【正文】 靜止同步補(bǔ)償器的設(shè)計(jì)與仿真 目錄1 緒論 1 引言 1 本文研究背景及意義 1 3 并聯(lián)電容器 3 同步調(diào)相機(jī)(Synchronous CondenserSC) 4 飽和電抗器 4 靜止型無功補(bǔ)償裝置(Static Var CompensatorSVC) 5 STATCOM 研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 5 STATCOM的研究現(xiàn)狀 5 STATCOM的發(fā)展趨勢 5 52 STATCOM 的工作原理及數(shù)學(xué)模型 5 STATCOM的基本結(jié)構(gòu) 5 STATCOM的工作原理 5 STATCOM 裝置的時(shí)域數(shù)學(xué)模型 53 無功功率的檢測方法和STATCOM的控制策略 5 無功功率檢測方法 5 5 STATCOM裝置的控制方法 5 直接電流控制 5 間接電流控制 5 電流間接與直接控制的比較 54　STATCOM裝置的無功補(bǔ)償仿真研究 5 仿真軟件MATLAB/Simulink簡介 5 仿真軟件MATLAB/Simulink的概括 5 .2 仿真軟件MATLAB/Simulink的主要功能 5 STATCOM的仿真 5 STATCOM 的仿真的主接線 5 仿真波形及結(jié)果分析： 5 本章小結(jié) 55 總結(jié)與展望 5 總結(jié) 5 5參考文獻(xiàn) 5致謝 51 緒論 引言 靜止無功補(bǔ)償器（STATCOM)是柔性交流輸電系統(tǒng)（FACTS)的一個(gè)重要組成部分，是靜止無功補(bǔ)償?shù)陌l(fā)展近年來在世界各地都得到了廣泛的應(yīng)用。河南省電力公司通過與清華大學(xué)合作，成功研制出國內(nèi)第一臺177。300kvar STATCOM工業(yè)樣機(jī)和177。20Mvar STATCOM，標(biāo)志著我國這一領(lǐng)域的工業(yè)應(yīng)用研究處于世界先進(jìn)水平。隨著電力系統(tǒng)中非線性用電設(shè)備，尤其是電力電子裝置日益廣泛的應(yīng)用，電力系統(tǒng)中的諧波與無功功率也越來越嚴(yán)重，而大多數(shù)電力電子裝置功率因數(shù)較低，給電網(wǎng)帶來了額外的負(fù)擔(dān)，嚴(yán)重影響供電質(zhì)量。因此，諧波抑制和無功功率補(bǔ)償已成為電力電子技術(shù)和電力系統(tǒng)等領(lǐng)域面臨的一個(gè)重大課題，引起人們越來越多的關(guān)注，因此如何更好、更有效、更優(yōu)化的對無功功率進(jìn)行補(bǔ)償是擺在電力工作者面前亟待解決的問題。 本文研究背景及意義由于我國經(jīng)濟(jì)發(fā)張不平衡，一次能源地理分布不均，因此我國電力發(fā)展的基本國策為：“全國聯(lián)網(wǎng)，西電東送，南北互供，廠網(wǎng)分開”。隨著各省主干電網(wǎng)網(wǎng)架、大區(qū)主干網(wǎng)架和受端網(wǎng)架不斷地加強(qiáng)及完善以及三峽電站各批機(jī)組逐步并網(wǎng)發(fā)電，中國的各區(qū)域性電網(wǎng)將實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)，多大區(qū)域互聯(lián)電力系統(tǒng)從經(jīng)濟(jì)上帶來了明顯的好處，但它面臨著以下問題： （1）我國一次能源地理分布不均，電源建設(shè)所需的煤和水力資源主要在西部，為滿足東部發(fā)達(dá)地區(qū)不斷增長的電力需求，需要通過長距離輸電線將大量的電能送到東部的負(fù)荷中心如北京、上海和廣東地區(qū)。，由于我國地形復(fù)雜，建設(shè)輸電線的造價(jià)高昂，因此有效地減少輸電線的輸送容量。實(shí)際上輸電線輸送容量主要受穩(wěn)定性的限制，包括：靜穩(wěn)極限；暫穩(wěn)極限；電壓穩(wěn)定性；熱穩(wěn)定性。對于長距離輸電線來說其熱穩(wěn)定極限是很高的，但受其他三項(xiàng)的限制，使其輸送容量無法達(dá)到最大。 （2）功率分布和走向不當(dāng)引起部分線路及其兩端設(shè)備嚴(yán)重過負(fù)荷，而其他線路則輕載不僅使已有設(shè)備不能充分利用還常常引發(fā)穩(wěn)定問題；形成環(huán)流整個(gè)系統(tǒng)的有功功率損耗增加，系統(tǒng)運(yùn)行很不經(jīng)濟(jì)；系統(tǒng)無功功率分配不當(dāng)，電壓質(zhì)量變差。 