電氣工程及其自動(dòng)化畢業(yè)論文

1、中 國(guó) 礦 業(yè) 大 學(xué)本科生畢業(yè)設(shè) 計(jì)姓 名： 學(xué) 號(hào)： ： 學(xué) 院： 應(yīng)應(yīng)用技用技術(shù)術(shù)學(xué)院學(xué)院 專(zhuān) 業(yè)：電電氣工程及其自氣工程及其自動(dòng)動(dòng)化化 設(shè)計(jì)題目： 靜止同步補(bǔ)償器（靜止同步補(bǔ)償器（STATCOM）仿真和研）仿真和研究究 專(zhuān) 題： 指導(dǎo)教師： 職 稱(chēng)： 2009 年 6 月 徐州中國(guó)礦業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)學(xué)院 應(yīng)用技術(shù)學(xué)院專(zhuān)業(yè)年級(jí) 電氣 05-1 班學(xué)生姓名 任任務(wù)務(wù)下下達(dá)達(dá)日日期期：2009 年年 2 月月 25 日日畢業(yè)設(shè)計(jì)日期：畢業(yè)設(shè)計(jì)日期： 2009 年年 2 月月 25 日至日至 2009 年年 6 月月 20 日日畢業(yè)設(shè)計(jì)題目：靜止同步補(bǔ)償器（畢業(yè)設(shè)計(jì)題目：靜止同步補(bǔ)償器（S

2、TATCOMSTATCOM）仿真和研究）仿真和研究畢業(yè)設(shè)計(jì)專(zhuān)題題目：畢業(yè)設(shè)計(jì)專(zhuān)題題目：畢業(yè)設(shè)計(jì)主要內(nèi)容和要求：畢業(yè)設(shè)計(jì)主要內(nèi)容和要求：低功率因數(shù)和諧波污染是供電系統(tǒng)普遍存在的問(wèn)題，已成為供電領(lǐng)域迫切需要解決的重要課題之一。配電系統(tǒng)靜止同步補(bǔ)償器（ Static Synchronous Compensator，STATCOM）可以有效地避免 SVC 裝置的缺點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。本課題具體任務(wù)如下：1 分析 STATCOM 的主電路結(jié)構(gòu)及工作原理，建立數(shù)學(xué)模型；2 熟悉無(wú)功檢測(cè)方法及 STATCOM 的控制策略； 3 在 PSCAD/EMTDC 環(huán)境下建立 STATCOM 的仿真模型，并進(jìn)行仿

3、真分析。院長(zhǎng)簽字： 指導(dǎo)教師簽字：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師評(píng)閱書(shū)指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ)（基礎(chǔ)理論及基本技能的掌握；獨(dú)立解決實(shí)際問(wèn)題的能力；研究?jī)?nèi)容的理論依據(jù)和技術(shù)方法；取得的主要成果及創(chuàng)新點(diǎn)；工作態(tài)度及工作量；總體評(píng)價(jià)及建議成績(jī)；存在問(wèn)題；是否同意答辯等）：成 績(jī)： 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日中國(guó)礦業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)評(píng)閱教師評(píng)閱書(shū)評(píng)閱教師評(píng)語(yǔ)（選題的意義；基礎(chǔ)理論及基本技能的掌握；綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力；工作量的大小；取得的主要成果及創(chuàng)新點(diǎn)；寫(xiě)作的規(guī)范程度；總體評(píng)價(jià)及建議成績(jī)；存在問(wèn)題；是否同意答辯等）：成 績(jī)： 評(píng)閱教師簽字： 年 月 日中國(guó)礦業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)評(píng)閱教師評(píng)閱書(shū)評(píng)閱教師評(píng)語(yǔ)（選題

4、的意義；基礎(chǔ)理論及基本技能的掌握；綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力；工作量的大??；取得的主要成果及創(chuàng)新點(diǎn)；寫(xiě)作的規(guī)范程度；總體評(píng)價(jià)及建議成績(jī)；存在問(wèn)題；是否同意答辯等）：成 績(jī)： 評(píng)閱教師簽字： 年 月 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯及綜合成績(jī)答 辯 情 況回 答 問(wèn) 題提 出 問(wèn) 題正 確基本正確有一般性錯(cuò)誤有原則性錯(cuò)誤沒(méi)有回答答辯委員會(huì)評(píng)語(yǔ)及建議成績(jī)：答辯委員會(huì)主任簽字： 年 月 日學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)小組綜合評(píng)定成績(jī)：學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)小組負(fù)責(zé)人： 年 月 日摘 要電能質(zhì)量的問(wèn)題，尤其是無(wú)功功率和諧波的問(wèn)題，嚴(yán)重威脅著電網(wǎng)的安全運(yùn)行。靜止同步補(bǔ)償器（ STATCOM） ，作為新一代無(wú)功功率補(bǔ)償裝置，它與現(xiàn)有的靜止

5、無(wú)功補(bǔ)償裝置 (SVC)相比，具有調(diào)節(jié)速度更快、運(yùn)行范圍更寬、吸收無(wú)功連續(xù)、諧波電流小、損耗低、所用電抗器和電容器容量及安裝面積大為降低等優(yōu)點(diǎn)，引起了國(guó)內(nèi)外科研與工程領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。論文通過(guò)對(duì) STATCOM 的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，無(wú)功的產(chǎn)生和影響 ，無(wú)功補(bǔ)償?shù)囊饬x 的分析，進(jìn)行了 STATCOM 工作原理的 研究，并建立了STATCOM 的數(shù)學(xué)模型， 采用基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的檢測(cè)方法，選擇合適的控制策略， 在 PSCAD/EMTDC 環(huán)境下進(jìn)行了仿真分析， 得出仿真后的波形。仿真結(jié)果表明 STATCOM 能夠?qū)ω?fù)荷進(jìn)行快速地?zé)o功補(bǔ)償，證實(shí)本模型算法的合理性、正確性，具有一定的參考價(jià)值。關(guān)鍵詞：

6、無(wú)功補(bǔ)償； 靜止同步補(bǔ)償器；瞬時(shí)無(wú)功； PSCAD/EMTDC；ABSTRACT The problem of electric energy quality menaces seriously the safe operation of power network, especially reactive power and harmonics. The static synchronous compensator (STATCOM), takes the new generation reactive power compensation system, it compares with

7、existing static idle work compensation system (SVC), has the adjustable speed to be quicker, the movement scope to be wider, the absorption idle work, the harmonic current small, to lose continuously low, uses the reactor and the capacity of condenser and the erection space to reduce and so on merit

8、s greatly, has caused the domestic and foreign scientific research and the project domain widespread attention.The paper through to the STATCOM present situation and the trend of development, the idle work production and the influence, the idle work compensations significances analysis, has conducte

9、d the STATCOM principle of work research, and has established the STATCOM mathematical model, uses based on the instant reactive power theory examination method, chooses the appropriate control policy, has carried on the simulation analysis under the EMTDC/PSCAD environment, after obtaining the simu

10、lation profile. The simulation result indicated that STATCOM can shoulder carries on fast the idle work compensation, confirmed that this model algorithms rationality, the accuracy, have certain reference value.Keywords: Reactive power compensation; STATCOM; Instantaneous reactive; PSCAD/EMTDC;目目 錄錄

