1、. . 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)畢 業(yè) 論 文基于PSCAD的STATCOM對電力系統(tǒng)短路故障影響仿真分析 院 部 機械與電子工程學(xué)院 專業(yè)班級 電氣工程及其自動化 屆 次 2015屆 學(xué)生姓名 劉國峰 學(xué) 號 20110697 指導(dǎo)教師 宋成寶 老師 二一五年六月一日裝訂線. . . 目 錄緒論11.本文研究的主要目的及意義11.1論文研究背景和研究的意義11.2本文研究的主要內(nèi)容22 STATCOM的工作原理及數(shù)學(xué)模型32.1 STATCOM的基本電路結(jié)構(gòu)32.2 STATCOM的工作原理42.3 STATCOM的數(shù)學(xué)模型的建立83 無功功率檢測方法和STATCOM的控制策略113.1 無功功率檢測方

2、法113.1.1 d-q矢量變換理論123.1.2 三相對稱系統(tǒng)的瞬時無功功率143.2 STATCOM裝置的控制方法163.2.1 直接電流控制163.2.2 間接電流控制173.2.3 電流間接與直接控制的特點184 STATCOM的仿真194.1仿真的主接線圖194.2 仿真的主控制電路圖194.3 仿真的調(diào)制電路圖214.4 各仿真的波形圖224.5 本章小結(jié)235 總結(jié)與展望235.1結(jié)論235.2展望24參考文獻：25致 謝27DirectoryIntroduction11 The main purpose and significance of this study11.1Res

3、earch background and significance of the research11.2The main contents of this paper22 The working principle and mathematical model of STATCOM32.1 STATCOM basic circuit structure32.2 Working principle of STATCOM42.3 The establishment of STATCOM model83 Reactive power detection and STATCOM control st

4、rategy113.1 Reactive power detection method113.1.1 D-q vector transformation theory123.1.2 Instantaneous reactive power for three-phase symmetric systems143.2 STATCOM control method163.2.1 Direct current control163.2.2 Indirect current control173.2.3 The characteristics of indirect current and direc

5、t control184 STATCOM simulation194.1 Main wiring diagram of simulation194.2 Master control circuit diagram of simulation194.3 Simulation modulated circuit diagram214.4 Simulation waveform chart224.5 Summary of this chapter235 Summary and Prospect235.1 Conclusion235.2 Outlook24Reference：25Thanks27i基于

6、PSCAD的STATCOM對電力系統(tǒng)短路故障影響仿真分析劉國峰（山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 機械與電子工程學(xué)院 泰安 271018）摘要：電能質(zhì)量的問題，尤其是無功功率和諧波的問題，嚴重威脅著電網(wǎng)的安全運行。靜止同步補償器（STATCOM）作為新一代無功功率補償裝置，它與現(xiàn)有的靜止無功補償裝置(SVC)相比，具有調(diào)節(jié)速度更快、運行范圍更寬、吸收無功連續(xù)、諧波電流小、損耗低、所用電抗器和電容器容量及安裝面積大為降低等優(yōu)點，引起了國內(nèi)外科研與工程領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。論文通過對STATCOM的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢的分析，結(jié)合無功的產(chǎn)生和影響以及分析無功補償?shù)囊饬x，進行了針對STATCOM工作原理的研究，并建立了STATCO

7、M的數(shù)學(xué)模型，采用基于瞬時無功功率理論的檢測方法，選擇合適的控制策略，在PSCAD環(huán)境下進行了仿真分析，得出仿真后的波形。仿真結(jié)果表明STATCOM能夠?qū)ω摵蛇M行快速地?zé)o功補償，證實了本模型算法的合理性、正確性，具有一定的參考價值。關(guān)鍵詞：無功補償； 靜止同步補償器；瞬時無功； PSCAD/EMTDC；lSimulation and analysis of the short-circuit fault of power system based on STATCOM PSCADGuofeng Liu(Mechanical & Electrical Engineering College of

8、 Shandong Agricultural University, Taian, Shandong 271018)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

9、 system, it compares with 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

10、 to reduce and so on merits 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 significan

11、ces analysis, has conducted 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 PSCAD environment, afte

12、r obtaining the simulation 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 reactiv

13、e; PSCAD/EMTDC;22 緒論近年來，隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，我國的電力工業(yè)也取得了前所未有的成就。目前，我國電力系統(tǒng)的裝機容量及發(fā)電量均居世界第二，業(yè)已形成了華東、華北、華中、東北、西北、南方六大區(qū)域網(wǎng)和山東、福建兩個省網(wǎng)。隨著以三峽水電站為代表的一批新興發(fā)電工程的開發(fā)，以及超高壓、大容量、遠距離輸電技術(shù)的發(fā)展，全國各大電網(wǎng)互聯(lián)，直至出現(xiàn)全國性的大聯(lián)網(wǎng)已成為必然的趨勢。隨著電力工業(yè)的發(fā)展，電力電子裝置的應(yīng)用日益廣泛，電網(wǎng)中的諧波污染也日趨嚴重。另外，大多數(shù)的電力電子裝置功率因數(shù)很低，也給電網(wǎng)帶來了額外負擔(dān)，并且影響著供電質(zhì)量。因此，如何抑制諧波和對無功功率進行補償已經(jīng)成為電力電子技術(shù)、

