statcom原理及控制方法

1、11、前言靜止同步補(bǔ)償器(Static Synchronous Compensator, STATCOM)是目前最先進(jìn) 的無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)，近年來(lái)隨著電力電子開(kāi)關(guān)技術(shù)的進(jìn)步而逐漸興起。STATCOM的原理是利用全控型大功率電力電子器件構(gòu)成可控的電壓源或電流源，使其輸出電流超前或滯后系統(tǒng)電壓 90，從而對(duì)系統(tǒng)所需的無(wú)功進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。早期有文 獻(xiàn)稱(chēng)之為靜止無(wú)功發(fā)生器(Static Var Generator, SVG)。利用電力電子變流器進(jìn)行 無(wú)功補(bǔ)償?shù)目赡苄噪m然早在 20 年前就已經(jīng)為人們所認(rèn)識(shí)，但限于當(dāng)時(shí)電力電子 器件的耐壓和功率水平，無(wú)法制造出輸電系統(tǒng)中具有實(shí)用價(jià)值的裝置。直到近年 來(lái)，尤其是高

2、壓大功率的門(mén)極可關(guān)斷晶閘管GTO 的出現(xiàn)，才極大的推動(dòng)了STATCOM 的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。STATCOM 是并聯(lián)型 FACTS 設(shè)備，它同基于可控 電抗器和投切電容器的傳統(tǒng)靜止無(wú)功補(bǔ)償器SVC 相比，性能上具有極大的優(yōu)越性，越來(lái)越得到廣泛的重視，必將取代SVC 成為新一代的無(wú)功電壓控制設(shè)備。目前，世界上已有多臺(tái)投入運(yùn)行的大容量STATCOM 裝置，如表 1-1 所示。由此可見(jiàn)，目前為止國(guó)際上只有美、日、德、中、英等少數(shù)幾個(gè)國(guó)家掌握了 STATCOM的應(yīng)用開(kāi)發(fā)技術(shù)。2006 年 2 月 28 日，由上海電力公司、清華大學(xué)、許繼集團(tuán) 公司等單位共同研制的土 50Mvar STATCOM 在上海黃渡分區(qū)

3、西郊變電站并網(wǎng)試 運(yùn)行。表 1-1 國(guó)內(nèi)外已在輸電系統(tǒng)投運(yùn)的 STATCOM 裝置(UPFC 并聯(lián)部分為 STATCOM)研制看投運(yùn)地點(diǎn)SS(MVA)投運(yùn)時(shí)間三菱電機(jī)、關(guān)西電力H本2019X0年?yáng)|芝、口立L1本+ 50X21993年西屋、EPR出納西電力美國(guó)1001994年西門(mén)子德國(guó)士81997年(UPFC)西屋、EPRI.美國(guó)電力羌國(guó)1601997年濟(jì)華大學(xué)河南省電力公司中國(guó)+ 201999年ALSTOM.英國(guó)751999年二菱r美國(guó)133/412001年三菱美國(guó)+ 1002002年上海電力公司、清華大學(xué)、許繼集憂卜海+ 502006年表 1-1 中除最后一項(xiàng)外，全部采用了變壓器多重化的主電

4、路方案，主電路 拓?fù)錇閳D 1-1。變壓器多重化方式可成倍增加裝置容量并降低輸出諧波。然而， 多重化變壓器的引入帶來(lái)了很多問(wèn)題：首先，它的價(jià)格非常昂貴，約為成本的 1/31/4;其次，它使裝置增加了 50%左右的損耗和 40%左右的占地面積；第 三，變壓器的鐵磁非線性特性給控制器設(shè)計(jì)帶來(lái)了很大的困難，同時(shí)也是引發(fā)裝置故障的重要原因。 如果能研究一種新的電路拓?fù)淇朔啥嘀鼗儔浩鲙?lái)的諸多不便，那么將引起大容量 STATCOM 技術(shù)的一次大的飛躍。多電平變換器 技術(shù)的引入正是這個(gè)關(guān)鍵技術(shù)的不二選擇2圖 1-1.帶多重化變壓器的 STATCOM 拓?fù)銼TATCOM 是第二代 FACTS 技術(shù)的代表，

5、它的出現(xiàn)是電力系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償 技術(shù)的又一次革命。其具備了在容性和感性范圍內(nèi)雙向連續(xù)調(diào)節(jié)補(bǔ)償電流的能 力,適應(yīng)了電力系統(tǒng)對(duì)各種運(yùn)行工況的需求，同時(shí)還具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快、 補(bǔ)償電流諧波含量?。ㄏ啾?SVC）的特點(diǎn)，徹底解決了以往的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備所存在的 缺陷。與采用第一代 FACTS 技術(shù)的 SVC 相比，STATCOM 具有以下優(yōu)勢(shì)：1、 STATCOM 的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程更快，在目前的工程應(yīng)用中， STATCOM 的響應(yīng)時(shí)間可以做到 20ms 以下，而 SVC 則通常需要 40ms 以上。2、STATCOM 的輸出特性不受系統(tǒng)電壓影響，當(dāng)電壓下降時(shí)裝置輸出的無(wú) 功保持不變；而 SVC 裝置補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功與

