基于STATCOM 的建模与仿真

1、基于STATCOM 的建模与仿真    摘 要：在三相三线制电压型STATCOM 拓扑结构的基础上，利用MATLAB 中的动态仿真工具SIMULINK 建立了STATCOM 的仿真模型，结合滞环控制方法，用S-Function 仿真分析了负载分别为容性、感性和负载突变时STATCOM 的补偿效果，仿真结果表明该控制策略具有良好的无功补偿性能和动态响应能力。关键词：静止同步补偿器；无功补偿；滞环控制；仿真1.引    言近十多年来，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

2、目和投运装置，具有如下的发展趋势：STATCOM 的主电路由早期的以多重化的方波变流器为主要形式，发展为以PWM 变流器为主要形式。多重化技术大都与多电平PWM 变流器相结合，以减少耦合变压器的使用，例如H 桥级联型多电平变流器；不断采用新器件。随着电力电子器件的不断发展，新的电力电子器件开始投入到STATCOM中。与原来STATCOM 普遍使用的GTO 相比，新型功率器件(如IGBT、IEGT 等)具有很多的优点：饱和压降低、安全工作区宽、驱动功率低和工作频率高等；应用范围更广。除了继续向高压大容量方向发展，另一方面向中低压配电网的应用发展，旨在提高用户侧的电能质量；随着科技的进步，尤其是高

3、温超导技术突破性的发展并进入实用化，超导技术将解决电流型逆变器(Current Source Inverter,CSI)中储能电感储能效率问题。同时，电力超导储能系统中储能线圈具有电流源特性，因而CSI 将具有更加广泛的应用前景。本文利用 MATLAB 仿真软件建立仿真模型，并分别对STATCOM 在以下几种工况下进行仿真：（1）负载为感性负载时使用滞环控制策略对其进行仿真；（2）当负载为容性时对其进行仿真；（3）当负载突变时对其进行仿真，检验其动态响应能力。2. STATCOM 模型建立2.1 基本原理STATCOM 的基本电路结构应该分为两种情况:即电压型桥式电路结构和电流型桥式电路结构。

4、在实际运行中，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。STATCOM 的工作状况是建立在一个静止的同步电压源基础之上。其工作原理就是将自换相桥式电路经电抗串联与电网相连，根据输入系统的无功功率和有功功率的指令，调节桥式电路交流侧输出电压的幅值和相位，或者直接控制其交流侧电流就可以使该电路吸收或者发出满足系统所要求的无功电流，实现动态无功补偿的目的。为了更有效的控制功率，使无功电流具有更好的响应特性，需要运用park 变换，将三坐标量变为两坐标量。直流侧电路方程可根据直流侧和交流侧功率平衡来得出，结合直流侧和交流侧的电路方程，可得出基于瞬时电量的STATCOM

5、数学模型。为了更精确仿真大容量STATCOM 装置，更有效地进行其动态行为和控制系统设计的分析，建立了用这种控制策略进行仿真考虑STATCOM 装置开关器件本身的精确非线性数学模型。2.2 STATCOM 仿真模型的建立为了使仿真系统能够尽可能逼近实际系统参数和运行状况，在建立系统仿真模型时，本论文的设计采用了MATLAB 软件自带的元件库进行组合建模，分别采用了Simulink 仿真模块、SimPowerSystem 工具箱建立STATCOM 仿真模型，电路参数也尽可能根据实际系统设置。由于实际试验系统采用全数字化控制，因此仿真模型也进行了离散化处理，主要包括三部分：电源及负载模块、无功检测

6、模块和主电路控制模块。首先是整个仿真系统的系统全图。包括电源-负载模块，无功检测模块和主电路 (PWM 信号产生及IGBT 桥)模块。3 仿真分析为了对 STATCOM 对系统进行补偿的有效性进行验证，本论文将对STATCOM 做以下几种情况的仿真：（1）负载为感性负载时使用滞环控制策略对其进行仿真；（2）当负载为容性时应用这种控制策略进行仿真；（3）当负载突变时，用这种控制策略进行仿真，检验其动态响应能力。3.1 补偿感性无功时滞环控制策略的仿真此仿真环境下，系统接入电阻R=5 ，L=25mH 的感性负载。在系统未接入STATCOM 的时候，电源侧的电压和电流波形，可知A相电流滞后于A 相电

7、压。系统加入 STATCOM 后,在滞环控制下,电源电压和电流,补偿电流的波形。补偿前后，电流的波形有了很大的改善，尤其在电流与电压的相位差上，补偿后A 相电流和电压的相位差基本相同。在对比中，无功补偿的效果更为明显。补偿前，在稳态情况下，系统的无功功率大约为2510Var，而在补偿后，无功功率接近于零。这些结果都说明了该种控制策略可以较好的达到补偿感性无功的目的。3.2 补偿容性无功时滞环控制策略的仿真结果此仿真环境下，系统接入电阻R=5 ，C=0.5mF 的容性负载。在系统未接入STATCOM 的时候，电源侧的电压和电流波形，可知A相电流超前于A 相电压。对比可以看出，补偿前后，电流的波形

8、有了很大的改善，在电流与电压的相位差上，补偿后A 相电流和电压的相位差基本相同。在对比中，无功补偿的效果很明显。补偿前，在稳态情况下，系统的无功功率大约为-2680Var，而在补偿后，无功功率接近于零。这些结果都说明了滞环控制可以较好的达到补偿容性无功的目的。3.3 负载突变情况下滞环控制策略的动态响应在此仿真情况，负载由R=5 ，L=25mH 突变为R=5 ，C=0.5mF，在滞环控制策略下的动态系统响应能力。直观的反应了补偿前负载由感性突变为容性时系统侧A 相电压和电流的相位变化情况。在t=0.125 秒前，负载为感性负载，电流滞后于电压；在t=0.125 秒后，负载由感性负载变化为容性负载，电流超前于电压。可以得出在滞环控制下t=0.125 秒之前补偿后的电流和电压相位基本相同，补偿后系统的无功功率接近零，系统的功率因数接近1；t=0.125 秒后，系统负载由感性变化为容性，系统经过两个周期左右，电源电压和电流相位基本相同，在t=0.19 秒后，系统的无功功率进入稳态，重新接近零，系统的功率因数也进入稳态，接近1。4.结    论本章使用 MATLAB/Simulink 仿真软件对STATCOM 系统进行建模，分析了负载分别为容性、感性和