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1、目 录摘要1前言21 STATCOM的研究意义及现状21.1研究目的和意义21.2无功补偿的作用及发展51.3国内外对于STATCOM的研究现状81.4 STATCOM主要优点82 STATCOM的原理102.1 STATCOM的基本原理102.2 STATCOM的工作特性122.3 STATCOM的拓扑选型133 STATCOM控制系统的控制策略研究154 STATCOM系统仿真204.1 MATLAB/Simulink仿真技术概述204.2 STATCOM仿真模型建立224.3 仿真结果分析245 结论与展望30致谢31参考文献32静止同步补偿器的研究与仿真学生：李浪指导老师：袁勇（三峡大
2、学 电气信息学院）摘要 ：静止无功功率补偿技术是以现代电力电子技术为基础采用晶闸管投切方式, 吸收和发出无功电流与系统进行无功功率交换的一种技术, 它具有响应速度快, 稳定系统电压, 系统振荡的作用。 本文主要介绍了STATCOM控制系统的组成与原理，论述了STATCOM控制策略，建立了基于MATLAB/Simulink环境下的STATCOM系统仿真模型，对系统进行了仿真研究，结果表明论文选定的STATCOM方案正确，具有良好的无功性能。关键词: STATCOM;MATLAB仿真Abstract：Static reactive power compensation based on moder
3、n power electronic technology-based approach using thyristor switched, absorption and reactive current issue with the system reactive power exchange, it has a fast response, stability, system voltage, the system oscillation Effect. This paper ia around STATCOM control system in composition as well a
4、s theory, Based on MATLAB / Simulink environment, STATCOM simulation model of the system results show that the STATCOM program of selected papers is correct, has a good dynamic performance of reactive power.Key words: STATCOM, MATLAB毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取
5、得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全
6、部内容。作者签名： 日 期： 前言近年来, 随着国民经济的发展, 电力行业也得到快速发展,特别是大范围的高压输电网络逐渐形成, 负荷的快速增长对无功的需求大幅上升。无功功率并不是无用功率, 而是在电能传输和转换过程中建立电磁场和提供电网稳定不可缺少的功率之一, 无功经不同的电磁耦合反映不同的电压等级, 同一等级电压的电网中, 电压经高低直接反映本级的无功平衡, 是电能质量的重要指标之一。无功功率的传输不但会产生很大的有功损耗, 而且沿传输途径还会产生很大的电压降落, 并使电网的视在功率增加, 这将对系统产生以下一系列的负面影响。我国电网的建设和运行中长期存在的一个问题是无功补偿容量不足和配备不
7、合理，特别是可调节的无功容量不足，快速响应的无功调节设备更少。近年来，随着大功率非线性负荷的不断增加，电网的无功冲击和谐波污染呈不断上升的趋势，无功调节手段的缺乏使得母线电压随运行方式的变化很大，导致电网(特别是配电系统)的线损增加、电压合格率降低。此外，随着电网的发展，系统稳定性的问题也愈加重要。电网的动态稳定性与快速无功功率调节器的性能有关；电网的电压稳定性与无功功率的有效提供有关。动态无功补偿是一种提高电压稳定性的经济、有效的措施，是促进电网安全稳定和战略防御的客观需求。因此动态无功补偿技术己成为电力电子技术和电力系统研究领域所面临的一个重大课题，正在受到越来越多的关注。1 STATCO