6、電壓的平方成正比， 當(dāng)無(wú)功不足導(dǎo)致系 統(tǒng)電壓下降時(shí)，其所能提供的最大補(bǔ)償容量也隨之下降。3、STATCOM 的直流側(cè)儲(chǔ)能元件只對(duì)電壓或電流起到支撐作用，因此所需要的電容或電抗值遠(yuǎn)小于補(bǔ)償容量， 大大減小了裝置體積；而 SVC 的最大補(bǔ)償 容量受到器件阻抗特性的限制，因此需要配備較大的電容和電抗器， 導(dǎo)致裝置的 體積與占地面積較大。4、STATCOM 輸出的電壓或電流幾乎為正弦波形，因此產(chǎn)生的諧波污染較 小;SVC 通過(guò)控制電抗導(dǎo)通角的方式進(jìn)行調(diào)節(jié)，流過(guò)電抗器的電流為非正弦，將產(chǎn)生大量的諧波注入電網(wǎng)，造成嚴(yán)重的諧波污染，在某些情況下需要與無(wú)源或 有源的濾波裝置配合使用。ABCITO22 5?.j

7、h7.5?12-puseco ter 112-pulseconr+er?12-pulseconverts 312-pulwconverter435、STATCOM 相當(dāng)于一個(gè)可控電源，因此不改變系統(tǒng)阻抗，不會(huì)與系統(tǒng)發(fā)4生諧振；SVC 裝置是電抗或電容型的，接入電力系統(tǒng)容易與系統(tǒng)阻抗產(chǎn)生諧振。雖然目前電力系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備還是SVC，但是電力電子技術(shù)以及電力系統(tǒng)研究專(zhuān)家普遍認(rèn)為，STATCOM 所具有的以上優(yōu)勢(shì)使其成為傳統(tǒng) 無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的理想替代者，全面滿足了電力系統(tǒng)對(duì)無(wú)功補(bǔ)償?shù)母黜?xiàng)要求，使 21 世紀(jì)的電力系統(tǒng)運(yùn)行品質(zhì)更為卓越。2、STATCOM 的工作原理從理論上分析，STAT

8、COM 的直流側(cè)可以采用電容或者電感兩種形式。其基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分為電壓源型和電流源型，分別如圖2-1、2-2 所示：實(shí)際上，目前 STATCOM 裝置中研究最深入、應(yīng)用最廣泛是電壓源型逆變器結(jié) 構(gòu)，因此,+-CSbUU1 X5原因如下：1、電流源型逆變器的工作原理，需要采用具有對(duì)稱(chēng)特性的大功率開(kāi)關(guān)器件,6即雙向電壓阻斷能力。而目前常用的可關(guān)斷器件存在反向阻斷能力差、導(dǎo)通損耗過(guò)大的問(wèn)題；相比之下，電壓源型逆變器則不會(huì)受到該限制。2、電流源型逆變器直流側(cè)儲(chǔ)能電感不具備防止器件過(guò)電壓的能力，因此需要安裝額外的保護(hù)電路或者增大取值裕量；相比之下，電壓源型逆變器的直流電容本身具備防止功率器件過(guò)電壓的能力。

9、3、電流源型逆變器的直流側(cè)儲(chǔ)能電抗在工作中會(huì)產(chǎn)生比較大的損耗，給裝置設(shè)計(jì)帶來(lái)困難；而電壓源型逆變器的儲(chǔ)能電容損耗要小的多。電壓源型逆變器具有的以上優(yōu)勢(shì)使其成為目前條件下更合理的選擇，因此本文主要研究基于電壓源型逆變電路的 STATCOM。電壓源型 STATCOM 的工作原理，是通過(guò)可控的 大功率電力電子開(kāi)關(guān)器件將直流側(cè)電壓進(jìn)行逆變， 從而在逆變器交流側(cè)輸出一個(gè) 與電網(wǎng)同頻的正弦電壓。此時(shí) STATCOM 可以視為一個(gè)與電網(wǎng)同步的并且靈活 控制的交流電壓源，其接入系統(tǒng)時(shí)的等效電路如圖2-3：Load圖 2-3 電壓源型 STATCOM 接入系統(tǒng)的等效圖圖中US 為 STATCOM 公共接入點(diǎn)(P

