静止同步补偿器原理及控制方法.docx

摘要在目前国家各项技术大力发展的今天，电力板块也幸运的搭上了这一趟“顺风车”，国民针对用电需求量也越来越高，随之对应的是电M中的谐波和无功功率的现象变得愈发的严重了，当今，用电设备基本都倾向很低功率，这给电力系统中带来了不小的辙外负担并很大幅度的降低了电能的质量。这一难题是F1.前供电企业面临着最大的难题。将静止同步补偿器放置于电网中是目前最有效、最简堆的解决这一难题的重要部件。静止同步补偿器就像一个可以完全控制的无功电流源一样，当相关用电设备用电需求有较大波动的时候，我们就可以实现灵敏快速准确的进行相关动作，维持电网安全稳定的运行状态，避免造成不必要的损失。，本文主要从静止同步补偿器自身的基本电路和其具行无功补偿功能的原理，从部分板块论述静止同步补偿耦控制的方式放大，建立了基于MAT1.ABsimUIink环境下的静止同步补偿器系统数学模型，对柒进行相关仿真分析，根据相关结果我们可以确定本论文选定的静止同步补偿器方案正确，具有良好的无功补偿性能。关键词：静止同步补偿器：无功补偿：数学模型第1章绪论在F1.前国家各项技术大力发展的今天，电力板块也幸运的搭上这一趟“顺风车”，国民针对用电需求房也越来越高，随之对应的是电网中的谐波和无功功率的现象变得愈发的严重了，这给电力系统中带来了不小的额外负担并很大幅度的降低了电能的质量。这一难题是目前供电企业面临着最大的问尊。1.1 背景及意义伴随若我国快速发展，电力系统也在飞速的发屣，而电力电子装置作为电力网中最重要的部件之一，相应的也得到r广泛的利用，但是因为我作为电子元件，自然也有一些无功功率的消耗因素在里面了，一方面是输出电能的那个系统自身无法避免的吸收了相关电能，当然还有一方面就是用电设备所消耗的无功功率，然而绝大部分的电力电子元件又恰恰是非线性的，当然因为其是非线性的原件，那么它所对应的无功功率也是非线性的。它区别于线性原件，整个过程部是动态的，随机变化非常的不固定。并且，在我们日常生活中使用的小型异步电动机啊，包括院校使用的日光灯在启动瞬间都会吸收非常多的无功功率，根据这两点一是造成了后期的无功补偿领域的研究带来不小的麻烦，二是虽然麻烦，但是我们也要硬着头皮向前冲，因为使用量巨大，所以我们必须进行相应问题的解决，只要解决了这个问题，我们在电力系统中关于非线性的电子元件的研究才有直的飞升。所以，这也是当下此领域高学者研究的重点、难点。1.2 国内外研究的现状随着在电力网中电力电子装置的广泛应用，会在电网中产生无动功率的消耗，而我们知道电力电子装置大多属于非线性元件，其所消耗的无功功率也具有非线性特征。不同于线性元件，非线性元件的特性不固定，给无功补偿方面课题的研究带来了困难,但是解决了这样的问题.对电力系统以及电力电子研究的发展有若不可小政的作用，因此，成为近年来学者专家们研究的热点。关于早期无功补偿我们基本采取的方式方法有并联一个电容器或者不是不同步的发电机等，这样针对其阻抗一直是一个固定值，他不能根据非线性的电力电子元件进行时刻的变化，还有就是一个致命的缺点为调相机和同步发电机补偿所使用的相关设备为旋转运动的设备，其磨耗很大、噪音也不小，这样对作业环境也是一个不小的考验。当然其作为一个常规设备.不能解决极端的无功补偿，比如非常大的或者非常小的，他无法解决，所以，这些设备慢慢的走进被淘汰的阶段。关于柔性交流输电系统他是伴1.着电力电子技术发展而应运而生的系统，F1.前针对无功补偿基于FACrS技术的应用应该是最常见的静止无功补偿器。为适应时代的发展，伴随若全控型电力电子器件的诞生与发展，目前此技术领域出现了一种较潮流更可靠的的群止无功发生器的补偿装置。它目前是电力电子中最重要的成员之一，他可以有效的解决大负荷突变较大的情况，当发现较大的突变时，他可以快速、精准、适量的向相关系统补偿无功功率，以此来提高电力线网的安全稳定的运行。早在前一个世纪中期（70年代）就有学者提出采用电力半导体的思想来进行无功补偿的作业，当然它和柔性交流输电系统还是存在天差地别，他主要是直接挂在电网上（采用并联的结构），根据相关数据指令，来调节相应的电压的极值和相关相位等作用。