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1、 静止同步补偿器的设计与仿真目录1 绪论11.1 引言11.2 本文研究背景及意义11.3电力系统静止无功补偿技术的种类及其各自的优缺点31.3.1 并联电容器31.3.2 同步调相机(Synchronous Condenser-SC)41.3.3 饱和电抗器41.3.4 静止型无功补偿装置(Static Var Compensator-SVC)51.4 STATCOM 研究现状和发展趋势51.4.1 STATCOM的研究现状51.4.2 STATCOM的发展趋势51.5本文的研究内容52 STATCOM 的工作原理及数学模型52.1 STATCOM的基本结构52.2 STATCOM的工作原理
2、52.3 STATCOM 装置的时域数学模型53 无功功率的检测方法和STATCOM的控制策略53.1 无功功率检测方法53.1.1基于dq理论检测方法53.2 STATCOM装置的控制方法53.2.1 直接电流控制53.2.2 间接电流控制53.2.3 电流间接与直接控制的比较54STATCOM装置的无功补偿仿真研究54.1 仿真软件MATLAB/Simulink简介54.1.1 仿真软件MATLAB/Simulink的概括54.1 .2 仿真软件MATLAB/Simulink的主要功能54.2 STATCOM的仿真54.2.1 STATCOM 的仿真的主接线54.2.2 仿真波形及结果分析
3、：54.3 本章小結55 总结与展望55.1 总结55.2展望5参考文献5致谢51 绪论1.1 引言 静止无功补偿器（STATCOM)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近年来在世界各地都得到了广泛的应用。河南省电力公司通过与清华大学合作，成功研制出国内第一台300kvar STATCOM工业样机和20Mvar STATCOM，标志着我国这一领域的工业应用研究处于世界先进水平。随着电力系统中非线性用电设备，尤其是电力电子装置日益广泛的应用，电力系统中的谐波与无功功率也越来越严重，而大多数电力电子装置功率因数较低，给电网带来了额外的负担，严重影响供电质量。因此
4、，谐波抑制和无功功率补偿已成为电力电子技术和电力系统等领域面临的一个重大课题，引起人们越来越多的关注，因此如何更好、更有效、更优化的对无功功率进行补偿是摆在电力工作者面前亟待解决的问题。1.2 本文研究背景及意义由于我国经济发张不平衡，一次能源地理分布不均，因此我国电力发展的基本国策为：“全国联网，西电东送，南北互供，厂网分开”。随着各省主干电网网架、大区主干网架和受端网架不断地加强及完善以及三峡电站各批机组逐步并网发电，中国的各区域性电网将实现联网，多大区域互联电力系统从经济上带来了明显的好处，但它面临着以下问题： （1）我国一次能源地理分布不均，电源建设所需的煤和水力资源主要在西部，为满足
5、东部发达地区不断增长的电力需求，需要通过长距离输电线将大量的电能送到东部的负荷中心如北京、上海和广东地区。输送的功率达到1.2-1.5亿KW输送如此大的功率需要建设多条远距离输电线，由于我国地形复杂，建设输电线的造价高昂，因此有效地减少输电线的输送容量。实际上输电线输送容量主要受稳定性的限制，包括：静稳极限；暂稳极限；电压稳定性；热稳定性。对于长距离输电线来说其热稳定极限是很高的，但受其他三项的限制，使其输送容量无法达到最大。 （2）功率分布和走向不当引起部分线路及其两端设备严重过负荷，而其他线路则轻载不仅使已有设备不能充分利用还常常引发稳定问题；形成环流整个系统的有功功率损耗增加，系统运行很
6、不经济；系统无功功率分配不当，电压质量变差。 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。 目前，世界上已有多台投入运行的STATCOM。其中，1986年美国的EPRI与西屋公司等研制的1Mvar STATCOM 在纽约的Sspring Valley投入示范运行；1991年日本的三菱公司与关西电力公司共同研制的80Mvar ST
7、ATCOM在Inuyama开关站投入154KV系统运行；1992年东京电力分别与东芝公司日立公司开发的两台50Mvar STATCOM在新信浓电站投入使用；1995年美国的电力科学院EPRI、田纳西流域管理局TVA与西屋公司投入了一台100Mvar STATCOM；1997由德国西门子公司开发研制的8Mvar STATCOM在丹麦Reisby Hede风场投入运行；目前为止世界上最大容量的STATCOM是美国AEP统一潮流控制器项目中的并联部分160Mvar STATCOM，已于1997年开始运行。 到目前为止，国际上只有美、日、德等少数几个发达国家掌握了STATCOM的应用开发技术。为了跟踪
8、国际FACTS发展的前沿技术，同时也为了解决电网现有的问题，在原国家电力部的支持下，河南省电力局于1994年决定投资开发20Mvar STATCOM，该项目被列为原店里不的重大科技攻关项目。在项目合作方清华大学的积极配合下，作为中间样机的一台300kvar STATCOM于1996年11月通过了电力部组织的专家评审，1997年在河南郑州的变电站进行了现场测试和试运行。20Mvar STATCOM于1999年3月在河南洛阳220kv朝阳变电站并网成功，它已成为中国FACTS研究应用领域的一个里程碑，标志着我国成为国际上第四个拥有大容量STATCOM制造技术的国家，标志着中国FACTS技术发展进入