10、oi nt of Com mon Coupli ng, PCC)處系統(tǒng)電壓，u為 STATCOM 交流側(cè)逆變輸出電壓，L 為連接電抗器，于是STATCOM 裝置輸出的電流為：； 叭- S-進(jìn)而得到 STATCOM 輸出的單相視在功率為：在理論上，STATCOM 只對(duì)無(wú)功進(jìn)行補(bǔ)償，因此與電網(wǎng)之間不存在有功的往返。 然而實(shí)際上由于開(kāi)關(guān)損耗以及電容和電抗上等效電阻的存在，STATCOM 裝置還STATCOM7是需要從電網(wǎng)吸收很小的有功電流以維持直流側(cè)電壓平衡。由于這部分有功相比無(wú)功非常微小，因此在進(jìn)行理論分析的時(shí)候一般忽略不計(jì)。最后近似認(rèn)為8STATCOM 輸出的電壓u|與電網(wǎng)電壓US 相位相同，從

11、而得到裝置輸出的單 相無(wú)功功率為：Q - Im(S)= Im Us _S L 5I )由以上分析可得，在正常工作時(shí) STATCOM 具有無(wú)功雙向調(diào)節(jié)能力：即容性工 況和感性工況，分別如下圖所示：圖 2-4 容性工況圖 2-5感性工況(1)當(dāng)Ui Us，即 STATCOM 裝置交流側(cè)逆變電壓幅值大于系統(tǒng)電壓幅值，此時(shí)流過(guò)電抗器的補(bǔ)償電流超前系統(tǒng)電壓90, STATCOM 裝置向系統(tǒng)輸出正的無(wú)功功率(Q0),處于容性工況。當(dāng)UVUS，即 STATCOM 裝置交流側(cè)逆變電壓幅值小于系統(tǒng)電壓幅值，此時(shí)電抗器上的補(bǔ)償電流滯后系統(tǒng)電壓90，STATCOM 裝置向系統(tǒng)輸出負(fù)的無(wú)功功率(QV0)，處于感性工況

12、。綜上所述，STATCOM 的工作原理與以 往的無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)存在本質(zhì)區(qū)別。通過(guò)對(duì)逆變器交流側(cè)電壓的幅值和相位進(jìn)行調(diào) 控，或者直接對(duì)其補(bǔ)償電流進(jìn)行跟蹤控制， 就能夠在容性到感性范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié) 無(wú)功補(bǔ)償電流，并且做到精確的穩(wěn)態(tài)跟蹤準(zhǔn)以及快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。3、STATCOM 注入電流的運(yùn)行范圍* *如圖 3.1 所示，系統(tǒng)發(fā)送端電壓為US，系統(tǒng)接收端電壓為UR，STATCOM容性無(wú)功 f;小“NUc二_o1- 121丿天f* Ufic Us感性無(wú)功KV y1 / rUs(3-5)9輸入端電網(wǎng)電壓為，STATCOM 的并聯(lián)變換器交流側(cè)輸出電壓為Ush，電網(wǎng)注入到 STATCOM 中的電流為ish,Zs為

13、系統(tǒng)發(fā)送端到 STATCOM 輸入端的 線路阻抗，ZR為 STATCOM 輸入端到系統(tǒng)接收端的線路阻抗。圖 3.1 STATCOM 系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)圖為了便于分析，假定系統(tǒng)參數(shù)如下：= U it= U(3-1)(3-2)=C/,Z0(參考電壓)(3-3)Us = U上 、(3-4)Zx= kz , ZK=(-k)Z(3-14)10其中 k 是阻抗系數(shù)，0wk 1； Z = R + jxL為線路總的阻抗;也=1囂-P =咕cosp一jlsfisin(P將電壓ish 轉(zhuǎn)化到旋轉(zhuǎn) d、q 坐標(biāo)系下，并將 d 軸定位在U1方向上，則通過(guò)（3-7）所示的旋轉(zhuǎn) 3/2 變換矩陣T3S,R可得ish在 d、q

14、坐標(biāo)系下表達(dá)式:(3-7)(3-8)UUs-ZJsUi=UR+ZRh(3-11)根據(jù)式（3-8）（ 3-11）可知:”一 U.-Uv UR-Ux咖 帥ZwZ,(1 -k)Z kZ(-R + jX)- /:t/cos(-)4- / sin(ap- )-(l-i)L/(coszr+ ysintr)(3-12)(3-6)2JF-sintot-I 3f2/rcosM + I 3 ,.(2打-sin Mt + 分析裝有 STATCOM的系統(tǒng)電壓、電流平衡分析:(3-9)(3-10)11心耐皿耐丿為圓心Ufl I 2cosJp|Z|A2(l-k)2k(-k)以半徑的圓，如圖 3.2 所示。這里=，變量R、

