基于PSCAD仿真的DSTATCOM无功补偿研究(自己).KDH

1、第一章 绪论1.1 课题研究的意义电力是国家的支柱能源和工业经济命脉，经济的飞速发展而导致用电量的急剧增加和国内各大型电厂的建设投产将出现大规模的联合供电系统，这样的供电系统的建立将带来巨大的经济和社会效益，但是，如何保证系统安全、稳定、经济的运行以及保障供电质量是摆在电力科技人员面前的一个重大而迫切的问题。由于配电网结构、运行变化等原因，我国配电网损耗、电压合格率等技术指标与发达国家相比有很大差距，由于电压不合格等原因造成用户电器烧毁的现象仍然存在，而网损过高使得生产的宝贵电能白白浪费，而且影响电力企业的经济效益。在人们日常生活以及工业生产中，感性负载所占据的比例增大，无功功率问题逐渐成为电

2、力系统和电力用户都十分关注的问题，也是近年来各方面关注的热点之一，功率因数也是衡量电能质量三大指标之一，功率因数也是衡量电能质量三大指标之一。容性负载包括计算机、开关电源、电视、输电线路等，虽然所占比例不大，但是对电力系统的影响也不容忽视。输电线路的电感性无功功率小，由于电容效应，输电线路产生的的容性充电功率大于输电线路吸收的电感性无功功率，必须满足电力系统无功平衡的需要，维持电力系统的电压水平，否则电力系统电压过高，将无法保证安全运行。无功功率对电网的影响主要有以下几个方面：（1）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增加

3、。同时，电力用户的起动及控制设备、测量仪表的尺寸和规格也要加大。（2）设备及线路损耗增加无功功率的增加，使总电流增大，因而使设备及线路的损耗增加。设线路总电流为i=ip+iq,线路电阻为r，则线路损耗p为： （1.1）式1.1中，（q2/u2）r这一部分损耗就是无功功率引起的。（3）使线路及变压器的电压降增大，如果是冲击性无功功率负载，还会使电压产生剧烈的波动，使供电质量严重下降。电力系统中功率因数不高的根本原因是由于电感性负载的存在。例如生产中最常见的异步电动机、工频炉、电焊变压器以及日光灯等。电感性负载的功率因数住所以小于1，是由于负载本身需要一定的无功功率所决定的。功率因数的提高，能使发

4、电设备的容量得到充分利用，同时也能使电能得到大量节约，在同样的发电设备的条件下能给更多的负载供电。从经济观点出发，如何解决这个矛盾，也就是如何才能减少无功在线路上的流动和交换，同时又使电感性负载能够取得所需的无功功率。无功补偿的作用只要有以下几点：（1）提高供用电系统负载的功率因数，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。在长距离输电线中适合的地点设置动态的无功补偿装置还可以改善输电系统的稳定性，提高输电能力（3）电气化铁道等三项负载不平衡的场合，通过适当的无功补偿可以平衡三项的有功及无功负载。配电系统是电力系统直接与用户相联的一个环节，供电质量的好坏直接影响到

5、用户的经济效益和设备安全。将灵活交流输电技术facts1（flexible ac transmission system）运用于配电系统中，可用来减小谐波的畸变、电压波动和闪变、消除各相电压不平衡，使电压的幅值、功率因数负荷要求，保证供电可靠性。facts技术为提高电能质量提供了一个灵活的手段，将在很大程度上变革现有的电力输电和配电系统。发展配电系统中的facts技术不仅拓宽了灵活输电的应用范围，也促使配电自动化进一步向前发展。本文所阐述的无功功率补偿2问题正是将facts技术运用于配电系统，从而解决实际配电网中无功功率的不足，是涉及电力电子技术、电力系统、电气自动化技术、理论电工等领域的重大

6、课题，对于现有电力资源和配电系统的高效利用具有深远的意义。1.2 statcom的研究发展和应用随着工业白动化的发展，用户对电能质量的要求越来越高。而系统中大量存在的非线性及冲击性负荷(如轧钢机、电弧炉)不仅吸收大量的无功功率，同时还引起电压波动和闪变。如果不能得到及时的补偿，不仅影响产品的质量，还会增加设备容量，以及设备与线路的功率损耗，从而大大提高生产成本。因此，快速有效的无功功率补偿对于工业生产，特别是冶金工业来说，显得尤为重要。目前较为传统的无功补偿通常采用的方法主要有3种:低压个别补偿、低压集中补偿、高压集中补偿。下面简单介绍这3种补偿方式的适用范围及使用该种补偿方式的优缺点。(1)

