静止同步补偿器的设计与仿真.docx

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静止同步补偿器的设计与仿真

1绪论

1.1引言

静止无功补偿器（STATCOM）是柔性交流输电系统（FACTS）的一个重要组成部分，是静止无功补偿的发展近年来在世界各地都得到了广泛的应用。

河南省电力公司通过与清华大学合作，成功研制出国内第一台±300kvarSTATCOM工业样机和±20MvarSTATCOM，标志着我国这一领域的工业应用研究处于世界先进水平。

随着电力系统中非线性用电设备，尤其是电力电子装置日益广泛的应用，电力系统中的谐波与无功功率也越来越严重，而大多数电力电子装置功率因数较低，给电网带来了额外的负担，严重影响供电质量。

因此，谐波抑制和无功功率补偿已成为电力电子技术和电力系统等领域面临的一个重大课题，引起人们越来越多的关注，因此如何更好、更有效、更优化的对无功功率进行补偿是摆在电力工作者面前亟待解决的问题。

1.2本文研究背景及意义

由于我国经济发张不平衡，一次能源地理分布不均，因此我国电力发展的基本国策为：

“全国联网，西电东送，南北互供，厂网分开”。

随着各省主干电网网架、大区主干网架和受端网架不断地加强及完善以及三峡电站各批机组逐步并网发电，中国的各区域性电网将实现联网，多大区域互联电力系统从经济上带来了明显的好处，但它面临着以下问题：

（1）我国一次能源地理分布不均，电源建设所需的煤和水力资源主要在西部，为满足东部发达地区不断增长的电力需求，需要通过长距离输电线将大量的电能送到东部的负荷中心如北京、上海和广东地区。

输送的功率达到1.2-1.5亿KW输送如此大的功率需要建设多条远距离输电线，由于我国地形复杂，建设输电线的造价高昂，因此有效地减少输电线的输送容量。

实际上输电线输送容量主要受稳定性的限制，包括：

静稳极限；暂稳极限；电压稳定性；热稳定性。

对于长距离输电线来说其热稳定极限是很高的，但受其他三项的限制，使其输送容量无法达到最大。

（2）功率分布和走向不当引起部分线路及其两端设备严重过负荷，而其他线路则轻载不仅使已有设备不能充分利用还常常引发稳定问题；形成环流整个系统的有功功率损耗增加，系统运行很不经济；系统无功功率分配不当，电压质量变差。

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。

目前，世界上已有多台投入运行的STATCOM。

其中，1986年美国的EPRI与西屋公司等研制的±1MvarSTATCOM在纽约的SspringValley投入示范运行；1991年日本的三菱公司与关西电力公司共同研制的±80MvarSTATCOM在Inuyama开关站投入154KV系统运行；1992年东京电力分别与东芝公司日立公司开发的两台±50MvarSTATCOM在新信浓电站投入使用；1995年美国的电力科学院EPRI、田纳西流域管理局TVA与西屋公司投入了一台±100MvarSTATCOM；1997由德国西门子公司开发研制的±8MvarSTATCOM在丹麦ReisbyHede风场投入运行；目前为止世界上最大容量的STATCOM是美国AEP统一潮流控制器项目中的并联部分——±160MvarSTATCOM，已于1997年开始运行。

到目前为止，国际上只有美、日、德等少数几个发达国家掌握了STATCOM的应用开发技术。

为了跟踪国际FACTS发展的前沿技术，同时也为了解决电网现有的问题，在原国家电力部的支持下，河南省电力局于1994年决定投资开发±20MvarSTATCOM，该项目被列为原店里不的重大科技攻关项目。

在项目合作方清华大学的积极配合下，作为中间样机的一台±300kvarSTATCOM于1996年11月通过了电力部组织的专家评审，1997年在河南郑州的变电站进行了现场测试和试运行。

±20MvarSTATCOM于1999年3月在河南洛阳220kv朝阳变电站并网成功，它已成为中国FACTS研究应用领域的一个里程碑，标志着我国成为国际上第四个拥有大容量STATCOM制造技术的国家，标志着中国FACTS技术发展进入了一个新的阶段。

