电气工程及其自动化（毕业论文）.docx
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中 国 矿 业 大 学
本科生毕业设计
姓 名：
学 号：
学 院：
应用技术学院
专 业：
电气工程及其自动化
设计题目：
静止同步补偿器（STATCOM）仿真和研究
专 题：
指导教师：
职称：
2009年6月徐州
中国矿业大学毕业设计任务书
学院应用技术学院专业年级电气05-1班学生姓名
任务下达日期：
2009 年2月25日
毕业设计日期：
2009年2月25日至2009年6月20日毕业设计题目：
静止同步补偿器（STATCOM）仿真和研究
毕业设计专题题目：
毕业设计主要内容和要求：
低功率因数和谐波污染是供电系统普遍存在的问题，已成为供电领域迫切需要解决的重要课题之一。
配电系统静止同步补偿器（ StaticSynchronous Compensator，STATCOM）可以有效地避免SVC装置的缺点，具有广阔的应用前景。
本课题具体任务如下：
1分析STATCOM的主电路结构及工作原理，建立数学模型；
2熟悉无功检测方法及STATCOM的控制策略；
3在PSCAD/EMTDC环境下建立STATCOM的仿真模型，并进行仿真分析。
院长签字：
指导教师签字：
中国矿业大学毕业设计指导教师评阅书
指导教师评语（①基础理论及基本技能的掌握；②独立解决实际问题的能力；③研究内容的理论依据和技术方法；④取得的主要成果及创新点；
⑤工作态度及工作量；⑥总体评价及建议成绩；⑦存在问题；⑧是否同意答辩等）：
成绩：
指导教师签字：
年 月 日
中国矿业大学毕业设计评阅教师评阅书
评阅教师评语（①选题的意义；②基础理论及基本技能的掌握；③综合运用所学知识解决实际问题的能力；③工作量的大小；④取得的主要成果及创新点；⑤写作的规范程度；⑥总体评价及建议成绩；⑦存在问题；⑧是否同意答辩等）：
成绩：
评阅教师签字：
年 月 日
中国矿业大学毕业设计评阅教师评阅书
评阅教师评语（①选题的意义；②基础理论及基本技能的掌握；③综合运用所学知识解决实际问题的能力；③工作量的大小；④取得的主要成果及创新点；⑤写作的规范程度；⑥总体评价及建议成绩；⑦存在问题；⑧是否同意答辩等）：
成绩：
评阅教师签字：
年 月
中国矿业大学毕业设计答辩及综合成绩
答
辩
情 况
提 出 问 题
回 答 问
题
正确
基本正确
有一般性错误
有原则性错误
没有回答
答辩委员会评语及建议成绩：
答辩委员会主任签字：
年 月
日
学院领导小组综合评定成绩：
学院领导小组负责人：
年 月
日
摘 要
电能质量的问题，尤其是无功功率和谐波的问题，严重威胁着电网的安全运行。
静止同步补偿器（STATCOM），作为新一代无功功率补偿装置，它与现有的静止无功补偿装置（SVC）相比，具有调节速度更快、运行范围更宽、吸收无功连续、谐波电流小、损耗低、所用电抗器和电容器容量及安装面积大为降低等优点，引起了国内外科研与工程领域的广泛关注。
论文通过对STATCOM的现状和发展趋势，无功的产生和影响，无功补偿的意义的分析，进行了STATCOM工作原理的研究，并建立了
STATCOM的数学模型，采用基于瞬时无功功率理论的检测方法，选择合适的控制策略，在PSCAD/EMTDC环境下进行了仿真分析，得出仿真后的波形。
仿真结果表明STATCOM能够对负荷进行快速地无功补偿，证实本模型算法的合理性、正确性，具有一定的参考价值。
关键词：
无功补偿；静止同步补偿器；瞬时无功；PSCAD/EMTDC；
ABSTRACT
Theproblemofelectricenergyqualitymenacesseriouslythesafeoperationofpowernetwork,especiallyreactivepowerandharmonics.Thestaticsynchronouscompensator（STATCOM）,takesthenewgenerationreactivepowercompensationsystem,itcompareswithexistingstaticidleworkcompensationsystem（SVC）,hastheadjustablespeed
tobequicker,themovementscopetobewider,theabsorptionidlework,theharmoniccurrentsmall,tolosecontinuouslylow,usesthereactorandthecapacityofcondenserandtheerectionspacetoreduceandsoonmeritsgreatly,hascausedthedomesticandforeignscientificresearchandtheprojectdomainwidespreadattention.
