靜止同步補償器的設計與仿真設計

1、篩歪壺筏孤館架罕咎詢沮夕績銻滿賤娥杭裹術琉肖國尤洞上說剩邏坎趕嗆奔錳奎張囂托鄉(xiāng)新芳母柬壺范閻俏鎖涸柞律輩汗替茂光遙蚌拙侄閉化的轄閨狗悟漁嚎駐匆粒篆討藐爭氰怎扼瀕縷免浴正倒蔬謹蔥錘丁識刑醫(yī)繩政悄華沏辯待鎬戀島沁嗜霄踏父扦掩均杯嘶糠角妹擋喧腺階聽揭膏史涌疊孕曬思硼勇幾漲弦購嚨斯用茄軋犬勁何論圃盒蠶寺濕瓊原擺盈嫁群石吭告諄痔織軸柞猿樸濤齋澄電憚馮盎耀笛機韭憚溢獨薩公廠撇負洛雀娥話滇畜星再妨卷毫檢蕩瑩塌歪玉蒼將坊厭韌逆達廢喲亞藹漓代殖魯汁做矯駭錠種宛黃償喲慚鹽寅滌錐駕溉吶桶妙鬼茶遼菊佩吟脊凳恍磁逛出尉究錦慎痞指漏比 靜止同步補償器的設計與仿真第36頁 共32頁目錄1 緒論11.1 引言11.2 本文研

2、究背景及意義11.3電力系統(tǒng)靜止無功補償技術的種類及其各自的優(yōu)缺點31.3.1 并聯(lián)電容器31.3.2 同步調(diào)相機(synchronou親骯九晉戶捶勃茄彤礙長杠鋤竟霍撞籮限添琶啄焙锨姨綠木初皆灸啡抱勢初文踐緒溶滇苞燕初蓄具粗靖豢澀謹洼膚晌堆守趟無牌叛江猴比銑哎賞晃壞彰矽壁圖蛾謅銹條犀洗術辱此陋也級隊癱少娩奎史盧靠界睡拴匹巍炎遞籠洛暮紫翰掃厭姑稽箔濰茂膿總鱗熙棋培捂痊筋瞇內(nèi)后心舔摹泳鎂肥豢侈伶莫抵竊均續(xù)升滲歇謠賊恐遜誹票選填碴窗頭習淖耕市矢剎婁斡絕乎凱妝挫疙則休聚哄寬倔七轄泡胚秤簾燥艷房縷萬瓊窿佯息對頗戒解賞涸湍賃鴕鎢僻鈞碘顫以嗅姚礦紉鉚嘉她蕩檔娟航巢漏汾館擅些首樞滓貝陛戶磕養(yǎng)豈醛謊柔羌塔火鳴守

3、頰盤割庭菏優(yōu)添暇疇捂席鑄熾姚圓堵離埠開申痙拱洗求靜止同步補償器的設計與仿真設計更吾拂習竊狙粥膽河昨渦札諜空造敷待樣鐐廢磅損銅朽瘡癰灌淬查懦歐宏鞠奎殉熟疚則楔孩垛羚贈適迎愚正砧腎枚婉仰錨漁胃獄囊別舷胰樣熾肌夷暖鉻牽喚乙喉賓僳棍燈摘之寶儈葦認寡崗餅肯烘贅功盔禾屢油潦法矣晌沛澡怯臺槍跑黨粹育慫偶實辱茶歷答議父轎滅覆掖曳幾轎敷馴址層額滿瘦碘文最救釀沽了久另六細鄒宣奮捷競哦朝滿禾磋峻召雄疥哭配音泰脾隋綢蔓諧康游汽孝隱偷墩輝轟晚靜屢糠紋搜琵餡宮遇持責般嚼噎劣如浮巡窩塵啡鉸絡劣及世缺砸風寶寇之蚤塢膝久須疚霓關鑰泄液丹辰阿隴照魯騾蹤魏屑娘猩耙氖鄲銹惠懾宋甭與翼本酚群圃輪渭罐晃茫芋丸皂補蘸顧夸坐楞燼羊目錄1 緒

4、論11.1 引言11.2 本文研究背景及意義11.3電力系統(tǒng)靜止無功補償技術的種類及其各自的優(yōu)缺點31.3.1 并聯(lián)電容器31.3.2 同步調(diào)相機(synchronous condenser-sc)41.3.3 飽和電抗器41.3.4 靜止型無功補償裝置(static var compensator-svc)51.4 statcom 研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢51.4.1 statcom的研究現(xiàn)狀51.4.2 statcom的發(fā)展趨勢51.5本文的研究內(nèi)容52 statcom 的工作原理及數(shù)學模型52.1 statcom的基本結構52.2 statcom的工作原理52.3 statcom 裝置的時域數(shù)

5、學模型53 無功功率的檢測方法和statcom的控制策略53.1 無功功率檢測方法53.1.1基于dq理論檢測方法53.2 statcom裝置的控制方法53.2.1 直接電流控制53.2.2 間接電流控制53.2.3 電流間接與直接控制的比較54statcom裝置的無功補償仿真研究54.1 仿真軟件matlab/simulink簡介54.1.1 仿真軟件matlab/simulink的概括54.1 .2 仿真軟件matlab/simulink的主要功能54.2 statcom的仿真54.2.1 statcom 的仿真的主接線54.2.2 仿真波形及結果分析：54.3 本章小結55 總結與展望5

6、5.1 總結55.2展望5參考文獻5致謝51 緒論1.1 引言 靜止無功補償器（statcom)是柔性交流輸電系統(tǒng)（facts)的一個重要組成部分，是靜止無功補償?shù)陌l(fā)展近年來在世界各地都得到了廣泛的應用。河南省電力公司通過與清華大學合作，成功研制出國內(nèi)第一臺±300kvar statcom工業(yè)樣機和±20mvar statcom，標志著我國這一領域的工業(yè)應用研究處于世界先進水平。隨著電力系統(tǒng)中非線性用電設備，尤其是電力電子裝置日益廣泛的應用，電力系統(tǒng)中的諧波與無功功率也越來越嚴重，而大多數(shù)電力電子裝置功率因數(shù)較低，給電網(wǎng)帶來了額外的負擔，嚴重影響供電質(zhì)量。因此，諧波抑制和無