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，也成为国内外电力系统行业的重点研究课题之一。

1.3电力系统静止无功补偿技术的种类及其各自的优缺点

传统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负荷无功功率的变化;而调和机和同步发电机等补偿

设备义属于旋转设备，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。

所以这些设各已经越来越不适应电力系统发展的需要。

20世纪70年代以来，随着研究的进一步加深出现了一种静止无功补偿技术。

这种技术经过20多年的发展，经历了一个不断创新、发展完善的过程。

所谓静

止无功补偿是指用不同的静止开关投切电容器或电抗器，使其具有吸收和发出无

功电流的能力，用于提高电力系统的功率因数，稳定系统电压，抑制系统振荡等

功能。

目前这种静止开关土要分为两种，即断路器和电力电子开关。

由于用断路

器作为接触器，其开关速度较慢，约为10-30S,小可能快速跟踪负载无功功率

的变化，而且投切电容器时一常会引起较为严重的冲击涌流和操作过电压，这样不

但易造成接触点烧焊，而且使补偿电容器内部击穿，所受的应力大，维修量大。

随着电力电子技术的发展及其在电力系统中的应用，交流无触点开关SGR,GTR,GTO等的出现，将其作为投切开关，速度可以提高500倍（约为10us），对任何系统参数，无功补偿都可以在一个周波内完成，而目_可以进行单相调节。

现将各种无功补偿方法的优缺点及其等效电路图进行详细的对比：

1.3.1并联电容器

下图为电力网中利用并联电容器进行无功补偿的等效电路图及相量图：

a）电路图b）向量图

图1-3并联电容器补偿无功功率的电路和向量图

由图可以看出，当并联电容器未投入使用时，电力网中的感性无功电流都由系统电源承担，使得系统功率因数较低;并联电容器投入后，向系统供应感性无功功率，分担了系统的绝大部分无功负荷，使得功率因数大大提高。

但是在补偿过程中，如果电容的容量过大，就会使补偿后的电流相位超前于电压，出现过补偿，这会引起变压器一次电压的升高，而且容性无功功率在电力线路上传输同样会增加电能损耗，使温升增大，影响电容器的寿命。

优点：

并联电容器的单位容量费用最低，有功损耗最小，运行维护最简便，而目可以分散安装，实现无功就地补偿，获得最好的技术经济效果，此外改变容量也方便，还可以根据主要分散拆迁到其他地点。

缺点：

（1）只能补偿感性无功，且不能连续调节。

（2）当电网电压下降时，电容器上的补偿电流相应下降，使得补偿的无功量急剧下降，系统电压下降更大。

（3）在系统有谐波时，还可能发生并联谐振，使谐波电流放大，甚至造成电容器的烧毁。

1.3.2同步调相机（SynchronousCondenser-SC）

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：

（1）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难度高。

（2）响应速度慢，在很多情况下，已无法适应快速无功功率控制的要求。

1.3.3饱和电抗器

优点：

与同步调相机相比，具有静止型的优点，响应速度快。

缺点：

（1）由于其铁心需磁化到饱和状态，因而损耗和噪声也都很大。

（2）存在非线性电路的一些特殊问题，又不能分相调节以补偿负荷的不平衡。

1.3.4静止型无功补偿装置（StaticVarCompensator-SVC）

优点：

（1）在提高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。

（2）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。

（3）静止运行、安全稳定、大大提高了装置寿命，改善环境影响。

（4）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。

（5）述接电抗小。

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STATCOM的对系统电压进行瞬时补偿，即使系统电压降低，其仍可维持最大无功电流。

