配网静止同步补偿器的设计及仿真

配网静止同步补偿器的设计及仿真目录1 系统总体设计及技术分析.................................................................. 错误！未定义书签。

1.1 系统总体设计 (2)1.2 STATCOM的基本电路结构 (3)1.3 STATCOM的工作分析 (4)1.3.1 STATCOM的基本工作 (4)1.3.2 系统的能量流动分析 (6)2 STATCOM的控制策略的优化及数学模型的搭建 (7)2.1 STATCOM的基本控制方法 (7)2.1.1 电流间接控制 (7)2.1.2 电流直接控制 (9)2.2 STATCOM的动态数学模型 (11)3 仿真模型设计及仿真分析 (12)3.1 控制器的设计 (12)3.2 主电路的设计 (15)3.3 仿真分析 (16)总结 (20)配网静止同步补偿器的设计及仿真1 系统总体设计及技术分析与传统的以TCR为代表的SVC装置相比，D-STATCOM的电路结构、工作原理都有较大不同。

D-STATCOM的调节速度更快，运行范围更广，而且在采取PWM技术措施后可大大减小了补偿电流中谐波的含量；D-STATCOM使用的电抗器和电容远比SVC中使用的电抗器和电容元件要小，大大减小了装置的体积和成本。

下面将分析本设计的总体设计、用到的PWM控制技术、系统的电路结构及工作原理。

1.1 系统总体设计该系统的设计要求在MATLAB的Simulink平台中进行。

首先对该系统进行总体的分析。

对于D-STATCOM系统，采用两个电压源变流器（VSC）通过变压器并联的结构，采用载波移相的二重化控制。

首先需要设计D-STATCOM控制器的控制部分，该部分包括三相PLL模块、直流电压调节器模块、交流电压调节器模块、电流调节器模块、测量模块、q轴电流指令生成模块等。

然后在实例应用中，利用MATLAB的Simulink平台进行系统的仿真模型的设计；最后利用MATLAB软件对建立好的仿真模型分别在电压模式和无功模式进行仿真结果的比较和分析。

系统的总体设计如图1(a)所示，电压源变流器输入直流电压，三相变压器另一侧接入配电网中，其中控制部分如图1(b)所示，PLL模块得到母线B3电压的相位，由此将三相交流电流变换为两相同步旋转坐标系下的d-q轴电流，同时测量模块可以求出母线B3电压的幅值。

交流电压调节模块和q轴电流指令模块，分别作用在电压控制模式和无功控制模式下，二者的输出都为q轴电流指令，通过多路开关模块进行选择。

q轴电流指令生成模块和交流电压调节器模块，前者通过无功功率指令及当前的母线电压计算出q轴电流指令；而后者通过PI调节器输出q轴电流指令。

在得到d-q轴电流指令后，电流调节器模块采用PI调节器计算出VSC网侧d-q轴电压指令，送入PWM模块。

配网静止同步补偿器的设计及仿真(a) 系统总体设计框图 (b) 控制部分框图图1 总体设计框图1.2 STATCOM的基本电路结构STATCOM分为采用电压型桥式电路和采用电流型桥式电路的两种类型，其电路基本结构分别如图2(a)和(b)所示，直流侧分别采用的是电容和电感这两种不同的储能元件。

对电压型桥式电路，还需要串联连接电抗器才能并入电网；对电流型桥式电路，还需要在交流侧并联上吸收换相产生的过电压电容器。

(a)采用电压型桥式电路(b)采用电流型桥式电路图2 STATCOM的电路基本结构众所周知，在平衡的三相系统中，不论负载功率因数如何，三相瞬时功率的和是一定的，在任何时刻都等于三相总的有功功率。

因此总的来看，在三相系统的电源和负载之间没有无功功率的往返，各相的无功能量是在三相之间来回往返的，这就需将三项各部分统一起来进行处理。

而STATCOM正是将三相的无功功率统一进行处理，所以理论上说，STATCOM的桥式交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，其直流侧仍需一定大小的电容或电感作为储能元件，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中储能元配网静止同步补偿器的设计及仿真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比较低，而且发生短路故障时危害比较大，所以迄今投入使用的STATCOM 大都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。

本文也将只对采用自换向电压型逆变器的STATCOM 进行研究。

1.3 STATCOM 的工作分析STATCOM 的工作原理就是将自换相桥式电路通过电抗器或直接并联在电网上，适当地调节桥式电路交流侧输出电压的相位和幅值，或者直接控制其交流侧电流，就可以使该静止同步补偿器吸收或发出满足要求的无功电流，实现动态无功补偿。