15、X、是給定的系統(tǒng)參數(shù)。變量 k 的大小取決于 STATCOM 的安裝位置，變量|J1是由系統(tǒng)需求決定的，它們的大小決定了仃H 需求 I實(shí)障運(yùn)圖 3.2 STATCOM 注入到電網(wǎng)中的電流運(yùn)行范圍首先由式(3-12)得到STATCOM注入到電網(wǎng)中的電流運(yùn)行范圍的第一個(gè)約束 條件：加+斤(1#)憶11 2cos(+- +-Z2F(1-t)2k(l-k)(3-13)由上式可見(jiàn) STATCOM 注入到電網(wǎng)中的電流在d、q 軸電流平面上是以(3-14)12系統(tǒng)所需要的 STATCOM 注入到電網(wǎng)中的電流運(yùn)行范圍。其次考慮 器一側(cè)的系統(tǒng)參數(shù)可以得到：STATCOM 并聯(lián)變換13其中Ushd和Ushq是并聯(lián)

16、變換器交流側(cè)輸出電壓Ush在 d、q 坐標(biāo)系下的分量，X =3,3代表電網(wǎng)角頻率。由式（2-14）可以得到 STATCOM 注入到電網(wǎng)中的電流運(yùn)行范sh圍的第二個(gè)約束條件：(3-15)最后考慮 STATCOM 補(bǔ)償?shù)淖畲笠曉诠β?；廠y可以得到 STATCOM 注入STATCOM 注入到電網(wǎng)中的最大允許電流。如圖 2.3 所示，綜合式（3-13）、（3-15）、（3-16）所確定的圓的交叉部分限制了實(shí)際的運(yùn)行系統(tǒng)中STATCOM 注入到電網(wǎng)中的電流運(yùn)行范圍，在設(shè)計(jì) STATCOM 注入電網(wǎng)中的電流時(shí)，必須考慮這一點(diǎn)。此外，實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，運(yùn)行點(diǎn)主要是由 STATCOM 系統(tǒng)的有功需求決定的，即

17、：- 。如圖 2.3 所示，針對(duì)不同模式的 STATCOM 其運(yùn)行范圍也有所不同，對(duì)于直流側(cè)無(wú)外部?jī)?chǔ)能裝置（只有電 容）的STATCOM 而言，它只能與電網(wǎng)進(jìn)行無(wú)功功率的交換，也就是可以說(shuō)無(wú)功功率可以 雙向流動(dòng)，但是由于其自身沒(méi)有外部能量供應(yīng)裝置，STATCOM 工作所需要的有功功率全部來(lái)自電網(wǎng)，通過(guò)其自身的控制來(lái)從系統(tǒng)中吸收有功功率保證其正常工作，因此，有功功率是單向流動(dòng)的，當(dāng) STATCOM 進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償?shù)臅r(shí)候i顯都為正值，也就是說(shuō)它必須從系統(tǒng)shd中吸收有功功率來(lái)補(bǔ)償系統(tǒng)的損耗，維持直流母線電壓恒定，保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。此時(shí)STATCOM 注入電網(wǎng)的電流實(shí)際運(yùn)行范圍在圓的交叉部分的右半平面

18、（斜線的陰影部分）。而對(duì)于有外部?jī)?chǔ)能裝置的STATCOM，其有功功率可以雙向流動(dòng)，因此STATCOM 注入電網(wǎng)的電流實(shí)際運(yùn)行范圍在圓的交叉部分的整個(gè)平面中（斜線的陰影部分和交叉線的陰影部 分）。實(shí)際情況中，STATCOM 的容量，也就是它與電網(wǎng)交換的有功和無(wú)功的數(shù)量，與 直流母線電容、開(kāi)關(guān)器件、并聯(lián)變壓器的容量有關(guān)。STATCOM 注入功率的運(yùn)行范圍由圖 3.1 所示，忽略了并聯(lián)變換器的等效電阻，則電網(wǎng)通過(guò)并聯(lián)變壓器TShunt注 入到 STATCOM 的有功和無(wú)功功率為：到電網(wǎng)中的電流運(yùn)行范圍的第三個(gè)約束條件:，其中Ishmax為(3-14)14(3-17)將（3-1）、（3-2）、（3-1

19、4）代入式（3-17）可得:(* * LhS(3-20)15圖 3.3 電網(wǎng)注入到 STATCOM 中的功率運(yùn)行范圍另外，實(shí)際運(yùn)行中，STATCOM 的并聯(lián)變換器輸出的電流是有限制的，一般情況下，允許其輸出的最大感性無(wú)功電流和容性無(wú)功電流是相等的，根據(jù)U和ish之間的關(guān)系可以得到電網(wǎng)注入到 STATCOM 的有功和無(wú)功功率的另一種表達(dá)方 式：其中？如圖 3.1 所示，代表矢量和ish之間的夾角。由式（3-20）得到電 網(wǎng)注入到STATCOM 中的功率運(yùn)行范圍的第二個(gè)約束條件：兀+氐如圖 3.3 所示，綜合式（3-19）和（3-21 ）所確定的圓的交叉部分限制了實(shí)際的 運(yùn)行cos/9-(3-18

