畢業(yè)論文-靜止同步補(bǔ)償器的主要運(yùn)行模式的仿真研究

湖南大學(xué)畢業(yè)論文湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)第頁(yè)P(yáng)AGEVIHUNANUNIVERSITY畢業(yè)論文論文題目靜止同步補(bǔ)償器主要運(yùn)行模式的仿真研究學(xué)生姓名學(xué)生學(xué)號(hào)專(zhuān)業(yè)班級(jí)電氣工程及其自動(dòng)化11級(jí)08班學(xué)院名稱(chēng)電氣與信息工程學(xué)院指導(dǎo)老師學(xué)院院長(zhǎng)2015年 月日摘要目前，我國(guó)電力系統(tǒng)發(fā)展至今最為突出的問(wèn)題之一是匹配不合理和補(bǔ)償容量不足夠的無(wú)功功率，尤其是能夠靈活調(diào)度的無(wú)功容量嚴(yán)總欠缺，能夠滿足性能要求的無(wú)功調(diào)節(jié)設(shè)備同樣缺乏。這些年來(lái)，非線性大功率負(fù)荷日漸增漲，無(wú)功對(duì)電網(wǎng)的不停沖擊以及諧波污染形成了不可忽略的問(wèn)題。同時(shí)因?yàn)槿狈τ行У臒o(wú)功調(diào)節(jié)手段，導(dǎo)致母線電壓跟隨運(yùn)行方式的變化而變?cè)挼姆浅Ｃ黠@。由此帶來(lái)的負(fù)面影響就是線損變大，電壓不合格率升高。另外，電網(wǎng)日漸復(fù)雜化，我們更加注重電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。目前比較有效而且經(jīng)濟(jì)的手段就是動(dòng)態(tài)的無(wú)功補(bǔ)償。正在推廣的D-STATCOM具有以下優(yōu)點(diǎn)：能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)功功率和有功功率的連續(xù)和雙向調(diào)節(jié)，加上它極快的控制速度，比較寬廣的調(diào)節(jié)范圍，通過(guò)采用多電平、多重化、或PWM等措施后可大大的減小補(bǔ)償電流中的諧波含量。D-STATCOM的一系列令人滿意的性能，使得社會(huì)上的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償方向有了明確，成為大眾所青睞的研究對(duì)象。首先,文章介紹傳統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償裝置以及D-STATCOM目前最新的研究現(xiàn)狀。通過(guò)與SVC的對(duì)比去發(fā)現(xiàn)D-STATCOM的明顯優(yōu)勢(shì)。接著在考慮了負(fù)荷損耗的基礎(chǔ)上建立了D-STATCOM的時(shí)域數(shù)學(xué)模型，并以此分析D-STATCOM的工作原理以及控制策略。D-STATCOM能夠達(dá)到理想的無(wú)功補(bǔ)償效果在于它的控制策略，文章從不同的角度去對(duì)D-STATCOM的控制方法分類(lèi)，包括從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，控制技術(shù)，電流控制方式等等。其次，由于不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)D-STATCOM的性能影響很大，由于級(jí)聯(lián)多電平逆變器有其明顯的優(yōu)勢(shì)，本文在采用其作為D-STATCOM的主拓?fù)涞幕A(chǔ)上，利用相移SPWM進(jìn)行開(kāi)關(guān)器件的脈沖調(diào)制。這樣的好處在于避免了體型大而不方便的變壓器，也可以降低功率損耗。該方案能夠?qū)崿F(xiàn)載波頻率成倍的等效提高，顯著的減少的諧波含量的輸出。最后，本文通過(guò)詳細(xì)的描述D-STATCOM控制方法以及工作原理，利用MATLAB仿真軟件仿真，成功的驗(yàn)證D-STATCOM的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償性能。關(guān)鍵詞：無(wú)功功率補(bǔ)償，載波頻率，拓?fù)?，多電平，多重化AbstractAtpresent,thedevelopmentofpowersysteminourcountrybyfarthemostprominentproblemofmatchingunreasonableandcompensationcapacityisnotenoughwithoutpower,especiallytoflexibleschedulingwithoutreactivecapacitystricttotallackof,canmeettheperformancerequirementsofreactivepowerconditioningequipmenttothelackofthesame.Overtheyears,thenonlinearhighpowerloadisincreasingdaybyday,andthereactivepowerhastheproblemoftheimpactofthepowernetworkandtheharmonicpollution..Atthesametimebecauseofthelackofeffectivereactivepoweradjustment,thebusvoltagefollowtherunningmodeandthechangeoftheoperationmodeisobvious..Thenegativeeffectoflinelossisbigger,thevoltagequalifiedrateincreased.Inaddition,thepowergridisincreasinglycomplex,wepaymoreattentiontothestabilityofthepowersystem.Atpresent,thedynamicreactivepowercompensationismoreeffectiveandeconomical..IsthepromotionofD-STATCOMhasthefollowingadvantages:noreactivepowerandactivepowerofcontinuousandbidirectionalregulation,plusitfastcontrolspeed,wideadjustmentrange,throughtheuseofmultiplelevel,multiple,orPWMandmeasurescangreatlyreducethecontentofharmoniccurrentcompensationcanberealized.D-STATCOMseriesofsatisfactoryperformance,makethesocialdynamicreactivepowercompensationdirectionofclear,becomethepopularresearchobject.First,thepaperintroducesthetraditionalreactivepowercompensationdeviceandD-STATCOMcurrentstatusofthelatestresearch.ThroughthecomparisonwithSVCtofindobviousadvantagesofD-STATCOM.Then,basedontheloadloss,thetimedomainmathematicalmodelofD-STATCOMisestablished,andtheworkingprincipleandcontrolstrategyofD-STATCOMareanalyzed..D-STATCOMcanachieveidealnocompensationeffectinthecontrolstrategy,thearticlefromdifferentanglestoonD-STATCOMcontrolmethodofclassification,includingthesystemstructure,controltechnology,currentcontrolmethod,etc..Second,becauseofthedifferenttopologicalstructureinfluencestheperformanceofD-STATCOM,becauseofitsobviousadvantagesofcascadedmultilevelinverter,thispaperinusingitasaD-STATCOMmaintopologybasedonusingphaseshiftedSPWMpulsemodulationswitchdevice.Keywords:reactivepowercompensation,carrierfrequency,topology,multilevel,multiplex目錄第一章緒論…………...71.1課題研究目的以及研究意義…………………71.2傳統(tǒng)的無(wú)功功率補(bǔ)償裝置……………………81.3D-STATCOM相比SVC的優(yōu)勢(shì)……………..91.4本文的主要研究?jī)?nèi)容…………10第二章D-STATCOM的數(shù)學(xué)模型、工作原理、控制策略………112.1引言……………112.2D-STATCOM的模型…………112.2.1D-STATCOM在時(shí)域下的數(shù)學(xué)模型…………………..112.3D-STATCOM的基本工作原理分析…………142.3.1D-STATCOM的工作原理……………..142.4D-STATCOM的控制策略……………………17第三章D-STATCOM的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)…………………223.1D-STATCOM的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)………………223.2D-STATCOM的常用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)………………223.3級(jí)聯(lián)多電平D-STATCOM的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)……...23第四章PWM調(diào)制策略的研究………254.1引言……………254.2PWM控制的基本思想………..254.3鏈?zhǔn)紻-STATCOM的PWM調(diào)制策略研究………………...274.3.1載波移相SPWM技術(shù)………274.3.2單極倍頻的載波移相PWM原理…………..27第五章仿真結(jié)果分析………………...295.1仿真環(huán)境……………………295.2Matlab中建立電力系統(tǒng)模型的方法…………………295.3D-STATCOM的仿真分析……………………305.3.1控制器仿真流程圖……………………...325.3.2仿真結(jié)果分析………….,.33結(jié)論……………………,35致謝……………..……..,36參考文獻(xiàn)………………,37第一章緒論1.1課題研究目的以及研究意義配電系統(tǒng)處于整個(gè)電力系統(tǒng)的末端處，是電力系統(tǒng)中與零散的無(wú)數(shù)用戶直接相連的主要部分，同時(shí)，也是對(duì)社會(huì)生活變化影響最大的成分。據(jù)統(tǒng)計(jì)，大多數(shù)動(dòng)態(tài)電能質(zhì)量問(wèn)題都來(lái)源于配電系統(tǒng)。隨著國(guó)家科學(xué)的進(jìn)步，國(guó)民經(jīng)濟(jì)有了長(zhǎng)足的發(fā)展，大量具有非線、性功率因數(shù)低、不對(duì)稱(chēng)、具有沖擊性等特點(diǎn)電設(shè)備如工業(yè)用電設(shè)備和民用用接入配電網(wǎng)中，如整流器、變頻調(diào)速裝置、異步電動(dòng)機(jī)、變壓器、電弧爐、軋鋼機(jī)、電氣化鐵路等。由此帶來(lái)的電能質(zhì)量問(wèn)題如下：電力系統(tǒng)總的無(wú)功功率增加，功率因數(shù)降低，電壓波動(dòng)變大，有時(shí)候嚴(yán)重情況下電網(wǎng)發(fā)生電壓崩潰，系統(tǒng)解列運(yùn)行，對(duì)電網(wǎng)及用戶設(shè)備安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行構(gòu)成嚴(yán)重影響。因此，合理的無(wú)功補(bǔ)償，是對(duì)配電網(wǎng)的電能質(zhì)量進(jìn)行有效控制的必然途徑。 無(wú)功功率增加對(duì)電力系統(tǒng)的影響如下：使設(shè)備容量增加。當(dāng)電力系統(tǒng)提高無(wú)功功率，電流和功率的會(huì)增加，以及測(cè)量?jī)x器的大小和尺寸都需要增大，同時(shí)也要增加發(fā)電機(jī)，變壓器和其它電氣設(shè)備的容量和傳輸能力。若電力系統(tǒng)中無(wú)功功率增加，將會(huì)導(dǎo)致總電流增大，從而使設(shè)備及線路損耗增大。電網(wǎng)中無(wú)功容量過(guò)剩或不足將會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)的運(yùn)行電壓過(guò)高或者負(fù)荷端的電壓降低，對(duì)正常的生產(chǎn)生活用電造成影響。沖擊性的無(wú)功負(fù)荷將會(huì)引起劇烈的電壓波動(dòng)，惡化電網(wǎng)的電能質(zhì)量在現(xiàn)代電力生產(chǎn)中，無(wú)功功率不合理而且不可能都由發(fā)電機(jī)產(chǎn)生并經(jīng)過(guò)遠(yuǎn)距離輸送到需要端，更為現(xiàn)實(shí)的就是在有需要無(wú)功功率的地方就自動(dòng)及時(shí)地產(chǎn)生無(wú)功功率，達(dá)到動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)男Ч＿@就是平常說(shuō)的無(wú)功功率補(bǔ)償。 補(bǔ)償無(wú)功功率對(duì)電力系統(tǒng)的作用如下：（1）有利于減少電能損耗。假設(shè)系統(tǒng)輸送有功功率P不變，添加無(wú)功補(bǔ)償裝置后，功率因數(shù)由cosφ上升到cosφ1，由P=UIcosφ，電流I與cosφ是反比關(guān)系，升高了cosφ，電流I隨之減少。而P=I2R，線路上的有功功率損耗正比于電流I的平方，那么電流I減少，成倍降低線路的有功損耗，從而達(dá)到降低電能損耗的效果。 （2）有利于發(fā)供電裝置運(yùn)行效率的提高。假設(shè)在恒定的設(shè)備容量下，功率因數(shù)的提高帶來(lái)的效果是無(wú)功功率輸送量的減少而有功功率輸送量的增多，假設(shè)所需要的有功功率恒定，較少的無(wú)功需求可以減少變壓器的容量。通過(guò)安裝無(wú)功補(bǔ)償裝置，則可使發(fā)電機(jī)多發(fā)有功功率，從而達(dá)到提高發(fā)供電設(shè)備運(yùn)行效率的效果。 （3）有利于電壓質(zhì)量的改善。配電網(wǎng)中無(wú)功補(bǔ)償裝置的合理布置，是獲得優(yōu)質(zhì)電能的關(guān)鍵。由于線路尾部的電抗一般更大，所以應(yīng)該選擇在接近線路尾端去添加超載的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備。1.2傳統(tǒng)的無(wú)功功率補(bǔ)償裝置早期的無(wú)功功率補(bǔ)償裝置有同步調(diào)相機(jī)（SC）、并聯(lián)電容器、飽和電抗器（SR）等。（一）并聯(lián)電容器可以通過(guò)機(jī)械開(kāi)關(guān)進(jìn)行投切。并聯(lián)電容器維護(hù)方便，裝置容量可隨實(shí)際需要而定，配置十分方便，既集中使用，又可分布安裝。與SC相比，投資小的同時(shí)，運(yùn)行經(jīng)濟(jì)且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。并聯(lián)電容器的弊端是不能持續(xù)調(diào)節(jié)，缺乏良好的負(fù)載特性。原因是，并聯(lián)電容器不能跟蹤負(fù)荷無(wú)功需求的變化，所以只能補(bǔ)償感性無(wú)功功率。因此在無(wú)功負(fù)荷增大的時(shí)候，電容器的補(bǔ)償容量會(huì)因電壓降低而減小，缺乏良好的調(diào)壓效果。另外，并聯(lián)電容器對(duì)系統(tǒng)中的高次諧波具有放大作用，可能發(fā)生諧振產(chǎn)生很高的諧波電流，導(dǎo)致電容器燒毀，危險(xiǎn)性較大。（二）同步器是同步電機(jī)無(wú)機(jī)械負(fù)載。同步調(diào)相機(jī)在過(guò)勵(lì)運(yùn)行時(shí)，將從電網(wǎng)吸收超前的無(wú)功電流，即向電網(wǎng)輸出無(wú)功功率；進(jìn)相運(yùn)行，又可以從電網(wǎng)吸收滯后的無(wú)功電流，即從電網(wǎng)吸收無(wú)功功率。