配电系统STATCOM的数学模型及其仿真-王书强

配电系统STATCOM的数学模型及其仿真王书强（华中科技大学，电气与电子工程学院，湖北武汉）MathematicalModelandSimulationofDistributionsystemsSTATCOMShuqiangWang(SEEE，HuaZhongUniversityofScienceandTechnology,Wuhan,China)ABSTRACT:Inthispaper,thenecessityofthereactivepowercompensationandthemeritsofSTATCOMarefirstlyanalyzed.Secondly,theprincipleofSTATCOMisintroduced.CombinewiththemathematicalmodeofSTATCOM,introducedthedirectcurrentcontrolmethod.Atlast,buildthemodelofSTATCOMandthroughthefigurecontrast，thefeasibilityandeffectivenessofthismethodisverified．KEYWORDS:STATCOM;mathematicalmode;thedirectcurrentcontrol;摘要：首先分析了无功补偿的必要性以及STATCOM作为无功补偿器的先进性，介绍静止式无功补偿发生器(STATCOM)的工作原理。结合STATCOM的数学模型，介绍了直接电流控制的方法。最后建立STATCOM仿真模型，通过图形对比，验证了直接电流控制的STATCOM的可行性和有效性。1研究背景以及意义近年来，随着我国经济社会的快速发展，在各个工业领域，大的工程相继建成，大型生产设备和设备的单机容量不断增加。很多企业耗电量巨大，负荷呈非线性和冲击性，引发了多种电能质量问题，主要包括功率因数低，谐波含量高，三相不平衡，功率冲击，电压闪变和电压波动。与此同时,各种复杂的精密设备对电能质量非常敏感,生产过程的自动化和智能化,对电能质量也提出了更高的要求,因此,电力部门与用户对电能质量的改善提出了迫切需求。作为提高电能质量的重要一环,无功功率的补偿对供电和用电设备的安全可靠运行、提高功率因数、降低电路损耗、减少设备容量等方面发挥了显著作用。我国电网的建设和运行中长期存在的一个问题是无功补偿容量不足和配备不合理，特别是可调节的无功容量不足，快速响应的无功调节设备更少。动态无功补偿是一种提高电压稳定性的经济、有效的措施，是促进电网安全稳定和战略防御的客观需求。因此动态无功补偿技术己成为电力电子技术和电力系统研究领域所面临的一个重大课题，正在受到越来越多的关注。1.1无功补偿的作用及发展无功功率对供电系统和负载的运行都十分重要，电力系统中的网络元件和负载所需要的无功功率必须从网络中某个地方获得。显然，这些无功功率如果都要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。合理的方法应当是在需要消耗无功功率的地方产生无功功率来补偿无功功率的损耗。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。在长距离输电线中合适的地点设置动态无功补偿装置还可以改善输电系统的稳定性，提高输电能力。（3）在一些三相负载不平衡的情况下，通过适当的无功补偿可以平衡三相的有功功率及无功负荷。无功补偿应包含对基波无功功率的补偿和对谐波无功功率的补偿，由于无功补偿具有上述重要的作用，因此对于无功补偿技术进行研究具有相当重要的实际意义。早期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，不能动态的跟踪无功功率的变化，而调相机和同步发电机等补偿设备又属于旋转设备，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，所以这些设备己经越来越不适应电力系统发展的需要。