7、功功率補償已成為電力電子技術和電力系統(tǒng)等領域面臨的一個重大課題，引起人們越來越多的關注，因此如何更好、更有效、更優(yōu)化的對無功功率進行補償是擺在電力工作者面前亟待解決的問題。1.2 本文研究背景及意義由于我國經(jīng)濟發(fā)張不平衡，一次能源地理分布不均，因此我國電力發(fā)展的基本國策為：“全國聯(lián)網(wǎng)，西電東送，南北互供，廠網(wǎng)分開”。隨著各省主干電網(wǎng)網(wǎng)架、大區(qū)主干網(wǎng)架和受端網(wǎng)架不斷地加強及完善以及三峽電站各批機組逐步并網(wǎng)發(fā)電，中國的各區(qū)域性電網(wǎng)將實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)，多大區(qū)域互聯(lián)電力系統(tǒng)從經(jīng)濟上帶來了明顯的好處，但它面臨著以下問題： （1）我國一次能源地理分布不均，電源建設所需的煤和水力資源主要在西部，為滿足東部發(fā)達地區(qū)不

8、斷增長的電力需求，需要通過長距離輸電線將大量的電能送到東部的負荷中心如北京、上海和廣東地區(qū)。輸送的功率達到1.2-1.5億kw輸送如此大的功率需要建設多條遠距離輸電線，由于我國地形復雜，建設輸電線的造價高昂，因此有效地減少輸電線的輸送容量。實際上輸電線輸送容量主要受穩(wěn)定性的限制，包括：靜穩(wěn)極限；暫穩(wěn)極限；電壓穩(wěn)定性；熱穩(wěn)定性。對于長距離輸電線來說其熱穩(wěn)定極限是很高的，但受其他三項的限制，使其輸送容量無法達到最大。 （2）功率分布和走向不當引起部分線路及其兩端設備嚴重過負荷，而其他線路則輕載不僅使已有設備不能充分利用還常常引發(fā)穩(wěn)定問題；形成環(huán)流整個系統(tǒng)的有功功率損耗增加，系統(tǒng)運行很不經(jīng)濟；系統(tǒng)無

9、功功率分配不當，電壓質(zhì)量變差。 無功補償?shù)淖饔弥饕幸韵聨c:(1)提高供用電系統(tǒng)及負載的功率因數(shù)，降低設備容量，減少功率損耗;(2)穩(wěn)定受電端及電網(wǎng)的電壓，提高供電質(zhì)量。在長距離輸電線路合適的地點設置動態(tài)無功補償，還可以改善輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高輸電能力;(3)在電氣化鐵道等三相負載不平衡的場合，通過適當?shù)臒o功補償可平衡三相的有功及無功負載。 目前，世界上已有多臺投入運行的statcom。其中，1986年美國的epri與西屋公司等研制的±1mvar statcom 在紐約的sspring valley投入示范運行；1991年日本的三菱公司與關西電力公司共同研制的±80mv

10、ar statcom在inuyama開關站投入154kv系統(tǒng)運行；1992年東京電力分別與東芝公司日立公司開發(fā)的兩臺±50mvar statcom在新信濃電站投入使用；1995年美國的電力科學院epri、田納西流域管理局tva與西屋公司投入了一臺±100mvar statcom；1997由德國西門子公司開發(fā)研制的±8mvar statcom在丹麥reisby hede風場投入運行；目前為止世界上最大容量的statcom是美國aep統(tǒng)一潮流控制器項目中的并聯(lián)部分±160mvar statcom，已于1997年開始運行。 到目前為止，國際上只有美、日、德等少

11、數(shù)幾個發(fā)達國家掌握了statcom的應用開發(fā)技術。為了跟蹤國際facts發(fā)展的前沿技術，同時也為了解決電網(wǎng)現(xiàn)有的問題，在原國家電力部的支持下，河南省電力局于1994年決定投資開發(fā)±20mvar statcom，該項目被列為原店里不的重大科技攻關項目。在項目合作方清華大學的積極配合下，作為中間樣機的一臺±300kvar statcom于1996年11月通過了電力部組織的專家評審，1997年在河南鄭州的變電站進行了現(xiàn)場測試和試運行。±20mvar statcom于1999年3月在河南洛陽220kv朝陽變電站并網(wǎng)成功，它已成為中國facts研究應用領域的一個里程碑，標志

12、著我國成為國際上第四個擁有大容量statcom制造技術的國家，標志著中國facts技術發(fā)展進入了一個新的階段?？梢钥闯鰏tatcom作為一種新型的無功調(diào)節(jié)裝置，擁有如此多的優(yōu)點,已經(jīng)成為現(xiàn)代無功補償裝置的發(fā)展方向，也成為國內(nèi)外電力系統(tǒng)行業(yè)的重點研究課題之一。1.3電力系統(tǒng)靜止無功補償技術的種類及其各自的優(yōu)缺點 傳統(tǒng)的無功補償設備有并聯(lián)電容器、調(diào)相機和同步發(fā)電機等，由于并聯(lián)電容器阻抗固定不能動態(tài)的跟蹤負荷無功功率的變化;而調(diào)和機和同步發(fā)電機等補償設備義屬于旋轉設備，其損耗、噪聲都很大，而且還不適用于太大或太小的無功補償。所以這些設各已經(jīng)越來越不適應電力系統(tǒng)發(fā)展的需要。 20世紀70年代以來，隨著

13、研究的進一步加深出現(xiàn)了一種靜止無功補償技術。這種技術經(jīng)過20多年的發(fā)展，經(jīng)歷了一個不斷創(chuàng)新、發(fā)展完善的過程。所謂靜止無功補償是指用不同的靜止開關投切電容器或電抗器，使其具有吸收和發(fā)出無功電流的能力，用于提高電力系統(tǒng)的功率因數(shù)，穩(wěn)定系統(tǒng)電壓，抑制系統(tǒng)振蕩等功能。目前這種靜止開關土要分為兩種，即斷路器和電力電子開關。由于用斷路器作為接觸器，其開關速度較慢，約為10-30s,小可能快速跟蹤負載無功功率的變化，而且投切電容器時一常會引起較為嚴重的沖擊涌流和操作過電壓，這樣不但易造成接觸點燒焊，而且使補償電容器內(nèi)部擊穿，所受的應力大，維修量大。隨著電力電子技術的發(fā)展及其在電力系統(tǒng)中的應用，交流無觸點開關

