静止同步补偿器的设计与仿真

目录1 绪论11.1 引言11.2 本文研究背景及意义11.3电力系统静止无功补偿技术的种类及其各自的优缺点31.3.1 并联电容器31.3.2 同步调相机(Synchronous Condenser-SC)41.3.3 饱和电抗器41.3.4 静止型无功补偿装置(Static Var Compensator-SVC)51.4 STATCOM 研究现状和发展趋势51.4.1 STATCOM的研究现状51.4.2 STATCOM的发展趋势51.5本文的研究内容52 STATCOM 的工作原理及数学模型52.1 STATCOM的基本结构52.2 STATCOM的工作原理52.3 STATCOM 装置的时域数学模型53 无功功率的检测方法和STATCOM的控制策略53.1 无功功率检测方法53.1.1基于dq理论检测方法53.2 STATCOM装置的控制方法53.2.1 直接电流控制53.2.2 间接电流控制53.2.3 电流间接与直接控制的比较54STATCOM装置的无功补偿仿真研究54.1 仿真软件MATLAB/Simulink简介54.1.1 仿真软件MATLAB/Simulink的概括54.1 .2 仿真软件MATLAB/Simulink的主要功能54.2 STATCOM的仿真54.2.1 STATCOM 的仿真的主接线54.2.2 仿真波形及结果分析：54.3 本章小結55 总结与展望55.1 总结55.2展望5参考文献5致谢51 绪论1.1 引言 静止无功补偿器（STATCOM)是柔性交流输电系统（FACTS)的一个重要组成部分，是静止无功补偿的发展近年来在世界各地都得到了广泛的应用。河南省电力公司通过与清华大学合作，成功研制出国内第一台300kvar STATCOM工业样机和20Mvar STATCOM，标志着我国这一领域的工业应用研究处于世界先进水平。随着电力系统中非线性用电设备，尤其是电力电子装置日益广泛的应用，电力系统中的谐波与无功功率也越来越严重，而大多数电力电子装置功率因数较低，给电网带来了额外的负担，严重影响供电质量。因此，谐波抑制和无功功率补偿已成为电力电子技术和电力系统等领域面临的一个重大课题，引起人们越来越多的关注，因此如何更好、更有效、更优化的对无功功率进行补偿是摆在电力工作者面前亟待解决的问题。1.2 本文研究背景及意义由于我国经济发张不平衡，一次能源地理分布不均，因此我国电力发展的基本国策为：“全国联网，西电东送，南北互供，厂网分开”。随着各省主干电网网架、大区主干网架和受端网架不断地加强及完善以及三峡电站各批机组逐步并网发电，中国的各区域性电网将实现联网，多大区域互联电力系统从经济上带来了明显的好处，但它面临着以下问题： （1）我国一次能源地理分布不均，电源建设所需的煤和水力资源主要在西部，为满足东部发达地区不断增长的电力需求，需要通过长距离输电线将大量的电能送到东部的负荷中心如北京、上海和广东地区。输送的功率达到1.2-1.5亿KW输送如此大的功率需要建设多条远距离输电线，由于我国地形复杂，建设输电线的造价高昂，因此有效地减少输电线的输送容量。实际上输电线输送容量主要受稳定性的限制，包括：静稳极限；暂稳极限；电压稳定性；热稳定性。对于长距离输电线来说其热稳定极限是很高的，但受其他三项的限制，使其输送容量无法达到最大。 （2）功率分布和走向不当引起部分线路及其两端设备严重过负荷，而其他线路则轻载不仅使已有设备不能充分利用还常常引发稳定问题；形成环流整个系统的有功功率损耗增加，系统运行很不经济；系统无功功率分配不当，电压质量变差。 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。 目前，世界上已有多台投入运行的STATCOM。其中，1986年美国的EPRI与西屋公司等研制的1Mvar STATCOM 在纽约的Sspring Valley投入示范运行；1991年日本的三菱公司与关西电力公司共同研制的80Mvar STATCOM在Inuyama开关站投入154KV系统运行；1992年东京电力分别与东芝公司日立公司开发的两台50Mvar STATCOM在新信浓电站投入使用；1995年美国的电力科学院EPRI、田纳西流域管理局TVA与西屋公司投入了一台100Mvar STATCOM；1997由德国西门子公司开发研制的8Mvar STATCOM在丹麦Reisby Hede风场投入运行；目前为止世界上最大容量的STATCOM是美国AEP统一潮流控制器项目中的并联部分160Mvar STATCOM，已于1997年开始运行。 到目前为止，国际上只有美、日、德等少数几个发达国家掌握了STATCOM的应用开发技术。为了跟踪国际FACTS发展的前沿技术，同时也为了解决电网现有的问题，在原国家电力部的支持下，河南省电力局于1994年决定投资开发20Mvar STATCOM，该项目被列为原店里不的重大科技攻关项目。