14、電氣自動化技術(shù)以及電力系統(tǒng)研究領(lǐng)域所面臨的一個重大課題。靜止同步補償器(Static Synchronous Compensator，簡稱STATCOM )，是柔性交流輸電系統(tǒng)(FACTS)中的重要成員之一，具有實時檢測和補償無功功率、支撐網(wǎng)絡(luò)節(jié)點電壓、補償高次諧波等功能。本文將重點對基于新型電力電子器件IGCT ( Integrated Gate Commute Thyristor)的STATCOM主電路結(jié)構(gòu)進行深入研究，為STATCOM的大容量和實用化尋求合適的解決方案。1.本文研究的主要目的及意義1.1論文研究背景和研究的意義在電力系統(tǒng)中，由于電感、電容元件的存在，系統(tǒng)中不僅存在著有功功

15、率，而且存在無功功率。無功功率的存在對于電力系統(tǒng)和負荷的運行都非常重要，但其傳輸不僅會產(chǎn)生很大的有功損耗，而且沿著傳輸途徑還會產(chǎn)生很大的電壓降落，并且使電網(wǎng)的視在功率增大，從而對系統(tǒng)產(chǎn)生一系列不良影響，主要可以歸納為以下幾個方面:(1)電網(wǎng)總電流增加，使電力系統(tǒng)中的元件如變壓器等的容量增大，從而增加了投資費用，在傳送同樣有功功率的情況下，增加了設(shè)備和線路的損耗。(2)電網(wǎng)無功容量不足，會造成負荷端供電電壓低，影響正常生產(chǎn)、生活用電;反之，若無功容量過剩，則造成電網(wǎng)運行電壓過高，電壓波動過大。(3)降低了電網(wǎng)的功率因數(shù)，造成大量電能損耗。當(dāng)功率因數(shù)由0.8下降至0.6時，電能損耗提高了將近一半。

16、為了輸送有功功率，需要送電端和受電端有一相位差，這可以在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)實現(xiàn)，而為了輸送無功功率，則要求兩端電壓有一幅值差，這只能在很窄的范圍內(nèi)實現(xiàn)。不僅大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)元件消耗無功功率，大多數(shù)負載也需要消耗無功。這些無功功率必須從網(wǎng)絡(luò)的某個地方獲得。顯然，如果都要由發(fā)電機提供并經(jīng)過長距離傳送是不合理的，通常也是不可能的。合理的方法是在需要無功功率的地方進行補償。無功補償?shù)淖饔弥饕幸韵聨c:(1)提高供用電系統(tǒng)及負載的功率因數(shù)，降低設(shè)備容量，減少功率損耗;(2)穩(wěn)定受電端及電網(wǎng)的電壓，提高供電質(zhì)量。在長距離輸電線路合適的地點設(shè)置動態(tài)無功補償，還可以改善輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高輸電能力;(3)在電氣化鐵

17、道等三相負載不平衡的場合，通過適當(dāng)?shù)臒o功補償可平衡三相的有功及無功負載。正因為無功補償對于提高電網(wǎng)安全運行水平和電能質(zhì)量有著如此重要的意義，這一技術(shù)正越來越受到人們的關(guān)注，并已成為研究的熱點。FACTS是Flexible AC Transmission System的英文縮寫，也可翻譯為靈活交流輸電技術(shù)，是指裝有電力電子型或其他靜止型控制器以加強可控性和增大電力傳輸能力的交流輸電系統(tǒng)，是美國著名電力專家N.H.Hingorani博士于1986年提出的。FACTS技術(shù)是利用現(xiàn)代大功率電力電子技術(shù)改造傳統(tǒng)交流電力系統(tǒng)的一項重大改革，被認為是21世紀初可以實施的技術(shù)改革措施，已成為當(dāng)今先進國家電力界

18、研究的熱點。FACTS技術(shù)(包括系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)及控制器技術(shù))己被國內(nèi)外的一些較權(quán)威性的輸電技術(shù)研究者和工作組稱為“未來輸電系統(tǒng)新時代的三項支撐技術(shù)FACTS技術(shù)、先進的控制中心和綜合自動化技術(shù))之一”，或是“現(xiàn)代電力系統(tǒng)中的三項具有變革性影響的前沿性課題(柔性輸電技術(shù)、智能控制、基于全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)的新一代動態(tài)安全分析與監(jiān)測系統(tǒng))之一”。此概念提出后，F(xiàn)ACTS技術(shù)迅速成為各國電力界研究的熱點。FACTS技術(shù)是基于電力電子技術(shù)改造交流輸電的系列技術(shù)，它對交流電的無功電壓、電抗和相角可以進行控制，從而能有效提高交流系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性，使傳統(tǒng)的交流輸電系統(tǒng)具有更高的柔性和靈活性，使輸電線路得

19、到充分利用，以滿足電力系統(tǒng)安全、可靠和經(jīng)濟運行的目標。本文正是在這一背景下對STATCOM主電路結(jié)構(gòu)、控制回路以及它的仿真波形進行了深入的研究。1.2本文研究的主要內(nèi)容本文的主要研究內(nèi)容有(1) 無功功率的產(chǎn)生和危害無功功率是為了建立交變磁場和感應(yīng)磁通。主要危害有：引起線路電壓損耗增大，使設(shè)備及線路損耗增加和增加設(shè)備容量。(2) STATCOM的工作原理和數(shù)學(xué)模型(3) STATCOM的控制策略和無功功率的檢測方法本論文采用了瞬時無功功率理論的檢測方法，控制策略采用了間接電流控制。(4) 基于PSCAD/EMTDC的STATCOM仿真通過在EMTDC/PSCAD環(huán)境下進行了仿真分析，得出仿真后