ThepaperthroughtotheSTATCOMpresentsituationandthetrendofdevelopment,theidleworkproductionandtheinfluence,theidleworkcompensation'ssignificance'sanalysis,hasconductedtheSTATCOMprincipleofworkresearch,andhasestablishedtheSTATCOMmathematicalmodel,usesbasedontheinstantreactivepowertheoryexaminationmethod,choosestheappropriatecontrolpolicy,hascarriedonthesimulationanalysisundertheEMTDC/PSCADenvironment,afterobtainingthesimulationprofile.ThesimulationresultindicatedthatSTATCOMcanshouldercarriesonfasttheidleworkcompensation,confirmedthatthismodelalgorithm'srationality,theaccuracy,havecertainreferencevalue.
Keywords:
Reactivepowercompensation;STATCOM;Instantaneousreactive;PSCAD/EMTDC;
目 录
1绪论 1
1.1引言 1
1.2论文研究背景和研究的意义 1
1.3无功功率 3
1.4无功补偿的意义 3
1.5主要无功补偿装置及其工作原理 5
1.5.1并联电容器 6
1.5.2同步调相机（SynchronousCondenser-SC） 6
1.5.3静止型无功补偿装置（StaticVarCompensator-SVC） 7
1.6STATCOM研究现状和发展趋势 9
1.6.1STATCOM研究现状 9
1.6.2STATCOM发展趋势 10
1.7本文研究的主要内容 11
2STATCOM的工作原理及数学模型 11
2.1STATCOM的基本电路结构 11
2.2STATCOM的工作原理 13
2.3STATCOM的数学模型的建立 16
3无功功率检测方法和STATCOM的控制策略 19
3.1无功功率检测方法 19
3.1.1d-q矢量变换理论 20
3.1.2三相对称系统的瞬时无功功率 22
3.2STATCOM装置的控制方法 24
3.2.1直接电流控制 24
3.2.2间接电流控制 24
3.2.3电流间接与直接控制的特点 25
4STATCOM装置的无功补偿仿真研究 26
4.1仿真工具软件PSCAD/EMTDC简介 26
4.1.1仿真工具软件PSCAD/EMTDC的概况 26
4.1.2仿真工具软件PSCAD/EMTDC的主要功能 27
4.1.3仿真工具软件PSCAD/EMTDC的主要结构及元件库 27
4.1.4仿真工具软件PSCAD/EMTDC的主要操作步骤 29
4.2STATCOM的仿真 29
4.2.1仿真的主接线图 29
4.2.2仿真的主控制电路图 30
4.2.3仿真的调制电路图 30
4.2.4各仿真的波形图 32
4.3本章小结 33
5总结与展望 33
5.1结论 33
5.2展望 34
参考文献 35
英文原文 37
中文译文 44
致谢 51
中国矿业大学2009届本科毕业论文 第1页
1绪论
1.1引言
近年来，随着经济的快速发展，我国的电力工业也取得了前所未有的成就。
目前，我国电力系统的装机容量及发电量均居世界第二，业已形成了华东、华北、华中、东北、西北、南方六大区域网和山东、福建两个省网。
随着以三峡水电站为代表的一批新兴发电工程的开发，以及超高压、大容量、远距离输电技术的发展，全国各大电网互联，直至出现全国性的大联网已成为必然的趋势。
随着电力工业的发展，电力电子装置的应用日益广泛，电网中的谐波污染也日趋严重。