11、1 1 緒緒論論.11.1 引言.11.2 論文研究背景和研究的意義.11.3 無(wú)功功率.31.4 無(wú)功補(bǔ)償?shù)囊饬x.31.5 主要無(wú)功補(bǔ)償裝置及其工作原理.51.5.1 并聯(lián)電容器.61.5.2 同步調(diào)相機(jī) (Synchronous Condenser-SC).61.5.3 靜止型無(wú)功補(bǔ)償裝置 (Static Var Compensator-SVC).71.6 STATCOM 研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì).91.6.1 STATCOM 研究現(xiàn)狀.91.6.2 STATCOM 發(fā)展趨勢(shì).101.7 本文研究的主要內(nèi)容.112 2 S ST TA AT TC CO OM M 的的工工作作原原理理及及數(shù)數(shù)學(xué)學(xué)

12、模模型型 .112.1 STATCOM 的基本電路結(jié)構(gòu).112.2 STATCOM 的工作原理.132.3 STATCOM 的數(shù)學(xué)模型的建立.163 3 無(wú)無(wú)功功功功率率檢檢測(cè)測(cè)方方法法和和 S ST TA AT TC CO OM M 的的控控制制策策略略 .193.1 無(wú)功功率檢測(cè)方法.193.1.1 d-q 矢量變換理論.203.1.2 三相對(duì)稱(chēng)系統(tǒng)的瞬時(shí)無(wú)功功率.223.2 STATCOM 裝置的控制方法.243.2.1 直接電流控制.243.2.2 間接電流控制.243.2.3 電流間接與直接控制的特點(diǎn).254 4 S ST TA AT TC CO OM M 裝裝置置的的無(wú)無(wú)功功補(bǔ)補(bǔ)償

13、償仿仿真真研研究究 .264.1 仿真工具軟件 PSCAD/EMTDC 簡(jiǎn)介.264.1.1 仿真工具軟件 PSCAD/EMTDC 的概況.264.1.2 仿真工具軟件 PSCAD/EMTDC 的主要功能.274.1.3 仿真工具軟件 PSCAD/EMTDC 的主要結(jié)構(gòu)及元件庫(kù).274.1.4 仿真工具軟件 PSCAD/EMTDC 的主要操作步驟.294.2 STATCOM 的仿真.294.2.1 仿真的主接線圖.294.2.2 仿真的主控制電路圖.304.2.3 仿真的調(diào)制電路圖.304.2.4 各仿真的波形圖.324.3 本章小結(jié).335 5 總總結(jié)結(jié)與與展展望望 .335.1 結(jié)論.33

14、5.2 展望.34參參考考文文獻(xiàn)獻(xiàn) .35英英文文原原文文 .37中中文文譯譯文文 .44致致謝謝 .51中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2009 屆本科畢業(yè)論文 第 1 頁(yè)1 緒論1.1 引言近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)的電力工業(yè)也取得了前所未有的成就。目前，我國(guó)電力系統(tǒng)的裝機(jī)容量及發(fā)電量均居世界第二，業(yè)已形成了華東、華北、華中、東北、西北、南方六大區(qū)域網(wǎng)和山東、福建兩個(gè)省網(wǎng)。隨著以三峽水電站為代表的一批新興發(fā)電工程的開(kāi)發(fā)，以及超高壓、大容量、遠(yuǎn)距離輸電技術(shù)的發(fā)展，全國(guó)各大電網(wǎng)互聯(lián)，直至出現(xiàn)全國(guó)性的大聯(lián)網(wǎng)已成為必然的趨勢(shì)。隨著電力工業(yè)的發(fā)展，電力電子裝置的應(yīng)用日益廣泛，電網(wǎng)中的諧波污染也日趨嚴(yán)重。另外，大

15、多數(shù)的電力電子裝置功率因數(shù)很低，也給電網(wǎng)帶來(lái)了額外負(fù)擔(dān)，并且影響著供電質(zhì)量。因此，如何抑制諧波和對(duì)無(wú)功功率進(jìn)行補(bǔ)償已經(jīng)成為電力電子技術(shù)、電氣自動(dòng)化技術(shù)以及電力系統(tǒng)研究領(lǐng)域所面臨的一個(gè)重大課題。靜止同步補(bǔ)償器 (Static Synchronous Compensator，簡(jiǎn)稱(chēng) STATCOM )，是柔性交流輸電系統(tǒng) (FACTS)中的重要成員之一，具有實(shí)時(shí)檢測(cè)和補(bǔ)償無(wú)功功率、支撐網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)電壓、補(bǔ)償高次諧波等功能。本文將重點(diǎn)對(duì)基于新型電力電子器件 IGCT ( Integrated Gate Commute Thyristor)的STATCOM 主電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入研究，為 STATCOM 的大容

16、量和實(shí)用化尋求合適的解決方案。1.2 論文研究背景和研究的意義在電力系統(tǒng)中，由于電感、電容元件的存在，系統(tǒng)中不僅存在著有功功率，而且存在無(wú)功功率。無(wú)功功率的存在對(duì)于電力系統(tǒng)和負(fù)荷的運(yùn)行都非常重要，但其傳輸不僅會(huì)產(chǎn)生很大的有功損耗，而且沿著傳輸途徑還會(huì)產(chǎn)生很大的電壓降落，并且使電網(wǎng)的視在功率增大，從而對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生一系列不良影響，主要可以歸納為以下幾個(gè)方面 :(1)電網(wǎng)總電流增加，使電力系統(tǒng)中的元件如變壓器等的容量增大，從而增加了投資費(fèi)用，在傳送同樣有功功率的情況下，增加了設(shè)備和線路的損耗。(2)電網(wǎng)無(wú)功容量不足，會(huì)造成負(fù)荷端供電 電壓低，影響正常生產(chǎn)、生活用電;反之，若無(wú)功容量過(guò)剩，則造成電網(wǎng)運(yùn)行

17、電壓過(guò)高，電壓波動(dòng)過(guò)大。(3)降低了電網(wǎng)的功率因數(shù)，造成大量電能損耗。當(dāng)功率因數(shù)由中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2009 屆本科畢業(yè)論文 第 2 頁(yè)0.8 下降至 0.6 時(shí)，電能損耗提高了將近一半。為了輸送有功功率，需要送電端和受電端有一相位差，這可以在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)，而為了輸送無(wú)功功率，則要求兩端電壓有一幅值差，這只能在很窄的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)。不僅大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)元件消耗無(wú)功功率，大多數(shù)負(fù)載也需要消耗無(wú)功。這些無(wú)功功率必須從網(wǎng)絡(luò)的某個(gè)地方獲得。顯然，如果都要由發(fā)電機(jī)提供并經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離傳送是不合理的，通常也是不可能的。合理的方法是在需要無(wú)功功率的地方進(jìn)行補(bǔ)償。無(wú)功補(bǔ)償?shù)淖饔弥饕幸韵聨c(diǎn) :(1)提高供用電系統(tǒng)及負(fù)載

18、的功率因數(shù)，降低設(shè)備容量，減少功率損耗;(2)穩(wěn)定受電端及電網(wǎng)的電壓，提高供電質(zhì)量。在長(zhǎng)距離輸電線路合適的地點(diǎn)設(shè)置動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償，還可以改善輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高輸電能力;(3)在電氣化鐵道等三相負(fù)載不平衡的場(chǎng)合，通過(guò)適當(dāng)?shù)臒o(wú)功補(bǔ)償可平衡三相的有功及無(wú)功負(fù)載。正因?yàn)闊o(wú)功補(bǔ)償對(duì)于提高電網(wǎng)安全運(yùn)行水平和電能質(zhì)量有著如此重要的意義，這一技術(shù)正越來(lái)越受到人們的關(guān)注，并已成為研究的熱點(diǎn)。FACTS 是 Flexible AC Transmission System 的英文縮寫(xiě)，也可翻譯為靈活交流輸電技術(shù)，是指裝有電力電子型或其他靜止型控制器以加強(qiáng)可控性和增大電力傳輸能力的交流輸電系統(tǒng)，是美國(guó)著名電力專(zhuān)家N