（5）谐波量小。

SVC本身产生一定量的谐波，而在STATC}M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。

（6）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。

（7）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：

（1）初始投资和运行费用都比较高。

（2）技术要求高，控制起来比较复杂。

（3）容量太大及由此引发的系统复杂问题。

早期的静止无功补偿装置是饱和电抗器（（SaturatedReactor-SR）型的，1967年，英国GEC公司制成了世界上第一批饱和电抗器型静止无功补偿装置。

此后，各国厂家纷纷推出各自的产品。

图1-4a）是其等效电路图，由SR和若干组不可控电容器组成。

与电容C串联的电感

与其构成串联谐振回路，兼作高次谐波的滤波器。

而与饱和电抗器串联的电容

则用以校正饱和电抗器伏安特性的斜率。

图1-4b）是其伏安特性图，当SR单独作用时，补偿器的基波电流如图中点划线所示，其斜率因

取值的不同而变化。

当电容器单独作用时，补偿器的电流如图中虚线所示，即随其端电压的增大而增大。

而补偿器的整体伏安特性则如图中实线所示。

可以看出，当系统电压高于参考电压时，补偿器产生感性无功电流，降低系统电压，;而当系统电压低于参考电压时，补偿器则产生容性无功电流，提高系统电压。

a）等效电路图b）伏安特性图

图1-4SR型静止无功补偿器等效电路与伏安特性图

SR型静止无功补偿器与同步调相机相比，具有静止型的优点，响应速度快。

但是由于其铁心需磁化到饱和状态，因而损耗和噪声都很大，而且存在非线性电路的一些特殊问题，又不能分相调节以补偿负荷的不平衡，所以未能占据静止无功补偿装置的主流。

进入70年代后，随着电力电子技术的发展及其在电力系统中的应用，使用晶闸管的静止无功补偿装置受到越来越多的关注并逐渐占据无功功率补偿的主导地位。

1977年美国GE公司首次在实际电力系统中演示运行了其使用晶闸管的静止无功补偿装置。

1978年，在美国电力研究院的支持下，西屋电气公司制造的使用晶闸管的静止无功补偿装置投入实际运行。

我们日前所说的静止无功补偿装置（SVC）往往专指使用晶闸管的静止无功补偿装置，主要包括晶闸管控制电抗器（（ThyristorControlledReactor-TCR）和晶闸管投切电容器（ThyristorSwitchedCapacitor-TSC）。

TCR型补偿器由TCR和若干组不可控电容器组成。

如图2-5所示，与电容C串联的电感

与其构成串联谐振回路，兼作高次谐波的滤波器，滤去由TCR产生的5,7,11…等次谐波电流。

TCR由两个反并联的晶闸管与一个电抗器相串联，其工作原理就是通过控制晶闸管的触发延迟角

，增大或减小补偿器的等效电抗，从而达到动态改变其吸收的基波电流和无功功率的大小，图b）为TCR型补偿器的伏安特性图，当TCR单独作用时，补偿器的基波电流如图中点划线所示，其值取决于晶闸管的触发角，而后者又取决于设定的控制规律和系统的运行状况等。

当仅有电容器作用时，补偿器的电流如图中虚线所示，即随其端电压的增大而增大。

当TCR与电容器同时投入时，补偿器的电流如图中实线所示。

所以，通过控制晶闸管的触发延迟角，TCR型补偿器既可吸收感性无功功率，又可吸收容性无功功率，从而达到对系统无功功率和电网电压的动态控制。

a）等效电路图b）伏安特性图

图1-5TCR型静止无功补偿器等效电路与伏安特性图

TSC型补偿器的工作原理比较简单，其等效电路图如图2-6a）所示，利用两个反并联晶闸管将电容器并入电网或从电网中断开，其实只是以晶闸管开关取代了常规电容器所配置的机械式开关。

a）等效电路图b）伏安特性图

图1-6TSC型静止无功补偿器等效电路与伏安特性图

在工程实际中，一般将电容器分成几组，每组都可由晶闸管投切。

这样，可以根据电网的无功需求投切这些电容器，TSC实际上就是断续可调的吸收容性无功功率的动态无功补偿器，其伏安特性按照投入电容器组数的不同而不同，见图1-6b）。

电容器分组的具体方法比较灵活，一般希望能组合产生的电容值级数越多越好，这样可以尽可能的实现平滑调节，但是也应综合考虑到系统复杂性以及经济性的问题。

另外，电容器的投切时刻必须是电源电压与电容器预先充电电压相等的时刻，否则将会产生冲击电流，很可能会破坏晶闸管或给电源带来高频振荡等不利影响。

1.4STATCOM研究现状和发展趋势

1.4.1STATCOM的研究现状

人们利用电力电子变流器进行无功控制的可能性很早就认识了，但限于当时电力电子器件的耐压和功率水平，无法制造出输电系统中具有实用价值的装置。

直到今年来，尤其是高压大功率的门极可关断晶闸管GTO的出息，才极大的推动了STATCOM的开发和应用。

STATCOM是并联型FACTS设备，他同基于可控电抗器和投切电容器的传统静止无功补偿器SVC相比，性能上具有极大的优越性，越来越得到广泛的重视，必将取代SVC成为新一代的无功电压控制设备。