它的特點(diǎn)是可以雙向、連續(xù)地調(diào)節(jié)，具有較大的過(guò)負(fù)荷能力。但是同步調(diào)相機(jī)控制速度較慢、損耗較大、維護(hù)較復(fù)雜，無(wú)法滿足現(xiàn)代快速控制的要求。（三）飽和電抗器主要應(yīng)用在超高壓(330Kv及以上)系統(tǒng)的線路上，使用時(shí)將它并聯(lián)在線路的末端或中間，通過(guò)吸收線路上的充電功率，防止超高壓系統(tǒng)長(zhǎng)線路在空載充電或輕負(fù)載時(shí)末端電壓升高。與同步調(diào)相相比之下，是一種靜止型的無(wú)功功率補(bǔ)償裝置，具有較快的響應(yīng)速度。鐵心需磁化到飽和狀態(tài)是飽和電抗器的一個(gè)主要缺點(diǎn)，伴隨的噪聲、損耗非常很明顯，不能分相調(diào)節(jié)以補(bǔ)償負(fù)荷的不平衡，因此無(wú)法成為無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的主要對(duì)象。由于機(jī)械投切設(shè)備有很大的慣性，延長(zhǎng)了動(dòng)作時(shí)間，而且機(jī)械投切的電容器會(huì)過(guò)劇烈的沖擊電網(wǎng)，難以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的快速響應(yīng)性能要求。1.3D-STATCOM相比SVC的優(yōu)勢(shì)靜止無(wú)功補(bǔ)償器SVC（StaticVarCompensator）是20年代70世紀(jì)的產(chǎn)物，曾經(jīng)廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償，隨著科技的發(fā)展現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展成為非常成熟的技術(shù)。它的主要作用是提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性以及阻尼，對(duì)于平衡無(wú)功負(fù)荷有很明顯的效果，同時(shí)在抑制高次諧波提高功率因素也是效果顯著。D-STATCOM是第二代FACTS技術(shù)的代表，它的出現(xiàn)是電力系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)的又一次革命。其具備了在容性和感性范圍內(nèi)雙向連續(xù)調(diào)節(jié)補(bǔ)償電流的能力，適應(yīng)了電力系統(tǒng)對(duì)各種運(yùn)行工況的需求，同時(shí)還具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快、補(bǔ)償電流諧波含量小(相比SVC)的特點(diǎn)，徹底解決了以往的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備所存在的缺陷。與采用第一代FACTS技術(shù)的SVC相比,D-STATCOM具有以下優(yōu)勢(shì)：1、D-STATCOM的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程更快，在目前的工程應(yīng)用中，D-STATCOM的響應(yīng)時(shí)間可以做到20ms以下，而SVC則通常需要40ms以上。2、D-STATCOM的輸出特性不受系統(tǒng)電壓影響，當(dāng)電壓下降時(shí)裝置輸出的無(wú)功保持不變；而SVC裝置補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功與電壓的平方成正比，當(dāng)無(wú)功不足導(dǎo)致系統(tǒng)電壓下降時(shí)，其所能提供的最大補(bǔ)償容量也隨之下降。3、D-STATCOM的直流側(cè)儲(chǔ)能元件只對(duì)電壓或電流起到支撐作用，因此所需要的電容或電抗值遠(yuǎn)小于補(bǔ)償容量，大大減小了裝置體積；而SVC的最大補(bǔ)償容量受到器件阻抗特性的限制，因此需要配備較大的電容和電抗器，導(dǎo)致裝置的體積與占地面積較大。4、D-STATCOM輸出的電壓或電流幾乎為正弦波形，因此產(chǎn)生的諧波污染較??；SVC通過(guò)控制電抗導(dǎo)通角的方式進(jìn)行調(diào)節(jié)，流過(guò)電抗器的電流為非正弦，將產(chǎn)生大量的諧波注入電網(wǎng)，造成嚴(yán)重的諧波污染，在某些情況下需要與無(wú)源或有源的濾波裝置配合使用。5、D-STATCOM相當(dāng)于一個(gè)可控電源，因此不改變系統(tǒng)阻抗，不會(huì)與系統(tǒng)發(fā)生諧振；SVC裝置是電抗或電容型的，接入電力系統(tǒng)容易與系統(tǒng)阻抗產(chǎn)生諧振。雖然目前電力系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備還是SVC，但是電力電子技術(shù)以及電力系統(tǒng)研究專(zhuān)家普遍認(rèn)為，D-STATCOM所具有的以上優(yōu)勢(shì)使其成為傳統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的理想替代者，全面滿足了電力系統(tǒng)對(duì)無(wú)功補(bǔ)償?shù)母黜?xiàng)要求，使21世紀(jì)的電力系統(tǒng)運(yùn)行品質(zhì)更為卓越。1.4本文的主要研究?jī)?nèi)容 首先,文章介紹傳統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償裝置以及D-STATCOM目前最新的研究現(xiàn)狀。通過(guò)與SVC的對(duì)比去發(fā)現(xiàn)D-STATCOM的明顯優(yōu)勢(shì)。接著在考慮了負(fù)荷損耗的基礎(chǔ)上建立了D-STATCOM的時(shí)域數(shù)學(xué)模型，并以此分析D-STATCOM的工作原理以及控制策略。D-STATCOM能夠達(dá)到理想的無(wú)功補(bǔ)償效果在于它的控制策略，文章從不同的角度去對(duì)D-STATCOM的控制方法分類(lèi)，包括從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，控制技術(shù)，電流控制方式等等。其次，由于不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)D-STATCOM的性能影響很大，由于級(jí)聯(lián)多電平逆變器有其明顯的優(yōu)勢(shì)，本文在采用其作為D-STATCOM的主拓?fù)涞幕A(chǔ)上，利用相移SPWM進(jìn)行開(kāi)關(guān)器件的脈沖調(diào)制。這樣的好處在于避免了體型大而不方便的變壓器，也可以降低功率損耗。該方案能夠?qū)崿F(xiàn)載波頻率成倍的等效提高，顯著的減少的諧波含量的輸出。最后，本文通過(guò)詳細(xì)的描述D-STATCOM控制方法以及工作原理，利用MATLAB仿真軟件仿真，成功的證明D-STATCOM的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償性能。第二章D-STATCOM的數(shù)學(xué)模型、工作原理、控制策略2.1引言D-STATCOM的基本原理是將自換相的橋式電路通過(guò)連接電抗或者直接接到系統(tǒng)上，適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)橋式電路交流側(cè)輸出電壓的幅值和相位，或者直接控制其交流側(cè)電流，從而發(fā)出或吸收滿足要求的無(wú)功功率，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)哪康摹?.2D-STATCOM的模型D-STATCOM的建模是研究的關(guān)鍵，不同的建模方法直接影響到分析與求解的難易程度。目前比較通用的建模方法為：輸入輸出建模法、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)建模法、dq變換建模法、開(kāi)關(guān)函數(shù)建模法等。