的电流波形为理性的正弦波，变流器的净输出功率也同样会存在一定的波动。因此，为了保证瞬时输入和输出功率的相等，在直流电容端电压恒定的情况下，变流器必须能够从直流储能电容中吸取对应的脉动电流，这个电流有时也称为纹波电流。

图6  三相三电平12脉波桥MATLAB仿真模型

图7 第一种变压器连接形式的48脉波变流器

图8第二种变压器连接形式的48脉波变流器

图9第一种变压器连接形式变流器的48脉波正弦波形和单相12脉波正弦波形

图10第二种变压器连接形式变流器的48脉波正弦波形和单相12脉波正弦波形

4  总结

电力系统由发电、输电、配电和用电等4个部分组成。出于经济考虑，输电线在不同企业、不同区域甚至不同国家之间互联形成输电网络，以降低电力价格和提高供电可靠性。提高输电能力可使总发电容量和资源损耗降低。电力系统存在运行复杂、安全性低、潮流缺乏足够控制、无功超标、大规模动态振荡等诸多问题，导致输电网络能力不能得到充分利用。电力系统的执行机构主要还是机械开关，动作时间长、易损坏、不能频繁使用，电力系统总体上是不可控的。电力系统付出了提高运行裕度和增加冗余备份的代价，并不十分经济。采用电力半导体开关器件形成FACTS手段来取代机械开关方案。FACTS能在不改变现有输电网络的情况下，通过电力系统参数，使输电线达到其热极限，部分缓解电力安全和电能质量问题，以满足更多的电力供求。FACTS控制器的一般符号，可以是阻抗型、变换器型或混合型。采用电力电子和其它静止控制器以增强系统可控性、提高输电能力的柔性交流输电系统。FACTS控制器：采用电力电子和其它静止装置以控制交流输电系统的一个或多个参数静止同步补偿器STATCOM，静止同步无功发生器SSG，电磁储能系统BESS，超导磁场储能系统SMES。静止无功补偿器SVC，晶闸管控制电抗器TCR，晶闸管开关电抗器TSR，晶闸管开关电容器TSC，静止无功发生器SVG，静止无功系统SVS。

参考文献

[1] 程汉湘. 柔性交流输电系统[M]. 北京: 机械工业出版社, 2009.1.

[2] 陈坚. 电力电子学-电力电子变换和控制技术[M]. 北京：高等教育出版社, 2004.12.

[3] 林忠岳.现代电力电子技术[M].北京：科学出版社，2007.