1.3.1 STATCOM 的基本工作由于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，当忽略其损耗时，STATCOM 的工作原理就可以用如图3(a)所示的单相等效电路图来表示。

Us U I·····Us(a)单相等效电路 (b)电流滞后 (c)电流超前图3 STATCOM 等效电路及相量图(忽略损耗)图3中∙S U 和∙I U 分别表示电网电压和STATCOM 输出的交流电压，而∙L U 表示电抗器L 上的电压，即∙S U 和∙I U 的相量差，根据基尔霍夫电压定律可知，∙S U =∙I U +∙L U 。

连接电抗器的电流就是STATCOM 从电网侧吸收的电流∙I ，可以通过∙L U 来控制。

在图3(a)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∙I U 和∙S U 同相位，仅改变∙I U 的幅值大小即可控制STATCOM 从电网侧吸收的电流∙I 的方向和大小。

如图3(b)所示，当∙I U <∙S U 时，电流滞配网静止同步补偿器的设计及仿真后电压90°，STATCOM 吸收感性的无功功率；如图3(c)所示，当∙I U >∙S U 时，电流超前电压90°，STATCOM 吸收容性的无功功率。

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STATCOM 的实际等效电路和电流分别滞后、超前工作的相量图如图4所示。

UsI ·· ··(a)单相等效电路 （b ）电流滞后 (c)电流超前 图4 STATCOM 等效电路及相量图(计及损耗) 在这种情况下，因为变流器不需要消耗能量，变流器电压∙I U 与电流∙I 仍相差90°。

而电网电压∙S U 与电流∙I 的相差则不再是90°，而是比90小了δ角，因此电网提供了有功功率来补充电路中的损耗，也就是说相对于电网电压来讲，电流∙I 中有一定量的有功分量。

这个δ角也就是变流器电压∙I U 与电网电压∙S U 的相位差。

通过改变这个相位差的大小，并且改变变流器电压∙I U 的幅值，就可以改变电流∙I 的相位与幅值，使得STATCOM 从电网吸收的无功功率也得到调节。

在图4中，将变流器本身的损耗也归算到了交流侧，并归入连接电抗器电阻中统一考虑。

实际上，这部分损耗发生在变流器内部，应该由变流器从交流侧吸收一定有功能量来补充。

因此，实际上变流器交流侧电压∙I U 与电流∙I 的相位差并不是严格的90°，而是比90°略小。

另外，工程实际中还有一种由直流侧提供损耗能量的方案。

与以上所述由交流电网侧提供有功能量的方案不同，直流侧并联直流电压源(如蓄电池)。

其工作相量图如图5所示。

电流与交流电网电压的相位差是90°，与变流器交流侧电压的相位差为90°+δ。

配网静止同步补偿器的设计及仿真·RI· (a)电流滞后 (b)电流超前图5损耗能量由直流侧电源提供时STATCOM 的工作相量图 1.3.2系统的能量流动分析通过以上分析可知，电压型STATCOM ，实际上是一个可以实现能量双向流动的三相变流器，它可以实现四象限工作，既可以工作在整流状态，也可以工作在逆变状态。

图6为STATCOM 工作于感性和容性状态时的四象限工作向量图。

I · (a)吸收感性无功功率 (b)吸收容性无功功率图6 STATCOM 能量流动相量图在STATCOM 的实际工程应用当中，直流侧一般采用带有充电装置的电容器或者直流蓄电池组(即直流电源)。

因此，当作为STATCOM 运行时，它相当于一个电压型逆变器，负载是三相交流电网。

当以电网电动势∙S U 为参考向量时，电压型变流器的的工作点在以O 为圆心，以∙L U 为半径的圆周上运动。

其中坐标横轴以下的半个圆周为整流工作状态，坐标横轴以上的半个圆周为有源逆变工作状态。

由此可见，通过控制电抗器L 上电压∙L U 的大小，可以改变圆的半径，通过控制∙L U 的相角，可以使工作点在圆周上滑动。

从而可以使电压型变流器实现四象限运行。

作为吸收感性无功功率STATCOM 运行时，工作于图6(a)中的A 点，此时电流∙I 滞后于电压∙I U 90°，感性无功功率从电网流入STATCOM ，而理论上两侧没有有功功率的流动；作为吸收容性无功功率的STATCOM 运行时，工作于图6(b)中的B 点，此时电流∙I 超前于电压∙I U 90°，容性无功功率从电网流入STATCOM ，理论上两侧也没有有功功率的流动。

通过控制∙L U 的幅值与相位，就可以改变STATCOM 的工作点，从而实现无功功率的平滑调节，这就是STATCOM 的工作原理。

配网静止同步补偿器的设计及仿真2 STATCOM 的控制策略的优化及数学模型的搭建2.1 STATCOM 的基本控制方法作为动态无功补偿装置的类型之一，STATCOM 的控制不论是从大的控制策略的选择来讲，还是从其外闭环反馈控制量和调节器的选择来说，其原则都与传统的SVC 装置是基本一致的。

如控制策略的选择应该根据补偿器要实现的功能和应用的场合，来决定采用开环控制、闭环控制或者两者相结合的控制策略。