摘要：STATCOM——静止同步补偿器（Static Synchronous Compensator, 简称STATCOM，又称SVG）是当今无功补偿领域最新技术的代表，属于灵活柔性交流输电系统（FACTS）的重要组成部分。STATCOM并联于电网中，相当于一个可控的无功电流源，其无功电流可以快速地跟随负荷无功电流的变化而变化，自动补偿电网系统所需无功功率，对电网无功功率实现动态无功补偿。
关键词：静止同步补偿器、功率因数、电压调整
1 原理：STATCOM按其直流侧储能元件的不同,可以分为电压型和电流型
2 种[1]。实际应用中,由于电流型STATCOM运行效率比较低,所以投入运行的绝大部分都是电压型。下面以电压型为例来说明STATCOM的工作原理。STATCOM的工作是建立在一个静止的同步电压源的基础之上。其工作原理就是将自换相桥式电路经一个串联电抗(包括变压器的漏抗与电路中其它电抗) 与电网相连,根据输入系统的无功功率和有功功率的指令,适当地调节桥式电路交流侧输出电压的幅值和相位,或者直接控制其交流侧电流就可以使该电路吸收或者发出满足系统所要求的无功电流,实现动态无功补偿的目的。其单相等效电路如图1 所示,图中,变压器的漏抗与电路中其它电抗均折算到L 中, STATCOM的所有有功损耗折算到R中。
图1
STATCOM主要由直流电压源( 通常以直流电容代替) 、基于GTO的逆变器和连接变压器3部分组成。以二极管构成的整流桥从交流系统吸取少量有功功率对直流电容C充电, 保持其电压稳定。控制器根据电网无功变化情况, 通过6个全控型开关器件构成的三相逆变器向系统输人感性或容性无功。STATCOM向系统注人的无功Q：
Q=
V s2
2R a
sin2δ
式中,Vs 为系统电压；R 为逆变桥等效电阻；为SVC输出电压与系统电压的夹角。由公式可知, 通过调节占的大小, 就可以控制STATCOM注入系统的无功功率由于Ra很小, 所以调节范围非常大。如果多台STATCOM并联移相输出,则既可提升补偿容量, 又能抑制装置本身的谐波电流。
2 STATCOM国内外研究现状
国外研究现状
静止无功发生器(SVG)也被称为静止同步补偿器(STATCOM),是在20世纪80年
代以来出现的更为先进的静止无功补偿装置。STATCOM的研制一开始就受到日本、美国、德国政府和科研单位的重视，1980年日本研制出第一台20Mvar STATCOM[2]。到90年代取得突破性的研究进展，1991年和1994年日本和美国分别研制成功一套80Mvar和一套100Mvar的采用GTO晶闸管的STATCOM装置，并最终成功地投入商业运行。德国西门子公司的单机容量为8Mvar的STATCOM装置也于1998年投入运行。
在国外，由于STATCOM理论研究起步较早，目前已步入工业化应用阶段。另
一方面，STATCOM的工业化应用对理论研究起了非常大的推动作用，新的理论研究成果不断出现。
国内研究现状
目前，在我国普遍采用的无功补偿装置主要是并联电容器和晶闸管控制电抗器(TCR)及晶闸管投切电容器(TSC)。为了改变上述情况，在1994年，研制大容量STATCOM被列为电力部重点科研攻关项目，同年在电力部的支持下，河南电力局决定和清华大学共同研制±20Mvar的STATCOM。1999年3月清华大学FACTS研究所与河南电力局共同研制的用于220kV电网的±20MvarSTATCOM在河南电网成功投入运行。2001年2月国家电力公司电力自动化研究院也将士2OOkvar STATCOM投入了运行。通过以上研究获得很多实践经验，并在理论上有显著的发展，STATCOM 应用规划仿真研究也已相继展开。
