论文总字数：26461字

摘 要

16012614 张翔

指导老师 王宝安

摘要正文：随着社会经济的发展，人类世界经历了蒸汽时代以及石油时代，下一步开始进入电气时代，未来我们还将进入以信息互联网、物联网为基础构架的智能时代，而在这畅想的未来中，一切信息流通之路径、智能化自动化终端运行之基础，是电力。电力是人类构建未来及发展之基础，更是如今人们工作生活中必不可少的能源。如何让这庞大的电力网络能够安全稳定地运行并且提高其输送电能的质量，究其途径，一般来说有两种，一是优化电网本身之结构，二是追求先进电网调控之手段。而调控技术当中，以FACTS技术最具有代表性。而静止无功发生器，即STATCOM，代表着FACTS最成熟的无功补偿技术，从STATCOM诞生起，便成为现代交流输电技术的一块基石，为当代欣欣向荣的电力行业保驾护航。STATCOM的诞生归因于几类原因，有硬件方面的，如大功率开关器件IGBT、GTO等的飞速发展；也有理论原因，如瞬时无功理论的形成与发展。

本文首先对STATCOM的工作原理进行研究，提出了两种工作原理简化模型，紧接着推导STATCOM的数学时域模型，得到在稳态下STATCOM的输出电压电流与功率方程。接下来本文主要关注了STATCOM的控制方法与无功电流的检测技术，讨论了STATCOM电流间接控制与电流直接控制的优劣和各自的使用范围，并且较深入地研究了由瞬时无功理论基础上发展出的比较有代表性的无功电流控制方法。

最后，在之前对STATCOM工作原理、控制策略与检测技术进行全面系统地讨论研究后，利用MATLAB进行仿真，对比了在无功电流超前与滞后两种情况下STATCOM的补偿效果，展示了其补偿能力与特点。

关键词：STATCOM，无功补偿，瞬时无功理论，MATLAB仿真

Abstract

Abstract：With the burgeoning of the power electronic technology and durative burgeon of power quality for power installations, reactive power compensation of power quality is becoming more and more serious. STATCOM is an efficient way to deal with reactive power dynamic compensation and it has become one of the hot points in power electronics fields. The target of this thesis is to expand a set of STATCOM installation with digital control system.

In this thesis, the focal point is on the revolution of the reactive power compensation, especially on the history of the burgeon of STATCOM and the principles of its work, also, the controlling and the current-measuring methods is the focus of focus.

In this thesis, three and calculation of reactive current algorithms: including those on account of instantaneous reactive power p-q theory of algorithms, ip-iq algorithm and the grid voltage and current in the rotating aligned system for aligned transformation dq0 reactive detection methods, by simulation test platform to verify the ip-iq algorithm reactive current extraction, as well as the ability of reactive power detection accuracy. Meanwhile, in the three-phase three-wire voltage STATCOM topology based on the controversy of the two control means: indirect current control and direct current control method of hysteresis control.

In this thesis, MATLAB software to perform a simulation, the completion of the ip-iq test methods and two simulation comparison of multifarious control simulation. The simulation verdict indicates a good multifariousness of control reactive power compensation performance, indicating that the recommended method is effectual.

Key words：STATCOM, Reactive Power Compensation, Instantaneous Reactive Power Theory, MATLAB Simulation

绪 论

课题研究背景

现代输电系统中的新技术——分布式发电和柔性交流输电技术

随着社会经济不断发展，我们人类从蒸汽时代、石油时代一路进入到电气时代，未来我们还将进入以信息互联网、物联网为基础构架的智能时代，而在这畅想的未来中，一切信息流通之路径、智能化自动化终端运行之基础，是电力。可以这么说，电力是人类构建未来及发展之基础，更是如今人们工作生活中必不可少的能源。因而可以显见，以消耗电力为主的终端设备将越来越多，即是说，电能占终端能源消费比重将逐步提高，据统计，从1973年到2012年，电能所占终端能耗比重由9.4%增长到18.1%^[1]，而越来越多的化石能源将被先转化为电能这种二次能源后再得到利用，这也是发展清洁绿色能源、建设绿色环保产业的必由之路。随着电力终端的增加，发电设备之数量也必然水涨船高，电力网络之构架将日趋复杂，规模也将日渐庞大，尤其是在像我国这般幅员辽阔、上下纵横数千公里并且人口基数大，即电力终端设备众多的国家更是如此。而如何让这庞大的电力网络能够安全稳定地运行并且提高其输送电能的质量，究其途径，一般来说有两种，一是优化电网本身之结构，二是追求先进电网调控之手段。当今在这两个方向发展而成的新技术领域便是分布式发电以及柔性交流输电技术。