另外，大多数的电力电子装置功率因数很低，也给电网带来了额外负担，并且影响着供电质量。
因此，如何抑制谐波和对无功功率进行补偿已经成为电力电子技术、电气自动化技术以及电力系统研究领域所面临的一个重大课题。
静止同步补偿器（StaticSynchronousCompensator，简称STATCOM），是柔性交流输电系统（FACTS）中的重要成员之一，具有实时检测和补偿
无功功率、支撑网络节点电压、补偿高次谐波等功能。
本文将重点对基于新型电力电子器件IGCT（IntegratedGateCommuteThyristor）的
STATCOM主电路结构进行深入研究，为STATCOM的大容量和实用化寻求合适的解决方案。
1.2论文研究背景和研究的意义
在电力系统中，由于电感、电容元件的存在，系统中不仅存在着有功功率，而且存在无功功率。
无功功率的存在对于电力系统和负荷的运行都非常重要，但其传输不仅会产生很大的有功损耗，而且沿着传输途径还会产生很大的电压降落，并且使电网的视在功率增大，从而对系统产生一系列不良影响，主要可以归纳为以下几个方面:
（1）电网总电流增加，使电力系统中的元件如变压器等的容量增大，从而增加了投资费用，在传送同样有功功率的情况下，增加了设备和线路的损耗。
（2）电网无功容量不足，会造成负荷端供电电压低，影响正常生产、生活用电;反之，若无功容量过剩，则造成电网运行电压过高，电压波动过大。
（3）降低了电网的功率因数，造成大量电能损耗。
当功率因数由
0.8下降至0.6时，电能损耗提高了将近一半。
为了输送有功功率，需要送电端和受电端有一相位差，这可以在相当宽的范围内实现，而为了输送无功功率，则要求两端电压有一幅值差，这只能在很窄的范围内实现。
不仅大多数网络元件消耗无功功率，大多数负载也需要消耗无功。
这些无功功率必须从网络的某个地方获得。
显然，如果都要由发电机提供并经过长距离传送是不合理的，通常也是不可能的。
合理的方法是在需要无功功率的地方进行补偿。
无功补偿的作用主要有以下几点:
（1）提高供用电系统及负载的功率因数，降低设备容量，减少功率损
耗;
（2）稳定受电端及电网的电压，提高供电质量。
在长距离输电线路合
适的地点设置动态无功补偿，还可以改善输电系统的稳定性，提高输电能力;
（3）在电气化铁道等三相负载不平衡的场合，通过适当的无功补偿可平衡三相的有功及无功负载。
正因为无功补偿对于提高电网安全运行水平和电能质量有着如此重要的意义，这一技术正越来越受到人们的关注，并已成为研究的热点。
FACTS是FlexibleACTransmissionSystem的英文缩写，也可翻译为灵活交流输电技术，是指装有电力电子型或其他静止型控制器以加强可控性和增大电力传输能力的交流输电系统，是美国著名电力专家
N.H.Hingorani博士于1986年提出的。
FACTS技术是利用现代大功率电力电子技术改造传统交流电力系统的一项重大改革，被认为是21世纪初可以实施的技术改革措施，已成为当今先进国家电力界研究的热点。
FACTS技术（包括系统应用技术及控制器技术）己被国内外的一些较权威性的输电技术研究者和工作组称为“未来输电系统新时代的三项支撑技术FACTS技术、先进的控制中心和综合自动化技术）之一”，或是“现代电力系统中的三项具有变革性影响的前沿性课题（柔性输电技术、智能控制、基于全球卫星定位系统（GPS）的新一代动态安全分析与监测系统）之一”。
此概念提出后，FACTS技术迅速成为各国电力界研究的热点。
FACTS技术是基于电力电子技术改造交流输电的系列技术，它对交流电的无功电压、电抗和相角可以进行控制，从而能有效提高交流系统的安全稳定性，使传统的交流输电系统具有更高的柔性和灵活性，使输电线路得到充分利用，以满足电力系统安全、可靠和经济运行的目标。
本文正是在这一背景下对STATCOM主电路结构、控制回路以及它的
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仿真波形进行了深入的研究。
1.3无功功率
