基于STATCOM 的建模與仿真

1、基于STATCOM 的建模與仿真    摘 要：在三相三線制電壓型STATCOM 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，利用MATLAB 中的動(dòng)態(tài)仿真工具SIMULINK 建立了STATCOM 的仿真模型，結(jié)合滯環(huán)控制方法，用S-Function 仿真分析了負(fù)載分別為容性、感性和負(fù)載突變時(shí)STATCOM 的補(bǔ)償效果，仿真結(jié)果表明該控制策略具有良好的無功補(bǔ)償性能和動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力。關(guān)鍵詞：靜止同步補(bǔ)償器；無功補(bǔ)償；滯環(huán)控制；仿真1.引    言近十多年來，世界范圍內(nèi)有關(guān)STATCOM 的研究和應(yīng)用有了長足的進(jìn)步和發(fā)展，縱觀近年來建設(shè)的這些項(xiàng)

2、目和投運(yùn)裝置，具有如下的發(fā)展趨勢：STATCOM 的主電路由早期的以多重化的方波變流器為主要形式，發(fā)展為以PWM 變流器為主要形式。多重化技術(shù)大都與多電平PWM 變流器相結(jié)合，以減少耦合變壓器的使用，例如H 橋級聯(lián)型多電平變流器；不斷采用新器件。隨著電力電子器件的不斷發(fā)展，新的電力電子器件開始投入到STATCOM中。與原來STATCOM 普遍使用的GTO 相比，新型功率器件(如IGBT、IEGT 等)具有很多的優(yōu)點(diǎn)：飽和壓降低、安全工作區(qū)寬、驅(qū)動(dòng)功率低和工作頻率高等；應(yīng)用范圍更廣。除了繼續(xù)向高壓大容量方向發(fā)展，另一方面向中低壓配電網(wǎng)的應(yīng)用發(fā)展，旨在提高用戶側(cè)的電能質(zhì)量；隨著科技的進(jìn)步，尤其是高

3、溫超導(dǎo)技術(shù)突破性的發(fā)展并進(jìn)入實(shí)用化，超導(dǎo)技術(shù)將解決電流型逆變器(Current Source Inverter,CSI)中儲(chǔ)能電感儲(chǔ)能效率問題。同時(shí)，電力超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)中儲(chǔ)能線圈具有電流源特性，因而CSI 將具有更加廣泛的應(yīng)用前景。本文利用 MATLAB 仿真軟件建立仿真模型，并分別對STATCOM 在以下幾種工況下進(jìn)行仿真：（1）負(fù)載為感性負(fù)載時(shí)使用滯環(huán)控制策略對其進(jìn)行仿真；（2）當(dāng)負(fù)載為容性時(shí)對其進(jìn)行仿真；（3）當(dāng)負(fù)載突變時(shí)對其進(jìn)行仿真，檢驗(yàn)其動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力。2. STATCOM 模型建立2.1 基本原理STATCOM 的基本電路結(jié)構(gòu)應(yīng)該分為兩種情況:即電壓型橋式電路結(jié)構(gòu)和電流型橋式電路結(jié)構(gòu)。

4、在實(shí)際運(yùn)行中，STATCOM 往往專指采用自換相的電壓型橋式電路作為動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償?shù)难b置。STATCOM 的工作狀況是建立在一個(gè)靜止的同步電壓源基礎(chǔ)之上。其工作原理就是將自換相橋式電路經(jīng)電抗串聯(lián)與電網(wǎng)相連，根據(jù)輸入系統(tǒng)的無功功率和有功功率的指令，調(diào)節(jié)橋式電路交流側(cè)輸出電壓的幅值和相位，或者直接控制其交流側(cè)電流就可以使該電路吸收或者發(fā)出滿足系統(tǒng)所要求的無功電流，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償?shù)哪康?。為了更有效的控制功率，使無功電流具有更好的響應(yīng)特性，需要運(yùn)用park 變換，將三坐標(biāo)量變?yōu)閮勺鴺?biāo)量。直流側(cè)電路方程可根據(jù)直流側(cè)和交流側(cè)功率平衡來得出，結(jié)合直流側(cè)和交流側(cè)的電路方程，可得出基于瞬時(shí)電量的STATCOM

5、數(shù)學(xué)模型。為了更精確仿真大容量STATCOM 裝置，更有效地進(jìn)行其動(dòng)態(tài)行為和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的分析，建立了用這種控制策略進(jìn)行仿真考慮STATCOM 裝置開關(guān)器件本身的精確非線性數(shù)學(xué)模型。2.2 STATCOM 仿真模型的建立為了使仿真系統(tǒng)能夠盡可能逼近實(shí)際系統(tǒng)參數(shù)和運(yùn)行狀況，在建立系統(tǒng)仿真模型時(shí)，本論文的設(shè)計(jì)采用了MATLAB 軟件自帶的元件庫進(jìn)行組合建模，分別采用了Simulink 仿真模塊、SimPowerSystem 工具箱建立STATCOM 仿真模型，電路參數(shù)也盡可能根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)設(shè)置。由于實(shí)際試驗(yàn)系統(tǒng)采用全數(shù)字化控制，因此仿真模型也進(jìn)行了離散化處理，主要包括三部分：電源及負(fù)載模塊、無功檢測

