静止同步补偿器的研究与仿真毕业设计(编辑修改稿)

静止同步补偿器的研究与仿真毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

可以调节系统的有功功率。 这对于电力网来说是非常有益的，这是 SVC 装置所不能比拟的 [16]。 正因为上述优点， STATCOM 作为一种新型的无功调节装置，己经成为现代无功补偿装置的发展方向，它已成为国内外电力系统行业的重点研究课题之一。 本章首先介绍了无功补偿的意义，无功补偿装置的发展情况，并比较了新型 静止无功发生器 STATCOM 与 SVC 的区别，列举了 STATCOM 的各个优点，并介绍了国内外研究现状等内容，论述了进行课题研究的意义。 其次，本章还详细介绍了 STATCOM 的基本类型及其特性和优点。 STATCOM 逆变器的主电路基本类型有两种，实际工业应用中多采 用电压型逆变器 VS1，而电流型逆变器则采用较少，主要原因在于其直流侧采用电感储能，逆变器损耗大、成本高、效率低。 但是，随着高温超导技术的不断发展，电流型逆变器将会具有较广阔的应用前景。 2 STATCOM 的分类及工作原理 STATCOM 的分类 按构成基本单元逆变器模块，可以将 STATCOM 分为单相桥二电平，三相桥二电平，三相桥多电平。 在大容量高电压等级的应用场合中，往往需要将多个低压小容量变换器通过变压器耦合（即多重化）或采用变压器在交流输入输出侧进行升压或降压，这样会产生耗能、谐波含量大、系统 效率低等缺点。 而多电平变换器开关器件所承受的电压应力小（如三电平变换器每个开关器件所承受的电压应力是二电平的一半），谐波含量少，损耗降低，因此在大容量场合得到广泛应用和发展。 而在本文中的仿真模型选用的是三相多电平的模型。 按构成元器件，可以将 STATCOM 分为 GTO 型， IGBT 型， IGCT 型， SCR 型，GTR 型， MOSFET 型。 基于功率变换的 FACTS 设备一般都采用全控型器件，主要是在 GTO、改进型 GTO（ IGBT、 MTO、 ETO 等）和（ HV） IGBT 等器件中选择。 国际上第一个采用 GTO 作为 逆变器功率器件的 STATCOM，是由美国 EPRI 与西屋电气公司研制的，容量依 1Mvar。 我国依 20Mvar STATCOM 和日本关西电力系统 Inuyama 开关站依 80Mvar STATCOM 均是采用 GTO 作为功率器件的。 IGBT 适用于小容量场合，由 ABB 公司研制的配电 STATCOM（ Distribution STATCOM， DSTATCOM），开关器件采用多个 IGBT 串联。 按电压等级，可以将 STATCOM 分为高压输电网补偿和低压配电网补偿。 在高压输电网中 STATCOM 需要通过变压器连 接到电网中。 在低压配电网中，通过电抗器并联或直接并联电网，即 DSTATCOM。 DSTATCOM 的基本工作原理就是将桥式电路通过电抗器或直接并联在电网上，适当调节电路交流侧输出电压的幅值或相位，或者直接控制其交流侧电流就可以使该电路系统收获发出满足要求的无功电流，从而实现动态补偿无功的目的。 另外可以通过脉宽调制采用特定谐波消除的方法来消除特定谐波。 STATCOM 的基本原理 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。 （ 1） 电压源型 STATCOM 电压源型 STATCOM是一种将直流电压通过可控开关管变换为大小和频率均可调的三相交流电压的装置，其结构图如图 21 所示 (电压 型 STATCOM ).其主电路由三个桥臂构成的桥式电路，每个桥臂上下两组均由一个 IGBT 管子与一个反并联的二极管构成。 CIjXCI CULUSU 图 电压型 STATCOM结构图 基于本文讨论的 STATCOM 是电压型 STATCOM，一般是由几个电平台阶合成阶梯波以逼近正弦波，谐波少，因此不需要另加滤波电路。 而基于电流型逆变器 CSI 的 STATCOM 在谐波电流消除方面有很大困难，现有的半导体开关器件的开关频率限制了电流脉宽调制波的频率，导致一些低阶谐波电流产生。 因而，投入实用的 STATCOM 大都采用电压型桥式电路，本文中的 STATCOM 专指采用自换相的电压型桥式电路作动态无功补偿的装置 [16]。 由于 STATCOM 正常工作时就是通过电力半导体开关器件的 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，就像一个电压型逆变器，只不过其交流侧输出接的不是无源负载，而是电网。 当仅考虑基波频率时， STATCOM 可以等效为一个幅值和相位均可以控制的与电网电压同频率的交流电压源。 因此，在忽略其损耗时， STATCOM 的工作原理就可以用如图 (a)所示的单相等效电路图来表示。 CIjXCI CU LSU CIjXCI CULSU jXIcUsIc a)单相等效电路 图 b)电流超前 c)电流滞后 图 STATCOM 单相等效电路图和工作相量图 （ 忽略损耗 ） 图 22(a)中 SU 和 CU，分别表示电网电压和 STATCOM 输出的交流电压，而LU表示为电抗器 L 上的电压，同时也是 SU 和 CU的向量差，根据基尔霍夫电压定律可知  LCS UUU。 连接电抗器的电流就是 STATCOM 从电网侧吸收的电流 CI，可以由其电压来控制。 因此，通过改变 STATCOM 交流侧输出电压 CU的幅值及其相对于 SU 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小。 