在项目合作方清华大学的积极配合下，作为中间样机的一台300kvar STATCOM于1996年11月通过了电力部组织的专家评审，1997年在河南郑州的变电站进行了现场测试和试运行。20Mvar STATCOM于1999年3月在河南洛阳220kv朝阳变电站并网成功，它已成为中国FACTS研究应用领域的一个里程碑，标志着我国成为国际上第四个拥有大容量STATCOM制造技术的国家，标志着中国FACTS技术发展进入了一个新的阶段。可以看出STATCOM作为一种新型的无功调节装置，拥有如此多的优点,已经成为现代无功补偿装置的发展方向，也成为国内外电力系统行业的重点研究课题之一。1.3电力系统静止无功补偿技术的种类及其各自的优缺点 传统的无功补偿设备有并联电容器、调相机和同步发电机等，由于并联电容器阻抗固定不能动态的跟踪负荷无功功率的变化;而调和机和同步发电机等补偿设备义属于旋转设备，其损耗、噪声都很大，而且还不适用于太大或太小的无功补偿。所以这些设各已经越来越不适应电力系统发展的需要。 20世纪70年代以来，随着研究的进一步加深出现了一种静止无功补偿技术。这种技术经过20多年的发展，经历了一个不断创新、发展完善的过程。所谓静止无功补偿是指用不同的静止开关投切电容器或电抗器，使其具有吸收和发出无功电流的能力，用于提高电力系统的功率因数，稳定系统电压，抑制系统振荡等功能。目前这种静止开关土要分为两种，即断路器和电力电子开关。由于用断路器作为接触器，其开关速度较慢，约为10-30S,小可能快速跟踪负载无功功率的变化，而且投切电容器时一常会引起较为严重的冲击涌流和操作过电压，这样不但易造成接触点烧焊，而且使补偿电容器内部击穿，所受的应力大，维修量大。随着电力电子技术的发展及其在电力系统中的应用，交流无触点开关SGR,GTR, GTO等的出现，将其作为投切开关，速度可以提高500倍(约为10us)，对任何系统参数，无功补偿都可以在一个周波内完成，而目_可以进行单相调节。现将各种无功补偿方法的优缺点及其等效电路图进行详细的对比：1.3.1 并联电容器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)向量图 图1-3 并联电容器补偿无功功率的电路和向量图由图可以看出，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。优点：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。缺点：（1)只能补偿感性无功，且不能连续调节。（2)当电网电压下降时，电容器上的补偿电流相应下降，使得补偿的无功量急剧下降，系统电压下降更大。（3)在系统有谐波时，还可能发生并联谐振，使谐波电流放大，甚至造成电容器的烧毁。1.3.2 同步调相机(Synchronous Condenser-SC)优点：在过励磁或欠励磁的不同情况下可分别发出不同大小的容性或感性无功功率缺点：（1)由于其为旋转电机，因而损耗和噪声都较大，运行维护复杂大容量技术难度高。（2)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。1.3.3 饱和电抗器优点：与同步调相机相比，具有静止型的优点，响应速度快。缺点：（1)由于其铁心需磁化到饱和状态，因而损耗和噪声也都很大。（2)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。1.3.4 静止型无功补偿装置(Static Var Compensator-SVC)优点：（1)在提高系统的暂态稳定性和阻尼系统振荡等方面，STATCOM的性能大大优于传统的同步调相机。（2)控制灵活，调节范围广，其在感性和容性运行工作情况下均可连续快速调节。(3)静止运行、安全稳定、大大提高了装置寿命，改善环境影响。（4）STATCOM装置采用直流电容器代替交流电容器，不仅可调节系统的无功功率，还可调节系统的有功功率。同时使STATCOM装置的体积减小，损耗降低。(5)述接电抗小。STATCOM接入电网的连接电抗，其作用是滤除电流中存在的较高次谐波，另外还起到将变流器和电网这两个交流电压源连接起来的作用，因此所需的电感量远小于补偿容量相同的STATCOM的对系统电压进行瞬时补偿，即使系统电压降低，其仍可维持最大无功电流。(5)谐波量小。SVC本身产生一定量的谐波，而在STATCM中，则完全可采用桥式交流电路的多重化技术、多电平技术，以消除次数较低的谐波。(6)SVC装置是电抗型的，接入电力系统之后有可能改变原电力系统的阻抗特性，而导致出现谐振。而STATCOM装置为电压源逆变装置，不会产生谐振。(7) STATCOM的端电压，对外部系统的运行条件和结构变化不敏感，即输出稳定的系统电压。缺点：(1)初始投资和运行费用都比较高。(2)技术要求高，控制起来比较复杂。(3)容量太大及由此引发的系统复杂问题。 