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statcom课程设计一、教学目标本课程的教学目标是使学生掌握STATCOM（静态同步补偿器）的基本原理、功能、应用及其控制系统的设计与分析。
通过本课程的学习，学生应能够：1.描述STATCOM的定义、工作原理和主要组成部分。
2.解释STATCOM的工作特性，包括其对电力系统的电压调节、无功功率控制和电力因数改善等方面的作用。
3.分析并设计STATCOM的控制系统，包括PID控制、状态反馈控制和自适应控制等。
4.评估STATCOM在不同电力系统中的应用和性能，如风力发电系统、电力负荷平衡和电力质量改善等。
二、教学内容本课程的教学内容将根据教学目标进行选择和，确保内容的科学性和系统性。
具体教学大纲如下：1.引言：介绍STATCOM的定义、功能和应用领域，概述本课程的学习目标和内容安排。
2.STATCOM的基本原理：讲解STATCOM的工作原理、主要组成部分及其工作特性。
3.STATCOM的控制系统设计：介绍STATCOM控制系统的分类和原理，讲解PID控制、状态反馈控制和自适应控制等设计方法。
4.STATCOM的应用案例分析：分析STATCOM在风力发电系统、电力负荷平衡和电力质量改善等方面的应用和性能。
三、教学方法为了激发学生的学习兴趣和主动性，本课程将采用多种教学方法，包括讲授法、讨论法、案例分析法和实验法等。
1.讲授法：通过教师的讲解，使学生掌握STATCOM的基本原理、功能和应用。
2.讨论法：学生进行小组讨论，培养学生的思考能力和团队协作精神。
3.案例分析法：分析实际应用案例，使学生更好地理解STATCOM的工作原理和控制方法。
4.实验法：安排实验室实践环节，让学生亲自动手进行STATCOM控制系统的模拟和调试。
四、教学资源为了支持教学内容和教学方法的实施，丰富学生的学习体验，我们将选择和准备以下教学资源：1.教材：选用国内外优秀的STATCOM相关教材，作为学生学习的基础资料。
2.参考书：推荐学生阅读相关的电力电子、电力系统自动化和控制理论等方面的参考书，以拓展知识面。
目录第一章绪论 (1)1.1多电平逆变器的背景 (1)1.2多电平逆变器的研究现状 (2)1.3多电平逆变器的应用 (3)第二章多电平逆变器的种类介绍 (6)2.1二极管箝位式多电平逆变器及其优缺点 (6)2.2电容箝位式多电平逆变器及其优缺点 (6)2.3H桥级联式多电平逆变器及其优缺点 (7)第三章多电平变换器PWM调制策略 (8)3.1多电平变换器PWM调制策略的分类 (8)3.2多电平SPWM调制策略 (9)3.2.1 SPWM调制策略 (9)3.2.2 载波垂直分布多电平调制策略 (9)3.2.3 载波水平移相多电平调制策略 (10)3.2.4多载波SPWM调制策略谐波分析 (10)3.3多电平SVPWM调制策略 (46)3.3.1 SVPWM调制策略 (46)第四章多电平逆变器中的电压平衡技术 (48)第五章三电平中点箝位型逆变器SPWM控制策略与仿真 (53)5.1三电平NPC逆变器SPWM方法 (53)5.2基于MATLAB的三电平NPC逆变器SPWM仿真 (54)5.2.1仿真系统整体框图 (54)5.2.2 基于载波反向SPWM带电机负载的仿真模块 (55)5.3基于载波同向SPWM带电机负载的仿真模块 (57)5.3.1 SPWM开关信号的发生模块 (57)5.3.2仿真结果与分析 (57)5.4基于注入三次谐波的SPWM带电机负载的仿真模块 (58)5.4.1 SFOPWM开关信号的发生模块 (58)5.4.2仿真结果与分析 (58)5.5三电平NPC逆变器SPWM的实验结果 (59)5.6小结 (59)第六章总结展望 (60)第一章绪论1.1 多电平逆变器的背景电力电子技术自二十世纪50年代诞生以来,经过近半个世纪的飞速发展,至今已被广泛应用于需要电能变换的各个领域。
