1、i本科毕业论文（20 届）基于 PSCAD 的 STATCOM 对电力系统短路故障影响仿真分析所在学院专业班级 电气工程及其自动化学生姓名指导教师完成日期ii目 录绪论 .11.本文研究的主要目的及意义 .11.1 论文研究背景和研究的意义 .11.2 本文研究的主要内容 .22 STATCOM 的工作原理及数学模型 .32.1 STATCOM 的基本电路结构 .32.2 STATCOM 的工作原理 .42.3 STATCOM 的数学模型的建立 .83 无功功率检测方法和 STATCOM 的控制策略 .113.1 无功功率检测方法 .113.1.1 d-q 矢量变换理论 .123.1.2 三相
2、对称系统的瞬时无功功率 .143.2 STATCOM 装置的控制方法 .163.2.1 直接电流控制 .163.2.2 间接电流控制 .173.2.3 电流间接与直接控制的特点 .184 STATCOM 的仿真 .194.1 仿真的主接线图 .194.2 仿真的主控制电路图 .194.3 仿真的调制电路图 .214.4 各仿真的波形图 .224.5 本章小结 .235 总结与展望 .235.1 结论 .235.2 展望 .24参考文献： .25致 谢 .27iiiDirectoryIntroduction .11 The main purpose and significance of thi
3、s study .11.1Research background and significance of the research.11.2The main contents of this paper .22 The working principle and mathematical model of STATCOM .32.1 STATCOM basic circuit structure .32.2 Working principle of STATCOM.42.3 The establishment of STATCOM model .83 Reactive power detect
4、ion and STATCOM control strategy .113.1 Reactive power detection method .113.1.1 D-q vector transformation theory.123.1.2 Instantaneous reactive power for three-phase symmetric systems.143.2 STATCOM control method .163.2.1 Direct current control .163.2.2 Indirect current control.173.2.3 The characte
5、ristics of indirect current and direct control.184 STATCOM simulation.194.1 Main wiring diagram of simulation.194.2 Master control circuit diagram of simulation.194.3 Simulation modulated circuit diagram .214.4 Simulation waveform chart .224.5 Summary of this chapter .235 Summary and Prospect.235.1
6、Conclusion.235.2 Outlook.24Reference： .25Thanks .27I基于 PSCAD 的 STATCOM 对电力系统短路故障影响仿真分析摘 要 ： 电 能 质 量 的 问 题 ， 尤 其 是 无 功 功 率 和 谐 波 的 问 题 ， 严 重 威 胁 着 电 网 的 安 全 运 行 。 静 止 同步 补 偿 器 （ STATCOM） 作 为 新 一 代 无 功 功 率 补 偿 装 置 ， 它 与 现 有 的 静 止 无 功 补 偿 装 置 (SVC)相 比 ， 具 有 调 节 速 度 更 快 、 运 行 范 围 更 宽 、 吸 收 无 功 连 续 、 谐 波
7、 电 流 小 、 损 耗 低 、 所 用 电 抗 器和 电 容 器 容 量 及 安 装 面 积 大 为 降 低 等 优 点 ， 引 起 了 国 内 外 科 研 与 工 程 领 域 的 广 泛 关 注 。 论 文 通过 对 STATCOM 的 现 状 和 发 展 趋 势 的 分 析 ， 结 合 无 功 的 产 生 和 影 响 以 及 分 析 无 功 补 偿 的 意 义 ，进 行 了 针 对 STATCOM 工 作 原 理 的 研 究 ， 并 建 立 了 STATCOM 的 数 学 模 型 ， 采 用 基 于 瞬 时 无 功 功率 理 论 的 检 测 方 法 ， 选 择 合 适 的 控 制 策 略
8、 ， 在 PSCAD 环 境 下 进 行 了 仿 真 分 析 ， 得 出 仿 真 后 的波 形 。 仿 真 结 果 表 明 STATCOM 能够对负荷进行快速地无功补偿，证实了本模型算法的合理性、正确性，具有一定的参考价值。关键词：无功补偿； 静止同步补偿器；瞬时无功； PSCAD/EMTDC；lIISimulation and analysis of the short-circuit fault of power system based on STATCOM PSCADAbstract The problem of electric energy quality menaces seri
