基于D-STATCOM的电压暂降与暂升补偿仿真系统

资 源 简 介

本项目致力于设计和实现一个基于配电网静止同步补偿器（D-STATCOM）的电力系统仿真模型，专门用于解决配电网中的电压暂降（Voltage Sag）和电压暂升（Voltage Swell）等电能质量问题。系统运行在MATLAB/Simulink环境下，通过集成电压源逆变器（VSI）、直流侧储能电容以及先进的控制算法，实时监测负载端的电压波动。当配电系统由于短路故障、大容量电机启动或雷击等原因产生电压暂降时，D-STATCOM能够迅速响应并向电网注入受控的无功功率，从而支撑母线电压恢复正常；当由于电容器组投

详 情 说 明

基于D-STATCOM的电压暂降与暂升补偿仿真系统

项目介绍

本项目实现了一个基于配电网静止同步补偿器（D-STATCOM）的仿真系统，旨在解决电力系统中的电压暂降（Voltage Sag）和电压暂升（Voltage Swell）问题。通过在MATLAB环境中构建数学模型，模拟负载端电压波动时的动态补偿过程。系统核心利用电压源逆变器（VSI）向电网注入或吸收无功功率，从而维持母线电压的稳定性。该仿真完整涵盖了信号采样、坐标变换、闭环控制环路设计以及补偿效果评估，能够保护敏感负载免遭电力扰动影响。

功能特性

1. 动态电压补偿：实时识别系统电压偏差，针对0.7pu的电压暂降和1.3pu的电压暂升提供快速的有功/无功电流支撑。
2. 三相电网模拟：自动生成50Hz标准三相电压交流信号，并可配置特定的故障时间窗口。
3. 闭环控制架构：集成了直流电压外环、交流负载电压外环以及双轴解耦的电流内环，确保补偿精度。
4. 频率与相位追踪：采用同步旋转坐标变换（SRF-PLL）技术，确保补偿电流与系统电压保持准确的相位关系。
5. 电能质量评估：系统能够自动计算补偿后的总谐波失真（THD）及电压偏差百分比，并输出运行报告。
6. 多维度可视化：实时绘制电压对比、补偿电流轨迹、直流母线波动及DQ轴控制分量。

使用方法

1. 确保您的计算机已安装 MATLAB 软件（建议 R2018b 或更高版本）。
2. 将程序代码保存在同一工作目录下。
3. 在命令行窗口直接运行该仿真程序。
4. 程序将自动进行数值迭代计算，并于完成后弹出四个子图的分析结果图表。
5. 在 MATLAB 终端中查看详细的系统运行报告，包括偏差率和 THD 指标。

系统要求

1. 环境要求：MATLAB 或 Simulink 运行环境。
2. 工具箱：建议安装 Signal Processing Toolbox（用于 FFT 谐波分析）。
3. 性能要求：系统采样频率设置为 10kHz，具有较高的仿真步长精度。

实现逻辑与详细功能说明

1. 系统参数初始化

程序首先定义了 50Hz 的工业电网频率及 220V 的相电压有效值。通过 10kHz 的采样频率建立时间向量，为后续的离散化迭代计算提供时基。物理参数方面，配置了 5mH 的耦合电感和 2200μF 的直流侧支撑电容。

2. 事件模拟逻辑

系统预设了两个扰动阶段：

• 在 0.1s 至 0.25s 期间，电源电压发生 30% 跌落（暂降至 0.7pu）。
• 在 0.35s 至 0.5s 期间，电源电压发生 30% 上升（暂升至 1.3pu）。

三相电压通过正弦函数生成，彼此相位差 120 度。

3. 核心控制算法实现

• 锁相环控制：利用 Clarke 变换和 Park 变换将三相静止坐标系转换为 d-q 旋转坐标系。通过 PI 控制器调节相角，使 q 轴电压分量趋于零，从而锁定电网电压相位。
• 直流母线电压控制：对比设定的 800V 直流参考值与实际电容电压，通过 PI 调节器输出 d 轴电流参考值，用于维持 D-STATCOM 内部的有功平衡。
• 交流负载电压环：计算当前的负载电压有效值，并与额定值对比。产生的误差通过 PI 调节器转化为 q 轴电流参考值，这是实现无功支撑补偿的核心步骤。
• 解耦电流控制环：在 d-q 坐标系下实现内环电流控制，并加入了交叉耦合补偿项（ωL），以抵消 d 轴与 q 轴之间的相互影响，提高电流响应速度。

4. 逆变器逻辑与物理模拟

程序通过反 Park 变换将控制量转回三相电压指令。在简化模型中，基于电感微分方程通过一阶 Euler 法求解注入电流。注入电流通过等效耦合系数作用于负载端，从而抵消电源端的电压波动。同时，系统计算了逆变器与电网之间的瞬时功率交换，并依此动态更新直流电容的电荷与电压状态。

5. 数据处理与性能指标

• THD 分析：利用快速傅里叶变换（FFT）分析补偿后电压波形的频谱，计算相对于 50Hz 基波的谐波总失真。
• 偏差计算：分别统计暂降期和暂升期结束后的负载电压实际有效值，计算其与标准额定值的百分比偏差。
• 稳态评价：记录仿真结束时直流母线的残留误差，作为衡量控制系统鲁棒性的依据。

图形输出说明

仿真生成的图表包含四部分内容：

1. 电压对比图：直观展示电源侧受扰动电压与 D-STATCOM 补偿后负载侧平稳电压的差异。
2. 响应电流图：显示 D-STATCOM 在各阶段注入的三相电流大小。
3. 直流平衡图：反映能量交换过程中直流电容电压的波动及恢复过程。
4. 控制量分析图：展示 Id 和 Iq 两个核心控制变量的轨迹，分别对应系统的有功调节和无功补偿强度。