毕业论文-基于PSCAD的STATCOM对电力系统短路故障影响仿真分析.doc

. . 山东农业大学毕 业 论 文基于PSCAD的STATCOM对电力系统短路故障影响仿真分析 院 部 机械与电子工程学院 专业班级 电气工程及其自动化 届 次 2015届 学生姓名 学 号 指导教师 二一五年六月一日装订线. . . 目 录绪论11.本文研究的主要目的及意义11.1论文研究背景和研究的意义11.2本文研究的主要内容22 STATCOM的工作原理及数学模型32.1 STATCOM的基本电路结构32.2 STATCOM的工作原理42.3 STATCOM的数学模型的建立83 无功功率检测方法和STATCOM的控制策略113.1 无功功率检测方法113.1.1 d-q矢量变换理论123.1.2 三相对称系统的瞬时无功功率143.2 STATCOM装置的控制方法163.2.1 直接电流控制163.2.2 间接电流控制173.2.3 电流间接与直接控制的特点184 STATCOM的仿真194.1仿真的主接线图194.2 仿真的主控制电路图194.3 仿真的调制电路图214.4 各仿真的波形图224.5 本章小结235 总结与展望235.1结论235.2展望24参考文献：25致 谢27DirectoryIntroduction11 The main purpose and significance of this study11.1Research background and significance of the research11.2The main contents of this paper22 The working principle and mathematical model of STATCOM32.1 STATCOM basic circuit structure32.2 Working principle of STATCOM42.3 The establishment of STATCOM model83 Reactive power detection and STATCOM control strategy113.1 Reactive power detection method113.1.1 D-q vector transformation theory123.1.2 Instantaneous reactive power for three-phase symmetric systems143.2 STATCOM control method163.2.1 Direct current control163.2.2 Indirect current control173.2.3 The characteristics of indirect current and direct control184 STATCOM simulation194.1 Main wiring diagram of simulation194.2 Master control circuit diagram of simulation194.3 Simulation modulated circuit diagram214.4 Simulation waveform chart224.5 Summary of this chapter235 Summary and Prospect235.1 Conclusion235.2 Outlook24Reference：25Thanks27ii基于PSCAD的STATCOM对电力系统短路故障影响仿真分析刘国峰（山东农业大学 机械与电子工程学院 泰安 271018）摘要：电能质量的问题，尤其是无功功率和谐波的问题，严重威胁着电网的安全运行。静止同步补偿器（STATCOM）作为新一代无功功率补偿装置，它与现有的静止无功补偿装置(SVC)相比，具有调节速度更快、运行范围更宽、吸收无功连续、谐波电流小、损耗低、所用电抗器和电容器容量及安装面积大为降低等优点，引起了国内外科研与工程领域的广泛关注。论文通过对STATCOM的现状和发展趋势的分析，结合无功的产生和影响以及分析无功补偿的意义，进行了针对STATCOM工作原理的研究，并建立了STATCOM的数学模型，采用基于瞬时无功功率理论的检测方法，选择合适的控制策略，在PSCAD环境下进行了仿真分析，得出仿真后的波形。仿真结果表明STATCOM能够对负荷进行快速地无功补偿，证实了本模型算法的合理性、正确性，具有一定的参考价值。