摘 要

进入二十一世纪，伴随着科技技术的不停发展，电力企业的发展也是日趋趋向稳定，大片区的高压输电网络构建越来越壮大，并且趋于稳定形势。与此同时，有关电网中无功功率的要求越来越高。众所周知，无功电源在一定程度上堪比有功电源，在整个电力系统内对于降低电网损耗、保障电网质量中起着至关重要的作用。在电力系统中如果出现系统电压波动，系统故障缘由通常是电网无功功率不平衡，状况严重时将间接损毁用电设施，进一步导致系统电压崩溃以及毁坏电压稳定。由此获悉，无功补偿在电力系统中扮演着重要角色，现阶段钻研无功补偿对于搭建电力系统有着重要的现实意义。

随着科技的不断发展，STATCOM是当前市场上使用最普遍的新型无功补偿装置。它的工作原理就是借助变压器或者电抗器把自换相桥式电路并联到电网中，并且在合理的范围内调整桥式电路交流侧输出电压的幅值与相位，此外还可以直接控制交流侧的电流，从而保证电路发出或者吸收的无功电流能够满足要求，进一步完成无功补偿。

本文完成的主要工作如下：

1.大量查阅无功补偿技术和STATCOM等相关资料，然后了解目前国内外关于STATCOM的研究现状。

2.比照不同无功补偿方式的优缺点，扼要说明STATCOM的系统结构，然后对其工作原理展开详细阐明，在理想状态与有损耗两种状态下对其工作原理进行对比分析，最后简要说明H单元工作原理，为搭建数学模型奠定基础。

3.具体论述基于瞬时无功功率理论的电流检测法，然后基于此检测法搭建STATCOM数学模型，最后基于dq坐标系提出前馈解耦控制策略。

4.基于STATCOM工作原理与数学模型，使用MATLAB/Simulink软件对其进行仿真建模，并且在感性与容性无功下进行仿真验证，验证其具有快速连续补偿无功功率的效果。

本文以配电侧STATCOM为研究对象，基于STATCOM工作原理对其进行数学模型搭建，在dq坐标系下提出前馈解耦控制策略，通过仿真验证其对于提高电网稳定性具有重要现实意义。

关键词：无功补偿；静止同步补偿器；瞬时无功功率理论；MATLAB仿真

Abstract

Entering the 21st century, China's science and technology continue to develop, and the development speed of the power industry is even more alarming. The high-voltage transmission network in large areas is further maturing and tends to stabilize the situation. At the same time, the requirements for reactive power in the power grid are getting higher and higher. As we all know, reactive power is comparable to active power to a certain extent, playing a vital role in reducing power grid losses and ensuring power quality throughout the power system. In the case of system voltage fluctuations in the power system, the cause of the fault is usually the unbalanced reactive power of the grid. In severe cases, the power equipment will be directly damaged, which will further lead to system voltage collapse and damage to voltage stability and other safety accidents. It is known that reactive power compensation plays an important role in the power system. At present, research on reactive power compensation has important practical significance for building power systems.

With the continuous development of technology, the static synchronous compensator (STATCOM) is the most widely used new type of reactive power compensation device on the market. The working principle is to directly connect the self-commutated bridge circuit to the power grid by means of a transformer or a reactor, adjust the amplitude and phase of the output voltage of the AC side of the bridge circuit within a suitable range, or directly control the current on the AC side. Therefore, the reactive current generated or absorbed by the circuit can meet the requirements, and the purpose of dynamic reactive power compensation is further realized.

The main work done in this paper is as follows:

1. A large number of related data such as reactive power compensation technology and STATCOM are reviewed, and the current research status of STATCOM at home and abroad is analyzed.

2.Compare and analyze the advantages and disadvantages of different reactive power compensation methods, briefly explain the system structure of STATCOM, and then explain its working principle in detail, compare and analyze its working principle in the ideal state and lossy state, and finally explain briefly The working principle of the H unit lays the foundation for building a mathematical model.

3.The current detection method based on instantaneous reactive power theory is elaborated, and the STATCOM mathematical model is built based on this detection method. Finally, the feedforward decoupling control strategy is proposed in the dq coordinate system.

4.Based on the working principle and mathematical model of STATCOM, the model is simulated by MATLAB/Simulink software, and the simulation is verified under the inductive and capacitive efficacies to verify the effect of fast and continuous compensation of reactive power.

In this paper, the STATCOM is used as the research object, and the mathematical model is built based on the working principle of STATCOM. The feedforward decoupling control strategy is proposed in the dq coordinate system. It is verified by simulation that it has important practical significance for improving the stability of the power grid.