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。

目前，世界上已有多台投入运行的STATCOM。

其中，1986年美国的EPRI与西屋公司等研制的±1MvarSTATCOM在纽约的SspringValley投入示范运行；1991年日本的三菱公司与关西电力公司共同研制的±80MvarSTATCOM在Inuyama开关站投入154KV系统运行；1992年东京电力分别与东芝公司日立公司开发的两台±50MvarSTATCOM在新信浓电站投入使用；1995年美国的电力科学院EPRI、田纳西流域管理局TVA与西屋公司投入了一台±100MvarSTATCOM；1997由德国西门子公司开发研制的±8MvarSTATCOM在丹麦ReisbyHede风场投入运行；目前为止世界上最大容量的STATCOM是美国AEP统一潮流控制器项目中的并联部分——±160MvarSTATCOM，已于1997年开始运行。

到目前为止，国际上只有美、日、德等少数几个发达国家掌握了STATCOM的应用开发技术。

为了跟踪国际FACTS发展的前沿技术，同时也为了解决电网现有的问题，在原国家电力部的支持下，河南省电力局于1994年决定投资开发±20MvarSTATCOM，该项目被列为原店里不的重大科技攻关项目。

在项目合作方清华大学的积极配合下，作为中间样机的一台±300kvarSTATCOM于1996年11月通过了电力部组织的专家评审，1997年在河南郑州的变电站进行了现场测试和试运行。

±20MvarSTATCOM于1999年3月在河南洛阳220kv朝阳变电站并网成功，它已成为中国FACTS研究应用领域的一个里程碑，标志着我国成为国际上第四个拥有大容量STATCOM制造技术的国家，标志着中国FACTS技术发展进入了一个新的阶段。

1.4.2STATCOM的发展趋势

近十多年来，世界范围内有关STATCOM的研究和应用有了长足的进步和发展，纵观近年来建设的这些项目和投运装置，具有如下的发展趋势:

（1）更大容量如100Mvar-200Mvar的STATCOM主电路的研究。

为了加强500kV网络的电压调节能力，对百兆乏级STATCOM的需求将更大，由于开关元器件如IGBT,IGCT的单管容量限制，必须采用多重化连接或其他方式来增大装置容量和提高装置的耐压水平，为此需要对更大容量STATCOM的主电路进行深入研究。

（2）STATCOM在异常状态下的行为及新的保护和监测系统的研究。

由于STATCOM的最终目的是用于改善系统的稳定性，因此要求在系统异常情况下仍安全、可靠地运行，并且提供所需的无功支持。

但是当系统电压幅值、相位发生很大的突变或系统电压存在较大的不平衡度时，STATCOM又可能出现过电流。

目前采用的措施是当系统异常导致装置发生过电流时，立即封锁脉冲以保证装置的安全，等系统电压变化趋于缓和时再重新投入运行，因此为了加强STATCOM对系统电压变化的跟踪能力，充分发挥它的作用，需要系统地研究STATCOM在异常情况下的行为及其相应的保护对策。

另外为了保证STATCOM在系统中的可靠运行，还需加强对STATCOM的监测，尤其是遥控监测，以便及时掌握装置的安全状态。

（3）STATCOM布点优化规划、多个STATCOM协调控制与其他控制器综合控制研究。

为了充分发挥STATCOM在系统中的作用，需要对STATCOM的装设地点进行优化，以提高系统的性能投资比;另外，由于电力系统是个统一的、元件间相互耦合的整体，当装设多个STATCOM时，则要求当系统发生故障时，各STATCOM装置以及其他装置除了要维持自身的安全和稳定，还必须尽可能多地为全系统的安全和动态性能的改善做出贡献，至少不恶化全系统的安全和动态性能，这样就需要研究多个STATCOM的协调控制以及与其它控制器的综合控制。

1.5本文的研究内容

（1）STATCOM研究现状和发展趋势

（2）无功功率的产生和危害

无功功率是为了建立交变磁场和感应磁通。

主要危害有：

引起线路电压损耗增大，使设备及线路损耗增加和增加设备容量。

（3）STATCOM的工作原理和数学模型

（4）STATCOM的控制策略和无功功率的检测方法

本论文采用了瞬时无功功率理论的检测方法，控制策略采用了间接电流控制。

（5）基于METALAB的STATCOM仿真

2STATCOM的工作原理及数学模型

2.1STATCOM的基本结构

STATCOM的基本工作原理是将电压型逆变桥电路直接或者通过电抗与公用电网连接起来，然后通过调节逆变桥交流侧输出电压的相位和幅值，或通过直接控制交流侧电流，使逆变桥电路吸收或者发出需要的无功电流，达到动态无功补偿的目的。

