【正文】 （ 21） 當(dāng)滯后于時(shí) 0 , STATCOM 工作于容性工況，此時(shí)電流 I 超前于系統(tǒng)電壓，STATCOM 從系統(tǒng)吸收容性無(wú)功功率，為系統(tǒng)提供無(wú)功支撐 。 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。由于電網(wǎng)需要提供有功功率來(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。 圖 24 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 可以使伏安特性上下移動(dòng)。而對(duì) 于傳統(tǒng)的 SVC，由于其所能提供的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。 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。 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(xiàn)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)。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。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?；蚬收暇涂梢粤恕? 圖 25 為 STATCOM 裝置原理接線(xiàn)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(xiàn)路電感用等效電感表示，如圖中 L。 圖 25 STATCOM 裝置原理接線(xiàn)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 裝置變流器總的輸出電壓為 （ 22） 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。但上述數(shù)學(xué)模型為時(shí)變系數(shù)的微分方程，理論分析比較困難，為此我們利用電力系統(tǒng)中常用的經(jīng)典派克變換 也稱(chēng) dq0 變換，為線(xiàn)性變換矩陣 ，將時(shí)變微分方程變換為常系數(shù)微分方程。 3 無(wú)功功率檢測(cè)方法和 STATCOM 的控制策略 無(wú)功功率檢測(cè)方法 補(bǔ)償裝置對(duì)系統(tǒng)無(wú)功功率的補(bǔ)償效果很大程度上依賴(lài)于對(duì)系統(tǒng)電路瞬時(shí)值的檢測(cè)，諧波及無(wú)功電流實(shí)時(shí)檢測(cè)的快速性、準(zhǔn)確性及靈活性直接關(guān)系影響到其跟蹤補(bǔ)償特性。目前提出的檢測(cè)方法主要有以下幾種 [4]： （ 1）基于 Fryze 時(shí)域分析的有功電流分離法：該方法有較大時(shí)延，實(shí)時(shí)性較差。 （ 3）基于 Akagi 的 瞬時(shí)無(wú)功功率檢測(cè)法：該方法實(shí)時(shí)性較好，但由于乘法器較多，影響檢測(cè)精度，而且只能用于三相平衡系統(tǒng)。 （ 5）基于廣義瞬時(shí)無(wú)功功率檢測(cè)法：該方法可以在電網(wǎng)電壓不對(duì)稱(chēng)或畸變的情況下，仍能精確地分離出基波正序瞬時(shí)無(wú)功電流和不對(duì)稱(chēng)及高次諧波瞬時(shí)無(wú)功功率電流，并對(duì)它們進(jìn)行有選擇性的補(bǔ)償或完全補(bǔ)償。 傳統(tǒng)理論中的有功功率、無(wú)功功率、有功電流、無(wú)功電流都是在平均值或相量的意義上定義的，它們只適用于電壓、電流均為正弦波時(shí)的情況。瞬時(shí)無(wú)功功率理論，即“ dq”理論，是 80年代由日本學(xué)者赤木泰文提出來(lái)的，它使得電力有源濾波器的研究走出了實(shí)驗(yàn)室，在工業(yè)中得到了應(yīng)用。隨著時(shí)間的推移，這一理論得到了發(fā)展、完善。 dq 矢量變換理論 采用 dq 矢量變換理論可以在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中觀察裝置的暫態(tài)過(guò)程。從電機(jī)工程的觀點(diǎn)來(lái)看， dq 矢量屬于同步轉(zhuǎn)子 坐標(biāo)系。進(jìn)行 dq 變換的具體過(guò)程是： 換到靜止 dq 兩相 對(duì)于三相交流系統(tǒng)，當(dāng)負(fù)載端電壓和負(fù)載電流滿(mǎn)足以下條件： （ 31） （ 32） 可用三相 /二相變換將 abc 三相交流量變換到正交的αβ坐標(biāo)上 ，如圖 31 a 所示。 （ 33） （ 34） 瞬時(shí)功率可定義為 （ 35） β轉(zhuǎn)換到兩相 dq 旋轉(zhuǎn)坐標(biāo) 在靜止坐標(biāo)系的基礎(chǔ)上引入旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，如圖 31 b 所示。