1.3 本文主要研究的内容中国的各区域性电网将实现联网，多大区域互联电力系统从经济上带来了明显的好处，大量的使用电力电子等非线性的功率元件，本文主要从静止同步补偿器自身的基本电路和其具有无功补偿功能的原理，从部分板块论述辞止同步补偿擀控制的方式放大，建立了基于MAT1.ABZSimu1.ink环境下的静止同步补偿器系统数学模型，时其进行相关仿真分析，根据相关结果我们可以确定本论文选定的静止同步补偿涔方案正确，具有良好的无功补偿性能。第2章、STATCOM的分类及工作原理2.1暗止同步补偿器的分类为更加容易而乂快速的分区静止同步补偿器(STATCOM),我们可以根据构成基本单元逆变涔模块、按构成元潺件、按电压等级等进行对其的一个分类。其中，我们按构成基本单元逆变器模块，以单相桥二电平，三相桥二电平和三相桥多电平合计三大类对其静止同步补偿器进行一定的分类。其中在很大容量以及较高电压的综合应川区域，我们通常需要将多个单一的低压小容量变换器通过变压器进行多重化作业过滤一次,亦或是采用变压器在进行相关升压或降压作业，但是这样随之带来的就是耗了很多能量，造成了较大的谐波，当然系统的效率自然就很低下等多项缺点。相比之下所对应的就是多电平变换器开关器件所承受的电压应力就会小很多，谐波含量比单个的就要小很多很多，对之耗能也会被讲的很低，正因为有了这些优点，所以再大容量场合的到大量的应用。所以，我们在本文中采用的三相多电平作为我们建模所用的模型。如果我们按照构成元器件来进行分类的话，我们可以将静止同步补偿那STATCOM分为Gro型，1GBT型，IGcr型等型号。基于功率变换的静止同步补偿器设备一般都采用全控型器件。这里面的K；BT非常适用于较小容量的场合，它是由abb公司研制的配电净止同步补偿器STATCOM,他们采用多个IGBT串联的开关器件，有效适应了较小容量的场合。如果我们按照静止同步补偿器的电压高低等级来分的话，我们可以将静止同步补偿器分为高电压补偿和低电压补偿二大类。住低压等级的电力电网中，我们一般都是通过电抗器并直连都可以进入电网。当然针对桥式电路他就会通过电抗落或者交直流的方式直接接入电力电网中，这样他可以直接对电流电压的极大值极小值和初相位等进行相关的调节工作，满足无功的电流，这样就可以有效的补偿动态变化的无功功率。当然我们也有一定的方法进行消除某一些特定的谐波，比如可以通过脉宽的调至方式。2.2蟀止同步补偿器的基本原理一般来说我们的静止同步补偿器STATCoM的工作状态他不能在一个动态的电压源的基础上，反而言之他必须在静态的同步电压源的基础上。他的工作原理较为简单方便，主要就是将自换相桥式电路经过电抗和相关电网采用的串联的方式进行销户连接。然后根据输入的电网系统的无功功率和有功功率的相关指令进行相应的不一样的动作，他这里就可以进行电路交流侧输出电压的极大值和极小值还有就是相位，或者直接控制相关交流侧电流，就可以使相关电路释放出来相关无功电流，当然也可以吸收一部分多余的无功电流，这样就在某种意义上来讲实现了动态无功补偿，也达到了相应的目的要求。2. 2.1电压源型的静止同步补偿器STATCoM电压源型STATCOM他主要讲的是一种直流电压然后他通过的事一个可祎控制的开关进行大小、频率都可以满足条件的动作的三相交流电压的装胃,其结构如图27,从图中我们可以看出来，他这个主电路是桥式电路它是由三个桥皆构成的，当然每个桥臂都有一个IGBT的管子和一个不是并联的二极管相互搭接构成。.IcUsU1.=jXIcUc图2T电压型STATCoM结构图这里主要就是通过讨论电压型STATCOM.他又主要以几个点平依照一个个台阶的形式组成一个阶梯的波样来靠近或者相像的Sin函数的波形图，这样的话他的谐波就相当的少，我们对此就不需要考虑外加一个滤波电路，减少不必要的麻烦。当然在基于现有的电流型的捏便器他基本无法有效的消除谐波，主要是因为现在的半导体开关器件在一定程度上限制并阻碍了电流脉宽的调制波的相关频率f,所以这样肯定就会有一部分低价的谐波电流产生。