，STATCOM的基本电路结构应该分为两种“即电压型桥式电路结构和电流型桥式电路”结构。

如图2-1所示;

a）采用电压型桥式电路b）采用电流桥式电路

图2-1STATCOM的电路基本结构

对于电压型桥式电路，其直流侧以电容作为储能元件，将直流电压逆变为交流电压通过串联电抗并入电网，其中串联电抗起到阻尼过电流、滤除纹波的作用:

对于电流型桥式电路，其直流侧以电感作为储能元件，将直流电流逆变为交流，纽流送入电网。

并联于交流侧的电奔可以吸收换朽产牛的过电压。

我们知道，在平衡的三相系统中，二相瞬时功率的和是定的，在任何时刻都等于三相总的有功功率。

因此总的看来，在三相系统的电源和负载之间没有无功劝率的往返，各相的无功能兰是在三

相之问来回往返的。

而STATCOM正是将三相的无功功率统一以来进行处理的，所以理论上说，STATCOM的桥式变流电路的直流侧可以不设无功储能元件。

但实际上由于谐波的存在使得总体看来电源和STATCOM之间会有少许无功能量的往返。

所以，为维持STATCOM的正常工作。

其直流侧仍需一定人小的电容或甩感作为储能元件，但所需储能元件的容量远比STATCOM所能提供的无功容量要小。

而对传统的SVC装置，其所需储能元件的容量至少要等于其所提供的无功功率的容量。

因此STATCOM中储能元件的体积和成本比同容量的SVC要小的多。

在实际运行中，由于电流型桥式电路效率较低，而且发生短路故障时危害比较大，所以迄今投入实用的STATCOM人部采用电压型桥式电路，因此STATCOM往往专指采用自换相的电压型桥式电路作为动态无功补偿的装置。

2.2STATCOM的工作原理

图2-2为STATCOM的原理示意图，其中直流侧为储能电容，为STATCOM提供直流电压支撑，逆变器通常由多个逆变桥串联或并联而成，其主要功能是将直流电压变换为交流电压，而交流电压的大小、频率和相位可以通过控制逆变器中的可关断器件（GTO、IGCT、IEGT等）的驱动脉冲进行控制。

连接变压器将逆变器输出的电影变换到系统电压，

a）注入系统的电流超前（相当于电感）

b）注入系统的电流滞后（相当于电容）

图2-2STATCOM调节无功功率原理示意图

从而使STATCOM装置可以并联到电力系统中。

连接变压器本身的漏抗可以用于限制电流，防止逆变器故障或系统故障时产生过大的电流。

整个STATCOM装置相当于一个电压大小可以控制的电压源。

设STATCOM装置产生的归算到系统侧的空载相电压UI，系统相电压US，连接电抗X，则STATCOM装置输出的电流为

因此，STATCOM装置输出的单相视在功率为

通常情况下，STATCOM装置只吸收很小的有功功率或不吸收有功功率，因此其产生的电压UI与系统电压US相位相同，因此STATCOM装置输出的单相无功功率为

当控制STATCOM装置产生的电压小于系统电压即UIUS时，STATCOM装置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装置产生的电压UI的大小可以连续快速地控制，因此STATCOM吸收的无功功率可以连续地由正到负进行快速调节。

2.3STATCOM装置的时域数学模型

图2-3STATCOM装置的原理接线图

图2-3为STATCOM装置原理接线图，可利用输入输出建模方法来建立STATCOM装置的数学模型，在见模之前先对STATCOM装置做如下假设：

（1）将STATCOM装置中各种损耗及电阻包括开关器件（如晶闸管、二极管等）的导通电阻用等效电阻R表示，连接变压器阀侧至同步信号采样点的电感L。

（2）由于STATCOM装置输出电压有多个单项桥输出电压叠加而成，谐波含量低，因此只考虑STATCOM输出电压的基波分量而忽略谐波分量。

基于上面的假定及将多个单相桥的输出电压uLR（t）按一定规律串联起来，取其基波，可以得出STATCOM装置变流器总的输出电压为

（2-2）

其中K为比例系数，

为STATCOM输出电压与系统电压的夹角，为可控量。

而系统三相电压为

（2-3）

根据STATCOM装置的原理图，可以列出STATCOM装置的a、b、c三相动态方程:

（2-4）

将（2-2）和（2-3）代入得：

（2-5）

而直流侧电容电压的动态方程可以由能量关系得到:

（2-6）

代入（2-6）化简可得:

（2-7）

因此STATCOM的数学模型为

由上式可知，数学模型包含四个未知数和四个方程，只要已知STATCOM装置的