静止同步补偿器（STATCOM）仿真和研究设计

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 ， 无 功 的 产 生 和 影 响 ， 无功 补 偿 的 意 义 的 分 析 ， 进 行 了 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/EMTDC 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。关键词：无功补偿； 静止同步补偿器；瞬时无功； PSCAD/EMTDC；ABSTRACTThe 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 EMTDC/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;目 录1 绪 论 .11.1 引 言 .11.2 论 文 研 究 背 景 和 研 究 的 意 义 .11.3 无 功 功 率 .31.4 无 功 补 偿 的 意 义 .31.5 主 要 无 功 补 偿 装 置 及 其 工 作 原 理 .51.5.1 并 联 电 容 器 .61.5.2 同 步 调 相 机 (Synchronous Condenser-SC).61.5.3 静 止 型 无 功 补 偿 装 置 (Static Var Compensator-SVC).71.6 STATCOM 研 究 现 状 和 发 展 趋 势 .91.6.1 STATCOM 研 究 现 状 .91.6.2 STATCOM 发 展 趋 势 .101.7 本 文 研 究 的 主 要 内 容 .112 STATCOM 的 工 作 原 理 及 数 学 模 型 .112.1 STATCOM 的 基 本 电 路 结 构 .112.2 STATCOM 的 工 作 原 理 .132.3 STATCOM 的 数 学 模 型 的 建 立 .163 无 功 功 率 检 测 方 法 和 STATCOM 的 控 制 策 略 .193.1 无 功 功 率 检 测 方 法 .193.1.1 d-q 矢 量 变 换 理 论 .203.1.2 三 相 对 称 系 统 的 瞬 时 无 功 功 率 .223.2 STATCOM 装 置 的 控 制 方 法 .243.2.1 直 接 电 流 控 制 .243.2.2 间 接 电 流 控 制 .243.2.3 电 流 间 接 与 直 接 控 制 的 特 点 .254 STATCOM 装 置 的 无 功 补 偿 仿 真 研 究 .264.1 仿 真 工 具 软 件 PSCAD/EMTDC 简 介 .264.1.1 仿 真 工 具 软 件 PSCAD/EMTDC 的 概 况 .264.1.2 仿 真 工 具 软 件 PSCAD/EMTDC 的 主 要 功 能 .274.1.3 仿 真 工 具 软 件 PSCAD/EMTDC 的 主 要 结 构 及 元 件 库 .274.1.4 仿 真 工 具 软 件 PSCAD/EMTDC 的 主 要 操 作 步 骤 .294.2 STATCOM 的 仿 真 .294.2.1 仿 真 的 主 接 线 图 .294.2.2 仿 真 的 主 控 制 电 路 图 .304.2.3 仿 真 的 调 制 电 路 图 .304.2.4 各 仿 真 的 波 形 图 .324.3 本 章 小 结 .335 总 结 与 展 望 .335.1 结 论 .335.2 展 望 .34参 考 文 献 .35英 文 原 文 .37中 文 译 文 .44致 谢 .51中国矿业大学 2009 届本科毕业论文 第 1 页1 绪 论1.1 引 言近 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 。1.2 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 由中国矿业大学 2009 届本科毕业论文 第 2 页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 的中国矿业大学 2009 届本科毕业论文 第 3 页仿 真 波 形 进 行 了 深 入 的 研 究 。