郭燕-低压DSTATCOM无功补偿与谐波抑制研究.doc

1、 硕士学位论文低压DSTATCOM无功补偿与谐波抑制研究RESEARCH OF VAR COMPENSATION AND HARMONICS RESTRAIN OF DSTATCOM IN LOWVOLTAGE SYSTEM作 者：郭燕 导 师:史丽萍教授 中国矿业大学 二九年六月学位论文使用授权声明Certificate of Thesis Authority本人完全了解中国矿业大学有关保留、使用学位论文的规定，同意本人所撰写的学位论文的使用授权按照学校的管理规定处理：作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者须授权所在学校拥有学位论文的部分使用权，即：学校档案馆和图书馆有权保留学位论文的

2、纸质版和电子版，可以使用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文;为教学和科研目的，学校档案馆和图书馆可以将公开的学位论文作为资料在档案馆、图书馆等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。另外，根据有关法规，同意中国国家图书馆保存研究生学位论文.（保密的学位论文在解密后适用本授权书）。作者签名： 导师签名:年 月 日 年 月 日中图分类号 TM714。3 学校代码 10290 UDC 621。3 密 级 公开 中国矿业大学硕士学位论文低压DSTATCOM无功补偿与谐波抑制研究RESEARCH OF VAR COMPENSATION AND HARMONICS RESTRAIN OF DSTA

3、TCOM IN LOWVOLTAGE SYSTEM作 者 郭燕 导 师 史丽萍 申请学位 工学硕士 培养单位 信电学院 学科专业 电力系统及其自动化 研究方向 电力系统及其自动化答辩委员会主席 评 阅 人 二九年六月论文审阅认定书Thesis approval identification研究生 郭燕 在规定的学习年限内,按照研究生培养方案的要求，完成了研究生课程的学习,成绩合格;在我的指导下完成本学位论文，经审阅，论文中的观点、数据、表述和结构为我所认同，论文撰写格式符合学校的相关规定，同意将本论文作为学位申请论文送专家评审。 导师签字： 年 月 日致谢Acknowledgments本论文是

4、在史丽萍教授的悉心指导下完成的，没有史老师的指导、鼓励及资金上的大力支持，论文是不可能得以顺利完成的。师从三载，收获颇丰，感触亦深.史老师优秀的做人品质，严谨的治学态度,开拓创新的精神，高屋建瓴把握全局的能力，忘我的工作精神给学生树立起潜移默化的典范作用,这也是导师传授给学生最宝贵的财富。在此,谨向我的导师致以深深的敬意。在论文实验的过程当中，实验室韩丽老师、苗长新老师给予了许多帮助,在此谨致以衷心的感谢！研究生三年实验室的张增生、闫其尧、樊丽等同学给了我很多帮助，与他们共度的美好时光，我将永生难忘。同时实验室的师弟师妹在生活、学习上给我创造了一个良好的环境，在此一并表示衷心的感谢！特别要感谢

5、我的父母，在我长期的求学生涯中，他们在生活上的支持和精神上的关心鼓励是我不断进取的力量源泉.最后向百忙之中评阅本文并提出宝贵意见的各位教授、专家表示最诚挚的谢意，祝他们工作顺利,万事如意。摘 要配电网静止同步补偿器(Distribution Static Synchronous Compensator, DSTATCOM）作为一种先进的用户电力技术，因其能对系统无功功率进行双向动态补偿，而成为无功补偿技术研究的热点。本文针对配电网的无功补偿、负载不平衡及消除谐波、零序等有害电流问题，重点研究了三相三线制和三相四线制DSTATCOM的控制方法。本文的工作如下: 对DSTATCOM的工作原理进行了

6、分析，针对三相三线制和三相四线制DSTATCOM不同的主电路结构，采用基于电流直接控制的控制方法，利用开关函数法分别建立了详细的数学模型。本文首先介绍了无功谐波电流的几种检测方法、电流间接控制和电流直接控制。鉴于本文研究的背景是配电网，补偿容量较小,DSTATCOM的控制方法采用电流的直接控制,经d-q运算方式得到电流参考值，由SVPWM产生脉冲信号。本文提出了一种补偿电流参考值复合取值的方法，主要思想是在电源侧取值进行谐波补偿，在负荷侧取值进行无功补偿.复合取值方法综合了两者的优点，在完全补偿无功的基础上，谐波含量要比负荷侧取值小.为了更好的控制直流侧电容电压，本文提出了一种分段PI控制使得