20、的波形。仿真結(jié)果表明STATCOM能夠?qū)ω摵蛇M行快速地?zé)o功補償，證實本模型算法的合理性、正確性，具有一定的參考價值。2 STATCOM的工作原理及數(shù)學(xué)模型2.1 STATCOM的基本電路結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的以TCR為代表的SVC裝置相比，STATCOM的調(diào)節(jié)速度更快，運行范圍寬，而且在采取多重化、多電平、PWM技術(shù)和鏈式結(jié)構(gòu)等措施后可大大減少補償電流中諧波的含量。更重要的是，STATCOM使用的電抗器和電容元件遠比SVC中使用的電抗器和電容元件要小，可大大縮小裝置的體積。而且，考慮到電力電子器件成本有大幅度降低的趨勢，使用小參數(shù)的電容和電抗也將降低裝置的成本。正是因為STATCOM具有如此優(yōu)越的性能，

21、所以它代表著動態(tài)無功補償裝置的發(fā)展方向。STATCOM的基本工作原理是將電壓型逆變橋電路直接或者通過電抗與公用電網(wǎng)連接起來，然后通過調(diào)節(jié)逆變橋交流側(cè)輸出電壓的相位和幅值，或通過直接控制交流側(cè)電流，使逆變橋電路吸收或者發(fā)出需要的無功電流，達到動態(tài)無功補償?shù)哪康摹?(a)采用電壓型橋式電路 (b)采用電流型橋式電路圖2-1 STATCOM基本電路結(jié)構(gòu)根據(jù)直流側(cè)電氣元件不同，STATCOM可分為基于電壓型逆變器和基于電流型逆變器等兩種類型。其電路基本結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。對于電壓型橋式電路，其直流側(cè)以電容作為儲能元件，將直流電壓逆變?yōu)榻涣麟妷?，通過串聯(lián)電抗并入電網(wǎng)，其中串聯(lián)電抗起到阻尼過電流、濾除紋波

22、的作用;對于電流型橋式電路，其直流側(cè)以電感作為儲能元件，將直流電流逆變?yōu)榻涣麟娏魉腿腚娋W(wǎng)，并聯(lián)于交流側(cè)的電容可以吸收換相產(chǎn)生的過電壓。我們知道，在平衡的三相系統(tǒng)中，三相瞬時功率的和是一定的，在任何時刻都等于三相總的有功功率。因此總的看來，在三相系統(tǒng)的電源和負載之間沒有無功功率的往返，各相的無功能量是在三相之間來回往返的。而STATCOM正是將三相的無功功率統(tǒng)一以來進行處理的，所以理論上說，STATCOM的橋式變流電路的直流側(cè)可以不設(shè)無功儲能元件。但實際上由于諧波的存在，使得總體看來，電源和STATCOM之間會有少許無功能量的往返。所以，為維持STATCOM的正常工作，其直流側(cè)仍需一定大小的電容

23、或電感作為儲能元件，但所需儲能元件的容量遠比STATCOM所能提供的無功容量要小。而對傳統(tǒng)的SVC裝置，其所需儲能元件的容量至少要等于其所提供的無功功率的容量。因此，STATCOM中儲能元件的體積和成本比同容量的SVC要小的多。在實際運行中，由于電流型橋式電路效率比較低，而且發(fā)生短路故障時危害比較大，所以迄今投入實用的STATCOM大都采用電壓型橋式電路，因此STATCOM往往專指采用換相的電壓型橋式電路作為動態(tài)無功補償?shù)难b置。本文也將只針對采用自換向電壓型逆變器的STATCOM為對象進行研究。2.2 STATCOM的工作原理以采用電壓型橋式電路的STATCOM為例，其基本工作原理簡而言之就是

24、通過適當(dāng)調(diào)節(jié)橋式電路交流側(cè)輸出電壓的相位和幅值，或者直接控制其交流側(cè)電流，從而吸收或發(fā)出滿足要求的無功電流，實現(xiàn)動態(tài)無功補償?shù)哪康?。STATCOM的工作原理可以用如圖2-2所示的單相等效電路來說明。由于STATCOM正常工作時就是通過電力半導(dǎo)體開關(guān)的通斷將直流側(cè)電壓轉(zhuǎn)換成交流側(cè)與電網(wǎng)同頻率的輸出電壓，類似于一個電壓型逆變器，只不過其交流側(cè)輸出接的不是無源負載，而是電網(wǎng)。（a） 單相等效電路 (b)電流超前 (c)電流滯后圖2-2 STATCOM等效電路及工作原理(不考慮損耗)因此，當(dāng)僅僅考慮基波頻率時，STATCOM可以等效地被看作是幅值和相位均可以控制的一個與電網(wǎng)同頻率的交流電壓源，通過交流

