GTO-Based STATCOM
简介
本节通过实例说明了的应用Simscape™电气™专门研究电力系统稳态和动态性能的软件静态同步补偿器(STATCOM)。STATCOM是使用电力电子器件的柔性交流传输系统(FACTS)家族的分流设备。它通过产生或吸收无功功率来调节电压。如果您不熟悉STATCOM，请参阅静态同步补偿器(相量型)块文档，它描述了STATCOM的操作原理。
根据STATCOM的额定功率，功率转换器使用不同的技术。高功率statcom(几百Mvars)通常使用基于gto的方波电压源转换器(VSC)，而低功率statcom(几十Mvars)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)，这种类型的研究通常需要30-40秒或更长时间的模拟时间。
本例中描述的STATCOM模型是一个相当详细的模型，完全表示了电力电子学。它使用方波，48脉冲VSC和互联变压器进行谐波中和。这种类型的模型需要在固定类型步长(在本例中为25µs)进行离散模拟，通常用于在更小的时间范围(几秒钟)上研究STATCOM性能。典型应用包括控制系统的优化和变换器产生的谐波的影响。
STATCOM的描述
本例中描述的STATCOM可在power_statcom_gto48p模型。加载此模型并将其保存到您的工作目录为case3允许对原始系统进行进一步修改。该模型代表了一个三母线500千伏系统，B1母线上的STATCOM调节电压为100 Mvar。
连接在B1总线上的等效系统的内部电压可以通过a来改变三相可编程电压源块，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 μ F电容器组成，作为可变直流电压源。逆变器产生的60hz变幅电压是由19.3 kV左右的直流变幅电压合成的。
双击STATCOM 500kV 100 MVA块。
它由四个三相三电平逆变器和四个相移变压器组成，相移为+/-7.5度。
除了23次和25次谐波，这种变压器的安排中和了所有奇次谐波直到45次谐波。Y和D变压器二次抵消谐波5+12n(5,17,29,41，…)和7+12n(7,19,31,43，…)。此外，两组变压器之间的15°相移(Tr1Y和Tr1D超前7.5°，Tr2Y和Tr2D滞后7.5°)可以抵消谐波11+24n(11,35，…)和13+24n(13,37，…)。考虑到所有3n次谐波都不是由变压器(delta和不接地的Y)传递的，因此没有被变压器抵消的第一次谐波是第23次、第25次、第47次和第49次谐波。通过选择合适的三电平逆变器导通角(σ = 172.5°)，可以使23次谐波和25次谐波最小化。逆变器产生的第一个显著谐波将是47和49。使用双极直流电压，STATCOM因此产生48步电压近似正弦波。
下图再现了STATCOM 48脉冲逆变器产生的初级电压及其谐波内容。
48脉冲逆变器空载电压频谱
这个频谱是通过运行power_48pulsegtoconverter示例，它使用相同的转换器拓扑。FFT分析采用FFT分析工具Powergui块。FFT在空载操作和0-6000 Hz频率范围内使用一个周期的逆变器电压。
STATCOM控制系统
打开STATCOM控制器。
控制系统的任务是增加或降低电容器的直流电压，使产生的交流电压具有所需无功功率的正确幅值。控制系统还必须保持交流产生的电压与STATCOM连接总线上的系统电压相一致，只产生或吸收无功功率(变压器和逆变器损耗所需的小有功功率除外)。
控制系统采用以下模块:
锁相环(PLL)将GTO脉冲同步到系统电压，并为测量系统提供参考角度。
测量系统计算STATCOM电压和电流的正序分量，使用相位到dq转换和运行窗口平均。
电压调节由两个PI调节器执行:从测量电压Vmeas和参考电压Vref，该电压调整器函数使用的无功电流参考Iqref电流调节器块(内循环)。电流调节器的输出是α角，它是逆变器电压相对于系统电压的相移。这个角度保持非常接近于零，除非在短时间内，如下所述。
在电压调节中加入电压降以获得具有斜率的V-I特性(在本例中为0.03 pu/100 MVA)。因此，当STATCOM工作点从全容性(+100 Mvar)变为全感性(-100 Mvar)时，SVC电压在1-0.03=0.97 pu和1+0.03=1.03 pu之间变化。
发射脉冲发生器从锁相环输出为四个逆变器产生脉冲(ω。t)和电流调节器输出(α角)。
为了解释调节原理，让我们假设系统电压Vmeas变得比参考电压Vref低。电压调节器将要求更高的无功电流输出(正Iq=电容电流)。为了产生更多的电容性无功功率，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，这样有功功率将暂时从交流系统流向电容器，从而增加直流电压，从而产生更高的交流电压。
如前一节所述，3级逆变器的导通角σ已固定为172.5°。这个导通角使方波逆变器产生的电压的第23和第25次谐波最小化。此外，为了减少非特征谐波，直流母线的正电压和负电压由直流平衡稳压器模块强制保持相等。这是通过对正半周期和负半周期的传导角σ施加轻微偏移来实现的。
STATCOM控制系统还允许选择Var控制模式(参见STATCOM控制器对话框)。在这种情况下，电压调节器不再产生参考电流Iqref。它是由对话框中指定的Qref或Iqref引用决定的。
STATCOM的稳态和动态性能
现在，当系统电压发生变化时，您将观察到稳态波形和STATCOM动态响应。打开可编程电压源菜单，并查看已编程的电压步骤序列。另外，打开“STATCOM控制器”对话框，确认STATCOM处于电压调节模式，参考电压为1.0 pu。运行模拟并观察STATCOM瞄准镜块上的波形。这些波形重现如下。
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停止服务时，总线B1上的电压为1.0 pu。当参考电压Vref设置为1.0 pu时，STATCOM初始为浮动(零电流)。直流电压为19.3 kV。在t=0.1s时，电压突然下降4.5%(标称电压的0.955 pu)。STATCOM通过产生无功功率(Q=+70 Mvar)来保持电压在0.979 pu。95%的沉淀时间约为47 ms。此时直流电压已增加到20.4 kV。
然后，在t=0.2秒时，源电压增加到其标称值的1.045 pu。STATCOM通过将其工作点从电容性改变为电感性来保持电压在1.021 pu。此时STATCOM吸收72 Mvar，直流电压降低到18.2 kV。观察显示STATCOM初级电压和电流的第一个迹线，电流在大约一个周期内从电容性变为感性。
最后，在t=0.3 s时，源电压恢复到标称值，STATCOM工作点恢复到零Mvar。
下图放大了STATCOM在稳态运行时电容性和电感性的两个循环。波形显示初级和次级电压(相A)以及流入STATCOM的初级电流。
电容性和感性工作的稳态电压和电流
注意，当STATCOM在电容模式下工作时(Q=+70 Mvar)，由逆变器产生的48脉冲次级电压(单位为pu)高于初级电压(单位为pu)，并且与初级电压相一致。电流引导电压90°;因此，STATCOM正在产生无功功率。
相反，当STATCOM工作在感应模式时，二次电压比一次电压低。电流滞后电压90°;因此，STATCOM正在吸收无功功率。
最后，如果您查看信号和作用域子系统，您将可以访问其他控制信号。注意当直流电压增加或减少以改变无功功率时α角上的瞬态变化。稳态值α(0.5度)是维持小有功潮流补偿变压器和变换器损耗所需的相移。
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