19、.H.Hingorani 博士于 1986 年提出的。 FACTS 技術(shù)是利用現(xiàn)代大功率電力電子技術(shù)改造傳統(tǒng)交流電力系統(tǒng)的一項(xiàng)重大改革，被認(rèn)為是21 世紀(jì)初可以實(shí)施的技術(shù)改革措施，已成為當(dāng)今先進(jìn)國(guó)家電力界研究的熱點(diǎn)。FACTS 技術(shù)(包括系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)及控制器技術(shù) )己被國(guó)內(nèi)外的一些較權(quán)威性的輸電技術(shù)研究者和工作組稱(chēng)為 “未來(lái)輸電系統(tǒng)新時(shí)代的三項(xiàng)支撐技術(shù) FACTS 技術(shù)、先進(jìn)的控制中心和綜合自動(dòng)化技術(shù) )之一” ，或是“現(xiàn)代電力系統(tǒng)中的三項(xiàng)具有變革性影響的前沿性課題 (柔性輸電技術(shù)、智能控制、基于全球衛(wèi)星定位系統(tǒng) (GPS)的新一代動(dòng)態(tài)安全分析與監(jiān)測(cè)系統(tǒng))之一” 。此概念提出后， FACTS

20、技術(shù)迅速成為各國(guó)電力界研究的熱點(diǎn)。FACTS 技術(shù)是基于電力電子技術(shù)改造交流輸電的系列技術(shù)，它對(duì)交流電的無(wú)功電壓、電抗和相角可以進(jìn)行控制，從而能有效提高交流系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性，使傳統(tǒng)的交流輸電系統(tǒng)具有更高的柔性和靈活性，使輸電線路得到充分利用，以滿足電力系統(tǒng)安全、可靠和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的目標(biāo)。本文正是在這一背景下對(duì) STATCOM 主電路結(jié)構(gòu)、控制回路以及它的中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2009 屆本科畢業(yè)論文 第 3 頁(yè)仿真波形進(jìn)行了深入的研究。1.3 無(wú)功功率許多用電設(shè)備都是根據(jù)電磁感應(yīng)原理工作的，如配電變壓器、電動(dòng)機(jī)等，它們都是依靠建立交變磁場(chǎng)才能進(jìn)行能量的轉(zhuǎn)換和傳遞。為建立交變磁場(chǎng)和感應(yīng)磁通而需要的電功率稱(chēng)為

21、無(wú)功功率。因此在供用電系統(tǒng)中除了需要有功電源外，還需要無(wú)功電源，兩者缺一不可。為了保證電力系統(tǒng)中電能質(zhì)量、電壓質(zhì)量、降低網(wǎng)絡(luò)損耗以及安全運(yùn)行，就要保持無(wú)功平衡，無(wú)功功率對(duì)供電系統(tǒng)和負(fù)載的運(yùn)行都是非常重要的，電力系統(tǒng)網(wǎng)路元件的阻抗主要是電感性的，因此，為了輸送有功功率，就要求送電端的電壓有一相位差，這在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)，而為了輸送無(wú)功功率，則要求兩端電壓有一差值，這只能在很窄的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)，不僅大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)中某個(gè)地方活得，顯然，這些無(wú)功功率如果都要有發(fā)電機(jī)提供并經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離傳送是不合理的，會(huì)加大網(wǎng)絡(luò)損耗，通常也是不可能的，合理的方法是在需要消耗無(wú)功功率的地方產(chǎn)生無(wú)功功率，實(shí)現(xiàn)就地平衡補(bǔ)償；所以就

22、要對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。消耗無(wú)功功率的主要設(shè)備：有異步電動(dòng)機(jī)、感應(yīng)電爐、交流電焊機(jī)、變壓器。在工礦企業(yè)所消耗的全部無(wú)功功率中，異步電動(dòng)機(jī)的無(wú)功消耗占了60%70%；而在異步電動(dòng)機(jī)空載時(shí)所消耗的無(wú)功又占到電動(dòng)機(jī)總無(wú)功消耗的 60%70%，改善異步電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)就要防止電動(dòng)機(jī)的空載運(yùn)行并盡可能提高負(fù)載率。變壓器消耗的無(wú)功功率一般為其額定容量的 10%15%，它的空載無(wú)功功率約為滿載時(shí)的 1/3。為了改善電力系統(tǒng)和企業(yè)的功率因數(shù)，變壓器不應(yīng)空載運(yùn)行或長(zhǎng)期處于低壓負(fù)載運(yùn)行狀態(tài)。1.4 無(wú)功補(bǔ)償?shù)囊饬x隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)及科技水平的快速發(fā)展，各行各業(yè)對(duì)電能質(zhì)量的要求也越來(lái)越高，特別是隨著各種電子裝置和精

23、密設(shè)備的廣泛應(yīng)用，使得用戶希望供電企業(yè)能夠提供高效優(yōu)質(zhì)的電能。而在電力系統(tǒng)中，異步電動(dòng)機(jī)、變壓器以及電弧爐等裝置要消耗大量的無(wú)功功率。這些無(wú)功功率如果不能及時(shí)地得到補(bǔ)償?shù)脑?，?huì)對(duì)電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定以及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行產(chǎn)生不利影響，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：1. 引起線路電壓損耗增大下圖為局部電力網(wǎng)的等值電路圖：中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2009 屆本科畢業(yè)論文 第 4 頁(yè)圖 1-1 局部電力網(wǎng)等值電路其中 R、 X 分別為線路的等值電阻和等值電抗; 、分別為局部電2P2Q力網(wǎng)末端的有功負(fù)荷和無(wú)功負(fù)荷; 為末端電壓?？梢宰C明，該局部電力2U網(wǎng)的電壓損耗U 的計(jì)算公式如下: (1-1)2222122eP RQ XP RQ

24、 XUUUUU其中為該電力網(wǎng)絡(luò)的額定電壓。由式（2-1）可知，由負(fù)荷的無(wú)功功eU率引起的電壓損耗為：2Q (1-2)2xeQ XUU而由負(fù)荷的有功功率引起的電壓損耗為：2P (1-3)2ReP RUU因?yàn)樵谝话愕墓秒娋W(wǎng)中，R 比 X 要小的多，所以電網(wǎng)電壓的波動(dòng)主要是由無(wú)功功率的波動(dòng)引起的，而有功功率的波動(dòng)對(duì)電網(wǎng)電壓的影響則相對(duì)較小。圖 1-2 綜合負(fù)荷的電壓靜態(tài)特性圖 1-2 為綜合負(fù)荷的靜態(tài)特性圖，從圖中可以看到，在額定電壓附近，電壓與無(wú)功功率的關(guān)系比電壓與有功功率的關(guān)系要密切的多。當(dāng)無(wú)功負(fù)荷由增加到時(shí)，如果系統(tǒng)的無(wú)功儲(chǔ)備充足，則負(fù)荷將保持正常電壓水平。0Q1Q如果無(wú)功儲(chǔ)備不足，系統(tǒng)的無(wú)

