基于MATLAB的静止同步补偿器仿真学士学位论文.docx
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基于MATLAB的静止同步补偿器仿真学士学位论文
密级：
科学技术学院
NANCHANGUNIVERSITYCOLLEGEOF
SCIENCEANDTECHNOLOGY
学士学位论文
THESISOFBACHELOR
（2012—2016年）
题目基于MATLAB的静止同步补偿器仿真
学科部：
信息学科部
专业：
电气工程及其自动化
班级：
电气122班
学号：
7022812082
学生姓名：
胡曙斌
指导教师：
万旻
起讫日期：
2015年12月—2016年5月29日
南昌大学科学技术学院
学士学位论文原创性申明
本人郑重申明：
所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。
本人完全意识到本申明的法律后果由本人承担。
作者签名：
日期：
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。
本人授权南昌大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
本学位论文属于
保密□，在年解密后适用本授权书。
不保密□。
（请在以上相应方框内打“√”）
作者签名：
日期：
导师签名：
日期：
基于MATLAB的静止同步补偿器仿真
专业：
电气工程及其自动化学号：
70228112082学生姓名：
胡曙斌指导教师：
万旻
摘要：
现如今，随着当代社会的进步，我国有了越来越多的大规模电网远距离传输线路，这些远距离传输线路虽然满足了人们的需求，但是同时也带来了一些安全隐患。
线路的电压稳定性与线路的无功功率直接相关。
而静止同步补偿器（STATCOM）能够快速、有效的补偿系统中的无功功率，并且具有良好的调节特性，现在已成为当今世界研究的重点。
本文主要是对基于MATLAB的静止同步补偿器的仿真进行研究。
本文介绍了静止同步补偿器的工作原理、基本结构及其在提高电能质量中的作用。
借助MATLAB/SIMULINK的电力模块搭建500kV配电系统及补偿器电路。
并利用其构建补偿装置主电路电压逆变器模块,并搭建了仿真电路。
通过电网电压波动和负载冲击，在这两种情况下对电路进行仿真分析，结果表明，该补偿器达到了预期的补偿效果，有效的抑制了高次谐波，显著提高了电能质量。
关键词：
静止同步补偿器,MATLAB仿真,数学建模,无功功率,电能质量
SimulationofstaticsynchronouscompensatorbasedonMATLAB
ABSTRACT：
Now,withtheprogressofmodernsociety,ourcountryhasagrowingnumberoflarge-scalelong-distancepowergridtransmissionlines,althoughtheselong-distancetransmissionlinestomeetthepeople'sneeds,butitalsobringssomesecurityrisks.Voltagestabilityisdirectlyrelatedtothelineandreactivepowerlines.Thestaticsynchronouscompensator（STATCOM）canquicklyandeffectivecompensationsystemreactivepower,andhasgoodregulationcharacteristics,hasnowbecometheworldfocusofthestudy.ThisarticleisbasedonMATLABSTATCOMsimulationstudy.
ThispaperIntroductiontheSTATCOMoperatingprinciple,thebasicstructureanditsroleinimprovingpowerquality.WithMATLAB/SIMULINKtobuilda500kVpowerdistributionsystemmoduleandcompensationcircuitry.Andcompensatingmeansusedintheconstructionofthemaincircuitvoltageinvertermodule,andsetupthesimulationcircuit.Byvoltagefluctuationsandloadshocks,inbothcasesthecircuitsimulationresultsshowthatthecompensatortoachievethedesiredcompensationeffect,effectivelysuppressesthehigherharmonics,significantlyimprovedpowerquality.