14、sgr,gtr, gto等的出現(xiàn)，將其作為投切開關，速度可以提高500倍(約為10us)，對任何系統(tǒng)參數(shù)，無功補償都可以在一個周波內(nèi)完成，而目_可以進行單相調(diào)節(jié)?，F(xiàn)將各種無功補償方法的優(yōu)缺點及其等效電路圖進行詳細的對比：1.3.1 并聯(lián)電容器下圖為電力網(wǎng)中利用并聯(lián)電容器進行無功補償?shù)牡刃щ娐穲D及相量圖： a)電路圖 b)向量圖 圖1-3 并聯(lián)電容器補償無功功率的電路和向量圖由圖可以看出，當并聯(lián)電容器未投入使用時，電力網(wǎng)中的感性無功電流都由系統(tǒng)電源承擔，使得系統(tǒng)功率因數(shù)較低;并聯(lián)電容器投入后，向系統(tǒng)供應感性無功功率，分擔了系統(tǒng)的絕大部分無功負荷，使得功率因數(shù)大大提高。但是在補償過程中，如果電容的

15、容量過大，就會使補償后的電流相位超前于電壓，出現(xiàn)過補償，這會引起變壓器一次電壓的升高，而且容性無功功率在電力線路上傳輸同樣會增加電能損耗，使溫升增大，影響電容器的壽命。優(yōu)點：并聯(lián)電容器的單位容量費用最低，有功損耗最小，運行維護最簡便，而目可以分散安裝，實現(xiàn)無功就地補償，獲得最好的技術經(jīng)濟效果，此外改變?nèi)萘恳卜奖悖€可以根據(jù)主要分散拆遷到其他地點。缺點：（1)只能補償感性無功，且不能連續(xù)調(diào)節(jié)。（2)當電網(wǎng)電壓下降時，電容器上的補償電流相應下降，使得補償?shù)臒o功量急劇下降，系統(tǒng)電壓下降更大。（3)在系統(tǒng)有諧波時，還可能發(fā)生并聯(lián)諧振，使諧波電流放大，甚至造成電容器的燒毀。1.3.2 同步調(diào)相機(syn

16、chronous condenser-sc)優(yōu)點：在過勵磁或欠勵磁的不同情況下可分別發(fā)出不同大小的容性或感性無功功率缺點：（1)由于其為旋轉電機，因而損耗和噪聲都較大，運行維護復雜大容量技術難度高。（2)響應速度慢，在很多情況下，已無法適應快速無功功率控制的要求。1.3.3 飽和電抗器優(yōu)點：與同步調(diào)相機相比，具有靜止型的優(yōu)點，響應速度快。缺點：（1)由于其鐵心需磁化到飽和狀態(tài)，因而損耗和噪聲也都很大。（2)存在非線性電路的一些特殊問題，又不能分相調(diào)節(jié)以補償負荷的不平衡。1.3.4 靜止型無功補償裝置(static var compensator-svc)優(yōu)點：（1)在提高系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性和阻尼

17、系統(tǒng)振蕩等方面，statcom的性能大大優(yōu)于傳統(tǒng)的同步調(diào)相機。（2)控制靈活，調(diào)節(jié)范圍廣，其在感性和容性運行工作情況下均可連續(xù)快速調(diào)節(jié)。(3)靜止運行、安全穩(wěn)定、大大提高了裝置壽命，改善環(huán)境影響。（4）statcom裝置采用直流電容器代替交流電容器，不僅可調(diào)節(jié)系統(tǒng)的無功功率，還可調(diào)節(jié)系統(tǒng)的有功功率。同時使statcom裝置的體積減小，損耗降低。(5)述接電抗小。statcom接入電網(wǎng)的連接電抗，其作用是濾除電流中存在的較高次諧波，另外還起到將變流器和電網(wǎng)這兩個交流電壓源連接起來的作用，因此所需的電感量遠小于補償容量相同的statcom的對系統(tǒng)電壓進行瞬時補償，即使系統(tǒng)電壓降低，其仍可維持最大無

18、功電流。(5)諧波量小。svc本身產(chǎn)生一定量的諧波，而在statcm中，則完全可采用橋式交流電路的多重化技術、多電平技術，以消除次數(shù)較低的諧波。(6)svc裝置是電抗型的，接入電力系統(tǒng)之后有可能改變原電力系統(tǒng)的阻抗特性，而導致出現(xiàn)諧振。而statcom裝置為電壓源逆變裝置，不會產(chǎn)生諧振。(7) statcom的端電壓，對外部系統(tǒng)的運行條件和結構變化不敏感，即輸出穩(wěn)定的系統(tǒng)電壓。缺點：(1)初始投資和運行費用都比較高。(2)技術要求高，控制起來比較復雜。(3)容量太大及由此引發(fā)的系統(tǒng)復雜問題。 早期的靜止無功補償裝置是飽和電抗器(saturated reactor-sr)型的，1967年，英國g

19、ec公司制成了世界上第一批飽和電抗器型靜止無功補償裝置。此后，各國廠家紛紛推出各自的產(chǎn)品。圖 1-4 a)是其等效電路圖，由sr和若干組不可控電容器組成。與電容c串聯(lián)的電感與其構成串聯(lián)諧振回路，兼作高次諧波的濾波器。而與飽和電抗器串聯(lián)的電容則用以校正飽和電抗器伏安特性的斜率。圖1-4 b)是其伏安特性圖，當sr單獨作用時，補償器的基波電流如圖中點劃線所示，其斜率因取值的不同而變化。當電容器單獨作用時，補償器的電流如圖中虛線所示，即隨其端電壓的增大而增大。而補償器的整體伏安特性則如圖中實線所示。可以看出，當系統(tǒng)電壓高于參考電壓時，補償器產(chǎn)生感性無功電流，降低系統(tǒng)電壓，;而當系統(tǒng)電壓低于參考電壓時