7、电压不仅无超调,而且响应时间大大减小。本文首先通过MATLAB/Simulink建立了DSTATCOM的仿真模型，包括三相三线制和三相四线制下不同的仿真模型.其次经过理论分析和仿真研究，得到了DSTATCOM的最优控制参数，为实现DSTATCOM补偿无功功率、补偿不平衡电流分量的功能奠定基础.在三相四线制时,为了控制中线电流，DSTATCOM采用四相滞环比较器分别补偿各相电流，在补偿无功的同时减小中线电流.最后，经仿真验证,不管负荷是稳态还是动态变化情况下,不管三相感性、容性负荷对称与否，以及电压存在畸变甚至电压跌落的情况下,本文所提出的控制方法均具有良好的无功补偿性能和动态响应速度。关键词：

8、静止同步补偿器;无功补偿;谐波抑制;三线四线制AbstractAs an advanced user power technology， distribution static synchronous compensator (DSTATCOM) can compensate system inductive and capacitive reactive power， and become the core of reactive power technology。 The paper studied control methodology of DSTATCOM in threephase

9、 threewire system and in threephase fourwire system， in order to solve the problem of reactive power、load unbalance、harmonic wave elimination and zero sequence current so on。The paper analyzed the work principle of DSTATCOM in three-phase threewire system and in three-phase four-wire system and esta

10、blished current direct control based detailed mathematic model using switching function。The paper introduced detection methods of reactive and harmonic current、current direct control as well as current indirect control。 Given the small compensation capacity in power distribution network, control met

11、hodology current direct control based calculated reference current by dq operation， and generated pulse signals by SVPWM。 Furthermore， a compound reference compensation current was presented。 The concept compensated harmonic wave in source side and reactive power in load side, which reduced harmonic

12、 contents on the basis of complete reactive power compensation. In addition， a new section PI method can reduce charging time of DC capacitor voltage without overshoot。文档为个人收集整理，来源于网络个人收集整理,勿做商业用途The paper established DSTATCOM model in threephase three-wire system and in threephase four-wire system

13、using MATLAB/Simulink. After research on model， the optimum control parameters were obtained to compensate reactive power and unbalanced current。 In the threephase four-wire system， DSTATCOM compensated four-phase current using fourphase hysteresis loop comparator in order to decrease current in mid

14、dle wire.Experience results verified that the control methodology can compensate reactive power quickly， no matter in steady state or dynamic state, no matter in inductive state or capacitive state, and no matter balanced load or unbalanced load， and even voltage is distorted as well as in the condi

15、tion of voltage sag。 文档为个人收集整理,来源于网络文档为个人收集整理，来源于网络Keywords: DSTATCOM； VAR compensation; harmonics restrain； threephase four-wire system. 目 录1 绪论91 Introduction91。1 研究背景及意义(Research Background and Significance of the Issue)91。2 无功补偿和谐波抑制研究现状（Research Status of Compensating Reactive Power and Harmoni

16、c Wave）111.3 无功补偿装置简介(Brief Introduction of Reactive Power Compensation Installation）141。4 静止无功补偿器国内外应用情况(Application of DSTATCOM at Home and Abroad)161。5 DSTATCOM控制方法的研究现状(Research Status of DSTATCOM Control Methods)171。6 本文主要工作（Main Research Work in the Paper)192DSTATCOM工作原理及建模212 Principle and Mo

17、deling of DSTATCOM212。1 DSTATCOM的工作原理（Principle of DSTATCOM）212。2 三相三线制DSTATCOM的主电路和数学模型(Main Circuit and Modeling of DSTATCOM inThreephase Threewire System）242.3 三相四线制DSTATCOM的主电路和数学模型（Main Mircuit and Modeling of DSTATCOM in Three-phase Four-wire System）262.3.1三相四线制DSTATCOM的主电路（Main Circuit of DST

18、ATCOM in Three-phase Fourwire System)262。3。2三相四线制DSTATCOM的数学模型(Modeling of DSTATCOM in Three-phase Four-wire System)282.4 本章小结（Brief Summary)293 DSTATCOM的控制策略313 control strategy of DSTATCOM313。1无功谐波电流的检测方法（Detection Methods of Reactive and Harmonic Current)313.1。1 pq和ip-iq运算方式（p-q and ipiq Operatio

19、n）313.1.2 d-q运算方式（d-q Operation）353.2 DSTATCOM的控制方法研究(Research of DSTATCOM Control Methods)383.2.1 电流间接控制(Current Indirect Control)383。2。2 电流直接控制(Current Direct Control）393.3直流侧电容电压的控制(Capacitor Voltage Control in DC Side）443.3.1传统PI电压控制的缺点(Shortcoming of Traditional Voltage Control）453.3。2分段PI电压控制(