清华大学FACTS研究所在河南±20Mvar STATCOM研制经验基础之上，继续研制上海西郊变±50Mvar STATCOM的关键技术。±5OMvar STATCOM装置是一种新型的动态无功补偿装置，采用了基于IGCT的链式逆变器，具有可分相控制和运行、输出动态无功响应速度快、输出电流谐波小、输出无功电流大小与系统电压无关、不需多重化变压器、占地面积小等特点。装置的研制在建模、主电路及参数设计方法、分布式链节控制与保护、系统控制策略等方面取得重大突破，核心技术达到了国际领先水平。2006年2月28日，±50MvarSTATCOM在上海黄渡分区西郊变电站并网试运行。
3 变换器设备和技术
很多种全控、半控以及不可控器件被应用在电力电子转换模块，比如GTO、IGBT、IEGT、IGCT、GCT，二极管和三极管被广泛的运用到电压转换。每一种器件都有不同的工作频率、响应时间等。早期的无功补偿装置主要是无源装置, 方法是在系统母线上并联或者在线路中串联一定容量的电容器或者电抗器。这些补偿措施改变了网络参数, 特别是改变了波阻抗、电气距离和系统母线上的输入阻抗。无源装置使用机械开关, 它不具备快速性、反复性、连续性的特点, 因而不能实现短时纠正电压升高或降落的功能。
20世纪70年代以来, 以晶闸管控制的电抗器(TCR)、晶闸管投切的电容器(TSC)以及二者的混合装置(TCR+TSC)等主要形式组成的静止无功补偿器(SVC) 得到快
速发展[3]。SVC可以看成是电纳值能调节的无功元件, 它依靠电力电子器件开关来实现无功调节。SVC作为系统补偿时可以连续调节并与系统进行无功功率交换, 同时还具有较快的响应速度, 它能够维持端电压恒定。
SVC虽然能对系统无功进行有效的补偿, 但是由于换流元件关断不可控, 因
而容易产生较大的谐波电流, 而且其对电网电压波动的调节能力不够理想。随着大功率全控型电力电子器件GTO、IGBT及IGCT的出现, 特别是相控技术、脉宽调制技术(PWM) 、四象限变流技术的提出使得电力电子逆变技术得到快速发展,
以此为基础的无功补偿技术也得以迅速发展。静止同步补偿器, 作为FACT家族最重要的成员, 在美国、德国、日本、中国相继得到成功应用。电压型的STATCOM 直流侧采用直流电容为储能元件,通过逆变器中电力半导体开关的通断将直流侧电压转换成交流侧与电网同频率的输出电压[4]。当只考虑基波频率时, STATCOM 可以看成一个与电网同频率的交流电压源通过电抗器联到电网上。由于STATCOM 直流侧电容仅起电压支撑作用, 所以相对于SVC中的电容容量要小得多。此外, STATCOM和相比还拥有调节速度更快、调节范围更广、欠压条件下的无功调节能
力更强的优点, 同时谐波含量和占地面积都大大减小.
4 STATCOM拓扑和配置
最先进的STATCOM都采用基于VSC拓扑结构和配置，对于多重化、多电平结构的STATCOM的控制,可以采用多载波或多带宽PWM 控制、空间矢量控制和优化开关角的基频开关控制等方法[2]。具体技术思路有消除谐波PWM 技术,开关频率最优PWM 技术、三角波移相PWM 技术、三角形载波移相开关频率最优PWM 技术、空间电压矢量PWM 控制技术等。
STATCOM控制策略和途径
STATCOM的用途主要有2 个:校正系统功率因数和调节系统电压[5]。虽然这2 种功能都是通过向系统中注入无功电流来实现,但针对不同的用途,控制策略亦不尽相同。
校正功率因数
图2为STATCOM的系统接线图,当STATCOM没有投入运行时,负荷电流i l中的无功分量i lq中完全由系统承担,即i sq=i l。如果i lq较大,功率因数会很低,线路损耗也会大大增加。当STATCOM接入系统后,将产生容性无功电流i cq,为系统提供无功支持。理想情况下,当i cq=?i lq时, STATCOM将完全补偿负荷无功电流,使系
统功率因数等于1。要想使STATCOM快速精确地补偿无功电流,就必须对无
功电流进行准确测量[1]。
图2STATCOM系统接线图