Key Words：Reactive power compensation；STATCOM；Instantaneous reactive power theory；MATLAB simulation

目录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状及发展趋势 2

1.2.1 STATCOM的研究现状 2

1.2.2 STATCOM的发展趋势 2

1.3 本文主要工作 3

1.4 本章小结 4

第2章 无功补偿发展状况及STATCOM工作原理 5

2.1 无功补偿装置发展状况 5

2.2 STATCOM的系统构成 9

2.3 STATCOM的工作原理 10

2.4 H单元工作原理 13

2.5 STATCOM调制策略 14

2.6 本章小结 15

第3章 STATCOM数学模型建立及控制策略 16

3.1 基于瞬时无功功率理论的电流检测法 16

3.2 STATCOM的数学模型搭建 18

3.3 STATCOM系统控制策略 20

3.4 本章小结 23

第4章 STATCOM仿真与验证 24

4.1 建立STATCOM仿真模型 24

4.1.1 电流检测模块 25

4.1.2 前馈解耦控制模块 25

4.1.3 PWM波产生模块 26

4.1.4 STATCOM主电路模块 27

4.2 仿真结果分析 28

4.3 本章小结 32

第5章 总结与期望 33

5.1 总结 33

5.2 期望 33

参考文献 34

致 谢 36

第1章 绪论

作为评估电能质量好坏的重要要素之一，电压质量在电网中起着至关重要的作用，不合格的电压质量很容易导致事故发生，带来严重的影响，直接给人类生活带来危害，对社会经济造成巨大的冲击^[1]。随着时代的不断发展，各式各样的电器出现在人们的生活中，人类对于电能质量的需要也日趋增高。虽然利用传统的方法在一定程度上可以提升电能质量，例如采用UPS不间断电源、发电机、无源滤波器等措施保护主要电荷，但是利用这些设备需要大量资金，且设备的损耗都偏大，甚至在某些时候这些设备起到的作用并不大，无法满足人们日趋增长的电能质量需求。由此可以得知，使用STATCOM对配电侧开展全方位电能质量补偿是现阶段的主要任务^[2]。

1.1 研究背景及意义

步入二十一世纪，我国经济得到飞快发展，在经济增长快速的同时一次能源的消耗也逐渐增加，但是我国的一次能源分布并不均匀，由于地理差异一次能源的分布也存在差异，因此我国提出全国联网、西电东送等有效措施。电能作为生活中一种高效、清洁，并且得到广泛使用的一次能源。随着国家科技的不断进步，人民对于电能的需求逐渐加大，对于电能质量的要求的也逐渐变高。无功功率在电能生产、输送、分配中扮演着重要的角色^[3]。由于异步电动机等用电负荷在工作时需要消耗大量的无功功率，使得无功负荷大大增加，从而影响电力系统中的无功容量。无功功率的存在在一定程度上会加大设备容量，变相提升用电成本，还大大加大了设备和线路的损耗，从而减小电能的利用率。倘若是具备冲击性的无功负荷，还会导致电力系统中的电压发生剧烈波动，大大影响供电质量，情况恶劣还会严重影响电网的安全性。远距离输送无功通常会影响有功功率的损耗，降低电压质量，不符合输送要求，不仅仅降低了电能的质量，还严重威胁了电网的安全运行。因此在配电侧进行无功补偿是十分重要并且有必要的。无功补偿不仅可以减小设备容量，从而减小设备的功率损耗，还可以提升用户端配电网功率因数，进一步提升远距离输电线的输电能力^[4]。

关于电力系统的无功补偿装置，最先的是电容器，然后随着技术的不断提升历经了同步调相机、静止无功补偿器（SVC），直到现阶段的静止同步补偿器（STATCOM）。

STATCOM作为新型的无功补偿装置，其性能相比之前的无功补偿装置有明显的优势：

（1）STATCOM对于电容器的容量要求不大。理论上STATCOM不需要借助储能元件就能够实现和系统交换无功的目的，在一定程度上可以略去常规补偿装置内的大电容或者大电感等较大的切换机构，保证STATCOM的体积足够小，从而降低损耗。

（2）STATCOM可以快速发出连续可调的感性无功和容性无功，可以在感性负荷和容性负荷场合都得到广泛运用，具备较强的工作能力。

（3）STATCOM区别于自动投切电容器组装置来说响应速度更快，一般而言响应时间都小于10ms，具备优异的暂态特性。

（4）根据不同的控制目的，STATCOM一方面可以补偿系统无功，另一方面也可以稳定接入点电压。采取一定的控制策略，进一步实现补偿谐波分量、负序分量和无功功率分量的目的^[5]。