9、了一个新的阶段。可以看出STATCOM作为一种新型的无功调节装置，拥有如此多的优点,已经成为现代无功补偿装置的发展方向，也成为国内外电力系统行业的重点研究课题之一。1.3电力系统静止无功补偿技术的种类及其各自的优缺点 传统的无功补偿设备有并联电容器、调相机和同步发电机等，由于并联电容器阻抗固定不能动态的跟踪负荷无功功率的变化;而调和机和同步发电机等补偿设备义属于旋转设备，其损耗、噪声都很大，而且还不适用于太大或太小的无功补偿。所以这些设各已经越来越不适应电力系统发展的需要。 20世纪70年代以来，随着研究的进一步加深出现了一种静止无功补偿技术。这种技术经过20多年的发展，经历了一个不断创新、发
10、展完善的过程。所谓静止无功补偿是指用不同的静止开关投切电容器或电抗器，使其具有吸收和发出无功电流的能力，用于提高电力系统的功率因数，稳定系统电压，抑制系统振荡等功能。目前这种静止开关土要分为两种，即断路器和电力电子开关。由于用断路器作为接触器，其开关速度较慢，约为10-30S,小可能快速跟踪负载无功功率的变化，而且投切电容器时一常会引起较为严重的冲击涌流和操作过电压，这样不但易造成接触点烧焊，而且使补偿电容器内部击穿，所受的应力大，维修量大。随着电力电子技术的发展及其在电力系统中的应用，交流无触点开关SGR,GTR, GTO等的出现，将其作为投切开关，速度可以提高500倍(约为10us)，对任
11、何系统参数，无功补偿都可以在一个周波内完成，而目_可以进行单相调节。现将各种无功补偿方法的优缺点及其等效电路图进行详细的对比：1.3.1 并联电容器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)向量图 图1-3 并联电容器补偿无功功率的电路和向量图由图可以看出，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
12、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。优点：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。缺点：（1)只能补偿感性无功，且不能连续调节。（2)当电网电压下降时，电容器上的补偿电流相应下降，使得补偿的无功量急剧下降，系统电压下降更大。（3)在系统有谐波时，还可能发生并联谐振，使谐波电流放大，甚至造成电容器的烧毁。1.3.2 同步调相机(Synchronous Condenser-SC)优点：在过励磁或欠励磁的不同情况下可分别发出不同大
13、小的容性或感性无功功率缺点：（1)由于其为旋转电机，因而损耗和噪声都较大，运行维护复杂大容量技术难度高。（2)响应速度慢，在很多情况下，已无法适应快速无功功率控制的要求。1.3.3 饱和电抗器优点：与同步调相机相比，具有静止型的优点，响应速度快。缺点：（1)由于其铁心需磁化到饱和状态，因而损耗和噪声也都很大。（2)存在非线性电路的一些特殊问题，又不能分相调节以补偿负荷的不平衡。1.3.4 静止型无功补偿装置(Static Var Compensator-SVC)优点：（1)在提高系统的暂态稳定性和阻尼系统振荡等方面，STATCOM的性能大大优于传统的同步调相机。（2)控制灵活，调节范围广，其在
14、感性和容性运行工作情况下均可连续快速调节。(3)静止运行、安全稳定、大大提高了装置寿命，改善环境影响。（4）STATCOM装置采用直流电容器代替交流电容器，不仅可调节系统的无功功率，还可调节系统的有功功率。同时使STATCOM装置的体积减小，损耗降低。(5)述接电抗小。STATCOM接入电网的连接电抗，其作用是滤除电流中存在的较高次谐波，另外还起到将变流器和电网这两个交流电压源连接起来的作用，因此所需的电感量远小于补偿容量相同的STATCOM的对系统电压进行瞬时补偿，即使系统电压降低，其仍可维持最大无功电流。(5)谐波量小。SVC本身产生一定量的谐波，而在STATCM中，则完全可采用桥式交流电
15、路的多重化技术、多电平技术，以消除次数较低的谐波。(6)SVC装置是电抗型的，接入电力系统之后有可能改变原电力系统的阻抗特性，而导致出现谐振。而STATCOM装置为电压源逆变装置，不会产生谐振。(7) STATCOM的端电压，对外部系统的运行条件和结构变化不敏感，即输出稳定的系统电压。缺点：(1)初始投资和运行费用都比较高。(2)技术要求高，控制起来比较复杂。(3)容量太大及由此引发的系统复杂问题。 早期的静止无功补偿装置是饱和电抗器(Saturated Reactor-SR)型的，1967年，英国GEC公司制成了世界上第一批饱和电抗器型静止无功补偿装置。此后，各国厂家纷纷推出各自的产品。图 1-4 a)是其等效电路图，由SR和若干组不可控电容器组成。与电容C串联的电感与其构成串联谐振回路，兼作高次谐波的滤波器。而与饱和电抗器串联的电容则用以校正饱和电抗器伏安特性