20、Section Voltage Control）463。4 SVPWM脉冲信号的产生（SVPWM Pulse Signal）503.4.1 空间矢量调制（SVPWM）原理（Principle of SVPWM)503.4.2 空间矢量调制（SVPWM）的实现（Implement of SVPWM）533.4。3 空间矢量调制（SVPWM）的实时调制算法（Real-time Modulation of SVPWM)563.5 DSTATCOM控制策略（Control Strategy of DSTATCOM）593.6小结(Brief Summary)634 DSTATCOM控制系统仿真研究65

21、4 DSTATCOM control system simulation654.1 MATLAB/Simulink仿真技术概述（Brief Introduction of MATLAB/Simulink Simulation Technique）654.2 DSTATCOM的仿真模型(DSTATCOM Simulation Model)664。2.1 DSTATCOM三相三线线制时的仿真模型（DSTATCOM Simulation Model in Threephase Threewire System)664。2。2 DSTATCOM三相四线制时的仿真模型(DSTATCOM Simulati

22、on Model in Threephase Fourwire System)674。3各种参数的选择对DSTATCOM补偿性能的影响研究(Parameters Selection's Effect on the Compensation of DSTATCOM)704.3.1 DSTATCOM交流侧电感对DSTATCOM补偿性能的影响(Inductance Effect on the Compensation of DSTATCOM in AC Side)704.3.2 DSTATCOM直流侧电容电压对DSTATCOM补偿性能的影响（Capacitor Voltage Effect

23、on the Compensation of DSTATCOM in DC Side)724。3.3 DSTATCOM直流侧电容容量对DSTATCOM补偿性能的影响(Capacitor Capacity Effect on the Compensation of DSTATCOM in DC Side）734.4 三相三线制DSTATCOM的控制方法（Control Methods of DSTATCOM in Three-phase Threewire System）754.4。1 三相对称负载稳态情况下(Three-phase Balance Load in Steady State)75

24、4.4.2 三相对称负载动态变化情况下(Threephase Balance Load in Dynamic State）764。4。3 三相不对称负载(Three-phase Unbalance Load)804.4.4 电压畸变情况下（under the Conditon of Distortion Voltage）834.4.5 三相平衡负载电压跌落情况下（Threephase Balance Load under the Conditon of Voltage Sag）854。5 三相四线制DSTATCOM的控制方法（Control Methods of DSTATCOM in Thr

25、eephase Fourwire System）874。5。1 三相不平衡负载稳态情况下(Three-phase Unbalance Load in Steady State）884.5。2 三相不平衡负载动态变化情况下(Three-phase Unbalance Load in Dynamic State)914.5.3三相不平衡负载在电压跌落情况下(Threephase Unbalance Load under the Conditon of Voltage Sag）944。6 小结(Brief Summary）955 总结与展望965 Conclusions and Prospect96

26、参考文献981 绪论1 Introduction1。1 研究背景及意义（Research Background and Significance of the Issue)作为人们广泛使用的能源,电能的应用程度是一个国家发展水平和综合国力的主要标志之一。在满足工业生产、人民生活对电能需求量的同时,提高对电能质量的要求是一个国家工业生产发达、科技水平提高、社会文明程度进步的表现，是信息时代和信息社会发展的必然结果,是增强用电效率、节能降损、改善电气环境、提高国民经济的总体效益以及工业生产可持续发展的技术保证。在电力系统发展的初期,电力负荷的组成比较简单，主要由变压器、电动机和各种照明设备等组成，

27、谐波和无功问题不是很严重.衡量电能质量的指标也比较简单，主要有频率偏移和电压偏移两种。所以早期的电能质量问题显得不是很突出1-2.随着现代电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置在电力系统中得到了广泛应用。越来越多具有运行功率因数低、非线性、非对称性或冲击性等特点的工业用电设备和民用设备接入配电网中.这些设备在运行时产生谐波、电压波动和闪变，造成电网电压波形畸变，三相负荷不平衡，供电质量下降，影响电网及用户设备安全和经济运行.非线性和冲击性负荷接入电网,引起的电能质量问题主要包括：电压升高（Swell）、浪涌（Surge）、电压波动（Fluctuation）、脉冲（Impulse）、电压跌落(