关键词：无功补偿； 静止同步补偿器；瞬时无功； PSCAD/EMTDC；lSimulation and analysis of the short-circuit fault of power system based on STATCOM PSCADGuofeng Liu(Mechanical & Electrical Engineering College of Shandong Agricultural University, Taian, Shandong 271018)Abstract The problem of electric energy quality menaces seriously the safe operation of power network, especially reactive power and harmonics. The static synchronous compensator (STATCOM), takes the new generation reactive power compensation system, it compares with existing static idle work compensation system (SVC), has the adjustable speed to be quicker, the movement scope to be wider, the absorption idle work, the harmonic current small, to lose continuously low, uses the reactor and the capacity of condenser and the erection space to reduce and so on merits greatly, has caused the domestic and foreign scientific research and the project domain widespread attention.The paper through to the STATCOM present situation and the trend of development, the idle work production and the influence, the idle work compensations significances analysis, has conducted the STATCOM principle of work research, and has established the STATCOM mathematical model, uses based on the instant reactive power theory examination method, chooses the appropriate control policy, has carried on the simulation analysis under the PSCAD environment, after obtaining the simulation profile. The simulation result indicated that STATCOM can shoulder carries on fast the idle work compensation, confirmed that this model algorithms rationality, the accuracy, have certain reference value.Keywords: Reactive power compensation; STATCOM; Instantaneous reactive; PSCAD/EMTDC;23 绪论近年来，随着经济的快速发展，我国的电力工业也取得了前所未有的成就。目前，我国电力系统的装机容量及发电量均居世界第二，业已形成了华东、华北、华中、东北、西北、南方六大区域网和山东、福建两个省网。随着以三峡水电站为代表的一批新兴发电工程的开发，以及超高压、大容量、远距离输电技术的发展，全国各大电网互联，直至出现全国性的大联网已成为必然的趋势。随着电力工业的发展，电力电子装置的应用日益广泛，电网中的谐波污染也日趋严重。另外，大多数的电力电子装置功率因数很低，也给电网带来了额外负担，并且影响着供电质量。