基于PSCAD/EMTDC的三電平電壓源型STATCOM的仿真研究

房公柱++謝歆

摘 要： 根據STATCOM的基本原理，分析和推導了其數學模型。根據其數學模型，利用PSCAD/EMTDC電力系統仿真軟件建立了三電平靜止同步補償器STATCOM的仿真模型。采用SPWM調制方式和PI調節的控制策略來控制系統的直流側電壓的穩定和輸出無功功率的大小，并對其進行了仿真。仿真結果證明采用此種控制策略能夠達到控制要求，也說明了三電平電壓源型STATCOM可以很好地補償無功功率，提高功率因數，有效地改善電能質量。

關鍵詞： PSCAD/EMTDC； 三電平電壓源型靜止同步補償器； 變換器； 無功補償； SPWM

中圖分類號： TN702.2?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）22?0147?03

靜止同步補償器STATCOM具有體積小、容量大、調節連續、響應速度快、經濟性能好等優點，對于抑制電壓閃變，提高電力系統暫態穩定性、可靠性、安全性具有重要的作用，因此，STATCOM在電力系統中的應用受到了廣泛的重視[1?2]。STATCOM也是一種電力電子裝置，其基本形式仍然是三相橋式電壓型或電流型的拓撲結構，主要以電壓型為主。

對于大功率逆變器的場合，開關器件的功率處理能力和開關頻率之間存在著矛盾，一般功率越大開關頻率越低。兩電平變流器在中高壓場合運用時，由于受到開關頻率的限制難以應用高性能PWM技術來改善傳統大容量變流器的性能，人們力圖通過對大功率變流器的電路拓撲和控制策略等方面進行研究以提高電力電子變流器的容量同時改善其性能[3?6]。在STATCOM中，也經常采用兩電平變流器的多重化技術，但是這需要昂貴、笨重、耗能的變壓器，大大增加了系統的體積和成本。

本文采用中點箝位型三電平逆變電路構成STATCOM的主電路[7]，簡要介紹其工作原理，并在PSCAD/EMTDC下進行了STATCOM的補償特性的仿真研究。

1 STATCOM的工作原理

目前應用的大容量STATCOM大都采用電壓源型變流器，但是無論是電壓型還是電流型的STATCOM，其動態的補償原理是相同的[8]。下面介紹基于電壓源型變流器的STATCOM的工作原理，其系統結構圖如圖1所示。STATCOM正常工作時通過開關器件的通斷將直流側電壓轉成與交流輸出電壓，就像是一個電壓型逆變器，只不過其交流輸出側輸出的不是負載而是電網。因此，當僅考慮基波頻率時，STATCOM可以等效地被視為幅值和相位均可以控制的一個與電網同頻率的交流電壓源[9]。

2 STATCOM的仿真建模

本文采用電力系統仿真軟件PSCAD/EMTDC建立三電平STATCOM主電路仿真模型。

仿真參數設置為：選擇電源容量100 MV·A，線電壓為115 kV，頻率60 Hz，內阻抗為默認值；阻感負載的額定功率為26.6 MW，額定無功功率為12.42 MV·A；變壓器原邊為星形接法，副邊為三角形接法，原邊線電壓115 kV，副邊線電壓為25 kV，容量為100 MV·A，不考慮鐵損和銅損，其他參數為默認值；三電平直流側為兩電容串聯，電容值為3 000 μF。

3 仿真分析

按照上面所敘述在PSCAD/EMTDC環境下，將各仿真模塊建好，并設置相應的參數。因為系統接入的為感性負載，由圖4（為了方便觀看，將圖4和圖5的電流波形進行了放大了100倍）看出電流波形滯后電壓波形一個角度，電流與電壓之間存在相位差，電路的功率因數不等于1，說明此時電網側在提供有功功率的同時，發出負載需要的無功功率，導致線路電流增大，引起線路損耗增加，因此需要進行無功補償。由圖5可見，STATCOM投入后系統的電壓和電流同相，實現了無功補償的目的。圖6所示在STATCOM投入運行的情況下，直流側電壓變化的情況，直流側電壓分兩部分，因為在主電路中直流側由上下兩個電容串聯組成，圖中所示為上面的電容兩端電壓。

圖7所示為無功功率和有功功率變化的波形。通過控制調制度m使STATCOM發出或吸收的無功功率。從圖中還可看出有功功率穩態后一直維持在0 MVA左右，即變流器幾乎不消耗有功功率。

4 結 語

本文在PSCAD/EMTDC仿真軟件中建立三電平電壓源型STATCOM，采用SPWM調制方式并采用PI調節的控制策略通過控制[δ]角和調制度[m]來控制系統的直流側電壓穩定和輸出無功功率的大小。這種調制方法思路簡單，經過仿真的驗證進一步得到了證明。

參考文獻

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