摘  要： 以含STATCOM(靜止同步補(bǔ)償器)的三機(jī)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(duì)STATCOM的穩(wěn)態(tài)及動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了仿真分析。結(jié)果表明，STATCOM在多機(jī)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(dòng)態(tài)性能。
關(guān)鍵詞： STATCOM；穩(wěn)態(tài)及動(dòng)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(bǔ)償器(STATCOM)是FACTS家族的重要成員之一，具有無(wú)功補(bǔ)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(dòng)態(tài)性能；同時(shí)STATCOM還具有補(bǔ)償負(fù)荷三相不平衡、抑制電壓波動(dòng)和閃變。與傳統(tǒng)的調(diào)相機(jī)相比，STATCOM沒有機(jī)械旋轉(zhuǎn)部分帶來(lái)的機(jī)械慣性，無(wú)功功率階躍響應(yīng)時(shí)間短，響應(yīng)速度快；與現(xiàn)有的靜止無(wú)功補(bǔ)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(jí)，有必要進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。因此對(duì)于STATCOM的原理、穩(wěn)態(tài)及動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行進(jìn)一步的研究，將會(huì)帶來(lái)明顯的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益[3-5]。
本文針對(duì)一個(gè)區(qū)間聯(lián)絡(luò)線中間帶STATCOM的三機(jī)電力系統(tǒng)，從分析STATCOM的原理出發(fā)，參考文獻(xiàn)[6]建立了三機(jī)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(dòng)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(duì)STATCOM的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)特性進(jìn)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(bǔ)償裝置設(shè)備，它可以從感性到容性平滑地調(diào)節(jié)無(wú)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(guò)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(wú)功電流，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)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(jī)電力系統(tǒng)模型
　以STATCOM接入多機(jī)電力系統(tǒng)中存在的區(qū)間振蕩是一個(gè)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(jī)組，為了較好地把握問(wèn)題本質(zhì)而又不至于使問(wèn)題復(fù)雜化，本文以STATCOM的三機(jī)電力系統(tǒng)為例對(duì)STATCOM的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析，系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　該系統(tǒng)由三個(gè)500 kV的等效電壓源通過(guò)L1、L2和L3長(zhǎng)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(gè)三電平48脈沖的逆變器加兩個(gè)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(guò)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(dòng)態(tài)特性仿真
3.1 STATCOM主電路的正序基波動(dòng)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(duì)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(duì)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(dòng)態(tài)模型。
　假設(shè)STATCOM及系統(tǒng)工作在三相對(duì)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(dòng)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(shí)，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(wú)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(shí)間大約為0.045 s，此時(shí)，直流電壓增大到20.4 kV。t=0.2 s時(shí)，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?。并從系統(tǒng)吸收72 Mvar無(wú)功功率以維持電壓為1.021 p.u.，對(duì)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(gè)周期內(nèi)就由容性電流變?yōu)楦行噪娏髁?。而在t=0.3 s時(shí)，電壓恢復(fù)到1.0 p.u.，STATCOM輸送的無(wú)功功率減小為0。
　本文以含STATCOM的三機(jī)電力系統(tǒng)為例，基于Matlab/Simulink對(duì)STATCOM的穩(wěn)態(tài)及動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了仿真分析。通過(guò)具體實(shí)例仿真模型體現(xiàn)了STATCOM在多機(jī)電力系統(tǒng)應(yīng)用中所起的重要作用。
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