25、功電源不能提供相應(yīng)的無(wú)功負(fù)荷增量，則電壓特性曲線上移到圖中的虛線，此時(shí)系統(tǒng)電壓被迫由降為，以此來(lái)達(dá)NU1U中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2009 屆本科畢業(yè)論文 第 5 頁(yè)到新的無(wú)功功率平衡。如果長(zhǎng)時(shí)間在低壓狀態(tài)下運(yùn)行，不僅影響工業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量，而且會(huì)損壞機(jī)械設(shè)備，造成安全隱患。甚至還有一些更為惡劣的狀況:諸如異步電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)期間功率因數(shù)很低，這種沖擊性無(wú)功功率會(huì)使電網(wǎng)電壓劇烈波動(dòng)，甚至使接在同一電網(wǎng)上的用戶無(wú)法正常工作。還有電弧爐、軋鋼機(jī)等大型設(shè)備會(huì)產(chǎn)生頻繁的無(wú)功功率沖擊，嚴(yán)重影響電網(wǎng)的供電質(zhì)量。因此，擁有充足的無(wú)功電源，動(dòng)態(tài)快速的對(duì)無(wú)功功率進(jìn)行補(bǔ)償，是維持電力網(wǎng)電壓穩(wěn)定、提高供電質(zhì)量的首要前提。2.使設(shè)

26、備及線路損耗增加當(dāng)電力網(wǎng)中的無(wú)功功率增加時(shí)，總電流亦隨之增大，因而設(shè)備及線路的損耗就會(huì)增加，這是顯而易見(jiàn)的。在圖 l-1，該局部電力網(wǎng)的線損功率為: (1-4)2222122ePQSSSRjXU其中有功線損為： (1-5)2222122ePQPPPRU在有功線損中，因無(wú)功功率在電力網(wǎng)中的流動(dòng)而引起的部分為: (1-6)222QeQPRU由式(1-6)可知，系統(tǒng)中的無(wú)功負(fù)荷越大，所引起的線路損耗就會(huì)越大。在我國(guó)，電力網(wǎng)的線損率是表征供用電企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和技術(shù)管理水平的綜合性技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，也是國(guó)家貫徹節(jié)能方針，考核供電部門(mén)的一項(xiàng)重要指標(biāo)。因此，及時(shí)補(bǔ)償系統(tǒng)無(wú)功負(fù)荷、提高系統(tǒng)功率因數(shù)，不僅能夠節(jié)約能源

27、、提高供電企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，還能反應(yīng)供電企業(yè)的技術(shù)管理水平。3.增加設(shè)備容量 無(wú)功功率的增加，會(huì)導(dǎo)致電流增大和視在功率的增加，從而使發(fā)電機(jī)、變壓器及其他電氣設(shè)備容量和導(dǎo)線容量的增加。同時(shí)，電力用戶的啟動(dòng)及控制設(shè)備、測(cè)量?jī)x表的尺寸和規(guī)格也要加大。這不僅會(huì)大大增加供電企業(yè)的運(yùn)行成本，而且會(huì)增加用電企業(yè)的生產(chǎn)成本，使得電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行大打折扣。在電力網(wǎng)中，不僅包括一些穩(wěn)定的無(wú)功負(fù)荷，還有一些沖擊性的無(wú)功負(fù)荷，只有對(duì)這些無(wú)功負(fù)荷進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，才能防止供電質(zhì)量的進(jìn)一步惡化，同時(shí)，對(duì)于節(jié)約能源，保障電網(wǎng)安全運(yùn)行也具有重要意義。中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2009 屆本科畢業(yè)論文 第 6 頁(yè)1.5 主要無(wú)功補(bǔ)償裝置及其工作原理

28、1 1. .5 5. .1 1 并并聯(lián)聯(lián)電電容容器器利用并聯(lián)電容器是補(bǔ)償無(wú)功功率的傳統(tǒng)方法之一。在電力系統(tǒng)常用的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備中，并聯(lián)電容器的單位容量費(fèi)用最低，有功損耗最小，運(yùn)行維護(hù)最簡(jiǎn)便，而目可以分散安裝，實(shí)現(xiàn)無(wú)功就地補(bǔ)償，獲得最好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果，此外改變?nèi)萘恳卜奖悖€可以根據(jù)主要分散拆遷到其他地點(diǎn)。因此以并聯(lián)電容器作為無(wú)功補(bǔ)償方式目前在國(guó)內(nèi)外均得到廣泛的應(yīng)用。下圖為電力網(wǎng)中利用并聯(lián)電容器進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償?shù)牡刃щ娐穲D及相量圖: a）電路圖 b）相量圖圖 1-3 并聯(lián)電容器補(bǔ)償無(wú)功功率的電路和相量圖由圖 1-3 可以看出，當(dāng)并聯(lián)電容器未投入使用時(shí)，電力網(wǎng)中的感性無(wú)功電流都由系統(tǒng)電源承擔(dān)，使得系統(tǒng)功率

29、因數(shù)較低;并聯(lián)電容器投入后，向系統(tǒng)供應(yīng)感性無(wú)功功率，分擔(dān)了系統(tǒng)的絕大部分無(wú)功負(fù)荷，使得功率因數(shù)大大提高。但是在補(bǔ)償過(guò)程中，如果電容的容量過(guò)大，就會(huì)使補(bǔ)償后的電流相位超前于電壓，出現(xiàn)過(guò)補(bǔ)償，這會(huì)引起變壓器一次電壓的升高，而且容性無(wú)功功率在電力線路上傳輸同樣會(huì)增加電能損耗，使溫升增大，影響電容器的壽命，因此，在利用并聯(lián)電容器進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償時(shí)，一定要認(rèn)真計(jì)算補(bǔ)償容量。 由于電容器只能向系統(tǒng)供應(yīng)感性無(wú)功功率，而且它所供應(yīng)的感性無(wú)功功率與其端電壓的平方成正比，所以以并聯(lián)電容器作為無(wú)功補(bǔ)償方式存在以下一些缺點(diǎn):首先是電壓的調(diào)節(jié)特性差，當(dāng)系統(tǒng)因無(wú)功負(fù)荷過(guò)大，出現(xiàn)電壓下降時(shí)，電容器的無(wú)功輸出反而減小，這會(huì)導(dǎo)致電

30、網(wǎng)電壓的進(jìn)一步下降，從而威脅到整個(gè)電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。其次，當(dāng)電容器的補(bǔ)償容量確定以后，其阻抗是固定的，因此在補(bǔ)償過(guò)程中不能跟蹤負(fù)荷需求的變化，也就是說(shuō)不能實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)功功率的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。而隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，對(duì)無(wú)功功率進(jìn)行快速動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)男枨笤絹?lái)越大。1 1. .5 5. .2 2 同同步步調(diào)調(diào)相相機(jī)機(jī)( (S Sy yn nc ch hr ro on no ou us s C Co on nd de en ns se er r- -S SC C) )傳統(tǒng)的無(wú)功功率動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置是同步調(diào)相機(jī)，它實(shí)際上是不帶機(jī)械負(fù)荷，空載運(yùn)行的同步電動(dòng)機(jī)。它有過(guò)激和欠激兩種運(yùn)行方式:在過(guò)激運(yùn)行時(shí)，向系統(tǒng)提供感性無(wú)功功率

31、，成為無(wú)功電源，提高系統(tǒng)功率因數(shù)和電壓;在欠激中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2009 屆本科畢業(yè)論文 第 7 頁(yè)運(yùn)行時(shí)，則從系統(tǒng)吸收感性無(wú)功功率，成為無(wú)功負(fù)荷，降低系統(tǒng)電壓。只要改變調(diào)相機(jī)的勵(lì)磁，就可以平滑地改變其輸出無(wú)功功率的大小及方向，因而可以平滑地調(diào)節(jié)所在地區(qū)的電壓，這是同步調(diào)相機(jī)相對(duì)于并聯(lián)電容器的最大優(yōu)點(diǎn)。然而，由于同步調(diào)相機(jī)屬于旋轉(zhuǎn)電機(jī)，因此損耗和噪聲都很大，運(yùn)行和維護(hù)復(fù)雜，而目相應(yīng)速度慢，在很多情況下己無(wú)法適應(yīng)快速無(wú)功功率控制的要求。所以 70 年代以來(lái)，同步調(diào)相機(jī)開(kāi)始逐漸被靜止型無(wú)功補(bǔ)償裝置所取代。1.5.31.5.3 靜止型無(wú)功補(bǔ)償裝置靜止型無(wú)功補(bǔ)償裝置(Static(Static VarVa