1.3 无 功 功 率许多用电设备都是根据电磁感应原理工作的，如配电变压器、电动机等，它们都是依靠建立交变磁场才能进行能量的转换和传递。为建立交变磁场和感应磁通而需要的电功率称为无功功率。因此在供用电系统中除了需要有功电源外，还需要无功电源，两者缺一不可。为了保证电力系统中电能质量、电压质量、降低网络损耗以及安全运行，就要保持无功平衡，无功功率对供电系统和负载的运行都是非常重要的，电力系统网路元件的阻抗主要是电感性的，因此，为了输送有功功率，就要求送电端的电压有一相位差，这在相当宽的范围内可以实现，而为了输送无功功率，则要求两端电压有一差值，这只能在很窄的范围内实现，不仅大多数网络中某个地方活得，显然，这些无功功率如果都要有发电机提供并经过长距离传送是不合理的，会加大网络损耗，通常也是不可能的，合理的方法是在需要消耗无功功率的地方产生无功功率，实现就地平衡补偿；所以就要对电力系统进行无功补偿。消耗无功功率的主要设备：有异步电动机、感应电炉、交流电焊机、变压器。在工矿企业所消耗的全部无功功率中，异步电动机的无功消耗占了60% 70%；而在异步电动机空载时所消耗的无功又占到电动机总无功消耗的 60%70%，改善异步电动机的功率因数就要防止电动机的空载运行并尽可能提高负载率。变压器消耗的无功功率一般为其额定容量的 10%15%，它的空载无功功率约为满载时的 1/3。为了改善电力系统和企业的功率因数，变压器不应空载运行或长期处于低压负载运行状态。1.4 无 功 补 偿 的 意 义随着我国国民经济及科技水平的快速发展，各行各业对电能质量的要求也越来越高，特别是随着各种电子装置和精密设备的广泛应用，使得用户希望供电企业能够提供高效优质的电能。而在电力系统中，异步电动机、变压器以及电弧炉等装置要消耗大量的无功功率。这些无功功率如果不能及时地得到补偿的话，会对电网的安全、稳定以及经济运行产生不利影响，主要体现在以下几个方面：1. 引起线路电压损耗增大下图为局部电力网的等值电路图：中国矿业大学 2009 届本科毕业论文 第 4 页图 1-1 局部电力网等值电路其中 R、 X 分别为线路的等值电阻和等值电抗; 、 分别为局部电2PQ力网末端的有功负荷和无功负荷; 为末端电压。可以证明，该局部电力2U网的电压损耗 U 的计算公式如下:(1-1)22221 ePRQXRX其中 为该电力网络的额定电压。由式（2-1）可知，由负荷的无功功e率 引起的电压损耗为：2Q(1-2)2xeXU而由负荷的有功功率 引起的电压损耗为：2P(1-3)2Re因为在一般的公用电网中，R 比 X 要小的多，所以电网电压的波动主要是由无功功率的波动引起的，而有功功率的波动对电网电压的影响则相对较小。图 1-2 综合负荷的电压静态特性图 1-2 为综合负荷的静态特性图，从图中可以看到，在额定电压附近，电压与无功功率的关系比电压与有功功率的关系要密切的多。当无功负荷由 增加到 时，如果系统的无功储备充足，则负荷将保持正常电压水平。0Q1如果无功储备不足，系统的无功电源不能提供相应的无功负荷增量，则电压特性曲线上移到图中的虚线，此时系统电压被迫由 降为 ，以此来达NU1中国矿业大学 2009 届本科毕业论文 第 5 页到新的无功功率平衡。如果长时间在低压状态下运行，不仅影响工业生产的产品质量，而且会损坏机械设备，造成安全隐患。甚至还有一些更为恶劣的状况:诸如异步电动机在启动期间功率因数很低，这种冲击性无功功率会使电网电压剧烈波动，甚至使接在同一电网上的用户无法正常工作。还有电弧炉、轧钢机等大型设备会产生频繁的无功功率冲击，严重影响电网的供电质量。因此，拥有充足的无功电源，动态快速的对无功功率进行补偿，是维持电力网电压稳定、提高供电质量的首要前提。2.使设备及线路损耗增加当电力网中的无功功率增加时，总电流亦随之增大，因而设备及线路的损耗就会增加，这是显而易见的。在图 l-1，该局部电力网的线损功率为 :(1-4)21ePQSRjXU其中有功线损为：(1-5)21e在有功线损中，因无功功率在电力网中的流动而引起的部分为:(1-6)2QePRU由式(1-6)可知，系统中的无功负荷越大，所引起的线路损耗就会越大。在我国，电力网的线损率是表征供用电企业经济效益和技术管理水平的综合性技术经济指标，也是国家贯彻节能方针，考核供电部门的一项重要指标。因此，及时补偿系统无功负荷、提高系统功率因数，不仅能够节约能源、提高供电企业经济效益，还能反应供电企业的技术管理水平。