因此，如何抑制谐波和对无功功率进行补偿已经成为电力电子技术、电气自动化技术以及电力系统研究领域所面临的一个重大课题。静止同步补偿器(Static Synchronous Compensator，简称STATCOM )，是柔性交流输电系统(FACTS)中的重要成员之一，具有实时检测和补偿无功功率、支撑网络节点电压、补偿高次谐波等功能。本文将重点对基于新型电力电子器件IGCT ( Integrated Gate Commute Thyristor)的STATCOM主电路结构进行深入研究，为STATCOM的大容量和实用化寻求合适的解决方案。1.本文研究的主要目的及意义1.1论文研究背景和研究的意义在电力系统中，由于电感、电容元件的存在，系统中不仅存在着有功功率，而且存在无功功率。无功功率的存在对于电力系统和负荷的运行都非常重要，但其传输不仅会产生很大的有功损耗，而且沿着传输途径还会产生很大的电压降落，并且使电网的视在功率增大，从而对系统产生一系列不良影响，主要可以归纳为以下几个方面:(1)电网总电流增加，使电力系统中的元件如变压器等的容量增大，从而增加了投资费用，在传送同样有功功率的情况下，增加了设备和线路的损耗。(2)电网无功容量不足，会造成负荷端供电电压低，影响正常生产、生活用电;反之，若无功容量过剩，则造成电网运行电压过高，电压波动过大。(3)降低了电网的功率因数，造成大量电能损耗。当功率因数由0.8下降至0.6时，电能损耗提高了将近一半。为了输送有功功率，需要送电端和受电端有一相位差，这可以在相当宽的范围内实现，而为了输送无功功率，则要求两端电压有一幅值差，这只能在很窄的范围内实现。不仅大多数网络元件消耗无功功率，大多数负载也需要消耗无功。这些无功功率必须从网络的某个地方获得。显然，如果都要由发电机提供并经过长距离传送是不合理的，通常也是不可能的。合理的方法是在需要无功功率的地方进行补偿。无功补偿的作用主要有以下几点:(1)提高供用电系统及负载的功率因数，降低设备容量，减少功率损耗;(2)稳定受电端及电网的电压，提高供电质量。在长距离输电线路合适的地点设置动态无功补偿，还可以改善输电系统的稳定性，提高输电能力;(3)在电气化铁道等三相负载不平衡的场合，通过适当的无功补偿可平衡三相的有功及无功负载。正因为无功补偿对于提高电网安全运行水平和电能质量有着如此重要的意义，这一技术正越来越受到人们的关注，并已成为研究的热点。FACTS是Flexible AC Transmission System的英文缩写，也可翻译为灵活交流输电技术，是指装有电力电子型或其他静止型控制器以加强可控性和增大电力传输能力的交流输电系统，是美国著名电力专家N.H.Hingorani博士于1986年提出的。FACTS技术是利用现代大功率电力电子技术改造传统交流电力系统的一项重大改革，被认为是21世纪初可以实施的技术改革措施，已成为当今先进国家电力界研究的热点。FACTS技术(包括系统应用技术及控制器技术)己被国内外的一些较权威性的输电技术研究者和工作组称为“未来输电系统新时代的三项支撑技术FACTS技术、先进的控制中心和综合自动化技术)之一”，或是“现代电力系统中的三项具有变革性影响的前沿性课题(柔性输电技术、智能控制、基于全球卫星定位系统(GPS)的新一代动态安全分析与监测系统)之一”。此概念提出后，FACTS技术迅速成为各国电力界研究的热点。FACTS技术是基于电力电子技术改造交流输电的系列技术，它对交流电的无功电压、电抗和相角可以进行控制，从而能有效提高交流系统的安全稳定性，使传统的交流输电系统具有更高的柔性和灵活性，使输电线路得到充分利用，以满足电力系统安全、可靠和经济运行的目标。本文正是在这一背景下对STATCOM主电路结构、控制回路以及它的仿真波形进行了深入的研究。1.2本文研究的主要内容本文的主要研究内容有(1) 无功功率的产生和危害无功功率是为了建立交变磁场和感应磁通。主要危害有：引起线路电压损耗增大，使设备及线路损耗增加和增加设备容量。(2) STATCOM的工作原理和数学模型(3) STATCOM的控制策略和无功功率的检测方法本论文采用了瞬时无功功率理论的检测方法，控制策略采用了间接电流控制。(4) 基于PSCAD/EMTDC的STATCOM仿真通过在EMTDC/PSCAD环境下进行了仿真分析，得出仿真后的波形。仿真结果表明STATCOM能够对负荷进行快速地无功补偿，证实本模型算法的合理性、正确性，具有一定的参考价值。