無功補(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。在長距離輸電線路合適的地點(diǎn)設(shè)置動(dòng)態(tài)無功補(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)載不平衡的場合，通過適當(dāng)?shù)臒o功補(bǔ)償可平衡三相的有功及無功負(fù)載。 目前，世界上已有多臺投入運(yùn)行的STATCOM。其中，1986年美國的EPRI與西屋公司等研制的177。1Mvar STATCOM 在紐約的Sspring Valley投入示范運(yùn)行；1991年日本的三菱公司與關(guān)西電力公司共同研制的177。80Mvar STATCOM在Inuyama開關(guān)站投入154KV系統(tǒng)運(yùn)行；1992年東京電力分別與東芝公司日立公司開發(fā)的兩臺177。50Mvar STATCOM在新信濃電站投入使用；1995年美國的電力科學(xué)院EPRI、田納西流域管理局TVA與西屋公司投入了一臺177。100Mvar STATCOM；1997由德國西門子公司開發(fā)研制的177。8Mvar STATCOM在丹麥Reisby Hede風(fēng)場投入運(yùn)行；目前為止世界上最大容量的STATCOM是美國AEP統(tǒng)一潮流控制器項(xiàng)目中的并聯(lián)部分——177。160Mvar STATCOM，已于1997年開始運(yùn)行。 到目前為止，國際上只有美、日、德等少數(shù)幾個(gè)發(fā)達(dá)國家掌握了STATCOM的應(yīng)用開發(fā)技術(shù)。為了跟蹤國際FACTS發(fā)展的前沿技術(shù)，同時(shí)也為了解決電網(wǎng)現(xiàn)有的問題，在原國家電力部的支持下，河南省電力局于1994年決定投資開發(fā)177。20Mvar STATCOM，該項(xiàng)目被列為原店里不的重大科技攻關(guān)項(xiàng)目。在項(xiàng)目合作方清華大學(xué)的積極配合下，作為中間樣機(jī)的一臺177。300kvar STATCOM于1996年11月通過了電力部組織的專家評審，1997年在河南鄭州的變電站進(jìn)行了現(xiàn)場測試和試運(yùn)行。177。20Mvar STATCOM于1999年3月在河南洛陽220kv朝陽變電站并網(wǎng)成功，它已成為中國FACTS研究應(yīng)用領(lǐng)域的一個(gè)里程碑，標(biāo)志著我國成為國際上第四個(gè)擁有大容量STATCOM制造技術(shù)的國家，標(biāo)志著中國FACTS技術(shù)發(fā)展進(jìn)入了一個(gè)新的階段。 可以看出STATCOM作為一種新型的無功調(diào)節(jié)裝置，擁有如此多的優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)成為現(xiàn)代無功補(bǔ)償裝置的發(fā)展方向，也成為國內(nèi)外電力系統(tǒng)行業(yè)的重點(diǎn)研究課題之一。 傳統(tǒng)的無功補(bǔ)償設(shè)備有并聯(lián)電容器、調(diào)相機(jī)和同步發(fā)電機(jī)等，由于并聯(lián)電容器阻抗固定不能動(dòng)態(tài)的跟蹤負(fù)荷無功功率的變化。而調(diào)和機(jī)和同步發(fā)電機(jī)等補(bǔ)償設(shè)備義屬于旋轉(zhuǎn)設(shè)備，其損耗、噪聲都很大，而且還不適用于太大或太小的無功補(bǔ)償。所以這些設(shè)各已經(jīng)越來越不適應(yīng)電力系統(tǒng)發(fā)展的需要。 20世紀(jì)70年代以來，隨著研究的進(jìn)一步加深出現(xiàn)了一種靜止無功補(bǔ)償技術(shù)。這種技術(shù)經(jīng)過20多年的發(fā)展，經(jīng)歷了一個(gè)不斷創(chuàng)新、發(fā)展完善的過程。所謂靜止無功補(bǔ)償是指用不同的靜止開關(guān)投切電容器或電抗器，使其具有吸收和發(fā)出無功電流的能力，用于提高電力系統(tǒng)的功率因數(shù)，穩(wěn)定系統(tǒng)電壓，抑制系統(tǒng)振蕩等功能。目前這種靜止開關(guān)土要分為兩種，即斷路器和電力電子開關(guān)。