實(shí)際中不可能按在撲結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上列寫(xiě)D-STATCOM的微分方程，再求解，因?yàn)楣ぷ髁糠浅４蟛⑶覐?fù)雜。尤其一旦開(kāi)關(guān)器件增加，復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將會(huì)對(duì)微分方程的列寫(xiě)帶來(lái)巨大的困難。所以本文在建模前做以下約定：（1）設(shè)定三相a、b、c的基本參數(shù)是對(duì)稱(chēng)的；（2）統(tǒng)一用用等效電感L表示線路和和連接電抗器的電抗值；（3）D-STATCOM裝置同時(shí)存在并聯(lián)和串聯(lián)兩種損耗。用Rc來(lái)等效并聯(lián)在直流側(cè)電容器兩端的電阻。用RCu，Rl分別表示銅損和線路損的等效電阻。用Rd表示D-STATCOM建模時(shí)開(kāi)關(guān)器件等效平均電阻；（4）考慮到逆變電路基于脈寬調(diào)制控制，大大的減少D-STATCOM裝置的輸出電壓諧波含量，本文只對(duì)基波分量加以考慮。2.2.1D-STATCOM在時(shí)域下的數(shù)學(xué)模型下圖2-1給出了D-STATCOM裝置的主電路結(jié)構(gòu)。S1到S6為三相逆變器的開(kāi)關(guān)器件。用Usa,Usb,Usc代表電力系統(tǒng)的三相相電壓，三相負(fù)荷側(cè)的電流用ila、ilb、ilc表示，等效電阻用R表示，L則是連接電抗器的電感。uca、ucb、ucc和ica、icb、icc分別表示D-STATCOM的三相輸出電壓和電流。 圖2-1D-STATCOM的主電路結(jié)構(gòu)三相電網(wǎng)電壓： usa(t)sin(ωt+δ) usb(t)=0.707Ussin(ωt+δ-2π/3)(2-1) usc(t)sin(ωt+δ+2π/3)D-STATCOM的輸出電壓：uca(t)sin(ωt)ucb(t)=Kudc(t)sin(ωt-2π/3)(2-2)ucc(t)sin(ωt+2π/3)K是比例系數(shù)δ為系統(tǒng)電壓超前于D-STATCOM輸出電壓的相位角。從圖2-1可知：ica(t)ica(t)usa(t)uca(t) Lddticb(t)+Ricb(t)=usb(t)-ucb(t)(2-3icc(t)icc(t)usc(t)ucc(t)有關(guān)系：R=RCu+Rl+Rd(2-4)將等式（2-1）、（2-2）代入式（2-3），可知：ica(t)sin(ωt+δ)sin(ωt)ica(t)Lddticb(t)=0.707us/Lsin(ωt+δ-2π/3)-KUdc(t)Lsin(ωt-2π/3)-RLiicc(t)sin(ωt+δ+2π/3)sin(ωt+2π/3) icc(t)根據(jù)能量守恒定律可知：ddt12Cudc2(t)+Udc2(t)Rc=uca(t)ica(t)+ucb(t)icb(t)+ucc(t)icc經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化，可知dUdc(t)L=KC[ica(t)sinωt+icb(t)(sinωt-2π/3)+icc(t)sin(ωt+2π/3)]-Udc于是容易得到D-STATCOM在時(shí)域下的數(shù)學(xué)模型表達(dá)式如下：ica(t)sin(ωt+δ)sin(ωt) ica(t)ddticb(t)=0.707UsLsin(ωt+δ-2π/3)-KUdc(t)Lsin(ωt-2π/3)-RLicc(t)sin(ωt+δ+2π/3)sin(ωt+2π/3) icc(t)dUdc(t)dt=KC[ica(t)sinωt+icb(t)(sinωt-2π/3)+icc2.3D-STATCOM的基本工作原理分析一般來(lái)說(shuō)，D-STATCOM就是利用IGBT，GTO等功率較大的電力電子器件構(gòu)成自換相橋整流電路，然后通過(guò)連接電抗器并聯(lián)在電網(wǎng)上，合理地調(diào)節(jié)D-STATCOM電路交流側(cè)輸出電壓的相位和幅值，或者直接控制其交流側(cè)電流，就可以使該電路吸收或者發(fā)出滿足要求的無(wú)功電流，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償?shù)哪康摹?.3.1D-STATCOM的工作原理D-STATCOM通過(guò)大功率電力電子器件將直流電逆變成交流電，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)跟平常的電壓型逆變器非常相似，二者的區(qū)別在于其交流側(cè)輸出接系統(tǒng)而不是無(wú)源負(fù)載。在前文的預(yù)定下進(jìn)進(jìn)考慮基波頻率，此刻可以將D-STATCOM等效地視為一個(gè)可以改變相為和幅值的并且同步于系統(tǒng)頻率的交流電壓源，再利用連接電抗器接到電網(wǎng)里?？梢杂脠D2-2所示的理想、單相等效電路來(lái)說(shuō)明D-STATCOM的基本工作原理。圖中系統(tǒng)電壓為Us，L為連接電抗器的等效電感，交流側(cè)輸出電壓用Ui來(lái)表示。圖2-2D-STATCOMS的單相實(shí)際等效電路根據(jù)圖2-2所示的理想、單相等效電路，電流I:I=Us-UijωL ω為電網(wǎng)電壓的基準(zhǔn)角頻率。那么D-STATCOM的視在功率SS=UsI*=UsUs-Ui-jωL 在不考慮D-STATCOM消耗有功功率的理想情況下，調(diào)節(jié)輸出電壓Ui同相位于系統(tǒng)電壓Us，則D-STATCOM吸收的無(wú)功功率為：Q=Im(S)=Im(UsUs-Ui-jwL)UsUs-Ui-jwL根據(jù)（2-10），控制D-STATCOM輸出電壓Ui的幅值，就可實(shí)現(xiàn)控制D-STATCOM從系統(tǒng)中吸收的無(wú)功功率的多少。例如：當(dāng)D-STATCOM輸出的電壓幅值Ui低于系統(tǒng)電壓Us，這種情況下D-STATCOM等效為電感，D-STATCOM吸收大于0的無(wú)功功率；當(dāng)D-STATCOM輸出的電壓幅值Ui高于系統(tǒng)電壓Us，這種情況下D-STATCOM等效為電容，D-STATCOM吸收小于0的無(wú)功功率。目前的技術(shù)水平下能夠?qū)崿F(xiàn)D-STATCOM設(shè)備輸出電壓Ui的連續(xù)、快速調(diào)節(jié)幅值，這就意味著D-STATCOM吸收的無(wú)功功率從負(fù)到正連續(xù)快速調(diào)節(jié)成為可能。下圖2-3為D-STATCOM分別吸收感性無(wú)功功率和容性無(wú)功功率的相量圖： UIUL=JωLII I UUsUl=Jω IUIa）吸收容性無(wú)功功率b）吸收感性無(wú)功功率圖2-3D-STATCOM的理想工作相量圖圖中表明，D-STATCOM吸收的電流向量垂直于系統(tǒng)電壓的向量?，F(xiàn)實(shí)中，考慮到電路中如開(kāi)關(guān)器件、連接電抗的損耗時(shí)，則需要直流側(cè)的電容提供有功以滿足損耗，這樣將會(huì)導(dǎo)致電容電壓下降而不滿足性能要求，所以為了保持電容電壓則必須要求彌補(bǔ)損耗的功率是來(lái)自D-STATCOM對(duì)電網(wǎng)功率的吸收，讓電容器的電壓保持在希望的水平。明顯的這樣會(huì)使得D-STATCOM吸收的電流不垂直于系統(tǒng)電壓。綜合各種損耗，按照實(shí)際情況分析，可以得到D-STATCOM的單相實(shí)際等效電路和工作相量圖如圖2-4、2-5所示。