Keywords:
STATCOM，MATLABsimulation，mathematicalmodeling，reactivepower，powerquality
目录
摘要I
ABSTRACTII
第1章绪论1
1.1课题的研究背景及意义1
1.2国内外研究现状及发展趋势1
1.3无功功率的产生和危害2
第2章静止同步补偿器的工作原理4
2.1静止同步补偿器工作原理4
2.1静止同步补偿器的基本结构4
第3章静止同步补偿器的建模6
3.1静止同步补偿器的数学模型6
3.2静止同步补偿器的作用6
3.3500kV配电系统的设计7
第4章静止同步补偿器的仿真研究8
4.1仿真软件MATLAB/SIMULINK简介8
4.1.1仿真软件MATLAB/SIMULINK的概括8
4.1.2仿真软件MATLAB/SIMULINK的主要功能9
4.2静止同步补偿器的仿真10
4.2.1静止同步补偿器仿真的主接线10
4.2.2仿真波形及结果分析11
第5章结论与展望15
5.1结论15
5.1展望15
致谢16
参考文献17
第1章绪论
1.1课题的研究背景及意义
随着我国经济的发展，一次能源的消耗与日俱增，而我国一次能源的地理位置分布又不均匀，所以国家决定实行全国联网和西电东送。
随着我国电力行业的发展，我们已经取得了很大的进步，从2013年开始，我国电力部门计划实现全国联网，虽然各大区域电力系统的并网给我国带来了显著的经济效益，但还是面临着以下问题：
（1）我国的煤炭资源和水力资源地理位置分布不均匀，主要集中在我国的西部地区，国家为了给东部地区提供足够的电力需求，提出了“西电东输”的国策，就是通过远距离输电将大量的电能输送到东部地区，像国家首都北京、经济发达的上海和广东等地区。
我国每年输送的功率达到1.2-1.5亿KW，为了输送这么巨大的电能，我们就需要建设多条远距离输电线路。
因为我国的地理环境比较复杂，架设这些输电线路的造价非常昂贵，所以就必须尽可能的减少线路的输送容量和线路损耗。
而线路的输送容量和损耗主要受电压稳定性和热稳定性的影响。
所以我们要减少输送容量就必须控制好电压稳定性和热稳定性，让我们架设的线路得到得到充分的利用，提高我们的经济效益。
（2）导致功率分布不均匀，引起两端设备严重过负荷，其他线路发生轻载现象，不但使现有设备得不到充分利用而且还会引发一系列的稳定性问题；使电压质量变差，系统无功功率分配不均匀；使整个系统的有功功率损耗增加，系统运行不经济而且不稳定。
无功补偿的优点主要有以下三点:
（1）增强供电质量。
为了增强系统的稳定性和传输能力，我们需要设置动态无功补偿装置在合适的地方；
（2）降低系统的设备容量，降低系统的功率损耗，可以提高系统的功率因数;
（3）当三相负载不平衡时，我们可以适当的利用无功补偿来平衡三相负载的有功和无功。
综上所述，可以看出STATCOM拥有这么多的优点,所以它作为一种新型的无功调节装置，现在已经成为电力行业研究的热点话题。
也是本课题研究的重点对象。
1.2国内外研究现状及发展趋势
（一）STATCOM的研究现状
随着世界的发展，人们早就会利用电力电子变流器进行无功控制，但是因为当时电力电子器件的耐压和功率水平有限，无法生产出具有实用价值的输电系统装置。
直到门极可关断晶闸管GTO的出现，才有力的推动了STATCOM的发展和应用。
STATCOM同可控电抗器和电容器的静止无功补偿器SVC相比，具有极大的性能优势，已经得到越来越多的关注，新一代的无功电压控制设备必将取代SVC。
STATCOM的应用工程通常具有以下特点：
基本采用VSC；系统控制目标多样化；在电力半导体器件选用上，大多数选用GTO和IGBT；大容量STATCOM大多数都采用水冷方式。
到目前为止，世界上已有多台STATCOM投入运行，但是实际上在90年代后才大规模投放市场，国际上主要投入运行的国家有：
1991年日本投入运行的80Mvar的STATCOM；1995年美国投入运行的100Mvar的STATCOM；1997年丹麦投入运行的8Mvar的STATCOM。
由于STATCOM技术含量较高，国际上只有美国、日本、德国、中国、英国等少数几个发达国家掌握了STATCOM的研发技术。
我国第一台20Mvar的STATCOM装置是由清华大学与河南省供电局共同研发生产的，这台20Mvar的STATCOM装置于1999年3月在河南洛阳朝阳变电站投入运行，它的成功运行标志着我国STATCOM技术得到显著发展，成为世界上第四个拥有STATCOM制造技术的国家，使我国进入了一个新的阶段。
让我国的科技水平更进一步。
（二）STATCOM的发展趋势
随着世界的发展，国际上有关STATCOM的研究和发展已经有了很大的进步，根据最近几年的发展状况可以看出STATCOM的发展趋势越来越好，主要表现在以下几个方面:
（1）装置的容量越来越大，例如：