在低压小功率的用电领域,电力电子技术的各个方面己渐趋成熟,将来研究的目标是高功率密度、高效率、高性能;而在高压大功率的工业和输配电领域,各个方面的技术正成为当今电力电子技术的研究重点。
统一潮流控制器原理
潮流控制器是电力系统中常用的一种设备，它的主要作用是在电力系统中维持
稳定的电力供应，保证系统中各个节点的电压和频率在合适的范围内，并调节电力流向。
统一潮流控制器（Unified Power Flow Controller，简称UPFC）则是一种高
压直流输电技术，通过控制电力系统中的电流、电压和相位，实现对电力流动的精确控制。
统一潮流控制器主要由两个核心部分组成：静止无功补偿器（Static Var Compensator，SVC）和静止无功发生器（Static Synchronous Compensator，STATCOM）。
SVC负责控制电流，STATCOM则控制电压。
通过调节这两个元素，UPFC可以实现对系统中不同节点的电流和电压进行精确调节，从而优化潮流分配，减轻系统的负荷压力。
UPFC的优点在于其快速响应能力和灵活性。
它可以在几毫秒的时间内对电流
和电压进行调节，以适应电力系统中随时变化的工况。
此外，UPFC可以同时控制
电流和电压，使得电力系统在供电的同时可以更好地满足负荷需求，提高系统的稳定性和可靠性。
潮流控制在电力系统中的应用广泛。
通过使用统一潮流控制器，电力系统运营
商可以更好地管理系统中的功率流动，减少潮流拥堵和电力损耗，提高系统的能效。
此外，UPFC还可以降低系统的谐波水平和电压波动，提高电力质量，减少对附属
设备的损害。
总之，统一潮流控制器是一种高效的控制设备，可以在电力系统中实现对电流
和电压的精确调节，优化能量分配，提高系统的稳定性和可靠性。
它在电力系统中具有重要的应用价值。
SVG工作原理、控制系统及关键技术说明SVG(Static Var Generator, 动态无功补偿装置)是一种采用自换相变流电路的现代无功补偿装置，是当今无功补偿领域最新技术，又称为STATCOM（Static Synchronous Compensator, 动态无功补偿装置）。
SVG 动态无功补偿装置在响应速度、稳定电网电压、降低系统损耗、增加传输能力、提高瞬变电压极限、降低谐波和减少占地面积等多方面更具优势。
SVG产品技术特点：※触发、监控单元分相独立化设计，运行速度快，抗干扰性强；※基于瞬时无功功率理论的无功检测技术；※直流侧电压平衡控制；※完善的保护功能；※专用的IGBT 驱动电路，保证了IGBT 高频开断的可靠性，并将状态监控信息实时上传至上层监控系统；※链节自取能设计，可靠性高；※链式结构模块化设计，满足系统高可靠性的要求，维护方便；※叠层铜排应用，满足IGBT 高频触发的要求；※响应时间可达5ms。
※能够提供从感性到容性的连续、平滑、动态、快速的无功功率补偿；※能够解决负荷的不平衡问题；※电流源特性，输出无功电流不受母线电压影响；※对系统阻抗参数不敏感。
电网电能质量存在的问题1.1非线性负荷大量接入电网和负载的频繁波动，对电能质量产生严重影响：(1) 输电系统缺乏及时的无功调节，系统振荡容易扩大，降低输电系统的稳定性；(2) 负荷中心缺乏快速的无功支撑，容易造成电压偏低；(3) 功率因数低，增加电网损耗，加大生产成本，降低生产效率；(4) 产生的无功冲击引起电网电压降低、电压波动及闪变，严重时导致传动装置及保护装置无常工作甚至停产；(5) 产生大量谐波电流，导致电网电压畸变，引起：①保护及安全自动装置误动作；②电容器组谐波电流放大，使电容器过负荷或过电压，甚至烧毁；③增加变压器损耗，引起变压器发热；④导致电力设备发热，电机力矩不稳甚至损坏；⑤加速电力设备绝缘老化；⑥降低电弧炉生产效率，增加损耗；⑦干扰通讯信号；(6) 导致电网三相电压不平衡，产生负序电流使电机转子发生振动。