柔性交流输电系统(FlexibleACTransmissionSystem)是随着电力电子技术的发展及其在电力系统中的广泛应用而产生的。目前基于FACTS技术且应用于无功补偿最为广泛的是静止无功补偿器(SVC)。SVC常用的有以下几种形式：固定电容加晶闸管控制电抗器型(FC+TCR)、晶闸管开关电容器型(TSC)、饱和电抗器型(SR)以及混合型(TCR+TSC)。FC+TCR型补偿器由TCR和若干组不可控电容器并联而成。通过控制与电抗器串联的双向晶闸管的导通角，既可以向系统输送感性无功电流，又可以向系统输送容性无功电流。TSC型补偿器由一组并联的电容器组成，每一台电容器都与双向品闸管串联。这里的晶闸管仅起开关的作用，以替代常规电容器所配置的机械式开关。在运行时，根据所需补偿电流的大小，决定投入电容的组数。SR型补偿器中，由饱和电抗器和串联电容器组成的回路具有稳压的特性，能维持连接母线的电压水平(其中的串联电容器是用来校正饱和电抗器伏安特性的斜率），对冲击性负荷引起的电压波动具有补偿作用。与其并联的滤波电路能吸收谐波并校正功率因数。所有形式的SVC都属于并联无功补偿装置，补偿原理都是通过控制品闸管的触发角，改变接入电网中的等效电纳，从而达到调节输出无功的目的。但这些SVC设备之所以能产生感性无功功率，依靠的仍然是其中的电容器。这就导致SVC与静电电容器有着同样不可逾越的障碍，即当电压水平过于低下，急需无功补偿时，补偿器的输出反而会减少。随着全控型电力电子器件GTO,IGBT,IGCT等的发展，一种新型的无功补偿装置—静止无功发生器(StaticVarGenerator，SVG)发展起来，它也称为高级静止无功发生器(AdvancedStaticVarGenerator，ASVG)或静止无功调相(StaticSynchronousCompensator，STATCOM)。它作为FACTS家族的重要成员得到了广泛的研究与应用。之所以如此，主要是为了解决大的、冲击性负荷如电弧炉、轧钢机等所带来的大的无功潮流以及电压波动等问题，以便快速、连续、大容量地向系统提供无功功率，提高系统稳定性和安全性。所谓STATCOM在本文中专指由自换相电力半导体桥式变流器来进行动态无功补偿的装置。采用电力半导体变流器实现无功补偿思想早在上世纪70年代就已有人提出。1972年日本就发表了用强迫换相的品闸管桥式电路作为调相装置的研究论文。1976年，美国学者L_Gyugyi在其论文提出用电力半导体变流器进行无功补偿的各种方案。它的原理和控制方法与SVC有很大不同。它是将白换相桥式电路通过电阻和电抗器（包括变压器的漏抗与电路中其他电抗），或者直接并联在电网上，根据输入系统的无功功率和有功功率的指令，适当地调节桥式电路交流侧输出电压的幅值和相位，或者直接控制其交流侧电流就可以使该电路吸收或者发出满足系统所要求的无功电流，实现动态无功补偿的目的。1.2STATCOM的优点、现状和发展1.2.1STATCOM的优点新型静止无功发生器（STATCOM），是现代柔性交流输电系统（FACTS）的重要组成部分，它主要由基于GTO或IGBT的电压型逆变器和直流电容这两部分构成，和其它常规的无功补偿装置相比，具有以下优点：（1）采用数字控制技术，系统可靠性高，维护费用低;同时，可通过调度中心实现无功潮流和电压最优控制，是建设中的数字电力系统的组成部分;（2）控制灵活、调节范围广，在感性和容性运行情况下均可连续快速调节无功功率，响应速度快;（3）静止运行，安全稳定，没有大型转动设备，磨损及机械噪声小，这大大提高装置的寿命，改善环境影响;（4）连接电抗小。STATCOM并入电网的连接电抗，除连接作用外，其主要作用是滤除较高次谐波，因此所需的电感量并不大，远小于补偿容量相同的TCR等SVC装置所需的电感量，如果使用变压器将STATCOM并入电网，则还可以利用变压器的漏抗，所需的连接电抗器将进一步减小:（5）STATCOM中的电容器容量小，在电网中普遍使用也不会产生谐振，而使用SVC或固定电容器补偿，如果系统安装台数较多，有可能导致系统谐振的产生。