9、ously 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 existing static idle work compensation system (SVC), has the adjustable speed to be quicker,
10、 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 merits greatly, has caused the domestic and foreign scientific research and the project domain wi
11、despread 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 conducted the STATCOM principle of work research, and has established the STATCOM mathematical model
12、, uses based on the instant reactive power theory examination method, chooses the appropriate control policy, has carried on the simulation analysis under the PSCAD environment, after obtaining the simulation profile. The simulation result indicated that STATCOM can shoulder carries on fast the idle
13、 work compensation, confirmed that this model algorithms rationality, the accuracy, have certain reference value.Keywords: Reactive power compensation; STATCOM; Instantaneous reactive; PSCAD/EMTDC;1绪论近 年 来 ， 随 着 经 济 的 快 速 发 展 ， 我 国 的 电 力 工 业 也 取 得 了 前 所 未 有 的 成 就 。 目前 ， 我 国 电 力 系 统 的 装 机 容 量 及 发 电 量
14、 均 居 世 界 第 二 ， 业 已 形 成 了 华 东 、 华 北 、 华中 、 东 北 、 西 北 、 南 方 六 大 区 域 网 和 山 东 、 福 建 两 个 省 网 。 随 着 以 三 峡 水 电 站 为 代表 的 一 批 新 兴 发 电 工 程 的 开 发 ， 以 及 超 高 压 、 大 容 量 、 远 距 离 输 电 技 术 的 发 展 ， 全国 各 大 电 网 互 联 ， 直 至 出 现 全 国 性 的 大 联 网 已 成 为 必 然 的 趋 势 。随 着 电 力 工 业 的 发 展 ， 电 力 电 子 装 置 的 应 用 日 益 广 泛 ， 电 网 中 的 谐 波 污 染 也
15、 日趋 严 重 。 另 外 ， 大 多 数 的 电 力 电 子 装 置 功 率 因 数 很 低 ， 也 给 电 网 带 来 了 额 外 负 担 ，并 且 影 响 着 供 电 质 量 。 因 此 ， 如 何 抑 制 谐 波 和 对 无 功 功 率 进 行 补 偿 已 经 成 为 电 力 电子 技 术 、 电 气 自 动 化 技 术 以 及 电 力 系 统 研 究 领 域 所 面 临 的 一 个 重 大 课 题 。静 止 同 步 补 偿 器 (Static Synchronous Compensator， 简 称 STATCOM )， 是 柔 性交 流 输 电 系 统 (FACTS)中 的 重 要
16、 成 员 之 一 ， 具 有 实 时 检 测 和 补 偿 无 功 功 率 、 支 撑 网络 节 点 电 压 、 补 偿 高 次 谐 波 等 功 能 。 本 文 将 重 点 对 基 于 新 型 电 力 电 子 器 件 IGCT ( Integrated Gate Commute Thyristor)的 STATCOM 主 电 路 结 构 进 行 深 入 研 究 ， 为STATCOM 的 大 容 量 和 实 用 化 寻 求 合 适 的 解 决 方 案 。1.本文研究的主要目的及意义1.1 论文研究背景和研究的意义在 电 力 系 统 中 ， 由 于 电 感 、 电 容 元 件 的 存 在 ， 系 统
17、 中 不 仅 存 在 着 有 功 功 率 ， 而且 存 在 无 功 功 率 。 无 功 功 率 的 存 在 对 于 电 力 系 统 和 负 荷 的 运 行 都 非 常 重 要 ， 但 其 传输 不 仅 会 产 生 很 大 的 有 功 损 耗 ， 而 且 沿 着 传 输 途 径 还 会 产 生 很 大 的 电 压 降 落 ， 并 且使 电 网 的 视 在 功 率 增 大 ， 从 而 对 系 统 产 生 一 系 列 不 良 影 响 ， 主 要 可 以 归 纳 为 以 下 几个 方 面 :(1)电 网 总 电 流 增 加 ， 使 电 力 系 统 中 的 元 件 如 变 压 器 等 的 容 量 增 大
