静止同步补偿器的设计与仿真毕业设计(编辑修改稿)

静止同步补偿器的设计与仿真毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

间样机的一台177。 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。 177。 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。 静止同步补偿器的设计与仿真 第 11 页 共 32 页 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 100Mvar200Mvar 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。 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。 静止同步补偿器的设计与仿真 第 12 页 共 32 页 (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 静止同步补偿器的设计与仿真 第 13 页 共 32 页 2 STATCOM 的工作原理及数学模型 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 21 所示。 a)采用电压型桥式电路 b）采用电流桥式电路 图 21 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 静止同步补偿器的设计与仿真 第 14 页 共 32 页 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。 STATCOM 的工作原理 图 22 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， 连 接 变 压器逆 变 器电 力 系 统U sIU IE d1 : k t a)注入系统的电流超前（相当于电感） 注 入 系 统的 电 流 超前 （ 相 当于 电 感 ）U IU I U SXI U S UI JXiIUs b)注入系统的电流滞后（相当于电容） 静止同步补偿器的设计与仿真 第 15 页 共 32 页 注 入 系 统的 电 流 滞后 （ 相 当于 电 容 ）U IU I U SXI U S U IJ X iIU i 图 22 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 .... ISUUIjX 因此， STATCOM 装置输出的单相视在功率为 ... . .ISSSUUS U I U jX   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 ...I m ( ) I m ( )IS ISS SUUUUQ S U UjX X   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 Q0，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。 静止同步补偿器的设计与仿真 第 16 页 共 32 页 STATCOM 装置的时域数学模型 逆 变 器三 相交 流系 统U sRlu d cu ciL 图 23 STATCOM 装置的原理接线图 图 23 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 s i n ( ) 2 s i n ( )s i n ( 2 / 3 ) 2 s i n ( 2 / 3 )s i n ( 2 / 3 ) 2 s i n ( 2 / 3 )c a d c Ic b d c Ic c d c Iu K u t U w tu K u t U w tu K u t U w t                           （ 22） 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 s in ( )2 s in ( 2 / 3 )2 s in ( 2 / 3 )sa ssb ssc su U tu U tu U t    （ 23） 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 :                      ac a s a abc b s b bcc c s c cdi tL u t u t R i tdtdi tL u t u t R i tdtdi tL u t u t R i tdt       （ 24） 静止同步补偿器的设计与仿真 第 17 页 共 32 页 将（ 22）和（ 23）代入得：                    si n 2 si nsi n 2 / 3 2 si n 2 / 3si n 2 / 3 2 si n 2 / 3adc s abdc s bcdc s cdi tL K u t U t Ri tdtdi tL K u t U t Ri tdtdi tL K u t U t Ri tdt                        （ 25） 而直流侧电容电压的动态方程可以由能量关系得到 :              212 d c c a a c b b c c cd C u t u t i t u t i t u t i tdt       （ 26） 代入（ 26）化简可得 :              sin si。