这样也可以省去大电感和大电容及其庞大的切换机构，使STATCOM装积小，损耗低;（6）STATCOM的直流侧的储能电容，不仅可以调节系统的无功功率，还可以部分调节系统的有功功率，这对电网来说是非常有益的；（7）谐波含量小。在多种型式的SVC装置中，SVC本身产生一定量的谐波，如TCR型的5，7次特征谐波量比较大，占基波值的5%一10%，这给SVC系统的滤波器设计带来许多困难，而在STATCOM中则完全可以采用桥式交流电路的多重化技术、多电平技术或PWM技术来进行处理，以消除次数较低的谐波，并使较高次数的谐波减小到可以接受的程度；（8）对系统电压进行瞬时补偿，既使系统电压降低，它仍然可以维持最大无功电流;即STATCOM产生无功电流基本不受系统电压的影响;（9）STATCOM的端电压对外部系统的运行条件和结构变化是不敏感的。当外部系统容量与补偿装置容量变化时，SVC将会变得不稳定，而STATCOM仍然可以保持稳定，即输出稳定的系统电压。正因为上述优点，STATCOM作为一种新型的动态无功功率调节装置，己经成为现代无功补偿装置的发展方向，成为国内外电力系统行业的重点研究课题之一。1.2.2STATCOM研究现状目前，从装置研究现状来看，在国外，静止无功发生器在日本、美国、欧洲等少数发达国家和地区己经得到了应用。1980年1月，日本关西电力公司与三菱电机公司共同研制并投入运行了世界上首台SVG样机，它采用了晶闸管强迫换相桥式电路的电压型逆变器，容量为20Mvar。1986年10月，由美国国家电力研究院和西屋公司研制成士1Mvar的世界上首台采用大功率GTO作为逆变器元件的SVG实验装置，并成功进行了现场试验。之后，日本关西电力公司与三菱电机公司又采用GTO晶闸管研制了士80Mvar的SVG装置，于1991年在犬山变电站投运。美国国家电力研究院与田纳西电力局、西屋电气公司合作，在TVA电力系统的Sullivan500kv变电站建造了士10OMvar的SVG装置，于1996年10月投运。1993年3月，东京电力分别与东芝公司和日立公司开发的2台士50Mvar的SVG装置在东京所属新信浓变电所投入使用。1997年，德国西门子公司开发研制单机容量为5Mvar的SVG装置，并安装在丹麦的RejsbyHede风场。法国的ALSTOM公司也研制了高压大容量的SVG装置并在电力系统中实际运行。以上是有关SVG的实际装置用于改善电网性能的介绍。而在国内，这一领域的研究起步较晚，华北电力大学曾研制出强迫换相的可控硅元件无功发生器实验装置，东北电力大学研制了GTO器件的SVG实验装置。1994年研制大容量SVG被列为电力部重点科研攻关项目。清华大学与河南电力局联合开发的士20Mvar的SVG装置于1999年3月在河南洛阳220kV朝阳变电站并网成功。另外，国家电力公司南京自动化研究院在2001年也研制了500kVA的SVG装置。1.3.3STATCOM发展趋势20世纪90年代以来，世界范围内有关STATCOM的研究和应用有了长足的进步和发展。综观近几年来建设的这些项目和投运装置，可发现:（1）STATCOM的主电路由早期的以多重化的方波变流器为主要形式，已发展为以PWM变流器为主要形式。多重化技术仍被广泛采用，但大都与多电平PWM变流器相结合，包括二极管箱位型和H桥级联型多电平变流器，以减少耦合变压器的使用。有的采用单台多电平PWM变流器的SVG装置容量己达到几十兆安。（2）STATCOM的变流器中所采用的电力半导体器件己由早期的以GTO为主，正逐步发展为趋向于采用IGBT和IGCT(集成门级换相晶闸管)。（3）STATCOM的补偿目标已由早期的以对输电系统的补偿为主，扩展到了对配电系统补偿，甚至负荷补偿的各个层次。在配电系统补偿和负荷补偿这两个层次，再加上采用基于GTO或者IGBT性能更好的器件PWM整流器，这