圖2-4DSTATCOM的單相實(shí)際等效電路UsJω JωLI Ui δ UL RIULφδRIφUs UiU Ia)吸收容性無(wú)功功率b)吸收感性無(wú)功功率圖2-5D-STATCOM的實(shí)際工作相量圖如圖2-5，可以看到D-STATCOM輸出的電流I?超前于輸出電壓U90°，而電流I跟系統(tǒng)電壓相比，小了δ角，這說(shuō)明了D-STATCOM無(wú)功補(bǔ)償裝置所消耗的無(wú)功是來(lái)自電網(wǎng)。這樣的好處就是可以穩(wěn)點(diǎn)D-STATCOM無(wú)功補(bǔ)償裝置的直流端電壓。。這個(gè)δ角就是D-STATCOM輸出電壓U?i與系統(tǒng)電壓Us的相位差。通過(guò)調(diào)節(jié)這個(gè)相位差和UI的幅值就可以改變電流I的相位和幅值。從而調(diào)整D-STATCOM無(wú)功補(bǔ)償裝置所吸收到的無(wú)功功率。2.4D-STATCOM的控制策略在中低壓配電網(wǎng)中裝設(shè)D-STATCOM裝置是解決配電網(wǎng)中電能質(zhì)量問(wèn)題的有效方法。隨著自動(dòng)控制技術(shù)、電力電子技術(shù)、信息處理技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，廣大科研人員對(duì)基于電力電子器件的D-STATCOM裝置進(jìn)行了廣泛和深入的研究。從就國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀來(lái)看，美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)工業(yè)國(guó)家在這方面的研究起步較早，而國(guó)內(nèi)還處于理論研究和實(shí)驗(yàn)階段，真正投入使用于電網(wǎng)和工業(yè)企業(yè)中的工業(yè)裝置不多。其根本原因是一些關(guān)鍵技術(shù)以及難題沒(méi)有的到攻克。當(dāng)D-STATCOM主電路和控制對(duì)象確定后，技術(shù)的核心就歸結(jié)為補(bǔ)償無(wú)功的控制方法。安裝靜止無(wú)功補(bǔ)償器D-STATCOM的目的是為了改善電網(wǎng)電能質(zhì)量，提高電網(wǎng)穩(wěn)定性，以及較少電網(wǎng)電壓波動(dòng)。那么通常要求D-STATCOM具備以下功能：(1)能改善配電網(wǎng)功率因數(shù)；(2)能保持配電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定；(3)能消除非線性負(fù)載對(duì)電力系統(tǒng)的干擾，達(dá)到抑制配電網(wǎng)中的諧波污染的效果；(4)能補(bǔ)償負(fù)序電流，消除三相不平衡，。D-STATCOM的控制方法很多，根據(jù)不同的研究對(duì)象分類(lèi)如下:1.從控制策略方面分類(lèi)，可以分為開(kāi)環(huán)控制、閉環(huán)控制和復(fù)合控制；2.由控制技術(shù)角度劃分，有PI逆控制方法，魯棒自適應(yīng)控制，遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)，滑模變結(jié)構(gòu)，模糊控制方法。其中魯棒自適應(yīng)控制方法，模糊控制系數(shù)選擇困難；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)方法不依賴(lài)于系統(tǒng)模型的建立，但實(shí)時(shí)性不好；滑模變結(jié)構(gòu)線性化困難。在實(shí)際應(yīng)用中還是以傳統(tǒng)的PI控制居多。3.根據(jù)物理量控制，可以分為直接電流控制和間接電流控制。按照目前的情況，D-STATCOM大多采用雙環(huán)控制策略，直流電壓控制的外環(huán)起到了為內(nèi)環(huán)提供電流參考的作用；電流控制環(huán)用于內(nèi)環(huán)，作用是提供D-STATCOM所需的無(wú)功電流。（一）間接電流控制。多用于高壓大容量的D-STATCOM情況，其本質(zhì)就是將D-STATCOM等效的看成一個(gè)相位，幅值都可控交流電壓源，通過(guò)控制這兩個(gè)要素從而達(dá)到調(diào)節(jié)無(wú)功功率的效果。（二）直接電流控制。該方式多用于較低容量的場(chǎng)合。通過(guò)利用（脈寬調(diào)節(jié)）PWM技術(shù)，實(shí)時(shí)地檢測(cè)瞬時(shí)電流波形并且即時(shí)反饋，這樣的好處是能夠極大的提高控制的精度以及對(duì)于響應(yīng)的速度也有很大的提高，從而滿足電力系統(tǒng)電能調(diào)節(jié)的要求。本質(zhì)來(lái)說(shuō)，就是將D-STATCOM等效為一個(gè)受控的電流源。以下將介紹幾種主要的控制方式一）電流間接控制：圖2-6a）b）均為間接控制電流的D-STATCOM控制法，其核心就是通過(guò)控制D-STATCOM逆變器所輸出的交流電壓的相角和幅值，而達(dá)到人為的控制D-STATCOM交流側(cè)輸出電流，以滿足電網(wǎng)的無(wú)功調(diào)節(jié)。當(dāng)今比較流行的主要有δ角控制法和δ角、θ角同時(shí)控制兩種方法。前者簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是控制值靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置交流側(cè)輸出的電壓與電力系統(tǒng)之間的相角差值，及時(shí)地根據(jù)無(wú)功容量的需求情況實(shí)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。這種方式好處在于由于只有一個(gè)控制量，具有容易實(shí)現(xiàn)的角度控制，但是由于直流側(cè)電容的電壓同樣跟隨D-STATCOM的逆變電壓改變而改變，那么總的來(lái)說(shuō)整體的調(diào)節(jié)時(shí)間還是不能讓人滿意；后者在考慮δ角的基礎(chǔ)上加入了大功率器件的導(dǎo)通θ角控制，這種比第一種方法優(yōu)勢(shì)在于能夠同時(shí)調(diào)節(jié)靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置逆變電壓的相角和幅值，這是第一種方法不能實(shí)現(xiàn)的。明顯的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是使得直流側(cè)電容電壓穩(wěn)定。當(dāng)然，多考慮了θ角意味著電路參數(shù)的精確度要求更加高，二者配合起來(lái)也要更加靈活合拍，這是技術(shù)人員要克服的難點(diǎn)。圖2-6a)δ角控制圖2-6b)δ角和θ角配合控制綜上所述，電流間接控制方法的優(yōu)勢(shì)在于具有較低的開(kāi)關(guān)頻率以及簡(jiǎn)單的控制方法，該控制方法多用于大容量的電力系統(tǒng)中。這是因?yàn)楫?dāng)前的大功率開(kāi)關(guān)器件的工作頻率依然是有一定限度，因此沒(méi)辦法使用頻率較高的電流跟蹤控制?，F(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中，如清華大學(xué)的50MVar、日本東京電力250MVar、美國(guó)田納西電力100MVarD-STATCOM均為電流間接控制的。另外，鑒于容量大的D-STATCOM具有較低的開(kāi)關(guān)頻率，通常是兩倍于工頻，只能用多重化技術(shù)的方式去減少高次諧波。這就是為什么電流間接控制要經(jīng)常跟多重化、多電平技術(shù)并用來(lái)一直接入電網(wǎng)的諧波的原因。二）電流直接控制：D-STATCOM的電流直接控制方法比較直觀。其原理是通過(guò)與參考電流的對(duì)比以后，計(jì)算出需要補(bǔ)償?shù)碾娏?，再利用PWM技術(shù)對(duì)補(bǔ)償電流進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤控制，最后通過(guò)正弦脈寬調(diào)制或者空間矢量脈寬調(diào)制生成大功率器件的導(dǎo)通控制脈沖。采用直接電流控制方式的優(yōu)勢(shì)在于D-STATCOM的指令電流跟蹤能力大大增強(qiáng)，對(duì)于有害于電網(wǎng)穩(wěn)定性的高次諧波具有很高的抑制能力，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)功功率的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，消除三相電壓的不平衡現(xiàn)象。那么，最根本的補(bǔ)償性能就取決于無(wú)功電流的檢測(cè)裝置的精度以及實(shí)時(shí)電流跟蹤的誤差大小。圖2-7abc坐標(biāo)下的電流直接控制圖2-8d-q坐標(biāo)下的電流直接控制通常，D-STATCOM的電流直接控制有兩種結(jié)構(gòu)。分別為上圖2-7、2-8所示。2-7所展示的控制結(jié)構(gòu)，他的實(shí)時(shí)電流跟蹤法是基于abc靜止坐標(biāo)系。