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1、1、前言静止同步补偿器(Static Synchronous Compensator, STATCOM)，是目前最先进的无功补偿技术，近年来随着电力电子开关技术的进步而逐渐兴起。STATCOM的原理是利用全控型大功率电力电子器件构成可控的电压源或电流源，使其输出电流超前或滞后系统电压90 ，从而对系统所需的无功进行动态补偿。早期有文献称之为静止无功发生器(Static Var Generator, SVG) 。利用电力电子变流器进行无功补偿的可能性虽然早在 20 年前就已经为人们所认识，但限于当时电力电子器件的耐压和功率水平，无法制造出输电系统中具有实用价值的装置。直到近年来，尤其是高压大功率
2、的门极可关断晶闸管 GTO 的出现，才极大的推动了 STATCOM 的开发和应用。STATCOM 是并联型 FACTS 设备，它同基于可控电抗器和投切电容器的传统静止无功补偿器 SVC 相比，性能上具有极大的优越性，越来越得到广泛的重视，必将取代 SVC 成为新一代的无功电压控制设备。 目前，世界上已有多台投入运行的大容量 STATCOM 装置，如表 1-1 所示。由此可见，目前为止国际上只有美、日、德、中、英等少数几个国家掌握了 STATCOM 的应用开发技术。2006 年 2 月 28 日，由上海电力公司、清华大学、许继集团公司等单位共同研制的50Mvar STATCOM 在上海黄渡分区西
3、郊变电站并网试运行。表 1-1 国内外已在输电系统投运的 STATCOM 装置（UPFC 并联部分为 STATCOM）表 1-1 中除最后一项外，全部采用了变压器多重化的主电路方案，主电路拓扑为图 1-1。变压器多重化方式可成倍增加装置容量并降低输出谐波。然而，多重化变压器的引入带来了很多问题：首先，它的价格非常昂贵，约为成本的 1/31/4；其次，它使装置增加了 50左右的损耗和 40左右的占地面积；第三，变压器的铁磁非线性特性给控制器设计带来了很大的困难，同时也是引发装置故障的重要原因。 如果能研究一种新的电路拓扑克服由多重化变压器带来的诸多不便，那么将引起大容量 STATCOM 技术的一
4、次大的飞跃。多电平变换器技术的引入正是这个关键技术的不二选择图 1-1. 带多重化变压器的 STATCOM 拓扑STATCOM 是第二代 FACTS 技术的代表，它的出现是电力系统无功补偿技术的又一次革命。其具备了在容性和感性范围内双向连续调节补偿电流的能力，适应了电力系统对各种运行工况的需求，同时还具有动态响应速度快、补偿电流谐波含量小(相比 SVC)的特点，彻底解决了以往的无功补偿设备所存在的缺陷。与采用第一代 FACTS 技术的 SVC 相比，STATCOM 具有以下优势： l 1、STATCOM 的动态响应过程更快，在目前的工程应用中，STATCOM 的响应时间可以做到 20ms 以下
5、，而 SVC 则通常需要 40ms 以上。 2、STATCOM 的输出特性不受系统电压影响，当电压下降时装置输出的无功保持不变；而 SVC 装置补偿的无功与电压的平方成正比，当无功不足导致系统电压下降时，其所能提供的最大补偿容量也随之下降。 3、STATCOM 的直流侧储能元件只对电压或电流起到支撑作用，因此所需要的电容或电抗值远小于补偿容量，大大减小了装置体积；而 SVC 的最大补偿容量受到器件阻抗特性的限制，因此需要配备较大的电容和电抗器，导致装置的体积与占地面积较大。 4、STATCOM 输出的电压或电流几乎为正弦波形，因此产生的谐波污染较小；SVC 通过控制电抗导通角的方式进行调节，流
6、过电抗器的电流为非正弦，将产生大量的谐波注入电网，造成严重的谐波污染，在某些情况下需要与无源或有源的滤波装置配合使用。 5、STATCOM 相当于一个可控电源，因此不改变系统阻抗，不会与系统发生谐振；SVC 装置是电抗或电容型的，接入电力系统容易与系统阻抗产生谐振。虽然目前电力系统中应用最为广泛的无功补偿设备还是 SVC，但是电力电子技术以及电力系统研究专家普遍认为，STATCOM 所具有的以上优势使其成为传统无功补偿设备的理想替代者，全面满足了电力系统对无功补偿的各项要求，使 21 世纪的电力系统运行品质更为卓越。2、STATCOM 的工作原理从理论上分析，STATCOM 的直流侧可以采用电
7、容或者电感两种形式。因此，其基本拓扑结构分为电压源型和电流源型，分别如图 2-1、2-2 所示：图 2-1 电压源型 STATCOM图 2-2 电流源型 STATCOM实际上，目前 STATCOM 装置中研究最深入、应用最广泛是电压源型逆变器结构，原因如下：1、电流源型逆变器的工作原理，需要采用具有对称特性的大功率开关器件，即双向电压阻断能力。而目前常用的可关断器件存在反向阻断能力差、导通损耗过大的问题；相比之下，电压源型逆变器则不会受到该限制。2、电流源型逆变器直流侧储能电感不具备防止器件过电压的能力，因此需要安装额外的保护电路或者增大取值裕量；相比之下，电压源型逆变器的直流电容本身具备防止