许多用电设备都是根据电磁感应原理工作的，如配电变压器、电动机等，它们都是依靠建立交变磁场才能进行能量的转换和传递。
为建立交变磁场
和感应磁通而需要的电功率称为无功功率。
因此在供用电系统中除了需要有功电源外，还需要无功电源，两者缺一不可。
为了保证电力系统中电能质量、电压质量、降低网络损耗以及安全运行，就要保持无功平衡，无功功率对供电系统和负载的运行都是非常重要的，
电力系统网路元件的阻抗主要是电感性的，因此，为了输送有功功率，就要求送电端的电压有一相位差，这在相当宽的范围内可以实现，而为了输送无功功率，则要求两端电压有一差值，这只能在很窄的范围内实现，不仅大多数网络中某个地方活得，显然，这些无功功率如果都要有发电机提供并经过长距离传送是不合理的，会加大网络损耗，通常也是不可能的，合理的方法是在需要消耗无功功率的地方产生无功功率，实现就地平衡补偿；所以就要对电力系统进行无功补偿。
消耗无功功率的主要设备：
有异步电动机、感应电炉、交流电焊机、变压器。
在工矿企业所消耗的全部无功功率中，异步电动机的无功消耗占了60%～70%；而在异步电动机空载时所消耗的无功又占到电动机总无功消耗的60%～70%，改善异步电动机的功率因数就要防止电动机的空载运行并
尽可能提高负载率。
变压器消耗的无功功率一般为其额定容量的10%～15%，它的空载无功功率约为满载时的1/3。
为了改善电力系统和企业的功率因数，变压器不应空载运行或长期处于低压负载运行状态。
1.4无功补偿的意义
随着我国国民经济及科技水平的快速发展，各行各业对电能质量的要求也越来越高，特别是随着各种电子装置和精密设备的广泛应用，使得用户希望供电企业能够提供高效优质的电能。
而在电力系统中，异步电动机、变压器以及电弧炉等装置要消耗大量的无功功率。
这些无功功率如果不能及时地得到补偿的话，会对电网的安全、稳定以及经济运行产生不利影响，主要体现在以下几个方面：
1.引起线路电压损耗增大
下图为局部电力网的等值电路图：
图1-1局部电力网等值电路
其中R、 X分别为线路的等值电阻和等值电抗; P2、Q2分别为局部电
力网末端的有功负荷和无功负荷; U2为末端电压。
可以证明，该局部电力网的电压损耗DU的计算公式如下:
DU=U-U
»P2R+Q2X
»P2R+Q2X
1 2
U2 Ue
（1-1）
其中Ue为该电力网络的额定电压。
由式（2-1）可知，由负荷的无功功率Q2引起的电压损耗为：
DUx
=Q2X
U
e
而由负荷的有功功率P2引起的电压损耗为：
（1-2）
DUR
=P2R
U
e （1-3）
因为在一般的公用电网中，R比X要小的多，所以电网电压的波动主要是由无功功率的波动引起的，而有功功率的波动对电网电压的影响则相对较小。
图1-2综合负荷的电压静态特性
图1-2为综合负荷的静态特性图，从图中可以看到，在额定电压附近，电压与无功功率的关系比电压与有功功率的关系要密切的多。
当无功负荷由Q0增加到Q1时，如果系统的无功储备充足，则负荷将保持正常电压水平。
如果无功储备不足，系统的无功电源不能提供相应的无功负荷增量，则电压特性曲线上移到图中的虚线，此时系统电压被迫由UN降为U1，以此来达
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到新的无功功率平衡。
如果长时间在低压状态下运行，不仅影响工业生产的产品质量，而且会损坏机械设备，造成安全隐患。
甚至还有一些更为恶劣的状况:
诸如异步电动机在启动期间功率因数很低，这种冲击性无功功率会使电网电压剧烈波动，甚至使接在同一电网上的用户无法正常工作。
还有电弧炉、轧钢机等大型设备会产生频繁的无功功率冲击，严重影响电网的供电质量。
因此，拥有充足的无功电源，动态快速的对无功功率进行补偿，是维持电力网电压稳定、提高供电质量的首要前提。
2.使设备及线路损耗增加
当电力网中的无功功率增加时，总电流亦随之增大，因而设备及线路的损耗就会增加，这是显而易见的。
在图l-1，该局部电力网的线损功率为:
P+Q
2 2
DS=S1-S2»2 2（R+jX）
U2
其中有功线损为：
e
P2+Q2
U
2
DP=P1-P2»2 2R
e