对100Mvar-200Mvar的STATCOM进行研究。
鉴于开关元器件IGBT，IGCT等的容量有限，为了提高500kV开关站的电压调节能力，对STATCOM装置的容量要求越来越大，所以我们就要对大容量的STATCOM装置进行进一步的研究。
（2）对故障状态下的STATCOM进行研究和一些保护措施进行进一步的研究。
一般而言，我们要求系统在发生故障或者一些其他异常情况下仍可以安全可靠地运行。
这样就可以提高系统的稳定性，充分发挥它的作用。
但是一旦系统电压幅值、相位发生突变时，STATCOM可能又会出现过电流。
目前一般采用的措施是系统会立马自动封锁脉冲信号，等所有的系统电压趋于稳定状态之后再让其重新运行。
为了减少系统故障的发生，我们就需要对STATCOM在故障状态下发生的问题进行更加系统地研究。
除此之外，我们还需要找出一些有力的保护措施，让系统运行更加稳定，所以目前我们还需要对STATCOM的保护措施进行进一步的研究和开发。
（3）对STATCOM装置的装设地点优化改善。
目前，随着物价的飞速上涨，STATCOM装置的投资建设费用也越来越高，为了减少投资，提高经济效益，并且又不影响STATCOM装置的使用，让其在系统中能够得到充分的利用，所以我们就需要对STATCOM装置的装设地点进行优化和进一步的改善。
1.3无功功率的产生和危害
所谓的无功功率，相对来说是比较抽象的，它是在电气设备中建立磁场和维持磁场的电功率。
只要是有电磁线圈的设备，就要建立磁场，所以就会消耗无功功率。
之所以叫“无功”，是因为无功功率对外不做功，而是转变为其他形式能。
无功功率的符号用Q表示，单位为乏（Var）。
虽然它对外不做功，但还是有一些危害，无功功率的危害主要表现如下：
（1）降低输、变电设备的供电能力。
（2）降低发电机有功功率的输出。
（3）造成电能损耗的增加以及线路电压损失的增大。
（4）造成电压降低和系统低功率因数运行。
第2章静止同步补偿器的工作原理
2.1静止同步补偿器工作原理
静止同步补偿器（STATCOM）是一种利用可关断电力电子器件IGBT、GTO等元件进行无功补偿的装置，普遍应用于工业生产中。
主电路主要是由两大元器件组成，分别为电压型逆变器和并联直流电容器。
它工作的时候可以看成是一个电压型逆变器，其主电路结构如图1所示：
图1STATCOM主电路结构图
通过交流电抗器使自换相桥式电路在电网上实现并联，然后再调节输出电流或者输出电压，从而控制补偿器吸收的电流，从而达到无功补偿的目的。
当我们考虑基波频率时，动态无功补偿器与相位可控的交流电压源可以视为等效。
连接电抗器和变流器本身就有一定的损耗，通过调节电压的幅值和相位，就可以改变补偿器吸收无功功率的大小，这样就对负载实现了跟踪补偿。
依据电流输出的控制方式，动态无功补偿器的控制方法可分两种：
间接电流控制法和直接电流控制法。
2.1静止同步补偿器的基本结构
本次课题研究的静止同步补偿器（STATCOM），它是采用电压型桥式电路构成主电路。
其中主电路的核心电压逆变器。
该装置主要采用PWM触发方式来进行控制。
因为这种触发方式可以有效地抑制谐波，使逆变电路的可靠性得到显著提高，所以该触发方式被广泛的应用于电力系统中。
该装置共用一个三角载波u，相与相之间的调制信号都是相差120°。
静止同步补偿器（STATCOM）模块的结构设计：
变压器与两个电压变流器并联得到主电路。
其中变压器高压侧线电压是500kV，低压侧相电压是1250V。
下图2就是STATCOM的模块结构图：
图2STATCOM模块结构图
第3章静止同步补偿器的建模
3.1静止同步补偿器的数学模型
我们根据输入、输出的建模方法建立STATCOM的数学模型。
在模型中，我们只考虑STATCOM输出电压的基波分量，不考虑它的谐波分量。
其中abc三相的电路参数是基本对称的，该系统为三相基波正序系统，而逆变器的输出电压为三相正序电压。
从而根据三相等效电路可以得出以下式子：
（1）
由上式
（1）可以看出，STATCOM的动态模型主要由两个控制量和三个主要参数组成。
其中主要参数为：
等效电抗，用L表示；等效电阻，用Rs表示；直流侧电容，用C表示；控制量，分别用Sd和Sq表示。
只要改变控制量Sd和Sq，我们就可以调节STATCOM产生电压的大小，从而达到控制无功功率大小的目的。
3.2静止同步补偿器的作用
静止同步补偿器（STATCOM）是一种并联型无功补偿的装置，它可以发出或吸收无功功率并与系统进行无功功率交换的一种技术。
与传统的无功补偿装置相比，STATCOM具有很多优点，特别是动态无功补偿，它对提高输电稳定性是一种有效的措施。
与传统的无功补偿装置SVC比较，STATCOM的优点主要表现在以下几个方面：
（1）调节速度快，即响应时间短。
传统的无功补偿装置SVC的响应时间为20ms-40ms,而STATCOM的响应时间不到1ms.