20、)其中9如圖 3.1 所示，代表矢量Ush 和矢量之間的夾角。由式（3-18）得到電網(wǎng)注入到 STATCOM 中的功率運(yùn)行范圍的第一個(gè)約束條件:(3-19)將式（3-19）所示的關(guān)系作于功率平面上可得圖STATCOM 中的功率運(yùn)行范圍在功率平面上是以半徑的圓，如圖 3.3 所示。2.4。 可見(jiàn)電網(wǎng)注入到為圓心,16系統(tǒng)中電網(wǎng)注入到 STATCOM 中的功率運(yùn)行范圍。 此外， 實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，STATCOM的運(yùn)行點(diǎn)主要是由 STATCOM 系統(tǒng)的有功需求決定的。對(duì)于無(wú)外部 儲(chǔ)能裝置的STATCOM 而言，它與電網(wǎng)進(jìn)行無(wú)功功率的交換是雙向流動(dòng)，但是 由于其自身沒(méi)有外部能量供應(yīng)裝置，它必須從電網(wǎng)中吸

21、收有功功率來(lái)補(bǔ)償 STATCOM 系統(tǒng)的損耗，保證STATCOM 系統(tǒng)正常工作，因此，有功功率為正 值是單向流動(dòng)的。此時(shí)電網(wǎng)注入到STATCOM 的功率實(shí)際運(yùn)行范圍都在圓的右 半平面（斜線的陰影部分）。而對(duì)于有外部?jī)?chǔ)能裝置的 STATCOM，其有功功率 可以雙向流動(dòng)，因此電網(wǎng)注入到 STATCOM的功率實(shí)際運(yùn)行范圍落在圓的交叉 部分的整個(gè)平面中（斜線的陰影部分和交叉線的陰影部分）。STATCOM 調(diào)節(jié)線路傳輸功率能力圖 3.4 STATCOM 的無(wú)功補(bǔ)償矢量圖在 STATCOM 并聯(lián)變換器的直流側(cè)沒(méi)有外部?jī)?chǔ)能裝置的情況下，STATCOM 不能夠產(chǎn)生有功功率， 但是它可以通過(guò)調(diào)節(jié)其輸入端電網(wǎng)電壓

22、來(lái)間接提高線路傳輸 功率。本節(jié)將詳細(xì)討論 STATCOM 通過(guò)控制其輸入端電網(wǎng)電壓來(lái)調(diào)節(jié)線路傳輸功率的能力，在如圖 3.1 所示的系統(tǒng)中，選擇 STATCOM 輸入端電網(wǎng)電壓U作為參考向量，忽略了 STATCOM 系統(tǒng)的損耗和傳輸線路上的等效電阻 R，則 電網(wǎng)注入 STATCOM 到中的電流為：二力：上一一，此時(shí)若況 三=乂護(hù)則ish滯后電壓U為 90，即電網(wǎng)向 STATCOM 注入感性的無(wú)功功率，如圖173.4(a)所示；同理，若 一： 門(mén)：則ish超前電壓為 90。，即電網(wǎng)向STATCOM 注入容性的無(wú)功功率，如圖 3.4(b),可以得到系統(tǒng)接收端的有功功率 為：卅(3-21)一般情況下我

23、們關(guān)心的是利用 STATCOM 來(lái)提高線路傳輸功率，因此這里只分 析電網(wǎng)向 STATCOM 注入容性的無(wú)功功率的情況，電網(wǎng)向STATCOM 注入感性的無(wú)功功率的情況與其類(lèi)似。由式(3-9)(3-11)可以得到：(血 += X Us + xs6 + JXkXs=/ X農(nóng)農(nóng)cos ar+ X cos u尸一占)十丿sinar+ sin ar6 ) + XISii為了分析方便，定義Xs= kXL，XR= (1- k)XL(其中 k 是阻抗系數(shù)，owkw1)，XL為傳輸線路總的電抗，Xs為系統(tǒng)發(fā)送端到 STATCOM 輸入端的線路電抗，XR為 STATCOM 輸入端到系統(tǒng)接收端的線路電抗，代入式(3-

24、23)可 以得到：q = (/ (1 _ k )cosar+ A cos (勺 - /) + R (1 - A) %厶 0= (1 店 | sindfr+ Asin IaP-S由上式可得：_i fksin = tan - -、(I + 丿將式(3-24)代入(3-22)可以得到：PRP=sin +kUISbsin(J-)=Pimsin)2時(shí)，系統(tǒng)接收端的有功功率可以達(dá)到最大，式（3-24）變?yōu)?將上式代入式（3-26）可得系統(tǒng)接收端的最大有功功率為: = sin+7LZ*slil7即由于 STATCOM 而改變的最大傳輸功率為：糾皿=扣丿護(hù)in斗此時(shí)電網(wǎng)注入到 STATCOM 中的容性無(wú)功功率