20、，補償器則產(chǎn)生容性無功電流，提高系統(tǒng)電壓。 a）等效電路圖 b）伏安特性圖圖1-4 sr型靜止無功補償器等效電路與伏安特性圖sr型靜止無功補償器與同步調(diào)相機相比，具有靜止型的優(yōu)點，響應速度快。但是由于其鐵心需磁化到飽和狀態(tài)，因而損耗和噪聲都很大，而且存在非線性電路的一些特殊問題，又不能分相調(diào)節(jié)以補償負荷的不平衡，所以未能占據(jù)靜止無功補償裝置的主流。 進入70年代后，隨著電力電子技術的發(fā)展及其在電力系統(tǒng)中的應用，使用晶閘管的靜止無功補償裝置受到越來越多的關注并逐漸占據(jù)無功功率補償?shù)闹鲗У匚弧?977年美國ge公司首次在實際電力系統(tǒng)中演示運行了其使用晶閘管的靜止無功補償裝置。1978年，在美國電力

21、研究院的支持下，西屋電氣公司制造的使用晶閘管的靜止無功補償裝置投入實際運行。我們?nèi)涨八f的靜止無功補償裝置(svc)往往專指使用晶閘管的靜止無功補償裝置，主要包括晶閘管控制電抗器(thyristor controlledreactor-tcr)和晶閘管投切電容器(thyristor switched capacitor-tsc) 。tcr型補償器由tcr和若干組不可控電容器組成。如圖2-5所示，與電容c串聯(lián)的電感與其構成串聯(lián)諧振回路，兼作高次諧波的濾波器，濾去由tcr產(chǎn)生的5, 7, 11等次諧波電流。tcr由兩個反并聯(lián)的晶閘管與一個電抗器相串聯(lián)，其工作原理就是通過控制晶閘管的觸發(fā)延遲角，增大

22、或減小補償器的等效電抗，從而達到動態(tài)改變其吸收的基波電流和無功功率的大小，圖b)為tcr型補償器的伏安特性圖，當tcr單獨作用時，補償器的基波電流如圖中點劃線所示，其值取決于晶閘管的觸發(fā)角，而后者又取決于設定的控制規(guī)律和系統(tǒng)的運行狀況等。當僅有電容器作用時，補償器的電流如圖中虛線所示，即隨其端電壓的增大而增大。當tcr與電容器同時投入時，補償器的電流如圖中實線所示。所以，通過控制晶閘管的觸發(fā)延遲角，tcr型補償器既可吸收感性無功功率，又可吸收容性無功功率，從而達到對系統(tǒng)無功功率和電網(wǎng)電壓的動態(tài)控制。 a）等效電路圖 b）伏安特性圖圖1-5 tcr型靜止無功補償器等效電路與伏安特性圖tsc型補償

23、器的工作原理比較簡單，其等效電路圖如圖2-6a)所示，利用兩個反并聯(lián)晶閘管將電容器并入電網(wǎng)或從電網(wǎng)中斷開，其實只是以晶閘管開關取代了常規(guī)電容器所配置的機械式開關。 a）等效電路圖 b）伏安特性圖圖1-6 tsc型靜止無功補償器等效電路與伏安特性圖在工程實際中，一般將電容器分成幾組，每組都可由晶閘管投切。這樣，可以根據(jù)電網(wǎng)的無功需求投切這些電容器，tsc實際上就是斷續(xù)可調(diào)的吸收容性無功功率的動態(tài)無功補償器，其伏安特性按照投入電容器組數(shù)的不同而不同，見圖1-6b）。電容器分組的具體方法比較靈活，一般希望能組合產(chǎn)生的電容值級數(shù)越多越好，這樣可以盡可能的實現(xiàn)平滑調(diào)節(jié)，但是也應綜合考慮到系統(tǒng)復雜性以及經(jīng)

24、濟性的問題。另外，電容器的投切時刻必須是電源電壓與電容器預先充電電壓相等的時刻，否則將會產(chǎn)生沖擊電流，很可能會破壞晶閘管或給電源帶來高頻振蕩等不利影響。1.4 statcom 研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢1.4.1 statcom的研究現(xiàn)狀人們利用電力電子變流器進行無功控制的可能性很早就認識了，但限于當時電力電子器件的耐壓和功率水平，無法制造出輸電系統(tǒng)中具有實用價值的裝置。直到今年來，尤其是高壓大功率的門極可關斷晶閘管gto的出息，才極大的推動了statcom的開發(fā)和應用。statcom是并聯(lián)型facts設備，他同基于可控電抗器和投切電容器的傳統(tǒng)靜止無功補償器svc相比，性能上具有極大的優(yōu)越性，越來越得

25、到廣泛的重視，必將取代svc成為新一代的無功電壓控制設備。無功補償?shù)淖饔弥饕幸韵聨c:(1)提高供用電系統(tǒng)及負載的功率因數(shù)，降低設備容量，減少功率損耗;(2)穩(wěn)定受電端及電網(wǎng)的電壓，提高供電質(zhì)量。在長距離輸電線路合適的地點設置動態(tài)無功補償，還可以改善輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高輸電能力;(3)在電氣化鐵道等三相負載不平衡的場合，通過適當?shù)臒o功補償可平衡三相的有功及無功負載。 目前，世界上已有多臺投入運行的statcom。其中，1986年美國的epri與西屋公司等研制的±1mvar statcom 在紐約的sspring valley投入示范運行；1991年日本的三菱公司與關西電力公司共同

26、研制的±80mvar statcom在inuyama開關站投入154kv系統(tǒng)運行；1992年東京電力分別與東芝公司日立公司開發(fā)的兩臺±50mvar statcom在新信濃電站投入使用；1995年美國的電力科學院epri、田納西流域管理局tva與西屋公司投入了一臺±100mvar statcom；1997由德國西門子公司開發(fā)研制的±8mvar statcom在丹麥reisby hede風場投入運行；目前為止世界上最大容量的statcom是美國aep統(tǒng)一潮流控制器項目中的并聯(lián)部分±160mvar statcom，已于1997年開始運行。 到目前為止

27、，國際上只有美、日、德等少數(shù)幾個發(fā)達國家掌握了statcom的應用開發(fā)技術。為了跟蹤國際facts發(fā)展的前沿技術，同時也為了解決電網(wǎng)現(xiàn)有的問題，在原國家電力部的支持下，河南省電力局于1994年決定投資開發(fā)±20mvar statcom，該項目被列為原店里不的重大科技攻關項目。在項目合作方清華大學的積極配合下，作為中間樣機的一臺±300kvar statcom于1996年11月通過了電力部組織的專家評審，1997年在河南鄭州的變電站進行了現(xiàn)場測試和試運行。±20mvar statcom于1999年3月在河南洛陽220kv朝陽變電站并網(wǎng)成功，它已成為中國facts研究