8、M的研究意义及现状1.1 研究目的和意义电力系统中的无功消耗主要来自两个方面，一是输电系统自身吸收的无功，另一方面是负荷消耗的无功。输电设备在输送电能时要吸收一定的无功功率，在高压输电网络中，为了提高线路的输送容量和系统的稳定性一般会对这部分无功进行补偿，如对输电线路进行串联补偿以及在一些重要的节点进行并联补偿等。负荷吸收的无功功率主要是指感性负载和大量的非线性负荷消耗的无功，如工业生产和日常生活中经常使用的异步电机、日光灯，以及各种变流装置、工业电弧炉等，这些负载当中有些容量非常大，在启动和正常工作时都要吸收大量的无功功率，常常会引起电网电压的波动。无功功率对公用电网的影响主要有以下几个方面
9、：(1)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增加。同时，电力用户的起动及控制设备、测量仪表的体积和成本也要增加。(2)设备及线路损耗增加。无功功率的增加，使总电流增大，因而使设备及线路的损耗增加，从而降低了电气设备的运行效率。设线路总电流为I=Ip+Iq,线路电阻为，则线路损耗为，其中这一部分损耗就是由无功功率引起的。(3)使线路及变压器的电压降增大，如果是冲击性无功功率负荷，还会使电压产生剧烈波动，严重影响供电质量。(4)由谐波源造成的无功影响同样会带来一系列问题，如谐波损耗，影响设备正常工作，造成振动、热、噪声，自动装
10、置误动作，对通信系统产生干扰等。另外随着电力电子技术的广泛应用与发展，供电系统中增加了大量的非线性负载，特别是静止变流器，从低压小容量家用电器到高压大容量用的工业交直流变换装置，由于静止变流器是以开关方式工作的，会引起电网电流、电压波形发生畸变，引起电网的谐波“污染”。冲击性、波动性负荷，如电弧炉、大型轧钢机、电力机车等运行中不仅会产生大量的高次谐波，而且使得电压波动、闪变、三相不平衡日趋严重，这些对电网的不利影响不仅会导致供用电设备本身的安全性降低，而且会严重削弱和干扰电网的经济运行，造成对电网的“公害”，为此，国家技术监督局相继颁布了涉及电能质量五个方面的国家标准，即：供电电压允许偏差，供
11、电电压允许波动和闪变，供电三相电压不允许平衡度，公用电网谐波，供电频率允许偏差。1.3无功补偿的作用及发展无功功率对供电系统和负载的运行都十分重要，电力系统中的网络元件和负载所需要的无功功率必须从网络中某个地方获得。显然，这些无功功率如果都要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。合理的方法应当是在需要消耗无功功率的地方产生无功功率来补偿无功功率的损耗。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。在长距离输电线中合适的地点设置动态无功补偿装置还可以改善输电系统的稳定性，提高输电能力。
12、(3)在一些三相负载不平衡的情况下，通过适当的无功补偿可以平衡三相的有功功率及无功负荷。无功补偿应包含对基波无功功率的补偿和对谐波无功功率的补偿，由于无功补偿具有上述重要的作用，因此对于无功补偿技术进行研究具有相当重要的实际意义。 早期的无功补偿设备有并联电容器、调相机和同步发电机等，由于并联电容器阻抗固定，不能动态的跟踪荷无功功率的变化，而调相机和同步发电机等补偿设备又属于旋转设备，其损耗、噪声都很大，而且还不适用于太大或太小的无功补偿，所以这些设备己经越来越不适应电力系统发展的需要。 柔性交流输电系统(Flexible AC Transmission System)是随着电力电子技术的发展
13、及其在电力系统中的广泛应用而产生的。目前基于FACTS技术且应用于无功补偿最为广泛的是静止无功补偿器(SVC)。 SVC常用的有以下几种形式:固定电容加晶闸管控制电抗器型(FC+TCR)、晶闸管开关电容器型(TSC)、饱和电抗器型(SR)以及混合型(TCR + TSC) o FC+TCR型补偿器由TCR和若干组不可控电容器并联而成。通过控制与电抗器串联的双向晶闸管的导通角，既可以向系统输送感性无功电流，又可以向系统输送容性无功电流。 TSC型补偿器由一组并联的电容器组成，每一台电容器都与双向晶闸管串联。这里的晶闸管仅起开关的作用，以替代常规电容器所配置的机械式开关。在运行时，根据所需补偿电流的
14、大小，决定投入电容的组数。 SR型补偿器中，由饱和电抗器和串联电容器组成的回路具有稳压的特性，能维持连接母线的电压水平(其中的串联电容器是用来校正饱和电抗器伏安特性的斜率)，对冲击性负荷引起的电压波动具有补偿作用。与其并联的滤波电路能吸收谐波并校正功率因数。 所有形式的SVC都属于并联无功补偿装置，补偿原理都是通过控制晶闸管的触发角，改变接入电网中的等效电纳，从而达到调节输出无功的目的。但这些SVC设备之所以能产生感性无功功率，依靠的仍然是其中的电容器。这就导致SVC与静电电容器有着同样不可逾越的障碍，即当电压水平过于低下，急需无功补偿时，补偿器的输出反而会减少。随着全控型电力电子器件GTO,
