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模型在模拟过程中附Simulink仿真

matlab科研助手

于 2025-06-27 22:46:30 发布

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🔥 内容介绍

本研究构建基于电压源换流器（VSC）的静止同步补偿器（STATCOM）模型，采用三电平中点钳式电压源变换器实现电压调节功能。通过详细分析模型结构、控制策略，模拟交流电压设定值改变时的工况，验证 STATCOM 在电压减小和增加情况下，均可有效提供所需无功功率支持电压稳定。研究成果为 STATCOM 在电力系统电压调节中的应用提供理论与技术参考，有助于提升电力系统电压稳定性与电能质量。

关键词

VSC；STATCOM；三电平中点钳式电压源变换器；电压调节；无功功率

一、引言

（一）研究背景

在现代电力系统中，随着分布式电源的大量接入、非线性负荷的广泛应用，电网电压稳定性面临诸多挑战。电压波动和闪变会影响电力设备的正常运行，降低电能质量，甚至威胁电力系统的安全稳定。静止同步补偿器（STATCOM）作为一种先进的柔性交流输电装置，能够快速、连续地调节无功功率，在维持电网电压稳定、提高电能质量方面发挥着重要作用。基于电压源换流器（VSC）的 STATCOM 具有响应速度快、谐波含量低、四象限运行等优点，成为当前研究与应用的热点。三电平中点钳式电压源变换器相较于传统两电平结构，能输出更多电平，降低输出电压谐波，提高电压等级和容量，更适用于高压大容量的 STATCOM 应用场景。

（二）研究目的与意义

本研究旨在构建基于 VSC 的三电平中点钳式电压源变换器 STATCOM 模型，深入研究其在交流电压设定值改变时的电压调节特性，明确 STATCOM 提供无功功率支持电压稳定的工作机制。通过研究，期望优化 STATCOM 的控制策略，提高其电压调节性能，为电力系统电压稳定控制提供更有效的技术手段，增强电力系统应对电压波动的能力，保障电力设备安全可靠运行，提升电力系统整体运行效率与经济性。

（三）国内外研究现状

国内外学者在 STATCOM 领域开展了大量研究。在拓扑结构方面，从早期的两电平逐渐发展到多电平结构，三电平中点钳式电压源变换器因其独特优势受到广泛关注。在控制策略上，基于矢量控制、直接功率控制等方法不断改进和完善，以实现 STATCOM 快速、精确的无功功率调节。在应用研究中，STATCOM 已在输电系统、配电系统等多个场景得到应用。然而，针对三电平中点钳式电压源变换器 STATCOM 在交流电压设定值频繁改变工况下的研究相对不足，尤其在无功功率动态调节与电压稳定协同控制方面，仍有进一步深入研究的必要。

二、基于 VSC 的三电平中点钳式电压源变换器 STATCOM 模型原理

三、基于三电平中点钳式电压源变换器 STATCOM 的电压调节模拟

（一）模拟系统搭建

基于 MATLAB/Simulink 平台搭建模拟系统，系统主要包括电源模块、基于三电平中点钳式电压源变换器的 STATCOM 模块、负载模块以及测量与控制模块。电源模块模拟交流电网，提供不同工况下的电压输入；STATCOM 模块采用三电平中点钳式电压源变换器拓扑，通过控制策略实现无功功率调节；负载模块设置为可变负载，模拟实际电网中的负荷变化；测量与控制模块实时监测系统电压、电流、无功功率等参数，并根据控制策略输出控制信号。

（二）交流电压设定值改变工况模拟

交流电压减小工况：在初始稳定运行状态下，突然减小交流电压设定值。此时，电网电压实际值与设定值出现偏差，外环控制器根据偏差计算出无功功率需求增加的参考信号，经内环电流控制，调节三电平中点钳式电压源变换器功率开关器件的开关状态，使 STATCOM 输出容性无功功率增加，注入电网。随着容性无功功率的注入，电网电压逐渐回升，直至达到新的稳定状态。

交流电压增加工况：当交流电压设定值突然增加时，电网电压实际值低于设定值，外环控制器输出无功功率需求减小的信号。内环电流控制据此调整功率开关器件开关状态，使 STATCOM 吸收感性无功功率，减少向电网注入的无功功率。随着感性无功功率的吸收，电网电压逐渐降低，最终稳定在新的设定值附近。

四、模拟结果与分析

（一）电压波形分析

在交流电压设定值减小和增加过程中，记录电网电压波形。结果显示，当交流电压设定值减小时，电网电压在 STATCOM 注入容性无功功率后，快速回升并稳定在新的较低设定值，电压波动小，过渡过程平滑；当交流电压设定值增加时，电网电压在 STATCOM 吸收感性无功功率后，逐渐下降至新的较高设定值，同样实现了稳定调节。相较于未投入 STATCOM 的情况，电压调节速度和稳定性显著提升。

（二）无功功率变化分析

观察 STATCOM 注入或吸收的无功功率变化曲线。在交流电压设定值减小工况下，无功功率迅速从初始值增加到新的稳定值，为电网提供充足的容性无功支持；在交流电压设定值增加工况下，无功功率快速减小，吸收感性无功，有效抑制电压上升。无功功率的快速响应和精确调节，是实现电压稳定调节的关键。

（三）中点电位稳定性分析

监测三电平中点钳式电压源变换器的中点电位变化。模拟结果表明，通过中点电位平衡控制策略，在交流电压设定值改变过程中，中点电位波动较小，始终保持在稳定范围内。这保证了输出电压质量，避免了因中点电位不平衡导致的输出电压畸变等问题，提高了 STATCOM 运行的可靠性。

五、结论与展望

（一）研究结论

本研究成功构建基于 VSC 的三电平中点钳式电压源变换器 STATCOM 模型，通过模拟交流电压设定值改变工况，验证了 STATCOM 在电压减小和增加情况下，均能快速、有效地提供所需无功功率，实现对电网电压的稳定调节。三电平中点钳式电压源变换器拓扑结合合理的控制策略，在降低谐波、提高电压调节性能和中点电位稳定性方面表现良好。研究成果为 STATCOM 在电力系统电压调节中的实际应用提供了理论依据和技术支持。

（二）研究展望

未来研究可进一步优化三电平中点钳式电压源变换器 STATCOM 的控制策略，如引入智能控制算法，提高控制精度和响应速度。同时，探索更高电平的拓扑结构，以适应更高电压等级和更大容量的应用需求。在实际应用方面，加强 STATCOM 与其他电力设备的协同控制研究，提升电力系统整体稳定性和运行效率。