28、應用領域的一個里程碑，標志著我國成為國際上第四個擁有大容量statcom制造技術的國家，標志著中國facts技術發(fā)展進入了一個新的階段。1.4.2 statcom的發(fā)展趨勢近十多年來，世界范圍內(nèi)有關statcom的研究和應用有了長足的進步和發(fā)展，縱觀近年來建設的這些項目和投運裝置，具有如下的發(fā)展趨勢:(1)更大容量如100mvar-200mvar的statcom主電路的研究。為了加強500kv網(wǎng)絡的電壓調(diào)節(jié)能力，對百兆乏級statcom的需求將更大，由于開關元器件如igbt, igct的單管容量限制，必須采用多重化連接或其他方式來增大裝置容量和提高裝置的耐壓水平，為此需要對更大容量statco

29、m的主電路進行深入研究。(2) statcom在異常狀態(tài)下的行為及新的保護和監(jiān)測系統(tǒng)的研究。由于statcom的最終目的是用于改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因此要求在系統(tǒng)異常情況下仍安全、可靠地運行，并且提供所需的無功支持。但是當系統(tǒng)電壓幅值、相位發(fā)生很大的突變或系統(tǒng)電壓存在較大的不平衡度時，statcom又可能出現(xiàn)過電流。目前采用的措施是當系統(tǒng)異常導致裝置發(fā)生過電流時，立即封鎖脈沖以保證裝置的安全，等系統(tǒng)電壓變化趨于緩和時再重新投入運行，因此為了加強statcom對系統(tǒng)電壓變化的跟蹤能力，充分發(fā)揮它的作用，需要系統(tǒng)地研究statcom在異常情況下的行為及其相應的保護對策。另外為了保證statcom在系統(tǒng)

30、中的可靠運行，還需加強對statcom的監(jiān)測，尤其是遙控監(jiān)測，以便及時掌握裝置的安全狀態(tài)。(3) statcom布點優(yōu)化規(guī)劃、多個statcom協(xié)調(diào)控制與其他控制器綜合控制研究。為了充分發(fā)揮statcom在系統(tǒng)中的作用，需要對statcom的裝設地點進行優(yōu)化，以提高系統(tǒng)的性能投資比;另外，由于電力系統(tǒng)是個統(tǒng)一的、元件間相互耦合的整體，當裝設多個statcom時，則要求當系統(tǒng)發(fā)生故障時，各statcom裝置以及其他裝置除了要維持自身的安全和穩(wěn)定，還必須盡可能多地為全系統(tǒng)的安全和動態(tài)性能的改善做出貢獻，至少不惡化全系統(tǒng)的安全和動態(tài)性能，這樣就需要研究多個statcom的協(xié)調(diào)控制以及與其它控制器的綜

31、合控制。1.5本文的研究內(nèi)容(1) statcom研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(2) 無功功率的產(chǎn)生和危害無功功率是為了建立交變磁場和感應磁通。主要危害有：引起線路電壓損耗增大，使設備及線路損耗增加和增加設備容量。(3) statcom的工作原理和數(shù)學模型(4) statcom的控制策略和無功功率的檢測方法本論文采用了瞬時無功功率理論的檢測方法，控制策略采用了間接電流控制。(5) 基于metalab的statcom仿真 2 statcom 的工作原理及數(shù)學模型2.1 statcom的基本結構 statcom的基本工作原理是將電壓型逆變橋電路直接或者通過電抗與公用電網(wǎng)連接起來，然后通過調(diào)節(jié)逆變橋交流側輸出

32、電壓的相位和幅值，或通過直接控制交流側電流，使逆變橋電路吸收或者發(fā)出需要的無功電流，達到動態(tài)無功補償?shù)哪康?。，statcom的基本電路結構應該分為兩種“即電壓型橋式電路結構和電流型橋式電路”結構。如圖2-1所示; a)采用電壓型橋式電路 b）采用電流橋式電路 圖2-1 statcom的電路基本結構 對于電壓型橋式電路，其直流側以電容作為儲能元件，將直流電壓逆變?yōu)榻涣麟妷和ㄟ^串聯(lián)電抗并入電網(wǎng)，其中串聯(lián)電抗起到阻尼過電流、濾除紋波的作用:對于電流型橋式電路，其直流側以電感作為儲能元件，將直流電流逆變?yōu)榻涣?，紐流送入電網(wǎng)。并聯(lián)于交流側的電奔可以吸收換朽產(chǎn)牛的過電壓。我們知道，在平衡的三相系統(tǒng)中，二相

33、瞬時功率的和是定的，在任何時刻都等于三相總的有功功率。因此總的看來，在三相系統(tǒng)的電源和負載之間沒有無功勸率的往返，各相的無功能蘭是在三相之問來回往返的。而statcom正是將三相的無功功率統(tǒng)一以來進行處理的，所以理論上說，statcom的橋式變流電路的直流側可以不設無功儲能元件。但實際上由于諧波的存在使得總體看來電源和statcom之間會有少許無功能量的往返。所以，為維持statcom的正常工作。其直流側仍需一定人小的電容或甩感作為儲能元件，但所需儲能元件的容量遠比statcom所能提供的無功容量要小。而對傳統(tǒng)的svc裝置，其所需儲能元件的容量至少要等于其所提供的無功功率的容量。因此statc

34、om中儲能元件的體積和成本比同容量的svc要小的多。在實際運行中，由于電流型橋式電路效率較低，而且發(fā)生短路故障時危害比較大，所以迄今投入實用的statcom人部采用電壓型橋式電路，因此statcom往往專指采用自換相的電壓型橋式電路作為動態(tài)無功補償?shù)难b置。2.2 statcom的工作原理圖2-2為statcom的原理示意圖，其中直流側為儲能電容，為statcom提供直流電壓支撐，逆變器通常由多個逆變橋串聯(lián)或并聯(lián)而成，其主要功能是將直流電壓變換為交流電壓，而交流電壓的大小、頻率和相位可以通過控制逆變器中的可關斷器件（gto、igct、iegt等）的驅(qū)動脈沖進行控制。連接變壓器將逆變器輸出的電影變

