电气工程及其自动化毕业论文

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1、中 国 矿 业 大 学本科生毕业设 计姓 名： 学 号： ： 学 院： 应应用技用技术术学院学院 专 业：电电气工程及其自气工程及其自动动化化 设计题目： 静止同步补偿器（静止同步补偿器（STATCOM）仿真和研）仿真和研究究 专 题： 指导教师： 职 称： 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 任任务务下下达达日日期期：2009 年年 2 月月 25 日日毕业设计日期：毕业设计日期： 2009 年年 2 月月 25 日至日至 2009 年年 6 月月 20 日日毕业设计题目：静止同步补偿器（毕业设计题目：静止同步补偿器（S

2、TATCOMSTATCOM）仿真和研究）仿真和研究毕业设计专题题目：毕业设计专题题目：毕业设计主要内容和要求：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（ Static Synchronous Compensator，STATCOM）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 STATCOM 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 的控制策略； 3 在 PSCAD/EMTDC 环境下建立 STATCOM 的仿真模型，并进行仿

3、真分析。院长签字： 指导教师签字：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： 年 月 日中国矿业大学毕业设计评阅教师评阅书评阅教师评语（选题

4、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 中国矿业大学毕业设计答辩及综合成绩答 辩 情 况回 答 问 题提 出 问 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 日学院领导小组综合评定成绩：学院领导小组负责人： 年 月 日摘 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

5、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：

6、无功补偿； 静止同步补偿器；瞬时无功； PSCAD/EMTDC；ABSTRACT The 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

7、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 merit

8、s 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 conducte

9、d 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 simu

10、lation 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;目目 录录

11、1 1 绪绪论论.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 2 S ST TA AT TC CO OM M 的的工工作作原原理理及及数数学学

12、模模型型 .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 3 无无功功功功率率检检测测方方法法和和 S ST TA AT TC CO OM M 的的控控制制策策略略 .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 4 S ST TA AT TC CO OM M 装装置置的的无无功功补补偿

13、偿仿仿真真研研究究 .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 5 总总结结与与展展望望 .335.1 结论.33

14、5.2 展望.34参参考考文文献献 .35英英文文原原文文 .37中中文文译译文文 .44致致谢谢 .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

15、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

16、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

17、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

18、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

19、.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

20、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

21、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

22、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

23、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2P2Q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)2222122eP RQ XP RQ

24、 XUUUUU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eU率引起的电压损耗为：2Q (1-2)2xeQ XUU而由负荷的有功功率引起的电压损耗为：2P (1-3)2ReP RUU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。0Q1Q如果无功储备不足，系统的无

25、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NU1U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

26、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)2222122ePQSSSRjXU其中有功线损为： (1-5)2222122ePQPPPRU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)222QeQPRU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

27、、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

28、1 1. .5 5. .1 1 并并联联电电容容器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

29、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

30、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 1. .5 5. .2 2 同同步步调调相相机机( (S Sy yn nc ch hr ro on no ou us s C Co on nd de en ns se er r- -S SC C) )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

31、，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。1.5.31.5.3 静止型无功补偿装置静止型无功补偿装置(Static(Static VarVa

32、r Compensator-SVC)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。

33、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SCC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。SCC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

34、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

35、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

36、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

37、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

38、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 1. .6 6. .1 1 S ST TA AT T

39、C CO OM M 研研究究现现状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，

40、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 IGCT50Mvar 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 STAT

41、COM 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 1. .6 6. .2 2 S ST TA AT TC CO OM M 发发展展趋趋势势近十多年来，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

42、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

43、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

44、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

45、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 STATCO

46、M 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 S ST TA AT TC CO OM M 的工作原理及数学模型2.1 STATCOM 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，可大大缩小装置中国矿业大学 2009 届本科毕业论文 第 12 页的体积。而且，考虑到电力电子器件成本有大幅度降低的趋势，使用小参数的

47、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。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 (b)采用电流型桥式电路图 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。对于电压型桥式电路，其直流侧以电容作为储能元

48、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。但实际上由于谐波的存在，使得总体看来，电源和 STATCO

49、M 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中国矿业大学 2009 届本科毕业论文 第 13 页危害比较大，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

50、装置。本文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 STATCOM 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

51、 (c)电流滞后图 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和，表SUIU示，则连接电抗 X 上的电压即为、和的相量差，而连接电抗的电LUSUIU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 交流侧输出电压的幅值及其相对于的相位，IUSU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 ST