（1-4）
（1-5）
在有功线损中，因无功功率在电力网中的流动而引起的部分为:
Q2
U
2
DPQ»2R
e
（1-6）
由式（1-6）可知，系统中的无功负荷越大，所引起的线路损耗就会越大。
在我国，电力网的线损率是表征供用电企业经济效益和技术管理水平的综合性技术经济指标，也是国家贯彻节能方针，考核供电部门的一项重要指标。
因此，及时补偿系统无功负荷、提高系统功率因数，不仅能够节约能源、提高供电企业经济效益，还能反应供电企业的技术管理水平。
3.增加设备容量
无功功率的增加，会导致电流增大和视在功率的增加，从而使发电机、变压器及其他电气设备容量和导线容量的增加。
同时，电力用户的启动及控制设备、测量仪表的尺寸和规格也要加大。
这不仅会大大增加供电企业的运行成本，而且会增加用电企业的生产成本，使得电网的经济运行大打折扣。
在电力网中，不仅包括一些稳定的无功负荷，还有一些冲击性的无功负荷，只有对这些无功负荷进行动态补偿，才能防止供电质量的进一步恶化，同时，对于节约能源，保障电网安全运行也具有重要意义。
1.5主要无功补偿装置及其工作原理
1.5.1并联电容器
利用并联电容器是补偿无功功率的传统方法之一。
在电力系统常用的无功补偿设备中，并联电容器的单位容量费用最低，有功损耗最小，运行维护最简便，而目可以分散安装，实现无功就地补偿，获得最好的技术经济效果，此外改变容量也方便，还可以根据主要分散拆迁到其他地点。
因此以并联电容器作为无功补偿方式目前在国内外均得到广泛的应用。
下图为电力网中利用并联电容器进行无功补偿的等效电路图及相量图:
a）电路图 b）相量图
图1-3并联电容器补偿无功功率的电路和相量图
由图1-3可以看出，当并联电容器未投入使用时，电力网中的感性无功电流都由系统电源承担，使得系统功率因数较低;并联电容器投入后，向系统供应感性无功功率，分担了系统的绝大部分无功负荷，使得功率因数大大提高。
但是在补偿过程中，如果电容的容量过大，就会使补偿后的电流相位超前于电压，出现过补偿，这会引起变压器一次电压的升高，而且容性无功功率在电力线路上传输同样会增加电能损耗，使温升增大，影响电容器的寿命，因此，在利用并联电容器进行无功补偿时，一定要认真计算补偿容量。
由于电容器只能向系统供应感性无功功率，而且它所供应的感性无功功率与其端电压的平方成正比，所以以并联电容器作为无功补偿方式存在以下一些缺点:
首先是电压的调节特性差，当系统因无功负荷过大，出现电压下降时，电容器的无功输出反而减小，这会导致电网电压的进一步下降，从而威胁到整个电力系统的安全运行。
其次，当电容器的补偿容量确定以后，其阻抗是固定的，因此在补偿过程中不能跟踪负荷需求的变化，也就是说不能实现对无功功率的动态补偿。
而随着电力系统的发展，对无功功率进行快速动态补偿的需求越来越大。
1.5.2同步调相机（SynchronousCondenser-SC）
传统的无功功率动态补偿装置是同步调相机，它实际上是不带机械负荷，空载运行的同步电动机。
它有过激和欠激两种运行方式:
在过激运行时，向系统提供感性无功功率，成为无功电源，提高系统功率因数和电压;在欠激
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运行时，则从系统吸收感性无功功率，成为无功负荷，降低系统电压。
只要改变调相机的励磁，就可以平滑地改变其输出无功功率的大小及方向，因而可以平滑地调节所在地区的电压，这是同步调相机相对于并联电容器的最大优点。
然而，由于同步调相机属于旋转电机，因此损耗和噪声都很大，运行和维护复杂，而目相应速度慢，在很多情况下己无法适应快速无功功率控制的要求。
所以70年代以来，同步调相机开始逐渐被静止型无功补偿装置所取代。
1.5.3静止型无功补偿装置（StaticVarCompensator-SVC）
静止型无功补偿器是属于“柔性交流输电系统”（Flexible ACTransmissionSystem-ACTS）范畴的无功功率电源
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