所以,我们在实际采纳并使用的STATCOM基本都是采用的电压型的桥式电路，当然，我们关于本文中的先关补偿因素采用的是自己进行换相的电压型桥式电路作为可以变动的动态的无功补偿的装置。关于静止同步补偿器STATCOM他在非故障的情况下，他主要还是通过电力半导体的开关器件的连通以及断开来直接将直流一侧的电压换成交流侧的但是乂是和电网一样频率的输出电压，这样也有效保障了电力电网正常电压，他这样看起来就像一个电压型的逆变器进行相应的工作。但是呢，他在交流侧的输出是坚决不可以接无源负载的，接的确实电网。我们只考虑基波相关频率时，他可以被我们当成是一个极值和相位都可以为我们所控制的的，因此，我们可以在一定程度上忽略他们的额外磨耗，这样我们的工作原理就可以当成是以卜的单相等效的电路图来表示.''1.U1.j×）c,.A1US1明令，3一.Us->|V；Ca）单相等效电路图b）电流超前C）电流滞后图2-2STATCOM单相等效电路图和1：作相量图（必须忽略损耗）针对2-2图中a图的MU他们主要分别表示电力电网中的电压还有就是静止同步未唯网中的电压还有能是静正河偿余S的龄的的交流电困之间的虚，我着热基尔霍夫电压定律可以得到US=UC+U,。i则彳弋表我们的静止同步补偿器STATCoM从电网吸帧电流即峨蜥器的电流。在上图中。蹿三,我炯以看出来，将三纯电感的蜥器直接当成了纯崛，这#三就可以简单化不用考虑相关磨耗以及变换器长期工作而带来的损耗，这样也就不用考虑他从电网进行吸收能量了。在这种情况下，整个就更为简单了，我们仅仅需要做的就是让他们UC和公的相位保持高度的一致，这样我们就只需要将U。的幅值大小值进行相应的调整就好了，即他主要从静止同步补偿鹳TATOOM从电网一侧吸收的电流i的方向和大小。这里面我们也需要考虑连接电抗器的损耗还有和变流跳自身的磨耗，闭关一些常动作的开关等，这里我们将这些磨耗全部放在一起进行相关的考虑，那么单相等效电路图和工作相量图就会涉及一定的变化，如图2-3所示：（八）单相等效电路图（b）电流超前（C）电流滞后图2-3STATCOM单相等效电路图和工作相做图（计及损耗）这里瞰们需要考虑的糜融的电压屿逆变器电卸。不同相的问题，他们之间存在一个差值为角度差6,当然这里连接的电抗的电玉就可以控制S个电流k的改变，静止同步补偿器STATCoM也腰从电网上吸收电流的大小以及相眨间的问题。顾一步就控制若静止同步补偿器STATCOM输出的的电压以及他们相对于电力电网系统的电压的相位6,这样也就可以有效地改变了电抗里的电流i,从而进一步的控制若静止同步补偿器STATCOM他从电力电网的汲取的电流相关指数（相位和幅值等意义我们可以从工作图的限量:图上得出，其实就算电压v与电流i。仍相差90°,而电网电压US与电流i的相差比90°小6角，也丝本不会影响薛止同步补偿据STATCOM他从交流系统上吸收有功功率，还有可以有效的补偿内部的损耗，可以直接维持在直流电容上的电压。当然，在动态改变的过程中，我们可以改变角来强迫使逆变器内部的电容等完成相应的充放电过程，这样就顺带让电容上的电压发生了一定值得改变，所引发的一长串逆变器输出的电压幅值也发生变化。如果我们仅仅只是调节了m的电容电压的不变的话，交流输出的电值也会发生一定的变化。在这两种状态下，可以使静止同步补偿器STATCOM处于超前或者滞后的状态，这样也就可以发出或者吸收了无功功率，这样可以调节电容器的作用。2.2. 2电流源型静止同步补偿器STATeOM电流源型静止同步补偿器STATCOM的原理示意图Ur以简化为如图2T所示，这里的直流侧我们采取的电感为可以储能的，并且由多个逆变侨并串联而成逆变涔，其主要的功能是就是向系统产生一个三相的交流电流。图2T电流源型静止同步补偿器STATCOM这里面的整个电路我们可以当成可以控制的电源将其放在同一个交流的系统上，根据这个可以控制的交流电流源再向电力电网系统出一个三相正弦交流电流，这样我们需要其保证误差90度，超前或者滞后都是可以的，从而达到相关吸收一定量无动功率和糅放一定量的无功功率，通过这个我们可以判定出电流源型的静止同步补偿器STATCOM仅有第一和第二两种的工作状态,第一种就是吸收一定量的无功功率即感性状态,另外一种就是糅放一些无功功率即容性状态。