7、低压个别补偿。低压个别补偿是根抓个别用电设备对无功的需求量将单台或多台低压电容器组分散地与用电设备并接，它与用电设备共用一套断路器。通过控制，保护装置与电机同时投切。适用于补偿个别大容量风连续运行(如大中型异步电动机)的无功消耗，以补偿励磁无功为:。低压个别补偿的优点是:用电设备运行时，无功补偿投入，用电设备停运时，补偿设备也退出，因此不会造成无功倒送。它具有投资少、占位小、安装容易、配置方便灵活、维护简单、事故率低等优点。(2)低压集中补偿。低压集中补偿是指将低压电容器通过低压开关接在配电变压器低压母线侧，以无功补偿投切装置作为控制保护装置，根抓低压母线上的无功负荷而直接控制电容器的投切。电

8、容器的投切是整组进行，做不到平滑的调节。低压补偿的优点:接线简单、运行维护工作量小，使无功就地平衡，从fi!提高配变利用率，降低网损，具有较高的经济性，是目前无功补偿中常用的手段之一。(3)高压集中补偿。高压集中补偿是将并联电容器组直接装在变电所的610kv高压母线上的补偿方式。适用于用户远离变电所或在供电线路的末端，用户有一定的高压负荷时，可以减少对电力系统无功的消耗并可以起到一定的补偿作用；补偿装置根抓负荷的大小白动投切，从而合理地提高了用户的功率因数，避免功率因数降低导致电费的增加，同时便于运行维护，补偿效益高。上述三种补偿方法，其最大弱点是补偿容量受装置自身容量的限制，目对电容器组的连

9、续投切会产生大量谐波。随着大功率全控型晶闸管gto及igbt的出现，特别是相控技术、脉宽调制技术(pwm)、四象限变流技术的提出使得电力电子逆变技术得到快速发展，以此为基础的无功补偿装置statcom能够快速平滑地吸收感性和容性无功功率，调节系统电压、校止功率因数、平衡负荷、滤除谐波。statcom止以其众多的优越性成为研究热点。1.3 statcom的研究现状早在70年代，日本、美国德国就已经开始研究静止无功发生器，并有一些小容量的装置进入实验室研究。自日本三菱公司于1980年成功研制基于晶闸管的20mvarstatcom以来，statcom作为facts的重要成员已引起各国电力工业界的重视

10、，得到迅速发展和应用。但由于statcom的技术含量较高，目前掌握并应用这一技术的国家还只限于少数国家(如日本、美国、德国、英国和中国等)。 1991年日本的三菱，日立，东芝又分别推出了80mvar的基于gto的statcom装置。1988年美国电力科学研究院(epri)开始执行facts的研究计划，在此计划中首推研究项目就是statcom。美国ge公司和西屋公司与电力科学院于也于1988年和1995年分别安装了10mvar与100mvar的statcom装置，其间德国西门子公司的单机8mvar statcom装置也投入了运行。 我国在最近十年来随着facts技术研究的深入，在statcom方

11、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。1999年夏，清华大学与河南电力局共同研制的我国首台新型20mvarstatcom控制器在河南220kv电网中成功投入运行，用以提高其控制功率和控制电压能力，提高稳定性能(其响应时间小于30ms) 。 2001年2月国家电力公司电力自动化研究院也将500kvar的statcom3投入了运行。statcom除了应用于输电系统外，它还成功应用于配电系统。如对风力发电的电能质量进行优化，丹麦电力于1998年着手的rejsby hede项目4就是利用8mvar的statcom或svg改善24mw的风力发电厂的电能质量，并评价和研究s

12、tatcom用于动态控制网络电压的效果。1999年7月，美国华盛顿州的seattle钢铁公司安装了一个5mvar，4.16kv配电级静止无功补偿器(d-statcom)5，该装置已于2000年2月完成最后的试运行，并已投入工作。该装置提供了一个先进、高速的控制技术，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、以及其它配电系统的用于改善电能质量的改善措施都有很好的作用。另外，statcom也还有用于补偿电弧炉的电压闪烁方面的研究报道。最早采用statcom进行该项尝试的是由美国电力研究所和西屋电气公司于1986年研制的产品6，当时采用的是晶闸管型statcom 。 90年代后，st

13、atcom已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statcom综合装置是1998年安装的，它位于texas。该系统包含了一个80mvar的statcom、以及60mvar的电容器组。 可见，statcom以其优越的特性在高压大容量的输电系统中的得到了蓬勃发展，并且在实际应用中起到了极为精彩的作用，正逐渐取代传统的svc。同时，statcom在配电系统中的研究与应用也取得极大的发展。可以预计，在未来的15年内，statcom将成为动态调节电网无功和电压的重要成员。1.4 本论文的主要工作静止同步补偿器（statcom）是柔性交流