28、Sag）和瞬时供电中断（Momentary Interruptions)等.电能质量问题与电力系统的无功功率有着紧密的联系，电力电子装置等非线性装置在工作时基波电流滞后于电网电压，要消耗大量的无功功率.另外,这些装置也会产生大量的谐波电流，而谐波源都要消耗无功功率。无功功率如果不能及时地得到补偿，会对电网安全、稳定运行产生不利影响：首先，会导致电网总电流的增大,从而使电力系统设备，如变压器、电气设备、导线等容量增大，使用户内部的启动控制设备、测量仪表等规格、尺寸增大，因而使总投资增大。在输送同样功率的情况下使设备和线路的损耗增加；其次，无功储备的不足会导致电网电压的降低，影响正常的生产和生活用

29、电；反之，无功功率过剩，则会造成电网运行电压过高，电压波动率过大；如果是冲击性的无功功率的负载，还会使电压产生剧烈的波动,例如电弧炉、轧钢机等大型设备会产生频繁的无功功率冲击，使电网的供电质量更加恶化。再次，对电力系统的发电设备来说，无功电流的增大，对发电机转子的去磁效应增加,电压降低，如过度增大励磁电流，则会使转子绕组温升过重。若系统中出现无功不足或倒送现象,会引起电压波动，而负荷所需无功完全由送电端经长距离提供是不合适的，甚至不可行的。合理的方法应是在消耗的地方产生无功功率,这就是无功补偿问题.无功补偿的作用主要有以下几点：（1）提高用电系统及负载的功率因数,降低设备容量,减少功率损耗.(

30、2）稳定受电端及电网的电压,提高供电质量。在长距离输电线中合适的地点设置态无功补偿装置可以改善输电系统的稳定性，提高输电能力.（3）在一些三相负载不平衡的情况下，通过适当的无功补偿可以平衡三相的有功功率及无功功率。由于无功补偿具有上述重要的作用,因此对无功补偿技术进行研究具有相当重要的意义。谐波与无功是两个相对独立的问题,但两者之间又有非常紧密的联系。在正弦系统中，谐波与无功各有固定的概念和定义。在畸变系统中,谐波同时影响了系统的无功功率和功率因数。并且产生谐波的装置一般也要消耗基波无功功率，如各种电力电子装置、电弧炉和变压器等；而补偿谐波的装置一般也是补偿基波无功功率的装置,如LC滤波器。因

31、此谐波与无功密不可分.谐波的危害主要有以下几方面3：（1）谐波使公用电网中的元件产生了附加的谐波损耗，降低了发电、输电及用电设备的效率，大量的3次谐波流过中性线时会使线路过热甚至发生火灾。（2)谐波影响各种电气设备的正常工作。谐波对电机的影响除引起附加损耗外，还会引起机械振动、噪声和过电压，使变压器局部严重过热。谐波使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短，以至损坏。（3）谐波会引起公用电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，这就使上述危害大大增加,甚至引起严重事故。（4）谐波会导致继电保护和自动装置的误动作,并会使电气测量仪表计量不准确。（5)谐波会对邻近的通信线路产生干扰，引起

32、通信系统的噪声，降低通话的清晰度，严重时会引起信号的丢失。长期以来，我国低压配网网架结构薄弱、线径小、设施老化、负荷电流大，自然功率因数低，而且结构复杂，电压质量不易控制，无功功率靠上级电网远距离输送，不能及时了解无功潮流变化，不能就地补偿无功功率，电网的电能质量问题严重.因此采用先进的设备和技术，解决电力系统配电网上的无功补偿、谐波抑制及电压闪变、电压波动等电能质量问题变得日益迫切。1。2 无功补偿和谐波抑制研究现状(Research Status of Compensating Reactive Power and Harmonic Wave)无功补偿与谐波抑制是涉及电力电子技术、电力系统

33、、电气自动化技术、理论电工等多领域的重大课题,它已成为世界各国的研究热点。无功问题的研究历史可追溯到1888年，那时有文献指出，在正弦交流电路中,负载引起的电压、电流间的相位移导致电能在电源与负载间的往复传输，这一现象被认为是无功功率的表征。电网中的无功平衡对提高全网的经济效益和改善供电质量，增加系统稳定性至关重要4。目前，电网中绝大部分负荷需要消耗无功，这就要求系统提供一定量的无功,以支撑供电点的电压.传统的电能质量补偿技术主要是通过在系统侧或用户侧补偿适当的无功功率,保证用户在电网稳态运行时的电压波形。配电系统中使用的主要手段有改变变压器分接头、加装并联电容器或静止无功补偿器（SVC）、加