則兩相靜止坐標(biāo)系變換到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系變 換矩陣的系數(shù)變?yōu)椋? 圖（ 31）（ a） abcαβ（ b）αβ abc （ 36） （ 37） sinω t、 cosω t 一般都是由 Va 經(jīng)鎖相環(huán)產(chǎn)生 （ 38） 三相對(duì)稱(chēng)系統(tǒng)的瞬時(shí)無(wú)功功率 假設(shè)系統(tǒng)電壓為： （ 39） 負(fù)荷為線(xiàn)性阻抗時(shí) 即無(wú)諧波時(shí) 負(fù)荷電流為： （ 310） 其中：為負(fù)荷電流初相位角 應(yīng)用 dq 矢量變換理論得到三相瞬時(shí)有功電流和無(wú)功電流： （ 311） 和是直流分量，分別為有功分量和無(wú)功分量。、分別為、的交流分量，是諧波量。圖 3. 2 給出了引入 d q 分解法的電流直接控制方法。的正弦波與無(wú)功電流參考值相乘，再與瞬時(shí)電流有功分量的參考值相加得到 。跟蹤型 PWM 控制技術(shù)采用了三角波比較方式，也可采用滯環(huán)比較方式。如圖 所示，采用了 STATCOM 吸收的無(wú)功和有功的反饋控制，采用 dq 分解法檢測(cè) STATCOM 吸收的無(wú)功和有功電流，直流電壓的反饋控制，且直流電壓調(diào)節(jié)器的輸出作為有功電流的參考值。大容量的系統(tǒng)，由于開(kāi)關(guān)頻率的降低，輸出的電壓會(huì)產(chǎn)生大量的諧波并降低直流電壓的利用率，為了減少諧波，可以采用多重化、多電平或者采用 PWM 控制技術(shù)。電流間接與直接控制具有各自的特點(diǎn)，歸納起來(lái)有如下幾個(gè)方面 : 1 電流的間接控制方法相對(duì)簡(jiǎn)單，技術(shù)相對(duì)成熟 。由于瞬時(shí)反饋的引入，控制系統(tǒng)對(duì)直流側(cè)電壓和交流側(cè)電網(wǎng)電壓波動(dòng)迅速作出反應(yīng)，保持輸出電流跟隨參考值。電感的電流控制環(huán)是一階系統(tǒng)，無(wú)條件穩(wěn)定。電網(wǎng)負(fù)序電壓存在時(shí)，因?yàn)闊o(wú)功電流指令是先用“ abc dq”變換到瞬時(shí)無(wú)功電流，再通過(guò)“ dq abc逆變換為三相電流，無(wú)功電流對(duì)稱(chēng)，流入直流側(cè)電流脈動(dòng)小，電壓脈動(dòng)也小 。 4 直接控制對(duì)電力半導(dǎo)體器件開(kāi)關(guān)頻率要求高，它適用于較小容量STATCOM 的控制 。 5 采用直接控制的大容量 STATCOM 可采用多個(gè)變流器多重化聯(lián)結(jié)、多電平或 PWM 控制技術(shù)來(lái)減小諧波。 6 STATCOM 采用電流直接控制方法后，其響應(yīng)速度和控制精度將比間接控制法有很大的提高，在這種控制方法下， STATCOM 實(shí)際上已經(jīng)相當(dāng)于一個(gè)受控的電流源，但直接控制法由于是對(duì)電流瞬時(shí)值的跟蹤控制，因而要求主電路電力半導(dǎo)體器件有較高的開(kāi)關(guān)頻率，這對(duì)于大容量的 STATCOM 目前是難以做到的?？臻g矢量法適合用于三相對(duì)稱(chēng)正弦系統(tǒng)，否則由于計(jì)算量大和需要增加濾波環(huán)節(jié)來(lái)檢測(cè)基波元功電流，影響控制效果。可模擬任意大小的交直流統(tǒng)。 可以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中斷路器操作、故障及雷擊時(shí)出現(xiàn)的過(guò)電壓可對(duì)包含復(fù)雜非線(xiàn)性元件（如直流輸電設(shè)備）的大型電力系統(tǒng)進(jìn)行全三相的精確模擬，其輸入、輸出界面非常直觀、方便進(jìn)行電力系統(tǒng)時(shí)域或頻域計(jì)算仿真 電力系統(tǒng)諧波分析及電力電子領(lǐng)域的仿真計(jì)算實(shí)現(xiàn)高壓直流輸電、 FACTS 控制器的設(shè)計(jì)由下述軟件模塊構(gòu)成 :文件管理系統(tǒng) 當(dāng)用戶(hù)涉及 PSCAD 時(shí)所遇到的第一個(gè)軟件模塊就是文件管理系統(tǒng)。如果得到授權(quán)可以進(jìn)入該數(shù)據(jù)庫(kù) , 這樣 , 局部網(wǎng)上的不同用戶(hù)可以共享同一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)。 通過(guò)選擇文件管理模塊屏幕右上角的適當(dāng)菜單可調(diào)用 PSCAD 的其它軟件模塊 , 很多情況下將所有的軟件模 塊同時(shí)激活 , 有些模塊的圖像可能暫時(shí)隱藏在正在處理的模塊圖像之下。借助建模包 , 用戶(hù)可以用圖形的方法建立需要進(jìn)行模擬研究的電力系統(tǒng)模型。 電力系統(tǒng)元部件圖像位于調(diào)色板中 建模窗口的右側(cè) 并可移至畫(huà)布上 左側(cè) , 通過(guò)將各元部件模型互連便完成了電力系統(tǒng)模型。具有大量互聯(lián)元部件的電力系統(tǒng)模型同樣易 于處理 , 因?yàn)楫?huà)布部分可分為很多層次并可在屏幕上滾動(dòng)顯示。 ? 架空線(xiàn) TLINE 和電纜 CABLE 模塊 確定架空輸電線(xiàn)和電纜的行波模型所需數(shù)據(jù)的計(jì)算過(guò)程是相當(dāng)復(fù)雜的。為了完成這種分析 , 需要使用 TLINE 和 CABLE 模塊。 架空線(xiàn)模型所需要的數(shù)據(jù)有導(dǎo)線(xiàn)的空間相對(duì)位置以及導(dǎo) 線(xiàn)的半徑和電阻率。由 TLINE 和 CABLE 模塊所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)可以直接輸入到 PSCAD 的建模 DRAFT 模塊中。軟件中提供了完善的界面 , 允許使用者裝入、啟動(dòng)或停止一個(gè)模擬算題 , 并可在模擬過(guò)程中與之通訊。使 用者所激發(fā)的動(dòng)態(tài)過(guò)程 , 如整定值改動(dòng)、開(kāi)關(guān)操作以及故障觸發(fā)可以通過(guò)操縱滑觸頭、電位器、開(kāi)關(guān)和按鈕進(jìn)行?？梢詫?duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)尺整定和通用格式整定。如果要處理大量的數(shù)據(jù) , 可以通過(guò)編程的辦法形成自動(dòng)處理順序?？蓪⒍喔€(xiàn)組合安排在單張紙上。 利用文件管理系統(tǒng)生成一個(gè)工程和算題名 利用建模模塊建立電力系統(tǒng)模型 利用運(yùn)行模塊進(jìn)行 EMTDC 模擬計(jì)算 通過(guò)單曲線(xiàn)繪圖對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行分析并利用多曲線(xiàn)繪圖模塊產(chǎn)生可直接用于研究報(bào)告的模擬結(jié)果圖形 主電路系統(tǒng)電源為 115kv 的高壓電源，負(fù)載側(cè)模擬三相接地短路故障，故障發(fā)生在 ，持續(xù)時(shí)間為 。逆變器部分采用 IGBT, 絕緣柵雙極型功率管是由 BJT 雙極型三極管 和 MOS 絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管 組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式電力 電子器件 , 兼有 MOSFET 的高輸入阻抗和 GTR 的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn)。 IGBT 綜合了以上兩種器件的優(yōu)點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)功率小而飽和壓降低。 仿真的調(diào)制電路圖 該調(diào)制電路采用正弦載波調(diào)制 法，用一個(gè)等腰三角形載波和一個(gè)與基波頻率相同的正弦調(diào)制波相比，用他們的交點(diǎn)來(lái)確定開(kāi)關(guān)的轉(zhuǎn)換時(shí)刻，因此，通過(guò)控制六個(gè) IGBT 的導(dǎo)通來(lái)控制逆變器輸出的電壓。 STATCOM 投入發(fā)出無(wú)功， STATCOM 在負(fù)載發(fā)生三相短路接地故障時(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，抑制了電壓的下降。 STATCOM 在很大程度上能抑制電壓波動(dòng)及電壓暫降，跟蹤補(bǔ)償特性良好。 5 總結(jié)與展望 結(jié)論 本論文分析了電力系統(tǒng)中無(wú)功功率的危害及無(wú)功功率補(bǔ)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(gè)方面 :提高系統(tǒng)功率因數(shù)和調(diào)節(jié)系統(tǒng)電壓。 展望 由于 STATCOM 的優(yōu)勢(shì)是十分的明顯的，相應(yīng)速度快，吸收無(wú)功連續(xù)，產(chǎn)生的高次諧波量小、分布少，所以從長(zhǎng)遠(yuǎn)看 STATCOM 裝置有很大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益和發(fā)展空間。主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： 圍繞三相平衡的系統(tǒng)來(lái)研究。所以要從三相不平衡特性出發(fā)，考慮采用分相控制來(lái)補(bǔ)償不對(duì)稱(chēng)負(fù)載。提高系統(tǒng)功率，做較大容量的 STATCOM 裝置。 STATCOM 的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償速度和補(bǔ)償精度 ,讓其能夠更有效地投入到電力系統(tǒng)的應(yīng)用中 ,能夠應(yīng)用在更廣泛的領(lǐng)域中 ,更多地為電力行業(yè)帶來(lái)方便。諧波抑制和無(wú)功功率補(bǔ)償 [M].北京 :機(jī)械工業(yè)出版社， 1998. 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