14、输电系统（facts）的一个重要组成部分，是静止无功补偿的发展方向。本文在了解statcom基本原理的基础上，通过pscad软件对statcom进行建模并置于设置故障的电力系统中，通过仿真分析statcom对系统的影响。第二章 statcom的基本原理2.1 无功功率的定义及其理论研究进展要对系统中的无功功率进行补偿，首先 必须确切的了解无功功率的基本概念和定义。在正弦电路中，无功功率的概念是清楚的。而在含有谐波时，至今尚没有获得公认的无功功率的定义。但是，对无功功率这一概念的重要性，对无功补偿重要性的认识，却是一致的，应该来说，无功补偿包含对基波无功功率的补偿和对谐波无功功率的补偿，后者实际

15、上就是对谐波的补偿，本文所说的无功补偿专指对基波的无功功率补偿。2.1.1 正弦电路的无功功率和功率因数在正弦电路中，负载如果是线性，那么电路中的电压和电流都是同频率的正弦波。设电压和电流可分别表示为： （2.1） （2.2）式（2.2）中为电流滞后电压的相角。电流i可被分解为和电压同相位的分量ip和比电压滞后90的分量 iq。ip和iq的分别为： ； （2.3）电路的有功功率p就是其平均功率，即： （2.4）电路的无功功率则定义为： (2.5)可以看出q就是公式（2.4）中被奇函数的第2项无功功率分量uiq的变化幅度。uiq的平均值为零，这表示了其有能量的交换但是并不消耗功率。q表示了这种能

16、量交换的幅度。在单相电路中很容易理解，这种能量的交换就是在电源和具有储能元件的负载之间进行的。从式（2.4）可以看出，真正的功率消耗是由被奇函数的第一项有功功率分量uip产生的。因此，把式（2.3）所描述的ip和iq分别称为正弦电路的有功电流分量和无功电流分量。对于发电机和变频器等电器设备来说，在工作频率一定的情况下额定电流及电压与设备导线的截面积、各种损耗以及绕组电气绝缘等因数有关。因此，工程上把电压和电流的有效值的乘积作为电气设备功率设计的极限值，视在功率的概念：s=ui (2.6)从式（2.4）可知，有功功率p的最大值为视在功率s，s表示电能消耗和电能交换的总容量。p越接近s，电气设备的

17、容量越能够得到充分利用。为了反映p接近s的程度，定义有功功率和视在功率的比值为功率因数： （2.7）由式（2.4）和（2.6）可以看出，在正弦电路中，功率因数是由电压和电流之间的相角差决定的。在这种情况下也经常用来表示。由公式（2.4），(2.5)，(2.6)可知，s、p和q有如下关系： （2.8）2.1.2 非正弦电路的无功功率和功率因数在含有谐波的非正弦电路中，有功功率、视在功率和功率因数的定义均和正弦电路相同。有功功率仍为瞬时功率在一个周期内的平均值。视在功率、功率因数仍分别由式（2.6），（2.7）来定义，这几个物理量的意义也没有变化。在含有谐波的非正弦电路中的无功功率的情况就比较复杂

18、，虽然已有一些理论对其进行了定义，也有很多成功的应用，但是至今仍然没有一个被广泛接受的科学而权威的定义。非正弦周期函数可用傅里叶级数表示成公式（2.9）的形式 （2.9）式（2.9）中 式（2.9）中的、等都是相互正交的。也就是说，上述函数集合中的两个不同函数的乘积在一个周期内的积分为零。所以其有功功率p为 （2.10）电压电流的有效值分别为 （2.11） （2.12）因此 （2.13）仿照公式（2.8）可以定义无功功率 （2.14）这里，无功功率q只是反应了能量的流动和交换，并不能反应能量在负载中的消耗，在这一点上，它和正弦电路中无功功率最基本的意义是一致的。但是这一定义对无功功率的描述却很

19、模糊，它没有区别基波电压电流之间产生的无功功率和同频率谐波电压电流之间产生的无功功率，以及不同频率谐波电压电流之间产生的无功功率。仿照式(2.5)也可以定义一个更合理的无功功率表达式(2.15)。为了和(2.14)区别采用符号qf （2.15）这里的qf是由同频率电压、电流正弦波分量之间产生的。在正弦电路中，通常规定感性无功功率为正，容性无功功率为负。把这一规律引入非正弦电路，就有可能出现一些不合理的现象。同一个谐波源有可能某些次谐波的无功功率为感性无功功率，而另外一些次谐波的无功功率为容性无功功率，从而出现两者相互抵消的情况。而实际上，不同频率的无功功率是无法相互补偿的，这种相互抵消是不合理

