【導讀】靜止同步補償器的設計與仿真

　　

【正文】 (1)電流的間接控制方法相對簡單，技術(shù)相對成熟 。但直接控制與間接控制相比，控制精度高，系統(tǒng)具有快速的瞬態(tài)響應。由于瞬時反饋的引入，控制系統(tǒng)對直流側(cè)電壓和 交流側(cè)電網(wǎng)電壓波動迅速作出反應，保持輸出電流跟隨參考值。 (2)直接控制比間接控制的 系統(tǒng) 穩(wěn)定性高。電感的電流控制環(huán)是一階系統(tǒng)，無條件穩(wěn)定。 (3)直接控制可抑制負序引起的不良影響。電網(wǎng)負序電壓存在時，因為無功電流指令是先用“ abc dq”變換到瞬時無功電流 qI ，再通過“ dq abc逆變換為三相電流，無功電流對稱，流入直流側(cè)電流脈動小，電壓脈動也小 。另外，電流直接控制對相位的檢測精度要求不高，這點與間接控制不同，這一優(yōu)點給控制器的實現(xiàn)帶來很大的方便。 (4)直接控制對 電力半導體器件 開關(guān)頻率要求高，它適用于較小容量 STATCOM 的控制 。而間接控制適用于較大容量 STATCOM 控制，但由于容量大，受電力半導體開關(guān)器件頻率限制，一般無法像直接控制方法那樣對電流波形進行跟蹤控制。 (5)采用直接控制的大容量 STATCOM可采用多個變流器多重化聯(lián)結(jié)、多電平或 PWM控制技術(shù)來減小諧波。采用電流 PWM 跟蹤控制的直接控制方法， STATCOM 輸出電流中的諧波含量少。 (6) STATCOM 采用 電流 直接控制方法后，其響應速度和控制精度將比間接控制法有 靜止同步補償器的設計與仿真 第 24 頁 共 32 頁 很大的提高，在這種控制方法下 ， STATCOM 實際上已經(jīng)相當于一個受控的電流源，但直接控制法由于是對電流瞬時值的跟蹤控制，因而要求主電路電力半導體器件有較高的開關(guān)頻率，這對于大容量的 STATCOM 目前是難以做到的。 (7)在工程實際應用中，電流直接控制方法中的脈寬調(diào)制信號的產(chǎn)生方法用的最多的是滯環(huán)控制法和三角波比較法，而三角波比較法更多的用于連續(xù)時域控制，滯環(huán)控制法及改進的滯環(huán)控制法則更適合于數(shù)字化控制應用?？臻g矢量法 適合 用于三相對稱正弦系統(tǒng)，否則由于計算量大和需要增加濾波環(huán)節(jié)來檢測基波元功電流，影響控制效果。 靜止同步補償器的設計與仿真 第 25 頁 共 32 頁 4 STATCOM 裝置的無功補償仿真研究 仿真軟件 MATLAB/Simulink 簡介 仿真軟件 MATLAB/Simulink 的概括 Simulink 是 MATLAB 提供的實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模和仿真的一個軟件包，是基于框圖的仿真平臺。 Simulink 掛接在 MATLAB 環(huán)境上，以 MATLAB 的強大計算功能為基礎，利用直觀的模塊框圖進行仿真和計算。 Simulink 提供了各種仿真工具，尤其是它不斷擴展的、內(nèi)容豐富的模塊庫，為系統(tǒng)的仿真提供了極大的便利。 Simulink 最初是為 仿真控制系統(tǒng)而建立的工具箱，在使用中易編程、易擴展，并且可以解決在使用 MATLAB 過程中遇到的非線性、變系數(shù)等問題。它能夠進行連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)的仿真，也能夠進行線性和非線性系統(tǒng)仿真，并且支持多種采樣頻率系統(tǒng)的仿真，使不同的系統(tǒng)能以不同的采樣頻率組合，這樣就可以仿真較大、較復雜的系統(tǒng)。因此，不同的科學領(lǐng)域根據(jù)自己的仿真要求，以 MATLAB 為基礎，開發(fā)了大量的專用仿真程序，并把這些程序以模塊的形式放入 Simulink 中形成模塊庫。 