整個(gè)系統(tǒng)完成的功能是第一：電壓外環(huán)通過(guò)PI控制器生成有功電流指令I(lǐng)dref，通過(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)入無(wú)功補(bǔ)償裝置的有功電流來(lái)是的直流側(cè)電容的電壓維持在一個(gè)定值；第二：利用指令電流檢測(cè)模塊生成無(wú)功電流指令I(lǐng)qref，用以調(diào)節(jié)電力系統(tǒng)的無(wú)功情況。無(wú)功、有功電流通過(guò)反變換模塊獲得三相瞬時(shí)電流指令iaref、ibref、icref，三相實(shí)時(shí)電流被PI控制器跟蹤，得到的調(diào)制信號(hào)通過(guò)PWM比較環(huán)節(jié)產(chǎn)生大功率開(kāi)器件的通短控制信號(hào)。2-8所展示的控制結(jié)構(gòu)，他的實(shí)時(shí)電流跟蹤法是基于dq0坐標(biāo)系。其原理是利用同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換將D-STATCOM輸出的三相電流轉(zhuǎn)換為有功電流ip以及無(wú)功電流iq.得到的有功指令電流Ipref、無(wú)功電流指令I(lǐng)qref的方法跟2-7是一樣的。再利用PI控制器分別跟蹤有功電流以及無(wú)功電流，再通過(guò)dq0—abc反變換得到調(diào)制波，最后經(jīng)過(guò)PWM環(huán)節(jié)比較得到逆變器的開(kāi)關(guān)信號(hào)。第三章D-STATCOM的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)3.1D-STATCOM的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)D-STATCOM的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有兩種，即電壓型橋式電路結(jié)構(gòu)和電流型橋式電路結(jié)構(gòu)，如圖3-1所示。a）電壓型b)電流型3-1D-STATCOM的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)3.2D-STATCOM的常用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電壓型和電流型的D-STATCOM區(qū)別在于：前者的直流側(cè)并聯(lián)電容器儲(chǔ)能元件，作用是為逆變電路輸送直流，然后交流側(cè)通過(guò)一定的連接電抗器并接到電力系統(tǒng)中；后者的直流側(cè)則并聯(lián)電感器儲(chǔ)能元件，在交流端并聯(lián)電容用來(lái)吸收逆變電路產(chǎn)生的過(guò)電壓。實(shí)際情況下，大多采用電壓型D-STATCOM作為系統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償裝置，其根本原因在于電流型的D-STATCOM效率低，難以滿足補(bǔ)償要求。然而，單個(gè)大功率器件的容量是非常有限的，實(shí)際應(yīng)用中就要求我們通過(guò)對(duì)D-STATCOM設(shè)備的主電路拓?fù)渥鞒錾钊氲难芯?，以滿足電力系統(tǒng)的電壓等級(jí)。通常的方法就是通過(guò)利用大功率器件與電抗電容等器件經(jīng)過(guò)一定的拓?fù)渑浜?，形成有效的大容量逆變電路，現(xiàn)實(shí)生活中采用的比較多的技術(shù)就是多電平，多重化技術(shù)。（一）多重化技術(shù)：簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，將多個(gè)逆變電路利用變多個(gè)變壓器串聯(lián)起來(lái)就是D-STATCOM的多重化技術(shù)。其工作原理是將每一個(gè)輸出電壓都設(shè)定一定的相位差，然后依次疊加起來(lái)，最終達(dá)到非常接近正弦波的效果。這種技術(shù)是暫時(shí)世界各國(guó)電力系統(tǒng)用的最為普遍的，其原因在于多重化技術(shù)在以下方面有明顯的優(yōu)勢(shì)：能夠成倍的提高設(shè)備的電壓等級(jí)同時(shí)非常有效的降低諧波含量，這是其他技術(shù)難以達(dá)到的高度?？墒?，多重化技術(shù)缺點(diǎn)是必須考慮各個(gè)逆變器的移相關(guān)系，輸出電壓的總諧波含量是否滿足要求，還有就是交流段的變壓器的連接方式。技術(shù)的最難點(diǎn)在于分相控制，因?yàn)楦飨嚅g的電磁耦合關(guān)系非常復(fù)雜。最后，讓人不滿意的地方還有變壓器的大體積，高功耗，使得設(shè)備的整體運(yùn)行效率不高。（二）多電平技術(shù)：多電平技術(shù)的原理是每相由多個(gè)單項(xiàng)橋依次串聯(lián)，然后組成三相，每相橋臂的中點(diǎn)能夠輸出多個(gè)電平，獲得的多級(jí)階梯波疊加以后逼近正弦波，本質(zhì)上沒(méi)發(fā)生變化。多電平技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于既能提高輸出電壓的等級(jí)也可以根據(jù)需求增大逆變器的容量，同時(shí)也可以已知諧波輸出。它在克服了原來(lái)兩電平逆變器的缺點(diǎn)同時(shí)，其整體效率高，較低的開(kāi)關(guān)頻率和較小的大功率器件應(yīng)力等明顯優(yōu)勢(shì)也得到了社會(huì)各界的廣泛關(guān)注。當(dāng)然，其不足變現(xiàn)在隨著電平的升高，所需要的大功率器件急劇上升并且電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜性上升，使得控制也變得十分困難。鑒于這個(gè)局限，目前的多電平一般僅限于三電平。3.3級(jí)聯(lián)多電平D-STATCOM的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3-2所示為級(jí)聯(lián)7電平的D-STATCOM逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。每一相都用三個(gè)2電平的全控橋電路串聯(lián)，它們的參數(shù)結(jié)構(gòu)都一致。對(duì)于單相電壓來(lái)說(shuō)，都由每相的3個(gè)全控橋輸出電壓疊加而成，這樣的好處是使得D-STATCOM輸出的電壓嚴(yán)格逼近正弦波，嚴(yán)格的控制的高次諧波的輸出?？梢詫?shí)現(xiàn)非常優(yōu)秀的無(wú)功補(bǔ)償效果圖3-2用于D-STATCOM的7電平逆變電路第四章PWM調(diào)制策略的研究4.1引言 PWM(PulseWidthModulation)控制就是脈寬調(diào)制技術(shù)：即通過(guò)對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來(lái)等效的獲得所需要的波形（含形狀和幅值)。PWM技術(shù)的飛速發(fā)展同時(shí)也促進(jìn)了大功率器件的發(fā)展，使得它們的開(kāi)關(guān)脈沖控制變得非常簡(jiǎn)單。在逆變電路中應(yīng)用的最重要的技術(shù)之一就是PWM技術(shù)，這也是影響逆變電路發(fā)展最深刻的技術(shù)之一。當(dāng)今應(yīng)用的領(lǐng)域里面無(wú)一不有PWM存在。可以說(shuō)，逆變技術(shù)跟PWM技術(shù)的發(fā)展是相互相承彼此促進(jìn)的關(guān)系。這兩門(mén)技術(shù)方便了人類(lèi)的生活，使得電能的使用變得更加靈活而清潔。4.2PWM控制的基本思想重要理論基礎(chǔ)——面積等效原理：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。PWM有計(jì)算法和調(diào)制法兩種。如果給出了逆變電路的正弦波輸出頻率、幅值和半個(gè)周期內(nèi)的脈沖數(shù)，PWM波形中各脈沖的寬度和間隔就可以準(zhǔn)確的計(jì)算出來(lái)。按照計(jì)算結(jié)果控制逆變電路中各個(gè)開(kāi)關(guān)器件的通短，就可以得到所需要的PWM波形。這種方法叫做計(jì)算法。與計(jì)算法相對(duì)應(yīng)的是調(diào)制法，即把希望輸出的波形作為調(diào)制信號(hào)，把接收調(diào)制的信號(hào)作為載波，通過(guò)信號(hào)波的調(diào)制得到所期望的PWM波形。通常采用等腰三角形或鋸齒波作為載波，其中等腰三角形應(yīng)用最多。