在图 的等效电路中，将连接电抗器视为纯电感，不考虑其损耗和变换器的损耗，因此不必从电网吸收能量。 在这种情况下，只需使 CU和 SU 同相位，仅改变 CU的幅值大小即可控制 STATCOM 从电网侧吸收的电流 CI的方向和大小。 如图 (b)所示，当  SC UU时，电流超前电压 90 ， STATCOM 吸收容性的无功功率；如图 (c)所示，当  SC UU时，电流滞后电压 90 ， STATCOM 吸收感性的无功功率 [8]。 当考虑到连接电抗器的损耗和变流器自身的损耗 (如线路损耗、开关损耗、管压降等 )，并将总的损耗集中作为连接电抗器的电阻考虑，则其 单相等效电路图和工作相量图 如图 23所示 : XR+++ SU CUCI LU CIRCI SLCUCIjXCRILUSCCI CIjX (a)单相等效电路图 (b)电流超前 (c)电流滞后 图 STATCOM 单相等效电路图和工作相量图 （ 计及损耗 ） 交流系统连接处电压 SU 与逆变器电压 CU不同相，存在一个角度差  ，连接电抗的电流 CI的改变是可以由其电压来控制的，这 个电流就是 STATCOM 从电网吸收STATCOM 交流侧输出电压的幅值 CU及其相对系统电压的相位  ，就可以改变连接电抗上的电流 CI，从而控制 STATCOM 从电网吸收电流的相位和幅值。 也就控制了STATCOM 输出无功功率的大小和性质。 从工作向量图中看出，电压 CU与电流 CI仍相差 90176。 ，而电网电压 SU 与电流 CI的相差比 90176。 小  角， STATCOM 能够从交流系统吸收有功功率，补偿内部损耗，维持直流电容上的电压。 在动态过程中，改变  角使逆变器内部电容器充电或放电，电容上的电压发生变化，逆变器输出电压幅值也发生变化。 仅调节调制比 m 电容电压不变，但是交流输出电压幅值也发生变化。 这两种方 法都可以调节逆变器电压 CU。 当 CU SU 时， STATCOM 处于超前状态，发出无功功率，起可调电容器的作用。 当 CU SU 时， STATCOM 处于滞后状态，吸收无功功率，起可调电抗器的作用。 当 CU= SU 时，与系统之间不存在无功交换。 从而改变 STATCOM输出无功功率的大小和性质。 因此可 以通过调节  和调制比 m来调节 STATCOM 所发出的无功功率 [2]。 （ 2） 电流源型 STATCOM 电流源型 STATCOM 的原理示意图如图 所示，直流侧为储能电感，逆变器由多个逆变桥串联或并联而成，其功能是向系统产生一个三相的交流电流。 电流源型 STATCOM 整个电路结构可以看成是一个可控的电流源连接在交流系统上，这个可控的交流电流源向系统产生一个三相正弦交流电流，超前或之 后系统电压 90 度，从而达到吸收或发出无功的目的，因此电流源型 STATCOM 有两种工作状态：感性状态（吸收无功）和容性状态（发出无功），当控制 STATCOM 装置产生的电流 i 超前系统电压 δ角时， STATCOM向系统输出的无功功率 Q＜ 0时，此时 STATCOM 装置相当于电感。 当控制 STATCOM 装置产生的电流 i 之后系统电压δ角时， STATCOM 向系统输出的无功功率 Q＞ 0，此时 STATCOM装置相当于电容。 由于 STATCOM 装置产生的电流 i 的大小可以连续快速的控制，因此STATCOM 吸收的无功功率可以连续的由正到负进 行快速调节。 与电压源型 STATCOM 相比，电流源型 STATCOM 具有如下优点： 1）直接控制变换器的输出电流。 2）具有潜在的电流保护功能，输出电流被滞留电感所控制。 3）由于其单 方向转换特性和潜在的电流保护功能使其具有高可靠性。 4）快速启动，不需要额外的启动整流器。 STATCOM 的工作特性 根据上一节对 STATCOM 工作原理的分析，可得其电压一电流特性，如图 所示。 可以看出，当电网电压下降，补偿器的电压 电流特性向下调整时， STATCOM 可以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 maxLI 和 maxCI 维持不变，仅受其电力半导体器件的电流容量限制。 而对传统的 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，因而随着电压的降低而减小。 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 优越于传统 SVC 的一大特点。 0UmaxLIImaxCIrefU 图 STATCOM的电压 电流特性 此外，对于那些以输电补偿为目的的 STATCOM 来讲，如果直流侧采用较大的储能电容，或者其它直流电源 (如蓄电池组，采用电流型变流器时直流侧用超导储能装置等 )，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，也是传统的 SVC 装置所望尘莫及的。 对于装置中的谐波问题，STATCOM 可以采用桥式变流电路的多重化技术或 PWM 技术来进行处理，以消除次数较低的谐波，并使较高次数的谐波电流减小到可以接受的程度，也可以通过控制策略 的优化，在检测无功电流的同时也检测谐波电流，对两者同时进行补偿。 在平衡的三相电路中，不论负载的功率因数如何，三相瞬时功率之和在任何时刻都等于三相总的有功功率。 各相的无功能量在交流侧来回往返而三相电源和负载之间没有无功流动，所以理论 上讲 STATCOM 的桥式变流电路的直流侧可以不设储能元件。 考虑到变流电路吸收的电。