D-STATCOM

本示例展示了一个配电型静止同步补偿器（D-STATCOM）的详细模型。

Pierre Giroux ; Gilbert Sybille (Hydro-Quebec, IREQ)

详细模型与平均模型

在电力系统专业模块库中为基于电压源型变换器（VSC）的能量转换系统建模时，根据所需表示的频率范围，可以使用两种类型的模型：详细模型和平均模型。

详细模型（离散），例如本示例中展示的模型。详细模型包含对电力电子IGBT变换器的详细表示。为了在本示例使用的1680 Hz开关频率下达到可接受的精度，模型必须以相对较小的时间步长（5微秒）进行离散化。该模型非常适合在相对较短的时间段内（通常为数百毫秒到一秒）观察谐波和控制系统动态性能。

平均模型（离散），例如FACTS示例库中 power_dstatcom_avg 模型所展示的。在此类模型中，IGBT电压源型变换器（VSC）由等效电压源表示，该电压源产生开关频率一个周期内的平均交流电压。此模型不表示谐波，但保留了控制系统与电力系统相互作用产生的动态特性。该模型允许使用更大的时间步长（通常为50微秒），从而可以进行数秒的仿真。

或者，对于更长时间尺度的仿真，可以使用第三种模型：相量模型。这种模型不适用于D-STATCOM，但对于类似的设备STATCOM，在 power_statcom.mdl 模型中可用。

描述

一个配电型静止同步补偿器（D-STATCOM）用于调节一个25 kV配电网络的电压。两条馈线（21 km和2 km）将电能传输到连接到母线B2和B3的负载。一个并联电容器用于母线B2的功率因数校正。通过一个25kV/600V变压器连接到母线B3的600V负载代表一个持续吸收变化电流的工厂，类似于电弧炉，从而产生电压闪变。可变负载电流的幅值以5 Hz的频率进行调制，使其视在功率大约在1 MVA到5.2 MVA之间变化，同时保持0.9的滞后功率因数。这种负载变化将使您能够观察到D-STATCOM抑制电压闪变的能力。

D-STATCOM通过吸收或发出无功功率来调节母线B3的电压。这种无功功率传输是通过耦合变压器的漏抗，产生一个与一次侧电压（电网侧）同相的二次侧电压来实现的。该电压由电压源型PWM逆变器提供。当二次侧电压低于母线电压时，D-STATCOM表现得像一个吸收无功功率的电感。当二次侧电压高于母线电压时，D-STATCOM表现得像一个发出无功功率的电容。

D-STATCOM由以下组件组成：

• 一个25kV/1.25kV耦合变压器，确保PWM逆变器与电网之间的耦合。
• 一个电压源型PWM逆变器，由两个IGBT桥组成。这种双逆变器配置比单桥产生的谐波更少，从而滤波器更小，动态响应更好。在本例中，逆变器调制频率为28*60=1.68 kHz，因此主要谐波将在3.36 kHz附近。
• 连接在逆变器输出端的LC阻尼滤波器。与电容器串联的电阻在60 Hz时提供40的品质因数。
• 一个10000微法的电容器，作为逆变器的直流电压源。
• 一个电压调节器，控制母线B3的电压。
• 一个PWM脉冲发生器，使用1.68 kHz的调制频率。
• 用于电压和电流采集的抗混叠滤波器。

D-STATCOM控制器由几个功能块组成：

• 一个锁相环（PLL）。PLL与变压器一次侧电压的基波同步。
• 两个测量系统。Vmeas和Imeas模块通过执行abc-dq变换来计算电压和电流的d轴和q轴分量，变换所用的同步参考系由PLL提供的sin(wt)和cos(wt)确定。
• 一个内电流调节环。该环路由两个比例积分（PI）控制器组成，分别控制d轴和q轴电流。控制器的输出是PWM逆变器必须产生的Vd和Vq电压。Vd和Vq电压被转换为相电压Va、Vb、Vc，用于合成PWM电压。Iq参考值来自外电压调节环（自动模式）或由Qref设定的参考值（手动模式）。Id参考值来自直流母线电压调节器。
• 一个外电压调节环。在自动模式（电压调节）下，一个PI控制器将一次侧电压维持在控制系统对话框中定义的参考值。
• 一个直流电压控制器，将直流母线电压保持在其额定值（Vdc=2.4 kV）。

电路使用采样时间Ts=5微秒进行离散化。控制器使用更大的采样时间（32*Ts= 160微秒）。

仿真

1. D-STATCOM动态响应

在此测试中，可变负载将保持恒定，您将观察D-STATCOM对电源电压阶跃变化的动态响应。确保可变负载的调制未启用（调制时序 [Ton Toff]= [0.15 1]*100 > 仿真停止时间）。可编程电压源模块用于调制25 kV等效电源的内部电压。电压首先设定为1.077 pu，以使D-STATCOM初始处于浮置状态（B3电压=1 pu，参考电压Vref=1 pu）。在0.2 s、0.3 s和0.4 s分别编程了三个阶跃，依次将电源电压增加6%、减少6%并恢复到初始值（1.077 pu）。

启动仿真。在Scope1上观察D-STATCOM的A相电压和电流波形，以及在Scope2上观察控制器信号。经过大约0.15秒的暂态过程后，达到稳态。初始时，电源电压使得D-STATCOM处于非活动状态。它既不从电网吸收也不向电网提供无功功率。在t = 0.2 s时，电源电压增加6%。D-STATCOM通过从电网吸收无功功率来补偿此电压升高（Scope2第2个波形上Q=+2.7 Mvar）。在t = 0.3 s时，电源电压从对应于Q = 0的值减少6%。D-STATCOM必须发出无功功率以维持1 pu的电压（Q从+2.7 MVAR变为-2.8 MVAR）。请注意，当D-STATCOM从感性运行切换到容性运行时，PWM逆变器的调制指数从0.56增加到0.9（Scope2第4个波形），这对应于逆变器电压成比例的增加。无功功率的反转非常快，大约一个周期，如D-STATCOM电流所示（Scope1第1个波形上的洋红色信号）。

2. 抑制电压闪变

在此测试中，可编程电压源的电压将保持恒定，您将启用可变负载的调制，以便观察D-STATCOM如何抑制电压闪变。在可编程电压源模块菜单中，将"Time Variation of"参数更改为"None"。在可变负载模块菜单中，将调制时序参数设置为[Ton Toff]= [0.15 1]（移除乘以100的因子）。最后，在D-STATCOM控制器中，将"Mode of operation"参数更改为"Q regulation"，并确保无功功率参考值Qref（参数第2行）设置为零。在此模式下，D-STATCOM处于浮置状态，不进行电压校正。

运行仿真，在Scope3上观察母线B3的P和Q变化（第1个波形）以及母线B1和B3的电压（第2个波形）。在没有D-STATCOM的情况下，B3电压在0.96 pu和1.04 pu之间变化（+/- 4%的变化）。现在，在D-STATCOM控制器中，将"Mode of operation"参数改回"Voltage regulation"并重新启动仿真。在Scope3上观察，母线B3的电压波动现在减小到+/- 0.7%。D-STATCOM通过注入一个以5 Hz调制的无功电流（Scope3第3个波形）来补偿电压，该电流在电压低时约为0.6 pu容性，电压高时约为0.6 pu感性。

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