32、r Compensator-SVC)Compensator-SVC)靜止型無(wú)功補(bǔ)償器是屬于“柔性交流輸電系統(tǒng)”(Flexible AC Transmission System-ACTS)范疇的無(wú)功功率電源，它有各種不同的形式，日前常用的有飽和電抗器型(SR 型)、晶閘管控制電抗器型(TCR 型)、晶閘管開(kāi)關(guān)電容器型(TSC 型)二種。早期的靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置是飽和電抗器(Saturated Reactor-SR)型的，1967 年，英國(guó) GEC 公司制成了世界上第一批飽和電抗器型靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置。此后，各國(guó)廠家紛紛推出各自的產(chǎn)品。圖 1-4 a)是其等效電路圖，由SR 和若干組不可控電容器組成。

33、與電容 C 串聯(lián)的電感與其構(gòu)成串聯(lián)諧fL振回路，兼作高次諧波的濾波器。而與飽和電抗器串聯(lián)的電容則用以校SCC正飽和電抗器伏安特性的斜率。圖 1-4 b)是其伏安特性圖，當(dāng) SR 單獨(dú)作用時(shí)，補(bǔ)償器的基波電流如圖中點(diǎn)劃線所示，其斜率因取值的不同而變化。SCC當(dāng)電容器單獨(dú)作用時(shí)，補(bǔ)償器的電流如圖中虛線所示，即隨其端電壓的增大而增大。而補(bǔ)償器的整體伏安特性則如圖中實(shí)線所示?？梢钥闯?，當(dāng)系統(tǒng)電壓高于參考電壓時(shí)，補(bǔ)償器產(chǎn)生感性無(wú)功電流，降低系統(tǒng)電壓，;而當(dāng)系統(tǒng)電壓低于參考電壓時(shí)，補(bǔ)償器則產(chǎn)生容性無(wú)功電流，提高系統(tǒng)電壓。 a）等效電路圖 b）伏安特性圖圖 1-4 SR 型靜止無(wú)功補(bǔ)償器等效電路與伏安特性圖

34、中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2009 屆本科畢業(yè)論文 第 8 頁(yè)SR 型靜止無(wú)功補(bǔ)償器與同步調(diào)相機(jī)相比，具有靜止型的優(yōu)點(diǎn)，響應(yīng)速度快。但是由于其鐵心需磁化到飽和狀態(tài)，因而損耗和噪聲都很大，而且存在非線性電路的一些特殊問(wèn)題，又不能分相調(diào)節(jié)以補(bǔ)償負(fù)荷的不平衡，所以未能占據(jù)靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置的主流。 進(jìn)入 70 年代后，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，使用晶閘管的靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置受到越來(lái)越多的關(guān)注并逐漸占據(jù)無(wú)功功率補(bǔ)償?shù)闹鲗?dǎo)地位。1977 年美國(guó) GE 公司首次在實(shí)際電力系統(tǒng)中演示運(yùn)行了其使用晶閘管的靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置。1978 年，在美國(guó)電力研究院的支持下，西屋電氣公司制造的使用晶閘管的靜止無(wú)功補(bǔ)償裝

35、置投入實(shí)際運(yùn)行。我們?nèi)涨八f(shuō)的靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置(SVC)往往專(zhuān)指使用晶閘管的靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置，主要包括晶閘管控制電抗器(Thyristor ControlledReactor-TCR)和晶閘管投切電容器(Thyristor Switched Capacitor-TSC) 。TCR 型補(bǔ)償器由 TCR 和若干組不可控電容器組成。如圖 2-5 所示，與電容 C 串聯(lián)的電感與其構(gòu)成串聯(lián)諧振回路，兼作高次諧波的濾波器，濾fL去由 TCR 產(chǎn)生的 5, 7, 11等次諧波電流。TCR 由兩個(gè)反并聯(lián)的晶閘管與一個(gè)電抗器相串聯(lián)，其工作原理就是通過(guò)控制晶閘管的觸發(fā)延遲角，增大或減小補(bǔ)償器的等效電抗，從而達(dá)到動(dòng)

36、態(tài)改變其吸收的基波電流和無(wú)功功率的大小，圖 b)為 TCR 型補(bǔ)償器的伏安特性圖，當(dāng) TCR 單獨(dú)作用時(shí)，補(bǔ)償器的基波電流如圖中點(diǎn)劃線所示，其值取決于晶閘管的觸發(fā)角，而后者又取決于設(shè)定的控制規(guī)律和系統(tǒng)的運(yùn)行狀況等。當(dāng)僅有電容器作用時(shí)，補(bǔ)償器的電流如圖中虛線所示，即隨其端電壓的增大而增大。當(dāng) TCR 與電容器同時(shí)投入時(shí)，補(bǔ)償器的電流如圖中實(shí)線所示。所以，通過(guò)控制晶閘管的觸發(fā)延遲角，TCR 型補(bǔ)償器既可吸收感性無(wú)功功率，又可吸收容性無(wú)功功率，從而達(dá)到對(duì)系統(tǒng)無(wú)功功率和電網(wǎng)電壓的動(dòng)態(tài)控制。 a）等效電路圖 b）伏安特性圖圖 1-5 TCR 型靜止無(wú)功補(bǔ)償器等效電路與伏安特性圖TSC 型補(bǔ)償器的工作原理

37、比較簡(jiǎn)單，其等效電路圖如圖 2-6a)所示，利中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2009 屆本科畢業(yè)論文 第 9 頁(yè)用兩個(gè)反并聯(lián)晶閘管將電容器并入電網(wǎng)或從電網(wǎng)中斷開(kāi)，其實(shí)只是以晶閘管開(kāi)關(guān)取代了常規(guī)電容器所配置的機(jī)械式開(kāi)關(guān)。 a）等效電路圖 b）伏安特性圖圖 1-6 TSC 型靜止無(wú)功補(bǔ)償器等效電路與伏安特性圖在工程實(shí)際中，一般將電容器分成幾組，每組都可由晶閘管投切。這樣，可以根據(jù)電網(wǎng)的無(wú)功需求投切這些電容器，TSC 實(shí)際上就是斷續(xù)可調(diào)的吸收容性無(wú)功功率的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償器，其伏安特性按照投入電容器組數(shù)的不同而不同，見(jiàn)圖 1-6b） 。電容器分組的具體方法比較靈活，一般希望能組合產(chǎn)生的電容值級(jí)數(shù)越多越好，這樣可以盡可能

38、的實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)節(jié)，但是也應(yīng)綜合考慮到系統(tǒng)復(fù)雜性以及經(jīng)濟(jì)性的問(wèn)題。另外，電容器的投切時(shí)刻必須是電源電壓與電容器預(yù)先充電電壓相等的時(shí)刻，否則將會(huì)產(chǎn)生沖擊電流，很可能會(huì)破壞晶閘管或給電源帶來(lái)高頻振蕩等不利影響所有形式的 SVC 雖然能夠快速動(dòng)態(tài)的調(diào)節(jié)系統(tǒng)無(wú)功功率，但是我們應(yīng)該注意到，這些 SVC 設(shè)備之所以能產(chǎn)生感性無(wú)功功率，依靠的還是其中的電容器，這就使得 SVC 與靜電電容器有同樣不可逾越的障礙，即電壓調(diào)節(jié)特性差，另外裝置的補(bǔ)償能力受其安裝容量的限制，這些缺點(diǎn)，都是促使STATCOM 產(chǎn)生的必要條件。1.6 STATCOM 研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)1 1. .6 6. .1 1 S ST TA AT T