25、電抗器接到電網(wǎng)上。電網(wǎng)電壓和STATCOM輸出的交流電壓分別用相量和，表示，則連接電抗X上的電壓即為、和的相量差，而連接電抗的電流是由其電壓來控制的。這個電流就是STATCOM從電網(wǎng)吸收的電流I。因此，改變STATCOM交流側(cè)輸出電壓的幅值及其相對于的相位，就可以改變連接電抗上的電壓，從而控制STATCOM從電網(wǎng)吸收電流的相位和幅值，也就控制了STATCOM吸收無功功率的性質(zhì)和大小。在圖2-2的等效電路中，將連接電抗器視為純電感，沒有考慮其損耗以及變流器的損耗，因此不必從電網(wǎng)吸收有功能量。在這種情況下，只需要使和同相，僅改變的幅值大小即可控制STATCOM從電網(wǎng)吸收的電流I是超前還是滯后，并且

26、能控制該電流的大小。如圖2-3所示，當(dāng)大于時，電流超前電壓，STATCOM吸收感性的無功功率?？紤]到連接電抗器的損耗和變流器本身的損耗(如管壓降、線路電感)，并將總的損耗集中作為連接電抗器的電阻考慮，則STATCOM的實際等效電路和電流分別超前、滯后工作的相量圖如圖2-3所示。(a)單相等效電路 (b)電流超前 (c)電流滯后圖2-3 STATCOM等效電路及工作原理(考慮損耗)這種情況下，變流器電壓與電流I仍相差。因為變流器無需有功能量。而電網(wǎng)電壓與電流I的相差不再是，而是比小了角，因此電網(wǎng)提供了有功功率來補充電路中的損耗，也就是說相對于電網(wǎng)電壓來講，電流I中有一定量的有功分量。這個角也就是

27、變流器電壓與電網(wǎng)電壓的相位差。改變這個相位，并且改變的幅值，則產(chǎn)生的電流I的相位和大小也就隨之改變，STATCOM從電網(wǎng)吸收的無功功率也就因此得到調(diào)節(jié)。 在圖2-3中，將變流器本身的損耗也歸算到了交流側(cè)，并歸入連接電抗器電阻中統(tǒng)一考慮。實際上，這部分損耗發(fā)生在變流器內(nèi)部，應(yīng)該由變流器從交流側(cè)吸收一定的有功能量來補充。因此，實際上變流器交流側(cè)電壓與電流I的相位差并不是嚴格的。而是比略小一些。 如圖2-3 (b)和(c)所示，STATCOM分別工作在容性工況和感性工況。圖中，是和之間的相位差，以滯后為正。為等效電抗器的阻抗角，為等效阻抗器的兩端電壓。STATCOM從系統(tǒng)吸收容性或感性無功功率的計算

28、公式為， （2-1）當(dāng)滯后于時( 0)， STATCOM工作于感性工況，此時電流I滯后于系統(tǒng)電壓, STATCOM從系統(tǒng)吸收感性無功功率。 通過控制的大小，可以動態(tài)平滑地調(diào)節(jié)STATCOM吸收的感性或容性無功功率的大小。由圖中還可以看出，因為變流器無需有功能量，所以不管是容性工況還是感性工況，都與I保持垂直。由于電網(wǎng)需要提供有功功率來補充STATCOM電路中的有功損耗以及維持直流側(cè)電容電壓的穩(wěn)定，所以電網(wǎng)電壓與電流I則不再保持，而是比小了角。通過對STATCOM工作原理的分析，可以知道STATCOM的伏安特性如圖2-4所示。圖2-4 STATCOM的伏安特性通過改變控制系統(tǒng)的參數(shù)(電網(wǎng)電壓的參

29、考值)可以使伏安特性上下移動。與傳統(tǒng)的SVC伏安特性不同的是，當(dāng)電網(wǎng)電壓下降，補償器的伏安特性向下調(diào)整時，STATCOM，可以通過調(diào)整其變流器交流側(cè)電壓的幅值和相位，以使其所能提供的最大無功電流和維持不變，其值僅受電力半導(dǎo)體器件的電流容量的限制。而對于傳統(tǒng)的SVC，由于其所能提供的最大電流分別受其并聯(lián)電抗器和并聯(lián)電容器的阻抗特性限制，隨著電網(wǎng)電壓的降低反而減小。因此，STATCOM的運行范圍比傳統(tǒng)的SVC大，SVC的運行范圍是向下收縮的三角形區(qū)域，而STATCOM的運行范圍是上下等寬的近似矩形的區(qū)域，這是STATCOM優(yōu)越與傳統(tǒng)SVC的一大特點。另外，對于那些以輸電補償為目的的STATCOM來

30、說，如果直流側(cè)采用較大的儲能電容，或者其他直流電源(如蓄電池組等)，則STATCOM還可以在必要時短時間內(nèi)向電網(wǎng)提供一定量的有功功率。這對于電力系統(tǒng)來說是非常有益的，而又是傳統(tǒng)SVC裝置所望塵莫及的。2.3 STATCOM的數(shù)學(xué)模型的建立電力系統(tǒng)是一個由發(fā)電機、變壓器、輸配電線路和用電設(shè)備等很多單元組成的復(fù)雜系統(tǒng)，整個系統(tǒng)中所有元件的動態(tài)特性和系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、參數(shù)、運行工況以及控制有著緊密的關(guān)系，建立STATCOM的模型是研究中最重要的一環(huán)。如果沒有精確的數(shù)學(xué)模型，要對STATCOM進行深入了解是非常困難的，因而要設(shè)計出優(yōu)越的控制器也是很難的。對于一個物理對象的建模方法大致可以分為兩種:輸入-輸出

