基于PSCAD/EMTDC的三电平电压源型STATCOM的仿真研究

房公柱++谢歆

摘 要： 根据STATCOM的基本原理，分析和推导了其数学模型。根据其数学模型，利用PSCAD/EMTDC电力系统仿真软件建立了三电平静止同步补偿器STATCOM的仿真模型。采用SPWM调制方式和PI调节的控制策略来控制系统的直流侧电压的稳定和输出无功功率的大小，并对其进行了仿真。仿真结果证明采用此种控制策略能够达到控制要求，也说明了三电平电压源型STATCOM可以很好地补偿无功功率，提高功率因数，有效地改善电能质量。

关键词： PSCAD/EMTDC； 三电平电压源型静止同步补偿器； 变换器； 无功补偿； SPWM

中图分类号： TN702.2?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2015）22?0147?03

静止同步补偿器STATCOM具有体积小、容量大、调节连续、响应速度快、经济性能好等优点，对于抑制电压闪变，提高电力系统暂态稳定性、可靠性、安全性具有重要的作用，因此，STATCOM在电力系统中的应用受到了广泛的重视[1?2]。STATCOM也是一种电力电子装置，其基本形式仍然是三相桥式电压型或电流型的拓扑结构，主要以电压型为主。

对于大功率逆变器的场合，开关器件的功率处理能力和开关频率之间存在着矛盾，一般功率越大开关频率越低。两电平变流器在中高压场合运用时，由于受到开关频率的限制难以应用高性能PWM技术来改善传统大容量变流器的性能，人们力图通过对大功率变流器的电路拓扑和控制策略等方面进行研究以提高电力电子变流器的容量同时改善其性能[3?6]。在STATCOM中，也经常采用两电平变流器的多重化技术，但是这需要昂贵、笨重、耗能的变压器，大大增加了系统的体积和成本。

本文采用中点箝位型三电平逆变电路构成STATCOM的主电路[7]，简要介绍其工作原理，并在PSCAD/EMTDC下进行了STATCOM的补偿特性的仿真研究。

1 STATCOM的工作原理

目前应用的大容量STATCOM大都采用电压源型变流器，但是无论是电压型还是电流型的STATCOM，其动态的补偿原理是相同的[8]。下面介绍基于电压源型变流器的STATCOM的工作原理，其系统结构图如图1所示。STATCOM正常工作时通过开关器件的通断将直流侧电压转成与交流输出电压，就像是一个电压型逆变器，只不过其交流输出侧输出的不是负载而是电网。因此，当仅考虑基波频率时，STATCOM可以等效地被视为幅值和相位均可以控制的一个与电网同频率的交流电压源[9]。

2 STATCOM的仿真建模

本文采用电力系统仿真软件PSCAD/EMTDC建立三电平STATCOM主电路仿真模型。

仿真参数设置为：选择电源容量100 MV·A，线电压为115 kV，频率60 Hz，内阻抗为默认值；阻感负载的额定功率为26.6 MW，额定无功功率为12.42 MV·A；变压器原边为星形接法，副边为三角形接法，原边线电压115 kV，副边线电压为25 kV，容量为100 MV·A，不考虑铁损和铜损，其他参数为默认值；三电平直流侧为两电容串联，电容值为3 000 μF。

3 仿真分析

按照上面所叙述在PSCAD/EMTDC环境下，将各仿真模块建好，并设置相应的参数。因为系统接入的为感性负载，由图4（为了方便观看，将图4和图5的电流波形进行了放大了100倍）看出电流波形滞后电压波形一个角度，电流与电压之间存在相位差，电路的功率因数不等于1，说明此时电网侧在提供有功功率的同时，发出负载需要的无功功率，导致线路电流增大，引起线路损耗增加，因此需要进行无功补偿。由图5可见，STATCOM投入后系统的电压和电流同相，实现了无功补偿的目的。图6所示在STATCOM投入运行的情况下，直流侧电压变化的情况，直流侧电压分两部分，因为在主电路中直流侧由上下两个电容串联组成，图中所示为上面的电容两端电压。

图7所示为无功功率和有功功率变化的波形。通过控制调制度m使STATCOM发出或吸收的无功功率。从图中还可看出有功功率稳态后一直维持在0 MVA左右，即变流器几乎不消耗有功功率。

4 结 语

本文在PSCAD/EMTDC仿真软件中建立三电平电压源型STATCOM，采用SPWM调制方式并采用PI调节的控制策略通过控制[δ]角和调制度[m]来控制系统的直流侧电压稳定和输出无功功率的大小。这种调制方法思路简单，经过仿真的验证进一步得到了证明。

参考文献

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