摘 要

随着电力系统中的大功率电机、变压器等具有感性负载的增加以及其它无功负载的投入，不但对电网以及用户所接收的电能质量有较大的影响，还会造成电力系统的损耗增加。因此，采用能够迅速补偿无功、保证电能质量的无功补偿器就变得非常重要。传统的无功补偿器多采用电容、电抗补偿，补偿效果不好且成本较高。而静止同步无功补偿器（STATCOM）作为柔性交流输电技术（FACTS）中的重要装置之一，有着对无功出色的快速补偿效果和良好的控制性能。STATCOM通过对连接点负载所需的无功进行检测并快速补偿无功，使连接点电压维持为给定值而且保持了较为理想的的动态性能。除此之外，STATCOM所使用的电容元件和电抗器的数值也远远小于其它无功补偿方式，因此STATCOM具有良好的发展前景。

在STATCOM装置中，逆变器存在着多种电路结构，本次设计采用多电平级联型逆变器。将这种逆变器结构与传统的多重化逆变器进行比较，节约了成本与空间，提高了补偿的效果；与二极管箝位型相比，电路结构简单且可靠性高。

本文主要进行了以下的工作：

（1）针对多电平H桥级联型逆变器的SPWM调制方式进行了对比与分析，通过分析结果可以得出载波移项SPWM技术与其它调制方式相比利用较低的开关频率产生了低频谐波较少的电压波形。

（2）对间接电流控制的STATCOM无功补偿进行了分析，通过公式建立了STATCOM在旋转同步坐标系的模型，并根据此模型以瞬时电流检测为基础，将无功电流进行旋转变换。结合PI解耦控制完成对有功与无功电流的分别控制，得出调制波波形，进而得到触发脉冲。还对直流侧电容电压不平衡的问题进行了解决，为仿真提供了理论依据。

（3）在MATLAB中的Simulink平台上搭建了基于CPS-SPWM控制的H桥级联五电平逆变器的STATCOM仿真，观察波形并对输出结果进行了分析，验证该同步无功补偿器对于无功功率的补偿效果。

关键词:静止同步无功补偿器，级联H桥，dq变换，直流侧均压

ABSTRACT

The increased number of high power electric machineries, transformers, other inductive and capacitive loads in electric power system , not only bring great impact to the quality of power that received by consumers but also increase losses in transmission and distribution lines. Therefore, it is very important to compensate reactive power and ensure the high quality of power. The traditional reactive power compensator often uses capacitance and inductance to compensate reactive power but the results is not good and the costs is high. The static synchronous compensator (STATCOM), as one of the most important devices in flexible AC transmission (FACTS) technology, has the advantages of fast compensation for reactive power and good control performance. STATCOM is used to compensate the voltage of the connection point to a given value and maintain a good dynamic performance. In addition, the value of the capacitors and reactors used by STATCOM is far less than other reactive power compensation methods, so STATCOM has good prospects for development.

In the STATCOM device, there are a variety of circuit topologies, this design uses multi-level cascaded inverter. Compared with the traditional multiunit inverter, the cascaded multilevel inverter has the advantages of saving costs and spaces, improving the compensation results; compared with the diode-clamped inverter, the structure of circuits is simpler and the reliability is better.

The main works of this paper are as follows:

(1) Focusing on the different sine-wave pulse-width modulation (SPWM) methods in multi-level cascaded inverter, by comparing results of carrier transposition SPWM technology and other modulation mode finding that the method generates high quality waveform with less switching frequency.

(2)Analyzing indirect current control of STATCOM, builds STATCOM model in rotating synchronous coordinate by the formula, according to this model switch reactive current into rotating synchronous that is based on the instantaneous current detection. Combined with the PI decoupling control, the active and reactive current are separately controlled. The problem of unbalanced DC capacitor voltage is also solved, which provides a theoretical basis for simulation.

(3) The STATCOM simulation of H bridge cascaded five level inverter based on CPS-SPWM control is established, and the results are analyzed, and the compensation effect of reactive power compensation is verified.

Key words: static synchronous var compensator, cascaded H bridge, dq transform, balance DC side voltage

目 录

摘要 I

ABSTRACT II

目 录 IV

第1章 绪论 1

1.1课题背景和研究意义 1

1.2国内外研究现状 2

1.3本文主要研究内容 3

第2章 STATCOM主电路分析 5

2.1 STATCOM结构与原理 5

2.1.1 STATCOM的结构 5

2.1.2 STATCOM的工作原理 5

2.2 STATCOM主电路分析 7

2.2.1单相级联五电平逆变器 7

2.2.2三相级联逆变器连接方式 8

第3章 SPWM调制方式比较 10

3.1 SPWM调制方法 10

3.1.1 SPWM调制原理 10

3.1.2单极倍频SPWM调制分析 13

3.2 CPS-SPWM调制 14

3.2.1 CPS-SPWM原理 14

3.2.2 CPS-SPWM与其他调制方法比较 15

3.3本章小结 16

第4章 STATCOM模型建立及控制 17

4.1 STATCOM的数学模型 17

4.2 STATCOM总体设计框图 20

4.3 STATCOM交流侧控制策略 21

4.3.1瞬时电流检测 22

4.3.2 PI解耦控制 24

4.4 STATCOM直流侧控制策略 25

4.5本章小结 26

第5章 STATCOM的MATLAB仿真及波形分析 27

5.1 STATCOM仿真模型的建立 27

5.1.1 STATCOM主电路模块 27

5.1.2电流检测模块仿真 28

5.1.3电压平衡模块 28

5.1.4解耦控制模块 29

5.1.5 PWM驱动产生模块 30

5.2 STATCOM仿真波形分析 31

5.3本章小结 34

第6章 总结与展望 35

6.1研究总结 35

6.2研究展望 35

参考文献 40

致谢 40

附录A 41

附录B 42

附录C 43

第1章 绪论

1.1课题背景和研究意义

电能作为当今社会生产与生活的主要能源，有着无替代的作用。近年来我国经济与工业飞速发展，各类无功负载大量接入电网使得电能质量成为了一个尤为突出的问题。电能质量对一个国家工业的发展有着重要的意义，例如，电能质量的下降会引起发电机与电动机的运行损耗增加，过多的无功在线路上传输也会引起线路损耗的增加，造成电能的浪费；电能质量还会对用户造成影响，造成电器运行异常。

但是无功功率在电力系统中也不是完全无用的，很多负载需要吸收无功功率才能正常工作，这些无功经输电线路传输时会引起很大的损耗，造成电压降低，严重的情况下还会触发继电保护装置使其产生误动作。需要选择合适的位置对线路中的无功进行补偿，提高电力系统的电能质量，由之前的分析可以看出在发电端进行补偿会造成能量的大量浪费，因此当前多采用在负荷端进行补偿的方法。之前，电力系统中广泛使用的是并联电容、并联电抗、同步补偿器等。虽然能有效地吸收电力系统中的无功，但动作较为缓慢，无法在迅速变化的动态过程中发挥作用。因此往往留出较大的裕度，这就使得补偿器件的浪费。随着大功率电力电子技术的发展，制造可以承受大电流和高电压的开关管成为可能。在此基础上发展起来的柔性交流输电技术（FACTS）凭借其可靠性高和控制灵活的特点在电网中得到越来越广泛的应用。