20、的。所以在这里，qf己经没有度量电源和负载之间能量交换幅度的物理意义了。尽管如此，因为公式(2.15)的定义可以看成正弦波情况下定义的自然延伸，它还是被广泛的采用。在非正弦的情况下，因此引入畸变功率d，使得： （2.16）比较式（2.14）和（2.16），可得： （2.17）和qf不同，d是由不同频率的电压电流正弦波分量之间产生的。在公共电网中，随着电力电子装置等非线性装置的广泛应用，电网中谐波的含量日益增加并带来了一系列的危害，因此，不考虑电压畸变，研究电压波形为正弦波、电流波形为非正弦波时的无功功率情况也有很大的实际意义。通常电压的波形畸变都很小，而电流波形的畸变则很大。设正弦电压有效值为

21、u，畸变电流有效值为i，其基波电流有效值和与电压相角差分别为i1和，n次谐波有效值为in。考虑到不同频率的电压电流之间不产生有功功率，按照上述定义可以得到： 、 、 （2.18）在这种情况下，qf和d都有明确的物理意义。qf是基波电流所产生的无功功率，d是谐波电流所产生的无功功率。这时功率因数为： （2.19）式（2.19）中，,即基波电流有效值和总电流有效值之比，称为基波因数，而称为位移因数或基波功率因数。可以看出功率因数是由基波电流相移和电流波形畸变两个因数决定的。总电流也可以看成由三个分量，即基波有功电流、基波无功电流和谐波电流组成。2.1.3 无功功率理论的研究及其发展传统的功率定义大

22、都是建立在平均值的基础上的。单相正弦电路或三相对称正弦电路中，利用传统概念定义的有功功率、无功功率、视在功率和功率因数等概念都很清楚。但当电压或电流中含有谐波时，或三相电路不平衡时，功率现象比较复杂，传统概念无法正确地对其进行解释和描述。学术界有关功率理论的争议可以追溯到本世纪20和30年代，budeanu和fryze最早分别提出了在品预定义和在时域定义的方法，以后又有各种定义和理论不断出现。80年代以来，新的定义和理论是不断推出。自1991年以来，已多次举办了专门讨论非正弦情况下功率定义和测量问题的国际会议。但迄今为止还没有找到彻底解决问题的理论和方法。新的理论往往是解决了前人未解决好的问题

23、，同时却又存在另外一些不足，或引出了新的待解决的问题。有关无功理论的研究和定义问题在此不过多解释。图2-1列出了现有的三大类有关无功功率的理论czarnecki和depenbrock两人所做的工作对第一类功率理论问题的解决起到了较大的促进作用。第二类功率理论是补偿控制装置的理论基础，弄清楚这一类功率理论将非常有助于无功补偿装置的设计和研发。瞬时无功功率理论解决了谐波和无功功率的瞬时检测和不用储能元件实现谐波和无功补偿的问题，对谐波和无功补偿装置的研究和开发起到了很大的推动作用。对于第三类理论问题的研究虽然取得了一定成果，但是还没有取得实质性的突破。图2-1 现有功率理论分类2.1.4 瞬时无功

24、功率理论三相电路瞬时无功功率理论自1983年由赤木泰文提出以来在许多方面得到了成功的应用。该理论突破了传统的以平均值为基础的功率为定义，系统地定义了瞬时无功功率、瞬时有功功率等瞬时功率量。下面对该理论详细阐述。设三相电路各相电压和电流的瞬时值分别为ea、eb、ec和ia、ib、ic。为分析问题方便，把他们变换到-两相正交的坐标系上研究，由下面的变换可以得到、两相瞬时电压e、e和两相瞬时电流i、i。 （2.20） （2.21）式中（2.20）和（2.21）中 矢量、在平面上可合成为旋转电压矢量和旋转电流矢量i，其矢量图如图2-2所示，其中 （2.22）图2-2 -坐标系中的电压、电流矢量三相电路

25、瞬时有功电流和瞬时无功电流分别为矢量在矢量及其法线上的投影，瞬时有功电流，和瞬时无功电流。及其法分别定义为 （2.23）式（2.23）中显然 （2.24）式（2.24）中与同向，滞后为角。式（2.23）和相量意义上定义的有功电流和无功电流的概念很相似，可以看成是其推广和延伸，仿照在相量意义的有功功率p和无功功率q，可分别定义瞬时有功功率p和瞬时无功功率q。三相电路瞬时有功功率p（瞬时无功功率q）为电压矢量e的模和三相电路瞬时有功电流 (三相电路瞬时无功电流)的乘积。即 ， （2.25） 即有 （2.26）根据-理论，瞬时有功功率可以记为 （2.27） 即定义为同相电压与电流之积的代数和。换言之

26、，瞬时有功功率为电流矢量与电压矢量的标量积。瞬时有功功率为含有能量的实体，是在-平面上存在的实际物理量。而瞬时无功功率可定义为 （2.28）即异相电压和电流之积的代数和，或为电流矢量与电压矢量的矢量积。式（2.27）和式（2.28）可以写成矩阵形式 （2.29）将式（2.20）、（2.21）代入式（2.27）、（2.28）中，可得出p、q对于三相电压电流的表达式 （2.30） （2.31）2.2 statcom运行的基本概念statcom有时也称为svg（static var generator）或asvg（advanced static var generator）。早期的statcom也称

