基于VSC的STATCOM模型，使用三电平中点钳式电压源变换器进行电压调节的STATCOM模型，在模拟过程中，电压设定值被改变，减小和增加交流电压，STATCOM提供所需的无功功率来支持电压

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🔥 内容介绍

一、引言

随着电力系统中新能源渗透率提升与非线性负荷增加，电网电压波动、无功功率失衡等问题日益突出，严重影响电能质量与系统稳定性。静止同步补偿器（STATCOM）作为柔性交流输电系统（FACTS）的核心设备，凭借响应速度快、无功调节范围宽、占地面积小等优势，成为解决电网无功平衡与电压稳定问题的关键技术手段。

传统两电平电压源换流器（VSC）构成的 STATCOM，在中高压领域（如 35kV、110kV）存在开关损耗大、输出谐波含量高、需大量串联器件以耐受高电压等局限。三电平中点钳式（NPC）VSC 通过引入钳位二极管与中性母线，实现了输出电压等级提升与谐波抑制，同时降低了开关管的电压应力（仅需承受直流母线电压的一半），更适配中高压电网的 STATCOM 应用需求。本文聚焦基于三电平 NPC-VSC 的 STATCOM 模型构建，重点分析电压设定值增减场景下，STATCOM 通过动态调节无功功率支撑电网电压的机制，为其在电网电压稳定控制中的应用提供理论与仿真支撑。

二、三电平 NPC-VSC 的 STATCOM 核心结构与工作原理

三、基于三电平 NPC-VSC 的 STATCOM 控制策略

STATCOM 的核心控制目标是 “跟踪电压设定值，动态调节无功功率”，采用 “外环电压控制 + 内环电流控制 + 调制策略” 的分层控制架构，各层级功能与算法设计如下：

（一）外环电压控制

外环以 “电网电压设定值（U_ref）与实际测量值（U_grid）的偏差” 为输入，输出无功电流参考值（I_q_ref），是 STATCOM 电压调节的 “决策层”，具体设计：

1. 电压偏差计算：定义电压偏差 ΔU = U_ref - U_grid，当 U_ref 增加时（ΔU>0），需输出正的 I_q_ref（注入感性无功）；当 U_ref 减小时（ΔU），需输出负的 I_q_ref（吸收感性无功）。

1. PI 控制器设计：采用比例积分（PI）控制器处理 ΔU，确保无静差跟踪 U_ref，控制器输出为 I_q_ref，同时加入限幅环节（-I_q_rated ≤ I_q_ref ≤ I_q_rated），避免无功电流超出 STATCOM 额定容量导致器件过流。

1. 电压前馈补偿：为提升动态响应速度，引入电网电压前馈信号（U_grid_feedforward），抵消电网电压波动对控制的干扰，使 PI 控制器仅需处理偏差量，减少调节延迟。

（二）内环电流控制

内环以 “无功电流参考值（I_q_ref）与实际测量值（I_q）的偏差” 为输入，输出三电平 NPC-VSC 的调制电压参考值（U_conv_ref），是无功功率调节的 “执行层”，采用基于 dq 坐标系的解耦控制：

1. 坐标变换：将电网侧的三相交流电流（I_a、I_b、I_c）通过 Clark 变换（αβ 坐标系）与 Park 变换（dq 坐标系），转换为同步旋转坐标系下的有功电流（I_d）与无功电流（I_q），实现有功、无功的解耦控制。

1. 电流偏差调节：STATCOM 无需交换有功功率（仅补偿开关损耗），故设定 I_d_ref=0，通过 PI 控制器调节 I_d 偏差（ΔI_d=I_d_ref - I_d），抑制有功电流分量；同时通过 PI 控制器调节 I_q 偏差（ΔI_q=I_q_ref - I_q），输出 dq 坐标系下的调制电压参考值（U_d_ref、U_q_ref）。

1. 反变换与电平控制：将 U_d_ref、U_q_ref 通过 Park 逆变换与 Clark 逆变换，转换为三相调制电压参考值（U_a_ref、U_b_ref、U_c_ref），为后续调制策略提供输入。

