基于PSCAD/EMTDC的三電平電壓源型STATCOM的仿真研究

房公柱++謝歆

摘 要： 根據(jù)STATCOM的基本原理，分析和推導了其數(shù)學模型。根據(jù)其數(shù)學模型，利用PSCAD/EMTDC電力系統(tǒng)仿真軟件建立了三電平靜止同步補償器STATCOM的仿真模型。采用SPWM調(diào)制方式和PI調(diào)節(jié)的控制策略來控制系統(tǒng)的直流側(cè)電壓的穩(wěn)定和輸出無功功率的大小，并對其進行了仿真。仿真結(jié)果證明采用此種控制策略能夠達到控制要求，也說明了三電平電壓源型STATCOM可以很好地補償無功功率，提高功率因數(shù)，有效地改善電能質(zhì)量。

關鍵詞： PSCAD/EMTDC； 三電平電壓源型靜止同步補償器； 變換器； 無功補償； SPWM

中圖分類號： TN702.2?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）22?0147?03

靜止同步補償器STATCOM具有體積小、容量大、調(diào)節(jié)連續(xù)、響應速度快、經(jīng)濟性能好等優(yōu)點，對于抑制電壓閃變，提高電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性、可靠性、安全性具有重要的作用，因此，STATCOM在電力系統(tǒng)中的應用受到了廣泛的重視[1?2]。STATCOM也是一種電力電子裝置，其基本形式仍然是三相橋式電壓型或電流型的拓撲結(jié)構(gòu)，主要以電壓型為主。

對于大功率逆變器的場合，開關器件的功率處理能力和開關頻率之間存在著矛盾，一般功率越大開關頻率越低。兩電平變流器在中高壓場合運用時，由于受到開關頻率的限制難以應用高性能PWM技術來改善傳統(tǒng)大容量變流器的性能，人們力圖通過對大功率變流器的電路拓撲和控制策略等方面進行研究以提高電力電子變流器的容量同時改善其性能[3?6]。在STATCOM中，也經(jīng)常采用兩電平變流器的多重化技術，但是這需要昂貴、笨重、耗能的變壓器，大大增加了系統(tǒng)的體積和成本。

本文采用中點箝位型三電平逆變電路構(gòu)成STATCOM的主電路[7]，簡要介紹其工作原理，并在PSCAD/EMTDC下進行了STATCOM的補償特性的仿真研究。

1 STATCOM的工作原理

目前應用的大容量STATCOM大都采用電壓源型變流器，但是無論是電壓型還是電流型的STATCOM，其動態(tài)的補償原理是相同的[8]。下面介紹基于電壓源型變流器的STATCOM的工作原理，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。STATCOM正常工作時通過開關器件的通斷將直流側(cè)電壓轉(zhuǎn)成與交流輸出電壓，就像是一個電壓型逆變器，只不過其交流輸出側(cè)輸出的不是負載而是電網(wǎng)。因此，當僅考慮基波頻率時，STATCOM可以等效地被視為幅值和相位均可以控制的一個與電網(wǎng)同頻率的交流電壓源[9]。

2 STATCOM的仿真建模

本文采用電力系統(tǒng)仿真軟件PSCAD/EMTDC建立三電平STATCOM主電路仿真模型。

仿真參數(shù)設置為：選擇電源容量100 MV·A，線電壓為115 kV，頻率60 Hz，內(nèi)阻抗為默認值；阻感負載的額定功率為26.6 MW，額定無功功率為12.42 MV·A；變壓器原邊為星形接法，副邊為三角形接法，原邊線電壓115 kV，副邊線電壓為25 kV，容量為100 MV·A，不考慮鐵損和銅損，其他參數(shù)為默認值；三電平直流側(cè)為兩電容串聯(lián)，電容值為3 000 μF。

3 仿真分析

按照上面所敘述在PSCAD/EMTDC環(huán)境下，將各仿真模塊建好，并設置相應的參數(shù)。因為系統(tǒng)接入的為感性負載，由圖4（為了方便觀看，將圖4和圖5的電流波形進行了放大了100倍）看出電流波形滯后電壓波形一個角度，電流與電壓之間存在相位差，電路的功率因數(shù)不等于1，說明此時電網(wǎng)側(cè)在提供有功功率的同時，發(fā)出負載需要的無功功率，導致線路電流增大，引起線路損耗增加，因此需要進行無功補償。由圖5可見，STATCOM投入后系統(tǒng)的電壓和電流同相，實現(xiàn)了無功補償?shù)哪康摹D6所示在STATCOM投入運行的情況下，直流側(cè)電壓變化的情況，直流側(cè)電壓分兩部分，因為在主電路中直流側(cè)由上下兩個電容串聯(lián)組成，圖中所示為上面的電容兩端電壓。

圖7所示為無功功率和有功功率變化的波形。通過控制調(diào)制度m使STATCOM發(fā)出或吸收的無功功率。從圖中還可看出有功功率穩(wěn)態(tài)后一直維持在0 MVA左右，即變流器幾乎不消耗有功功率。

4 結(jié) 語

本文在PSCAD/EMTDC仿真軟件中建立三電平電壓源型STATCOM，采用SPWM調(diào)制方式并采用PI調(diào)節(jié)的控制策略通過控制[δ]角和調(diào)制度[m]來控制系統(tǒng)的直流側(cè)電壓穩(wěn)定和輸出無功功率的大小。這種調(diào)制方法思路簡單，經(jīng)過仿真的驗證進一步得到了證明。

參考文獻

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