楊升振

(工業(yè)和信息化部電子第5研究所質(zhì)量安全檢測中心，廣東廣州 510610)

隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，對電能的需求不斷增大。與此同時，生產(chǎn)的智能化與自動化對電能質(zhì)量的要求也越來越高。而電網(wǎng)運行電壓是電能質(zhì)量的重要指標，雖有較多專門的設備用于電壓調(diào)節(jié)，但運行電壓的水平最終取決于無功功率的平衡。當系統(tǒng)中無功功率電源的無功出力不能滿足系統(tǒng)負荷和網(wǎng)絡損耗在額定電壓下對無功功率的需求時，就會導致運行電壓偏離額定電壓［1］。所以在電網(wǎng)適當?shù)攸c合理添加無功功率補償設備，可減少輸電線路和變壓器中輸送的無功功率，從而降低了輸電線路和變壓器的損耗，達到調(diào)壓的目的，這是穩(wěn)定電網(wǎng)電壓的有效方法之一［2］。

無功功率補償設備從開始運用發(fā)展至今，經(jīng)歷了電容器、調(diào)相機、飽和電抗器(Saturated Reactor，SR)、靜止無功補償器(Static Var Compensator，SVC)。近年，伴隨著電力電子技術的進一步發(fā)展，出現(xiàn)了一種更為先進的無功功率補償設備，其是以變流器為核心，通過強制換相對電網(wǎng)進行無功功率補償［3］。1995年，在國際高壓大電網(wǎng)會議和電力、電子工程師學會的建議下，統(tǒng)稱該設備為靜止同步補償器(Static Compensator，STATCOM)。STATCOM與其他傳統(tǒng)的無功補償設備如SVC相比具有:響應速度快;不會引起諧振短路;無功功率可在感性和容性之間連續(xù)調(diào)節(jié);利用PWM調(diào)制技術實現(xiàn)精準的電壓調(diào)控;可同時對諧波和無功進行補償。STATCOM以其優(yōu)越性能，成為了柔性交流輸電系統(tǒng)(FACTS)的一個重要組成部分，也是未來無功功率補償設備的發(fā)展方向，必將被廣泛應用［4］。

1 穩(wěn)定運行電壓和無功功率的關系

以下以一個簡單系統(tǒng)來說明運行電壓和無功功率的關系，如圖1所示。圖1(a)為簡單系統(tǒng)網(wǎng)絡;圖1(b)為等值電路，其中，X為各元件總阻抗，E為發(fā)電機電動勢，P+j Q表示送至用戶端的功率;圖1(c)為圖1(b)的向量圖。

根據(jù)向量圖可得

消去 δ，得

由式(3)可知，當P和E為定值時，Q和U的關系如圖2曲線1所示，其與負荷的無功－電壓靜態(tài)特性曲線2相交于無功功率平衡點a，此時負荷點電壓為Ua。當無功負荷增加時，曲線2平行上移至曲線2'，若電動勢E和系統(tǒng)供應的無功功率Q不變，mj此時無功功率平衡點將移動至a'，負荷點電壓Ua'顯然＜Ua?？梢?，無功電源無法滿足在電壓Ua下無功平衡的需求，僅能依靠降低電壓來運行，以獲得低電壓下的無功功率平衡。若此時無功電源有充足的備用容量，向負荷發(fā)送無功功率，使無功電壓靜態(tài)特性曲線上移至曲線1'，從而使曲線1'和2'的交點a″所確定的運行電壓接近或達到Ua。所以，當系統(tǒng)無功電源較為充足時，便可維持較高的運行電壓水平。而在無功電源不足時，需裝設必要的無功補償裝置，補償所需無功，穩(wěn)定運行電壓［5－6］。本文即通過 STATCOM 給系統(tǒng)補償無功功率，從而使運行電壓保持穩(wěn)定。

圖1 簡單系統(tǒng)

圖2 電壓水平和無功功率關系

2 STATCOM的基本結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1 STATCOM的基本結(jié)構(gòu)

STATCOM按電路不同可分為兩種類型:電壓型橋式電路和電流型橋式電路。由于電壓型橋式電路的效率高于電流型橋式電路，所以應用中的STATCOM普遍采用電壓型，仿真模型也采用電壓型。如圖3所示為電壓型橋式電路組成的STATCOM主電路基本結(jié)構(gòu)。其由以下幾部分組成:直流側(cè)電容，其作用是為設備提供電壓支撐;電壓源逆變器(VSC)，由大功率電力電子開關器件(GTO或IGBT)組成，并運用脈寬調(diào)制技術(PWM)控制電力電子開關的通斷，將電容器上的直流電壓逆變成具有一定幅值和頻率的交流電壓;耦合變壓器和電抗器，其不僅起到將大功率變流裝置與電力系統(tǒng)相耦合的作用，還可將逆變器輸出電壓中的高次諧波濾除，使之輸出的電壓波形接近正弦波［7］。