图3为目前主流的无功电流检测电路,根据瞬时无功功率理论,采取了基于d-q 坐标变换的无功电流矢量检测法。首先通过锁相环PLL 和正余弦发生电路获得与ea 同相位的sinωt和-cosωt ,然后将三相电流通过d-q变换,得到交轴分量iq。iq 经低通滤波器(LPF) 得到直流分量iq , iq经过d - q反变换后即得到a 、b、c 三相基波正序无功电流。如果检测的是负荷处无功电流,则将其反向之后就是指令电流值iref ,即是需要的补偿量。
图3无功电流检测电路
图4为STATCOM控制原理图。其中iref 为指令电流值, icq为STATCOM 交流侧基
波无功电流值,二者的差值经过比例积分(PI) 与饱和环节后,对δ(即STATCOM
交流侧输出电压与系统电压相位差) 进行微调。然后将δ作为指令,控制脉宽调制PWM 波形发生器中调制波的相位,输出的PWM 波用来触发STATCOM中三相
逆变桥各桥臂全控型器件(GTO或IGBT 等) 的通断,这样就会在STATCOM的交流
侧产生跟随指令电流值iref 变化的补偿电流icq 。
图4STATCOM控制原理图
由其控制原理不难得知,该系统是一个采取反馈控制的闭环系统,补偿无功电流时刻跟随负荷无功电流的变化,因此其响应速度和控制精度都很高。
调节系统电压
在电网中,2个节点之间电压的幅度差主要是由无功功率决定的,如果系统中
无功电流过大,会产生很大的电压损耗,如果不能及时进行无功补偿,在负荷处会
出现欠压现象。图5为电压测量电路,其中Va 、Vb 、Vc 分别表示STATCOM接入
点处系统的三相电压,首先对其进行整流、滤波等预处理,然后由电压传感器测量后,通过LPF 得到的直流量即是该点处电压的均方根值。
图5电压测量电路
得到负荷处电压值之后,就可以通过图5 所示的控制电路,对该点的电压进行调节。不过要将指令电流值iref 换成指令电压值vrmsref ,反馈电流值icq换成反馈电压
值vrms 。其中指令电压值vrmsref 可以由用户设定。
由以上分析可知,STATCOM 通过闭环反馈控制,动态改变δ角的值,从而改变注入
系统的无功电流,最终达到调整系统电压的目的。图6给出了补偿前后的系统相量图,补偿前, Es 与V 幅度差别很大,当STATCOM注入无功电流Ic 后,幅差别已不明显。
图6 补偿前后向量图
5 控制系统
瞬时无功电流的检测
要实现STATCOM 的快速补偿功能, 必须能快速地从负荷电流中快速地检测出无
功电流, 只能应用瞬时无功理论( instantaneous reactive power theory)。1983 年
赤木提出的将三相瞬时电流分解成有功和无功电流的pq 分解法被广泛应用[6].
三相电流和电压经AB正交变换成两相
瞬时有功功率p 和瞬时无功功率q 为: p= uAiA+ uBiB；p= uBiA+ uAiB。将有功功率p 分成直流分量p- 和交流分量p~ 两部分, 只取p~ ,
三相补偿电流:
根据得到的三相补偿电流构成补偿电流矢量作为补偿装置的控制变量. 实际应用中技术难题是三相系统不平衡的情况, 须对pq 分解法加以改进.技术思路有: 实现谐波和基波无功的全部补偿, 采用三相不对称控制, 利用本身产生的负序电流来抵消接入点的负序电流, 同时实现负序电流的补偿.另外也可用对称分量法或dq 矢量变换控制法来快速检测无功电流的大小.
6 控制方法
按不同的功能和要求, STATCOM 的控制从控制策略上讲, 有三种基本结构: 开环控制、闭环控制或者两者结合的复合控制. 按照控制技术来分, 主要包括PID控制、PID+ PSS 控制、逆系统PI 控制、微分几何控制、非线性鲁棒控制、模糊控制、递归神经网络自适应控制等等[7]. 根据控制物理量, 由无功电流参考值调节STATCOM 产生所需无功电流的具体控制方法, 可以分为直接电流控制[8]和间接
电流控制[9]两大类.