單極性PWM控制如圖4-1（單相橋逆變）V1和V2，V3和V4的通短在工作的時(shí)候都是互補(bǔ)的。在UO的正半周時(shí)，V1導(dǎo)通而V2掛斷，V3、V4的通斷交替進(jìn)行。負(fù)載電流滯后于電壓，在電壓大于零，電流有正負(fù)兩個(gè)區(qū)段。負(fù)載電流大于零時(shí)，V1、V4都導(dǎo)通時(shí)，Uo等于Ud。V4關(guān)斷時(shí)V1和VD3對(duì)負(fù)載電流續(xù)流，Uo=0負(fù)載電流小于零時(shí)，V1和V4仍導(dǎo)通，io小于零，io流經(jīng)VD1和VD4，仍有Uo=Ud。V3通、V4斷，V3和VD1對(duì)io續(xù)流，uo=0。Uo的電平為Ud和0兩種。Uo負(fù)半周，V1、V2通斷相反，V3和V4情況不變，Uo的電平為-Ud和0兩種。Ur大于零，V1保持通，V2保持?jǐn)?。?dāng)ur>uc時(shí)通V4，斷V3，Uo=Ud。當(dāng)ur<uc時(shí)斷V4，通V3，Uo=0。圖4-1單極性PWM控制圖4-2單極性PWM控制波形4.3鏈?zhǔn)紻-STATCOM的PWM調(diào)制策略研究所說(shuō)的鏈?zhǔn)紻-STATCOM的脈沖寬度調(diào)制方法是基于器件的控制方法，最終的目的是生成各個(gè)開(kāi)關(guān)器件的通斷信號(hào)，達(dá)到目的輸出波形。通常。PWM調(diào)制方法如下：計(jì)算法、載波調(diào)制法、空間矢量調(diào)制法以及優(yōu)化階梯波PWM方法。這一章主要的目的是探討載波相移的SPWM技術(shù)。4.3.1載波移相SPWM技術(shù) 載波相移正弦脈寬凋制(CarrierPhaseShined-SinusoidaIPulseWidthModulation)簡(jiǎn)稱(chēng)CPS-SPWM是眾多D-STATCOM脈寬調(diào)制中效果較好的調(diào)制方法之一，其優(yōu)勢(shì)在于能過(guò)實(shí)現(xiàn)等效的提高較低大功率器件開(kāi)關(guān)頻率的效果。這樣載波移相SPWM就可以廣泛應(yīng)用于大容量場(chǎng)合，在明顯的降低高次諧波的同時(shí)也能提高無(wú)功補(bǔ)償裝置的容量，所以說(shuō)這是一種優(yōu)秀的調(diào)制策略。鏈?zhǔn)紻-STATCOM的拓?fù)涫敲肯喽加萌舾蓚€(gè)H橋串聯(lián)而成，所以下面先分析單個(gè)H橋的調(diào)制策略，再利用單極倍頻方法，調(diào)制目的PWM波。4.3.2單極倍頻的載波移相PWM原理 倍頻，就是頻率倍增。指的是H橋輸出的電壓脈動(dòng)頻率與大功率器件的開(kāi)關(guān)頻率fc有以下關(guān)系:f=2fc(4-1)通常情況下，輸出電壓是同步于大功率器件的開(kāi)關(guān)頻率的。而利用了單極倍頻技術(shù)以后，前者的頻率為后者的兩倍，這樣就可以達(dá)到同樣的開(kāi)關(guān)頻率就得到兩倍的電壓脈動(dòng)這樣的效果，明顯的優(yōu)勢(shì)是有利于使輸出的波形嚴(yán)格逼近正弦波，有效的抑制高次諧波。單極倍頻的調(diào)制原理載波移相SPWM技術(shù)應(yīng)用于大功率電力電子開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)信號(hào)調(diào)制，級(jí)聯(lián)型的多電平逆變器也能夠使用，能夠?qū)崿F(xiàn)等效的提高較低大功率器件開(kāi)關(guān)頻率的效果。下面，以一相舉例介紹載波相移技術(shù)。首先，每一個(gè)逆變器單元采用的調(diào)制波信號(hào)均為US(ωst)，其中ωs為調(diào)制波頻率，ωc為各個(gè)逆變單元的三角波載波頻率，二者關(guān)系為ωc=kωs。采用的方法是讓每一個(gè)三角載波相互錯(cuò)開(kāi)一個(gè)角度，然后將每個(gè)逆變器輸出的電壓疊加，嚴(yán)格逼近正弦波。其中，每一個(gè)三角波相互錯(cuò)開(kāi)一個(gè)角度是載波相移技術(shù)的核心所在，現(xiàn)在，對(duì)于調(diào)制策略的分類(lèi)是基于載波相移角度的算法，分別為：移相移相πN法、移相2πN法。(N一般有三種調(diào)制方法可以得到單極倍頻SPWM波形，調(diào)制波反相法，載波反相法和相位參差法．本文采用調(diào)制波反相法。圖4-6為鏈?zhǔn)紻-STATCOM的基本單元H橋的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。圖4-6基本單元H橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖第五章仿真結(jié)果分析5.1仿真環(huán)境如今電能是世界上使用最為廣泛的能源之一，毫不夸張的說(shuō)電能決定人類(lèi)的生活方式。電力系統(tǒng)的構(gòu)成為：發(fā)電廠發(fā)電部分，變電廠變電部分，輸電部分，配電網(wǎng)配電部分以及用戶消耗電能部分。電力系統(tǒng)利用發(fā)電裝置將大自然的一次能源轉(zhuǎn)換成電能，使得人類(lèi)得以利用。對(duì)電力系統(tǒng)的研究顯得非常有意義。本文利用MATLAB作為仿真軟件。該軟件有非常強(qiáng)大的仿真數(shù)據(jù)庫(kù)，可以模擬現(xiàn)實(shí)里的一切狀態(tài)包括理想狀態(tài)，因此有很好的實(shí)用性。對(duì)于參數(shù)調(diào)節(jié)以及動(dòng)態(tài)性能的分析，該軟件都由很好的開(kāi)發(fā)性能。仿真技術(shù)的優(yōu)良特性和巨大效益，可能將成為今后人們特別重視和大力發(fā)展的綜合技術(shù)。仿真技術(shù)具有優(yōu)良的特性以及有價(jià)值的經(jīng)濟(jì)效益，將來(lái)必定成為科學(xué)家所青睞的發(fā)展對(duì)象。將仿真應(yīng)用于日常的生產(chǎn)，生活，有利于現(xiàn)在理論上驗(yàn)證方案的可行性，避免誤差，減少經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)也可以通過(guò)參數(shù)調(diào)節(jié)等手段，達(dá)到減少故障發(fā)生，實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)生活。因此，人類(lèi)的生產(chǎn)觀念必定隨著仿真技術(shù)的高速發(fā)展而產(chǎn)生巨大的轉(zhuǎn)變。5.2Matlab中建立電力系統(tǒng)模型的方法在電力系統(tǒng)的研究中，不管是規(guī)劃或是設(shè)計(jì)，理論上的模擬仿真已經(jīng)是一種不可或缺的手段，都需要用它來(lái)事先驗(yàn)證理論性的可行性在投入到實(shí)際生產(chǎn)中。目前研究生產(chǎn)里經(jīng)常用到的仿真軟件有EMIP、PSASP、MATLAB等等。本章基于MATLAB的simulink進(jìn)行仿真。simulink只是MATLAB里面的一個(gè)比較通用的軟件包之一，主要的作用就是進(jìn)行動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的仿真與建模。它支持的系統(tǒng)很多，具有模塊化，封裝，等功能。同時(shí)MATLAB具有很強(qiáng)的開(kāi)放性，用戶可以完全根據(jù)自己的需要進(jìn)行仿真。本文采用MatlabR2010b來(lái)建立STATCOM的仿真模型。對(duì)于STATCOM的仿真研究，存在三個(gè)等級(jí)：（1）元件級(jí)仿真；（2）裝置級(jí)仿真；（3）系統(tǒng)級(jí)仿真；元件級(jí)仿真主要是研究GTO（IGBT）的通斷性質(zhì)，為GTO（IGBT）構(gòu)建一個(gè)符合實(shí)際的模型，從而為GTO（IGBT）的保護(hù)和設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。裝置級(jí)仿真研究主要是為現(xiàn)實(shí)的裝置調(diào)試和設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。系統(tǒng)級(jí)仿真目標(biāo)是研究STATCOM在電力系統(tǒng)中所起的作用，例如保持電壓恒定、提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性等，它的仿真步長(zhǎng)一般達(dá)到毫秒這一數(shù)量級(jí)就行了。