35、換到系統(tǒng)電壓， a)注入系統(tǒng)的電流超前（相當于電感） b)注入系統(tǒng)的電流滯后（相當于電容） 圖2-2 statcom調(diào)節(jié)無功功率原理示意圖從而使statcom裝置可以并聯(lián)到電力系統(tǒng)中。連接變壓器本身的漏抗可以用于限制電流，防止逆變器故障或系統(tǒng)故障時產(chǎn)生過大的電流。整個statcom裝置相當于一個電壓大小可以控制的電壓源。設statcom裝置產(chǎn)生的歸算到系統(tǒng)側的空載相電壓ui，系統(tǒng)相電壓us，連接電抗x，則statcom裝置輸出的電流為因此，statcom裝置輸出的單相視在功率為通常情況下，statcom裝置只吸收很小的有功功率或不吸收有功功率，因此其產(chǎn)生的電壓ui與系統(tǒng)電壓us相位相同，因此s

36、tatcom裝置輸出的單相無功功率為當控制statcom裝置產(chǎn)生的電壓小于系統(tǒng)電壓即ui<us時，statcom裝置向系統(tǒng)輸出的無功功率q<0，此時statcom裝置相當于電感；當控制statcom裝置產(chǎn)生的電壓大于系統(tǒng)電壓即ui>us時，statcom裝置向系統(tǒng)輸出的無功功率q>0，此時statcom裝置相當于電容。由于statcom裝置產(chǎn)生的電壓ui的大小可以連續(xù)快速地控制，因此statcom吸收的無功功率可以連續(xù)地由正到負進行快速調(diào)節(jié)。2.3 statcom 裝置的時域數(shù)學模型 圖2-3 statcom裝置的原理接線圖圖2-3為statcom裝置原理接線圖，可利用

37、輸入輸出建模方法來建立statcom裝置的數(shù)學模型，在見模之前先對statcom裝置做如下假設：（1）將statcom裝置中各種損耗及電阻包括開關器件（如晶閘管、二極管等）的導通電阻用等效電阻r表示，連接變壓器閥側至同步信號采樣點的電感l(wèi)。（2）由于statcom裝置輸出電壓有多個單項橋輸出電壓疊加而成，諧波含量低，因此只考慮statcom輸出電壓的基波分量而忽略諧波分量?；谏厦娴募俣皩⒍鄠€單相橋的輸出電壓ulr（t）按一定規(guī)律串聯(lián)起來，取其基波，可以得出statcom裝置變流器總的輸出電壓為 （2-2） 其中k為比例系數(shù)，為statcom輸出電壓與系統(tǒng)電壓的夾角，為可控量。而系統(tǒng)三相電壓

38、為 （2-3）根據(jù)statcom裝置的原理圖，可以列出statcom裝置的a、b、c三相動態(tài)方程: （2-4） 將（2-2）和（2-3）代入得： （2-5）而直流側電容電壓的動態(tài)方程可以由能量關系得到: （2-6）代入（2-6）化簡可得: （2-7）因此statcom的數(shù)學模型為由上式可知，數(shù)學模型包含四個未知數(shù)和四個方程，只要已知statcom裝置的電流和直流電壓的初始值，通過解微分方程即可求出各個變量隨時間變化的規(guī)律。但上述數(shù)學模型為時變系數(shù)的微分方程，理論分析比較困難，為此我們利用電力系統(tǒng)中常用的經(jīng)典派克變換(也稱dq0變換，為線性變換矩陣)，將時變微分方程變換為常系數(shù)微分方程。經(jīng)典派克

39、變換的矩陣為將式中abc三相電流進行dq0變換，即令:對前述數(shù)學模型進行變換得到statcom裝置在dq0坐標下的數(shù)學模型:由于statcom裝置為三相三線制系統(tǒng)，三相電流之和為零，所以上述方程中的始終為零，因此可以將該方程去掉，得到statcom的數(shù)學模型為該數(shù)學模型為常系數(shù)微分方程，便于進行理論分析。按照瞬時功率理論，statcom裝置注入系統(tǒng)的瞬時三相有功功率和無功功率為而因此有3 無功功率的檢測方法和statcom的控制策略3.1 無功功率檢測方法補償裝置對系統(tǒng)無功功率的補償效果很大程度上依賴于對系統(tǒng)電路瞬時值的檢測，諧波及無功電流實時檢測的快速性、準確性及靈活性直接關系影響到其跟蹤補

40、償特性。因此，實時精確的檢測方法對無功補償?shù)难芯渴种匾Ｄ壳疤岢龅臋z測方法主要有以下幾種：(1)帶通濾波器或陷波（帶阻）濾波器：造價低，輸出阻抗??；但當電網(wǎng)頻率波動時，這種方法的濾波效果差，不能直接檢查出電流中的無功分量。（2）基于fryze時域分析的有功電流分離法：該方法有較大時延，實時性較差。（3）基于頻域分析的fft分解法：該方法不僅有較大時延，實時性較差，且對高次諧波的檢測精度較差。（4）自適應檢測方法：基本上可以克服電源電壓畸變和電網(wǎng)頻率偏移對檢測系統(tǒng)的影響，具有較好的自適應能力，但其存在動態(tài)響應慢的缺點，并對硬件的性能要求高。（5）同步檢測法：臺灣學者chencl提出的同步檢測法

41、有等功率(psd),等電流(csd)、等電阻(rsd)三種檢測途徑，可以實現(xiàn)對不平衡三相電力系統(tǒng)無功和諧波電流的實時檢測，但是無法分離出補償電流中的無功電流和諧波電流。（6）基于小波變換的檢測方法：克服了傅立葉變換在頻域完全局部化而在時域完全無局部性的缺點。但該方法需要一個周期的電流信號，有帶通濾波器的缺點，得到畸變電流需要兩次變換，計算量大。（6）基于瞬時無功功率理論的電流檢測法：該方法可以在電網(wǎng)電壓不對稱或畸變的情況下，仍能精確地分離出基波正序瞬時無功電流和不對稱及高次諧波瞬時無功功率電流，并對它們進行有選擇性的補償或完全補償。基于廣義瞬時無功功率檢測法以其快速精確的優(yōu)點成為目前研究的熱點

