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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渐渐兴起。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展动态补偿。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展无功补偿的可能性虽然早在 20 年前就已经为人们所生疏，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有用价值的装置。直到近年来，尤其是高压大
2、功率的门极可关断晶闸管GTO 的消灭，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 成为一代的无功电压把握设备。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、英等少数几个国家把握了 STATCOM 的应用开发技术。2023 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 在上海黄渡分区西郊变
3、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 并联局部为 STATCOM表 1-1 中除最终一项外，全部承受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，它的价格格外昂贵，约为本钱的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把握器设计带来了很大的困难，同时也是引发装置故障的重要缘由。 假设能争论一种的电路拓扑抑制由多重化变压器带来的诸多不便，那么将引起大容量 STATCOM 技术的一次大的飞跃。
4、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 是其次代 FACTS 技术的代表，它的消灭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整补偿电流的力气，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。与承受第一代 FACTS 技术的 SVC 相比，STATCOM 具有以下优势：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，而 SVC 则通常
5、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，当无功缺乏导致系统电压下降时，其所能供给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 通过把握电抗导通角的方式进展调整，流过电抗器的电流为非正弦，
6、将产生大量的谐波注入电网，造成严峻的谐波污染，在某些状况下需要与无源或有源的滤波装置协作使用。5、STATCOM 相当于一个可控电源，因此不转变系统阻抗，不会与系统发生谐振；SVC 装置是电抗或电容型的，接入电力系统简洁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争论专家普遍认为，STATCOM 所具有的以上优势使其成为传统无功补偿设备的抱负替代者，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 的直流侧可以承受电容或者电感两种形式。因此，
7、其根本拓扑构造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 装置中争论最深入、应用最广泛是电压源型逆变器构造，缘由如下：1、电流源型逆变器的工作原理，需要承受具有对称特性的大功率开关器件，即双向电压阻断力气。而目前常用的可关断器件存在反向阻断力气差、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力气，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功率器件过电压的力气。3、电流
8、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，因此本文主要争论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展逆变，从而在逆变器沟通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敏把握的沟通电压源，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SI图中U 为 STATCOM 公共接入点(Point of Com
9、mon Coupling, PCC)处系统电压， U 为 STATCOM 沟通侧逆变输出电压， 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 只对无功进展补偿，因此与电网之间不存在有功的来回。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取很小的有功电流以维持直流侧电压平衡。由于这局部有功相比无功格外微小，因此在进展理论分析的时候一般无视不计。最终近似认为ISTATCOM 输出的电压U相无功功率为：与电网电压U相位一样，从而得到装置输出的单由以上分析可得，在正常工作
10、时 STATCOM 具有无功双向调整力气：即容性工况和感性工况，分别如以以以以下图所示：图 2-4容性工况I(1) 当USU图 2-5感性工况，即 STATCOM 装置沟通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。I(2) 当U U，即 STATCOM 装置沟通侧逆变电压幅值小于系统电压幅SS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分。通过对逆变器沟通侧电
11、压的幅值和相位进展调控，或者直接对其补偿电流进展跟踪把握，就能够在容性到感性范围内连续调整无功补偿电流，并且做到准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US ，系统接收端电压为U R ，STATCOM输入端电网电压为U，STATCOM 的并联变换器沟通侧输出电压为U，电网1sh注入到 STATCOM 中的电流为ish，Z 为系统发送端到 STATCOM 输入端的S线路阻抗， Z为 STATCOM 输入端到系统接收端的线路阻抗。R图 3.1STATCOM 系统根本构造图为了便于分析，假定系统参数如下：(3-1)(3-2)(3-
12、3)(3-4)(3-5)其中 k 是阻抗系数，0 k 1；Z = R + j X为线路总的阻抗；L(3-6)将电压i sh 转化到旋转 d、q 坐标系下，并将 d 轴定位在U方向上，则通过13-7所示的旋转 3/2 变换矩阵 T3S - 2R可得i sh 在 d、q 坐标系下表达式：(3-7)分析装有 STATCOM 的系统电压、电流平衡分析：(3-8)(3-9)(3-10)依据式3-83-11可知：(3-11)(3-12)图 3.2STATCOM 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
13、 注入到电网中的电流在d、q 轴电流平面上是以半径的圆，如图 3.2 所示。为圆心，以为这里，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U 1 是由系统需求打算的，它们的大小打算了系统所需要的 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U和Ushd是并联变换器沟通侧输出电压U在 d、q 坐标系下的重量， X = shshqL， 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sh围的其次个约束条件：(3-15)最终考虑 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：,其中I为shmaxSTATCOM 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所确定的圆的穿插局部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 ST