15、 IGBT的发展，一种新型的无功补偿装置静止无功发生器(Static Var Generator, SVG)发展起来，它也称为高级静止无功发生器( Advanced Static Var Generator，ASVG)或静止无功调相(Static Synchronous Compensator, STATCOM)。它作为FACTS家族的重要成员得到了广泛的研究与应用。之所以如此，主要是为了解决大的、冲击性负荷如电弧炉、轧钢机等所带来的大的无功潮流以及电压波动等问题，以便快速、连续、大容量地向系统提供无功功率,提高系统稳定性和安全性。所谓STATCOM(或SVG)在本文中专指由自换相电力半导体桥
16、式变流器来进行动态无功补偿的装置。采用电力半导体变流器实现无功补偿思想早在上世纪70年代就已有人提出。1972年日本就发表了用强迫换相的晶闸管桥式电路作为调相装置的研究论文。1976年，美国学者L. Gyugyi在其论文提出用电力半导体变流器进行无功补偿的各种方案。它的原理和控制方法与SVC有很大不同。它是将自换相桥式电路通过电阻和电抗器(包括变压器的漏抗与电路中其他电抗)，或者直接并联在电网上，根据输入系统的无功功率和有功功率的指令，适当地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。1.4无功补偿
17、各种方法的优缺点电力系统中的无功补偿装置，从传统的带旋转机械方式，到FACTS的应用，经历了一个世纪的发展。现将各种无功补偿方法的优缺点进行详细的对比：（1） 并联电容器 优点：价格便宜，运行简单，安装运行和维护都很方便。缺点：它只能补偿感性无功，且不能连续调节，当电网电压下降时，电容器上的补偿电流相应下降，使得补偿的无功量极具下降，系统电压下降更大。（2） 同步调相机 优点：在过励磁或欠励磁的不同情况下可分别发出不同大小的容性或感性无功功率。缺点：由于其为旋转电机，因而损耗和噪声都较大，运行维护复杂大容量技术高，相应速度慢，在很多情况下，已无法适应快速无功功率控制要求。（3） 饱和电抗器 优
18、点：与同步调相机相比，它具有静止型的优点，响应速度快。缺点：由于其铁芯需磁化到饱和状态，因而损耗和噪声都较大，存在一些非线性电路的特殊问题，又不能分相调节以补偿负荷的不平衡。（4） 静止无功补偿装置 优点：用电力电子器件中的晶闸管替代常规电容器所配置的机械式开关，解开了电力电子技术在电力系统中应用的新篇章，而且它应用广泛，价格适中。缺点：在调节无功功率是不可避免的会产生大量谐波需要将固定电容器电感串联构成谐波滤波器来滤除谐波。而且它还具有调节不连续和响应速度慢的缺点，它最致命的缺点是SVC设备之所以能产生感性无功，依靠的仍然是其中的电容器，这就导致SVC与静电电容器一样有着不可逾越的障碍，即当
19、电压水平过于低下，急需无功补偿时，补偿器的输出反而会减少。 (5) 静止同步补偿器 优点:在提供系统的暂态稳定性和阻尼系统振荡等方面，STATCOM的性能大大优于传统的同步调相机。它控制灵活调节范围广，其在感性和容性运行工作情况下均可连续快速调节，STATCOM装置采用直流电容器代替交流电容器，不仅可调节系统的无功功率，还可调节系统的有功功率。同时使STATCOM装置的体积减小，损耗降低。它连接电抗小，STATCOM接入电网的连接电抗，其作用是滤除电流中存在的较高次谐波，另外还起到将变流器和电网这两个交流电压源连接起来的作用，因此所需的电感量远小于补偿容量相同的SVC。对系统电压进行瞬时补偿，
20、即使系统电压降低，其仍可维持最大无功电流。谐波量小。SVC本身产生一定量的谐波，而在STATCOM中，则完全可采用桥式交流电路的多重化技术、多电平技术，以消除次数较低的谐波。SVC装置是电抗型的，接入电力系统之后有可能改变原电力系统的阻抗特性，而导致出现谐振。而STATCOM装置为电压源逆变装置，不会产生谐振。STATCOM的端电压，对外部系统的运行条件和结构变化不敏感，即输出稳定的系统电压。缺点：初始投资和运行费用都比较高，技术要求高，控制起来比较复杂，容量太大及由此引发的系统复杂问题较多。可以看出STATCOM作为一种新型的无功调节装置，拥有如此多的优点,已经成为现代无功补偿装置的发展方向
21、，也成为国内外电力系统行业的重点研究课题之一。1.5国内外对于STATCOM的研究现状在国外，STATCOM的研制一开始就受到日本、美国、德国政府和单位的重视，纷纷研制出大容量的STATCOM。表 1.2 国内外STATCOM研究现状研制者投入地点容量/MVAR运行时间1三菱电机、关西电力日本201980年2三菱电机、关西电力日本801991年3东芝、日立、东京电力日本5021992年4西屋公司、EPRI、田纳西电力美国1001996年5西门子丹麦81997年6西屋、EPRI、美国电力美国1601997年7清华、河南省电力公司中国201999年8ALSCOM、NGC英国751999年9三菱美国