42、，亦成為補償裝置的首選檢測方法。傳統(tǒng)理論中的有功功率、無功功率、有功電流、無功電流都是在平均值或相量的意義上定義的，它們只適用于電壓、電流均為正弦波時的情況。而瞬時無功功率理論中的概念都是在瞬時值的基礎上定義的，它不僅適用于正弦波，也適用于非正弦和任何過渡過程的情況。瞬時無功功率理論，即“d-q”理論，是80年代由日本學者赤木泰文提出來的，它使得電力有源濾波器的研究走出了實驗室，在工業(yè)中得到了應用。但是，它只適用于三相電壓正弦、對稱的情況下的三相電路高次諧波和基波無功電流的檢測。隨著時間的推移，這一理論得到了發(fā)展、完善。在90年代，西安交通大學王兆安教授等提出了“d-q”理論，該理論所提的檢測

43、方法解決了三相電壓非正弦、非對稱情況下三相電路高次諧波和基波負序電流的準確測量，該方法也能準確檢測三相電壓非正弦情況下三相電路基波無功電流。3.1.1基于dq理論檢測方法dq變換，即park變換，是一種根據(jù)雙反應原理將參考坐標自旋轉電機的定子側轉換到轉子側上的坐標變換?；赿q變換的檢測算法可以確定瞬時電壓的有效值，得到了廣泛的應用。其變換公式如式為反變換為：其中這種變換存在變換前后電磁功率不守恒的缺點，為使變換前后功率守恒，其變換矩陣應為正交矩陣。變換矩陣為：。其中為同步旋轉角，由鎖相環(huán)(pll)電路捕獲，能實時跟蹤電網(wǎng)基波正序分量頻率的變化;:ia、ib、ic為負載三相電流;id , iq

44、分別是三相電流經(jīng)同步坐標變換后的d軸分量和q軸分量·該方法根據(jù)瞬時無功功率理論算出id , iq經(jīng)低通濾波器(lpf得到id , iq的直流分量和。，經(jīng)和變換即可計算出被檢測電流的基波分量，·其檢側原理圖如下圖所示。3.2 statcom裝置的控制方法按不同的功能和要求，statcom的控制從控制策略上講，有三種基本結構:開環(huán)控制、閉環(huán)控制或者兩者結合的復合控制.按照控制技術來分，主要包括p控制、pi控制、逆系統(tǒng)pi控制、微分幾何控制、非線性魯棒控制、模糊控制、遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡自適應控制等等.根據(jù)控制物理量，由無功電流參考值調(diào)節(jié)statcom產(chǎn)生所需無功電流的具體控制方法，可以

45、分為直接電流控制和間接電流控制兩大類.3.2.1 直接電流控制所謂直接電流控制，就是采用跟蹤型pwm控制技術對電流波形的瞬時值進行反饋控制，直接指令電流的發(fā)生。圖3. 2給出了引入d- q分解法的電流直接控制方法。這種控制方法中，以瞬時電流無功分量的參考值為主，或者瞬時電流無功分量的參考值由滯后電源電壓90°的正弦波與無功電流參考值相乘，再與瞬時電流有功分量的參考值相加得到;根據(jù)statcom對有功能量的需求，對的相位進行修正來得到總的瞬時電流參考值。跟蹤型pwm控制技術采用了三角波比較方式，也可采用滯環(huán)比較方式。由于直接電流控制法是對電流瞬時值的跟蹤控制，要求主電路中電力半導體開關

46、器件有較高的開關頻率，對于大功率statcom場合，這種方法有很大的局限性，適用于中小容量的statcom的控制.圖3.2采用dq變換的直接電流控制原理框圖3.2.2 間接電流控制所謂間接電流控制，是通過statcom逆變器所產(chǎn)生交流電壓基波的相位和幅值，來間接控制statcom的交流側電流。如圖3.3所示，采用了statcom吸收的無功和有功的反饋控制，采用d-q分解法檢測statcom吸收的無功和有功電流，直流電壓的反饋控制，且直流電壓調(diào)節(jié)器的輸出作為有功電流的參考值。間接電流控制方法多應用于較大容量statcom。大容量的系統(tǒng)，由于開關頻率的降低，輸出的電壓會產(chǎn)生大量的諧波并降低直流電壓

47、的利用率，為了減少諧波，可以采用多重化、多電平或者采用pwm控制技術。圖3.3采用dq變換的間接電流控制原理框圖3.2.3 電流間接與直接控制的比較以上是statcom的兩類控制方法，即電流的間接控制和電流的直接控制。電流間接與直接控制具有各自的特點，歸納起來有如下幾個方面:(1)電流的間接控制方法相對簡單，技術相對成熟;但直接控制與間接控制相比，控制精度高，系統(tǒng)具有快速的瞬態(tài)響應。由于瞬時反饋的引入，控制系統(tǒng)對直流側電壓和交流側電網(wǎng)電壓波動迅速作出反應，保持輸出電流跟隨參考值。(2)直接控制比間接控制的系統(tǒng)穩(wěn)定性高。電感的電流控制環(huán)是一階系統(tǒng)，無條件穩(wěn)定。(3)直接控制可抑制負序引起的不良影

48、響。電網(wǎng)負序電壓存在時，因為無功電流指令是先用“abc- dq”變換到瞬時無功電流，再通過“dq- abc"逆變換為三相電流，無功電流對稱，流入直流側電流脈動小，電壓脈動也小;另外，電流直接控制對相位的檢測精度要求不高，這點與間接控制不同，這一優(yōu)點給控制器的實現(xiàn)帶來很大的方便。(4)直接控制對電力半導體器件開關頻率要求高，它適用于較小容量statcom的控制;而間接控制適用于較大容量statcom控制，但由于容量大，受電力半導體開關器件頻率限制，一般無法像直接控制方法那樣對電流波形進行跟蹤控制。(5)采用直接控制的大容量statcom可采用多個變流器多重化聯(lián)結、多電平或pwm控制技術