31、建模法和拓撲結(jié)構(gòu)建模法。一般的拓撲結(jié)構(gòu)建模法建立的微分方程，分別求解，建立裝置的數(shù)學(xué)模型是非常復(fù)雜的，特別是當(dāng)開關(guān)器件數(shù)量很多時，拓撲結(jié)構(gòu)急劇上升，按照拓撲結(jié)構(gòu)來分析非常困難。實際研究中，我們更關(guān)心的是裝置的輸入-輸出特性，為此我們要建立輸入-輸出特性的數(shù)學(xué)模型，而對裝置中某個開關(guān)器件某時刻的電流，并不是很關(guān)心，只要保證該電流不超過開關(guān)器件允許的電流，不會導(dǎo)致裝置異?；蚬收暇涂梢粤?。為此我們采用輸入-輸出的建模方法來建立STATCOM的數(shù)學(xué)模型，這種數(shù)學(xué)模型對于STATCOM裝置用十電力系統(tǒng)無功補償控制已經(jīng)足夠精確了。圖2-5為STATCOM裝置原理接線圖，為建立數(shù)學(xué)模型，先做如下假設(shè):(1)

32、將STATCOM裝置中各種損耗及電阻包括開關(guān)器件(如GTO、二極管)的導(dǎo)通電阻用等效電阻表示，如圖中R，變壓器漏電感及線路電感用等效電感表示，如圖中L;(2)由于STATCOM裝置輸出電壓由多個單相橋疊加而成，諧波含量低，因此只考慮STATCOM輸出電壓的基波分量而忽略諧波分量。圖2-5 STATCOM裝置原理接線圖基于上面的假設(shè)及單相橋輸出電壓的表達式可以得到STATCOM裝置變流器總的輸出電壓為 （2-2）其中K為比例系數(shù)，為STATCOM輸出電壓與系統(tǒng)電壓的夾角，為可控量。而系統(tǒng)三相電壓為 （2-3）根據(jù)STATCOM裝置的原理圖，可以列出STATCOM裝置的abc三相動態(tài)方程: （2-

33、4）將（2-2）和（2-3）代入得：（2-5）而直流側(cè)電容電壓的動態(tài)方程可以由能量關(guān)系得到: （2-6）代入（2-6）化簡可得:（2-7）因此STATCOM的數(shù)學(xué)模型為可以看出，數(shù)學(xué)模型包含四個未知數(shù)和四個方程，只要已知STATCOM裝置的電流和直流電壓的初始值，通過解微分方程即可求出各個變量隨時間變化的規(guī)律。但上述數(shù)學(xué)模型為時變系數(shù)的微分方程，理論分析比較困難，為此我們利用電力系統(tǒng)中常用的經(jīng)典派克變換(也稱dq0變換，為線性變換矩陣)，將時變微分方程變換為常系數(shù)微分方程。經(jīng)典派克變換的矩陣為將式中abc三相電流進行dq0變換，即令:對前述數(shù)學(xué)模型進行變換得到STATCOM裝置在dq0坐標下的

34、數(shù)學(xué)模型:由于STATCOM裝置為三相三線制系統(tǒng)，三相電流之和為零，所以上述方程中的始終為零，因此可以將該方程去掉，得到STATCOM的數(shù)學(xué)模型為該數(shù)學(xué)模型為常系數(shù)微分方程，便于進行理論分析。3 無功功率檢測方法和STATCOM的控制策略3.1 無功功率檢測方法補償裝置對系統(tǒng)無功功率的補償效果很大程度上依賴于對系統(tǒng)電路瞬時值的檢測，諧波及無功電流實時檢測的快速性、準確性及靈活性直接關(guān)系影響到其跟蹤補償特性。因此，實時精確的檢測方法對無功補償?shù)难芯渴种匾?。目前提出的檢測方法主要有以下幾種4：（1）基于Fryze時域分析的有功電流分離法：該方法有較大時延，實時性較差。（2）基于頻域分析的FFT分

35、解法：該方法不僅有較大時延，實時性較差，且對高次諧波的檢測精度較差。（3）基于Akagi的瞬時無功功率檢測法：該方法實時性較好，但由于乘法器較多，影響檢測精度，而且只能用于三相平衡系統(tǒng)。（4）同步檢測法：臺灣學(xué)者ChenCL提出的同步檢測法有等功率(PSD),等電流(CSD)、等電阻(RSD)三種檢測途徑，可以實現(xiàn)對不平衡三相電力系統(tǒng)無功和諧波電流的實時檢測，但是無法分離出補償電流中的無功電流和諧波電流。（5）基于廣義瞬時無功功率檢測法：該方法可以在電網(wǎng)電壓不對稱或畸變的情況下，仍能精確地分離出基波正序瞬時無功電流和不對稱及高次諧波瞬時無功功率電流，并對它們進行有選擇性的補償或完全補償?；趶V