2 STATCOM的工作原理及数学模型2.1 STATCOM的基本电路结构与传统的以TCR为代表的SVC装置相比，STATCOM的调节速度更快，运行范围宽，而且在采取多重化、多电平、PWM技术和链式结构等措施后可大大减少补偿电流中谐波的含量。更重要的是，STATCOM使用的电抗器和电容元件远比SVC中使用的电抗器和电容元件要小，可大大缩小装置的体积。而且，考虑到电力电子器件成本有大幅度降低的趋势，使用小参数的电容和电抗也将降低装置的成本。正是因为STATCOM具有如此优越的性能，所以它代表着动态无功补偿装置的发展方向。STATCOM的基本工作原理是将电压型逆变桥电路直接或者通过电抗与公用电网连接起来，然后通过调节逆变桥交流侧输出电压的相位和幅值，或通过直接控制交流侧电流，使逆变桥电路吸收或者发出需要的无功电流，达到动态无功补偿的目的。 (a)采用电压型桥式电路 (b)采用电流型桥式电路图2-1 STATCOM基本电路结构根据直流侧电气元件不同，STATCOM可分为基于电压型逆变器和基于电流型逆变器等两种类型。其电路基本结构如图2-1所示。对于电压型桥式电路，其直流侧以电容作为储能元件，将直流电压逆变为交流电压，通过串联电抗并入电网，其中串联电抗起到阻尼过电流、滤除纹波的作用;对于电流型桥式电路，其直流侧以电感作为储能元件，将直流电流逆变为交流电流送入电网，并联于交流侧的电容可以吸收换相产生的过电压。我们知道，在平衡的三相系统中，三相瞬时功率的和是一定的，在任何时刻都等于三相总的有功功率。因此总的看来，在三相系统的电源和负载之间没有无功功率的往返，各相的无功能量是在三相之间来回往返的。而STATCOM正是将三相的无功功率统一以来进行处理的，所以理论上说，STATCOM的桥式变流电路的直流侧可以不设无功储能元件。但实际上由于谐波的存在，使得总体看来，电源和STATCOM之间会有少许无功能量的往返。所以，为维持STATCOM的正常工作，其直流侧仍需一定大小的电容或电感作为储能元件，但所需储能元件的容量远比STATCOM所能提供的无功容量要小。而对传统的SVC装置，其所需储能元件的容量至少要等于其所提供的无功功率的容量。因此，STATCOM中储能元件的体积和成本比同容量的SVC要小的多。在实际运行中，由于电流型桥式电路效率比较低，而且发生短路故障时危害比较大，所以迄今投入实用的STATCOM大都采用电压型桥式电路，因此STATCOM往往专指采用换相的电压型桥式电路作为动态无功补偿的装置。本文也将只针对采用自换向电压型逆变器的STATCOM为对象进行研究。2.2 STATCOM的工作原理以采用电压型桥式电路的STATCOM为例，其基本工作原理简而言之就是通过适当调节桥式电路交流侧输出电压的相位和幅值，或者直接控制其交流侧电流，从而吸收或发出满足要求的无功电流，实现动态无功补偿的目的。STATCOM的工作原理可以用如图2-2所示的单相等效电路来说明。由于STATCOM正常工作时就是通过电力半导体开关的通断将直流侧电压转换成交流侧与电网同频率的输出电压，类似于一个电压型逆变器，只不过其交流侧输出接的不是无源负载，而是电网。（a） 单相等效电路 (b)电流超前 (c)电流滞后图2-2 STATCOM等效电路及工作原理(不考虑损耗)因此，当仅仅考虑基波频率时，STATCOM可以等效地被看作是幅值和相位均可以控制的一个与电网同频率的交流电压源，通过交流电抗器接到电网上。电网电压和STATCOM输出的交流电压分别用相量和，表示，则连接电抗X上的电压即为、和的相量差，而连接电抗的电流是由其电压来控制的。这个电流就是STATCOM从电网吸收的电流I。因此，改变STATCOM交流侧输出电压的幅值及其相对于的相位，就可以改变连接电抗上的电压，从而控制STATCOM从电网吸收电流的相位和幅值，也就控制了STATCOM吸收无功功率的性质和大小。在图2-2的等效电路中，将连接电抗器视为纯电感，没有考虑其损耗以及变流器的损耗，因此不必从电网吸收有功能量。在这种情况下，只需要使和同相，仅改变的幅值大小即可控制STATCOM从电网吸收的电流I是超前还是滞后，并且能控制该电流的大小。如图2-3所示，当大于时，电流超前电压，STATCOM吸收感性的无功功率。考虑到连接电抗器的损耗和变流器本身的损耗(如管压降、线路电感)，并将总的损耗集中作为连接电抗器的电阻考虑，则STATCOM的实际等效电路和电流分别超前、滞后工作的相量图如图2-3所示。(a)单相等效电路 (b)电流超前 (c)电流滞后图2-3 STATCOM等效电路及工作原理(考虑损耗)这种情况下，变流器电压与电流I仍相差。因为变流器无需有功能量。而电网电压与电流I的相差不再是，而是比小了角，因此电网提供了有功功率来补充电路中的损耗，也就是说相对于电网电压来讲，电流I中有一定量的有功分量。