无功补偿措施引言无功补偿是电力系统中的一项重要措施，用于改善电力系统的功率因数和电压稳定性。
在电力系统中，负载设备产生了一定的无功功率，而线路传输也会引起一定的无功损耗。
因此，为了提高电力系统的能效和稳定性，需要采取相应的无功补偿措施。
无功补偿原理无功补偿的原理是通过引入具有反向的无功功率来抵消负载设备和线路传输过程中产生的无功功率。
常用的无功补偿措施包括静态无功补偿装置（SVC）、静态同步补偿装置（STATCOM）和无功发电机等。
静态无功补偿装置（SVC）静态无功补偿装置（SVC）是一种常见的无功补偿设备，通过控制电容器和电抗器的接入与断开，实现对电力系统的无功功率的调整。
SVC能够根据电力系统的无功需求动态地调整补偿容量，以保持电力系统的功率因数在合理范围内。
静态同步补偿装置（STATCOM）静态同步补偿装置（STATCOM）是一种新型的无功补偿设备，通过控制直流电压和直流电流的相位差来实现对电力系统的无功功率的调整。
相比于SVC，STATCOM响应速度更快，能够更精确地控制无功功率的补偿，提高电力系统的稳定性。
无功发电机除了采用无功补偿装置外，还可以通过引入无功发电机来实现无功功率的补偿。
无功发电机是一种与负载设备并联的发电机，通过控制其输出的无功功率来实现对电力系统的无功补偿。
无功补偿的优点1.提高功率因数：无功补偿能够提高电力系统的功率因数，减少无功功率在电力系统中的流动，减少无功损耗。
2.提高电压稳定性：无功补偿设备能够根据电力系统的负荷变化动态调整补偿容量，提高电力系统的电压稳定性。
3.降低电能损耗：通过减少无功功率的流动，无功补偿能够降低电力系统的线路损耗和变压器损耗，提高电能的利用效率。
无功补偿的应用场景1.工业用电：在工业生产中，负载设备通常具有较高的无功功率，采用无功补偿措施能够提高电力系统的能效，降低能耗。
2.电力输配电：电力输配电中会引入一定的无功损耗，采用无功补偿措施能够补偿这部分无功功率，提高电力系统的功率因数和电压稳定性。
80年代中后期，美国电力科学院科学家提出了一种柔性交流输电系统，是未来输电系统新时代的三项支持技术之一。
近年来，满足电力系统不同调节需求的装置不断涌现，而STATCOM（statcom synchronous compensator）作为一种最重要的并联型装置，得到了相当多的国家和科研机构的大力研究。
补偿系统中的无功和调节母线电压等，具有传统无功补偿装置无法比拟的优点.1.拓扑结构2.投入系统基本结构a．理想．I：况下STATCOM和系统连接的基本结构U I>Us输出电流超前系统电压工况U I<U S输出电流滞后系统电压工况图1．1a为理想工况下STATCOM和系统的连接结构，图1．1b为STATCOM设备输出电流超前系统电压的工况，即装置输出无功功率，实现容性补偿；图1．1c为STATCOM设备输出电流滞后系统电压的工况，即装置吸收无功功率，相当于电抗器的作用3.运行效果含的双馈入直流输电系统模型STATCOM对双馈入HVDC系统受端交流母线电压变化的影响1.5s时在HVDC2逆变侧交流母线处投入感性负载，令HVDC2交流母线电压下降约1%。
若系统中不包含statcom，子系统交流母线电压应下降约0.4%。
但由于50Mvar statcom 的接入，逆变侧交流母线电压变化如图所示。
含有statcom的HVDC1子系统逆变侧交流母线电压HVDC1子系统逆变侧交流母线电压在1.5s时发生小幅波动后迅速恢复到原有状态。
这正是由于statcom为系统提供了无功补偿，使得该条线路的交母线电压保持恒定，并未呈现出下降0.4%的状态。
故障恢复特性反映了hvdc系统在发生故障后自行恢复原有运行状态的能力。