39、C CO OM M 研研究究現(xiàn)現(xiàn)狀狀采用電力電子半導(dǎo)體變流器實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償?shù)乃枷朐缭?20 世紀(jì) 80 年代初就已提出，1980 年日本研制出第一臺(tái)士 20Mvar STATCOM,1987 年，美國(guó)Westinghouse(西屋公司)研制成Mvar 晶閘管的 STATCOM 實(shí)驗(yàn)裝置，并1成功的進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)。1991 年和 1994 年日本和美國(guó)分別研制成功了一套80MVA 和100MVA 的采用 GTO 晶閘管的 STATCOM 裝置，并且最終成功的投入了商業(yè)運(yùn)行。另外，用 STATCOM 來(lái)補(bǔ)償工業(yè)負(fù)荷的研究也時(shí)有報(bào)道，使用的大都是 GTO 晶閘管和 IGBT 這樣的全控型器件。在國(guó)內(nèi)，

40、1994 年研制大容量 STATCOM 被列為電力部重點(diǎn)科研攻關(guān)項(xiàng)目。1999 年 3中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2009 屆本科畢業(yè)論文 第 10 頁(yè)月，由清華大學(xué)和河南省電力局合作共同研制的20Mvar STATCOM 在河南朝陽(yáng)變電站并網(wǎng)成功，使我國(guó)成為世界上繼日本、美國(guó)、德國(guó)之后第四個(gè)擁有該項(xiàng)技術(shù)的國(guó)家。2001 年 2 月國(guó)家電力公司電力自動(dòng)化研究院也將500KvarSTATCOM 投入了運(yùn)行。目前清華大學(xué)與上海電力公司合作，正在研制基于 IGCT50Mvar 鏈?zhǔn)?STATCOM 裝置。東南大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、西安交通大學(xué)等院校與科研機(jī)構(gòu)也在進(jìn)行 STATCOM 的相關(guān)研究。但國(guó)內(nèi)對(duì) STAT

41、COM 的研究和應(yīng)用還處于剛剛起步階段，具有十分廣闊的發(fā)展空間與工程應(yīng)用前景。1 1. .6 6. .2 2 S ST TA AT TC CO OM M 發(fā)發(fā)展展趨趨勢(shì)勢(shì)近十多年來(lái)，世界范圍內(nèi)有關(guān) STATCOM 的研究和應(yīng)用有了長(zhǎng)足的進(jìn)步和發(fā)展，縱觀近年來(lái)建設(shè)的這些項(xiàng)目和投運(yùn)裝置，具有如下的發(fā)展趨勢(shì):(1)更大容量如 100Mvar-200Mvar 的 STATCOM 主電路的研究。為了加強(qiáng) 500kV 網(wǎng)絡(luò)的電壓調(diào)節(jié)能力，對(duì)百兆乏級(jí) STATCOM 的需求將更大，由于開(kāi)關(guān)元器件如 IGBT, IGCT 的單管容量限制，必須采用多重化連接或其他方式來(lái)增大裝置容量和提高裝置的耐壓水平，為此需要

42、對(duì)更大容量 STATCOM 的主電路進(jìn)行深入研究。(2) STATCOM 在異常狀態(tài)下的行為及新的保護(hù)和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究。由于 STATCOM 的最終目的是用于改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因此要求在系統(tǒng)異常情況下仍安全、可靠地運(yùn)行，并且提供所需的無(wú)功支持。但是當(dāng)系統(tǒng)電壓幅值、相位發(fā)生很大的突變或系統(tǒng)電壓存在較大的不平衡度時(shí)，STATCOM 又可能出現(xiàn)過(guò)電流。目前采用的措施是當(dāng)系統(tǒng)異常導(dǎo)致裝置發(fā)生過(guò)電流時(shí)，立即封鎖脈沖以保證裝置的安全，等系統(tǒng)電壓變化趨于緩和時(shí)再重新投入運(yùn)行，因此為了加強(qiáng) STATCOM 對(duì)系統(tǒng)電壓變化的跟蹤能力，充分發(fā)揮它的作用，需要系統(tǒng)地研究 STATCOM 在異常情況下的行為及其相應(yīng)的

43、保護(hù)對(duì)策。另外為了保證 STATCOM 在系統(tǒng)中的可靠運(yùn)行，還需加強(qiáng)對(duì) STATCOM 的監(jiān)測(cè)，尤其是遙控監(jiān)測(cè)，以便及時(shí)掌握裝置的安全狀態(tài)。(3) STATCOM 布點(diǎn)優(yōu)化規(guī)劃、多個(gè) STATCOM 協(xié)調(diào)控制與其他控制器綜合控制研究。為了充分發(fā)揮 STATCOM 在系統(tǒng)中的作用，需要對(duì) STATCOM 的裝設(shè)地點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化，以提高系統(tǒng)的性能投資比;另外，由于電力系統(tǒng)是個(gè)統(tǒng)一的、元件間相互耦合的整體，當(dāng)裝設(shè)多個(gè) STATCOM 時(shí)，則要求當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，各 STATCOM 裝置以及其他裝置除了要維持自身的安全和穩(wěn)定，還必須盡可能多地為全系統(tǒng)的安全和動(dòng)態(tài)性能的改善做出貢獻(xiàn)，至少不惡化中國(guó)礦業(yè)大學(xué)

44、2009 屆本科畢業(yè)論文 第 11 頁(yè)全系統(tǒng)的安全和動(dòng)態(tài)性能，這樣就需要研究多個(gè) STATCOM 的協(xié)調(diào)控制以及與其它控制器的綜合控制。(4) STATCOM 控制方法的研究。在理論研究方面，STATCOM 的控制方法目前己有 PI 控制、基于微分幾何的非線性控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和魯棒控制等。由于 PI 控制的參數(shù)很難整定，所以也很難滿足裝置的實(shí)時(shí)性。而基于微分幾何的非線性控制雖然取得了較以前更好的效果，但它需要復(fù)雜的坐標(biāo)變換，對(duì)數(shù)學(xué)基礎(chǔ)要求較高，不利于工程中的廣泛應(yīng)用。基于專(zhuān)家系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有學(xué)習(xí)功能的控制器，在多目標(biāo)問(wèn)題上也取得了重大的突破，但也存在某一運(yùn)行點(diǎn)控制效果無(wú)法超越訓(xùn)練器，難以進(jìn)行在線

45、訓(xùn)練，難以選擇最恰當(dāng)?shù)钠谕尤朦c(diǎn)電壓以及無(wú)法實(shí)現(xiàn)控制誤差的實(shí)時(shí)反饋。1.7 本文研究的主要內(nèi)容(1) STATCOM 研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)(2) 無(wú)功功率的產(chǎn)生和危害無(wú)功功率是為了建立交變磁場(chǎng)和感應(yīng)磁通。主要危害有：引起線路電壓損耗增大，使設(shè)備及線路損耗增加和增加設(shè)備容量。(3) STATCOM 的工作原理和數(shù)學(xué)模型(4) STATCOM 的控制策略和無(wú)功功率的檢測(cè)方法本論文采用了瞬時(shí)無(wú)功功率理論的檢測(cè)方法，控制策略采用了間接電流控制。(5) 基于 PSCAD/EMTDC 的 STATCOM 仿真通過(guò)在 EMTDC/PSCAD 環(huán)境下進(jìn)行了仿真分析， 得出仿真后的波形。仿真結(jié)果表明 STATCO