27、为statcon，即静止同步调相机（static synchronous condenser）。95年国际高压大电网会议、电子工程师学会（cigre）建议用静止同步补偿器（static synchronous compensator,statcom）代替statcom，并将statcom定义为静止同步电压源，或称为静止 同步补偿器。这个定义与原来的svg是有一定区别的，它是由一并联于线路上的电压源型逆变器构成。statcom可以起到电压支撑、改善系统稳定性以及许多其它的作用。本章节着重介绍动态无功补偿的原理和statcom基本工作原理，为后面statcom模型的建立奠定基础。2.2.1 无功功

28、率补偿动态原理对电力系统中的无功功率进行功率进行快速的动态补偿，可以实现如下功能：（1） 对动态无功负荷的功率因数进行校正。（2） 改善电压调整。（3） 提高电力系统的静态和动态稳定性，阻尼频率震荡。（4） 降低过压降。（5） 减小电压闪烁。（6） 阻尼次同步震荡。（7） 减小电压和电流的不平衡。 下面仅以改善电压调整的基本功能为例，对无功功率动态补偿的原理作一简要介绍。 图2-3 无功动态补偿原理图图2-3所示系统负载和补偿器的单相等效电路图7。其中，u为系统电压；r和x为系统电阻和电抗。设负载变化很小，反应系统电压与无功功率关系的特性曲线如图2-3b中的实线所示，由于系统电压变化不大，其横

29、坐标也可以换为无功电流。可以看出，该特性曲线是向下倾斜的，及随系统供给的无功功率q的增加，供电电压下降。实际上，由电力系统中的分析可知，系统的特性曲线可用下式表示： （2.32）式（2.32）中 u0无功功率为零时的系统电压； ssc系统的短路容量。可见，无功功率的变化将引起系统电压成正比例地变化了。投入补偿器后，系统供给的无功功率为负载的补偿器无功功率之和，即： （2.33）因此，当负载无功功率ql发生变化时，如果补偿器的无功功率qr总能弥补ql的变化，从而使q维持不变，即q=0，则u也将为零，供电电压保持恒定。也就是对无功功率实行动态补偿的原理。图2-3（b）示出了进行动态补偿的无功补偿，

30、并使系统工作点保持在q=qa=常数。在实际工程中，为了分析方便，常常把负载也包括在系统之内考虑，总体等效为一个串联一定内阻的电压源，即将图2-3（a）中点划框内的部分，并忽略内部阻抗中的电阻，而电抗记为xs.等效后系统电压为等效前未接补偿器的电压，因为补偿器具有维持电压恒定的作用，故可以视为恒压源，电压值取等效前未接补偿器的系统电压uref。其电压电流特性曲线如图2-4（b）所示，为一水平直线，由于电流为无功电流，电压又维持一定，因此可以看做电压一无功功率曲线，图（2-4）中ic为容性电流；il为感性电流；qc为容性无功；ql为感性无功。这样，整个等效电路如图2-4（a）所示：图2-4 理想补

31、偿器等效电路及特性当图2-3（a）中未接补偿器而由于某种原因使连接点处电压变化us时，也就是在图2-4（a）中系统电压源电压变化us时，接入补偿器后，连接点电压既可以回到正常值。由图2-4（a）可得，此时补偿器所吸收无功功率应为： （2.34）换句话，一台可以吸收无功功率qr的补偿器，可以补偿的系统电压变化为： （2.35）以上所讨论的补偿器具有水平的电压电流性曲线，能维持连接点电压恒定不变，被称为完全补偿器。但实际中的静补装置通常设计成如图2-5所示的倾斜曲线，倾斜方向是电压随吸收的感性电流的增加而升高。这种倾斜曲线可以兼顾补偿器容量和电压稳定的要求，还可以改善并联的补偿器之间的电流分配，并

32、有利于预留稳定要求的无功功率备用图2-5 实际不产其电压电流（无功功率）特性曲线电压电流特性倾斜表明，补偿器电压随无功电流的变化而有一定的变化，因此其等效电路可以看做在恒定电压源基础上还串联了一个等效电抗x，如图2-6所示： 图2-6 实际补偿器等效电路图由该等效电路图可得，当未接补偿器时，由于负载无功的变化所引起的连接点的电压变化为us时，则投入补偿器后补偿器所吸收的无功功率为： （2.36）可见与理想补偿器相比，所吸收的无功功率减小了。而连接点的电压并不像理想补偿器一样保持不变，而是变化了 （2.37）另外补偿器特性曲线的斜率取决于其控制系统的参数，在工程实际中，一般调整为0%10%之间，