34、装并联LC无源滤波器等。这些措施虽然技术成熟、应用广泛，在一些场合下有很好的效果。但是，它们已经不能完全满足目前工农业用户及民用用户对电能质量的要求5.例如,采用变压器有载调压和加装并联电容器，只有在系统无功充足的情况下才能起到稳定用户端电压的作用，而在系统无功不足、电压下降的情况下,并联电容器的无功补偿能力也会随之降低，变压器有载调压更会导致电压情况的进一步恶化，甚至发生电压崩溃。一般而言,具有非线性电气特性的设备均构成了谐波源，在电力系统中，波形的畸变主要来源于两大因素.第一是接入电网的电阻、电容、电感元件的非线性，如发电机、变压器等设备；第二是大量使用的电力电子装置。利用变流器对电压、电

35、流及能量进行控制与变换可以提高电力装置的性能，但同时引入了波形的畸变。随着电力电子装置在工业及民用事业中日益广泛的应用,它们产生的谐波已成为当今世界各国电力系统谐波的主要来源.传统的抑制谐波技术主要靠加装LC无源滤波器，在实际应用中，由于其结构简单、投资小,故一直被广泛使用.但这种方法最大的缺点就是其性能要受到电网阻抗和运行参数的影响，易和系统发生并联谐振,导致谐波电压放大，使LC滤波器过载甚至烧毁。从以上分析我们可以看到，传统的无功补偿和谐波抑制方法不能很好地解决当前的电能质量问题，如何跟踪负荷的无功变化，对负荷进行动态无功补偿,抑制谐波以改善配网的电能质量，这是摆在电力工作者面前的难题,需

36、要我们多寻求一些新方法、新途径。针对配电网中的电能质量问题，1988年美国学者N.G。Hingorani博士提出用户电力技术(Custom Power)、又名DFACTS (Distribution Flexible AC Transmission System)的概念6.IEEE定义用户电力技术：在中低压配电网中利用电力电子技术或静止控制器给对电能质量变化敏感的用户提供一定水平可靠性或质量的电能。由此可见DFACTS对供电质量的各种问题采取综合的解决办法,在配电网和大量商业用户的供电端使用新型电力电子控制器,来解决供电质量和可靠性的问题，是在系统侧提高电能质量的一种更经济、有效的方法。DFA

37、CTS是以大功率可控硅为基础,将电力电子技术、计算机技术、控制理论等结合起来，以提高配电网可靠性及电能质量的新型综合技术.用户电力技术可以使供电可靠性和电能质量得到如下效果:无（或极少有)电力中断；电压降低的幅度和持续时间在允许范围内；过电压的幅度和持续时间在允许范围内；电压谐波含量低;相间不平衡度小;在允许范围内的负荷波动、非线性和低功率因数对母线电压无明显影响。与传统的电力系统技术相比，用户电力技术具有精确、快速、灵活等特点,是解决电能质量问题的有效手段。用户电力装置侧重于配电系统，具有工作电压低，装置容量小等特点，其功能往往是根据少数用户的要求而设计的。根据工作原理，用户电力技术可以分为

38、两代：第一代是阻抗调节型控制器，基于半可控器件晶闸管的,利用其开关特性调节无源器件，如电容和（或）电抗的等效阻抗，以达到改变系统参数的目的，如SVC和TCSC等。第二代是，以全可控器件如IGBT，GTO等所构成的电压和电流源变流器，以其产生的同步电压(或电流）来对系统的电压和电流进行控制的装置,如同步并联补偿器DSTATCOM，同步串联补偿器和统一潮流控制器UPFC等。低压配电系统是电力系统与用户紧密联系的环节,其电能质量的好坏直接影响到用户的生产、生活和经济效益，因此对低压侧DSTATCOM的研制是国内同行研究的热门领域。根据所采用的控制算法，DSTATCOM可具有以下一种或几种功能：（1)

39、动态无功补偿DSTATCOM可以对系统无功进行无级调节，调节范围可以从感性到容性，在一个工频周期内,DSTATCOM就可将无功从0调节至满负荷。(2）有源滤波检测负载电流并将其分为基波和谐波两部分，并使谐波部分只在DSTATCOM和负载之间流动，从而确保流向电力系统的电流是正弦的，中大功率DSTATCOM一般不对所有成分的谐波进行补偿，而只是对几种含量较高的低次谐波进行补偿，因为这样可以大大降低电力电子器件的损耗及成本，提高电力电子器件的可靠性。（3)平衡三相负荷DSTATCOM通过向公共端注入正序和负序无功来消除系统中由于不对称造成的负序分量，从而达到平衡负载的作用。随着我国高电压、跨区域电