分布式发电是一种新近提出的在很多国家和地区尚处于概念和研究阶段的具有相当潜力的新型能源综合利用方式。对于电力行业根据市场经济的传统认知认为，发电机组容量越大其效率越高，每千瓦产出的投资越低，自然也就降低了发电成本。按照这种认知，过去电力行业都是往“大”这个方向在发展，即形成所谓的“大机组、大电厂和大电网”。但是社会发展不应只注重经济利益，随着近来环境问题越来越突出，而即便采用效率已经提高的大容量机组火力发电，对环境依旧造成不小之污染，这个问题在我国尤其突出。随着发电技术之进步以及传统化石能源进一步之枯竭，将新能源发电作为未来重点发展方向已经取得了广泛共识。但是新能源诸如太阳能与风能都有着明显的地域分布特征，在像我国这样面积广阔并且自然条件随地理位置改变而千差万别之国度里，若想将新能源发电作为主要能源向负荷集中区域进行供给，则常常会出现如“西电东送”这种情况，即发电厂与大型负荷之间有着上千甚至几千公里之距离，如此长距离输电便需要大量网架线路以及输电设备之前期投入，并且需要采用具有相当技术难度的超高压甚至特高压技术进行输电，而且新能源如太阳能、风能等都有着随机性与瞬时性，不能够稳定地发出有功和无功功率，为了保证输送电能之质量，需在电网中接入众多柔性交流输电设备——在下文中会有所提及——以保证电压与波形之稳定，这样一来，像太阳能、风能一类的新能源之发电成本便会高企，自然落实到用户端之费用便远高于利用传统火力发电。为了适当降低发电成本提高发电效率，根据传统认知，太阳能发电、风力发电必然会朝着“大太阳能发电、大风电”这个方向发展，太阳能板、风电机组之规模愈来愈大、数量也愈来愈多，这样一来，每台太阳能板、风电机组在一年当中之利用率便大大下降，常常出现“弃太阳能”“弃风”这种现象，这对资源是一种极大的浪费，也不利于新能源的发展。在发展新能源众多构想中，分布式发电获得许多青睐。分布式发电一般是指那些分布在低压配电网或者是负荷附近之发电措施，发电功率一般在几千瓦至数百兆瓦之间（也有的建议限制在30～50兆瓦以下），小型模块化、分散式地布置在用户附近^[2]。这种新型发电方式之主要类型为太阳能发电、风力发电以及生物质能发电等^[3]。它既能进行独立发电，对小范围负荷进行独立供电，又能从其所接配电网上取电使用或者在电网用电高峰时对其进行补充，利用峰谷时差的或取用或补充平抑电力系统日负荷曲线。其一方面是对新能源高效、可靠之利用方式，但另一方面，它也具有分散、随机变动等特点，如果在配电网中接入大量的分布式电源，由于其输送电能之三要素（即电压、频率与波形）均不稳定，会产生大量的谐波，这会对配电系统之安全稳定运行产生极大影响。因此，为了减少分布式发电带给系统之不良影响，在高效利用新能源之同时，又能保证其输送的电能质量，就需要把无功补偿装置（也是接下来会介绍到的柔性交流输电设备之一）接到分布式发电与电力网络之接入点，对其进行无功补偿。以无功补偿装置为代表的柔性交流输电设备在未来这项新能源发电技术上便有了重要之地位与用武之地。可是毕竟分布式发电这项技术在现阶段还处于小范围应用状态，在我国也只是在太阳能发电上与之结合并试验性地使用，多数情况下其还处在一个概念阶段，真正使本文所研究的静止无功发生器或者称之为静止同步补偿器得到比较广泛应用之场景还是之前提到的以传统市场经济认知主导而形成的“大电网”中大容量、远距离、超高压甚至特高压输电时必不可少之技术——柔性交流输电技术。