这个角也就是变流器电压与电网电压的相位差。改变这个相位，并且改变的幅值，则产生的电流I的相位和大小也就随之改变，STATCOM从电网吸收的无功功率也就因此得到调节。 在图2-3中，将变流器本身的损耗也归算到了交流侧，并归入连接电抗器电阻中统一考虑。实际上，这部分损耗发生在变流器内部，应该由变流器从交流侧吸收一定的有功能量来补充。因此，实际上变流器交流侧电压与电流I的相位差并不是严格的。而是比略小一些。 如图2-3 (b)和(c)所示，STATCOM分别工作在容性工况和感性工况。图中，是和之间的相位差，以滞后为正。为等效电抗器的阻抗角，为等效阻抗器的两端电压。STATCOM从系统吸收容性或感性无功功率的计算公式为， （2-1）当滞后于时( 0)， STATCOM工作于感性工况，此时电流I滞后于系统电压, STATCOM从系统吸收感性无功功率。 通过控制的大小，可以动态平滑地调节STATCOM吸收的感性或容性无功功率的大小。由图中还可以看出，因为变流器无需有功能量，所以不管是容性工况还是感性工况，都与I保持垂直。由于电网需要提供有功功率来补充STATCOM电路中的有功损耗以及维持直流侧电容电压的稳定，所以电网电压与电流I则不再保持，而是比小了角。通过对STATCOM工作原理的分析，可以知道STATCOM的伏安特性如图2-4所示。图2-4 STATCOM的伏安特性通过改变控制系统的参数(电网电压的参考值)可以使伏安特性上下移动。与传统的SVC伏安特性不同的是，当电网电压下降，补偿器的伏安特性向下调整时，STATCOM，可以通过调整其变流器交流侧电压的幅值和相位，以使其所能提供的最大无功电流和维持不变，其值仅受电力半导体器件的电流容量的限制。而对于传统的SVC，由于其所能提供的最大电流分别受其并联电抗器和并联电容器的阻抗特性限制，随着电网电压的降低反而减小。因此，STATCOM的运行范围比传统的SVC大，SVC的运行范围是向下收缩的三角形区域，而STATCOM的运行范围是上下等宽的近似矩形的区域，这是STATCOM优越与传统SVC的一大特点。另外，对于那些以输电补偿为目的的STATCOM来说，如果直流侧采用较大的储能电容，或者其他直流电源(如蓄电池组等)，则STATCOM还可以在必要时短时间内向电网提供一定量的有功功率。这对于电力系统来说是非常有益的，而又是传统SVC装置所望尘莫及的。2.3 STATCOM的数学模型的建立电力系统是一个由发电机、变压器、输配电线路和用电设备等很多单元组成的复杂系统，整个系统中所有元件的动态特性和系统的结构、参数、运行工况以及控制有着紧密的关系，建立STATCOM的模型是研究中最重要的一环。如果没有精确的数学模型，要对STATCOM进行深入了解是非常困难的，因而要设计出优越的控制器也是很难的。对于一个物理对象的建模方法大致可以分为两种:输入-输出建模法和拓扑结构建模法。一般的拓扑结构建模法建立的微分方程，分别求解，建立装置的数学模型是非常复杂的，特别是当开关器件数量很多时，拓扑结构急剧上升，按照拓扑结构来分析非常困难。实际研究中，我们更关心的是装置的输入-输出特性，为此我们要建立输入-输出特性的数学模型，而对装置中某个开关器件某时刻的电流，并不是很关心，只要保证该电流不超过开关器件允许的电流，不会导致装置异常或故障就可以了。为此我们采用输入-输出的建模方法来建立STATCOM的数学模型，这种数学模型对于STATCOM装置用十电力系统无功补偿控制已经足够精确了。图2-5为STATCOM装置原理接线图，为建立数学模型，先做如下假设:(1)将STATCOM装置中各种损耗及电阻包括开关器件(如GTO、二极管)的导通电阻用等效电阻表示，如图中R，变压器漏电感及线路电感用等效电感表示，如图中L;(2)由于STATCOM装置输出电压由多个单相桥叠加而成，谐波含量低，因此只考虑STATCOM输出电压的基波分量而忽略谐波分量。图2-5 STATCOM装置原理接线图基于上面的假设及单相桥输出电压的表达式可以得到STATCOM装置变流器总的输出电压为 （2-2）其中K为比例系数，为STATCOM输出电压与系统电压的夹角，为可控量。而系统三相电压为 （2-3）根据STATCOM装置的原理图，可以列出STATCOM装置的abc三相动态方程: （2-4）将（2-2）和（2-3）代入得：（2-5）而直流侧电容电压的动态方程可以由能量关系得到: （2-6）代入（2-6）化简可得:（2-7）因此STATCOM的数学模型为可以看出，数学模型包含四个未知数和四个方程，只要已知STATCOM装置的电流和直流电压的初始值，通过解微分方程即可求出各个变量随时间变化的规律。