40、网结构的形成,现代电网结构的日益复杂。加上各种电力电子装置的广泛使用，电力系统对无功补偿、电网电压稳定性提出更高要求.目前世界上很多国家已经开发出容量不等的STATCOM 装置，尤其在高电压、大容量输电系统中.如90年代日本研制的2O MVA静止无功发生器，美国研制出的100MVA静止无功发生器等,国内最近几年来在STATCOM 方面的研究工作也有了长足的进步和突破性的进展，并逐渐向国际先进水平靠拢。可以说STATCOM 在高压输电系统中得到了蓬勃发展，并且在实际应用中都起到了极为重要的作用。但有时仅仅靠使用一些大容量STATCOM 对整个电力系统进行控制和调节是不够的，还需要对电网进一步的实

41、行分层次的控制、调节以及补偿，尤其是在电网的低压领域。目前，在我国电力系统低压领域，动态无功补偿装置主要是以电容投切方式为主，包括机械式投切和晶闸管投切(TSC）两种方式。虽然晶闸管投切方式能够实现零电压投切，具有电容投切无电流冲击，投切速度快等优点，但是它仍然不能实现对无功功率的连续调节，还不能很好的满足现代电力系统对无功补偿的要求。在中低压配电网中装设DSTATCOM装置能有效的解决配电网中常见的电能质量问题。从目前国内外研究现状来看，国外发达工业国家，如美国、日本等在这方面的研究起步较早，已有工业装置在电网和工业企业中投运。而我国由于受多种因数的制约，对DSTATCOM的研究还处于理论研

42、究和实验研究阶段，真正应用于电网和工业企业中的工业装置不多见，其主要原因是一些相关的理论问题和关键技术问题尚未得到解决。在这种情况下，本文采用电流直接控制，建立了DSTATCOM在三相三线和三线四线制时的数学模型,运用dq运算方式对DSTATCOM进行控制，使其能达到补偿无功、抑制谐波，并减小零线电流的效果。本文的若干实验结果对于低压STATCOM 装置的控制研究具有一定的现实指导意义。1.3 无功补偿装置简介(Brief Introduction of Reactive Power Compensation Installation）无功补偿装置主要有以下几种：同步发电机、同步电动机、同步调

43、相机、并联电容器、静止无功补偿装置等。同步发电机调整励磁电流，使其在超前功率因数下运行，输出有功功率的同时输出无功功率；也可采用同步电动机控制无功功率，它与前者的区别主要在于同步发电机位于各发电厂，而同步电动机位于大用户处。传统的无功功率动态补偿装置是同步调相机。它是专门用来产生无功功率的同步电机，在过励磁或欠励磁的不同情况下,可以分别发出不同大小的容性或感性无功功率。近几十年中，同步调相机在电力系统无功功率控制中发挥着主要作用.然而，由于它是旋转电机，因此损耗和噪声都较大,运行维护复杂，而且响应速度慢,在很多情况下已无法适应快速无功功率控制的要求。并联电容器由于简单经济、方便灵活，已逐渐取代

44、了同步调相机。电容器是一种应用广泛的无功补偿装置，其阻抗是固定的,不能跟踪负荷无功需求的变化，也就是不能实现对无功功率的动态补偿。而随着电力系统的发展,对无功功率进行快速动态补偿的需求越来越大。所以20世纪70年代以来，并联电容器开始逐渐被静止无功补偿装置(SVC）所取代。早期的静止无功补偿装置是饱和电抗器型的。1967年,英国GEC公司制成了世界上第一批饱和电抗器型静止无功补偿装置。此后,各国厂家纷纷推出各自的产品.饱和电抗器与同步调相机相比，具有静止型的优点，响应速度快；但是由于其铁芯需磁化到饱和状态因而损耗和噪声都很大，而且存在非线性电路的一些特殊问题，又不能分相调节以补偿负荷的不平衡，

45、所以未能占据静止无功补偿装置的主流。电力电子技术的发展及其在电力系统中的应用，将使用晶闸管的静止无功补偿装置推上了电力系统无功功率控制的舞台.1977年美国GE公司首次在实际电力系统中演示运行了使用晶闸管的静止无功补偿装置.1978年，在美国电力研究院的支持下，西屋电气公司制造的使用晶闸管的静止无功补偿装置投入实际运行。随后，世界各大电气公司都竞相推出了各具特点的系列产品。我国也先后引进数套这类装置。西安电力机械制造公司已具备自行设计制造这类装置的能力，自20世纪80年代末以来,已先后承接了10多个此类工程，并向泰国出口。由于使用晶闸管的静止无功补偿装置具有优良的性能，所以近10多年来，在世界

