电气工程及其自动化毕业论文.0001

1、中国矿业大学本科生毕业设计姓 名：_ 学号：学 院：应用技术学院专 业：电气工程及其自动化设计题目： 静止同步补偿器（STATCOM ）仿真和研究专 题：指导教师：职称：院长签字:指导教师签字:2009年6月徐州中国矿业大学毕业设计任务书学院 应用技术学院专业年级 电气05-1班学生姓名任务下达日期：2009年2月25日毕业设计日期：2009年2月25 日至2009年6月20 日毕业设计题目：静止同步补偿器（STATCO）仿真和研究毕业设计专题题目：毕业设计主要内容和要求：低功率因数和谐波污染是供电系统普遍存在的问题， 已成为供电领域迫 切需要解决的重要课题之一。配电系统静止同步补偿器（Sta

2、tic Synchronous Compensator，STATCQM/I可以有效地避免 SVC装置的缺点，具 有广阔的应用前景。本课题具体任务如下：1分析STATCO的主电路结构及工作原理，建立数学模型；2熟悉无功检测方法及STATCOM控制策略；3在PSCAD/EMTDC境下建立STATCOM仿真模型，并进行仿真分析。中国矿业大学毕业设计指导教师评阅书指导教师评语（基础理论及基本技能的掌握；独立解决实际问题的能 力；研究内容的理论依据和技术方法；取得的主要成果及创新点；工 作态度及工作量；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）：成绩:指导教师签字:年 月日中国矿业大学毕业设计评阅教

3、师评阅书评阅教师评语（选题的意义；基础理论及基本技能的掌握；综合运 用所学知识解决实际问题的能力；工作量的大小；取得的主要成果及创 新点；写作的规范程度；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同 意答辩等）：成绩:评阅教师签字: 评阅教师评语（选题的意义；基础理论及基本技能的掌握；综合运 用所学知识解决实际问题的能力；工作量的大小；取得的主要成果及创 新点；写作的规范程度；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同 意答辩等）：成绩：评阅教师签字：年月答辩情况提出问题回 答 冋题正 确基本 正确有一 般性 错误有原 则性 错误没有 回答答辩委员会评语及建议成绩： 答辩委员会主任签字：年月日学院领导小组综

4、合评定成绩：学院领导小组负责人：年月日电能质量的问题，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/E

5、MTDC 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/EMTDCABSTRACTThe problem of electric en ergy quality men aces seriously the safe operati on of power n etwork, especially reactive power and harm oni cs.The static synchron ous compe nsator (

6、STATCOM), takes the new gen erati on reactive power compe nsati on system, it compares with exist ing static idle work compe nsati on system (SVC), has the adjustable speed to be quicker, the movement scope to be wider, the absorption idle work, the harmonic curre nt small, to lose continu ously low

7、, uses the reactor and the capacity of conden ser and the erect ion space to reduce and so on merits greatly, has caused the domestic and foreig n scie ntific research and the project doma in widespread atte nti on.The paper through to the STATCOM prese nt situatio n and the trend of developme nt, t

8、he idle work product ion and the in flue nee, the idle work compe nsati ons sig ni fica nees an alysis, has con ducted the STATCOM prin ciple of work research, and has established the STATCOM mathematical model, uses based on the in sta nt reactive power theory exam in ati on method, chooses the app

9、ropriate control policy, has carried on the simulation analysis under the EMTDC/PSCAD environment, after obta ining the simulatio n profile. The simulatio n result in dicated that STATCOM can shoulder carries on fast the idle work compe nsatio n, con firmed that this model algorithms rati on ality,

10、the accuracy, have certa in reference value.Keywords: Reactive power compe nsati on; STATCOM; I nsta nta neous reactive; PSCAD/EMTDC;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 Compe nsator-SVC) 71.6

11、 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 1.12.1 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

12、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/EMTD简介264.1.1 仿真工具软件PSCAD/EMTD的概况 264.1.2 仿真工具软件PSCAD/EMTD的主要功能274.1.3 仿真工具软件PSCAD/EMTD的主要结构及元件库 274.1.4 仿真工具软件PSCAD/EMTD的主要操作步骤 294.2 STATCOM 的仿真29421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

13、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59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

14、。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

15、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

16、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

17、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

18、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

19、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STATCOh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。1.3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

20、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

21、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

22、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：图1-1局部电力网等值电路U UU ER a ：& IUeU2其中R、X分别为线路的等值电阻和等值电抗；P2、分别为局部电力 网末端的有功负荷和无功负荷；U2为末端电压。可以证明，该局部电力网的 电压损耗 U的计算公式如下：(1-1)其中Ue为该电力网络的额定电压。由式(2-1)可知，由负荷的无功功率 Q2引起的电压损耗为：Q2X(1-2)而由负荷的有功功率P引起的电压损耗为:Urp2rUe(1-3)因为在一般的公用电网中，R比X要小

23、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Q。增加到Q1时，如果系统的无功储备充足，则负荷将保持正常电压水平。 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Un降为5，以此来达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

24、 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1-1，该局部电力网的线损功率为：S = S S2 止u2Pf+jX)(1-4)其中有功线损为:P = P- P2在有功线损中，因无功功率在电力网中的流动而引起的

25、部分为 圮莘RU e(1-5)(1-6) 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

26、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。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

27、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

28、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

29、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

30、.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

31、器组成。与电容C串联的电感Lf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Csc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Csc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。Ua）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

32、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（S

33、VC）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 Cap acitor-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Lf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

34、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。Va）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，禾U用 两个反并联晶闸管将电容器

35、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

36、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 STATCO M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，

37、美国 Westinghouse西屋公司）研制成-1Mvar晶闸管的STATCOM实验装置，并成 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

38、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100Mva

39、r-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。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

40、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

41、、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。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，

42、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 PS

43、CAD/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勺工作原理及数学模型2.1 STATCO M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

44、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。(b)采用电流型桥式电路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 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

45、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

46、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

47、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 STATCO M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

48、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Us和5，表示， 则连接电抗X上的电压Ul即为Us、和Ui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Ui的幅值及其相对于Us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

49、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U|和 Us同相，仅改变,U|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90，并且能控制该电流的大小。如图2-3所示，当U|大于Us 时，电流超前电压90，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）单相等效电路图2-3 STATCOM等效电路及工作

50、原理（考虑损耗）这种情况下，变流器电压Ui与电流I仍相差90。因为变流器无需有功 能量。而电网电压Us与电流|的相差不再是90，而是比90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U|与电网电压Us 的相位差。改变这个相位，并且改变U|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。

51、因此，实际上变流器交流侧电压U|与 电流I的相位差并不是严格的90。而是比90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Us和Ui之间的相位差，以Us滞后Ui为正。为等效电抗器的阻抗 角，Ul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，Q = sin 2、2R（ 2-1）当U|滞后于Us时（-： 0）, STATCOM工作于容性工况，此时电流I超前 于系统电压Us , STATCOM从系统吸收容性无功功率，为系统提供无功支撑; 当Ui超前于Us时（、； 0）， STATCOM工作于感性工况，此时电流I滞后

52、于 系统电压Us, 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，U|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90，而是比90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Uref）可以使伏安特性上下 移动。与传统的SVC伏安

53、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lCmax和lLmax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

54、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 STATCO M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

55、-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,这种数学模型对十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

56、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) 由十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%a =KUdcSin( t -、)* uCb = Kudc sin(t 一2兀 / 3 6)cc = Ku dc sin (cot + 2兀 / 3 6)(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Us ,