25、為：Qsh = Ug = V+ 令兒由式（3-31 ）和（3-32）可知：(3-26)(3-27)-1 r cos3 + 2cus + (cosrf)-2(-1 + cosiS)考慮實(shí)際情況只有 k = 1/2 符合要求，即當(dāng)（3-28）STATCOM 安裝在傳輸線路的中間(3-29)(3-30)(3-31)(3-32)19Q xg丘尸2Usin-2(3-33)STATCOM 正常工作的時(shí)候，其輸入端電網(wǎng)電壓的幅值U1必須為正，由式(2-30)exU二UCQS- +亠1酗可知在電網(wǎng)向 STATCOM 注入容性無(wú)功功率時(shí)-:，因此S (0,n)時(shí)，U1一定為正；同理分析電網(wǎng)向 STATCOM 注

26、入感性無(wú)功功率的=Ucos - .情況可得-， 若要使UH為正，系統(tǒng)必須滿足以下條件：(3-34)由式(3-34)可知此時(shí)為了保證系統(tǒng)能正常工作，必須嚴(yán)格控制|Sh的范圍，這一點(diǎn)在實(shí)際系統(tǒng)應(yīng)用中是非常重要的。 為了更形象地說(shuō)明 STATCOM 對(duì)系統(tǒng)的功率控 制能力，特在一定的電網(wǎng)參數(shù)下繪制 STATCOM 的功率特性，首先假定電網(wǎng)參數(shù)如下：S=n/6,US的幅值US=jPU，UR的幅值UR=jOPU，XL=1.0pu ,ish的幅值|sh=.5,相位/ish=9，當(dāng)阻抗系數(shù) k 從 0 變化到 1.0時(shí)，可以得到 STATCOM 補(bǔ)償無(wú)功功率和系統(tǒng)接收端的有功功率變化范圍，如 圖 3.5所示

27、。20圖 3.5 STATCOM 的安裝位置對(duì)其補(bǔ)償無(wú)功功率及系統(tǒng)接收端有功功率的影響何安裝位置變化時(shí)電網(wǎng)注.人SIATCOM的功功亂蛍化.iib汕I21可見(jiàn)在電網(wǎng)向 STATCOM 注入的無(wú)功電流一定的情況下，將STATCOM 安裝在線路的中間可以取得最好的補(bǔ)償效果，這和上面的分析是一致的。4、STATCOM 的控制方法STATCOM 作為一種快速可控的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，當(dāng)補(bǔ)償目標(biāo)以及拓?fù)浣Y(jié) 構(gòu)明確以后，控制方法將對(duì)裝置整體補(bǔ)償效果產(chǎn)生重要的影響。因此，為了提高STATCOM 的性能，針對(duì)控制方法的研究得到了越來(lái)越多的關(guān)注。 按不同的功能 和要求，ST AT C O M 的控制從控制策略上講

28、，有 3 種基本結(jié)構(gòu)：開(kāi)環(huán)控制、 閉環(huán)控制或者兩者結(jié)合的復(fù)合控制。根據(jù)控制物理量，由無(wú)功電流參考值調(diào)節(jié) ST AT C O M產(chǎn)生所需無(wú)功電流的具體控制方法，可以分為直接電流控制和間 接電流控制兩大類(lèi)。按照控制技術(shù)來(lái)分,主要包括 PI D 控制，PI D + PS S 控 制，逆系統(tǒng) PI 控制，微分幾何控制，非線性魯棒控制，模糊控制，遞歸神經(jīng) 網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制等等。以下將介紹幾種主要的控制方式。4.1 電流間接控制：STATCOM 的電流間接控制方法，就是通過(guò)調(diào)節(jié)逆變器輸出交流電壓的幅值 與相位，從而實(shí)現(xiàn)間接控制 STATCOM 的交流輸出側(cè)電流目前主要有兩種實(shí)現(xiàn) 的手段：一種方法是S角控制，