圖3 STATCOM的主電路基本結(jié)構(gòu)

2.2 STATCOM的基本工作原理

根據(jù)圖3可得到STATCOM的等效電路，如圖4所示。STATCOM的四象限運行區(qū)間如圖5所示。由圖4和圖5可知STATCOM裝置，吸收電流

視在功率

有功功率

無功功率

輸出電壓

上述公式中，Ug表示STATCOM交流側(cè)輸出電壓;Us表示系統(tǒng)電壓;δ表示Ug與Us之間的相位差;λ表示PWM的調(diào)制系數(shù)。

圖4 STATCOM的等效電路

圖5 STATCOM的四象限運行區(qū)間

在理想運行情況下，整個裝置不吸收有功功率，這意味著δ=0，可認為變流器與系統(tǒng)之間所交換的能量是純無功功率。當Ug＞Us時，電流I超前系統(tǒng)電壓90°，STATCOM向系統(tǒng)發(fā)出感性無功，此時STATCOM相當于電容;當Ug＜Us時，電流I滯后系統(tǒng)電壓90°，STATCOM向系統(tǒng)發(fā)出容性無功，此時STATCOM相當于電感［8］。通過PWM技術控制電力電子開關，調(diào)節(jié)Ug的大小便可由正到負、連續(xù)快速的調(diào)節(jié)系統(tǒng)吸收的無功功率Q，即而實現(xiàn)無功功率由感性到容性間的連續(xù)調(diào)節(jié)。

在實際運行中，考慮到變流器和連接電抗器本身是損耗元件，需要電網(wǎng)提供必要的有功功率來補充這些損耗，否則需從直流側(cè)電容提供能量來抵消損耗部分，這樣會使直流電壓不斷下降，即相對電網(wǎng)電壓Us，電流I中有一定量的有功成分。根據(jù)式(6)，式(7)和圖5，當δ＞0，有功功率P＞0，即STATCOM 從電網(wǎng)吸收有功功率;當δ＜0，有功功率P＜0，即STATCOM向電網(wǎng)發(fā)出有功功率。在眾多控制策略中均是通過調(diào)節(jié)δ來維持直流電容電壓Uc穩(wěn)定。

總之，通過改變Ug幅值和相位差δ，便可調(diào)節(jié)有功功率和無功功率的大小及流向。

3 STATCOM主電路的控制

從控制策略上講，STATCOM的控制有3種基本結(jié)構(gòu):閉環(huán)控制、開環(huán)控制及兩者的結(jié)合控制;從控制技術上分，主要包括PI控制、逆系統(tǒng)PI控制、PID+PSS控制、模糊控制、非線性魯棒控制和神經(jīng)網(wǎng)絡自適應控制等;由無功電流參考值調(diào)節(jié)STATCOM產(chǎn)生所需的無功電流的控制方法，又可分為電流直接控制和電流間接控制［9］。所謂電流間接控制就是將STATCOM當作交流電壓源來看待，對STATCOM輸出的交流電壓基波的幅值和相位進行控制，來間接控制STATCOM的交流側(cè)電流;電流直接控制則是對輸出的交流基波瞬時值進行反饋控制［10－11］?？傮w而言，控制要解決的問題就是如何產(chǎn)生PWM信號，使得變流器的輸出電壓為相位和幅值均可控的正弦同步電壓。

3.1 PQ控制特性分析

所以，通過控制相對相位δ，即可調(diào)節(jié)有功功率P，進而控制直流電壓Udc;控制調(diào)制系數(shù)λ就可調(diào)節(jié)STATCOM輸出電壓Ug，從而控制無功功率Q。

3.2 STATCOM控制方法

不同的電路結(jié)構(gòu)有不同的控制方法，但最終要達到的目的是通過控制逆變電壓來改變無功功率的輸出。要改變逆變電壓Ug的相位和幅值，可直接調(diào)節(jié)直流側(cè)電壓，也可在直流側(cè)電壓穩(wěn)定的情況下，利用調(diào)節(jié)單脈沖寬度、SPWM/SVPWM、直接電流等方法調(diào)節(jié)。其中，直流側(cè)電壓調(diào)節(jié)方法可分為自勵式和他勵式，所謂他勵式就是外部添加直流電源調(diào)節(jié)，此方式需添加額外的設備，不僅增加了裝置的體積，且成本也會大幅增加;自勵式則是利用變流器本身的整流逆變功能給電容充放電，調(diào)節(jié)直流電容電壓大小，因此在現(xiàn)有的STATCOM產(chǎn)品中基本上均使用自勵式調(diào)節(jié)。由工作原理可知，控制系統(tǒng)電壓和STATCOM輸出電壓之間的相位差δ，利用PLL鎖相同步控制，可達到穩(wěn)定或調(diào)節(jié)直流側(cè)電壓的目的。