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。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。1.4 STATCOM 研究现状和发展趋势1.4.1 STATCOM的研究现状人们利用电力电子变流器进行无功控制的可能性很早就认识了，但限于当时电力电子器件的耐压和功率水平，无法制造出输电系统中具有实用价值的装置。直到今年来，尤其是高压大功率的门极可关断晶闸管GTO的出息，才极大的推动了STATCOM的开发和应用。STATCOM是并联型FACTS设备，他同基于可控电抗器和投切电容器的传统静止无功补偿器SVC相比，性能上具有极大的优越性，越来越得到广泛的重视，必将取代SVC成为新一代的无功电压控制设备。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。 目前，世界上已有多台投入运行的STATCOM。其中，1986年美国的EPRI与西屋公司等研制的1Mvar STATCOM 在纽约的Sspring Valley投入示范运行；1991年日本的三菱公司与关西电力公司共同研制的80Mvar STATCOM在Inuyama开关站投入154KV系统运行；1992年东京电力分别与东芝公司日立公司开发的两台50Mvar STATCOM在新信浓电站投入使用；1995年美国的电力科学院EPRI、田纳西流域管理局TVA与西屋公司投入了一台100Mvar STATCOM；1997由德国西门子公司开发研制的8Mvar STATCOM在丹麦Reisby Hede风场投入运行；目前为止世界上最大容量的STATCOM是美国AEP统一潮流控制器项目中的并联部分160Mvar STATCOM，已于1997年开始运行。 到目前为止，国际上只有美、日、德等少数几个发达国家掌握了STATCOM的应用开发技术。为了跟踪国际FACTS发展的前沿技术，同时也为了解决电网现有的问题，在原国家电力部的支持下，河南省电力局于1994年决定投资开发20Mvar STATCOM，该项目被列为原店里不的重大科技攻关项目。在项目合作方清华大学的积极配合下，作为中间样机的一台300kvar STATCOM于1996年11月通过了电力部组织的专家评审，1997年在河南郑州的变电站进行了现场测试和试运行。20Mvar STATCOM于1999年3月在河南洛阳220kv朝阳变电站并网成功，它已成为中国FACTS研究应用领域的一个里程碑，标志着我国成为国际上第四个拥有大容量STATCOM制造技术的国家，标志着中国FACTS技术发展进入了一个新的阶段。1.4.2 STATCOM的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。1.5本文的研究内容(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METALAB的STATCOM仿真 2 STATCOM 的工作原理及数学模型2.1 STATCOM的基本结构 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。，STATCOM的基本电路结构应该分为两种“即电压型桥式电路结构和电流型桥式电路”结构。如图2-1所示; a)采用电压型桥式电路 b）采用电流桥式电路 图2-1 STATCOM的电路基本结构 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，纽流送入电网。并联于交流侧的电奔可以吸收换朽产牛的过电压。我们知道，在平衡的三相系统中，二相瞬时功率的和是定的，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劝率的往返，各相的无功能兰是在三相之问来回往返的。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。其直流侧仍需一定人小的电容或甩感作为储能元件，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人部采用电压型桥式电路，因此STATCOM往往专指采用自换相的电压型桥式电路作为动态无功补偿的装置。2.2 STATCOM的工作原理图2-2为STATCOM的原理示意图，其中直流侧为储能电容，为STATCOM提供直流电压支撑，逆变器通常由多个逆变桥串联或并联而成，其主要功能是将直流电压变换为交流电压，而交流电压的大小、频率和相位可以通过控制逆变器中的可关断器件（GTO、IGCT、IEGT等）的驱动脉冲进行控制。连接变压器将逆变器输出的电影变换到系统电压， a)注入系统的电流超前（相当于电感） b)注入系统的电流滞后（相当于电容） 图2-2 STATCOM调节无功功率原理示意图从而使STATCOM装置可以并联到电力系统中。连接变压器本身的漏抗可以用于限制电流，防止逆变器故障或系统故障时产生过大的电流。