控制系统数字仿真与CAD 第3版 教学课件 ppt 作者 张晓华 主编 _ 9-STATCOM与电能质量控制-许-1稿-100325

1、STATCOM与电能质量控制,张晓华 教授 Email： 2010年春,2/43,电网品质与电能质量 柔性交流输电系统与电能质量控制 STATCOM的动态建模与控制 电力电子动态建模 STATCOM动态建模与控制 结语,目 录,3/43,电能是当今社会最重要的能源形式，电网是电能传输的唯一途径，是电能生产者与电能消费者之间的桥梁。电网系统是一个国家的最关键基础设施，最重要的能源供应系统。,现代电网系统是迄今为止最大和最复杂的人造系统之一，其主要特点是：超大容量机组、超高压、远距离输电、大容量等。经济上，电力系统互连实现了最大地理范围内电力资源的优化配置、跨区域补偿调节，同时也给电力系统的稳定运行提出了新的挑战。,电网品质与电能质量,4/43,历史上电网事故,电网品质与电能质量,5/43,电网品质与电能质量,6/43,2003年8月14日美国断电事件造成的损失,整个经济损失可能高达300亿美元,历史上电网事故,电网品质与电能质量,7/43,美加大停电事故原因：,在复杂的大电网中，事故前主要是输电线路潮流 过重，接近稳定运行的极限； 局部事故（自动化系统失效、调度和控制缺乏协 调等）时的重

2、要电源或多回输电线相继停运； 造成潮流短时间内大范围转移和剧烈振荡，进而 大量机组和线路跳闸、系统解列、重要负荷点 电压崩溃，最终导致大面积停电事故！,电网品质与电能质量,8/43,美加大停电事故启示：,受端无功短缺以及在线路相继开断过程中仍在运 行的线路上无功电流的大幅度上升时出现保护动 作、线路跳闸的一个重要原因； 俄亥俄州北部无功储备的缺乏是这次大停电事故 的重要因数； 如果俄亥俄州当时拥有充足的无功储备，那么在 短路引起的前几条线路断开后，仍然有可能借助 充足的无功储备，维持俄亥俄州北部电压，从而 避免电压崩溃发生！,电网品质与电能质量,9/43,对电网系统现状提出的要求： 1、大容量、远距离输电； 提高线路输电能力 保证电网安全稳定,2、满足用户对电能质量的要求； 供电可靠性 电能质量,3、节能降耗的要求； 降低网损 提高电力驱动设备效率,电网品质与电能质量,10/43,电力工作者已达成共识：提高电网安全运行水平和电能质量，除电网结构本身要合理外，还必须要有先进的调节控制手段。电网的安全、经济运行在很大程度上取决于其“可控度”。,电网品质与电能质量,怎么解决？,11/43,灵

3、活交流输电技术（FACTS）这一概念是20世纪80年代由美国电力科学研究院（EPRI）的Narain G.Hingorani博士提出。1997年，IEEE PES学会正式公布了FACTS定义：装有电力电子型和其他静止性控制装置以加强可控性和增加电力传输能力的交流输电系统。 FACTS装置目的通过利用大功率电力电子器件的快速响应能力，实现对电力系统基本参数（电压、阻抗、相角）的控制。 从FACTS装置与系统连接方式的不同，将FACTS装置分为并联型、串联型和混合型三大类。,柔性交流输电系统与电能质量控制,12/43,并联型,串联型,统一潮流控制器（UPFC）,FACTS,混合型,静止同步补偿器（STATCOM）,静止同步串联补偿器（SSSC）,静止无功补偿器（SVC）,晶闸管控制串联电容器（TCSC）,柔性交流输电系统与电能质量控制,13/43,柔性交流输电系统与电能质量控制,并联型无功补偿装置,14/43,经过公式推导可以得到经过线路传输，电压降的公式可以表述为如下：,在一般公用电网中，Rs 比Xs小得多，因此可以得出这样的结论：有功功率的波动对电网电压的影响较小，电网电压的波动主要是

