基于GTO的STATCOM

简介

本节描述的示例展示了如何应用 Simscape™ Electrical™ Specialized Power Systems 软件来研究输电系统中静止同步补偿器（STATCOM）的稳态和动态性能。STATCOM 是柔性交流输电系统（FACTS）家族中使用电力电子的并联设备。它通过产生或吸收无功功率来调节电压。如果您不熟悉 STATCOM，请参阅《静止同步补偿器（相量型）》模块文档，其中描述了 STATCOM 的工作原理。

根据 STATCOM 的功率等级，其功率变换器采用不同的技术。大功率 STATCOM（数百 Mvar）通常使用基于 GTO 的方波电压源型变换器（VSC），而较低功率的 STATCOM（数十 Mvar）则使用基于 IGBT（或基于 IGCT）的脉宽调制（PWM）VSC。由于大型电力系统中机电振荡频率较低（通常为 0.02 Hz 至 2 Hz），此类研究通常需要 30-40 秒或更长的仿真时间。

本示例中描述的 STATCOM 模型是一个相当详细的模型，完整地表示了电力电子器件。它使用方波 48 脉冲 VSC 和用于谐波抵消的互联变压器。此类模型需要在固定时间步长（本例中为 25 µs）下进行离散仿真，通常用于在更小的时间范围（几秒钟）内研究 STATCOM 的性能。典型应用包括优化控制系统以及研究变换器产生的谐波影响。

STATCOM 描述

本示例中描述的 STATCOM 可在 power_statcom_gto48p 模型中找到。加载此模型并将其另存为 case3 到您的工作目录中，以便对原始系统进行进一步修改。该模型表示一个带有 100 Mvar STATCOM 的三母线 500 kV 系统，用于调节母线 B1 的电压。

连接到母线 B1 的等效系统的内部电压可以通过三相可编程电压源模块进行改变，以观察 STATCOM 对系统电压变化的动态响应。

STATCOM 功率组件

STATCOM 由一个三电平 48 脉冲逆变器和两个串联的 3000 µF 电容器组成，这些电容器充当可变直流电压源。逆变器产生的可变幅值 60 Hz 电压由可变直流电压合成，该直流电压在 19.3 kV 左右变化。

双击 STATCOM 500kV 100 MVA 模块。

它由四个三相三电平逆变器与四个移相变压器耦合而成，这些变压器引入了 +/-7.5 度的相移。

除了 23 次和 25 次谐波外，这种变压器配置抵消了直到 45 次的所有奇次谐波。Y 型和 D 型变压器次级绕组抵消了 5+12n（5, 17, 29, 41,…）和 7+12n（7, 19, 31, 43,…）次谐波。此外，两组变压器（Tr1Y 和 Tr1D 超前 7.5°，Tr2Y 和 Tr2D 滞后 7.5°）之间 15° 的相移允许抵消 11+24n（11, 35,…）和 13+24n（13, 37,…）次谐波。考虑到所有 3n 次谐波不会被变压器传输（三角形连接和不接地的 Y 型连接），因此未被变压器抵消的首批谐波是 23 次、25 次、47 次和 49 次谐波。通过为三电平逆变器选择适当的导通角（σ = 172.5°），可以最小化 23 次和 25 次谐波。逆变器产生的主要谐波将是 47 次和 49 次。使用双极性直流电压，STATCOM 因此产生近似正弦波的 48 阶梯电压。

下图再现了 STATCOM 48 脉冲逆变器产生的初级电压及其谐波含量。

48 脉冲逆变器空载时产生电压的频谱

该频谱是通过运行 power_48pulsegtoconverter 示例获得的，该示例使用相同的变换器拓扑。FFT 分析是使用 Powergui 模块中的 FFT 分析 工具执行的。FFT 使用了空载运行期间逆变器电压的一个周期以及 0–6000 Hz 的频率范围。

STATCOM 控制系统

打开 STATCOM 控制器。

控制系统的任务是增加或减少电容器直流电压，使得产生的交流电压对于所需的无功功率具有正确的幅值。控制系统还必须使产生的交流电压与 STATCOM 连接母线的系统电压保持同相，以便仅产生或吸收无功功率（除了变压器和逆变器损耗所需的少量有功功率）。