29、實(shí)際上是調(diào)節(jié) STATCOM 裝置交流側(cè)逆變電壓 與電網(wǎng)電壓之間的相位差。這種控制方法的主要優(yōu)點(diǎn)是角度控制實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較容 易，但是由于STATCOM 調(diào)節(jié)逆變器輸出交流電壓的同時(shí)直流電容電壓也在變 化，所以導(dǎo)致整體調(diào)節(jié)過(guò)程緩慢；另一種控制方法是同時(shí)控制S角和B角，不僅 依靠S角調(diào)節(jié)相位而且還增加了開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通9角控制，因此能夠同時(shí)調(diào)節(jié)STATCOM 逆變電壓的幅值和相位。該控制方法相比單S角控制的優(yōu)點(diǎn)是直流側(cè) 電容電壓更加平穩(wěn)，提高了裝置運(yùn)行的穩(wěn)定性。其缺點(diǎn)是S角和9角的聯(lián)合調(diào)節(jié) 要求電路參數(shù)測(cè)量準(zhǔn)確，但是電力系統(tǒng)中參數(shù)在運(yùn)行中又會(huì)發(fā)生變化，因此導(dǎo)致 角度之間的配合關(guān)系也需要相應(yīng)地變化。Q(

30、a)S角控制(b)S角和9角配合控制22以上提到的電流間接控制方法都具有開(kāi)關(guān)頻率低、控制方法簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，一般應(yīng)用在電力系統(tǒng)輸配電等大容量場(chǎng)合。主要原因是目前應(yīng)用于大容量型 STATCOM的功率開(kāi)關(guān)器件工作頻率依然受限，尚無(wú)法采用高頻的電流跟蹤控制 技術(shù)。如日本東京電力 250MVar、美國(guó)田納西電力 lOOMVar、清華大學(xué) 50MVar 的 STATCOM 都采用了間接控制方式。除此之外，由于大容量STATCOM 的開(kāi)關(guān)頻率低，一般為工頻的兩倍，為了減少諧波只能采用多重化的方法。因此間接控制方法常常需要與多電平、多重化技術(shù)相結(jié)合以抑制并網(wǎng)電流諧波。對(duì)以上內(nèi)容進(jìn)行總結(jié)，可以得到電流間接控制方法

31、的主要缺點(diǎn)： 由于間接控制方法是通過(guò)控制相位角或者導(dǎo)通角來(lái)調(diào)節(jié)逆變器的輸出電壓，因此23無(wú)法直接對(duì)補(bǔ)償電流進(jìn)行跟蹤控制。而且在調(diào)節(jié)過(guò)程中還涉及到電容電壓充放電 的暫態(tài)過(guò)程，不可避免地會(huì)帶來(lái)電流控制精度較低并且裝置動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度較慢的 缺點(diǎn)；當(dāng)電網(wǎng)電壓或補(bǔ)償電流中存在負(fù)序不對(duì)稱(chēng)分量時(shí)，這些負(fù)序不對(duì)稱(chēng)分量又會(huì)引起 STATCOM 直流側(cè)電壓的兩倍頻波動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)控制系統(tǒng)不穩(wěn)定；間接控制方法對(duì)主電路參數(shù)的依賴(lài)大，然而這些參數(shù)測(cè)量困難并且電力系統(tǒng)參數(shù) 又存在著不確定性，最終導(dǎo)致控制器實(shí)現(xiàn)困難，目前世界上只有少數(shù)國(guó)家掌握此 技術(shù)。4.2 電流直接控制：STATCOM 的電流直接控制方法， 首先根據(jù)適當(dāng)

32、的參考電流檢測(cè)方法計(jì)算出 補(bǔ)償電流指令，然后采用高頻 PWM 跟蹤技術(shù)對(duì)補(bǔ)償電流的瞬時(shí)值直接進(jìn)行反 饋控制。目前在工程上一般采用比例積分(Proportion Integration, PI)控制器對(duì)電流 做瞬時(shí)跟蹤控制，并采用正弦脈寬調(diào)制(Sinusoial Pulse Width Modulation,SPWM)、空間矢量脈寬調(diào)制(Space Vector Pulse Width Modulation, SPWM)等算法 生成驅(qū)動(dòng)脈沖。采用電流直接控制方法以后，STATCOM 具備了對(duì)更復(fù)雜的指令 電流跟蹤控制的能力，可以有效地濾除電網(wǎng)中的基波正序無(wú)功以及其他的包括負(fù) 序、零序、諧波在內(nèi)的

33、全部有害電流，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償無(wú)功、消除三相不平衡、治 理諧波的電能質(zhì)量綜合補(bǔ)償目標(biāo)。最終補(bǔ)償?shù)男Ч饕Q于裝置電流檢測(cè)方法 的精度以及瞬時(shí)電流跟蹤環(huán)節(jié)的誤差大小。%圖 4.1 abc 坐標(biāo)下的電流直接控制24圖 4.2 d-q 坐標(biāo)下的電流直接控制電流直接控制的 STATCOM 可以有兩種控制結(jié)構(gòu)。 第一種控制結(jié)構(gòu)如圖 4.1 所示采用了 abc 靜止坐標(biāo)系下的瞬時(shí)電流跟蹤方法?？刂葡到y(tǒng)完成兩個(gè)功能： 其中電壓外環(huán)經(jīng)過(guò) PI 控制器生成有功電流指令|dref，控制流入 STATCOM 的 有功電流以維持直流側(cè)電壓穩(wěn)定；同時(shí)指令電流檢測(cè)方法計(jì)算得到無(wú)功電流指令|qref，對(duì)系統(tǒng)的無(wú)功進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償