当我们的电流源型的静止同步补偿器STATCoM装置所产生的电流1超过电压的度数为角时，此时的电流源哒的静止同步补偿器STATCOM装置有两种状态，一是相当r电容，另一种是相当于电城“又因为电流源型的静止同步补偿器STATCoM装置所诞生的电流可以根据实际情况进行相应的周节，他不仅可以快速的反馈.同时在正负两级可以来回移动。针对电压源与电流源的两种静止同步补偿器STATeoM装巴，前者可以直接控制部分内容，比如变换器的输出电流,还可以进行一些内在保护,比如他自身潜在了电流保护的能力,能够让整个系统能够告诉稔定的运转，最重要的点得益于他可以快速的启动，就不需要外置启动的整流器了。2.2.3静止同步补偿器STATCoM的工作特性我们根据前文对静止同步补偿器STATeOM装置最根本的J1.作原理进行深入系统的相关分析，我们可以得到有效的电压与电流之间的关系，如图2-5所示。从图中我们可以清晰明了的看出当我们的电力电网系统中电压下降时，那么关于邪止同步补偿器STATC0M装置电压与电流也在走下坡路，静止同步补偿器STATCoM装置.可以做到快速精准有效的对变流器交流侧电压的幅值和相位进行相应快速的调整，这样也就可以针对自身能师供的增大的无功电流等大小保持一个恒定值，他在此环境卜仅仅守电力半导体涔件的电流容量的控制动作。图25STATCoM的电压-电流特性另外，我们对于那些静止同步补偿器STATeoM装置以输出电能补偿作为目的来讨论分析，如果我们的直流一恻的可以储能的电容较大，则睁止同步补偿粉STATCOM装置她还可以在很短的时间呢你做出快速反应，并向电力电网提供相关的有功功率的补偿，这些作用我们不得不承认对我们电力电网整个系统来说都是相当的重要的。对于在这过程中所产生的谐波等向SS,静止同步补偿器STATCOM装置可以采用我们桥式变流电路的多重化等相关技术，这样可以有效快速的降低甚至是消除次数较低的谐波。在正常的三相电路中，我们的环境一般来都都是显得相对平衡的,所以我们不用考虑负载的相关功率等因素，因为三相瞬时功率之和永远一定都等于三相总的有功功率，静止同步补偿器STATCoM装置所连接电抗的主要目的是为了消除和滤除电流中的高频成分，正因为这个原因，所以其电感值就不是很大。2.2.4静止同步补偿器STATCOM的拓扑选型因为前文已经叙说电压源和电流源的得益优点，所以本文所探讨分析的静止同步补偿器STATCOM是属于电压源的PWM整流器变换电路，他的主要优点就在于响应及时准确，且技术成本不是很高，针对其余来说容易实现，这是因为这些优点，所以静止同步补偿器STATCOM一般来讲都是枭用的此整流器。本文，所研究的静止同步补偿罂STATCoM就采用了如图2-6所示的三相VSR三线六开关主电路拓扑结构。他柘扑特征最大的亮点就是直流例采用的电容，恰好电容可以进行直流储能，从而使直流侧呈阻抗较低的电压源特性，我们在此交流侧还设有电感一个，正因为有了这个电感，所以它还具有BOOsIAe/DC的性能就是进行变换和交流侧要受控电流源特性“图2-6STATCOM的拓扑的第3章、STATCOM系统的仿真3.1MAT1.AB/Simu1.ink仿真技术概述仿真技术在电力电子系统中进行设计分析以及研究探讨的重要方式方法，我们在进行一系列设计分析的时候，我们除r要进行相关的理论分析，还需要采用试验等方式方法提用介入数据进行研究，这样我们才可以提前判断相关的设备的参数、预选的数据是否能达到我们想要的结果，同时我们也可以提前确定了我们此次涉及分析是否域经济等信息，我们都可以在建模过程中得到相关的结论。对于那些不符合预期效果，还有就是砂用消费较高的设备因索，我们可以提前选择放弃，有效节约经济效益。但是，针时有些武验就较大风险，或者在实验时我们就可能会投入大量贽用的情况，可能我们就无法进行相关试验，那么仿真技术就显得至关重要了，实验室的仿真其实就是一个数学建模的过程，他可以借助现有的计算机系统技术进行相关的动态或者静态的研究。