36、義瞬時無功功率檢測法以其快速精確的優(yōu)點成為目前研究的熱點，亦成為補償裝置的首選檢測方法。傳統(tǒng)理論中的有功功率、無功功率、有功電流、無功電流都是在平均值或相量的意義上定義的，它們只適用于電壓、電流均為正弦波時的情況。而瞬時無功功率理論中的概念都是在瞬時值的基礎(chǔ)上定義的，它不僅適用于正弦波，也適用于非正弦和任何過渡過程的情況。瞬時無功功率理論，即“d-q”理論，是80年代由日本學(xué)者赤木泰文提出來的，它使得電力有源濾波器的研究走出了實驗室，在工業(yè)中得到了應(yīng)用。但是，它只適用于三相電壓正弦、對稱的情況下的三相電路高次諧波和基波無功電流的檢測。隨著時間的推移，這一理論得到了發(fā)展、完善。在90年代，西安交

37、通大學(xué)王兆安教授等提出了“d-q”理論，該理論所提的檢測方法解決了三相電壓非正弦、非對稱情況下三相電路高次諧波和基波負序電流的準確測量，該方法也能準確檢測三相電壓非正弦情況下三相電路基波無功電流26。3.1.1 d-q矢量變換理論采用d-q矢量變換理論可以在旋轉(zhuǎn)坐標系中觀察裝置的暫態(tài)過程。同時在不平衡系統(tǒng)中，通過該變換可以獲得基波正序有功及無功分量、基波負序分量以及諧波分量。從電機工程的觀點來看，d-q矢量屬于同步轉(zhuǎn)子坐標系。假定同步電機定子abc三相繞組由平衡的三相正弦交流電壓供電，則變換至同步轉(zhuǎn)子坐標系，abc三相正序有功電流相當(dāng)于d軸繞組的直流分量，即在同步電機轉(zhuǎn)子上看，定子三相繞組通以

38、平衡的三相正弦交流，相當(dāng)于轉(zhuǎn)子d軸繞組通以直流的作用。進行d-q變換的具體過程是：a.abc換到靜止d-q兩相對于三相交流系統(tǒng)，當(dāng)負載端電壓和負載電流滿足以下條件： （3-1） （3-2）可用三相/二相變換將abc三相交流量變換到正交的坐標上，如圖3-1 (a)所示。從三相靜止坐標系到兩相靜止坐標系可以通過式(3-3),(3-4)實現(xiàn)。 （3-3） （3-4）瞬時功率可定義為 （3-5） b.-轉(zhuǎn)換到兩相d-q旋轉(zhuǎn)坐標在靜止坐標系的基礎(chǔ)上引入旋轉(zhuǎn)坐標系，如圖3-1 (b)所示。d軸與瞬時電壓向量V的方向重合，并以角頻率同步旋轉(zhuǎn)，q軸落后于d軸電流矢量i可以分解為和。則兩相靜止坐標系變換到兩相旋

39、轉(zhuǎn)坐標系變換矩陣的系數(shù)變?yōu)椋?圖（3-1）（a）abc-（b）-abc （3-6） （3-7）sint、cost一般都是由Va經(jīng)鎖相環(huán)產(chǎn)生 （3-8）3.1.2 三相對稱系統(tǒng)的瞬時無功功率假設(shè)系統(tǒng)電壓為： （3-9）負荷為線性阻抗時(即無諧波時)負荷電流為： （3-10）其中：為負荷電流初相位角 應(yīng)用d-q矢量變換理論得到三相瞬時有功電流和無功電流： （3-11）和是直流分量，分別為有功分量和無功分量。(2)負荷為非線性阻抗時 負荷電流為： （3-12）應(yīng)用d-q矢量變換理論： （3-13）上式所得、經(jīng)LPF濾波，得 （3-14）、的計算結(jié)果分解成：、分別是、的平均值或直流分量，是基波有功分量

40、和基波無功分量。、分別為、的交流分量，是諧波量。3.2 STATCOM裝置的控制方法按不同的功能和要求，STATCOM的控制從控制策略上講，有三種基本結(jié)構(gòu):開環(huán)控制、閉環(huán)控制或者兩者結(jié)合的復(fù)合控制.按照控制技術(shù)來分，主要包括P控制、PI控制、逆系統(tǒng)PI控制、微分幾何控制、非線性魯棒控制、模糊控制、遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制等等.根據(jù)控制物理量，由無功電流參考值調(diào)節(jié)STATCOM產(chǎn)生所需無功電流的具體控制方法，可以分為直接電流控制和間接電流控制兩大類.3.2.1 直接電流控制所謂直接電流控制，就是采用跟蹤型PWM控制技術(shù)對電流波形的瞬時值進行反饋控制，直接控制電流的發(fā)生。圖3. 2給出了引入d- q

41、分解法的電流直接控制方法。這種控制方法中，以瞬時電流無功分量的參考值為主，或者瞬時電流無功分量的參考值由滯后電源電壓90的正弦波與無功電流參考值相乘，再與瞬時電流有功分量的參考值相加得到;根據(jù)STATCOM對有功能量的需求，對的相位進行修正來得到總的瞬時電流參考值。跟蹤型PWM控制技術(shù)采用了三角波比較方式，也可采用滯環(huán)比較方式。由于直接電流控制法是對電流瞬時值的跟蹤控制，要求主電路中電力半導(dǎo)體開關(guān)器件有較高的開關(guān)頻率，對于大功率STATCOM場合，這種方法有很大的局限性，適用于中小容量的STATCOM的控制.圖3.2采用dq變換的直接電流控制原理框圖3.2.2 間接電流控制所謂間接電流控制，是