6、模塊和主電路控制模塊。首先是整個(gè)仿真系統(tǒng)的系統(tǒng)全圖。包括電源-負(fù)載模塊，無功檢測模塊和主電路 (PWM 信號產(chǎn)生及IGBT 橋)模塊。3 仿真分析為了對 STATCOM 對系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償?shù)挠行赃M(jìn)行驗(yàn)證，本論文將對STATCOM 做以下幾種情況的仿真：（1）負(fù)載為感性負(fù)載時(shí)使用滯環(huán)控制策略對其進(jìn)行仿真；（2）當(dāng)負(fù)載為容性時(shí)應(yīng)用這種控制策略進(jìn)行仿真；（3）當(dāng)負(fù)載突變時(shí)，用這種控制策略進(jìn)行仿真，檢驗(yàn)其動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力。3.1 補(bǔ)償感性無功時(shí)滯環(huán)控制策略的仿真此仿真環(huán)境下，系統(tǒng)接入電阻R=5 ，L=25mH 的感性負(fù)載。在系統(tǒng)未接入STATCOM 的時(shí)候，電源側(cè)的電壓和電流波形，可知A相電流滯后于A 相電

7、壓。系統(tǒng)加入 STATCOM 后,在滯環(huán)控制下,電源電壓和電流,補(bǔ)償電流的波形。補(bǔ)償前后，電流的波形有了很大的改善，尤其在電流與電壓的相位差上，補(bǔ)償后A 相電流和電壓的相位差基本相同。在對比中，無功補(bǔ)償?shù)男Ч鼮槊黠@。補(bǔ)償前，在穩(wěn)態(tài)情況下，系統(tǒng)的無功功率大約為2510Var，而在補(bǔ)償后，無功功率接近于零。這些結(jié)果都說明了該種控制策略可以較好的達(dá)到補(bǔ)償感性無功的目的。3.2 補(bǔ)償容性無功時(shí)滯環(huán)控制策略的仿真結(jié)果此仿真環(huán)境下，系統(tǒng)接入電阻R=5 ，C=0.5mF 的容性負(fù)載。在系統(tǒng)未接入STATCOM 的時(shí)候，電源側(cè)的電壓和電流波形，可知A相電流超前于A 相電壓。對比可以看出，補(bǔ)償前后，電流的波形

8、有了很大的改善，在電流與電壓的相位差上，補(bǔ)償后A 相電流和電壓的相位差基本相同。在對比中，無功補(bǔ)償?shù)男Ч苊黠@。補(bǔ)償前，在穩(wěn)態(tài)情況下，系統(tǒng)的無功功率大約為-2680Var，而在補(bǔ)償后，無功功率接近于零。這些結(jié)果都說明了滯環(huán)控制可以較好的達(dá)到補(bǔ)償容性無功的目的。3.3 負(fù)載突變情況下滯環(huán)控制策略的動(dòng)態(tài)響應(yīng)在此仿真情況，負(fù)載由R=5 ，L=25mH 突變?yōu)镽=5 ，C=0.5mF，在滯環(huán)控制策略下的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)能力。直觀的反應(yīng)了補(bǔ)償前負(fù)載由感性突變?yōu)槿菪詴r(shí)系統(tǒng)側(cè)A 相電壓和電流的相位變化情況。在t=0.125 秒前，負(fù)載為感性負(fù)載，電流滯后于電壓；在t=0.125 秒后，負(fù)載由感性負(fù)載變化為容性負(fù)載，電流超前于電壓?？梢缘贸鲈跍h(huán)控制下t=0.125 秒之前補(bǔ)償后的電流和電壓相位基本相同，補(bǔ)償后系統(tǒng)的無功功率接近零，系統(tǒng)的功率因數(shù)接近1；t=0.125 秒后，系統(tǒng)負(fù)載由感性變化為容性，系統(tǒng)經(jīng)過兩個(gè)周期左右，電源電壓和電流相位基本相同，在t=0.19 秒后，系統(tǒng)的無功功率進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，重新接近零，系統(tǒng)的功率因數(shù)也進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，接近1。4.結(jié)    論本章使用 MATLAB/Simulink 仿真軟件對STATCOM 系統(tǒng)進(jìn)行建模，分析了負(fù)載分別為容性、感性和