但上述数学模型为时变系数的微分方程，理论分析比较困难，为此我们利用电力系统中常用的经典派克变换(也称dq0变换，为线性变换矩阵)，将时变微分方程变换为常系数微分方程。经典派克变换的矩阵为将式中abc三相电流进行dq0变换，即令:对前述数学模型进行变换得到STATCOM装置在dq0坐标下的数学模型:由于STATCOM装置为三相三线制系统，三相电流之和为零，所以上述方程中的始终为零，因此可以将该方程去掉，得到STATCOM的数学模型为该数学模型为常系数微分方程，便于进行理论分析。3 无功功率检测方法和STATCOM的控制策略3.1 无功功率检测方法补偿装置对系统无功功率的补偿效果很大程度上依赖于对系统电路瞬时值的检测，谐波及无功电流实时检测的快速性、准确性及灵活性直接关系影响到其跟踪补偿特性。因此，实时精确的检测方法对无功补偿的研究十分重要。目前提出的检测方法主要有以下几种4：（1）基于Fryze时域分析的有功电流分离法：该方法有较大时延，实时性较差。（2）基于频域分析的FFT分解法：该方法不仅有较大时延，实时性较差，且对高次谐波的检测精度较差。（3）基于Akagi的瞬时无功功率检测法：该方法实时性较好，但由于乘法器较多，影响检测精度，而且只能用于三相平衡系统。（4）同步检测法：台湾学者ChenCL提出的同步检测法有等功率(PSD),等电流(CSD)、等电阻(RSD)三种检测途径，可以实现对不平衡三相电力系统无功和谐波电流的实时检测，但是无法分离出补偿电流中的无功电流和谐波电流。（5）基于广义瞬时无功功率检测法：该方法可以在电网电压不对称或畸变的情况下，仍能精确地分离出基波正序瞬时无功电流和不对称及高次谐波瞬时无功功率电流，并对它们进行有选择性的补偿或完全补偿。基于广义瞬时无功功率检测法以其快速精确的优点成为目前研究的热点，亦成为补偿装置的首选检测方法。传统理论中的有功功率、无功功率、有功电流、无功电流都是在平均值或相量的意义上定义的，它们只适用于电压、电流均为正弦波时的情况。而瞬时无功功率理论中的概念都是在瞬时值的基础上定义的，它不仅适用于正弦波，也适用于非正弦和任何过渡过程的情况。瞬时无功功率理论，即“d-q”理论，是80年代由日本学者赤木泰文提出来的，它使得电力有源滤波器的研究走出了实验室，在工业中得到了应用。但是，它只适用于三相电压正弦、对称的情况下的三相电路高次谐波和基波无功电流的检测。随着时间的推移，这一理论得到了发展、完善。在90年代，西安交通大学王兆安教授等提出了“d-q”理论，该理论所提的检测方法解决了三相电压非正弦、非对称情况下三相电路高次谐波和基波负序电流的准确测量，该方法也能准确检测三相电压非正弦情况下三相电路基波无功电流26。3.1.1 d-q矢量变换理论采用d-q矢量变换理论可以在旋转坐标系中观察装置的暂态过程。同时在不平衡系统中，通过该变换可以获得基波正序有功及无功分量、基波负序分量以及谐波分量。从电机工程的观点来看，d-q矢量属于同步转子坐标系。假定同步电机定子abc三相绕组由平衡的三相正弦交流电压供电，则变换至同步转子坐标系，abc三相正序有功电流相当于d轴绕组的直流分量，即在同步电机转子上看，定子三相绕组通以平衡的三相正弦交流，相当于转子d轴绕组通以直流的作用。进行d-q变换的具体过程是：a.abc换到静止d-q两相对于三相交流系统，当负载端电压和负载电流满足以下条件： （3-1） （3-2）可用三相/二相变换将abc三相交流量变换到正交的坐标上，如图3-1 (a)所示。从三相静止坐标系到两相静止坐标系可以通过式(3-3),(3-4)实现。 （3-3） （3-4）瞬时功率可定义为 （3-5） b.-转换到两相d-q旋转坐标在静止坐标系的基础上引入旋转坐标系，如图3-1 (b)所示。d轴与瞬时电压向量V的方向重合，并以角频率同步旋转，q轴落后于d轴电流矢量i可以分解为和。则两相静止坐标系变换到两相旋转坐标系变换矩阵的系数变为： 图（3-1）（a）abc-（b）-abc （3-6） （3-7）sint、cost一般都是由Va经锁相环产生 （3-8）3.1.2 三相对称系统的瞬时无功功率假设系统电压为： （3-9）负荷为线性阻抗时(即无谐波时)负荷电流为： （3-10）其中：为负荷电流初相位角 应用d-q矢量变换理论得到三相瞬时有功电流和无功电流： （3-11）和是直流分量，分别为有功分量和无功分量。