直接电流控制
所谓电流的直接控制, 就是采用跟踪型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. 图7给出了引入pq 分解法的电流直接控制方法. 这种控制方法中, 以瞬时电流无功分量的参考值为主, 或者瞬时电流无功分量的参考值由滞后电源电压90b的正弦波与无功电流参考值相乘, 再与瞬时电流有功分量的参考值相加得到;根据STATCOM 对有功能量的需求, 对iQref 的相位进行修正来得到总的瞬时电流参考值iref . 跟踪型PWM控制技术采用了三角波比较方式, 也可采用滞环比较方式. 由于直接电流控制法是对电流瞬时值的跟踪控制, 要求主电路中电力半导体开关器件有较高的开关频率, 对于大功率STATCOM 场合, 这种方法有很大的局限性, 适用于中小容量的STATCOM的控制.
图7 采用dq变换的直接电流控制电路
间接电流控制
所谓间接电流控制, 是通过STATCOM 逆变器所产生交流电压基波的相位和幅值, 来间接控制STATCOM的交流侧电流. 如图8所示, 采用了STATCOM吸收的无功和有功的反馈控制, 采用pq 分解法检测STATCOM 吸收的无功和有功电流, 直流
电压的反馈控制, 且直流电压调节器的输出作为有功电流的参考值.间接电流控制方法多应用于较大容量STATCOM. 大容量的系统, 由于开关频率的降低, 输出的电压会产生大量的谐波并降低直流电压的利用率,为了减少谐波, 可以采用多重化、多电平或者采用PWM控制技术.
图8采用dq变换的间接电流控制电路
多电平逆变器的控制
对于多重化、多电平结构的STATCOM的控制,可以采用多载波或多带宽PWM 控制、空间矢量控制和优化开关角的基频开关控制等方法. 具体技术思路有消除谐波PWM技术, 开关频率最优PWM技术、三角波移相PWM技术、三角形载波移相开关频率最优PWM技术、空间电压矢量PWM控制技术等[10].
三角波移相PWM技术是一种专门用于级联型多电平逆变器的PWM技术, 所
有模块的正弦波都相同, 但每个模块的三角形载波与和它相邻模块的三角形载
波之间有一个相移, 各模块产生的SPWM脉冲在相位上错开, 从而使得各模块最
终叠加输出的SPWM波的等效开关频率提高到原来的k 倍, 在不提高各模块开关
频率的情况下大大减少了输出谐波.三角形载波移相开关频率最优PWM技术是三
角载波采用三角波移相PWM技术, 调制波采用开关频率最优PWM技术, 在相同
开关频率时, 等效开关频率提高到原来的k倍, 电压调制比达到1. 15,最适用于级
联型多电平三相逆变器.
7 典型应用
STATCOM在输电系统中的应用
STATCOM是一种基于大容量变流器技术的动态无功补偿设备, 结合自身技术特
点与输电系统的需求,STATCOM在输电系统中的应用有如下趋势[11]。
(l) 开关器件以IGBT为主。从使用的开关器件来看, 已由最初的强迫换相晶闸管、GTO发展到IGBT、IGCT等高性能复合器件。GTO具有容量大的显著优点, 在STATCOM工程得到广泛使用, 但也存在着控制复杂、驱动损耗大、效率低的不足。多家公司都考虑使用IGBT、IGCT等新型半导体器件, 并在工程中取得成功经验。与IGBT相比,IGCT无法切断短路故障电流, 需要阳极电感限流并设计钳位电路, 控制保护较为复杂, 阳极电感还会引起电磁干扰, 这些都限制了它的推广使用。IGBT 器件近年来发展最快, 不但具有较好的抗短路能力, 并且在导通压降、栅极电荷、开关速度和开关损耗、抑制“二次击穿”现象和电流擎住现象等各个方面取得了巨大进步, 极大地提高了IGBT的性能。虽然IGBT也存在着器件串联等技术难题, 但良好的性能已成为IGBT器件应用的显著优势。
(2) 主回路向链式结构发展。虽然目前的STATCOM工程仍以多重化结构为主, 但