Simulink 的模塊庫就是在 MATLAB的基礎語言上編寫的子程序集?，F(xiàn)在 Simulink模塊庫有 3級樹狀的子目錄，在一級目錄下包含了 Simulink 最早開發(fā)的數(shù)學計算工具箱、控制系統(tǒng)工具箱的內(nèi)容，之后開發(fā)的信號處理工具（ DSP Block） 、通信系統(tǒng)工具箱（ Comm） 等也并行列入模塊庫的一級子目錄，逐級打開模塊庫瀏覽器（ Simulink Library Browser） 的目錄，就可以看到這些模塊。 在 Simulink 也包含了電力系統(tǒng)模塊庫（ Power System Block） ，該模塊庫主要由加拿大 HydroQuebec 和 TECSIM International 公司共同開發(fā)。該模塊 可以方便的進行 RLC電路、電力電子電路、電力系統(tǒng)和電機控制系統(tǒng)模塊的仿真。本人即在（ Power System Block） 模塊下進行的靜止同步補償器的仿真。 .2 仿真軟件 MATLAB/Simulink 的主要功能 （ 1） 此高級語言可用于技術(shù)計算 靜止同步補償器的設計與仿真 第 26 頁 共 32 頁 （ 2） 此開發(fā)環(huán)境可對代碼、文件和數(shù)據(jù)進行管理 （ 3） 交互式工具可以按迭代的方式探查、設計及求解問題 （ 4） 數(shù)學函數(shù)可用于線性代數(shù)、統(tǒng)計、傅立葉分析、篩選、優(yōu)化以及數(shù)值積分等 （ 5） 二維和三維圖形函數(shù)可用于可視化數(shù)據(jù) （ 6） 各種工具可用于構(gòu)建自定義的圖形用戶界 面 （ 7） 各種函數(shù)可將基于 MATLAB 的算法與外部應用程序和語言（如 C、 C++、 Fortran、Java、 COM 以及 Microsoft Excel）集成 STATCOM 的仿真 STATCOM 的仿真 的主接線 在第二章中，通過對 STATCOM 的原理分析中，利用 MATLAB/Simulink 中 Power System Blockset 模塊，里面含有電源、元器件等眾多模塊庫，可以進行電力系統(tǒng)方面的建模仿真。下圖即為在間接控制策略下的 STATCOM 系統(tǒng)仿真總圖。 圖 41 STATCOM 采用電流間接控制時系統(tǒng)仿真圖 當 STATCOM 采用電流間接控制策略時，其工作原理是根據(jù)負荷無功功率的大小調(diào)整補償角 ? ，間接控制 STATCOM 交流側(cè)的電流和輸出電流，實現(xiàn)對接入點處負荷的無功功率進行完全補償，從而使功率因數(shù)達到 ，設定線電壓有效值無 380V頻率 50Hz，恒定負載等效阻抗每項 10r??， ? 。 STATCOM 主電路包括控制開關(guān)、三廂脈沖發(fā)生器以及電壓源型變流器。 其中 無功檢測電路 模塊 圖 : 靜止同步補償器的設計與仿真 第 27 頁 共 32 頁 圖 42 無功檢測仿真模塊圖 仿真波形及結(jié)果分析： 圖 43 STATCOM 投入運行后系統(tǒng)功率因數(shù)變化曲線 由變化曲線可以看出， STATCOM 投入運行后，經(jīng)過 5 個周期后的暫態(tài)振蕩過程，系統(tǒng)功率因數(shù)維持在 1 附近，所以 STATCOM 得投入大大的提高了系統(tǒng)的功率因數(shù) 圖 44 補償前 后電壓電流相位對比 由圖 44 可知，在補償前電壓超前電流 ? 角，經(jīng)過補償后兩者完全同相位，實現(xiàn)了補償效果。其中紅色為電壓波形，黃色為電流波形。 下圖所示的是 STATCOM 投入運行后的再 STATCOM 交流側(cè)的 A 相電壓和 A 相電流波形圖： 靜止同步補償器的設計與仿真 第 28 頁 共 32 頁 a） 投入 STATCOM A 相電壓波形 b)STATCOM A 相電流波形 圖 45 STATCOM 交流側(cè) A 相電壓與 A 相電流波形圖 可以看出，經(jīng)過短暫的震蕩之后， STATCOM 開始吸收穩(wěn)定的容性電流，為系統(tǒng)提供動態(tài)無功功率補償。 