46、M 能夠?qū)ω?fù)荷進(jìn)行快速地?zé)o功補(bǔ)償，證實(shí)本模型算法的合理性、正確性，具有一定的參考價(jià)值。2 S ST TA AT TC CO OM M 的工作原理及數(shù)學(xué)模型2.1 STATCOM 的基本電路結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的以 TCR 為代表的 SVC 裝置相比，STATCOM 的調(diào)節(jié)速度更快，運(yùn)行范圍寬，而且在采取多重化、多電平、PWM 技術(shù)和鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)等措施后可大大減少補(bǔ)償電流中諧波的含量。更重要的是，STATCOM 使用的電抗器和電容元件遠(yuǎn)比 SVC 中使用的電抗器和電容元件要小，可大大縮小裝置中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2009 屆本科畢業(yè)論文 第 12 頁(yè)的體積。而且，考慮到電力電子器件成本有大幅度降低的趨勢(shì)，使用小參數(shù)的

47、電容和電抗也將降低裝置的成本。正是因?yàn)?STATCOM 具有如此優(yōu)越的性能，所以它代表著動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置的發(fā)展方向。STATCOM 的基本工作原理是將電壓型逆變橋電路直接或者通過(guò)電抗與公用電網(wǎng)連接起來(lái)，然后通過(guò)調(diào)節(jié)逆變橋交流側(cè)輸出電壓的相位和幅值，或通過(guò)直接控制交流側(cè)電流，使逆變橋電路吸收或者發(fā)出需要的無(wú)功電流，達(dá)到動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償?shù)哪康摹?(a)采用電壓型橋式電路 (b)采用電流型橋式電路圖 2-1 STATCOM 基本電路結(jié)構(gòu)根據(jù)直流側(cè)電氣元件不同，STATCOM 可分為基于電壓型逆變器和基于電流型逆變器等兩種類(lèi)型。其電路基本結(jié)構(gòu)如圖 2-1 所示。對(duì)于電壓型橋式電路，其直流側(cè)以電容作為儲(chǔ)能元

48、件，將直流電壓逆變?yōu)榻涣麟妷?，通過(guò)串聯(lián)電抗并入電網(wǎng)，其中串聯(lián)電抗起到阻尼過(guò)電流、濾除紋波的作用;對(duì)于電流型橋式電路，其直流側(cè)以電感作為儲(chǔ)能元件，將直流電流逆變?yōu)榻涣麟娏魉腿腚娋W(wǎng)，并聯(lián)于交流側(cè)的電容可以吸收換相產(chǎn)生的過(guò)電壓。我們知道，在平衡的三相系統(tǒng)中，三相瞬時(shí)功率的和是一定的，在任何時(shí)刻都等于三相總的有功功率。因此總的看來(lái)，在三相系統(tǒng)的電源和負(fù)載之間沒(méi)有無(wú)功功率的往返，各相的無(wú)功能量是在三相之間來(lái)回往返的。而STATCOM 正是將三相的無(wú)功功率統(tǒng)一以來(lái)進(jìn)行處理的，所以理論上說(shuō)，STATCOM 的橋式變流電路的直流側(cè)可以不設(shè)無(wú)功儲(chǔ)能元件。但實(shí)際上由于諧波的存在，使得總體看來(lái)，電源和 STATCO

49、M 之間會(huì)有少許無(wú)功能量的往返。所以，為維持 STATCOM 的正常工作，其直流側(cè)仍需一定大小的電容或電感作為儲(chǔ)能元件，但所需儲(chǔ)能元件的容量遠(yuǎn)比 STATCOM 所能提供的無(wú)功容量要小。而對(duì)傳統(tǒng)的 SVC 裝置，其所需儲(chǔ)能元件的容量至少要等于其所提供的無(wú)功功率的容量。因此，STATCOM 中儲(chǔ)能元件的體積和成本比同容量的 SVC 要小的多。在實(shí)際運(yùn)行中，由于電流型橋式電路效率比較低，而且發(fā)生短路故障時(shí)中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2009 屆本科畢業(yè)論文 第 13 頁(yè)危害比較大，所以迄今投入實(shí)用的 STATCOM 大都采用電壓型橋式電路，因此 STATCOM 往往專(zhuān)指采用換相的電壓型橋式電路作為動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償?shù)?/p>

50、裝置。本文也將只針對(duì)采用自換向電壓型逆變器的 STATCOM 為對(duì)象進(jìn)行研究。2.2 STATCOM 的工作原理以采用電壓型橋式電路的 STATCOM 為例，其基本工作原理簡(jiǎn)而言之就是通過(guò)適當(dāng)調(diào)節(jié)橋式電路交流側(cè)輸出電壓的相位和幅值，或者直接控制其交流側(cè)電流，從而吸收或發(fā)出滿足要求的無(wú)功電流，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償?shù)哪康摹TATCOM 的工作原理可以用如圖 2-2 所示的單相等效電路來(lái)說(shuō)明。由于 STATCOM 正常工作時(shí)就是通過(guò)電力半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)的通斷將直流側(cè)電壓轉(zhuǎn)換成交流側(cè)與電網(wǎng)同頻率的輸出電壓，類(lèi)似于一個(gè)電壓型逆變器，只不過(guò)其交流側(cè)輸出接的不是無(wú)源負(fù)載，而是電網(wǎng)。（a）單相等效電路 (b)電流超前

51、 (c)電流滯后圖 2-2 STATCOM 等效電路及工作原理(不考慮損耗)因此，當(dāng)僅僅考慮基波頻率時(shí)，STATCOM 可以等效地被看作是幅值和相位均可以控制的一個(gè)與電網(wǎng)同頻率的交流電壓源，通過(guò)交流電抗器接到電網(wǎng)上。電網(wǎng)電壓和 STATCOM 輸出的交流電壓分別用相量和，表SUIU示，則連接電抗 X 上的電壓即為、和的相量差，而連接電抗的電LUSUIU流是由其電壓來(lái)控制的。這個(gè)電流就是 STATCOM 從電網(wǎng)吸收的電流 I。因此，改變 STATCOM 交流側(cè)輸出電壓的幅值及其相對(duì)于的相位，IUSU就可以改變連接電抗上的電壓，從而控制 STATCOM 從電網(wǎng)吸收電流的相位和幅值，也就控制了 ST

52、ATCOM 吸收無(wú)功功率的性質(zhì)和大小。中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2009 屆本科畢業(yè)論文 第 14 頁(yè)在圖 2-2 的等效電路中，將連接電抗器視為純電感，沒(méi)有考慮其損耗以及變流器的損耗，因此不必從電網(wǎng)吸收有功能量。在這種情況下，只需要使和同相，僅改變的幅值大小即可控制 STATCOM 從電網(wǎng)吸收的電IUSUIU流 I 是超前還是滯后，并且能控制該電流的大小。如圖 2-3 所示，當(dāng)90大于時(shí)，電流超前電壓，STATCOM 吸收感性的無(wú)功功率。IUSU90考慮到連接電抗器的損耗和變流器本身的損耗(如管壓降、線路電感)，并將總的損耗集中作為連接電抗器的電阻考慮，則 STATCOM 的實(shí)際等效電路和電流分別超前、