4、由无功功率引起的。,等效电网输电系统机构图如下：,并联型无功补偿装置,15/43,并联型无功补偿装置 对于长距离输电线，可以用SVC、STATCOM进行无功补偿，维持线路电压在正常水平，阻尼功率振荡，改善系统阻尼。,SVC单相电路图,STATCOM电路拓扑图,柔性交流输电系统与电能质量控制,16/43,STATCOM 工作原理,柔性交流输电系统与电能质量控制,SVC 工作原理,通过电力电子开关控制接入电网中电抗器和电容器的容量，实现动态无功补偿。,17/43,调节速度更快，可以单周期内调整 调节范围更宽 欠电压无功调节能力更强 谐波含量和占地面积都大大减小,SVC,STATCOM,柔性交流输电系统与电能质量控制,18/43,串联型 晶闸管控制串联电容器（TCSC）、静止同步串联补偿器（SSSC）可以用来减小线路电抗，提高线路输送容量，阻尼系统次同步振荡。,TCSC单相电路图,柔性交流输电系统与电能质量控制,SSSC系统示意图,19/43,混合型 统一潮流控制器（UPFC）是迄今为止通用性最好的FACTS装置，仅通过控制规律的改变就能方便的控制电力系统的基本参数（电压、阻抗、相角） ，分

5、别或同时实现并联补偿、串联补偿和移相等几种功能。,UPFC结构示意图,柔性交流输电系统与电能质量控制,20/43,STATCOM的动态建模与控制,21/43,电力电子装置指标,负载调整率 电源调整率 输出精度 纹波 变换效率 动态响应时间 并联模块不均流度 功率因数EMC,主回路设计,控制系统设计,高品质电力电子装置不仅需要主电路的精心设计，也需要一个良好的控制系统保证。,STATCOM的动态建模与控制,22/43,电力电子系统一般由电力电子变换器、PWM调制器、驱动电路、反馈控制构成，电力电子系统静态和动态特性直接与反馈控制相关。,电力电子系统结构图,STATCOM的动态建模与控制,23/43,电力电子系统建模方法,STATCOM的动态建模与控制,24/43,电力电子系统控制策略,STATCOM的动态建模与控制,25/43,静止同步补偿器（STTACOM）建模,定义开关函数：,STATCOM拓扑电路,STATCOM的动态建模与控制,26/43,针对每相可以列写,在三相对称系统中,其中：,可以解得,STATCOM的动态建模与控制,27/43,针对A可以列写,针对节点M可以列写,其中：,

6、STATCOM的动态建模与控制,28/43,拉格朗日方法建模,电学与力学类比关系,STATCOM的动态建模与控制,29/43,其中L=T-V ，L 成为拉格朗日函数，或动势。,系统电势能,系统拉格朗日函数为,系统耗散函数,系统动能,STATCOM的动态建模与控制,30/43,基尔霍夫定律、拉格朗日建模,STATCOM的动态建模与控制,31/43,STATCOM数学模型验证,输入功率,损耗功率,若模型成立,存储能量,其变化率,故,模型满足能量守恒定律，能量守恒的角度验证模型正确性。,STATCOM的动态建模与控制,32/43,三相交流量,直流量,STATCOM的动态建模与控制,33/43,静止同步补偿器建模,同步旋转坐标系下系统模型：,耦合非线性,状态变量,STATCOM的动态建模与控制,34/43,静止同步补偿器耦合结构图,控制输入,多输入强耦合非线性,STATCOM的动态建模与控制,35/43,线路无功波形,期望线路波形,电网“无功功率”的补偿期望效果,36/43,注入无功,STATCOM的动态建模与控制,电网“无功功率”的补偿期望效果,37/43,控制方法需要简单化、系统化、动态特性、鲁棒性,线性,非线性,性能、效果、,智能控制,系统化的 非线性设计方法,STATCOM的动态建模与控制,38/43,状态反馈线性化控制,内环控制器,外环控制器,解耦控制器,极点配置,STATCOM的动态建模与控制,39/43,控制策略研究,STATCOM控制结构图,STATCOM的动态建模与控制,40/43,STATCOM仿真结构图,STATCOM的动态建模与控制,41/43,控制效果图,STATCOM的动态建模与控制,42/43,结 语,电网的大规模、大容量话为电能质量的控制提出的新的挑战，科技工作者在探索中将电力电子技术应用于电网控制中，通过以上介绍，可见 1、柔性交流输电系统作为电网电能质量的控制方式，可以提高电网的可控度。 2、电网中负载的多样性和冲击性引起的无功功率变化会致使电网电压的波动，从而需要无功补偿。 3、通过对静止同步补偿器（STATCOM）建模及特性分析，设计了非线性控制系统，仿真表明控制效果良好，体现出建模的价值和意义。,43/43,谢谢！,

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