整个STATCOM装置相当于一个电压大小可以控制的电压源。设STATCOM装置产生的归算到系统侧的空载相电压UI，系统相电压US，连接电抗X，则STATCOM装置输出的电流为因此，STATCOM装置输出的单相视在功率为通常情况下，STATCOM装置只吸收很小的有功功率或不吸收有功功率，因此其产生的电压UI与系统电压US相位相同，因此STATCOM装置输出的单相无功功率为当控制STATCOM装置产生的电压小于系统电压即UIUS时，STATCOM装置向系统输出的无功功率QUS时，STATCOM装置向系统输出的无功功率Q0，此时STATCOM装置相当于电容。由于STATCOM装置产生的电压UI的大小可以连续快速地控制，因此STATCOM吸收的无功功率可以连续地由正到负进行快速调节。2.3 STATCOM 装置的时域数学模型 图2-3 STATCOM装置的原理接线图图2-3为STATCOM装置原理接线图，可利用输入输出建模方法来建立STATCOM装置的数学模型，在见模之前先对STATCOM装置做如下假设：（1）将STATCOM装置中各种损耗及电阻包括开关器件（如晶闸管、二极管等）的导通电阻用等效电阻R表示，连接变压器阀侧至同步信号采样点的电感L。（2）由于STATCOM装置输出电压有多个单项桥输出电压叠加而成，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。基于上面的假定及将多个单相桥的输出电压uLR（t）按一定规律串联起来，取其基波，可以得出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a、b、c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的数学模型为由上式可知，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。按照瞬时功率理论，STATCOM装置注入系统的瞬时三相有功功率和无功功率为而因此有3 无功功率的检测方法和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：(1)带通滤波器或陷波（带阻）滤波器：造价低，输出阻抗小；但当电网频率波动时，这种方法的滤波效果差，不能直接检查出电流中的无功分量。（2）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。（3）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。（4）自适应检测方法：基本上可以克服电源电压畸变和电网频率偏移对检测系统的影响，具有较好的自适应能力，但其存在动态响应慢的缺点，并对硬件的性能要求高。（5）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。（6）基于小波变换的检测方法：克服了傅立叶变换在频域完全局部化而在时域完全无局部性的缺点。但该方法需要一个周期的电流信号，有带通滤波器的缺点，得到畸变电流需要两次变换，计算量大。（6）基于瞬时无功功率理论的电流检测法：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。3.1.1基于dq理论检测方法dq变换，即Park变换，是一种根据双反应原理将参考坐标自旋转电机的定子侧转换到转子侧上的坐标变换。基于dq变换的检测算法可以确定瞬时电压的有效值，得到了广泛的应用。其变换公式如式为反变换为：其中这种变换存在变换前后电磁功率不守恒的缺点，为使变换前后功率守恒，其变换矩阵应为正交矩阵。变换矩阵为：。其中为同步旋转角，由锁相环(PLL)电路捕获，能实时跟踪电网基波正序分量频率的变化;:ia、ib、ic为负载三相电流;id , iq分别是三相电流经同步坐标变换后的d轴分量和q轴分量该方法根据瞬时无功功率理论算出id , iq经低通滤波器(LPF得到id , iq的直流分量和。，经和变换即可计算出被检测电流的基波分量，其检侧原理图如下图所示。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，直接指令电流的发生。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比较以上是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。4STATCOM装置的无功补偿仿真研究4.1 仿真软件MATLAB/Simulink简介4.1.1 仿真软件MATLAB/Simulink的概括Simulink是MATLAB提供的实现动态系统建模和仿真的一个软件包，是基于框图的仿真平台。Simulink挂接在MATLAB环境上，以MATLAB的强大计算功能为基础，利用直观的模块框图进行仿真和计算。