53、滯后工作的相量圖如圖 2-3 所示。(a)單相等效電路 (b)電流超前 (c)電流滯后圖 2-3 STATCOM 等效電路及工作原理(考慮損耗)這種情況下，變流器電壓與電流 I 仍相差。因?yàn)樽兞髌鳠o(wú)需有功IU90能量。而電網(wǎng)電壓與電流 I 的相差不再是，而是比小了角，因SU9090此電網(wǎng)提供了有功功率來(lái)補(bǔ)充電路中的損耗，也就是說(shuō)相對(duì)于電網(wǎng)電壓來(lái)講，電流 I 中有一定量的有功分量。這個(gè)角也就是變流器電壓與電網(wǎng)IU電壓的相位差。改變這個(gè)相位，并且改變的幅值，則產(chǎn)生的電流 I 的SUIU相位和大小也就隨之改變，STATCOM 從電網(wǎng)吸收的無(wú)功功率也就因此得到調(diào)節(jié)。 在圖 2-3 中，將變流器本身的損

54、耗也歸算到了交流側(cè)，并歸入連接電抗器電阻中統(tǒng)一考慮。實(shí)際上，這部分損耗發(fā)生在變流器內(nèi)部，應(yīng)該由變流器從交流側(cè)吸收一定的有功能量來(lái)補(bǔ)充。因此，實(shí)際上變流器交流側(cè)電壓與電流 I 的相位差并不是嚴(yán)格的。而是比略小一些。IU9090 如圖 2-3 (b)和(c)所示，STATCOM 分別工作在容性工況和感性工況。中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2009 屆本科畢業(yè)論文 第 15 頁(yè)圖中，是和之間的相位差，以滯后為正。為等效電抗器的SUIUSUIU阻抗角，為等效阻抗器的兩端電壓。LUSTATCOM 從系統(tǒng)吸收容性或感性無(wú)功功率的計(jì)算公式為， （2-1）23sin22SUQR當(dāng)滯后于時(shí)( 0)， STATCOM 工作于感性

55、工況，此時(shí)電流 I 滯IUSU后于系統(tǒng)電壓, STATCOM 從系統(tǒng)吸收感性無(wú)功功率。SU 通過(guò)控制的大小，可以動(dòng)態(tài)平滑地調(diào)節(jié) STATCOM 吸收的感性或容性無(wú)功功率的大小。由圖中還可以看出，因?yàn)樽兞髌鳠o(wú)需有功能量，所以不管是容性工況還是感性工況，都與 I 保持垂直。由于電網(wǎng)需要提供有IU功功率來(lái)補(bǔ)充 STATCOM 電路中的有功損耗以及維持直流側(cè)電容電壓的穩(wěn)定，所以電網(wǎng)電壓與電流 I 則不再保持，而是比小了角。9090通過(guò)對(duì) STATCOM 工作原理的分析，可以知道 STATCOM 的伏安特性如圖 2-4 所示。圖 2-4 STATCOM 的伏安特性通過(guò)改變控制系統(tǒng)的參數(shù)(電網(wǎng)電壓的參考值

56、)可以使伏安特性上下refU移動(dòng)。與傳統(tǒng)的 SVC 伏安特性不同的是，當(dāng)電網(wǎng)電壓下降，補(bǔ)償器的伏安特性向下調(diào)整時(shí)，STATCOM，可以通過(guò)調(diào)整其變流器交流側(cè)電壓的幅值和相位，以使其所能提供的最大無(wú)功電流和維持不變，其值僅受電maxCImaxLI力半導(dǎo)體器件的電流容量的限制。而對(duì)于傳統(tǒng)的 SVC，由于其所能提供的中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2009 屆本科畢業(yè)論文 第 16 頁(yè)最大電流分別受其并聯(lián)電抗器和并聯(lián)電容器的阻抗特性限制，隨著電網(wǎng)電壓的降低反而減小。因此，STATCOM 的運(yùn)行范圍比傳統(tǒng)的 SVC 大，SVC的運(yùn)行范圍是向下收縮的三角形區(qū)域，而 STATCOM 的運(yùn)行范圍是上下等寬的近似矩形的區(qū)域，這

57、是 STATCOM優(yōu)越與傳統(tǒng) SVC 的一大特點(diǎn)。另外，對(duì)于那些以輸電補(bǔ)償為目的的 STATCOM 來(lái)說(shuō)，如果直流側(cè)采用較大的儲(chǔ)能電容，或者其他直流電源(如蓄電池組等)，則 STATCOM 還可以在必要時(shí)短時(shí)間內(nèi)向電網(wǎng)提供一定量的有功功率。這對(duì)于電力系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是非常有益的，而又是傳統(tǒng) SVC 裝置所望塵莫及的。2.3 STATCOM 的數(shù)學(xué)模型的建立電力系統(tǒng)是一個(gè)由發(fā)電機(jī)、變壓器、輸配電線路和用電設(shè)備等很多單元組成的復(fù)雜系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)中所有元件的動(dòng)態(tài)特性和系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、參數(shù)、運(yùn)行工況以及控制有著緊密的關(guān)系，建立 STATCOM 的模型是研究中最重要的一環(huán)。如果沒(méi)有精確的數(shù)學(xué)模型，要對(duì) STATCO

58、M 進(jìn)行深入了解是非常困難的，因而要設(shè)計(jì)出優(yōu)越的控制器也是很難的。對(duì)于一個(gè)物理對(duì)象的建模方法大致可以分為兩種:輸入-輸出建模法和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)建模法。一般的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)建模法建立的微分方程，分別求解，建立裝置的數(shù)學(xué)模型是非常復(fù)雜的，特別是當(dāng)開(kāi)關(guān)器件數(shù)量很多時(shí)，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)急劇上升，按照拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)分析非常困難。實(shí)際研究中，我們更關(guān)心的是裝置的輸入-輸出特性，為此我們要建立輸入-輸出特性的數(shù)學(xué)模型，而對(duì)裝置中某個(gè)開(kāi)關(guān)器件某時(shí)刻的電流，并不是很關(guān)心，只要保證該電流不超過(guò)開(kāi)關(guān)器件允許的電流，不會(huì)導(dǎo)致裝置異常或故障就可以了。為此我們采用輸入-輸出的建模方法來(lái)建立STATCOM 的數(shù)學(xué)模型，這種數(shù)學(xué)模型對(duì)十 STATC

59、OM 裝置用十電力系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償控制已經(jīng)足夠精確了。圖 2-5 為 STATCOM 裝置原理接線圖，為建立數(shù)學(xué)模型，先做如下假設(shè):(1)將 STATCOM 裝置中各種損耗及電阻包括開(kāi)關(guān)器件(如 GTO、二極管)的導(dǎo)通電阻用等效電阻表示，如圖中 R，變壓器漏電感及線路電感用等效電感表示，如圖中 L;(2)由十 STATCOM 裝置輸出電壓由多個(gè)單相橋疊加而成，諧波含量低，因此只考慮 STATCOM 輸出電壓的基波分量而忽略諧波分量。中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2009 屆本科畢業(yè)論文 第 17 頁(yè)圖 2-5 STATCOM 裝置原理接線圖基于上面的假設(shè)及單相橋輸出電壓的表達(dá)式可以得到 STATCOM 裝置變流器

60、總的輸出電壓為 （2-2）sin()sin(2 /3)sin(2 /3)cadccbdcccdcuKutuKutuKut其中 K 為比例系數(shù)，為 STATCOM 輸出電壓與系統(tǒng)電壓的夾角，為可控量。而系統(tǒng)三相電壓為 （2-3）2sin()2sin(2 /3)2sin(2 /3)sassbsscsuUtuUtuUt根據(jù) STATCOM 裝置的原理圖，可以列出 STATCOM 裝置的 abc 三相動(dòng)態(tài)方程: （2-4） acasaabcbsbbcccsccditLututRitdtditLututRitdtditLututRitdt將（2-2）和（2-3）代入得：（2-5） sin2sinsin2