46、范围内其市场一直在迅速而稳定地增长，已占据了静止无功补偿装置的主导地位.因此静止无功补偿装置这个词往往是专指使用晶闸管的静止无功补偿装置，它包括晶闸管控制电抗器和晶闸管投切电容器型静止无功补偿装置，以及这两者的混合装置，或者晶闸管控制电抗器与固定电容器或机械投切电容器混合使用的装置，如TCR+FC、TCR+MSC等.随着电力技术的进一步发展，20世纪80年代以来,一种更为先进的静止无功补偿装置出现了这就是采用自换相变流电路的静止无功补偿装置,称之为静止无功发生器(STATCOM)，也有人称之为高级静止无功补偿器（ASVC).静止同步补偿器(STATCOM）是对静止无功补偿器(Static Va

47、r Compensator， SVC）革新改进后的装置。STATCOM和SVC不同,SVC需要大容量的电抗器、电容器等储能元件,而STATCOM在其直流侧只需要较小容量的电容器维持其电压即可。它调节无功的能力比SVC强，其输出无功电流不会因为母线电压的大幅降低而降低。理论上,STATCOM不需要储能元件来达到与系统交换功率的目的。和SVC使用的电容容量相比，STATCOM电容容量相对较小。在系统电压很低的情况下,STATCOM仍能输出额定无功电流。另外，STATCOM采用先进的控制方式后，其输出电压谐波含量可以很小，由于谐波含量小，一般情况下，输出端不需要滤波器，这样可以减小整个装置的成本和体

48、积。综上所述，与以往的无功补偿装置相比STATCOM具有如下优点：（1）响应时间快;（2)受电网阻抗的影响不大，不容易和电网阻抗发生谐振；且可以跟踪电网频率的变化,故补偿性能不受电网频率变化的影响；（3）可以发出连续可调的感性无功和容性无功。该装置不仅可以应用在感性负荷场合，还可以应用在容性负荷的场合，可以提高补偿效果，降低线路损耗;(4）精准电压控制。该装置除了可以按照功率因数或者无功功率控制之外,还可以按照电压幅值来控制，确保用户获得的电压的稳态性,降低电压纹波；（5）具有自适应功能，实现了动态补偿，可对频率和大小都变化的谐波和无功功率进行补偿；（6）可同时对谐波和无功功率进行补偿，补偿无

49、功功率时不需要储能元件，补偿谐波时所需储能元件的容量不大，且补偿无功功率的大小可以做到连续调节。1。4 静止无功补偿器国内外应用情况(Application of DSTATCOM at Home and Abroad)静止同步补偿器是在上世纪七十年代末期随着电力电子技术的发展而逐渐发展起来的，自从美国学者L。Gyugyi在1976年提出利用半导体变流器进行无功补偿的理论以来，逐步出现了应用变流技术进行动态无功补偿的静止补偿器。世界各国对大功率STATCOM的理论与工程应用研究方兴未艾.在理论研究上取得丰硕成果的同时，STATCOM在工程应用方面也有了突飞猛进的发展7.1980年日本采用晶闸管

50、强制换相的电压型逆变器研制出第一台±20Mvar STATCOM，并成功投入了电网运行。1986年由美国国家电力研究院和西屋公司研制的±1Mvar的STATCOM装置投入运行，这是世界上首台采用大功率GTO作为逆变器元件的静止补偿器。1991年和1994年日本和美国分别研制成功一套80Mvar和一套100Mvar的采用GTO晶闸管的STATCOM装置，并最终成功地投入商业运行。德国西门子公司的单机容量为8Mvar的STATCOM装置也于1998年投运。2002年三菱公司研制成功的容量为±100Mvar的STATCOM已用于美国电力系统.国外在高电压、大功率STAT

51、COM方面的研究走在了前列.STATCOM在电压平衡电力系统,非线性负载中的技术和应用都已经很成熟。现在已经进入在电压不平衡，非线性负载中的研究和应用。我国在这方面起步较晚,90年代之前还没有较全面的研究成果，只是一些以清华大学为代表的科研机构通过研究,做了一些实际的工程，获得了一定的实际经验，并在理论上有了一些发展。90年代初,国内已开始了FACTS系统的理论研究及具体FACTS装置和控制器的研究工作.1994年研制大容量STATCOM被列为电力部重点科研攻关项目，同年在电力部的支持下,河南省电力局决定和清华大学共同研制±20Mvar 的STATCOM。为进行机理研究，先研制一台&