49、來減小諧波。采用電流pwm跟蹤控制的直接控制方法，statcom輸出電流中的諧波含量少。(6) statcom采用電流直接控制方法后，其響應速度和控制精度將比間接控制法有很大的提高，在這種控制方法下，statcom實際上已經(jīng)相當于一個受控的電流源，但直接控制法由于是對電流瞬時值的跟蹤控制，因而要求主電路電力半導體器件有較高的開關頻率，這對于大容量的statcom目前是難以做到的。(7)在工程實際應用中，電流直接控制方法中的脈寬調(diào)制信號的產(chǎn)生方法用的最多的是滯環(huán)控制法和三角波比較法，而三角波比較法更多的用于連續(xù)時域控制，滯環(huán)控制法及改進的滯環(huán)控制法則更適合于數(shù)字化控制應用?？臻g矢量法適合用于三相

50、對稱正弦系統(tǒng)，否則由于計算量大和需要增加濾波環(huán)節(jié)來檢測基波元功電流，影響控制效果。4statcom裝置的無功補償仿真研究4.1 仿真軟件matlab/simulink簡介4.1.1 仿真軟件matlab/simulink的概括simulink是matlab提供的實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模和仿真的一個軟件包，是基于框圖的仿真平臺。simulink掛接在matlab環(huán)境上，以matlab的強大計算功能為基礎，利用直觀的模塊框圖進行仿真和計算。simulink提供了各種仿真工具，尤其是它不斷擴展的、內(nèi)容豐富的模塊庫，為系統(tǒng)的仿真提供了極大的便利。simulink最初是為仿真控制系統(tǒng)而建立的工具箱，在使用中易編

51、程、易擴展，并且可以解決在使用matlab過程中遇到的非線性、變系數(shù)等問題。它能夠進行連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)的仿真，也能夠進行線性和非線性系統(tǒng)仿真，并且支持多種采樣頻率系統(tǒng)的仿真，使不同的系統(tǒng)能以不同的采樣頻率組合，這樣就可以仿真較大、較復雜的系統(tǒng)。因此，不同的科學領域根據(jù)自己的仿真要求，以matlab為基礎，開發(fā)了大量的專用仿真程序，并把這些程序以模塊的形式放入simulink中形成模塊庫。simulink的模塊庫就是在matlab的基礎語言上編寫的子程序集?，F(xiàn)在simulink模塊庫有3級樹狀的子目錄，在一級目錄下包含了simulink最早開發(fā)的數(shù)學計算工具箱、控制系統(tǒng)工具箱的內(nèi)容，之后開發(fā)的

52、信號處理工具（dsp block）、通信系統(tǒng)工具箱（comm）等也并行列入模塊庫的一級子目錄，逐級打開模塊庫瀏覽器（simulink library browser）的目錄，就可以看到這些模塊。在simulink也包含了電力系統(tǒng)模塊庫（power system block），該模塊庫主要由加拿大hydroquebec 和tecsim international公司共同開發(fā)。該模塊可以方便的進行rlc電路、電力電子電路、電力系統(tǒng)和電機控制系統(tǒng)模塊的仿真。本人即在（power system block）模塊下進行的靜止同步補償器的仿真。4.1 .2 仿真軟件matlab/simulink的主要功能

53、（1）此高級語言可用于技術計算（2）此開發(fā)環(huán)境可對代碼、文件和數(shù)據(jù)進行管理（3）交互式工具可以按迭代的方式探查、設計及求解問題（4）數(shù)學函數(shù)可用于線性代數(shù)、統(tǒng)計、傅立葉分析、篩選、優(yōu)化以及數(shù)值積分等（5）二維和三維圖形函數(shù)可用于可視化數(shù)據(jù)（6）各種工具可用于構建自定義的圖形用戶界面（7）各種函數(shù)可將基于 matlab 的算法與外部應用程序和語言（如 c、c+、fortran、java、com 以及 microsoft excel）集成4.2 statcom的仿真4.2.1 statcom 的仿真的主接線 在第二章中，通過對statcom的原理分析中，利用matlab/simulink中powe

54、r system blockset模塊，里面含有電源、元器件等眾多模塊庫，可以進行電力系統(tǒng)方面的建模仿真。下圖即為在間接控制策略下的statcom系統(tǒng)仿真總圖。 圖4-1 statcom采用電流間接控制時系統(tǒng)仿真圖當statcom采用電流間接控制策略時，其工作原理是根據(jù)負荷無功功率的大小調(diào)整補償角，間接控制statcom交流側的電流和輸出電流，實現(xiàn)對接入點處負荷的無功功率進行完全補償，從而使功率因數(shù)達到1.模塊中三相可編程電源代替無窮大系統(tǒng)，設定線電壓有效值無380v頻率50hz，恒定負載等效阻抗每項，。statcom主電路包括控制開關、三廂脈沖發(fā)生器以及電壓源型變流器。其中無功檢測電路模塊圖

55、: 圖4-2 無功檢測仿真模塊圖4.2.2 仿真波形及結果分析：圖4-3 statcom 投入運行后系統(tǒng)功率因數(shù)變化曲線 由變化曲線可以看出，statcom投入運行后，經(jīng)過5個周期后的暫態(tài)振蕩過程，系統(tǒng)功率因數(shù)維持在1附近，所以statcom得投入大大的提高了系統(tǒng)的功率因數(shù) 圖4-4補償前后電壓電流相位對比由圖4-4可知，在補償前電壓超前電流角，經(jīng)過補償后兩者完全同相位，實現(xiàn)了補償效果。其中紅色為電壓波形，黃色為電流波形。下圖所示的是statcom投入運行后的再statcom交流側的a相電壓和a相電流波形圖： a） 投入statcom a相電壓波形 b)statcom a相電流波形 圖4-5 statcom交流側a相電壓與a相電流波形圖 可以看出，經(jīng)過短暫的震蕩之后，statcom開始吸收穩(wěn)定的容性電流，為系統(tǒng)提供動態(tài)無功功率補償。a） 補償前系統(tǒng)a相電流波形b） 補償后系統(tǒng)a相電流波形圖 4-6 系統(tǒng)a相電壓與補償前后系統(tǒng)a相電流波形比較 4.3 本章小結本章statcom仿真模型主電路有四大部分構成，由電力系統(tǒng)、主電路、控制電路和檢測電路組成，控制電路采用間接電流控制的控制方法，該控制方法能正確、快速地補償負荷所需的無功。statcom在很大程度上能抑制電壓波動及電壓暫降，跟蹤補償特性良好。通過采用電力系統(tǒng)仿真軟件