8、功率器件过电压的能力。3、电流源型逆变器的直流侧储能电抗在工作中会产生比较大的损耗，给装置设计带来困难；而电压源型逆变器的储能电容损耗要小的多。电压源型逆变器具有的以上优势使其成为目前条件下更合理的选择，因此本文主要研究基于电压源型逆变电路的 STATCOM。电压源型 STATCOM 的工作原理，是通过可控的大功率电力电子开关器件将直流侧电压进行逆变，从而在逆变器交流侧输出一个与电网同频的正弦电压。此时 STATCOM 可以视为一个与电网同步的并且灵活控制的交流电压源，其接入系统时的等效电路如图 2-3：图 2-3 电压源型 STATCOM 接入系统的等效图图中为 STATCOM 公共接入点(
9、Point of Common Coupling, PCC)处系统电压， 为 STATCOM 交流侧逆变输出电压，L 为连接电抗器，于是 STATCOM装置输出的电流为：进而得到 STATCOM 输出的单相视在功率为：在理论上，STATCOM 只对无功进行补偿，因此与电网之间不存在有功的往返。然而实际上由于开关损耗以及电容和电抗上等效电阻的存在，STATCOM 装置还是需要从电网吸收很小的有功电流以维持直流侧电压平衡。由于这部分有功相比无功非常微小，因此在进行理论分析的时候一般忽略不计。最后近似认为STATCOM 输出的电压与电网电压相位相同，从而得到装置输出的单相无功功率为：由以上分析可得，
10、在正常工作时 STATCOM 具有无功双向调节能力：即容性工况和感性工况，分别如下图所示：图 2-4 容性工况图 2-5 感性工况(1) 当，即 STATCOM 装置交流侧逆变电压幅值大于系统电压幅值，此时流过电抗器的补偿电流超前系统电压90，STATCOM 装置向系统输出正的无功功率(Q0)，处于容性工况。(2) 当，即 STATCOM 装置交流侧逆变电压幅值小于系统电压幅值，此时电抗器上的补偿电流滞后系统电压90，STATCOM 装置向系统输出负的无功功率(Q 0)，处于感性工况。 综上所述，STATCOM 的工作原理与以往的无功补偿技术存在本质区别。通过对逆变器交流侧电压的幅值和相位进行
11、调控，或者直接对其补偿电流进行跟踪控制，就能够在容性到感性范围内连续调节无功补偿电流，并且做到精确的稳态跟踪准以及快速的动态响应。3、STATCOM 注入电流的运行范围如图 3.1 所示，系统发送端电压为，系统接收端电压为，STATCOM 输入端电网电压为，STATCOM 的并联变换器交流侧输出电压为，电网注入到STATCOM 中的电流为，为系统发送端到 STATCOM 输入端的线路阻抗，为STATCOM 输入端到系统接收端的线路阻抗。图 3.1 STATCOM 系统基本结构图为了便于分析，假定系统参数如下： (3-1) (3-2) (3-3) (3-4) (3-5)其中k 是阻抗系数，0 k
12、 1；Z = R + j为线路总的阻抗； (3-6)将电压转化到旋转 d、q 坐标系下，并将 d 轴定位在方向上，则通过（3-7）所示的旋转 3/2 变换矩阵 可得在 d、q 坐标系下表达式： (3-7) (3-8)分析装有 STATCOM 的系统电压、电流平衡分析： (3-9) (3-10) (3-11)根据式（3-8）（3-11）可知： (3-12)图 3.2 STATCOM 注入到电网中的电流运行范围首先由式（3-12）得到 STATCOM 注入到电网中的电流运行范围的第一个约束条件： (3-13)由上式可见 STATCOM 注入到电网中的电流在 d、q 轴电流平面上是以为圆心，以为半径
13、的圆，如图 3.2所示。 这里，变量 R 、X、 、U 是给定的系统参数。变量 k的大小取决于 STATCOM 的安装位置, 变量是由系统需求决定的，它们的大小决定了系统所需要的 STATCOM 注入到电网中的电流运行范围。其次考虑 STATCOM 并联变换器一侧的系统参数可以得到： (3-14)其中和是并联变换器交流侧输出电压在 d、q 坐标系下的分量，X = ， 代表电网角频率。由式（2-14）可以得到 STATCOM 注入到电网中的电流运行范围的第二个约束条件： (3-15)最后考虑 STATCOM 补偿的最大视在功率,可以得到 STATCOM 注入到电网中的电流运行范围的第三个约束条件
14、： ,其中为 STATCOM 注入到电网中的最大允许电流。如图 2.3 所示，综合式（3-13）、（3-15）、（3-16）所确定的圆的交叉部分限制了实际的运行系统中 STATCOM 注入到电网中的电流运行范围，在设计 STATCOM 注入电网中的电流时，必须考虑这一点。 此外，实际运行过程中，运行点主要是由 STATCOM 系统的有功需求决定的，即：。如图 2.3 所示，针对不同模式的 STATCOM 其运行范围也有所不同，对于直流侧无外部储能装置（只有电容）的 STATCOM 而言，它只能与电网进行无功功率的交换，也就是可以说无功功率可以双向流动，但是由于其自身没有外部能量供应装置，STATCOM 工作所需要的有功功率全部来自电网，通过其自身的控制来从系统中吸收有功功率保证其正常工作，因此，有功功率是单向流动的，当 STATCOM 进行无功补偿的