而在MATLAB構(gòu)建電力系統(tǒng)模型有兩種方法：（1）物理建模方法利用PSB中已存在的元件模型（例如電阻等）建立新元件的物理模型。假如研究的是器件級(jí)的仿真，則可以用物理建模的方法進(jìn)行建模。但是使用的元件模型必須是PSB中已存在的。（2）數(shù)學(xué)建模方法利用MATLAB/Simulink中控制函數(shù)模塊來(lái)建立新元件的數(shù)學(xué)模型。如果要進(jìn)行的是系統(tǒng)級(jí)的仿真，那么可以采用數(shù)學(xué)建模的方法來(lái)構(gòu)建相應(yīng)的模型。這個(gè)方法非常省時(shí)、效率非常高，特別適合于相關(guān)控制的設(shè)計(jì)。5.3D-STATCOM的仿真分析根據(jù)前面的理論分析，本文在SimPowerSystems基礎(chǔ)上搭建了系統(tǒng)仿真圖，如圖5.1所示。圖5-1DSTATCOM系統(tǒng)仿真圖按照結(jié)構(gòu)將整個(gè)控制系統(tǒng)分成三個(gè)板塊，第一個(gè)是D-STATCOM無(wú)功補(bǔ)償裝置板塊，第二個(gè)是系統(tǒng)仿真數(shù)據(jù)顯示板塊，第三個(gè)是25KV/100MVA的配電網(wǎng)。首先，在配電網(wǎng)中本文采用的電壓源是可編程電壓源，這樣的好處是通過(guò)設(shè)置可編程電壓源幅值就可以觀察D-STATCOM無(wú)功補(bǔ)償裝置在連接點(diǎn)的補(bǔ)償效果以及穩(wěn)壓效果。通過(guò)輸電線路25KV/600V專(zhuān)用變壓器向負(fù)載供電。其中，B1、B2、B3、B4均為三相伏安測(cè)量?jī)x，統(tǒng)一采用標(biāo)幺值計(jì)算。通過(guò)改變負(fù)載的性質(zhì)（阻感性負(fù)載或者阻容性負(fù)載）就能夠觀察D-STATCOM無(wú)功補(bǔ)償裝置的無(wú)功補(bǔ)償效果。D-STATCOM無(wú)功補(bǔ)償裝置主電路采用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是兩電平多重化技術(shù)，通過(guò)連接電抗器接到并接到電網(wǎng)中。為了便于分析，仿真系統(tǒng)專(zhuān)門(mén)設(shè)置了數(shù)據(jù)處理顯示模塊。示波器1顯示的是D-STATCOM無(wú)功補(bǔ)償裝置輸出的線電壓和線電流的標(biāo)幺值記為Va、Ia,也有Va的實(shí)際值；示波器2分別一次顯示了無(wú)功補(bǔ)償電流輸出值Iq和參考電流IqrefD-STATCOM無(wú)功補(bǔ)償裝置的有功功率P和無(wú)功功率Q，電容兩端的直流電壓Vdc，還有就是調(diào)制指數(shù)m；示波器3顯示的是B3的有功和無(wú)功，B1和B3上電壓幅值，這樣可以觀察的接入D-STATCOM無(wú)功補(bǔ)償裝置后的穩(wěn)壓性能。5.3.1控制器仿真流程圖 文章的基本原理已經(jīng)在前本給出，通過(guò)控制D-STATCOM無(wú)功補(bǔ)償裝置輸出的電壓幅值和相位就可以達(dá)到間接控制其輸出電流的效果?？刂蒲b置的輸入量D-STATCOM無(wú)功補(bǔ)償裝置直流端的電容電壓，輸出的三相電壓電流。同時(shí)，大功率器件的脈沖信號(hào)利用的而是脈沖調(diào)制（PWM）技術(shù)，從而控制器件的導(dǎo)通與關(guān)短，最終二者結(jié)合達(dá)到控制目的。下面圖5-2將給出控制的流程圖：圖5-2控制信號(hào)流程圖濾波器的作用是將高階諧波濾除5.3.2仿真結(jié)果分析 下面本文針對(duì)系統(tǒng)分別帶感性負(fù)載和容性負(fù)載兩種工況D-STATCOM無(wú)功補(bǔ)償裝置的無(wú)功補(bǔ)償效果進(jìn)行分析，并且做詳細(xì)的介紹。主電路的參數(shù)設(shè)置如下：直流側(cè)的電容設(shè)置為2000μF，連接電抗器的電抗值L=0.3mH；配電網(wǎng)端的變壓器變壓比為：25KV/600V，高壓25±5%，低壓0.5KV；空載損耗300W，短路損耗為1600W；阻抗電壓=5%，空載電流=1.6%；采用的是yn0的連接組別方式，系統(tǒng)頻率為工頻60Hz。（1）STATCOM穩(wěn)壓性能的仿真圖5-3D-STATCOM的穩(wěn)壓效果 如圖5-3是D-STATCOM的穩(wěn)壓效果圖。最初接入點(diǎn)電壓設(shè)置為標(biāo)幺值1.仿真系統(tǒng)模擬在t=0.04秒的時(shí)候負(fù)載發(fā)生變化引起電力系統(tǒng)電壓波動(dòng)，在靜止無(wú)功補(bǔ)償D-STATCOM的作用下，在0.04秒的時(shí)間內(nèi)電壓恢復(fù)到恒定，即標(biāo)幺值為1。從調(diào)節(jié)效果可以說(shuō)明靜止無(wú)功補(bǔ)償器D-STATCOM的以下兩個(gè)個(gè)穩(wěn)壓性能優(yōu)點(diǎn)：第一，調(diào)節(jié)時(shí)間非常短，整個(gè)調(diào)節(jié)時(shí)間只用了0.04秒，滿足電力系統(tǒng)對(duì)快速響應(yīng)時(shí)間的要求；第二，靜止無(wú)功補(bǔ)償器D-STATCOM的穩(wěn)壓效果明顯，通過(guò)穩(wěn)壓，電壓標(biāo)幺值迅速恢復(fù)成目的值，說(shuō)明穩(wěn)壓效果是非常讓人滿意的。（2）STATCOM無(wú)功控制模式下的仿真：如圖5-4描述的是D-STATCOM的無(wú)功補(bǔ)償效果。仿真最開(kāi)始系統(tǒng)無(wú)功為零，到t=0.04毫秒的時(shí)候由于負(fù)載的波動(dòng)，系統(tǒng)的無(wú)功需求發(fā)生了變化，通過(guò)觀察圖像得知，D-STATCOM的無(wú)功補(bǔ)償器經(jīng)過(guò)0.04秒的時(shí)間對(duì)無(wú)功進(jìn)行補(bǔ)償，很快系統(tǒng)的無(wú)功恢復(fù)到初始狀態(tài)，這說(shuō)明D-STATCOM的無(wú)功補(bǔ)償器具有良好的無(wú)功調(diào)節(jié)性能。從調(diào)節(jié)效果可以說(shuō)明靜止無(wú)功補(bǔ)償器D-STATCOM的以下兩個(gè)無(wú)功補(bǔ)償性能優(yōu)點(diǎn)：第一，調(diào)節(jié)時(shí)間非常短，整個(gè)調(diào)節(jié)時(shí)間只用了0.04秒，滿足電力系統(tǒng)對(duì)快速響應(yīng)時(shí)間的要求；第二，靜止無(wú)功補(bǔ)償器D-STATCOM的無(wú)功調(diào)節(jié)效果明顯，通過(guò)無(wú)功補(bǔ)償，很快系統(tǒng)的無(wú)功恢復(fù)到初始狀態(tài)，說(shuō)明無(wú)功調(diào)節(jié)效果效果也是非常讓人滿意的。結(jié)論本文通過(guò)對(duì)D-STATCOM的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，控制方法，脈沖調(diào)節(jié)等多個(gè)環(huán)節(jié)的分析，充分的證明了D-STATCOM優(yōu)越的無(wú)功補(bǔ)償性能，同時(shí)也證明了D-STATCOM具有穩(wěn)定接入點(diǎn)電壓，提高電網(wǎng)穩(wěn)定性，減少變壓器容量等等一系列改善電能質(zhì)量的優(yōu)點(diǎn)?；谖覈?guó)的電力系統(tǒng)發(fā)展水平，對(duì)D-STATCOM的深入研究必定是一個(gè)非常具有研究?jī)r(jià)值的課題。最后，本文通過(guò)對(duì)D-STATCOM的研究，對(duì)所做的工作總結(jié)如下： 1.通過(guò)數(shù)學(xué)理論的分析，建立了D-STATCOM的時(shí)域數(shù)學(xué)模型，這對(duì)分析研究D-STATCOM的動(dòng)態(tài)性能方面有巨大的幫助，同時(shí)可以通過(guò)實(shí)際的仿真結(jié)果去驗(yàn)證理論是否正確。 2.通過(guò)分析脈沖調(diào)制（PWM）技術(shù)，總結(jié)出D-STATCOM中大功率器件的通斷情況，有效的減少高次諧波對(duì)電網(wǎng)的污染，也使得D-STATCOM的輸出電壓嚴(yán)格