由于系統(tǒng)有兩個可控變量，加上STATCOM結(jié)構(gòu)不同，STATCOM有多種控制策略，其主要可分為單變量控制和雙變量控制。單變量控制又可細分為兩種方法:當PWM恒定，即調(diào)制系數(shù)λ為常數(shù)情況下，只需調(diào)節(jié)相位差δ即可調(diào)節(jié)Ug;當直流電壓恒定時，調(diào)節(jié)PWM調(diào)制系數(shù)λ即可調(diào)節(jié)Ug。雙變量控制是指，同時控制相位差δ和PWM調(diào)制系數(shù)λ，控制δ以穩(wěn)定直流電壓，控制PWM調(diào)制系數(shù)λ來調(diào)節(jié)Ug。通過調(diào)節(jié)直流電壓的方法調(diào)節(jié)無功雖簡單，但電容作為儲能元件，要有能量交換才能實現(xiàn)電壓變化，所以動態(tài)響應慢;單調(diào)節(jié)調(diào)制系數(shù)λ適合于外接直流電壓的情況，若采用直流電容，由于電容電壓的衰減無法得到補償，故該策略不適用［12－13］。文中采用基于δ和λ的雙變量控制策略，如圖6所示。

圖6 基于δ和λ的雙變量控制策略系統(tǒng)圖

圖7 仿真系統(tǒng)圖

4 STATCOM仿真與分析

通過對STATCOM工作原理介紹、特性分析、控制策略的了解，在Matlab環(huán)境下搭建了STATCOM仿真模型，如圖7所示。系統(tǒng)電壓等級為35 kV，短路功率100 MW，補償容量±3 MW。系統(tǒng)由可編程電壓源、STATCOM、35 kV/380 V變壓器、固定負載和可變負載組成。系統(tǒng)采用電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)雙閉環(huán)PI控制。

4.1 STATCOM動態(tài)響應性能仿真

在本次仿真試驗中，可變負載保持恒定，觀察系統(tǒng)電壓階段性變化時，STATCOM對應的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)特性?？删幊屉妷涸从糜谡{(diào)節(jié)系統(tǒng)電壓。為使STATCOM終端參考電壓設置在220 V，開始階段系統(tǒng)電壓設置為236.94 V。3 個階段時間點設置在 0.2 s、0.3 s、0.4 s，系統(tǒng)電壓依次增加6%，減少6%，然后恢復到開始時的電壓。電壓變化情況如圖8所示。

開始仿真，觀察示波器輸出的波形，如圖8，圖9所示。在開始階段，STATCOM處于給直流電容充電狀態(tài)，從圖8和圖9(b)t在0～0.05 s可知，STATCOM吸收較大的有功電流，到t=0.1 s時到達穩(wěn)定狀態(tài)，系統(tǒng)運行于額定電壓下。又因STATCOM參考電壓為220 V，所以其在0.1～0.2 s間處于懸置狀態(tài)，流過連接電抗器的電流基本為0，直流電容電壓穩(wěn)定在2.4 kV。而t=0.2時，系統(tǒng)電壓增加6%，STATCOM開始工作于感性狀態(tài)，逆變器產(chǎn)生的交流電壓比電網(wǎng)電壓低，連接電抗器流過的電流Ia相位滯后系統(tǒng)電壓Ua為90°，STATCOM從電網(wǎng)吸收無功功率2.7 MW，系統(tǒng)運行電壓恢復到原來水平，所用時間約為一個周期左右。t=0.3 s時，系統(tǒng)電壓Ua跌落6%，STATCOM從感性切換到容性狀態(tài)，逆變器產(chǎn)生的交流電壓比電網(wǎng)電壓高，Ia相位超前Ua90°，STATCOM 發(fā)出無功功率2.8 MW使系統(tǒng)運行電壓恢復到參考值220 V。當t=0.4時，系統(tǒng)電壓恢復到正常狀態(tài)，STATCOM輸出無功功率減少為0。

圖8 系統(tǒng)A相電壓與STATCOM A相電流波形

圖9 STATCOM動靜態(tài)特性仿真結(jié)果

觀察圖9(d)可見，當STATCOM從感性切換到容性過程中，PWM變換器調(diào)制系數(shù)λ從0.56變?yōu)?.9，STATCOM輸出電流為0時，調(diào)制系數(shù)穩(wěn)定在0.73。初始階段直流電容器由電網(wǎng)提供有功功率充電，經(jīng)0.1 s穩(wěn)定在約2 400 V，系統(tǒng)電壓產(chǎn)生波動時，Udc僅產(chǎn)生±50 V的波動，但經(jīng)電壓外閉環(huán)PI控制，可迅速回到約2 400 V，直流電壓較為平穩(wěn)，波形如圖9(c)所示。