33、最常用的是2%5%8。2.2.2 statcom的工作原理图2-7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，gto逆变器通常由多个逆变器串联或并联而成，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gto的驱动脉冲进行控制，连接变压器将逆变器输出的电压变换到与系统电压等级相同，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电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9。 图2-7 statcom装置调节无功的原理示意图整个statcom装置相当于一个电压大小可以控制的电压源，设stat

34、com装置产生的电压为，系统电压，连接电抗x，则statcom装置吸收的电流为 （2.38）因此statcom装置吸收的视在功率为： （2.39）通常情况下，statcom装置至吸收很小的有功功率或不吸收有功功率，因此其产生的电压与系统电压相位相同，因此statcom装置吸收的无功功率为 （2.40） 当控制statcom装置产生的电压小于系统电压（即ui0时，此时statcom装置相当于电感；当控制statcom装置产生的电压大于系统电压（即uius）时，statcom装置吸收的无功功率q0,此时statcom装置相当于电容，由于statcom装置产生的电压的大小可以连续快速地控制，因此st

35、atcom吸收的无功功率可以连续地由正到负快速地调节。第三章 配电系统statcom的结构及控制策略分析本课题的重点在于研究配电系统statcom，是以配电系统为无功补偿和电能质量控制为主要目标。其作用是提供或吸收无功功率，维持母线电压稳定，必要时还可滤除负荷产生的谐波。本章围绕配电系统的特点，设计了statcom装置，从主电路及控制策略方面进行了研究和分析，并建立了statcom数学模型，对系统参数进行了辨识。3.1 配电系统statcom的基本特点配电系统中的facts技术与输电系统中的facts技术不完全相同。在高压输电网络中，facts设备的主要作用是：调整输电线路的参数，控制线路的潮

36、流，提高输电线路的功率传输极限，使输电线路的潮流能按预定计划实现控制，提高全网的经济性；也可以通过快速控制提高系统动态性能，如调节电压、抑制功率震荡和抑制次同步震荡等。而在配电系统中facts用来提高供电质量，及减小谐波畸变、电压波动与闪变、消除各相电压不平衡，使电压幅值符合要求、功率因数也要符合要求并保证供电可靠。由于在两个系统中的控制目的不同，必须针对配电系统的特点，来研究facts的应用。此外，两个系统的电压等级不同，在低电压配电系统中 电力电子器件的选择范围更广泛，发展facts技术具有优越性，用facts技术提高供电质量具有可观的经济效益10。对于配电系统来说，由于负荷的变化是随机的

37、，其参数是分散的，那么statcom既要补偿电网中的电压，又要补偿电流。要同时做到这两个方面的实时的动态补偿，还有一定的困难，所以本研究针对配电网的这种特点，旨在研究一种控制策略，来解决配电系统statcom的问题。3.2 配电系统statcom的电路结构 statcom的基本原理是将桥式变流电路通过电抗器并联在电网上，通过适当调节桥式变流电路交流侧输出电压的相位和幅值，或直接控制其交流侧输出的电流，使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流，从而实现动态无功补偿的目的。本课题研究的statcom装置主要是应用于配电系统，不需要像输电补偿用的statcom装置那样大的容量，只用一个三相逆变单元就可

38、以。因此，有关单桥路statcom装置基本实现原理的研究对课题有重要的意义11。在前文已经提及，在单相电路中与基波无功功率有关的能量是在电源和负载之间来回往返的。但是在平衡的三相电路中，不论负载的功率如何，三相瞬时功率之和是一定的，在任何时刻都等于三相总的有功功率。总体上看，在三相电流的电源与负载之间没有无功能量的来回往返，无功能量是在三相之间来回往返的。所以如果能用三相桥路的办法将电路三个单相部分总体上统一起来处理，则因为总的看来三相电路电源和负载之间没有无功能量的传递，在总的负载侧就无需设置无功储能元件。因此理论上讲，statcom的三相桥式变流电路的直流电流侧可以不储能元件，但是由于实际

39、线路中谐波的存在，各次谐波之间的交叉功率使得逆变器与交流系统之间仍有少量的无功能量的交换，而且逆变器本身在工作时多少也要消耗一部分能量，所以为维持桥式电路的正常工作，其直流侧仍需要一定大小的电感或电容作为储能元件，但是储能元件的容量远比statcom所能提供的无功能量要小，它能为系统提供的无功能量只要受逆变器的容量限制，这也是statcom装置比svc装置优越的原因之一。 图3-1 statcom的电路基本结构根据直流侧储能元件的不同，statcom分为采用电压型桥式电路和电流型桥式电路两种类型（见图3-1），对于电压型桥式电路，还需再串联上连接电抗器才能并入电网，连接电抗器的作用是逆变器与交