52、ATCOM 吸收无功功率的性质和大小。中国矿业大学 2009 届本科毕业论文 第 14 页在图 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，只需要使和同相，仅改变的幅值大小即可控制 STATCOM 从电网吸收的电IUSUIU流 I 是超前还是滞后，并且能控制该电流的大小。如图 2-3 所示，当90大于时，电流超前电压，STATCOM 吸收感性的无功功率。IUSU90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、

53、滞后工作的相量图如图 2-3 所示。(a)单相等效电路 (b)电流超前 (c)电流滞后图 2-3 STATCOM 等效电路及工作原理(考虑损耗)这种情况下，变流器电压与电流 I 仍相差。因为变流器无需有功IU90能量。而电网电压与电流 I 的相差不再是，而是比小了角，因SU9090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与电网IU电压的相位差。改变这个相位，并且改变的幅值，则产生的电流 I 的SUIU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

54、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。因此，实际上变流器交流侧电压与电流 I 的相位差并不是严格的。而是比略小一些。IU9090 如图 2-3 (b)和(c)所示，STATCOM 分别工作在容性工况和感性工况。中国矿业大学 2009 届本科毕业论文 第 15 页图中，是和之间的相位差，以滞后为正。为等效电抗器的SUIUSUIU阻抗角，为等效阻抗器的两端电压。LUSTATCOM 从系统吸收容性或感性无功功率的计算公式为， （2-1）23sin22SUQR当滞后于时( 0)， STATCOM 工作于感性

55、工况，此时电流 I 滞IUSU后于系统电压, STATCOM 从系统吸收感性无功功率。SU 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，都与 I 保持垂直。由于电网需要提供有IU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，而是比小了角。9090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

56、)可以使伏安特性上下refU移动。与传统的 SVC 伏安特性不同的是，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和维持不变，其值仅受电maxCImaxLI力半导体器件的电流容量的限制。而对于传统的 SVC，由于其所能提供的中国矿业大学 2009 届本科毕业论文 第 16 页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

57、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 STATCOM 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 STATCO

58、M 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-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 STATC

59、OM 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。中国矿业大学 2009 届本科毕业论文 第 17 页图 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

60、总的输出电压为 （2-2）sin()sin(2 /3)sin(2 /3)cadccbdcccdcuKutuKutuKut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）2sin()2sin(2 /3)2sin(2 /3)sassbsscsuUtuUtuUt根据 STATCOM 装置的原理图，可以列出 STATCOM 装置的 abc 三相动态方程: （2-4） acasaabcbsbbcccsccditLututRitdtditLututRitdtditLututRitdt将（2-2）和（2-3）代入得：（2-5） sin2sinsin2

61、 /32sin2 /3sin2 /32sin2 /3adcsabdcsbcdcscditLKutUtRitdtditLKutUtRitdtditLKutUtRitdt而直流侧电容电压的动态方程可以由能量关系得到:中国矿业大学 2009 届本科毕业论文 第 18 页 （2-6） 212dccaacbbcccdCutut itut itut itdt 代入（2-6）化简可得:（2-7） sinsin2 /3sin2 /3dcabcdutKi tti tti ttdtC因此 STATCOM 的数学模型为 sin2sinsin2 /32sin2 /3sin2 /32sin2 /3sinsin2 /3s

62、in2 /3adcsabdcsbcdcscdcabcditLKutUtRitdtditLKutUtRitdtditLKutUtRitdtdutKittittittdtC可以看出，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coscos2 /3cos2 /32sinsin2 /3sin2 /331/21/21/2ttt

63、Cttt将式中 abc 三相电流进行 dq0 变换，即令: 0daqbcitititC ititit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:中国矿业大学 2009 届本科毕业论文 第 19 页00sin00cos120000033sincos0022ddqdsddcdcRKLLiiRKiidULLiiRdtLLuuKKCC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0i模型为sin01cos2033sincos022ddqqsdcdcRKLLiidRKiiUdtL

64、LLuuKKCC该数学模型为常系数微分方程，便于进行理论分析。3 无功功率检测方法和 S ST TA AT TC CO OM M 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4：（1）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。（2）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。（3）基于 Akagi

65、 的瞬时无功功率检测法：该方法实时性较好，但由于乘法器较多，影响检测精度，而且只能用于三相平衡系统。（4）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中国矿业大学 2009 届本科毕业论文 第 20 页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。（5）基于广义瞬时无功功率检测法：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

66、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26。3 3. .1 1. .1 1 d d- -q q 矢矢量量变变换换理理论论采用 d-q 矢量变换理论可以在旋转坐标系中观察装置的暂态过程。同时在不平衡系统中，通过该变换可以获得基波正序有功及无功分量、基波负序分量以及谐波