42、通過STATCOM逆變器所產(chǎn)生交流電壓基波的相位和幅值，來間接控制STATCOM的交流側(cè)電流。如圖3.3所示，采用了STATCOM吸收的無功和有功的反饋控制，采用d-q分解法檢測STATCOM吸收的無功和有功電流，直流電壓的反饋控制，且直流電壓調(diào)節(jié)器的輸出作為有功電流的參考值。間接電流控制方法多應(yīng)用于較大容量STATCOM。大容量的系統(tǒng)，由于開關(guān)頻率的降低，輸出的電壓會產(chǎn)生大量的諧波并降低直流電壓的利用率，為了減少諧波，可以采用多重化、多電平或者采用PWM控制技術(shù)。圖3.3采用dq變換的間接電流控制原理框圖3.2.3 電流間接與直接控制的特點以上是STATCOM的兩類控制方法，即電流的間接控制

43、和電流的直接控制。電流間接與直接控制具有各自的特點，歸納起來有如下幾個方面:(1)電流的間接控制方法相對簡單，技術(shù)相對成熟;但直接控制與間接控制相比，控制精度高，系統(tǒng)具有快速的瞬態(tài)響應(yīng)。由于瞬時反饋的引入，控制系統(tǒng)對直流側(cè)電壓和交流側(cè)電網(wǎng)電壓波動迅速作出反應(yīng)，保持輸出電流跟隨參考值。(2)直接控制比間接控制的系統(tǒng)穩(wěn)定性高。電感的電流控制環(huán)是一階系統(tǒng)，無條件穩(wěn)定。(3)直接控制可抑制負序引起的不良影響。電網(wǎng)負序電壓存在時，因為無功電流指令是先用“abc- dq”變換到瞬時無功電流，再通過“dq- abc逆變換為三相電流，無功電流對稱，流入直流側(cè)電流脈動小，電壓脈動也小;另外，電流直接控制對相位的

44、檢測精度要求不高，這點與間接控制不同，這一優(yōu)點給控制器的實現(xiàn)帶來很大的方便。(4)直接控制對電力半導(dǎo)體器件開關(guān)頻率要求高，它適用于較小容量STATCOM的控制;而間接控制適用于較大容量STATCOM控制，但由于容量大，受電力半導(dǎo)體開關(guān)器件頻率限制，一般無法像直接控制方法那樣對電流波形進行跟蹤控制。(5)采用直接控制的大容量STATCOM可采用多個變流器多重化聯(lián)結(jié)、多電平或PWM控制技術(shù)來減小諧波。采用電流PWM跟蹤控制的直接控制方法，STATCOM輸出電流中的諧波含量少。(6) STATCOM采用電流直接控制方法后，其響應(yīng)速度和控制精度將比間接控制法有很大的提高，在這種控制方法下，STATCO

45、M實際上已經(jīng)相當(dāng)于一個受控的電流源，但直接控制法由于是對電流瞬時值的跟蹤控制，因而要求主電路電力半導(dǎo)體器件有較高的開關(guān)頻率，這對于大容量的STATCOM目前是難以做到的。(7)在工程實際應(yīng)用中，電流直接控制方法中的脈寬調(diào)制信號的產(chǎn)生方法用的最多的是滯環(huán)控制法和三角波比較法，而三角波比較法更多的用于連續(xù)時域控制，滯環(huán)控制法及改進的滯環(huán)控制法則更適合于數(shù)字化控制應(yīng)用?？臻g矢量法適合用于三相對稱正弦系統(tǒng)，否則由于計算量大和需要增加濾波環(huán)節(jié)來檢測基波元功電流，影響控制效果。4 STATCOM的仿真4.1仿真的主接線圖表4-1主接線圖主要參數(shù)設(shè)置三相電源相電壓（kv）電網(wǎng)工作頻率（Hz）系統(tǒng)等效電阻（）

46、直流側(cè)電容（F）11550136300 圖4-1 仿真的主接線圖 主電路系統(tǒng)電源為115kv的高壓電源，負載側(cè)模擬三相接地短路故障，故障發(fā)生在1.5s，持續(xù)時間為0.75s。逆變器通過連接變壓器接至交流電網(wǎng)。逆變器部分采用IGBT, 絕緣柵雙極型功率管，是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場效應(yīng)管)組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動式電力電子器件, 兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅(qū)動電流較大；MOSFET驅(qū)動功率很小，開關(guān)速度快，但導(dǎo)通壓降大，載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優(yōu)點，驅(qū)動功率小而飽和壓降低。主電路為三相對稱，采

