摘 要： 以含STATCOM(靜止同步補償器)的三機電力系統(tǒng)為例，分析了STATCOM的工作原理，提出了STATCOM的數(shù)學(xué)模型。應(yīng)用Matlab/Simulink仿真軟件，對STATCOM的穩(wěn)態(tài)及動態(tài)特性進行了仿真分析。結(jié)果表明，STATCOM在多機電力系統(tǒng)中能夠提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性，改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。
關(guān)鍵詞： STATCOM；穩(wěn)態(tài)及動態(tài)特性；仿真分析
隨著大功率電力電子器件的發(fā)展以及柔性交流輸電系統(tǒng)FACTS(Flexible AC Transmission Systems)的提出，F(xiàn)ACTS裝置的開發(fā)及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用受到廣泛應(yīng)用[1]。靜止同步補償器(STATCOM)是FACTS家族的重要成員之一，具有無功補償、電壓控制、阻尼功率振蕩、緩解次同步諧振(振蕩)、預(yù)防電壓崩潰、提高系統(tǒng)的靜態(tài)和暫態(tài)穩(wěn)定性及改善系統(tǒng)的動態(tài)性能；同時STATCOM還具有補償負(fù)荷三相不平衡、抑制電壓波動和閃變。與傳統(tǒng)的調(diào)相機相比，STATCOM沒有機械旋轉(zhuǎn)部分帶來的機械慣性，無功功率階躍響應(yīng)時間短，響應(yīng)速度快；與現(xiàn)有的靜止無功補償器(SVC)相比[2]，STATCOM體積更小，輸出特性更為理想。目前FACTS裝置主要應(yīng)用于超高壓輸電系統(tǒng)中，容量大部分為百兆伏安級，有必要進行無功補償。因此對于STATCOM的原理、穩(wěn)態(tài)及動態(tài)特性進行進一步的研究，將會帶來明顯的經(jīng)濟和社會效益[3-5]。
本文針對一個區(qū)間聯(lián)絡(luò)線中間帶STATCOM的三機電力系統(tǒng)，從分析STATCOM的原理出發(fā)，參考文獻[6]建立了三機電力系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。在此基礎(chǔ)上，提出STATCOM主電路的正序基波動態(tài)和穩(wěn)態(tài)的數(shù)學(xué)模型[7]，并應(yīng)用Matlab/Simulink仿真軟件對STATCOM的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)特性進行分析。
1 STATCOM裝置的基本原理
STATCOM屬于基于變換器的可控型并聯(lián)補償裝置設(shè)備，它可以從感性到容性平滑地調(diào)節(jié)無功功率[8]。STATCOM的基本工作原理就是將自換相橋式逆變電路通過電抗器或者直接并聯(lián)在電網(wǎng)上，適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)橋式電路交流側(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)出瞞足要求的無功電流，實現(xiàn)動態(tài)無功補償?shù)哪康摹TATCOM裝置原理總框圖如圖1所示。
圖中PT、CT分別是電壓互感器和電流互感器，Uabc、Iabc分別是系統(tǒng)三相電壓和系統(tǒng)三相電流，δ是STATCOM輸出電壓與系統(tǒng)電壓間的相角差。
2 STATCOM接入多機電力系統(tǒng)模型
以STATCOM接入多機電力系統(tǒng)中存在的區(qū)間振蕩是一個復(fù)雜的現(xiàn)象，往往存在多種振蕩模式，而每種模式又牽涉大量的機組，為了較好地把握問題本質(zhì)而又不至于使問題復(fù)雜化，本文以STATCOM的三機電力系統(tǒng)為例對STATCOM的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)特性進行分析，系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)如圖2所示。
該系統(tǒng)由三個500 kV的等效電壓源通過L1、L2和L3長度分別為200 km、75 km和180 km的三條輸電線路連接構(gòu)成，其中電壓源G1、G2和G3的短路功率分別為8 500 MVA、9 000 MVA和6 500 MVA，短路功率為8 500 MVA的等效電壓源為可編程電壓源，100 Mvar的STATCOM設(shè)備并聯(lián)在母線B1側(cè)，其中STATCOM是由一個三電平48脈沖的逆變器加兩個串聯(lián)的3 000 μF電容組成。電容器相當(dāng)于可調(diào)直流電壓源，該直流電壓源的幅值在19.3 kV附近變化，并通過逆變器輸出50 Hz交流電壓。
3 基于Matlab/Simulink的STATCOM的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)特性仿真
3.1 STATCOM主電路的正序基波動態(tài)數(shù)學(xué)模型
STATCOM的輸出電壓包括一定的諧波成分，但由于總諧波含量不高且最低次諧波為11次，系統(tǒng)對高次諧波的阻抗很大，因此STATCOM的輸出電流諧波含量很低。STATCOM對系統(tǒng)的影響主要取決于其基波特性，因此，本文將分析STATCOM的正序基波動態(tài)模型。
假設(shè)STATCOM及系統(tǒng)工作在三相對稱情況下，接入母線的相電壓如下：
其中：
3.2 STATCOM主電路的正序基波穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型
使動態(tài)方程式(9)等于0，則可解得各物理量的穩(wěn)態(tài)值：
STATCOM直流側(cè)電壓。
STATCOM初始狀態(tài)為懸置，因此線路電流為0，直流電壓為19.3 kV。t=0.1 s時，STATCOM交流側(cè)電壓忽然跌落到0.955 p.u.，STATCOM開始向系統(tǒng)輸出無功功率(Q=70 Mvar)，使其電壓恢復(fù)到0.979 p.u.。電壓從0.955 p.u.恢復(fù)到p.u.所用的時間大約為0.045 s，此時，直流電壓增大到20.4 kV。t=0.2 s時，STATCOM交流側(cè)電壓增大到1.045 p.u.，STATCOM從容性阻抗變?yōu)楦行宰杩埂２南到y(tǒng)吸收72 Mvar無功功率以維持電壓為1.021 p.u.，對應(yīng)的直流電壓減小到18.2 kV。由STATCOM交流側(cè)的電壓電流可知，電流在一個周期內(nèi)就由容性電流變?yōu)楦行噪娏髁恕６趖=0.3 s時，電壓恢復(fù)到1.0 p.u.，STATCOM輸送的無功功率減小為0。
本文以含STATCOM的三機電力系統(tǒng)為例，基于Matlab/Simulink對STATCOM的穩(wěn)態(tài)及動態(tài)特性進行了仿真分析。通過具體實例仿真模型體現(xiàn)了STATCOM在多機電力系統(tǒng)應(yīng)用中所起的重要作用。
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