由于用斷路器作為接觸器，其開關(guān)速度較慢，約為1030S,小可能快速跟蹤負(fù)載無功功率的變化，而且投切電容器時(shí)一常會(huì)引起較為嚴(yán)重的沖擊涌流和操作過電壓，這樣不但易造成接觸點(diǎn)燒焊，而且使補(bǔ)償電容器內(nèi)部擊穿，所受的應(yīng)力大，維修量大。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，交流無觸點(diǎn)開關(guān)SGR,GTR, GTO等的出現(xiàn)，將其作為投切開關(guān)，速度可以提高500倍(約為10us)，對任何系統(tǒng)參數(shù)，無功補(bǔ)償都可以在一個(gè)周波內(nèi)完成，而目_可以進(jìn)行單相調(diào)節(jié)?，F(xiàn)將各種無功補(bǔ)償方法的優(yōu)缺點(diǎn)及其等效電路圖進(jìn)行詳細(xì)的對比： 并聯(lián)電容器下圖為電力網(wǎng)中利用并聯(lián)電容器進(jìn)行無功補(bǔ)償?shù)牡刃щ娐穲D及相量圖： a)電路圖 b)向量圖 圖13 并聯(lián)電容器補(bǔ)償無功功率的電路和向量圖由圖可以看出，當(dāng)并聯(lián)電容器未投入使用時(shí)，電力網(wǎng)中的感性無功電流都由系統(tǒng)電源承擔(dān)，使得系統(tǒng)功率因數(shù)較低。并聯(lián)電容器投入后，向系統(tǒng)供應(yīng)感性無功功率，分擔(dān)了系統(tǒng)的絕大部分無功負(fù)荷，使得功率因數(shù)大大提高。但是在補(bǔ)償過程中，如果電容的容量過大，就會(huì)使補(bǔ)償后的電流相位超前于電壓，出現(xiàn)過補(bǔ)償，這會(huì)引起變壓器一次電壓的升高，而且容性無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。優(yōu)點(diǎn)：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)最簡便，而目可以分散安裝，實(shí)現(xiàn)無功就地補(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?，還可以根據(jù)主要分散拆遷到其他地點(diǎn)。缺點(diǎn)：（1)只能補(bǔ)償感性無功，且不能連續(xù)調(diào)節(jié)。（2)當(dāng)電網(wǎng)電壓下降時(shí)，電容器上的補(bǔ)償電流相應(yīng)下降，使得補(bǔ)償?shù)臒o功量急劇下降，系統(tǒng)電壓下降更大。（3)在系統(tǒng)有諧波時(shí)，還可能發(fā)生并聯(lián)諧振，使諧波電流放大，甚至造成電容器的燒毀。 同步調(diào)相機(jī)(Synchronous CondenserSC)優(yōu)點(diǎn)：在過勵(lì)磁或欠勵(lì)磁的不同情況下可分別發(fā)出不同大小的容性或感性無功功率缺點(diǎn)：（1)由于其為旋轉(zhuǎn)電機(jī)，因而損耗和噪聲都較大，運(yùn)行維護(hù)復(fù)雜大容量技術(shù)難度高。（2)響應(yīng)速度慢，在很多情況下，已無法適應(yīng)快速無功功率控制的要求。 飽和電抗器優(yōu)點(diǎn)：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。缺點(diǎn)：（1)由于其鐵心需磁化到飽和狀態(tài)，因而損耗和噪聲也都很大。（2)存在非線性電路的一些特殊問題，又不能分相調(diào)節(jié)以補(bǔ)償負(fù)荷的不平衡。 靜止型無功補(bǔ)償裝置(Static Var CompensatorSVC)優(yōu)點(diǎn)：（1)在提高系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性和阻尼系統(tǒng)振蕩等方面，STATCOM的性能大大優(yōu)于傳統(tǒng)的同步調(diào)相機(jī)。（2)控制靈活，調(diào)節(jié)范圍廣，其在感性和容性運(yùn)行工作情況下均可連續(xù)快速調(diào)節(jié)。(3)靜止運(yùn)行、安全穩(wěn)定、大大提高了裝置壽命，改善環(huán)境影響。（4）STATCOM裝置采用直流電容器代替交流電容器，不僅可調(diào)節(jié)系統(tǒng)的無功功率，還可調(diào)節(jié)系統(tǒng)的有功功率。同時(shí)使STATCOM裝置的體積減小，損耗降低。(5)述接電抗小。STATCOM接入電網(wǎng)的連接電抗，其作用是濾除電流中存