柔性交流输电技术是综合电力电子技术、微处理和微电子技术、通信技术和控制技术而形成的用于灵活快速控制交流输电的新技术，它能够增强交流电网的稳定性并降低电力传输的成本。在电网各种各样之负载中，感性负载所占比例相当大，比如异步电动机和变压器等电气设备都是常见的感性负载^[4]，而电网中这些数量庞大的感性负载不仅会降低电网电压水平，有时甚至会产生大量谐波，影响电力系统安全与稳定，这就要求电网中必须补偿一些容性无功来平衡这些感性负载。过去，电力工作者们使用发电机励磁来调控系统中的无功，增大系统输送容量^[5]，同时研制出了一批设备例如串联电容、并联电容、调相机等等来对系统进行无功补偿。这些设备在一定时期内固然发挥了重要作用，然而它们也有着较大局限性：它们都是按照固定、成组投切、机械开关转动等方式进行设计，而机械开关动作速度较慢，频繁动作后也易损坏，可靠性不高。这就使得电力系统必须设计得很保守，即要留出充足余量以应对突发事件，从而导致其建设成本较高、过多输送容量被闲置，经济性比较差。近二、三十年来大功率电力电子开关研发与制造技术取得了非常巨大之进步，这样一来，就可以用可快速频繁开关、可靠性高之电力电子开关器件来代替传统机械开关，如此就引发了电力电子业之革命。正是在这种背景下，针对大型互联电力系统中存在的诸如感性负载过多等这一系列问题，N.H.Hingorani于1986年提出了柔性（灵活）交流输电系统（Flexible AC Transmission Systems，FACTS），它是应用电力电子技术最新发展成就以及现代控制技术实现对交流输电系统参数，以至网络结构的灵活快速控制技术，以期实现功率之合理分配，低功率损耗和发电成本，大幅度提高系统稳定性、可靠性^[5]。这项新兴之技术，它一方面将传统电力系统中之无功补偿装置诸如串容、并容、移相器等与现代电力电子开关技术结合，另一方面又将新兴之电子自动控制技术引进电力系统当中，形成了以变流器（converter）为核心之新型控制装置，本文所研究的静止无功发生器（Static Synchronous Compensator，STATCOM）就是其中之一。从此，电力潮流分布之三个影响因子：电压、阻抗以及功角便能够根据系统之需求快速进行调整^[6]，大大提高了电力系统之安全与稳定性，也提高了经济性，并且在未来我们对新能源诸如太阳能与风能之大规模利用中将起到至关重要之作用。

柔性交流输电系统装置的种类

根据柔性交流输电系统装置与电网连接之方式不同，其可以分为并联型、串联型和串并联混合型三大类^[7]。

并联型装置有静止无功补偿器（SVC）、晶闸管控制电抗器（TCR）、晶闸管投切电抗器（TSR）、晶闸管投切电容器（TSC）以及本文研究的静止无功发生器或者称为静止同步无功补偿器（Static Synchronous Compensator，STATCOM），其他还有在化学储能和物理超导电磁储能技术上发展起来的电池储能系统（Battery-energy-storage System，BESS）与超导磁能储存器（Superconducting Magnetic Energy Storage，SMES）。当然，如今在应用与研究方面获得较普遍关注的是静止无功补偿器与本文所研究的静止无功发生器。

串联型装置有静止同步串联补偿器（Static Synchronous Series Compensator，SSSC或S3C）这是一种没有外部电源供电、作为串联补偿器运行的静止同步发生器，其输出电压可独立于线路电流被控制并与线路电流正交，以此来达到增加或减少线路总电抗压降从而控制输送功率的目的。更为普遍的串联型补偿装置是将串联电容器与串联电抗器和晶闸管投切电路与晶闸管控制电路两两结合形成的一系列补偿装置诸如晶闸管控制串联电容器（TCSC）、晶闸管投切串联电容器（TSSC）、晶闸管控制串联电抗器（TCSR）和晶闸管投切串联电抗器（TSSR）。

串并联混合型装置中功能最强大、特性最优越的新一代柔性交流输电装置便是统一潮流控制器（Unified Power-flow Controller，UPFC），它是由一个静止同步补偿器（STATCOM）和一个静止同步串联补偿器（S³C）通过一个共同的直流部分连接起来所组成，在S³C的串联输出端口和STATCOM的并联输出端口之间可实现有功功率的双向流通。它包括了电压调节、串联补偿和移相等所有能力，它可以同时并快速地独立控制输电线路中有功功率和无功功率。所以说，UPFC 作为柔性交流输电技术的集大成者，代表着未来电力电子技术的发展方向。我国于2015年12月11日在江苏南京顺利投运了国内首个220千伏UPFC，它也是国际上第一个使用模块化多电平换流（MMC）技术的UPFC工程，标志着我国在柔性交流输电技术上走在了世界前列。

STATCOM的研究历史与发展现状

这篇论文是探究静止无功发生器，这是现代无功补偿行业发达水平的代表，是柔性交流输电系统的不可缺少的一部分，它的无功电流可以迅速的跟着电流的改变而改变，智能的弥补电网需要的功率。和它比较，STATCOM具有很大优越性，它不仅可以实现调节连续，而且其发出的无功电流谐波小，耗损较少，运作规模大，可行性高，调控也非常快，从出现之后，就受到非常多的注意以及迅速发展起来^[8]。