本文定义故障恢复时间为故障清除后系统有功功率恢复到故障发生前有功功率输出值90%所消耗的时间。
HVDC1子系统和HVDC2子系统之间的距离仍取150km。
1.5s时，HVDC1系统逆变侧交流母线发生中相电感接地故障，故障持续时间为0.1s，接地电感为0.01H。
静止无功补偿装置STATCOM的运行及注意事项作者：刘海涛来源：《科技资讯》 2014年第33期刘海涛(广东电网公司东莞供电局广东东莞 523000)摘要:目前±200Mvar STATCOM项目已在500 kV东莞站投运,并处于试运行阶段。
STATCOM作为新一代动态无功补偿装置,在运行、维护方面的经验相对缺乏,但因其特有的优点,使其成为未来电力系统无功补偿发展的方向。
做好STATCOM装置的的运行、管理,是试运行阶段的重要项目。
介绍了静止无功补偿装置STATCOM的基本结构,介绍了STATCOM装置的运行模式及控制策略;对试运行阶段的经验进行归纳,为STATCOM在电网中的应用提供了参考。
关键词:无功功率补偿静止无功补偿装置STATCOM 运行中图分类号:TM72 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2014)11(c)-0087-02STATCOM的基本原理就是将自换相桥式电路通过电抗器或者直接并联在电网上,适当地调节桥式电路交流侧输出电压的相位和幅值,或者直接控制其交流侧电流,使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流,实现动态无功补偿的目的。
目前±200Mvar STATCOM项目已在500kV东莞站投运,并处于试运行阶段。
STATCOM作为新一代动态无功补偿装置,在运行、维护方面的经验相对缺乏,但因其特有的优点,使其成为未来电力系统无功补偿发展的方向。
做好STATCOM装置的运行、管理,是试运行阶段的重要项目。
1 静止无功补偿装置STATCOM的介绍STATCOM设备包括连接电抗器和阀组,控制系统以及供电系统。
500 kV东莞站STATCOM阀组由两套±100Mvar STATCOM组成,每套STATCOM由3个换流链和3套水冷系统组成。
其中每个变流链均由26个阀组单元串联而成。
STATCOM采用集装箱方式,减小了占地面积。
它包括6个阀组集装箱和一个控制集装箱。
1、前言 静止同步补偿器(Static Synchronous Compensator, STATCOM)，是目前最先进的无功补偿技术，近年来随着电力电子开关技术的进步而逐渐兴起。STATCOM的原理是利用全控型大功率电力电子器件构成可控的电压源或电流源，使其输出电流超前或滞后系统电压90 ，从而对系统所需的无功进行动态补偿。早期有文献称之为静止无功发生器(Static Var Generator, SVG) 。利用电力电子变流器进行无功补偿的可能性虽然早在 20 年前就已经为人们所认识，但限于当时电力电子器件的耐压和功率水平，无法制造出输电系统中具有实用价值的装置。直到近年来，尤其是高压大功率的门极可关断晶闸管 GTO 的出现，才极大的推动了 STATCOM 的开发和应用。STATCOM 是并联型 FACTS 设备，它同基于可控电抗器和投切电容器的传统静止无功补偿器 SVC 相比，性能上具有极大的优越 性，越来越得到广泛的重视，必将取代 SVC 成为新一代的无功电压控制设备。 目前，世界上已有多台投入运行的大容量 STATCOM 装置，如表 1-1 所示。由此可见，目前为止国际上只有美、日、德、中、英等少数几个国家掌握了 STATCOM 的应用开发技术。2006 年 2 月 28 日，由上海电力公司、清华大学、许继集团公司等单位共同研制的±50Mvar STATCOM 在上海黄渡分区西郊变电站并网试运行。 表 1-1 国内外已在输电系统投运的 STATCOM 装置（UPFC 并联部分为 STATCOM）