（2）谐波小,滤除高次谐波的能力强。
传统的无功补偿装置SVC是一个很大的谐波源，对系统的影响较大，而STATCOM自身产生的谐波含量小，还可以削弱其他负载产生的谐波。
（3）损耗低，节省电能。
传统的无功补偿装置SVC中产生的功率损耗比相同容量的STATCOM产生的功率损耗高2%左右。
（4）运行范围宽。
当系统电压下降时，传统的无功补偿装置SVC发出的无功功率下降速度远远高于STATCOM发出的无功功率下降速度，这就表示STATCOM比SVC有着更加宽广的运行范围。
（5）可靠性高。
传统的无功补偿装置SVC遇到故障时不能迅速的做出反应，采取保护措施，而STATCOM在遇到故障时会立即做出反应，采取一定的保护措施，来维持系统的稳定。
所以STATCOM的可靠性更高。
（6）能够提供有功功率。
传统的无功补偿装置SVC只能提供无功功率，而STATCOM不仅可以提供无功功率，而且在一定范围内还可以提供无功功率。
（7）噪声低、占地面积小等优点。
3.3500kV配电系统的设计
下图3中的三相电源经“500kV，100MVA”、B1、18km、B2、2km、B3传输，母线B3后接一个“500kV/600V”的降压变压器，带一个1MW的固定负载和一个可变的负载；STATCOM的容量为±3MVar，当我们需要投入运行的时候，就可以将其安装在母线B3前。
B1、B2、B3模块均为“Three-phaseV-IMeasurements”模块，可以测量电路中的三相电压和三相电流。
图3STATCOM在500kV配电系统中投入运行的电路图
第4章静止同步补偿器的仿真研究
4.1仿真软件MATLAB/SIMULINK简介
4.1.1仿真软件MATLAB/SIMULINK的概括
在当今世界上，MATLAB是最优秀、最好用的数学软件之一，它是由美国MathWorks公司研发出来的产品。
其中矩阵是MATLAB的基本数据单位，数组是它的基本数据单元。
最早的MATLAB虽然功能简单，但是十分受广大人民喜爱。
随着MATLAB的不断开发和完善，其功能越来越强大，还增加了图像处理功能，深受广大群众的喜爱，让人们更加的方便使用，得出的结果更加直观并且容易理解。
下图4.1.1-1就是MATLAB的首页界面：
图4.1.1-1MATLAB首页界面
Simulink是为MATLAB提供动态系统建模和仿真的一个软件包，是MATLAB中非常重要的组件之一，它能准确地分析和控制系统的复杂模型。
Simulink挂接在MATLAB环境上，利用直观的模块框图进行仿真和计算。
它具有两个十分显著的功能：
仿真和链接。
也就是说它可以直接利用鼠标在窗口中手动画出自己所需要的系统控制模型，然后再利用MATLAB自带的功能来对该控制系统进行仿真模拟。
这项创新的技术使得原本十分复杂难懂的系统变得更加通俗易懂，操作起来更加简单方便。
下图4.1.1-2就是Simulink的应用界面：
图4.1.1-2Simulink应用界面
Simulink模块库可分为两大类：
标准模块库和专业模块库。
Simulink具有丰富的可扩充的自定义模块库，可以用设计功能的层次来分割模型，以便用以实现复杂设计的管理。
4.1.2仿真软件MATLAB/SIMULINK的主要功能
MATLAB是一种精确度十分高的科学计算语言，它将计算、编程和可视化最大程度的结合在一个易于使用的环境中。
在这种环境中，可以让使用者用自己熟悉的数学符号来表达自己所提出的问题和解决方法。
它的经典使用案例包括：
建模和仿真，数学和计算，应用程序开发，运算法则等。
MATLAB可以实现算法、创建用户界面、矩阵运算、绘制函数和数据、连接其他编程语言的程序等各种功能，其应用的领域主要表现在：
信号处理与通讯、工程计算、控制设计、金融建模设计与分析、信号检测、图像处理。
MATLAB常用的计算方法有三种：