（三）调制策略与中性母线平衡控制

1. 空间矢量调制（SVM）策略：针对三电平 NPC-VSC，采用三电平 SVM 算法将三相调制电压参考值转换为开关管触发信号（PWM 波）。该算法通过划分电压空间矢量扇区（共 19 个基本矢量），选择相邻矢量组合合成参考电压，相比正弦脉宽调制（SPWM），直流母线电压利用率提升 15% 以上，且输出电流谐波含量更低。

1. 中性母线电位平衡控制：中性母线电位偏移（U_C1≠U_C2）会导致输出电压畸变，需通过 SVM 矢量选择优化实现平衡控制：在选择零矢量时，优先选择使 C₁、C₂充放电电流均衡的矢量（如 “+U_dc/2、0、-U_dc/2” 组合而非单一零矢量），同时实时监测 U_C1、U_C2，通过调整矢量作用时间，确保 U_C1 与 U_C2 的偏差控制在 ±5% U_dc/2 以内。

四、STATCOM 电压调节特性的仿真模型构建

基于 MATLAB/Simulink 搭建三电平 NPC-VSC 的 STATCOM 仿真模型，模拟电网电压设定值增减场景，验证无功功率调节与电压支撑效果，模型参数与仿真条件如下：

设置两个核心场景，模拟电压设定值变化时 STATCOM 的无功调节行为：

1. 场景 1：电压设定值增加：初始状态下，U_ref=35kV（与 U_grid 一致，STATCOM 无无功交换）；t=0.2s 时，将 U_ref 提升至 35.7kV（增幅 2%），观察 STATCOM 注入无功功率与 U_grid 的动态变化。

1. 场景 2：电压设定值减少：t=0.5s 时，将 U_ref 从 35.7kV 降至 34.3kV（降幅 4%），观察 STATCOM 吸收无功功率与 U_grid 的动态变化。

1. 干扰条件：在 t=0.3s 时加入电网负荷扰动（感性负荷突增 10Mvar），验证 STATCOM 抗干扰能力。

五、结论与应用展望

（一）研究结论

1. 三电平 NPC-VSC 通过多电平输出与钳位二极管设计，降低了开关管电压应力（仅 U_dc/2），同时抑制了输出谐波（THD≤2.5%），相比两电平 VSC 更适配中高压电网的 STATCOM 应用，可减少器件串联数量与系统损耗。

1. 基于 “外环电压控制 + 内环电流控制 + 三电平 SVM” 的分层控制策略，STATCOM 可实现电压设定值增减场景下的快速响应（15~20ms）与无静差调节，通过动态注入 / 吸收无功功率（-33.6Mvar~16.8Mvar），有效支撑电网电压稳定，且抗负荷扰动能力强。

1. 中性母线电位平衡控制通过优化 SVM 矢量选择，确保了直流侧电容电压均衡（偏移量），避免了输出电压畸变，保障了无功功率调节精度。

（二）应用展望

1. 高比例新能源电网适配：将该 STATCOM 模型应用于风电、光伏电站并网点，通过实时补偿新能源出力波动导致的无功缺额，抑制并网点电压波动（如光伏午间出力突增时，吸收多余无功避免电压抬升；夜间出力骤降时，注入无功防止电压跌落）。

1. 模块化扩展与多 STATCOM 协同：基于三电平 NPC-VSC 的模块化设计，可通过多模块并联扩展 STATCOM 容量（如 5 个 50Mvar 模块并联实现 250Mvar 容量）；同时引入多 STATCOM 协同控制策略，在区域电网中实现无功功率分层分区优化分配，提升整体电压稳定性。

1. 控制算法升级：结合人工智能技术（如模型预测控制 MPC、强化学习）优化内环电流控制，进一步缩短响应时间（目标 ms）；同时加入谐波抑制算法，针对电网中的 3 次、5 次谐波，通过 STATCOM 输出特定频次的无功电流，实现 “电压调节 + 谐波治理” 一体化功能。

⛳️ 运行结果

🔗 参考文献

[1] 陈霞.基于多端直流输电的风电并网技术[D].华中科技大学,2012.DOI:10.7666/d.D229222.

[2] 郑超,周孝信.基于普罗尼辨识的VSC-HVDC附加阻尼控制器设计[J].电网技术, 2006(17).DOI:10.3321/j.issn:1000-3673.2006.17.005.

[3] 张娟.基于DSP的多级注入式电压源型变换器[D].内蒙古工业大学,2007.DOI:10.7666/d.D404035.

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