靜止同步補償器的設計與仿真 第 29 頁 共 32 頁 a） 補償前系統(tǒng) A 相電流波形 b） 補償后系統(tǒng) A 相電流波形 圖 46 系統(tǒng) A 相電壓與補償前后系統(tǒng) A 相電流波形比較 本章小結(jié) 本章 STATCOM 仿真模型主電路有四大部分構(gòu)成，由電力系統(tǒng)、主電路、控制電路和檢測電路組成，控制電路采用間接電流控制的控制方法，該控制方法能正確、快速地補償負荷所需的無功。 STATCOM 在很大程度上 能抑制電壓波動及電壓暫降，跟蹤補償特性良好。通過采用電力系統(tǒng)仿真軟件 MATLAB/Simulink 分析 STATCOM 對負荷進行無功補償?shù)倪^程。 靜止同步補償器的設計與仿真 第 30 頁 共 32 頁 5 總結(jié)與展望 總結(jié) 在本次的設計中首先分析了無功補償在電力系統(tǒng)中的危害及無功功率補償?shù)闹匾饬x，以及 STATCOM 在改善電能質(zhì)量中的具體作用，主要分為兩個方面 :提高系統(tǒng)功率因數(shù)和調(diào)節(jié)系統(tǒng)電壓。在對 STATCOM 基礎理論，包括工作原理、主電路結(jié)構(gòu)、無功功率的檢測方法和控制策略等詳細分析和研究的基礎上，選擇了適合于電力系統(tǒng) STATCOM 的電路結(jié)構(gòu)及控制策略 ，建立了 STATCOM 的數(shù)學模型，確定了電路中參數(shù)的取值，并通過仿真來檢測實際效果。 展望 目前， STATCOM 技術(shù)的研究開發(fā)仍具有相當大的難度，但 STATCOM 的優(yōu)勢是十分的明顯的，響應速度快，產(chǎn)生的高次諧波量小、分布少，所以從長遠看 STATCOM 裝置有很大的技術(shù)經(jīng)濟效益和發(fā)展空間。由于本人水平有限，時間倉促，使得有些工作做的不足，還需要進一步改善。主要表現(xiàn)在以下幾個方面： 。但是實際情況下更多的是三相不平衡系統(tǒng)。所以要從三相不平衡特性出發(fā)，考慮采用分相控 制來補償不對稱負載。 。提高系統(tǒng)功率，做較大容量的 STATCOM 裝置。本論文主要對 STATCOM 進行了理論分析級仿真研究，并進行了部分實驗工作，希望以后早日實現(xiàn)STATCOM 從實驗室到現(xiàn)場投運這關(guān)鍵的一步。 STATCOM 的動態(tài)補償速度和補償精度 ,讓其能夠更有效地投入到電力系統(tǒng)的應用中 ,能夠應用在更廣泛的領(lǐng)域中 ,更多地為電力行業(yè)帶來方便。 我國與世界上的發(fā)達國家相比較， STATCOM 技術(shù)存在相當大的差距，因此在我國大力推廣無功補償技術(shù)尤為迫切。這為進一步發(fā)展結(jié)合電力電子技術(shù)的無 功補償設備提供了廣闊的空間和良好的契機。相信 STATCOM 必將有更好的實際應用和發(fā)展前景。 靜止同步補償器的設計與仿真 第 31 頁 共 32 頁 參考文獻 [1]、羅承廉，紀勇，羅遵義。靜止同步補償器（ STATCOM)的原理與實現(xiàn) [M] 中國電力出版社出版 [2]、于群，曹娜編著。 MATLAB/Simulink 電力系統(tǒng)建模與仿真 [M] 機械工業(yè)出版社出版 [3]、粟時平，劉桂英 .電力系統(tǒng)無功功率靜止無功補償技術(shù) [M].北京：中國電力出版社， 2020， [4] 中國礦業(yè)大學 伍小杰，李明等編著 . 《電力電子技術(shù)》 .徐州 :中國礦業(yè)大學出版社 [5] 王兆 安，劉進軍 .電力電子技術(shù) [M].北京：機械工業(yè)出版社， 2020,1. 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