34、。 有功和無(wú)功指令電流經(jīng)過(guò)反變換得到三相瞬 時(shí)電流指令jaref、jbref、jcref，然后 PI 控制器對(duì)三相瞬時(shí)指令信號(hào)進(jìn)行電流跟 蹤,跟蹤以后得到調(diào)制信號(hào)再經(jīng)過(guò)PWM 比較環(huán)節(jié)生成驅(qū)動(dòng)逆變器的開(kāi)關(guān)信號(hào)。 第二種控制結(jié)構(gòu)如圖 4.2 所示，采用了dq 同步坐標(biāo)系下的瞬時(shí)電流跟蹤方法。 該方法將 STATCOM 輸出的三相電流經(jīng)同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換后解耦為電流有功分 量jd以及電流無(wú)功分量jq。然后同樣由電壓外環(huán)得到有功電流指令|dref，同時(shí) 指令電流檢測(cè)方法計(jì)算得到無(wú)功電流指令|qref。接著在 dq 旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下直接 用 PI 控制器對(duì)給定的有功和無(wú)功指令電流進(jìn)行跟蹤，再使用dqO ab

35、c 反變換得到調(diào)制波，最后經(jīng)過(guò) PWM 環(huán)節(jié)比較得到逆變器的開(kāi)關(guān)信號(hào)。以上兩種控制 系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)的功能是相同的，但是具體的差異體現(xiàn)在電流跟蹤調(diào)節(jié)指令參考信號(hào) 的形式以及PI 控制器的位置和數(shù)量：第一種控制系統(tǒng)電流內(nèi)環(huán)有三個(gè) PI 控制 器，被跟蹤的對(duì)象為正弦交流信號(hào)；第二種控制系統(tǒng)只有兩個(gè)PI 調(diào)節(jié)器，被跟蹤的對(duì)象為直流信號(hào)。相比之下，由于交流信號(hào)的變化率較大，而PI 控制器只能對(duì)直流信號(hào)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差的跟蹤，因此第一種控制系統(tǒng)進(jìn)行PI 調(diào)節(jié)時(shí)會(huì)有靜態(tài)誤差存在，而減小跟蹤誤差的有效手段，就是進(jìn)一步提高PWM 的開(kāi)關(guān)頻率。電流直接控制方法能夠顯著提高STATCOM 的穩(wěn)態(tài)控制精度以及動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，

36、此時(shí) STATCOM 所體現(xiàn)出的外部特性更接近于被控電流源。由于采用了 高頻的 PWM 技術(shù)，因此要求主電路電力半導(dǎo)體器件具有較高的開(kāi)關(guān)頻率，導(dǎo) 致裝置的開(kāi)關(guān)損耗較大。 受到目前電力電子技術(shù)水平的限制， 只能適用于中小容 量的 STATCOM，起到改善配電網(wǎng)的電能質(zhì)量的作用。 今后隨著電力電子器件的 耐壓等級(jí)、額定電流、開(kāi)關(guān)頻率等各項(xiàng)性能的繼續(xù)提高，PWM 控制技術(shù)的日趨成熟，無(wú)功與諧波電流檢測(cè)方法的不斷完善， 微機(jī)控制技術(shù)與數(shù)字信號(hào)處理技術(shù) 的不斷進(jìn)步，采用電流直接控制的 STATCOM 將逐漸成為研究的熱點(diǎn)以及發(fā)展 趨勢(shì)。4.3 線性 PID 控制：abc調(diào)制信號(hào)驅(qū)動(dòng)*pradqOSTATCOM25自 20 世紀(jì) 80 年代初第一臺(tái)實(shí)驗(yàn)性 STATCOM 投入電網(wǎng)運(yùn)行以來(lái)，所有 已公開(kāi)的實(shí)用裝置的控制器設(shè)計(jì)都是采用經(jīng)典控制理論 PID 或者引入線路功 率的 PSS 輔助方式來(lái)完成，或者進(jìn)行局部改進(jìn)的 PI 控制。同時(shí)有關(guān)理論也指 出，這種控制方法在一定范圍之內(nèi)通過(guò)向系統(tǒng)提供有效的電壓支撐， 可以維持接 入點(diǎn)的電壓基本不變。但是，這些基于線性化的控制手段限制了該裝置的應(yīng)用范 圍，在大的干擾下，這種控制方式難以滿足提高系統(tǒng)電壓穩(wěn)定的要求。4.