基于RTDS的静止同步补偿器(STATCOM)的仿真研究

（本科毕业设计说明书学校代码：10128学号：201121209024题目：基于RTDS的静止同步补偿器(STATCOM)的仿真研究学生姓名：郑继南学院：电力学院系别：电力系专业：风能与动力工程班级：风能11-2指导教师：田桂珍副教授内蒙古工业大学本科毕业设计说明书二〇一五年六月内蒙古工业大学本科毕业设计说明书摘要静止同步补偿器（STATCOM）广泛的应用在灵活柔性交流输电系统（FACTS）中。将STATCOM并联于供电网络中，就好比把一个可以控制的无功电流源放置在其中，当负荷的无功需求有波动时，无功电流源也会快速自动地实现动态抑制这种波动，以此来维持电网的稳定状态，避免给电网造成额外的负担。STATCOM的投入使用，也使得电网中经常出现的诸如电压波动、电压闪变问题被抑制，电网电压稳定性明显提高。本文主要介绍了STATCOM的基本电路结构和能够进行无功补偿的原理，并在abc坐标下和dq0坐标下建立了STATCOM的数学模型，制定了双闭环的控制策略。最后在RSCAD下建立了STATCOM的仿真模型，并且进行了基于RTDS的STATCOM的仿真研究,其结果直观的证明了STATCOM的功能。关键词：静止同步补偿器；无功补偿；建模仿真内蒙古工业大学本科毕业设计说明书AbstractStaticsynchronouscompensator(STATCOM)iswidelyusedinflexibleACtransmissionsystems(FACTS).STATCOMwillbeparalleledinpowersupplynetwork,likeacontrolledcurrentsource.Whenthedemandofreactivepowerloadfluctuates,reactivecurrentsourcecanquicklyandautomatically,dynamicallyrestrainsuchfluctuationstomaintainthestabilityofstatepowergridandtoavoidcausingextraburdenofthegrid.WhentheSTATCOMisused,itwillmakethepowergriddifficultsuchasvoltagefluctuations,voltageflickerproblem,whichisinhibited.Thestabilityofthepowergridvoltageincreasessignificantly.ThebasicstructureoftheSTATCOMandtheprincipleofreactivepowercompensationareintroducedinthispaper.ThemathematicalmodelofSTATCOMisestablishedinABCcoordinatesystemanddq0coordinatesystem.AccordingtothemathematicalmodelofSTATCOM,thecontrolstrategyofSTATCOMisgiven.Finally,IestablishthesimulationmodelofSTATCOMinRSCAD,anddothesimulationresearchoftheSTATCOMbasedonRTDStogetthesimulationresults，whichprovesthefunctionsandeffectsofreactivepowercompensation.Keywords:STATCOM;Reactivepowercompensation;Modelingandsimulation内蒙古工业大学本科毕业设计说明书目录引言................................................................1第一章STATCOM基本工作原理.........................................21.1STATCOM的基本电路结构......................................21.2STATCOM无功补偿原理........................................2第二章STATCOM数学模型和控制策略...................................52.1STATCOM数学模型............................................52.2控制策略......................................................7第三章主电路参数设计................................................103.1直流侧参数设计...............................................103.2连接电抗器的选择.............................................103.3滤波电容选择.................................................11第四章基于RTDS的STATCOM系统建模与仿真.........................134.1RTDS简介...................................................134.2系统整体仿真模型.............................................134.3STATCOM主电路及