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1、浅谈STATCOM技术的应用及发展现状戚莹莹，吴江峰西安理工大学自动化学院，陕西西安710048摘要静止同步补偿器（STATCOM）是柔性交流输电系统的核心。详细 分析了静止同步补偿器的基本工作原理、分类、元器件选择等，对静止同 步补偿器的控制方式进行了综合与比较，综述了静止同步补偿器的应用及 发展现状，并提出今后静止同步补偿器的发展趋势。关键字 静止同步补偿器；逆变器；控制方式Abstract Keywords1概述静止同步补偿器（Static Synchronous Compensator， STATCOM ）是柔性交流输电系统 （Flexible AC Transmission Syst
2、em， FACTS）的核心装置和核心技术之一。在此之前，又称ASVG、SVG、STATCON、ASVC，直至1995年国际高压大电网会议与电力、电子工程师学会 建议采用静止同步补偿器（STATCOM） 1。静止同步补偿器采用新一代的电力电子器件如门极可关断晶闸管（GTO），绝缘栅双极型 晶体管（IGBT）,集成门极换向晶闸管（IGCT），并且采用现代控制技术，其在电力系统中的 作用是补偿无功，提高系统电压稳定性，改善系统性能。与传统的无功补偿装置相比，STATCOM 具有调节连续，谐波小，损耗低，运行范围宽，可靠性高，调节速度快等优点，自问世以来, 便得到了广泛关注和飞速发展。我国电力工业发展
3、迅速，其需求将保持持续、快速的增长态势而且需求规模在增大，当前我 国电力事业可靠性要求高、实用性强；经济效益突出；节能，环保、高效成为主要趋势。STATCOM 的广泛应用使得电力系统更加稳定高效，符合当今社会电力工程发展趋势。2 STATCOM的工作原理2.1基本工作原理STATCOM大体上分为电压源型和电流源型，在实际应用中大多使用电压源型（采用电压型变 换器Vol tage-sourced inver ter, VSI）。图1用以简单说明基于VSI的STATC0M的工作原理。T衣,一电青系轨_连接电抗I图社压;:孔卡STATCC川的胃代恿理图如图1所示，STATCOM的主电路结构由直流侧大
4、电容和基于电力电子器件的VSI组成，通过 连接电抗接入电力系统。图中，U1是在理想情况下（即忽略线路及STATCOM的损耗）将 STATCOM的输出等效为一个可控电压源，U S是系统侧等效成的理想电压源，且两者相位一 致。当U 1跃U S时，从系统流向STATCOM的电流相位超前系统电压90毅，输出容性无功； 同样当U 1约U S时，从系统流向STATCOM的电流滞后系统电压90毅，输出感性无功。当U 1 =U S时，系统与STATCOM之间的电流为零，两者之间没有无功的交换。这 是在理想情况下的工作状态，事实上，U S和U1 般具有一个角度差啄，通过控制U S和 啄就可以调节STATCOM发
5、出或吸收无功的大小。2.2 STATCOM 的分类从理论上可以将STATCOM分为电压源型和电流源型。就其电路结构来说，电压源型STATCOM 直流侧并联有大电容，保证在持续充放电或器件换向过程电压不会发生很大的变化，桥侧串 联电感，而电流源型STATCOM则是直流侧串联大电感，保证在器件换向或充放电器件电流不 会有大的波动，桥侧并联电感。如图2所示。图2 电殛恚型曷电流瀝理变换的比较在实际应用中，常用的大容量STATCOM采用的基本都是电压源型结构。但是可以将SVG控制 为电流源来进行无功补偿2-3。文献4提出了一种新的STATCOM控制策略即采用电压控制 电流源（VCCS）的策略和改进的电
