基于五电平二极管钳位变换器的STATCOM系统分析与仿真

摘??? 要 随着电力系统的发展，无功对电网电压的影响引起了人们越来越多的重视。在额定电压 下，电网无功功率的平衡已经成为衡量电能质量的重要标志之一，在无功缺额之处进行实时快速的无功补偿具有十分重要的现实意义。传统无功补偿装置的补偿技术 较为落后，难以满足系统补偿要求。静止同步补偿器（STATCOM）作为新型的动态无功补偿装置，具有响应速度快，控制精度高，滤波性能好，有效抑制电压波动以及闪变等优越性，成为柔性交流输电系统装置中的重要成员之一。 论文首先介绍并且比较了现有的无功补偿装置，分析了STATCOM相对于其他无功补偿装置的优越性。总结了STATCOM的间接电流控制和直接电流控制两种控制方式，并对两种控制方式所衍生的几种控制结构进行了介绍，说明了其控制原理。 详细讨论了直接电流控制的几种控制结构，并建立了相应的仿真模型，进行了仿真和比较分析。研究了它们在稳态性能和动态性能上的优缺点。其中重点讨论了采用空间电压矢量调制方法跟踪给定电压矢量，来控制STATCOM电流的产生，并且采用直流侧电压可变给定。仿真结果证明此种方法具有直流侧电压利用率高，降低功率器件的开关损耗，适应电网电压不对称的环境优点。 通过仿真结果，对直线电机的设计及其在磁浮列车上的应用提供参考：在电机设计上，应当采用复合次级结构，并根据需要设计复合次级材料的厚度；电机在磁浮列车上运行时，应根据不同的运动状态，选择合理的电流大小和电流频率以及气隙值，达到节能高效的目的。 关键词：STATCOM；直接电流控制；空间矢量PWM控制 本论文的目的和意义 STATCOM是静止同步补偿器的简称，静止同步补偿器是柔性交流输电系统（FACTS） 的一个重要组成部分，是静止无功补偿的发展方向，近年来在世界各地都得到了广泛的应用。多年来，电力工作者已经达成了共识，提高电网安全运行水平以及电能 质量，处理电网结构本身要合理以外，还必须要有先进的调节控制手段，电网的安全，经济运行在很大程度上取决于其“可控度”。为此，人们不断的研究如何用电 网原有控制手段来提高其安全运行水平和电能质量，如用发电机励磁控制器来提高输电线的输送容量，阻尼系统振荡等。同时又研制了一些新设备来解决上述问题， 这包括串联电容，并联电容，并联电抗，电气制动电阻以及移相器等，这些设备的共同特点是按照固定的、机械投切的、分接头转换的方式来设计，以改变线路阻抗 或者减小电压波动，提高输电线输送容量或者在静态及缓慢变化的状态下控制系统潮流。由于机械开关动作速度慢，在动态过程中如控制暂态稳定，这些控制器几乎 无法起作用，像固定串补电容还容易引起次同步谐振（SSR）。许多控制要求频繁动作，而机械开关动作过于频繁则容易损坏，可靠性差，因此，系统的动态问题通常是通过过分保守的设计，留有较大的稳定储备来加以解决，以应付一些预想的系统紧急状态。这就使得输电系统的能力没有被充分利用，经济性较差[1] [2]。 可以设想，如果有快速的可频繁，可靠动作的开关代替上述机械开关，情况就将大不一样。小功率电子开关使信号处理、计算机技术发生翻天覆地的变化，大功率电子开关也必然将在电力系统中引起革命。近20年来大功率电力电子开关制作技术取得了长足的进步，现在制作耐热和耐冲击能力与大功率传输线正常工作和短路电流水平相当的晶闸管已经不再困难，直流高压输电与静止无功补偿就是这种技术的成功范例，正是在此基础上，针对大型互联电力系统存在的问题，N.H.Hingorani于1986年提出了灵活交流输电系统（FACTS） 的概念，它“应用电力电子技术的最新发展成就以及现代控制技术实现对交流电输电系统参数，以至网络结构灵活快速控制，以期实现输送功率的合理分配，降低功 率损耗以及发电成本，大幅度提高系统稳定性与可靠性”。它一方面是现代电力电子开关与电子系统传统的阻抗控制元件、功角控制元件以及电压控制元件（如串补 电容、并联电容、并联电抗、移相器、电气制动电阻等）相结合的产物，另一方面又将电子技术引入电力系统，形成了以变流器为核心的新型控制设备，如静止同步 补偿器（STATCOM），从而使得电力系统中影响潮流分布的三个电气参数：电压、线路阻抗以及功率角可按系统的要求迅速调整[3]。另外FACTS装置还可以逐渐的加入现行电力系统，与现有的交流电完全兼容，因而FACTS概念一经提出就立即受到广泛重视。经过长期的讨论和经多方协商，1997年IEEE的FACTS工作组中的“术语和定义专题组”公布了FACTS及FACTS装置的定义和规范术语。其中FACTS的定义是：装有电力电子型或者其他静止型控制器以加强可控性和增加功率传输能力的交流输电系统。FACTS装置是指FACTS家族中具体的成员，其定义是：用于提供一个或者多个控制交流输电系统参数的电力电子系统或者其他静止设备[4] [5]。 本文研究的软件平台 ??? 本文是在对STATCOM的原理进行研究的基础上对整个系统进行仿真构建的，本文的研究平台采用MATLAB r2010a版本中的simulink模块，simulink是MATLAB最重要的组件之一，，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于simulink。尤其在simulink中具备电力仿真工具箱的模块工具包，可以方便的对电力系统进行预先仿真来观察模块所能达到的效果，因此本文选用MATLAB的simulink作为研究软件平台。 1.4? 本文的主要内容 本文的研究目标是在研究现有的STATCOM技术以及实例的基础上，对STATCOM的各个模块进行原理的研究与仿真，并根据STATCOM的现有电路图绘制simulink的仿真电路图形，通过对这些图形的仿真得到了近似于实际STATCOM的效果。本文的结构如下： 第一章是绪论，介绍了STATCOM的概念，主要工作原理以及国内外的研究现状，并且介绍了本文的主要架构。 第二章分析设计了STATCOM的主要电路原理以及电路的工况分析。 第三章介绍了几种STATCOM的主电路的总体设计方案。 ??? 第四章研究了基于五电平的STATCOM的几种电路设计方案。 ??? 第五章对STATCOM控制器的几种常见的控制方法进行了研究。 ??? 第六章是仿真，基于前文对STATCOM及其五电平电路的研究与分析，设计了基于simulink的五电平SVPWM控制器的STATCOM电路系统。并且分析了其仿真结果图形。 ??? 最后是结论，对本文的研究情况以及所取得的成果进行了总结。