静止同步补偿器STATCOM仿真和研究.docx

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静止同步补偿器STATCOM仿真和研究

中国矿业大学

本科生毕业设计

姓名：

\学号：

\

学院：

\

专业：

电气工程及其自动化

设计题目：

静止同步补偿器（STATCOM）仿真和研究

专题：

指导教师：

\职称：

教授讲师

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：

无功补偿；静止同步补偿器；瞬时无功；PSCAD/EMTDC；

ABSTRACT

Theproblemofelectricenergyqualitymenacesseriouslythesafeoperationofpowernetwork,especiallyreactivepowerandharmonics.Thestaticsynchronouscompensator（STATCOM）,takesthenewgenerationreactivepowercompensationsystem,itcompareswithexistingstaticidleworkcompensationsystem（SVC）,hastheadjustablespeedtobequicker,themovementscopetobewider,theabsorptionidlework,theharmoniccurrentsmall,tolosecontinuouslylow,usesthereactorandthecapacityofcondenserandtheerectionspacetoreduceandsoonmeritsgreatly,hascausedthedomesticandforeignscientificresearchandtheprojectdomainwidespreadattention.

ThepaperthroughtotheSTATCOMpresentsituationandthetrendofdevelopment,theidleworkproductionandtheinfluence,theidleworkcompensation'ssignificance'sanalysis,hasconductedtheSTATCOMprincipleofworkresearch,andhasestablishedtheSTATCOMmathematicalmodel,usesbasedontheinstantreactivepowertheoryexaminationmethod,choosestheappropriatecontrolpolicy,hascarriedonthesimulationanalysisundertheEMTDC/PSCADenvironment,afterobtainingthesimulationprofile.ThesimulationresultindicatedthatSTATCOMcanshouldercarriesonfasttheidleworkcompensation,confirmedthatthismodelalgorithm'srationality,theaccuracy,havecertainreferencevalue.

Keywords:

Reactivepowercompensation;STATCOM;Instantaneousreactive;PSCAD/EMTDC;

目录

1绪论1

1.1引言1

1.2论文研究背景和研究的意义1

1.3无功功率3

1.4无功补偿的意义3

1.5主要无功补偿装置及其工作原理5

1.5.1并联电容器6

1.5.2同步调相机（SynchronousCondenser-SC）6

1.5.3静止型无功补偿装置（StaticVarCompensator-SVC）7

1.6STATCOM研究现状和发展趋势9

1.6.1STATCOM研究现状9

1.6.2STATCOM发展趋势10

1.7本文研究的主要内容11

2STATCOM的工作原理及数学模型11

2.1STATCOM的基本电路结构11

2.2STATCOM的工作原理13

2.3STATCOM的数学模型的建立16

3无功功率检测方法和STATCOM的控制策略19

3.1无功功率检测方法19

3.1.1d-q矢量变换理论20

3.1.2三相对称系统的瞬时无功功率22

3.2STATCOM装置的控制方法24

3.2.1直接电流控制24

3.2.2间接电流控制24

3.2.3电流间接与直接控制的特点25

4STATCOM装置的无功补偿仿真研究26

4.1仿真工具软件PSCAD/EMTDC简介26

4.1.1仿真工具软件PSCAD/EMTDC的概况26

4.1.2仿真工具软件PSCAD/EMTDC的主要功能27

4.1.3仿真工具软件PSCAD/EMTDC的主要结构及元件库27

4.1.4仿真工具软件PSCAD/EMTDC的主要操作步骤29

4.2STATCOM的仿真29

4.2.1仿真的主接线图29

4.2.2仿真的主控制电路图30

4.2.3仿真的调制电路图30

4.2.4各仿真的波形图32

4.3本章小结33

5总结与展望33

5.1结论33

5.2展望34

参考文献35

英文原文37

中文译文44

致谢51

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（StaticSynchronousCompensator，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（IntegratedGateCommuteThyristor）的STATCOM主电路结构进行深入研究，为STATCOM的大容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FlexibleACTransmissionSystem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.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