47、用電壓逆變器型電路進行無功補償，電壓型逆變器的直流電源經(jīng)過大電容的濾波，故直流電源可以近似看作恒壓源。4.2 仿真的主控制電路圖1. 主控制電路的外觀圖圖4-2 主控制電路外觀圖2 主控制回路的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)圖圖4-3 主控制回路的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)圖無功給定值（標幺值）與系統(tǒng)電壓（標幺值）、系統(tǒng)無功（標幺值）作比較，經(jīng)過超前滯后環(huán)節(jié)及PI調(diào)節(jié)器，產(chǎn)生STATCOM的控制角。4.3 仿真的調(diào)制電路圖圖4-4 仿真的調(diào)制電路圖該調(diào)制電路采用正弦載波調(diào)制法，用一個等腰三角形載波和一個與基波頻率相同的正弦調(diào)制波相比，用他們的交點來確定開關(guān)的轉(zhuǎn)換時刻，因此，通過控制六個IGBT的導(dǎo)通來控制逆變器輸出的電壓。

48、4.4 各仿真的波形圖圖4-5 系統(tǒng)仿真波形圖（補償前）圖中自上而下分別為系統(tǒng)電壓、有功功率、無功功率的波形圖，由圖中可以看出，在STATCOM不投入的情況下，負載側(cè)在1.5秒時發(fā)生三相短路接地故障，持續(xù)了0.75秒，系統(tǒng)電壓此時下降幅度較大。圖4-6 系統(tǒng)仿真波形圖（補償后）由圖可知，在STATCOM投入發(fā)出無功，STATCOM在負載發(fā)生三相短路接地故障時對系統(tǒng)進行無功補償，抑制了電壓的下降。4.5 本章小結(jié)本章STATCOM仿真模型主電路有四大部分構(gòu)成，由電力系統(tǒng)、連接變壓器、逆變器和直流電容組成，控制電路采用間接電流控制的控制方法，該控制方法能正確、快速地補償負荷所需的無功。STATCO

49、M 在很大程度上能抑制電壓波動及電壓暫降，跟蹤補償特性良好。通過采用電力系統(tǒng)仿真軟件PSCAD/EMTDC分析STATCOM對負荷進行無功補償?shù)倪^程，驗證所用控制算法及模型的有效性，具有一定的參考價值。5 總結(jié)與展望5.1結(jié)論本論文分析了電力系統(tǒng)中無功功率的危害及無功功率補償?shù)闹匾饬x，以及STATCOM在改善電能質(zhì)量中的具體作用，主要分為兩個方面:提高系統(tǒng)功率因數(shù)和調(diào)節(jié)系統(tǒng)電壓。在對STATCOM基礎(chǔ)理論，包括工作原理、主電路結(jié)構(gòu)、無功功率的檢測方法和控制策略等詳細分析和研究的基礎(chǔ)上，選擇了適合于電力系統(tǒng)STATCOM的電路結(jié)構(gòu)及控制策略，通過理論推導(dǎo)建立了STATCOM的數(shù)學(xué)模型，確定了電

50、路中參數(shù)的取值，最后通過仿真分析來加以論證。5.2展望由于STATCOM的優(yōu)勢是十分的明顯的，相應(yīng)速度快，吸收無功連續(xù)，產(chǎn)生的高次諧波量小、分布少，所以從長遠看STATCOM裝置有很大的技術(shù)經(jīng)濟效益和發(fā)展空間。由于本人水平有限，時間倉促，使得有些工作做的不足，還需要進一步改善。主要表現(xiàn)在以下幾個方面：1.本課題研究主要是圍繞三相平衡的系統(tǒng)來研究。但是實際情況下更多的是三相不平衡系統(tǒng)。所以要從三相不平衡特性出發(fā)，考慮采用分相控制來補償不對稱負載。2.對系統(tǒng)參數(shù)進行優(yōu)化。提高系統(tǒng)功率，做較大容量的STATCOM裝置。本論文主要對STATCOM進行了理論分析級仿真研究，并進行了部分實驗工作，希望以后

51、早日實現(xiàn)STATCOM從實驗室到現(xiàn)場投運這關(guān)鍵的一步。3.提高STATCOM的動態(tài)補償速度和補償精度,讓其能夠更有效地投入到電力系統(tǒng)的應(yīng)用中,能夠應(yīng)用在更廣泛的領(lǐng)域中,更多地為電力行業(yè)帶來方便。參考文獻：1 中國礦業(yè)大學(xué) 伍小杰，李明等編著. 電力電子技術(shù).徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社2 栗春，高輝，石建民等.基于DSP的靜止同步補償器脈沖發(fā)生器及控制器的設(shè)計J.電力系統(tǒng)自動化，1999,23 (13) :26-29.3 劉文華，盧軍鋒，鄭征等.基于SHE-PWM的D-STATCOM的控制器和脈沖發(fā)生器的設(shè)計j.清華大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2002,42(9):llss-1191.4 黃卓強，淺談無功補償?shù)姆绞郊叭萘坑嬎?廣西電業(yè)，2003, 10.5 姜齊榮，劉文華，韓英鐸等.士20Mvar STATCOM控制器設(shè)計J.電力系統(tǒng)自動化，2000(12):24-28.6 靳龍章，丁毓山.電網(wǎng)無功補償實用技術(shù).北京:中國水利水電出版社，1997.7 黃卓強，淺談無功補償?shù)姆绞郊叭萘坑嬎?廣西電業(yè)，2003, 10.8 王兆安，楊君，劉進軍。諧波抑制和無功功率補償M.北京:機械工業(yè)出版社，1998.9 劉文華，梁旭，姜齊榮等.采用GTO逆變器的20Mvar S