3.增加设备容量无功功率的增加，会导致电流增大和视在功率的增加，从而使发电机、变压器及其他电气设备容量和导线容量的增加。同时，电力用户的启动及控制设备、测量仪表的尺寸和规格也要加大。这不仅会大大增加供电企业的运行成本，而且会增加用电企业的生产成本，使得电网的经济运行大打折扣。在电力网中，不仅包括一些稳定的无功负荷，还有一些冲击性的无功负荷，只有对这些无功负荷进行动态补偿，才能防止供电质量的进一步恶化，同时，对于节约能源，保障电网安全运行也具有重要意义。中国矿业大学 2009 届本科毕业论文 第 6 页1.5 主 要 无 功 补 偿 装 置 及 其 工 作 原 理1.5.1 并 联 电 容 器利用并联电容器是补偿无功功率的传统方法之一。在电力系统常用的无功补偿设备中，并联电容器的单位容量费用最低，有功损耗最小，运行维护最简便，而目可以分散安装，实现无功就地补偿，获得最好的技术经济效果，此外改变容量也方便，还可以根据主要分散拆迁到其他地点。因此以并联电容器作为无功补偿方式目前在国内外均得到广泛的应用。下图为电力网中利用并联电容器进行无功补偿的等效电路图及相量图:a）电路图 b）相量图图 1-3 并联电容器补偿无功功率的电路和相量图由图 1-3 可以看出，当并联电容器未投入使用时，电力网中的感性无功电流都由系统电源承担，使得系统功率因数较低;并联电容器投入后，向系统供应感性无功功率，分担了系统的绝大部分无功负荷，使得功率因数大大提高。但是在补偿过程中，如果电容的容量过大，就会使补偿后的电流相位超前于电压，出现过补偿，这会引起变压器一次电压的升高，而且容性无功功率在电力线路上传输同样会增加电能损耗，使温升增大，影响电容器的寿命，因此，在利用并联电容器进行无功补偿时，一定要认真计算补偿容量。 由于电容器只能向系统供应感性无功功率，而且它所供应的感性无功功率与其端电压的平方成正比，所以以并联电容器作为无功补偿方式存在以下一些缺点:首先是电压的调节特性差，当系统因无功负荷过大，出现电压下降时，电容器的无功输出反而减小，这会导致电网电压的进一步下降，从而威胁到整个电力系统的安全运行。其次，当电容器的补偿容量确定以后，其阻抗是固定的，因此在补偿过程中不能跟踪负荷需求的变化，也就是说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。1.5.2 同 步 调 相 机 (Synchronous Condenser-SC)传统的无功功率动态补偿装置是同步调相机，它实际上是不带机械负荷，空载运行的同步电动机。它有过激和欠激两种运行方式:在过激运行时，向系统提供感性无功功率，成为无功电源，提高系统功率因数和电压;在欠激中国矿业大学 2009 届本科毕业论文 第 7 页运行时，则从系统吸收感性无功功率，成为无功负荷，降低系统电压。只要改变调相机的励磁，就可以平滑地改变其输出无功功率的大小及方向，因而可以平滑地调节所在地区的电压，这是同步调相机相对于并联电容器的最大优点。然而，由于同步调相机属于旋转电机，因此损耗和噪声都很大，运行和维护复杂，而目相应速度慢，在很多情况下己无法适应快速无功功率控制的要求。所以 70 年代以来，同步调相机开始逐渐被静止型无功补偿装置所取代。1.5.3 静止型无功补偿装置(Static Var Compensator-SVC)静止型无功补偿器是属于“柔性交流输电系统”(Flexible AC Transmission System-ACTS)范畴的无功功率电源，它有各种不同的形式，日前常用的有饱和电抗器型(SR 型)、晶闸管控制电抗器型 (TCR 型)、晶闸管开关电容器型(TSC 型)二种。早期的静止无功补偿装置是饱和电抗器(Saturated Reactor-SR)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。图 1-4 a)是其等效电路图，由SR 和若干组不可控电容器组成。与电容 C 串联的电感 与其构成串联谐fL振回路，兼作高次谐波的滤波器。而与饱和电抗器串联的电容 则用以校SC正饱和电抗器伏安特性的斜率。图 1-4 b)是其伏安特性图，当 SR 单独作用时，补偿器的基波电流如图中点划线所示，其斜率因 取值的不同而变化。S当电容器单独作用时，补偿器的电流如图中虚线所示，即随其端电压的增大而增大。