18、 ， 从 而 增 加 了投 资 费 用 ， 在 传 送 同 样 有 功 功 率 的 情 况 下 ， 增 加 了 设 备 和 线 路 的 损 耗 。(2)电 网 无 功 容 量 不 足 ， 会 造 成 负 荷 端 供 电 电 压 低 ， 影 响 正 常 生 产 、 生 活 用 电 ;反之 ， 若 无 功 容 量 过 剩 ， 则 造 成 电 网 运 行 电 压 过 高 ， 电 压 波 动 过 大 。(3)降 低 了 电 网 的 功 率 因 数 ， 造 成 大 量 电 能 损 耗 。 当 功 率 因 数 由 0.8 下 降 至 0.6时 ， 电 能 损 耗 提 高 了 将 近 一 半 。为 了 输
19、送 有 功 功 率 ， 需 要 送 电 端 和 受 电 端 有 一 相 位 差 ， 这 可 以 在 相 当 宽 的 范 围内 实 现 ， 而 为 了 输 送 无 功 功 率 ， 则 要 求 两 端 电 压 有 一 幅 值 差 ， 这 只 能 在 很 窄 的 范 围内 实 现 。 不 仅 大 多 数 网 络 元 件 消 耗 无 功 功 率 ， 大 多 数 负 载 也 需 要 消 耗 无 功 。 这 些 无功 功 率 必 须 从 网 络 的 某 个 地 方 获 得 。 显 然 ， 如 果 都 要 由 发 电 机 提 供 并 经 过 长 距 离 传送 是 不 合 理 的 ， 通 常 也 是 不 可
20、能 的 。 合 理 的 方 法 是 在 需 要 无 功 功 率 的 地 方 进 行 补 偿 。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
21、， 通 过 适 当 的 无 功 补 偿 可 平 衡 三 相 的有 功 及 无 功 负 载 。2正 因 为 无 功 补 偿 对 于 提 高 电 网 安 全 运 行 水 平 和 电 能 质 量 有 着 如 此 重 要 的 意 义 ，这 一 技 术 正 越 来 越 受 到 人 们 的 关 注 ， 并 已 成 为 研 究 的 热 点 。 FACTS 是 Flexible AC Transmission System 的 英 文 缩 写 ， 也 可 翻 译 为 灵 活 交 流 输 电 技 术 ， 是 指 装 有电 力 电 子 型 或 其 他 静 止 型 控 制 器 以 加 强 可 控 性 和 增 大 电
22、 力 传 输 能 力 的 交 流 输 电 系 统 ，是 美 国 著 名 电 力 专 家 N.H.Hingorani 博 士 于 1986 年 提 出 的 。 FACTS 技 术 是 利 用 现代 大 功 率 电 力 电 子 技 术 改 造 传 统 交 流 电 力 系 统 的 一 项 重 大 改 革 ， 被 认 为 是 21 世纪 初 可 以 实 施 的 技 术 改 革 措 施 ， 已 成 为 当 今 先 进 国 家 电 力 界 研 究 的 热 点 。 FACTS技 术 (包 括 系 统 应 用 技 术 及 控 制 器 技 术 )己 被 国 内 外 的 一 些 较 权 威 性 的 输 电 技 术
23、 研究 者 和 工 作 组 称 为 “未 来 输 电 系 统 新 时 代 的 三 项 支 撑 技 术 FACTS 技 术 、 先 进 的 控制 中 心 和 综 合 自 动 化 技 术 )之 一 ”， 或 是 “现 代 电 力 系 统 中 的 三 项 具 有 变 革 性 影 响的 前 沿 性 课 题 (柔 性 输 电 技 术 、 智 能 控 制 、 基 于 全 球 卫 星 定 位 系 统 (GPS)的 新 一 代动 态 安 全 分 析 与 监 测 系 统 )之 一 ”。 此 概 念 提 出 后 ， FACTS 技 术 迅 速 成 为 各 国 电 力界 研 究 的 热 点 。 FACTS 技 术
24、是 基 于 电 力 电 子 技 术 改 造 交 流 输 电 的 系 列 技 术 ， 它 对 交流 电 的 无 功 电 压 、 电 抗 和 相 角 可 以 进 行 控 制 ， 从 而 能 有 效 提 高 交 流 系 统 的 安 全 稳 定性 ， 使 传 统 的 交 流 输 电 系 统 具 有 更 高 的 柔 性 和 灵 活 性 ， 使 输 电 线 路 得 到 充 分 利 用 ，以 满 足 电 力 系 统 安 全 、 可 靠 和 经 济 运 行 的 目 标 。本 文 正 是 在 这 一 背 景 下 对 STATCOM 主 电 路 结 构 、 控 制 回 路 以 及 它 的 仿 真 波形 进 行 了
25、 深 入 的 研 究 。1.2 本文研究的主要内容本文的主要研究内容有(1) 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。(2) STATCOM 的工作原理和数学模型(3) 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。(4) 基于 PSCAD/EMTDC 的 STATCOM 仿真通 过 在 EMTDC/PSCAD 环 境 下 进 行 了 仿 真 分 析 ， 得 出 仿 真 后 的 波 形 。 仿 真 结果 表 明 STATCOM 能够对负荷进
26、行快速地无功补偿，证实本模型算法的合理性、正确性，具有一定的参考价值。2 STATCOM 的工作原理及数学模型2.1 STATCOM 的基本电路结构与传统的以 TCR 为代表的 SVC 装置相比，STATCOM 的调节速度更快，运行范围宽，而且在采取多重化、多电平、PWM 技术和链式结构等措施后可大大减少补偿电流中谐波的含量。更重要的是，STATCOM 使用的电抗器和电容元件远比 SVC 中使用的电抗器和电容元件要小，可大大缩小装置的体积。而且，考虑到电力电子器件成本有大幅度降低的趋势，使用小参数的电容和电抗也将降低装置的成本。正是因为STATCOM 具有如此优越的性能，所以它代表着动态无功补