1.2 国内外研究现状及发展趋势

1.2.1 STATCOM的研究现状

随着世界科技技术的不断进步，人们很早就利用电力电子变流器来对无功进行控制，只不过当时局限于电力电子器件的耐压能力和功率水平，没有办法研制出具备实用价值的输电系统装置。直到GTO的出现，有效的带动了STATCOM的发展与应用。STATCOM和静止无功补偿器SVC相比，具备更优异的性能，对于STATCOM的应用发展得到社会上越来越多的关注。STATCOM在应用中通常具备以下优点：在电力半导体器件的选取上基本使用GTO和IGBT；系统控制目标比较多样化；大容量的STATCOM基本都利用水冷方式^[6]。

日本的三菱公司和关西电力在1980年研究出了世界上第一台容量为±20Mvar的STATCOM装置，并将其投入并网实验。此后，其他国家也逐渐加大在STATCOM领域的研究力度。1995年，美国西屋公司联合国家电力科学院投入运行一台容量为100Mvar的STATCOM装置。紧接着，德国西门子公司也在1997年将基于4500/3000A GTO的80MvarSTATCOM装置在丹麦投入运行。步入二十一世纪，日本的三菱、美国的阿尔斯通、瑞士的ABB、德国的西门子等多家国家大公司相继研究出多种STATCOM，并且成功将这些STATCOM装置应用在各种变电站、风电场等场所。关于这一领域的研究，我国基于技术等原因起步较晚。1995年8月，河南省电力局联合清华大学，经过科研人员的不懈努力，共同研制出了一台±30Mvar的STATCOM装置，并且成功在清华大学并网。1999年的夏天，基于GTO的±20Mvar的STATCOM在河南省电网进行运行试验。直到2010年3月22日，我国研制出来的首套35千伏直挂链式STATCOM装置成功在浙江绍兴电力局220千伏桑德变电所并网，并且顺利投入运行^[7]。

1.2.2 STATCOM的发展趋势

随着世界科技的不断进步，国际上对于STATCOM的研究已经有了更深层次的进步，参考近几年的发展状况，STATCOM的发展趋势越来越好，主要体现在下面几点^[8]：

（1）装置的容量越来越大

现阶段已有的开关元器件IGBT，IGCT等容量有限，无法满足高电压开关站的要求，为了进一步提升500kV开关站的电压调节能力，所用到的STATCOM装置容量要求也越来越大，因此现阶段我们需要针对大容量的STATCOM装置进行更深一步的研究。

（2）对故障状态下的STATCOM进行研究和一些保护措施进行进一步的研究

正常来说，对于电力系统，我们要求其在发生某些故障或者在某些异常状况下都能够安全可靠的有序运行。从而提升电力系统的稳定性，充分发挥系统作用。例如，当系统的电压幅值、相位发生突变，STATCOM有可能会发生过电流现象。基于此，现阶段采取的措施一般都是电力系统会立即自动封锁脉冲信号，等待系统的所有电压都趋于稳定值后再重新启动。为了降低系统故障发生频率，提高系统稳定性，需要针对STATCOM在故障状态下产生的问题展开更深一步的研究。除此之外，还需要提出更多合理有效的保护措施，保证系统可以运行得更加稳定，因此，现阶段仍需对STATCOM的保护措施进行更深一步的研究和开发。

（3）对STATCOM装置的装设地点进行优化改善

随着国家经济的不断发展，物价也在跟着不断上涨，有关STATCOM装置的投资建设费用也日趋增长，为了保证在不影响效果的前提下减少经济投资，提高经济效益，使得STATCOM在电力系统中可以充分发挥作用，需要针对STATCOM装置的装设地点进行严格的挑选，综合分析得出最佳装设地点，从而收获最佳的效果。

1.3 本文主要工作

在电力电子装置得到飞快发展的同时，有更多的无功和谐波在电网中产生，这就导致电网的稳定性遭受破坏，进一步导致电能质量下降。在配电侧开展快速无功补偿可以有效地提升系统功率因素，对于增强电网稳定性存在重要的现实意义。本文主要研究应用于配电侧的STATCOM，通过学习STATCOM 的工作原理，对其进行数学建模然后利用MATLAB进行仿真建模，从而验证STATCOM具有快速连续补偿无功功率的效果。

本文各个章节的主要工作如下：

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