40、流母线这两个电压不等的电源相连接，另外一个作用是可以抑制电流中的高次谐波，电感的数值并不需要很大；对电流型桥式电路，还需要在交流侧并联上吸收换相过电压的电容器。实际上，由于运行效率和装置体积成本等方面的原因，迄今投入实际运行的statcom大都采用的是电压型桥式电路，因此目前statcom往往专指采用自换相的电压型桥式电作动态无功补偿的装置。本课题所研究的statcom装置也是属于电压型的桥式补偿装置（图3-1a）。对于statcom主电路而言，不同开关状态电路结构也不同，目前来看，大多数statcom装置都采用了多重化技术，但是在中低压系统或者是工业负荷无功补偿的领域中如果采用多重化技术，装

41、置的成本太高也并不经济，因此在这些领域中决定采用但桥路的statcom装置，所谓单桥路指的是装置只有一个三相逆变桥。另外，由于课题研究的statcom装置主要用来补偿低压配电系统的无功，因此，逆变电路使用的是具有自换相能力且调节速度极快的igbt作为电力开关元件，同时对逆变桥路采用pwm控制，装置输出的的谐波也可以得到控制。3.3 配电系统statcom的控制策略statcom装置应该根据不同的控制算法，在这里主要介绍statcom装置两种常用的控制算法，一种基于比例积分（pi）的无功功率控制方法，另一种基于比例（p）的控制系统电压的算法。图3-2 基于pi的无功功率控制框图（直流侧电压变化）

42、图3-2为基于pi的无功功率控制框图，由框图可见控制系统根据系统三相电压与statcom装置的输出电流，利用瞬时无功功率理论计算瞬时无功功率q，与给定的无功功率参考值qref比较，经过比例积分环节调节statcom装置的控制角，最终使statcom装置产生的无功功率与给定的无功功率相等。从控制框图中还可以看出，此时没有对statcom装置直流侧电容电压进行控制，即角（igbt的导通角）固定，因此直流侧电容电压随无功功率而变化。而图3-3是对statcom装置直流侧电容电压进行控制的框图。值得注意的是，对角进行控制确实可以维持直流侧电容电压不变，但角改变会导致statcom装置产生较大的谐波，因

43、此通常情况下statcom装置都保持为某一固定值，以使statcom装置输出电压中谐波最小 图3-3 基于pi的无功功率控制框图（控制直流侧电压不变） 图3-4 基于比例的系统电压控制方法的控制框图（直流侧电压变化）图3-4为基于比例的系统电压控制方法的控制框图。通常情况下，由于statcom受容量的限制，并联在电力系统中通过吸收或发出无功电流（功率）控制系统节电电压时，即整个装置的容量完全利用，也不太可能维持电力系统中给点节电电压不变。为此采用statcom控制系统某点节点电压时，通常只用比例环节而不加积分环节，因为前者为有差调节而后者为无差调节，它可能导致statcom装置经常处于满容量运

44、行状态，一旦系统电压发生变化statcom可能因为处于饱和状态而失去调节能力。采用比例环节控制电力系统节点电压的statcom运行曲线如图3-5所示，中间可控制部分曲线斜率的设定是根据statcom装置接入点的系统容量和statcom本身容量共同确定，其目的是充分发挥statcom维持节点电压的能力。同样，如果控制statcom装置直流侧电容电压不变，控制框图如图3-6所示。 图3-5 statcom装置的运行曲线 图3-6基于比例的系统电压控制方法的控制框图（控制直流侧电压不变）针对配电系统statcom的特点，本课题采用基于pi的无功功率控制方法，主要考虑图3-2所示的控制方法从而得到控制

45、角。通过上述算法得到statcom装置的控制角，都是属于电流间控制的方法。但是对于statcom装置的主电路，其结构前面所述的逆变桥路，该控制角不是statcom装置的最终控制信号.pwm（pulse width modulation）脉冲信号是控制statcom的最终有效信号，因此pwm脉冲信号的生成方式，也是影响statcom无功补偿性能的因素之一。如何将控制角转化为pwm脉冲信号，也是要根据实际情况而确定的。pwm技术可以及其有效地进行谐波抑制，使逆变电路的技术性能与可靠性得到了明显的提高。目前常用的pwm生成方式主要有三角波比较法、滞环控制法、周期采样法、空间矢量法12。 三角波比较法

46、的突出优点是输出开关频率恒定，等于三角载波频率。缺点是当调制信号的变化率大于三角波的变化率时，会产生多次开关现象，输出是具有幅值和相位误差。当用数字方法实现三角波比较法时，有自然采样法和规则采样法。自然采样法计算量很大，有时用数字方法根本不可能实现；规则采样法是自然采样法的近似实现，它的输出脉宽波形对三角波峰谷或峰值具有对称性，只要计算出正跳变的发生时刻，根据三角载波周期，即可很容易的计算出负跳变发生的时刻，因此规则采样法计算量比起自然采样法大大降低，也容易实现。其代价就是牺牲了调制精度，跟随精度不如自然采样法高。周期采样法是将生成信号与指令信号进行瞬时值比较，输出脉冲在周期采样脉冲的同步控制