27、偿装置的发展方向。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。3(a)采用电压型桥式电路 (b)采用电流型桥式电路图 2-1 STATCOM 基本电路结构根据直流侧电气元件不同，STATCOM 可分为基于电压型逆变器和基于电流型逆变器等两种类型。其电路基本结构如图 2-1 所示。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
28、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电流送入电网，并联于交流侧的电容可以吸收换相产生的过电压。我们知道，在平衡的三相系统中，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。因此总的看来，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。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，其直流侧仍需一定大小的
29、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，所以迄今投入实用的 STATCOM 大都采用电压型桥式电路，因此 STATCOM 往往专指采用换相的电压型桥式电路作为动态无功补偿的装置。本文也将只针对采用自换向电压型逆变器的 STATCOM 为对象进行研究。2.2 STATCOM 的工作原理以采用电压型桥式电路的 STATCO
30、M 为例，其基本工作原理简而言之就是通过适当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，从而吸收或发出满足要求的无功电流，实现动态无功补偿的目的。STATCOM 的工作原理可以用如图 2-2 所示的单相等效电路来说明。由于STATCOM 正常工作时就是通过电力半导体开关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，类似于一个电压型逆变器，只不过其交流侧输出接的不是无源负载，而是电网。（a） 单相等效电路4(b)电流超前 (c)电流滞后图 2-2 STATCOM 等效电路及工作原理(不考虑损耗)因此，当仅仅考虑基波频率时，STATCOM 可以等效地被看作是幅值和相位
31、均可以控制的一个与电网同频率的交流电压源，通过交流电抗器接到电网上。电网电压和STATCOM 输出的交流电压分别用相量 和 ，表示，则连接电抗 X 上的电压 即SUI LU为 、和 的相量差，而连接电抗的电流是由其电压来控制的。这个电流就是SUISTATCOM 从电网吸收的电流 I。因此，改变 STATCOM 交流侧输出电压 的幅值及I其相对于 的相位，就可以改变连接电抗上的电压，从而控制 STATCOM 从电网吸S收电流的相位和幅值，也就控制了 STATCOM 吸收无功功率的性质和大小。在图 2-2 的等效电路中，将连接电抗器视为纯电感，没有考虑其损耗以及变流器的损耗，因此不必从电网吸收有功
32、能量。在这种情况下，只需要使 和 同相，仅改变IUS的幅值大小即可控制 STATCOM 从电网吸收的电流 I 是超前还是滞后 ，并且能IU 90控制该电流的大小。如图 2-3 所示，当 大于 时，电流超前电压 ，STATCOMIUS 吸收感性的无功功率。考虑到连接电抗器的损耗和变流器本身的损耗(如管压降、线路电感)，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超前、滞后工作的相量图如图 2-3 所示。(a)单相等效电路5(b)电流超前 (c)电流滞后图 2-3 STATCOM 等效电路及工作原理(考虑损耗)这种情况下，变流器电压 与电流 I 仍相差 。
33、因为变流器无需有功能量。而电IU90网电压 与电流 I 的相差不再是 ，而是比 小了 角，因此电网提供了有功功率SU90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 角也就是变流器电压 与电网电压 的相位差。改变这个相位，并且改变I S的幅值，则产生的电流 I 的相位和大小也就随之改变，STATCOM 从电网吸收的无I功功率也就因此得到调节。在图 2-3 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的有功能量来补充。因此，实际上变流器交流侧电压 与电流 I 的相位差并不是严格IU的 。而是比 略小一些。9090如图 2-3 (b)和(c)所示， STATCOM 分别工作在容性工况和感性工况。图中， 是和 之间的相位差，以 滞后 为正。 为等效电抗器的阻抗角， 为等效阻SUI SUILU抗器的两端电压。STATCOM 从系统吸收容性或感性无功功率的计算公式为，（2-1）23sinSUQR当 滞后于 时( 0)， STATCOM 工作于感性工况，此时电流 I 滞后于系统电压 , STATCOM S从系统吸收感性无功功率。通过控制 的大小，可以动态平滑地调节 STATCOM 吸收的感性或容性无功功率