52、#177;300Kvar的中间工业试验装置，该装置已于1995年8月在清华大学并网运行,并在河南盂岩经受了电弧炉冲击负荷和电压不对称运行工况的考验。1999年3月清华大学与河南电力局共同研制的用于220KV电网±20Mvar的STATCOM在河南电网成功投入运行，2001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。 随着电力电子转置的发展,STATCOM的补偿目标也由早期的以输电系统的补偿为主，扩展到了对配电系统补偿、甚至负荷补偿的各个层次.在配电系统补偿和负荷补偿这两个层次，再加上采用基于IGBT这种性能更好的器件的PWM变流器，这是近

53、年来世界几家主要的电气制造公司在STATCOM领域大力推广的热点.1999年7月，美国华盛顿州的Seattle钢铁公司安装了一个5Mvar、4。16KV的DSTATCOM,并于2000年2月投入运行.它对无功功率的补偿、电压闪烁补偿、电压稳定、功率因数控制、以及其它用于改善配电系统的电能质量等都起到了很好的作用.90年代后，DSTATCOM大量进入到电弧炉的补偿领域，并取代传统的SVC。它克服了SVC体积大和费用高的不足。用于电弧炉补偿的最大DSTATCOM装置1998年安装在美国的TEXAS。该系统包含了一个±80Mvar的DSTATCOM、以及60Mvar的电容器组。目前国内已经

54、对DSTATCOM装置应用于配电系统抑制电压闪变、补偿负荷不平衡等进行了广泛深入的研究，正在推进DSTATCOM装置在配电系统中的工业应用。国内生产无功补偿装置的公司中有代表性的是荣信、山东新风光等.荣信公司生产的STATCOM具有响应速度快、电压闪变抑制能力强、运行范围宽、补偿功能多样化、谐波含量极低及占地面积小等优点，已成功运用于远距离电力传输、城市二级变电站（66/110kV)、电弧炉、电力机车供电等方面,为提高电网稳定性，增加输电能力，消除无功冲击，滤除谐波，平衡三相电网做出了巨大的贡献。1。5 DSTATCOM控制方法的研究现状(Research Status of DSTATCOM

55、 Control Methods)DSTATCOM作为现代电力系统无功补偿的主要装置，国内外很多研究者对此开展了大量的工作，研究的热点主要集中在控制方法和策略上。这方面的算法主要有：人工免疫算法8、滑模变结构9、对称分量反馈控制方法10、直接功率控制方法11、利用对称分量变换和d-q变换的不对称控制方法12、神经网络13、以及无电压传感器的三相脉宽直接功率控制14等等。15讨论在存在非整数次谐波的情况下DSTATCOM的控制方法.16讨论了在三相四线制配网中DSTATCOM用于平衡负荷、滤除中性线电流、提高功率因数和调整电压的控制方法。17分析比较了DSTATCOM用于无功补偿和提高功率因数的

56、三种控制算法：移相控制、解耦电流控制和交直流电压控制.18分析了在三相四线制负荷与电源相距较远的联系较弱系统中，DSTATCOM用于提高功率因数、维持节点电压和平衡负荷的运行情况。19固定直流侧电容电压,使得STATCOM提供的无功功率自动跟随系统电压,也即跟随负荷无功功率变化，达到无功补偿的目的。20分析比较了PI控制器与滑模控制、PWM电流控制和滞环电流控制的优缺点。21提出的DSTATCOM控制方法不仅可以补偿交流侧负荷，还可以在直流侧补偿直流负荷。DSTATCOM的控制方法是其研究的重要内容，控制方法的优劣直接关系到DSTATCOM性能的好坏。STATCOM的控制系统一般由双闭环组成，

57、外闭环调节器输出的控制信号是补偿器应产生的无功电流、电压或无功功率的参考值，并且由参考值调节内闭环产生真正所需的无功电流或无功功率.根据补偿要实现的功能和应用场合,目前DSTATCOM的控制主要从控制策略和外闭环的反馈控制量的选取方面来考虑，可以分为电流间接控制和电流直接控制22。所谓间接控制，就是将DSTATCOM 当作交流电压源来看待，通过对DSTATCOM 装置中逆变器所产生的交流电压基波的相位和幅值的控制，来间接控制DSTATCOM 交流侧电流，电流的间接控制方法多用于较大容量的DSTATCOM 场合。电流间接控制分为两种：脉冲幅值调制(PAM）和脉冲宽度调制（PWM)。PAM控制也称