算术运算、关系运算和逻辑运算。
（1）算术运算：
它的表达式常是由数字或字母用运算符号组成的，包括+（加），—（减），*（乘），^（乘方），.*（数组乘），.^（数组乘方），kron（张量积），/（斜杠或右除），\（反斜杠或左除），.\或./（数组除）。
算术运算符号见下表4.1.2-1。
表4.1.2-1算术运算符号
（2）关系运算：
它是指两个元素之间的比较，结果只为1（真）或0（假）。
关系运算符见下表表4.1.2-2。
表4.1.2-2关系运算符
（3）逻辑运算：
它的值只有1（真）和0（假）两个值。
它的基本运算量有或
（1），非（~）和与（&）。
逻辑运算符见下表4.1.2-3。
表4.1.2-3逻辑运算符
4.2静止同步补偿器的仿真
4.2.1静止同步补偿器仿真的主接线
我们通过对STATCOM进行原理分析，再利用Simulink中PowerSystemBlockset模块，对其进行电力系统的建模仿真。
图4-1即为STATCOM系统仿真图。
图4-1STATCOM系统仿真图
这个STATCOM装置采用电流间接控制方法，它的工作原理是根据负荷无功功率的大小来对补偿角
进行调整，来实现对负载的无功功率进行完全补偿，以达到间接控制STATCOM输出电流的目的，从而使功率因数达到1.设定系统的线电压有效值为380V，系统频率为50Hz，各负载等效阻抗为
，
。
其中控制开关、电压源变流器和三相脉冲发生器这三种电路元件组成了STATCOM的主电路。
下图4-2为无功检测仿真模块图:
图4-2无功检测仿真模块图
4.2.2仿真波形及结果分析
图4-3STATCOM投入运行后系统功率因数变化曲线
由上图4-3可以看出，当STATCOM投入运行后，系统功率因数趋于稳定，保持在最大值1左右，所以可以得出结论：
由于STATCOM的投入，使系统的功率因数得到了显著提高，并且使功率因数维持在最大值1左右，这样就使系统更加稳定。
图4-4补偿前后电压电流相位对比
上图4-4中，紫色表示电压波形，黄色表示电流波形。
由图可知：
在补偿前，电流滞后电压
角，经过补偿后，两者的相位完全相同，即实现了补偿效果。
使系统得到了稳定。
下图4-5所示的是STATCOM投入运行后交流侧的A相电压和A相电流波形图：
a）投入STATCOMA相电压波形
b）投入STATCOMA相电流波形
图4-5交流侧A相电压与A相电流波形图
由上图4-5可以看出，当投入STATCOM之后，经过短暂的震荡，STATCOM为了提供系统无功功率的补偿，就开始吸收稳定的容性电流，以达到无功补偿的目的。
下图4-6为补偿前后系统A相电流波形比较
a）补偿前系统A相电流波形
b）补偿后系统A相电流波形
图4-6补偿前后系统A相电流波形比较
第5章结论与展望
5.1结论
经过几个月的努力以及在网上和图书馆查询有关静止同步补偿器（STATCOM）的资料，终于完成了本课题的研究。
本课题研究了静止同步补偿器（STATCOM）在MATLAB中的仿真。
并且分析了了STATCOM的工作原理、基本结构和它的作用，对500kV配电系统进行了设计与仿真。
建立了STATCOM的数学模型，通过仿真来检测它的实际效果。
通过这几个月的设计与研究，我学到了很多有关静止同步补偿器的知识，这次的论文设计让我受益匪浅，使我认识到：
无论做什么事情，都要认认真真，脚踏实地，一步一个脚印，不要妄想一步登天。
还有需要勤奋和严谨的态度对待每一件事情。
5.1展望
当今世界上，虽然对于STATCOM技术的研究仍然具有一定的难度，但是STATCOM技术还是具有十分显著的优势，所以从长远的角度来看，STATCOM装置还是具有很大的发展空间。
但是由于世界科技水平有限，STATCOM装置还存
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