STATCOM的穩態和動態特性的仿真研究

司建偉 ，李林容 ，馬秀英

(1.甘肅定西市供電公司，甘肅 定西 743000；2.蘭州理工大學 電信學院，甘肅 蘭州 730050)

隨著大功率電力電子器件的發展以及柔性交流輸電系統FACTS(Flexible AC Transmission Systems)的提出，FACTS裝置的開發及其在電力系統中的應用受到廣泛應用[1]。靜止同步補償器(STATCOM)是FACTS家族的重要成員之一，具有無功補償、電壓控制、阻尼功率振蕩、緩解次同步諧振(振蕩)、預防電壓崩潰、提高系統的靜態和暫態穩定性及改善系統的動態性能；同時STATCOM還具有補償負荷三相不平衡、抑制電壓波動和閃變。與傳統的調相機相比，STATCOM沒有機械旋轉部分帶來的機械慣性，無功功率階躍響應時間短，響應速度快；與現有的靜止無功補償器 (SVC)相比[2]，STATCOM體積更小，輸出特性更為理想。目前FACTS裝置主要應用于超高壓輸電系統中，容量大部分為百兆伏安級，有必要進行無功補償。因此對于STATCOM的原理、穩態及動態特性進行進一步的研究，將會帶來明顯的經濟和社會效益[3-5]。

本文針對一個區間聯絡線中間帶STATCOM的三機電力系統，從分析STATCOM的原理出發，參考文獻[6]建立了三機電力系統的數學模型。在此基礎上，提出STATCOM主電路的正序基波動態和穩態的數學模型[7]，并應用Matlab/Simulink仿真軟件對STATCOM的穩態和動態特性進行分析。

1 STATCOM裝置的基本原理

STATCOM屬于基于變換器的可控型并聯補償裝置設備，它可以從感性到容性平滑地調節無功功率[8]。STATCOM的基本工作原理就是將自換相橋式逆變電路通過電抗器或者直接并聯在電網上，適當地調節橋式電路交流側輸出電壓的相位和幅值，或者直接控制其交流側電流，就可以使該電路吸收或者發出瞞足要求的無功電流，實現動態無功補償的目的。STATCOM裝置原理總框圖如圖1所示。

圖1 STATCOM裝置原理總框圖

圖中PT、CT分別是電壓互感器和電流互感器，Uabc、Iabc分別是系統三相電壓和系統三相電流，δ是STATCOM輸出電壓與系統電壓間的相角差。

2 STATCOM接入多機電力系統模型

以STATCOM接入多機電力系統中存在的區間振蕩是一個復雜的現象，往往存在多種振蕩模式，而每種模式又牽涉大量的機組，為了較好地把握問題本質而又不至于使問題復雜化，本文以STATCOM的三機電力系統為例對STATCOM的穩態和動態特性進行分析，系統仿真結構如圖2所示。

圖2 含STATCOM的電力系統結構圖

該系統由三個 500 kV的等效電壓源通過 L1、L2和L3長度分別為 200 km、75 km和180 km的三條輸電線路連接構成，其中電壓源 G1、G2和 G3的短路功率分別為 8 500 MVA、9 000 MVA和 6 500 MVA，短路功率為8 500 MVA的等效電壓源為可編程電壓源，100 Mvar的STATCOM設備并聯在母線B1側，其中STATCOM是由一個三電平48脈沖的逆變器加兩個串聯的3 000 μF電容組成。電容器相當于可調直流電壓源，該直流電壓源的幅值在19.3 kV附近變化，并通過逆變器輸出50 Hz交流電壓。

3 基于Matlab/Simulink的STATCOM的穩態和動態特性仿真

3.1 STATCOM主電路的正序基波動態數學模型

STATCOM的輸出電壓包括一定的諧波成分，但由于總諧波含量不高且最低次諧波為11次，系統對高次諧波的阻抗很大，因此STATCOM的輸出電流諧波含量很低。STATCOM對系統的影響主要取決于其基波特性，因此，本文將分析STATCOM的正序基波動態模型。