而补偿器的整体伏安特性则如图中实线所示。可以看出，当系统电压高于参考电压时，补偿器产生感性无功电流，降低系统电压，;而当系统电压低于参考电压时，补偿器则产生容性无功电流，提高系统电压。a）等效电路图 b）伏安特性图图 1-4 SR 型静止无功补偿器等效电路与伏安特性图中国矿业大学 2009 届本科毕业论文 第 8 页SR 型静止无功补偿器与同步调相机相比，具有静止型的优点，响应速度快。但是由于其铁心需磁化到饱和状态，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，所以未能占据静止无功补偿装置的主流。进入 70 年代后，随着电力电子技术的发展及其在电力系统中的应用，使用晶闸管的静止无功补偿装置受到越来越多的关注并逐渐占据无功功率补偿的主导地位。1977 年美国 GE 公司首次在实际电力系统中演示运行了其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。我们日前所说的静止无功补偿装置(SVC)往往专指使用晶闸管的静止无功补偿装置，主要包括晶闸管控制电抗器(Thyristor ControlledReactor-TCR)和晶闸管投切电容器(Thyristor Switched Capacitor-TSC) 。TCR 型补偿器由 TCR 和若干组不可控电容器组成。如图 2-5 所示，与电容 C 串联的电感 与其构成串联谐振回路，兼作高次谐波的滤波器，滤fL去由 TCR 产生的 5, 7, 11等次谐波电流。TCR 由两个反并联的晶闸管与一个电抗器相串联，其工作原理就是通过控制晶闸管的触发延迟角 ，增大或减小补偿器的等效电抗，从而达到动态改变其吸收的基波电流和无功功率的大小，图 b)为 TCR 型补偿器的伏安特性图，当 TCR 单独作用时，补偿器的基波电流如图中点划线所示，其值取决于晶闸管的触发角，而后者又取决于设定的控制规律和系统的运行状况等。当仅有电容器作用时，补偿器的电流如图中虚线所示，即随其端电压的增大而增大。当 TCR 与电容器同时投入时，补偿器的电流如图中实线所示。所以，通过控制晶闸管的触发延迟角，TCR 型补偿器既可吸收感性无功功率，又可吸收容性无功功率，从而达到对系统无功功率和电网电压的动态控制。a）等效电路图 b）伏安特性图图 1-5 TCR 型静止无功补偿器等效电路与伏安特性图TSC 型补偿器的工作原理比较简单，其等效电路图如图 2-6a)所示，利中国矿业大学 2009 届本科毕业论文 第 9 页用两个反并联晶闸管将电容器并入电网或从电网中断开，其实只是以晶闸管开关取代了常规电容器所配置的机械式开关。a）等效电路图 b）伏安特性图图 1-6 TSC 型静止无功补偿器等效电路与伏安特性图在工程实际中，一般将电容器分成几组，每组都可由晶闸管投切。这样，可以根据电网的无功需求投切这些电容器，TSC 实际上就是断续可调的吸收容性无功功率的动态无功补偿器，其伏安特性按照投入电容器组数的不同而不同，见图 1-6b） 。电容器分组的具体方法比较灵活，一般希望能组合产生的电容值级数越多越好，这样可以尽可能的实现平滑调节，但是也应综合考虑到系统复杂性以及经济性的问题。另外，电容器的投切时刻必须是电源电压与电容器预先充电电压相等的时刻，否则将会产生冲击电流，很可能会破坏晶闸管或给电源带来高频振荡等不利影响所有形式的 SVC 虽然能够快速动态的调节系统无功功率，但是我们应该注意到，这些 SVC 设备之所以能产生感性无功功率，依靠的还是其中的电容器，这就使得 SVC 与静电电容器有同样不可逾越的障碍，即电压调节特性差，另外装置的补偿能力受其安装容量的限制，这些缺点，都是促使STATCOM 产生的必要条件。1.6 STATCOM 研 究 现 状 和 发 展 趋 势1.6.1 STATCOM 研 究 现 状采用电力电子半导体变流器实现无功补偿的思想早在 20 世纪 80 年代初就已提出，1980 年日本研制出第一台士 20Mvar STATCOM,1987 年，美国Westinghouse(西屋公司) 研制成 Mvar 晶闸管的 STATCOM 实验装置，并1成功的进行了现场实验。1991 年和 1994 年日本和美国分别研制成功了一套80MVA 和 100MVA 的采用 GTO 晶闸管的 STATCOM 装置，并且最终成功的投入了商业运行。