22、133/-412001年10三菱、圣迭戈天然气和电力公司美国1002002年11KEPRI、KEPOC韩国802003年12ALSTOM、美国东北电力美国1502003年13ABB、奥斯汀能源美国1002004年14清华、许继、上海电力公司中国502006年随着电力半导体器件的发展，出现了大功率门极可关断晶闸管GTO (Gate Turn-Off Thyristor)等全控型器件，并逐渐成为STATCOM的自换相桥式电路中的主力，使得采用电子开关逆变器的STATCOM得到发展并进入实用阶段。静止无功发生器在提高系统的暂态稳定性、阻尼系统振荡等方面，性能大大优于传统的同步调相机及SVC的性能，且
23、元件简单，体积小，控制灵活，调节范围广，在感性和容性运行工况下均可连续快速调节.因此，STATCOM己成为静止无功补偿技术的发展方向，是今后柔性交流输电系统FACTS的一个重要装置。静止无功发生器在日本、美国、欧洲等少数发达国家和地区己经得到了应用。1980年1月，日本关西电力公司与三菱电机公司共同研制并投入运行了世界上首台STATCOM样机，它采用了晶闸管强迫换相桥式电路的电压型逆变器，容量为20Mvar。1986年10月，由美国国家电力研究院和西屋公司研制成1 Mvar的世界上首台采用大功率 GTO作为逆变器元件的STATCOM实验装置，并成功进行了现场试验。美国国家电力研究院与田纳西电力
24、局(TennesseeValley Authority，缩写为TVA)、西屋电气公司合作，在TVA电力系统的Sullivan 500kv变电站建造了100Mvar的STATCOM装置，于1996年10月投运。1993年3月东京电力分别与东芝公司和日立公司开发的2台50Mvar的STATCOM装置在东京所属新信浓变电所投入使用。以上是有关STATCOM的实际装置用于改善电网性能的介绍。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这样的全控性器件。在我国这一领域的研究刚刚起步，华北电力大学曾研制出强迫换相的可控硅元件无功发生器实验装置，东北电力大学研制了G
25、TO器件的STATCOM实验装置。1994年研制大容量STATCOM被列为电力部重点科研攻关项目。目前，清华大学研制50Mvar静止无功发生器，利用H桥级联式逆变器在无功补偿领域中的应用，使容量达到了兆乏的等级。据不完全统计自1980年至2004年底，全世界已投入工业运行的大容量(10Mvar及以上)STATCOM工程超过20项，总的可控容量超过3000Mvar。它们有的安装在输电网络中，用于潮流控制、无功补偿和提高系统稳定性等，有的安装在配电网络，用于改善电能质量和提高供电可靠性。1.6 STATCOM主要优点静止无功发生器作为现代柔性交流输电系统(Fexible Ac Transmissi
26、on systemFAcTS)的核心组成部分，它与常规的无功补偿装置相比，具有以下几大优点:(l)在提高系统的暂态稳定性、阻尼系统振荡等方面，STATCOM的性能大大优于传统装置;(2)采用数字控制技术，系统可靠性高，基本不需要维护，可以节省大量维护费用。同时，可通过电网调度自动化系统实现无功潮流和电压最优控制，是建设中的数字电力系统(DPS)的组成部分;(3)控制灵活、调节范围广，在感性和容性运行工况下均可连续快速调节，响应速度可达毫秒级;(4)静止运行，安全稳定，没有调相机那样的大型转动设备，无磨损，无机械噪声，将大大提高装置寿命，改善环境影响;(5)对电容器的容量要求不高，这样可以省去常
27、规装置中的大电感和大电容及庞大的切换机构，使STATCOM装置的体积小、损耗低;(6)连接电抗小。STATCOM接入电网的连接电抗，其作用是滤除电流中存在的较高次谐波，另外起到将变流器和电网这两个交流电压源连接起来的作用，因此所需的电感量并不大，也远小于补偿容量相同的TCR等SVC装置所需的电感量，如果使用降压变压器将STATCOM连入电网，则还可以利用降压变压器的漏抗，使所需的连接电抗器进一步减小;(7)对系统电压进行瞬时补偿，即使系统电压降低，它仍然可以维持最大无功电流，即STATCOM产生无功电流基本不受系统电压的影响;(8)谐波量小。在多种型式的SVC装置中，SVC本身产生一定量的谐波
28、，如TCR型的5、7次特征谐波量比较大，占基波值的5%一10%;其它型式如SR、TCT等也产生3、5、7、n等次的谐波，这给SVC系统的滤波器设计带来许多困难，而STATCOM则可以采用桥式交流电路的多重化技术、多电平技术或PWM技术来进行处理，以消除次数较低的谐波，并使较高次数如7、H等次谐波减小到可以接受的程度;(9) STATCOM中的电容器容量小，在网络中普遍使用也不会产生谐振，而使用SVC或固定电容器补偿，如果系统安装台数较多，有可能会导致系统谐振的产生;(10) STATCOM的端电压对外部系统的运行条件和结构变化是不敏感的。当外部系统容量与补偿装置容量可比时，SVC将会变得不稳定