表 1-1 中除最后一项外，全部采用了变压器多重化的主电路方案，主电路拓扑为图 1-1。变压器多重化方式可成倍增加装置容量并降低输出谐波。然而，多重化变压器的引入带来了很多问题：首先，它的价格非常昂贵，约为成本的 1/3～1/4；其次，它使装置增加了 50％左右的损耗和 40％左右的占地面积；第三，变压器的铁磁非线性特性给控制器设计带来了很大的困难，同时也是引发装置故障的重要原因。 如果能研究一种新的电路拓扑克服由多重化变压器带来的诸多不便，那么将引起大容量 STATCOM 技术的一次大的飞跃。多电平变换器技术的引入正是这个关键技术的不二选择 图 1-1. 带多重化变压器的 STATCOM 拓扑 STATCOM 是第二代 FACTS 技术的代表，它的出现是电力系统无功补偿技术的又一次革命。其具备了在容性和感性范围内双向连续调节补偿电流的能力，适应了电力系统对各种运行工况的需求，同时还具有动态响应速度快、补偿电流谐波含量小(相比 SVC)的特点，彻底解决了以往的无功补偿设备所存在的缺陷。与采用第一代 FACTS 技术的 SVC 相比，STATCOM 具有以下优势： 1、STATCOM 的动态响应过程更快，在目前的工程应用中，STATCOM 的响应时间可以做到 20ms 以下，而 SVC 则通常需要 40ms 以上。 2、STATCOM 的输出特性不受系统电压影响，当电压下降时装置输出的无功保持不变；而 SVC 装置补偿的无功与电压的平方成正比，当无功不足导致系统电压下降时，其所能提供的最大补偿容量也随之下降。 3、STATCOM 的直流侧储能元件只对电压或电流起到支撑作用，因此所需要的电容或电抗值远小于补偿容量，大大减小了装置体积；而 SVC 的最大补偿容量受到器件阻抗特性的限制，因此需要配备较大的电容和电抗器，导致装置的体积与占地面积较大。 4、STATCOM 输出的电压或电流几乎为正弦波形，因此产生的谐波污染较小；SVC 通过控制电抗导通角的方式进行调节，流过电抗器的电流为非正弦，将产生大量的谐波注入电网，造成严重的谐波污染，在某些情况下需要与无源或有源的滤波装置配合使用。 5、STATCOM 相当于一个可控电源，因此不改变系统阻抗，不会与系统发生谐振；SVC 装置是电抗或电容型的，接入电力系统容易与系统阻抗产生谐振。虽然目前电力系统中应用最为广泛的无功补偿设备还是 SVC，但是电力电子技术以及电力系统研究专家普遍认为，STATCOM 所具有的以上优势使其成为传统无功补偿设备的理想替代者，全面满足了电力系统对无功补偿的各项要求，使 21 世纪的电力系统运行品质更为卓越。
2、STATCOM 的工作原理 从理论上分析，STATCOM 的直流侧可以采用电容或者电感两种形式。因此，其基本拓扑结构分为电压源型和电流源型，分别如图 2-1、2-2 所示：
图 2-1 电压源型 STATCOM 图 2-2 电流源型 STATCOM 实际上，目前 STATCOM 装置中研究最深入、应用最广泛是电压源型逆变器结构，原因如下： 1、电流源型逆变器的工作原理，需要采用具有对称特性的大功率开关器件，即双向电压阻断能力。而目前常用的可关断器件存在反向阻断能力差、导通损耗过大的问题；相比之下，电压源型逆变器则不会受到该限制。 2、电流源型逆变器直流侧储能电感不具备防止器件过电压的能力，因此需要安装额外的保护电路或者增大取值裕量；相比之下，电压源型逆变器的直流电容本身具备防止功率器件过电压的能力。 3、电流源型逆变器的直流侧储能电抗在工作中会产生比较大的损耗，给装置设计带来困难；而电压源型逆变器的储能电容损耗要小的多。电压源型逆变器具有的以上优势使其成为目前条件下更合理的选择，因此本文主要研究基于电压源型逆变电路的 STATCOM。电压源型 STATCOM 的工作原理，是通过可控的大功率电力电子开关器件将直流侧电压进行逆变，从而在逆变器交流侧输出一个与电网同频的正弦电压。此时 STATCOM 可以视为一个与电网同步的并且灵活控制的交流电压源，其接入系统时的等效电路如图 2-3：