控制系统使用以下模块：

• PLL（锁相环）将 GTO 脉冲与系统电压同步，并为测量系统提供参考角度。
• 测量系统使用相-dq 变换和滑动窗口平均法计算 STATCOM 电压和电流的正序分量。
• 电压调节由两个 PI 调节器执行：根据测量的电压 Vmeas 和参考电压 Vref，电压调节器 模块（外环）计算 电流调节器 模块（内环）使用的无功电流参考值 Iqref。电流调节器的输出是 α 角，即逆变器电压相对于系统电压的相移。如下所述，除了在短时间内，该角度保持非常接近零。

电压调节中加入了电压下垂，以获得具有斜率（本例中为 0.03 pu/100 MVA）的 V-I 特性。因此，当 STATCOM 工作点从完全容性（+100 Mvar）变为完全感性（-100 Mvar）时，SVC 电压在 1-0.03=0.97 pu 和 1+0.03=1.03 pu 之间变化。

• 触发脉冲发生器根据 PLL 输出（ω.t）和电流调节器输出（α 角）为四个逆变器生成脉冲。

为了解释调节原理，假设系统电压 Vmeas 变得低于参考电压 Vref。电压调节器将要求更高的无功电流输出（正 Iq = 容性电流）。为了产生更多的容性无功功率，电流调节器将增加逆变器电压相对于系统电压的 α 相位滞后，使得有功功率暂时从交流系统流向电容器，从而增加直流电压，进而产生更高的交流电压。

如前一节所述，三电平逆变器的导通角 σ 已固定为 172.5°。该导通角最小化了方波逆变器产生的电压的 23 次和 25 次谐波。此外，为了减少非特征谐波，直流母线平衡调节器模块强制直流母线的正负电压保持相等。这是通过对正负半周的导通角 σ 施加微小的偏移来实现的。

STATCOM 控制系统还允许选择无功控制模式（参见 STATCOM 控制器对话框）。在这种情况下，参考电流 Iqref 不再由电压调节器产生。而是由对话框中指定的 Qref 或 Iqref 参考值确定。

STATCOM 的稳态和动态性能

现在，您将观察系统电压变化时的稳态波形和 STATCOM 动态响应。打开可编程电压源菜单，查看编程的电压阶跃序列。同时，打开 STATCOM 控制器对话框，验证 STATCOM 是否处于电压调节模式，参考电压为 1.0 pu。运行仿真并观察 STATCOM 示波器模块上的波形。这些波形如下所示。

说明 STATCOM 对系统电压阶跃动态响应的波形

最初，可编程电压源设置为 1.0491 pu，当 STATCOM 退出运行时，导致母线 B1 的电压为 1.0 pu。由于参考电压 Vref 设置为 1.0 pu，STATCOM 最初处于浮空状态（零电流）。直流电压为 19.3 kV。在 t=0.1s 时，电压突然降低 4.5%（额定电压的 0.955 pu）。STATCOM 通过产生无功功率（Q=+70 Mvar）来响应，以将电压保持在 0.979 pu。95% 的稳定时间约为 47 ms。此时直流电压已增加到 20.4 kV。

然后，在 t=0.2 s 时，电源电压增加到其额定值的 1.045 pu。STATCOM 通过将其工作点从容性变为感性来响应，以将电压保持在 1.021 pu。此时 STATCOM 吸收 72 Mvar，直流电压已降至 18.2 kV。观察显示 STATCOM 初级电压和电流的第一个轨迹，可以看到电流在大约一个周期内从容性变为感性。

最后，在 t=0.3 s 时，电源电压设置回其额定值，STATCOM 工作点回到零 Mvar。

下图放大了 STATCOM 处于容性和感性状态时稳态运行期间的两个周期。波形显示了初级和次级电压（A 相）以及流入 STATCOM 的初级电流。

容性和感性运行时的稳态电压和电流

请注意，当 STATCOM 在容性模式下运行时（Q=+70 Mvar），逆变器产生的 48 脉冲次级电压（以 pu 表示）高于初级电压（以 pu 表示）并且与初级电压同相。电流超前电压 90°；因此 STATCOM 正在产生无功功率。

相反，当 STATCOM 在感性模式下运行时，次级电压低于初级电压。电流滞后电压 90°；因此 STATCOM 正在吸收无功功率。

最后，如果您查看信号和示波器子系统内部，您将可以访问其他控制信号。请注意，当直流电压增加或减少以改变无功功率时，α 角会发生瞬态变化。α 的稳态值（0.5 度）是维持补偿变压器和变换器损耗所需的小有功功率流所需的相移。

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