(2)负荷为非线性阻抗时 负荷电流为： （3-12）应用d-q矢量变换理论： （3-13）上式所得、经LPF滤波，得 （3-14）、的计算结果分解成：、分别是、的平均值或直流分量，是基波有功分量和基波无功分量。、分别为、的交流分量，是谐波量。3.2 STATCOM装置的控制方法按不同的功能和要求，STATCOM的控制从控制策略上讲，有三种基本结构:开环控制、闭环控制或者两者结合的复合控制.按照控制技术来分，主要包括P控制、PI控制、逆系统PI控制、微分几何控制、非线性鲁棒控制、模糊控制、递归神经网络自适应控制等等.根据控制物理量，由无功电流参考值调节STATCOM产生所需无功电流的具体控制方法，可以分为直接电流控制和间接电流控制两大类.3.2.1 直接电流控制所谓直接电流控制，就是采用跟踪型PWM控制技术对电流波形的瞬时值进行反馈控制，直接控制电流的发生。图3. 2给出了引入d- q分解法的电流直接控制方法。这种控制方法中，以瞬时电流无功分量的参考值为主，或者瞬时电流无功分量的参考值由滞后电源电压90的正弦波与无功电流参考值相乘，再与瞬时电流有功分量的参考值相加得到;根据STATCOM对有功能量的需求，对的相位进行修正来得到总的瞬时电流参考值。跟踪型PWM控制技术采用了三角波比较方式，也可采用滞环比较方式。由于直接电流控制法是对电流瞬时值的跟踪控制，要求主电路中电力半导体开关器件有较高的开关频率，对于大功率STATCOM场合，这种方法有很大的局限性，适用于中小容量的STATCOM的控制.图3.2采用dq变换的直接电流控制原理框图3.2.2 间接电流控制所谓间接电流控制，是通过STATCOM逆变器所产生交流电压基波的相位和幅值，来间接控制STATCOM的交流侧电流。如图3.3所示，采用了STATCOM吸收的无功和有功的反馈控制，采用d-q分解法检测STATCOM吸收的无功和有功电流，直流电压的反馈控制，且直流电压调节器的输出作为有功电流的参考值。间接电流控制方法多应用于较大容量STATCOM。大容量的系统，由于开关频率的降低，输出的电压会产生大量的谐波并降低直流电压的利用率，为了减少谐波，可以采用多重化、多电平或者采用PWM控制技术。图3.3采用dq变换的间接电流控制原理框图3.2.3 电流间接与直接控制的特点以上是STATCOM的两类控制方法，即电流的间接控制和电流的直接控制。电流间接与直接控制具有各自的特点，归纳起来有如下几个方面:(1)电流的间接控制方法相对简单，技术相对成熟;但直接控制与间接控制相比，控制精度高，系统具有快速的瞬态响应。由于瞬时反馈的引入，控制系统对直流侧电压和交流侧电网电压波动迅速作出反应，保持输出电流跟随参考值。(2)直接控制比间接控制的系统稳定性高。电感的电流控制环是一阶系统，无条件稳定。(3)直接控制可抑制负序引起的不良影响。电网负序电压存在时，因为无功电流指令是先用“abc- dq”变换到瞬时无功电流，再通过“dq- abc逆变换为三相电流，无功电流对称，流入直流侧电流脉动小，电压脉动也小;另外，电流直接控制对相位的检测精度要求不高，这点与间接控制不同，这一优点给控制器的实现带来很大的方便。(4)直接控制对电力半导体器件开关频率要求高，它适用于较小容量STATCOM的控制;而间接控制适用于较大容量STATCOM控制，但由于容量大，受电力半导体开关器件频率限制，一般无法像直接控制方法那样对电流波形进行跟踪控制。(5)采用直接控制的大容量STATCOM可采用多个变流器多重化联结、多电平或PWM控制技术来减小谐波。采用电流PWM跟踪控制的直接控制方法，STATCOM输出电流中的谐波含量少。(6) STATCOM采用电流直接控制方法后，其响应速度和控制精度将比间接控制法有很大的提高，在这种控制方法下，STATCOM实际上已经相当于一个受控的电流源，但直接控制法由于是对电流瞬时值的跟踪控制，因而要求主电路电力半导体器件有较高的开关频率，这对于大容量的STATCOM目前是难以做到的。(7)在工程实际应用中，电流直接控制方法中的脉宽调制信号的产生方法用的最多的是滞环控制法和三角波比较法，而三角波比较法更多的用于连续时域控制，滞环控制法及改进的滞环控制法则更适合于数字化控制应用。空间矢量法适合用于三相对称正弦系统，否则由于计算量大和需要增加滤波环节来检测基波元功电流，影响控制效果。4 STATCOM的仿真4.1仿真的主接线图表4-1主接线图主要参数设置三相电源相电压（kv）电网工作频率（Hz）系统等效电阻（）直流侧电容（F）11550136300 图4-1 仿真的主接线图 主电路系统电源为115kv的高压电源，负载侧模拟三相接地短路故障，故障发生在1.5s，持续时间为0.75s。逆变器通过连接变压器接至交流电网。