1980年，日本三菱电机与关西电力合作，采用晶闸管与六重化变压器耦合技术成功研制了第一台大容量STATCOM装置，容量达到±20Mvar；1986年，美国西屋电气与EPRI合作成功研制出了第一台使用门极可关断晶闸管（Gate Turn-off Thyristor，GTO）的STATCOM装置；1991年日本三菱电机与关西电力再次合作，成功研发出三个GTO串联使用，容量达到±80Mvar，能在154kV系统中运行的STATCOM。接下来在整个20世纪90年代，全世界各个主要国家都开始争相研制STATCOM，其中比较有代表性的有美国1995年EPRI、1997年德国西门子公司研发的在中低压配电网中使用的±8Mvar STATCOM，以及我国河南电力局与清华大学协同合作自主研发的±20Mvar STATCOM，从1993年起历时六年才研制出的成果更是中国在该技术领域的首创性突破，该成果的诞生更是宣告着中国已经跻身该技术掌握者的行列，这也是我国进入柔性交流输电新领域之里程碑。

进入21世纪，对STATCOM的研究不断深入，其结构以及功能也在不断地发展和变化，通过观察近年来STATCOM发展趋势，可以知道把多重化方波交流机器作为主要电路的STATCOM主要电路不断向PWM变交流发展趋势，因为STATCOM开始逐渐在配电系统中进行应用，而现代电力电子开关器件中IGBT在进行小容量补偿时更具备优势，所以STATCOM主电路中采用的开关器件已经慢慢从以GTO为主渐渐转变为采用IGBT。中低压配电网补偿这个新领域已经成为研发热点。

课题相关文献综述

综述前言

本节为将本文所参考之文献进行研究学习后之调研与综述报告。这些参考文献中，有 STATCOM之研究背景、无功补偿装置之发展过程以及STATCOM国内外的发展现状及趋势。参考文献均重点关注STATCOM之工作原理、控制策略以及仿真研究。文献中还将SVC等无功补偿装置进行了详细介绍，且将其与STATCOM进行比较，重点突出了静止无功发生器的优势。文献中还提到STATCOM多种主电路结构及控制方法、STATCOM在输电网和配电网中的应用情况以及伴随着新能源之开发和分布式电源技术之发展，含有多种功能的D-STATCOM装置将会得到广泛应用等情况^[9]。总的来说，这些文献全方位地展现了STATCOM，对本文之研究起到了基础铺垫与指路明灯之作用。

综述正文

静止无功发生器是一种静止的电气设备、系统或装置，它能够从电力系统中吸收可控的容性或感性电流，从而发出或吸收无功功率^[10]。在文献[5][6][10]中，都给出了STATCOM装置调节无功的原理示意图，并介绍了其工作原理。简单地说，STATCOM基本工作原理就是将自换相桥式电路通过电抗器或者直接并联在电网上，适当地调节桥式电路交流侧输出电压的相位和幅值，或者直接控制其交流侧电流，就可以使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流，实现动态无功补偿的目的^[11]。

STATCOM应该分为采用电压型桥式电路和电流型桥式电路两种^[12]，迄今为止投入实用的大都采用电压型桥式电路。很多文献都对STATCOM的控制进行了研究，文献[11][12]中给出了具体的控制电路。在STATCOM控制中，有两个主要的控制目标，即无功电流（或无功功率）和直流电压^[13]。由无功电流（无功功率）参考值调节STATCOM产生所需无功电流（无功功率）的具体控制方法，可以分为间接控制和直接控制两大类^[14]。间接控制就是将SVG当作交流电压源看待，调节STATCOM所产生交流侧基波电压的幅值和相位进行控制；直接控制就是采用PWM跟踪电流波形的瞬时值进行反馈控制^[11]。文献[14]中专门针对这两种控制技术进行了研究，给出了两种控制技术的具体实施方案并进行了仿真研究，通过仿真结果对两种技术进行了比较，即直接控制技术STATCOM控制系统复杂但响应性能比间接控制好。直流电压对STATCOM装置的运行及控制也有很大的影响，文献[15]主要研究了三种直流电压控制方法，即恒定直流电压法、可变直流电压法和两个直流电压电平方法^[15]，给出了相关实现方法和仿真结果，并对直流电容器值和纹波电压以及系统的瞬态响应时间做了权衡。文献[16]中，给出了STATCOM实验室原型，并且进行了仿真分析，研究了控制方法可行性。文献[5][17]还为STATCOM建立了模型。对电力系统来说，系统不同的控制目标经常会产生矛盾^[16][17]。电力系统控制多目标的矛盾及其协调问题是电力系统控制器设计时必须面对的一个问题。文献[5]中介绍了STATCOM多目标协调控制器的原理及实现方法。

剩余内容已隐藏，请支付后下载全文，论文总字数：26461字