6、压控制电压源（VCVS）的策略来补偿电力系统公共连接点 （Pointof Common Coupling，PCC）电压不平衡，特别是在较小容量时采用VCCS方式将能 达到最好的补偿效果。按构成基本单元逆变器模块，可以将STATCOM分为单相桥二电平，三相桥二电平，三相桥多 电平。在大容量高电压等级的应用场合中，往往需要将多个低压小容量变换器通过变压器耦 合（即多重化）5或采用变压器在交流输入输出侧进行升压或降压，这样会产生耗能、谐 波含量大、系统效率低等缺点。而多电平变换器开关器件所承受的电压应力小（如三电平变 换器每个开关器件所承受的电压应力是二电平的一半6）,谐波含量少，损耗降低，因此在
7、大容量场合得到广泛应用和发展。按构成元器件，可以将STATCOM分为GTO型，IGBT型，IGCT型，SCR型，GTR型，MOSFET 型。基于功率变换的FACTS设备一般都采用全控型器件，主要是在GTO、改进型GTO （IGBT、 MTO、ETO等）和（HV） IGBT等器件中选择。国际上第一个采用GTO作为逆变器功率器件的 STATCOM，是由美国EPRI与西屋电气公司研制的，容量依lMvar。我国依20Mvar STATCOM和 日本关西电力系统Inuyama开关站依80Mvar STATCOM均是采用GTO作为功率器件的。IGBT 适用于小容量场合，由ABB公司研制的配电STATCOM
8、 （Distribution STATCOM, D-STATCOM）， 开关器件采用多个IGBT串联7。按电压等级，可以将STATCOM分为高压输电网补偿和低压配电网补偿。在高压输电网中 STATCOM需要通过变压器连接到电网中。在低压配电网中，通过电抗器并联或直接并联电网， 即D-STATCOM。D-STATCOM的基本工作原理就是将桥式电路通过电抗器或直接并联在电网上， 适当调节电路交流侧输出电压的幅值或相位，或者直接控制其交流侧电流就可以使该电路系 统收获发出满足要求的无功电流，从而实现动态补偿无功的目的。另外可以通过脉宽调制采 用特定谐波消除的方法来消除特定谐波8。3控制方式根据控制物
9、理量，可以分为直接电流控制和间接电流控制。直接电流控制技术就是采用跟踪 性PWM控制技术对电流波形的瞬时值进行反馈控制，直接指令电流的发生，结构简单，电流 调节响应快，对扰动的鲁棒性好，但是只适用于中小容量场合，对于大容量场合具有很大的 局限性。间接电流控制，是通过STATCOM逆变器交流电压极薄的幅值和相位，来间接控制交 流侧电流，简单易实现，但动态性能欠佳，适用于大容量STATCOM。为了减少谐波，在间接电流控制中可以采用多重化、多电平或者PWM技术来改善波形。 STATCOM装置主电路设计的多重化和链式结构是提高容量的常用技术。多重化结构就是用几 个单相或三相逆变器产生相位相差若干度的方
10、波电压，用变压器将不同相位的方波电压串联 在一起，可以有效的提咼容量与电压，减少谐波5,9，但同时也会带来很多问题，诸如价格 昂贵，增加了装置损耗和占地面积，并且变压器的铁磁非线性特性也给设计带来了困难。由 ALSTOM公司为英国国家电网公司研制的依75Mvar STATCOM采用了新型链式结构，摒弃了笨 重的多重化变压器。链式STATCOM各逆变桥直流电容器是相互独立的，存在电容电压不平衡 问题，混合型损耗差异、并联型损耗差异以及输入脉冲延时的不同是造成电容电压不平衡的 主要原因10。通过调节逆变桥与系统间的相位差，通过调节各逆变桥调制比都可以实现电 容电压平衡11。图3和图4分别是链式和多
11、重化结构的原理图。图？讎式姑枸厲理图-鲨曲3尊A-1-1型变鸚J_因4 $芳化灶构感理用从控制策略上讲可以分为开环控制，闭环控制，以及这两种的混合控制。通常从控制上讲是 电压环以及电流环。文献12中STATCOM的控制是基于SVPWM的电压电流双环控制，利用锁 相环（PLL）和低通滤波器（LPF）检测负载电流中无功电流的大小，通过dq变换实现STATCOM 无功电流和有功电流在dq平面的解耦控制。同时，直流电压外环控制器输出耦合到有功电 流控制环路实现直流电压稳压控制。从控制技术角度来说有PI控制方法，PI逆控制方法，鲁棒自适应控制，递归神经网络自适 应，滑模变结构，模糊控制方法13。其中鲁棒