逆变器部分采用IGBT, 绝缘栅双极型功率管，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式电力电子器件, 兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大；MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。主电路为三相对称，采用电压逆变器型电路进行无功补偿，电压型逆变器的直流电源经过大电容的滤波，故直流电源可以近似看作恒压源。4.2 仿真的主控制电路图1. 主控制电路的外观图图4-2 主控制电路外观图2 主控制回路的内部电路结构图图4-3 主控制回路的内部电路结构图无功给定值（标幺值）与系统电压（标幺值）、系统无功（标幺值）作比较，经过超前滞后环节及PI调节器，产生STATCOM的控制角。4.3 仿真的调制电路图图4-4 仿真的调制电路图该调制电路采用正弦载波调制法，用一个等腰三角形载波和一个与基波频率相同的正弦调制波相比，用他们的交点来确定开关的转换时刻，因此，通过控制六个IGBT的导通来控制逆变器输出的电压。 4.4 各仿真的波形图图4-5 系统仿真波形图（补偿前）图中自上而下分别为系统电压、有功功率、无功功率的波形图，由图中可以看出，在STATCOM不投入的情况下，负载侧在1.5秒时发生三相短路接地故障，持续了0.75秒，系统电压此时下降幅度较大。图4-6 系统仿真波形图（补偿后）由图可知，在STATCOM投入发出无功，STATCOM在负载发生三相短路接地故障时对系统进行无功补偿，抑制了电压的下降。4.5 本章小结本章STATCOM仿真模型主电路有四大部分构成，由电力系统、连接变压器、逆变器和直流电容组成，控制电路采用间接电流控制的控制方法，该控制方法能正确、快速地补偿负荷所需的无功。STATCOM 在很大程度上能抑制电压波动及电压暂降，跟踪补偿特性良好。通过采用电力系统仿真软件PSCAD/EMTDC分析STATCOM对负荷进行无功补偿的过程，验证所用控制算法及模型的有效性，具有一定的参考价值。5 总结与展望5.1结论本论文分析了电力系统中无功功率的危害及无功功率补偿的重要意义，以及STATCOM在改善电能质量中的具体作用，主要分为两个方面:提高系统功率因数和调节系统电压。在对STATCOM基础理论，包括工作原理、主电路结构、无功功率的检测方法和控制策略等详细分析和研究的基础上，选择了适合于电力系统STATCOM的电路结构及控制策略，通过理论推导建立了STATCOM的数学模型，确定了电路中参数的取值，最后通过仿真分析来加以论证。5.2展望由于STATCOM的优势是十分的明显的，相应速度快，吸收无功连续，产生的高次谐波量小、分布少，所以从长远看STATCOM装置有很大的技术经济效益和发展空间。由于本人水平有限，时间仓促，使得有些工作做的不足，还需要进一步改善。主要表现在以下几个方面：1.本课题研究主要是围绕三相平衡的系统来研究。但是实际情况下更多的是三相不平衡系统。所以要从三相不平衡特性出发，考虑采用分相控制来补偿不对称负载。2.对系统参数进行优化。提高系统功率，做较大容量的STATCOM装置。本论文主要对STATCOM进行了理论分析级仿真研究，并进行了部分实验工作，希望以后早日实现STATCOM从实验室到现场投运这关键的一步。3.提高STATCOM的动态补偿速度和补偿精度,让其能够更有效地投入到电力系统的应用中,能够应用在更广泛的领域中,更多地为电力行业带来方便。参考文献：1 中国矿业大学 伍小杰，李明等编著. 电力电子技术.徐州:中国矿业大学出版社2 栗春，高辉，石建民等.基于DSP的静止同步补偿器脉冲发生器及控制器的设计J.电力系统自动化，1999,23 (13) :26-29.3 刘文华，卢军锋，郑征等.基于SHE-PWM的D-STATCOM的控制器和脉冲发生器的设计j.清华大学学报(自然科学版),2002,42(9):llss-1191.4 黄卓强，浅谈无功补偿的方式及容量计算.广西电业，2003, 10.5 姜齐荣，刘文华，韩英铎等.士20Mvar STATCOM控制器设计J.电力系统自动化，2000(12):24-28.6 靳龙章，丁毓山.电网无功补偿实用技术.北京:中国水利水电出版社，1997.7 黄卓强，浅谈无功补偿的方式及容量计算.广西电业，2003, 10.8 王兆安，杨君，刘进军。谐波抑制和无功功率补偿M.北京:机械工业出版社，1998.9 刘文华，梁旭，姜齐荣等.采用GTO逆变器的20Mvar ST