Simulink提供了各种仿真工具，尤其是它不断扩展的、内容丰富的模块库，为系统的仿真提供了极大的便利。Simulink最初是为仿真控制系统而建立的工具箱，在使用中易编程、易扩展，并且可以解决在使用MATLAB过程中遇到的非线性、变系数等问题。它能够进行连续系统和离散系统的仿真，也能够进行线性和非线性系统仿真，并且支持多种采样频率系统的仿真，使不同的系统能以不同的采样频率组合，这样就可以仿真较大、较复杂的系统。因此，不同的科学领域根据自己的仿真要求，以MATLAB为基础，开发了大量的专用仿真程序，并把这些程序以模块的形式放入Simulink中形成模块库。Simulink的模块库就是在MATLAB的基础语言上编写的子程序集。现在Simulink模块库有3级树状的子目录，在一级目录下包含了Simulink最早开发的数学计算工具箱、控制系统工具箱的内容，之后开发的信号处理工具（DSP Block）、通信系统工具箱（Comm）等也并行列入模块库的一级子目录，逐级打开模块库浏览器（Simulink Library Browser）的目录，就可以看到这些模块。在Simulink也包含了电力系统模块库（Power System Block），该模块库主要由加拿大HydroQuebec 和TECSIM International公司共同开发。该模块可以方便的进行RLC电路、电力电子电路、电力系统和电机控制系统模块的仿真。本人即在（Power System Block）模块下进行的静止同步补偿器的仿真。4.1 .2 仿真软件MATLAB/Simulink的主要功能（1）此高级语言可用于技术计算（2）此开发环境可对代码、文件和数据进行管理（3）交互式工具可以按迭代的方式探查、设计及求解问题（4）数学函数可用于线性代数、统计、傅立叶分析、筛选、优化以及数值积分等（5）二维和三维图形函数可用于可视化数据（6）各种工具可用于构建自定义的图形用户界面（7）各种函数可将基于 MATLAB 的算法与外部应用程序和语言（如 C、C+、Fortran、Java、COM 以及 Microsoft Excel）集成4.2 STATCOM的仿真4.2.1 STATCOM 的仿真的主接线 在第二章中，通过对STATCOM的原理分析中，利用MATLAB/Simulink中Power System Blockset模块，里面含有电源、元器件等众多模块库，可以进行电力系统方面的建模仿真。下图即为在间接控制策略下的STATCOM系统仿真总图。 图4-1 STATCOM采用电流间接控制时系统仿真图当STATCOM采用电流间接控制策略时，其工作原理是根据负荷无功功率的大小调整补偿角，间接控制STATCOM交流侧的电流和输出电流，实现对接入点处负荷的无功功率进行完全补偿，从而使功率因数达到1.模块中三相可编程电源代替无穷大系统，设定线电压有效值无380V频率50Hz，恒定负载等效阻抗每项，。STATCOM主电路包括控制开关、三厢脉冲发生器以及电压源型变流器。其中无功检测电路模块图: 图4-2 无功检测仿真模块图4.2.2 仿真波形及结果分析：图4-3 STATCOM 投入运行后系统功率因数变化曲线 由变化曲线可以看出，STATCOM投入运行后，经过5个周期后的暂态振荡过程，系统功率因数维持在1附近，所以STATCOM得投入大大的提高了系统的功率因数 图4-4补偿前后电压电流相位对比由图4-4可知，在补偿前电压超前电流角，经过补偿后两者完全同相位，实现了补偿效果。其中红色为电压波形，黄色为电流波形。下图所示的是STATCOM投入运行后的再STATCOM交流侧的A相电压和A相电流波形图： a） 投入STATCOM A相电压波形 b)STATCOM A相电流波形 图4-5 STATCOM交流侧A相电压与A相电流波形图 可以看出，经过短暂的震荡之后，STATCOM开始吸收稳定的容性电流，为系统提供动态无功功率补偿。a） 补偿前系统A相电流波形b） 补偿后系统A相电流波形图 4-6 系统A相电压与补偿前后系统A相电流波形比较 4.3 本章小結本章STATCOM仿真模型主电路有四大部分构成，由电力系统、主电路、控制电路和检测电路组成，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MATLAB/Simulink分析STATCOM对负荷进行无功补偿的过程。5 总结与展望5.1 总结在本次的设计中首先分析了无功补偿在电力系统中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，建立了STATCOM的数学模型，确定了电路中参数的取值，并通过仿真来检测实际效果。5.2展望目前，STATCOM技术的研究开发仍具有相当大的难度，但STATCOM的优势是十分的明显的，响应速度快，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