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(dǎo)了其數(shù)學(xué)模型。根據(jù)其數(shù)學(xué)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(bǔ)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(lái)控制系統(tǒng)的直流側(cè)電壓的穩(wěn)定和輸出無(wú)功功率的大小，并對(duì)其進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果證明采用此種控制策略能夠達(dá)到控制要求，也說(shuō)明了三電平電壓源型STATCOM可以很好地補(bǔ)償無(wú)功功率，提高功率因數(shù)，有效地改善電能質(zhì)量。

關(guān)鍵詞： PSCAD/EMTDC； 三電平電壓源型靜止同步補(bǔ)償器； 變換器； 無(wú)功補(bǔ)償； SPWM

中圖分類(lèi)號(hào)： TN702.2?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）22?0147?03

靜止同步補(bǔ)償器STATCOM具有體積小、容量大、調(diào)節(jié)連續(xù)、響應(yīng)速度快、經(jīng)濟(jì)性能好等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)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(yīng)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主要以電壓型為主。

對(duì)于大功率逆變器的場(chǎng)合，開(kāi)關(guān)器件的功率處理能力和開(kāi)關(guān)頻率之間存在著矛盾，一般功率越大開(kāi)關(guān)頻率越低。兩電平變流器在中高壓場(chǎng)合運(yùn)用時(shí)，由于受到開(kāi)關(guān)頻率的限制難以應(yīng)用高性能PWM技術(shù)來(lái)改善傳統(tǒng)大容量變流器的性能，人們力圖通過(guò)對(duì)大功率變流器的電路拓?fù)浜涂刂撇呗缘确矫孢M(jìn)行研究以提高電力電子變流器的容量同時(shí)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(shù)，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(diǎn)箝位型三電平逆變電路構(gòu)成STATCOM的主電路[7]，簡(jiǎn)要介紹其工作原理，并在PSCAD/EMTDC下進(jìn)行了STATCOM的補(bǔ)償特性的仿真研究。

1 STATCOM的工作原理

目前應(yīng)用的大容量STATCOM大都采用電壓源型變流器，但是無(wú)論是電壓型還是電流型的STATCOM，其動(dòng)態(tài)的補(bǔ)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(shí)通過(guò)開(kāi)關(guān)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(gè)電壓型逆變器，只不過(guò)其交流輸出側(cè)輸出的不是負(fù)載而是電網(wǎng)。因此，當(dāng)僅考慮基波頻率時(shí)，STATCOM可以等效地被視為幅值和相位均可以控制的一個(gè)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(shè)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(rèn)值；阻感負(fù)載的額定功率為26.6 MW，額定無(wú)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(rèn)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(shè)置相應(yīng)的參數(shù)。因?yàn)橄到y(tǒng)接入的為感性負(fù)載，由圖4（為了方便觀看，將圖4和圖5的電流波形進(jìn)行了放大了100倍）看出電流波形滯后電壓波形一個(gè)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(shuō)明此時(shí)電網(wǎng)側(cè)在提供有功功率的同時(shí)，發(fā)出負(fù)載需要的無(wú)功功率，導(dǎo)致線路電流增大，引起線路損耗增加，因此需要進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。由圖5可見(jiàn)，STATCOM投入后系統(tǒng)的電壓和電流同相，實(shí)現(xiàn)了無(wú)功補(bǔ)償?shù)哪康摹D6所示在STATCOM投入運(yùn)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?yàn)樵谥麟娐分兄绷鱾?cè)由上下兩個(gè)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(wú)功功率和有功功率變化的波形。通過(guò)控制調(diào)制度m使STATCOM發(fā)出或吸收的無(wú)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(yǔ)

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(guò)控制[δ]角和調(diào)制度[m]來(lái)控制系統(tǒng)的直流側(cè)電壓穩(wěn)定和輸出無(wú)功功率的大小。這種調(diào)制方法思路簡(jiǎn)單，經(jīng)過(guò)仿真的驗(yàn)證進(jìn)一步得到了證明。

參考文獻(xiàn)

[1] 姜齊榮，謝小榮，陳建業(yè).電力系統(tǒng)并聯(lián)補(bǔ)償：結(jié)構(gòu)、原理、控制與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[2] 羅安.電網(wǎng)諧波治理和無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)及裝備[M].北京：中國(guó)電力出版社，2004.

[3] 付智明，陶金，楊燕.STATCOM無(wú)功補(bǔ)償裝置的實(shí)際應(yīng)用[J]. 江西電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，19（1）：34?35.

[4] 張劉春，韓如成.無(wú)功補(bǔ)償裝置的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)[J].太原重型機(jī)械學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，25（1）：30?33.

[5] 吳文輝，劉會(huì)金.靜止同步補(bǔ)償器（STATCOM）技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J].華東交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，22（2）：89?94.

[6] 翁利民，張莉，靳建峰.電網(wǎng)電壓穩(wěn)定與無(wú)功功率補(bǔ)償?shù)难芯縖J].江蘇電器，2008（4）：18?21.

[7] 李永東，肖曦，高躍.大容量多電平變換器：原理、控制、應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2005.

[8] 王兆安，楊君，劉進(jìn)軍，等.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，2010.

[9] 粟時(shí)平，劉桂英.靜止無(wú)功功率補(bǔ)償技術(shù)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2006.