12、自适应控制方法，模糊控制系数选择困难； 神经网络自适应方法不依赖于系统模型的建立，但实时性不好；滑模变结构线性化困难。在 实际应用中还是以传统的PI控制居多。文献14提出了一种无源性控制（PBC）方法，建立 了 STATCOM的欧拉一拉格朗日系统模型，引入非线性规划的变尺度法进行优化。为了达到更好的补偿效果，可以将传统的无功补偿装置与STATCOM联合运行控制，从而避免 STATCOM为了获得理想的输出电流波形，致使开关器件随着补偿电流增大，开关损耗增加， 效率降低的问题。混合静止同步无功补偿器（HSTATCOM），基于无差拍控制（根据其状态方程 和输出无功电流的预期值计算出下一个开关周期的脉
13、冲宽度），利用有源与无源补偿相结合的 方法，无源部分使用TSC作为主要补偿手段，不产生谐波，损耗小；利用有源补偿实现了补 偿电流的连续调节，可以双向连续调节无功15。文献16提出了一种新型SVC与STATCOM 构成的混杂装置以及基于模糊预测的联合运行方案，即利用小容量STATCOM抑制闪变配合大 容量SVC补偿无功，避免了 STATCOM采用不对称控制时出现的算法复杂等问题。联合控制运 行方式算法简便，控制目的明确，但其结构可能复杂，所以在特定领域将会得到发展。4应用及现状STATCOM概念于20世纪80年代提出，实际应用主要集中在90年代，主要应用的有日本的依 80 Mvar（1991 年
14、），美国的 100 Mvar（1995年），丹麦基于4 500/3 000A GTO 的依8 Mvar（1997 年）的STATCOM。由于STATCOM技术含量较高，掌握并应用这一技术的主要有日本、美国、 德国、英国、中国等国家。我国首台依20 Mvar的STATCOM是由清华大学与河南省电力局在 1994一1999年共同研制，已于1999年3月在河南省洛阳市朝阳变电站投入运行7。对于这 一技术，在2007年由湖南大学的罗安等人就基于STATCOM与SVC的电能质量调节器协调控制 方法、由郭育华等人就STATCOM的控制方法申请了国家专利。STATCOM的应用工程通常具有：在电力半导体器件选
15、用上，绝大多数是基于GTO和IGBT的； 在主电路上，大容量高压STATCOM主要采用变压器耦合多重化技术，中低容量和电压的 DSATCOM较多采用三电平和/或PWM变换器；基本采用VSC；系统控制目标多样化；大容量 STATCOM多采用水冷方式等特点。据不完全统计，自第一台大容量STATCOM装置问世以来，全世界已经投入运营的大容量（10 MVar及以上）STATCOM工程超过20个，总的可控容量超过3 000 Mvar。它们有的安装在输 电网络中用于潮流控制、无功补偿和提高系统稳定性等，属于FACTS范畴；有的安装在配电 和用电网络，用于改善电能质量和提高供电可靠性，属于用户电力范畴，即用
16、户电力控制器 的D-STATCOM。表1给出了部分工程应用的基本情况，说明了自STATCOM问世以来的发展情况， 这只是一少部分，可以看到，STATCOM主电路从最初的开关器件耦合，逐步发展为多个开关 器件串联使用，结合VSI，采用NPC结构，并且用PWM进行控制，从而使STATCOM装置具有 更加稳定与优良的性能。5结语静止同步补偿器（STATCOM）技术自问世以来得到了飞速的发展，多重化和链式结构应用于大 容量STATCOM是国际上广泛关注的技术，但是要解决好器件的均压和不平衡控制等问题。大 容量高电压的静止同步补偿器仍是今后研究的重点，另外新的功率模块如IPM的研究开发将 会为STATCOM技术带来新的生机。STATCOM是柔性交流输电系统的核心，有效的无功补偿