另外，用 STATCOM 来补偿工业负荷的研究也时有报道，使用的大都是 GTO 晶闸管和 IGBT 这样的全控型器件。在国内，1994 年研制大容量 STATCOM 被列为电力部重点科研攻关项目。1999 年 3中国矿业大学 2009 届本科毕业论文 第 10 页月，由清华大学和河南省电力局合作共同研制的 20Mvar STATCOM 在河南朝阳变电站并网成功，使我国成为世界上继日本、美国、德国之后第四个拥有该项技术的国家。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。目前清华大学与上海电力公司合作，正在研制基于 IGCT 50Mvar 链式 STATCOM 装置。东南大学、哈尔滨工业大学、西安交通大学等院校与科研机构也在进行 STATCOM 的相关研究。但国内对 STATCOM 的研究和应用还处于刚刚起步阶段，具有十分广阔的发展空间与工程应用前景。1.6.2 STATCOM 发 展 趋 势近十多年来，世界范围内有关 STATCOM 的研究和应用有了长足的进步和发展，纵观近年来建设的这些项目和投运装置，具有如下的发展趋势:(1)更大容量如 100Mvar-200Mvar 的 STATCOM 主电路的研究。为了加强 500kV 网络的电压调节能力，对百兆乏级 STATCOM 的需求将更大，由于开关元器件如 IGBT, IGCT 的单管容量限制，必须采用多重化连接或其他方式来增大装置容量和提高装置的耐压水平，为此需要对更大容量 STATCOM 的主电路进行深入研究。(2) STATCOM 在异常状态下的行为及新的保护和监测系统的研究。由于 STATCOM 的最终目的是用于改善系统的稳定性，因此要求在系统异常情况下仍安全、可靠地运行，并且提供所需的无功支持。但是当系统电压幅值、相位发生很大的突变或系统电压存在较大的不平衡度时，STATCOM 又可能出现过电流。目前采用的措施是当系统异常导致装置发生过电流时，立即封锁脉冲以保证装置的安全，等系统电压变化趋于缓和时再重新投入运行，因此为了加强 STATCOM 对系统电压变化的跟踪能力，充分发挥它的作用，需要系统地研究 STATCOM 在异常情况下的行为及其相应的保护对策。另外为了保证 STATCOM 在系统中的可靠运行，还需加强对 STATCOM 的监测，尤其是遥控监测，以便及时掌握装置的安全状态。(3) STATCOM 布点优化规划、多个 STATCOM 协调控制与其他控制器综合控制研究。为了充分发挥 STATCOM 在系统中的作用，需要对 STATCOM 的装设地点进行优化，以提高系统的性能投资比;另外，由于电力系统是个统一的、元件间相互耦合的整体，当装设多个 STATCOM 时，则要求当系统发生故障时，各 STATCOM 装置以及其他装置除了要维持自身的安全和稳定，还必须尽可能多地为全系统的安全和动态性能的改善做出贡献，至少不恶化中国矿业大学 2009 届本科毕业论文 第 11 页全系统的安全和动态性能，这样就需要研究多个 STATCOM 的协调控制以及与其它控制器的综合控制。(4) STATCOM 控制方法的研究。在理论研究方面，STATCOM 的控制方法目前己有 PI 控制、基于微分几何的非线性控制、神经网络控制和鲁棒控制等。由于 PI 控制的参数很难整定，所以也很难满足装置的实时性。而基于微分几何的非线性控制虽然取得了较以前更好的效果，但它需要复杂的坐标变换，对数学基础要求较高，不利于工程中的广泛应用。基于专家系统设计具有学习功能的控制器，在多目标问题上也取得了重大的突破，但也存在某一运行点控制效果无法超越训练器，难以进行在线训练，难以选择最恰当的期望接入点电压以及无法实现控制误差的实时反馈。1.7 本 文 研 究 的 主 要 内 容(1) STATCOM 研究现状和发展趋势(2) 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。(3) STATCOM 的工作原理和数学模型(4) 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。(5) 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