29、，而STATCOM仍然可以保持稳定，即输出稳定的系统电压;(11) STATCOM的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)后，它不仅可以调节系统的无功功率，还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。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。1.7本章小结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
30、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2.1 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
31、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
32、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，D-STATCOM），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D-STATCOM。D-STATCOM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
33、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。2.2 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
34、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2-1 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。图2.1 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STATCO
35、M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。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2.2(a)所示的单相等效电路图来表示。a)单相等效电路图 b)电流超前 c)电流滞后 图2.2 STATCOM单相等效电路图和工作相量图（忽略损耗） 图2-2(a)中和，分别表示电网电压和STATCOM输出的交
36、流电压，而表示为电抗器上的电压，同时也是和的向量差，根据基尔霍夫电压定律可知。连接电抗器的电流就是STATCOM从电网侧吸收的电流，可以由其电压来控制。因此，通过改变STATCOM交流侧输出电压的幅值及其相对于的相位，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2.2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，只需使和同相位，仅改变的幅值大小即可控制STATCOM从电网侧吸收的电流的方向和大小。如图2.2(b)所示，当时，电流超前电压，STATCO
37、M吸收容性的无功功率；如图2.2(c)所示，当时，电流滞后电压，STATCOM吸收感性的无功功率。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2-3所示:(a)单相等效电路图 (b)电流超前 (c)电流滞后图2.3 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与逆变器电压不同相，存在一个角度差，连接电抗的电流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及其相对系统电压的相位，就可以改变连接电抗上的电流，
38、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，电压与电流仍相差90，而电网电压与电流的相差比90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。当时，STATCOM处于超前状态，发出无功功率，起可调电容器的作用;当时，STATCOM处于滞后状态，吸收无功功率，起可调电抗器的作用;当=时，与系统之