假設STATCOM及系統工作在三相對稱情況下，接入母線的相電壓如下：

若STATCOM交流側只考慮基波分量，則：

其中：

以上各式中，下標1表示基波分量，為了簡化表示在本文以下各方程中省略。

利用 Park變換矩陣P-1=PT，定義：

將式(1)和式(2)變換到dq0坐標系，簡化可得：

略去0軸分量，并將式(5)、式(6)組成狀態方程形式：

其中有以下關系式：

定義瞬時有功功率和瞬時無功功率矢量為：

式 中 Uαβ0=Cαβ0UABC，Iαβ0=Cαβ0IABC

由以上定義，計算系統向STATCOM注入的瞬時有功功率和無功功率矢量，經簡化可得：p=Usid，qαβ0=[0 0 Usiq]T。

定義系統向STATCOM注入的瞬時無功功率為q=- ‖qαβ0‖=-Usiq。

STATCOM的正序基波標值動態模型：

3.2 STATCOM主電路的正序基波穩態數學模型

使動態方程式(9)等于0，則可解得各物理量的穩態值：

變換器組輸出相電壓和電流的有效值為：

δ是一個絕對值很小的角度。由以上公式可知，當δ＞0時，STATCOM從系統吸收有功功率和無功功率，且變換器組輸出電壓小于系統電壓；相反，δ＜0時，STATCOM從系統吸收有功功率并向系統注入感性無功功率，且變換器組輸出電壓大于系統電壓。STATCOM吸收、輸出感性無功功率向量關系如圖3所示。

圖3 STATCOM吸收、輸出感性無功功率向量關系

可以看出STATCOM不僅是無功源，還始終從系統吸收有功功率。因為它在輸出或吸收無功功率時，總要消耗一部分有功功率。

3.3 STATCOM的穩態及動態特性仿真分析

打開上述三級系統模型中的G1短路功率為8 500 MVA的可編程電壓源模塊參數對話框，其中G1的設置為：t=0.1 s時，電壓的幅值由 1.049 1 p.u.變化到 1.002p.u.；t=0.2 s時，電壓幅值由1.002 p.u.變化到1.096 p.u.；t=0.3 s時，電壓幅值恢復到1.049 1 p.u.。STATCOM控制子系統的參數對話框，將其中的SVC的控制方式選為電壓調節(Voltage regulation)方式，同時設置參考電壓為1.0 p.u.。

開始仿真，圖4的波形依次為STATCOM變壓器的二次電壓、圖 5 STATCOM交流側電壓、圖6 STATCOM交流側電流、圖7母線B1正序電壓及其參考值、圖8 STATCOM直流側電壓。

圖4 STATCOM變壓器二次側電壓

圖5 STATCOM交流側電壓

圖6 STATCOM交流側電流

圖7 母線B1正序電壓和參考值

圖8 STATCOM直流側電流

STATCOM初始狀態為懸置，因此線路電流為0，直流電壓為19.3 kV。t=0.1 s時，STATCOM交流側電壓忽然跌落到0.955 p.u.，STATCOM開始向系統輸出無功功率(Q=70 Mvar)，使其電壓恢復到 0.979 p.u.。電壓從0.955 p.u.恢復到 p.u.所用的時間大約為 0.045 s，此時，直流電壓增大到20.4 kV。t=0.2 s時，STATCOM交流側電壓增大到1.045 p.u.，STATCOM從容性阻抗變為感性阻抗。并從系統吸收72 Mvar無功功率以維持電壓為1.021 p.u.，對應的直流電壓減小到18.2 kV。 由STATCOM交流側的電壓電流可知，電流在一個周期內就由容性電流變為感性電流了。而在t=0.3 s時，電壓恢復到1.0 p.u.，STATCOM輸送的無功功率減小為0。

本文以含STATCOM的三機電力系統為例，基于Matlab/Simulink對STATCOM的穩態及動態特性進行了仿真分析。通過具體實例仿真模型體現了STATCOM在多機電力系統應用中所起的重要作用。

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[6]謝小榮，崔文進，等.多機電力系統中STATCOM與發電機勵磁的協調控制[J].學術研究，2002(1)：14-17.

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