这个数学建模的过程中得益于将实际系统中的数据、设备选材等使用数学计算式的来描述，他有通常是积分板块的学术，我们可以借助自己的计算机求解这-模型，通过分析相关数据结果我们得到我们想要的实践结论。MAT1.AB就是一种覆盖全系统的较为常见的比较高级的数学语言，他会计数、自动控制、读写、识别代码等多科领域的功能于一身，不可否认，他就是一个集成大部分学科于一身的系统，具有很强大的功能。针对非线性动态的相关数据，是很难做到准确无误的进行相关数据的采集，那么MAT1.AB就可以用来提取相关动态系统来建立相应的模型，他能够完美的读取非线性的数据，当然他也可以读取稍微简通一点的线性数据的系统，他也可以针对连续时间、断续时间亦或是这种混合的既有连续时间又有断续时间的合计两种的区域内就行相关的建模。这样基本上可以满足很大一部分用户“随心所欲”的进行建模。32STATCOM仿真模型建立STTCOM系统是个非常史杂的系统，因为他是非线性的、强耦合等多项特点，为了减少不必要的损失，或者说降低不必要人力物力，我们在进行相关设计完毕后，正式开始试验我们需要提前进入仿真建模是必须的，而且是需要长期坚持下去的，针对仿真研究我个人觉得有以下几个作用：首先，我们设计的相关系统仅此是我们人为的构想，无法实际验证其准确性，所以我们通过仿真.模型的建立基本可以确定控制系统的结构是否具有高度的正确性，这样可以有效的加深我们对其控制规律的认知及其更深入的理解.再者我们的通过结果的数据来改变实验中的一系列参数，这样最多我们的最后成品对于参数选择也具有指导性的作用。为了使相关试验结果更加遢真，准确率更高，更符合实际情况，我们在建立相关仿真模型的时候，采用了MAT1.AB软件自带的软件库进行相互建模，分别采用了Simu1.ink仿久模块、STATCoM仿我模型，当然我们的电路参数也尽可能根据实际系统的情况进行设置，有效保证了或险数据的准确性，顺带保证了结果的参考价值也是巨大的.°首先是整个仿真系统的系统全图，如下图图3T仿真模型全图在上述仿真模型系统中，我们可以清楚的看到直流的大电容主要作用就是用于为整个方正模型提供一个准确无误的直流电压信号，提高的这个直流电压信号知道到了我们的三相逆变器内，经过逆变器以后这个直流电压信号通过相关逆变最后被变成多个相位有一定角度差的交流方波信号，这些信号被送到变压器中，然后就被串联在一起，这就是变压器的主要作用，串联在一起的信号最后就成功的输出交流正弦波信号下图分别是逆变器输出电压、变压器输出电压、输出电压的测量接线图。Ht三f图3-3变压器输出电压测盘接线图0VnMTmqpKrw3.3仿真结果(1)逆变器输出端所产生的波形图3-5经逆变器Iy后的a相输出的电压波形图3-6经逆变潞Id后的a相输出的电压波形图3-7经逆变擀2y后a相输出的电压波形图39经变压器Tr2Y后A相电压波形图3T0输出波形比较卜.面所输出的仿真图我们可以得到这些信号.只有当我们的直流电压信号从逆变器出来后就快速的变成相位都不会相同的方波交流的信号，方波信号经过变压罂的动作后，逐渐趋向我们Sin函数即数学中的正弦波变化，直到从最后一个变压器出来，由图4.9可以明显的得到相关的结论，这些方波都成功的变为交流正弦波“结论本文主要从无功补偿的作用于发展来出发，通过电压、电流型来对比的静止同步补偿器的相关优缺点，进一步验证起高度的稳定可靠性、控制简单灵活、谐波量小等多项优点。本文主要根据静止同步补偿器STATCoM的仿真模型，对其输入和输出电压以及其内部结构的的逆变器等所输出的有效电压进行了相关数学建模的仿真，通过结果我们可以确定的是，STA1.a)M装宜真的能够很好的将直流信号转变为交流信号，所以证明了其可以高效率的补偿电力电网中的无功功率，有效调节了电力电网中的电压平衡，有效提高了用户体验性。STATCOM装置为当下社会带来了巨大的效益，是时常发展的重点对象。然而，随着静止同步补偿器等技术的快速发展，解止同步补偿器也并不是最完美，比如当遇到多台静止同步补偿器之间的协调控制，怎么进行最优选址等问题，这些问题都是待我们去解决.最后，容我对在本论文提供帮助的老师表示真挚的感谢，谢谢你们。