47、下作为功率管的开关驱动信号。这种控制方式仅用一个比较器和d触发器就可实现，电路非常简单。周期采样法的误差信号与采样周期的长短密切相关，提高采样频率能提高信号跟踪的精度，但采样频率的提高受开关器件最大开关频率的限制。滞环控制法是另一种应用较多的开关方法。在稳态工作条件下，误差信号被限定在固定的滞环宽范围之内。滞环控制器具有很好的动态性能和限流性能。但滞环控制法的开关频率不固定，逆变器开关动作呈现非周期性，开关损耗较大。为了改进固定环宽滞环控制的缺点，有人提出了正弦环宽滞环控制，当生成正弦电流时，正弦环宽滞环控制方法能够获得较好的开关特性，输出信号的的过零比较平滑，也有人提出了pll预测环宽滞环控

48、制方法。为了限定开关频率，可以将滞环控制方法和周期采样控制方法混合使用。空间矢量pwm方法将-平面上的电压和电流矢量分成六个区域，电流和电压矢量区域相差30，根据电流误差矢量所处的区域，选择逆变器输出电压矢量迫使电流误差矢量向相反方向变化，以使逆变器输出电流很好地跟踪指令参考电流的变化。工程实际应用中，脉宽调制信号的产生方式用得最多的是滞环控制法和三角波比较法，而三角波比较法跟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。空间矢量法由于计算量大，利用现代电子技术很难在对实时性要求较高的有源滤波器中实现，目前多为理论研究。spwm（sinusoidal pwm）脉宽

49、调制是利用相当于基波分量的信号波对三角载波进行调制，达到调节输出脉冲宽度的一种方法。而从statcom所追求的输出效果来看，都是要求输出信号尽可能的逼近正弦波，也就是说，其调制信号为正弦波，本课题基于这种考虑，采用spwm的调制方法来产生pwm信号（图3-7）。对于三相桥式pwm型逆变电路，采用双级性控制方式。a、b、c三相的pwm控制通常公用一个三角波载波u，三相调制信号依次相差12013。3.4 配电系统statcom模型的建立综上所述，本课题所设计的配电系统statcom主要由以下几部分组成：主电路结构为单桥路三相spwm逆变；控制策略为电流间接控制，根据三相瞬时无功理论得到三相瞬时无功

50、q，并通过pi调节得到三相瞬时无功q，并通过pi调节得到无功控制角，最终通过载波为三角波的spwm调制得到逆变器的pwm控制信号。出于配电系统节约成本的考虑。该statcom仅用连接电抗来代替连接变压器。下面根据配电系统statcom装置的设计思想，推出该装置的数学模型。如果按照拓扑结构的变化建立装置的微分方程，然后分别求解，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，拓扑结构会急剧上升，按照拓扑结构来分析将非常困难。而实际研究中，我们更关心装置的主要特性，如输入、输出特性等，为此我们要建立能反映装置主要特性的数学模型，而对装置中具体的某个开关器件某时刻的电流，并不是很关心，只

51、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装置的数学模型。 图3-7 同步调制三相spwm波形 图3-8 statcom装置原理图图3-8为statcom装置原理接线图，为利用输入输出建模方法来建立statcom装置的数学模型，先做以下假设：将statcom装置中各种损耗及电阻包括开关器件的导通电阻用等效电阻r表示，statcom与系统之间的连接电感用等效电感l表示；由于statcom装置输出电压由多个单相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。 基于上面的假设可得

52、出statcom装置总输出电压为： （3.1）式中（3.1）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 （3.2）由图3-8可列出statcom装置abc三相数学方程： （3.3）将式（3.1）和（3.2）代入式（3.3）中，可得： （3.4）直流侧电容电压的方程可由能量关系推出： （3.5）利用式（3.1）对（3.5）化简可以得到： （3.6） 因此statcom装置的数学模型为： （3.7） 式（3.7）有四个未知数和四个方程，只要已知statcom的电流和直流电压的初始值，通过解微分方程即可求出各变量随时间变化的规律。3.5 statcom的运行性能与参数之间的关系描述 图3-9 statcom控制模型从图3-9中可以看到，statcom动态模型通常有2个可控量（即和）及3个主要参数。statcom的稳态无功功率为： （3.8）式（3.8）中us为statcom与系统连接处电压的有效值；r为等值电阻。其中角为statcom产生的电压与系统电压的相角差，改变角可以控制statcom产生的电压的大