39、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）电流源型STATCOM电流源型STATCOM的原理示意图如图2.4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。 2.3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
40、置产生的电流i超前系统电压角时，STATCOM向系统输出的无功功率Q0时，此时STATCOM装置相当于电感;当控制STATCOM装置产生的电流i之后系统电压角时，STATCOM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
41、动整流器。2.3 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2.4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和维持不变，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
42、的一大特点。图2.4 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，
43、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流的谐波成分以及有功能量的损耗，其直流侧仍需要一定大小的电容作为储能元件，但其容量远比STATCOM所能提供的无功容量要小得多。另外，STATCOM连接电抗由于是滤除电流中高频成分，所以电感值也不大。这也是STATCOM的一个显著特点。2.4 STATCOM的拓扑选型本文研究的STATCOM属于电压源型PWM整流器变换电路，它有较快的响应速度，且易于实现，所以目前STAT
44、COM一般采用电压源型STATCOM。本文研究的STATCOM就采用如图2-5所示的三相VSR三线六开关主电路拓扑结构。本文所讨论的三相电压型STATCOM最显著的拓扑特征就是直流侧采用电容进行直流储能，从而使它的直流侧呈低阻抗的电压源特性，同时在交流侧有一个电感，使它具有Boost AC/DC变换性能以及交流侧受控电流源特性。 图2.5 STATCOM的拓扑图3 STATCOM控制系统的控制策略研究本章首先对STATCOM目前通用的检测方法和控制方法进行了简单介绍，分析了这些方法的特点和存在的问题，然后再介绍了几种常见的控制策略。3.1 STATCOM电流检测的几种算法研究无功补偿技术，首先
45、要解决无功电流的精确检测问题，本节对各种检测算法予以介绍，仿真拟采用基于瞬时无功功率理论的谐波和无功电流检测法。无功电流的检测方法有许多种:基于Fryz、功率定义的检测方法、基于频域分析的FFT测法、基于瞬时无功功率理论的电流瞬时检测方法、基于自适应噪声相消的检测方法和基于神经网络和小波分析的检测方法等。文中对各种检测方法做了介绍比较，以便充分了解每一检测法的特点。1. 基于Fryze功率定义的检测方法，其原理是将负荷电流分解为与电压波形一致的分量，将其余分量作为广义无功电流(包括谐波电流)。它的缺点是:因为Fryze功率定义是建立在平均功率基础上的，所以要求的瞬时有功电流需要进行一个周期的积
46、分，再加其它运算电路，要有几个周期延时。因此，用这种方法求得的“瞬时有功电流”实际是几个周期前的电流值。2. 基于FFT的采样数字计算方法，此方法需进行两次FFT变换，约需80ms瞬时性误差较大，且电压畸变将带来较大的非同步采样误差，特别是对高次谐波的检测精度影响较大。基于傅立叶快速变换的谐波电流检测方法，无论是在谐波检测方面还是在谐波分析方面均获得了广泛的应用，但检测精度有待提高。3. 瞬时无功功率理论的基本思路是:将abc三相系统电压、电流转换成坐标系上的矢量，将电压、电流矢量的点积定义为瞬时有功功率。将电压、电流矢量的叉积定义为瞬时无功功率，然后再将这些功率逆变为三相补偿电流。瞬时无功功
47、率理论突破了传统功率理论在“平均值”基础上的功率定义，使谐波及无功电流的实时检测成为可能。该方法对于三相平衡系统的瞬变电流检测具有较好的实时性，有利于系统的快速控制，可以获得较好的补偿效果。4. 自适应谐波与无功电流检测方法。该算法基于自适应噪声对消原理，经过自适应滤波处理，输出负载电流中的有功分量，将此分量从负载电流中减去就得到高次谐波和无功分量。此算法不受元件参数变化和电压波形畸变的影响。自适应谐波电流检测方法具有自适应跟踪检测的能力，但存在动态响应慢等缺点。5. 基于神经网络的电流检测方法和基于小波分析的电流检测方法是目前正在研究的新方法，发展速度较快，是具有潜力的新型电流检测方法。(1) 无功电流检测方法基于瞬时无功功率理论的无功电流检测方法:经过对几种常用的谐波和无功电流检测方法的比较，首先介绍瞬时无功功率理论。在三相三