图 2-3 电压源型 STATCOM 接入系统的等效图 图中US•为 STATCOM 公共接入点(Point of Common Coupling, PCC)处系统电
压， UI•为 STATCOM 交流侧逆变输出电压，L 为连接电抗器，于是 STATCOM装置输出的电流为：
进而得到 STATCOM 输出的单相视在功率为：
在理论上，STATCOM 只对无功进行补偿，因此与电网之间不存在有功的往返。然而实际上由于开关损耗以及电容和电抗上等效电阻的存在，STATCOM 装置还是需要从电网吸收很小的有功电流以维持直流侧电压平衡。由于这部分有功相比无功非常微小，因此在进行理论分析的时候一般忽略不计。最后近似认为STATCOM 输出的电压UI•与电网电压US•相位相同，从而得到装置输出的单相无功功率为：
由以上分析可得，在正常工作时 STATCOM 具有无功双向调节能力：即容性工况和感性工况，分别如下图所示：
图 2-4 容性工况 图 2-5 感性工况 (1) 当UI•＞US•，即 STATCOM 装置交流侧逆变电压幅值大于系统电压幅值，此时流过电抗器的补偿电流超前系统电压90°，STATCOM 装置向系统输出 正的无功功率(Q＞0)，处于容性工况。
(2) 当UI•＜US•，即 STATCOM 装置交流侧逆变电压幅值小于系统电压幅值，此时电抗器上的补偿电流滞后系统电压90°，STATCOM 装置向系统输出负的无功功率(Q ＜0)，处于感性工况。 综上所述，STATCOM 的工作原理与以往的无功补偿技术存在本质区别。通过对逆变器交流侧电压的幅值和相位进行调控，或者直接对其补偿电流进行跟踪控制，就能够在容性到感性范围内连续调节无功补偿电流，并且做到精确的稳态跟踪准以及快速的动态响应。
3、STATCOM 注入电流的运行范围
如图 3.1 所示，系统发送端电压为US•，系统接收端电压为UR•，STATCOM 输入端电网电压为U1•，STATCOM 的并联变换器交流侧输出电压为Ush•，电网注入到STATCOM 中的电流为ish•，ZS为系统发送端到 STATCOM 输入端的线路阻抗，ZR为STATCOM 输入端到系统接收端的线路阻抗。
图 3.1 STATCOM 系统基本结构图 为了便于分析，假定系统参数如下：
(3-1) (3-2) (3-3) (3-4) (3-5) 其中k 是阻抗系数，0 ≤ k≤ 1；Z = R + jXL为线路总的阻抗； (3-6) 将电压ish•转化到旋转 d、q 坐标系下，并将 d 轴定位在U1•方向上，则通过（3-7）所示的旋转 3/2 变换矩阵 TRS23可得ish•在 d、q 坐标系下表达式：
(3-7) (3-8) 分析装有 STATCOM 的系统电压、电流平衡分析：
(3-9)
(3-10) (3-11) 根据式（3-8）~（3-11）可知：
(3-12) 图 3.2 STATCOM 注入到电网中的电流运行范围 首先由式（3-12）得到 STATCOM 注入到电网中的电流运行范围的第一个约束条件：
(3-13) 由上式可见 STATCOM 注入到电网中的电流在 d、q 轴电流平面上是以
为圆心，以为半径的圆，如图 3.2所示。
这里，变量 R 、X、δ 、U 是给定的系统参数。变量 k的大小取决于 STATCOM 的安装位置, 变量U1•是由系统需求决定的，它们的大小决定了系统所需要的 STATCOM 注入到电网中的电流运行范围。其次考虑 STATCOM 并联变换器一侧的系统参数可以得到：
(3-14)