4.2 抑制電壓閃變仿真

在本次仿真中電壓源保持恒定，通過可變負載的變化來測試STATCOM對電壓閃變的抑制作用。可變負載通過變壓器連接到電網(wǎng)，不斷吸收持續(xù)變化的電流，就如同工廠的電弧爐一般，因此會產(chǎn)生電壓閃變?？勺冐撦d的視在功率以5 Hz頻率在1～5 MW之間變化，期間功率因素保持在0.9，在t=0.15 s產(chǎn)生變化，如圖10所示。

圖10 負載的有功功率與無功功率

為便于比較，該實驗分兩次進行，第一次STATCOM未投入使用，第二次投入STATCOM調(diào)節(jié)電壓，兩次仿真結(jié)果如圖11所示。圖11(a)是未投入STATCOM時B1及B2的電壓波形;圖11(b)為投入STATCOM后B1及B2的電壓波形。通過比較可看出，在未投入STATCOM補償?shù)那闆r下B2的電壓在0.96～1.04 p.u(1 p.u=220 V)之間變化，即產(chǎn)生±4%的電壓波動，波動范圍較大;而當投入 STATCOM后，電壓的波動范圍在0.993～1.007 p.u之間，即±0.7%的波動，波動明顯減小，起到了抑制電壓閃變的效果。

圖11 STATCOM投入前后B1及B2的電壓波形

圖12為STATCOM輸出或吸收的電流波形，STATCOM根據(jù)電網(wǎng)的電壓情況自動調(diào)節(jié)輸出或輸入的電流。當電網(wǎng)電壓跌落到220 V以下時，其向電網(wǎng)注入無功電流，當電網(wǎng)電壓升高到220 V以上時，其從電網(wǎng)吸收無功電流。

圖12 STATCOM調(diào)節(jié)電壓時A相輸出電流

5 結(jié)束語

通過分析電網(wǎng)運行電壓與無功功率補償?shù)年P系，利用STATCOM對電網(wǎng)進行無功補償。在Matlab環(huán)境下，搭建了基于δ和λ的雙變量控制STATCOM仿真模型對補償性能進行驗證。仿真結(jié)果表明，當電網(wǎng)出現(xiàn)一定范圍電壓波動問題時，STATCOM能快速、精確地對電網(wǎng)進行無功功率補償，穩(wěn)定電網(wǎng)電壓，抑制電壓閃變，從而有效改善了電網(wǎng)電能質(zhì)量。

［1］龐敏.STATCOM對電壓穩(wěn)定性影響的分析與探討［J］.電氣開關，2011(2):10－13.

［2］Nitus Voraphonpiput，Somchai Chatratana.STATCOM analysis and controller design for power system voltage regulation［C］.Dalian，China:IEEE/PES Transmission and Distribution.Conference ＆ Exhibition:Asia and Pacific，2005:1 －6.

［3］羅承廉，紀勇，劉遵義.靜止同步補償器(STATCOM)的原理與實現(xiàn)［M］.北京:中國電力出版社，2005.

［4］Singh B，Saha R，Chandra K.Al－ haddad，A.Static synchronous compensators(STATCOM)［J］.IET Power Electronics，2009(2):297 －324.

［5］王錫凡.電力工程基礎［M］.西安:西安交通大學出版社，1998.

［6］Sharmeela C，Uma G，Mohan M R.Multi－ level distribution STATCOM for voltage sag and swell reduction［C］.2005 IEEE Power Engineering Society General Meeting，2005(2):1303－1307.

［7］唐杰.配電網(wǎng)靜止同步補償器(D－STATCOM)的理論與技術研究［D］.長沙:湖南大學，2007.

［8］姜齊榮，謝小榮，陳建業(yè).電力系統(tǒng)并聯(lián)補償—結(jié)構(gòu)、原理、控制與應用［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2004.

［9］Kazmierkowski M P，Malesani L.Current control technique for three phase voltage source PWM converters［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，1998，45(5):691 －703.

［10］俞林.低壓STATCOM系統(tǒng)設計與實驗研究［D］.鎮(zhèn)江:江蘇大學，2009.

［11］Zheng Shicheng，Tang Hongbing，F(xiàn)ang Sian.Research on D－STATCOM with direct current control strategy and Its PSCAD/EMTDC simulation［C］.2011 Chinese Control and Decision Conference，IEEE，2011:2813 －2818.

［12］唐杰，鄧志勇，楊志紅.狀態(tài)PI調(diào)節(jié)器在D－STATCOM雙閉環(huán)控制中的應用［J］.中南大學學報，2010，41(6):2282－2287.

［13］程漢湘.配電系統(tǒng)StatCom的動態(tài)性能及其控制策略研究［D］.武漢:華中科技大學，2004.