SPWM生成仿真模型........................144.3.1STATCOM主电路仿真模型................................144.3.2SPWM生成模型.........................................154.4锁相环（PLL）仿真模型.......................................174.5STATCOM控制策略仿真模型...................................184.5.1电流dq变换............................................184.5.2无功电流控制...........................................184.5.3直流侧电压控制.........................................194.5.4dq反变换...............................................194.5.5有功功率和无功功率检测.................................204.6仿真结果及分析...............................................20结论.................................................................23内蒙古工业大学本科毕业设计说明书参考文献.............................................................24谢辞.................................................................25内蒙古工业大学本科毕业设计说明书1引言随着在电力网中电力电子装置的广泛应用，会在电网中产生无功功率的消耗，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着不可小觑的作用，因此，成为近年来学者专家们研究的热点。我们在学习中发现，无功功率在电路中电磁场的相互变化过程里，起到了建立和保持磁场存在的作用。区别于有对外直接做功表现的有功功率，前者是改变了能量的存在形式。而无功功率作用在系统里主要表现在：（1)电网中无功功率的增大，使系统中的用电设备的容量增大，在这些设备的设计制造过程中，增加难度和原材料的耗费。(2)电网中的无功功率下降，会使得负载两端的电压下降，影响机器设备的正常工作，以上两个方面的变化会导致电网中电压出现抖动问题，供电质量也会受到影响。因此，当电力网中的无功功率由于得到及时的补充而十分充足时，可以保障负载电压和电力网电压维持在正常运行要求的水平上，用电设备容量下降，并且从传输线到用电设备上的耗损均会下降，电能质量有所改善。电力系统中的无功补偿设备经历了从开始的运用机械式投切电容器，到后来的同步调相机，再到静止无功补偿装置，一直发展到本论文所讨论的先进的STATCOM这几个不同的阶段。机械投切电容器响应速度慢，不能很好地连续补偿无功功率，同步调相机由于产生噪声和机械损耗也逐渐被淘汰。SVC则具有控制速度快、维护简单、成本低、基本无声污染等优势。但它需要大电感和大电容等元件，增大了元器件制造难度。并且其连续可调性，也只有在感性工况下才可以进行，不能实现瞬时无功功率控制。为了解决上述设备的缺陷，采用革新性电力电子技术的新型静止无功补偿概念应运而生，并且被设计制造，这就是STATCOM。STATCOM响应速度快，调节范围广、便于运输安装、耗能比较小、并且能对系统进行瞬时无功功率补偿。正是基于此，使得STATCOM成为近些年研究和发展的方向。虽然STATCOM在电力系统中得到广泛的应用，但是仍有很多问题没有解决，比如说优化主电路结构设计，设计更加精确地测量环节以及完善无功补偿的控制方法等，还需要进行更多、更深入的研究与实践。在本文中，我们将简述STATCOM的基本原理，数学模型，并选择合适的控制方式进行仿真研究。内蒙古工业大学本科毕业设计说明书2第一章STATCOM基本工作原理STATCOM是指通过一定控制策略，控制由自换相的电力半导体器件（IGBT）所构成的桥式变流器，来补充或者吸收掉电力系统中的缺少或者多余的无功以达到改善电能质量的动态静止无功补偿装置。1.1STATCOM的基本电路结构STATCOM主电路的基本结构通常是由三相桥式逆变电路组成，如图1–1所示的是三桥臂电压型。从图中可以直观的看出这类电路结构使用电容作为直流侧存储能量的元器件。STATCOM基本的电路结构按照不同的划分方法可以有不同的命名方式。在综合考虑到成本和效率问题，并且忽略谐波问题影响，因此本文中只是采用比较基本的两电平三相三桥臂电压型的STATCOM。C图1-1三桥臂电压型电路1.2STATCOM无功补偿原理STATCOM与电网连接的系统结构如图1-2所示。由于在考虑电抗器以及变流器损耗时得无功补偿原理相对复杂，因此在本论文中，我们分析忽略了电抗器以及变流器损耗时STATCOM的无功补偿原理。STATCOM装置相电压为cU，电网相电压为sU。考虑到前面的我们做的假设性的前提，即可视R为0，而STATCOM装置相当于一个理想可控电压源，它的单相等效电路如图1-3所示。图1-2系统结构图DC/AC变换器cULRsULcUIsU内蒙古工业大学本科毕业设计说明书3图1-3单相等效电路2由于电流处处相等，在等效的电路当中的电流就是STATCOM流出的电流为LjUUIsc（1-1）而STATCOM输出的单相视在功率为LjUUUIUSSCssˆˆˆ（1-2）由式（1-2）可知，从STATCOM流出的单相无功为LUUULjUUUSQSCSSCS