因三相共用一个直流电容, 无法对各相单独控制, 其承受系统不平衡能力有限,
在输电系统故障时(输电系统的故障绝大部分是不对称故障) 往往退出运行, 对
系统的作用甚至不及SVC , 无法满足输电系统稳定运行的要求, 且还存在多重化
变压器价格昂贵、占地面积大、损耗大以及直流偏磁、饱和导致的控制困难等问题, 这些都限制了它在输电系统的推广应用; 而链式结构的STATCOM具有分相可控, 有利于解决系统的相间不平衡,无需多重化变压器, 避免复杂的IGBT串联技术, 易实现模块化等显著优点, 已经成为大容量STATCOM结构发展的方向之一。(3) 采用压接IGBT串联技术。
采用压装IGBT串联技术可大幅提高STATCOM装置的集成度, 进一步减小装置体积。与目前常用的焊接IGBT不同, 压接IGBT结构紧凑, 使用寿命长, 特别是使用中一旦出现损坏失效呈现短路特性, 无需复杂的旁路技术, 不会影响其他器件的运行, 非常适合工程应用。实现IGBT的动态、静态均压是IGBT串联技术的难点。现有方法包括有源钳位法, 利用雪崩二极管实现对IGBT的过压保护;门极延时补偿法, 利用门极驱动单元(GDU) 实现延时补偿;RC吸收电路法, 利用吸收电路实现
均压;有源门极控制法, 通过检测管压降, 构造反馈实现。以上技术手段单独使用, 存在开关损耗大、电路复杂、敏感电路位于高压IGBT干扰等问题。ABB品S V C一L ig h t (即STATCOM)在Moselstanlwerk钢厂等工程中成功应用了压接IGBT串联技术。该技术的突破为高集成度大容量STATCOM装置的开发提供了可能。
(4) 方案设计向可移动化方向发展。与同容量SVC相比, STATCOM除了响应速度快、谐波含量小、输出无功电流能力与系统电压无关、可提供双向无功等优点外, 还具有体积小、占地面积小、无需滤波设备等特点, 更便于做成移动式, 可以向系
统紧急需要无功的地点快速转移、安装和投人运行, 满足系统重新布置无功补偿装置的要求, 英国国家电网公司已计划全面推广可移动无功补偿设备, 这也成为STATCOM技术的发展趋势之一。
(5) STATCOM技术向标准化方向发展。目前,STATCOM技术领域缺乏统一的标准规范, 不利于技术的推广应用。STATCOM技术的标准化是工程化的必然趋势, 为促进我国STATCOM产业的标准化, 电力行业电能质量及柔性输电标准化技术委员
会联合中国电力科学研究院、上海市电力公司、清华大学等单位, 先期启动了链式静止同步补偿器系列标准的起草工作。参考IEC61954、IEC61000、IEEE1031等
规范,规划的标准包括功能设计导则、换流链的试验、控制保护监测系统、现场
试验、运行检修导则等5个部分,预计2008年底可完成相关标准的制定。
8 结语及应用前景
STATCOM是灵活柔性交流输电系统（FACTS）技术和定制电力（CP）技术的重要组成部分，用于配电系统中的STATCOM一般称为D-STATCOM。STATCOM可直
接接入400V~35kV电压等级母线，克服传统无功补偿和谐波治理装置存在的不足，为电网或用电负荷提供快速、连续有源动态无功补偿和谐波滤波，可有效提高电网电压暂态稳定性、抑制母线电压闪变、补偿不平衡负荷、滤除负荷谐波及提高负荷功率因数。
STATCOM可广泛应用于：
电网枢纽变电站：提高系统暂态电压稳定性，确保系统运行安全；
风力发电场：提高母线电压稳定性，抑制振荡；
冶金行业、石化行业、矿山及电气化铁路：抑制电压闪变、补偿不平衡负荷、滤除负荷谐波及提高负荷功率因数；
其他行业：抑制电压波动、滤除负荷谐波及提高功率因数。
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