靜止同步補償器（STATCOM）技術(shù)的應用及發(fā)展現狀

1 概述

靜止同步補償器(Static Synchronous Compensator，STATCOM)是柔性交流輸電系統(Flexible AC Transmission System，FACTS)的核心裝置和核心技術(shù)之一。在此之前，又稱(chēng)ASVG、SVG、STATCON、ASVC，直至1995 年國際高壓大電網(wǎng)會(huì )議與電力、電子工程師學(xué)會(huì )建議采用靜止同步補償器(STATCOM)[1]。

靜止同步補償器采用新一代的電力電子器件，如：門(mén)極可關(guān)斷晶閘管(GTO)，絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)，集成門(mén)極換向晶閘管(IGCT)，并且采用現代控制技術(shù)，其在電力系統中的作用是補償無(wú)功，提高系統電壓穩定性，改善系統性能。與傳統的無(wú)功補償裝置相比，STATCOM 具有調節連續，諧波小，損耗低，運行范圍寬，可靠性高，調節速度快等優(yōu)點(diǎn)，自問(wèn)世以來(lái)，便得到了廣泛關(guān)注和飛速發(fā)展。

我國電力工業(yè)發(fā)展迅速，其需求將保持持續、快速的增長(cháng)態(tài)勢而且需求規模在增大，當前我國電力事業(yè)可靠性要求高、實(shí)用性強;經(jīng)濟效益突出;節能，環(huán)保、高效成為主要趨勢。STATCOM的廣泛應用使得電力系統更加穩定高效，符合當今社會(huì )電力工程發(fā)展趨勢。

2 STATCOM 的工作原理

2.1 基本工作原理

STATCOM大體上分為電壓源型和電流源型，在實(shí)際應用中大多使用電壓源型(采用電壓型變換器Voltage-sourced inverter，VSI)。圖1 用以簡(jiǎn)單說(shuō)明基于VSI的STATCOM的工作原理。

如圖1 所示，STATCOM的主電路結構由直流側大電容和基于電力電子器件的VSI 組成，通過(guò)連接電抗接入電力系統。圖中，Uz1 是在理想情況下(即忽略線(xiàn)路及STATCOM 的損耗)將STATCOM的輸出等效為一個(gè)可控電壓源，UzS 是系統側等效成的理想電壓源，且兩者相位一致。當Uz1躍UzS時(shí)，從系統流向STATCOM 的電流相位超前系統電壓90毅，輸出容性無(wú)功;同樣當Uz1約UzS 時(shí)，從系統流向STATCOM 的電流滯后系統電壓90毅，輸出感

性無(wú)功。當Uz1 =UzS 時(shí)，系統與STATCOM 之間的電流為零，兩者之間沒(méi)有無(wú)功的交換。這是在理想情況下的工作狀態(tài)，事實(shí)上，UzS 和Uz1 一般具有一個(gè)角度差啄，通過(guò)控制UzS和啄就可以調節STATCOM發(fā)出或吸收無(wú)功的大小。

2.2 STATCOM的分類(lèi)

從理論上可以將STATCOM 分為電壓源型和電流源型。就其電路結構來(lái)說(shuō)，電壓源型STATCOM 直流側并聯(lián)有大電容，保證在持續充放電或器件換向過(guò)程電壓不會(huì )發(fā)生很大的變化，橋側串聯(lián)電感，而電流源型STATCOM 則是直流側串聯(lián)大電感，保證在器件換向或充放電器件電流不會(huì )有大的波動(dòng)，橋側并聯(lián)電感。如圖2所示。

在實(shí)際應用中，常用的大容量STATCOM 采用的基本都是電壓源型結構。但是可以將SVG控制為電流源來(lái)進(jìn)行無(wú)功補償[2-3]。文獻[4]提出了一種新的STATCOM 控制策略即采用電壓控制電流源(VCCS)的策略和改進(jìn)的電壓控制電壓源(VCVS)的策略來(lái)補償電力系統公共連接點(diǎn)(Pointof Common Coupling，PCC)電壓不平衡，特別是在較小容量時(shí)采用VCCS 方式將能達到最好的補償效果。

按構成基本單元逆變器模塊，可以將STATCOM 分為單相橋二電平，三相橋二電平，三相橋多電平。在大容量高電壓等級的應用場(chǎng)合中，往往需要將多個(gè)低壓小容量變換器通過(guò)變壓器耦合(即多重化)[5] 或采用變壓器在交流輸入輸出側進(jìn)行升壓或降壓，這樣會(huì )產(chǎn)生耗能、諧波含量大、系統效率低等缺點(diǎn)。而多電平變換器開(kāi)關(guān)器件所承受的電壓應力小(如三電平變換器每個(gè)開(kāi)關(guān)器件所承受的電壓應力是二電平的一半[6])，諧波含量少，損耗降低，因此在大容量場(chǎng)合得到廣泛應用和發(fā)展。

按構成元器件，可以將STATCOM 分為GTO型，IGBT 型，IGCT 型，SCR 型，GTR 型，MOSFET型?；诠β首儞Q的FACTS 設備一般都采用全控型器件，主要是在GTO、改進(jìn)型GTO(IGBT、MTO、ETO 等)和(HV)IGBT等器件中選擇。國際上第一個(gè)采用GTO 作為逆變器功率器件的STATCOM，是由美國EPRI 與西屋電氣公司研制的，容量依1Mvar。我國依20Mvar STATCOM和日本關(guān)西電力系統Inuyama 開(kāi)關(guān)站依80Mvar STATCOM 均是采用GTO 作為功率器件的。IGBT 適用于小容量場(chǎng)合，由ABB公司研制的配電STATCOM(Distribution STATCOM，D-STATCOM)，開(kāi)關(guān)器件采用多個(gè)IGBT串聯(lián)[7]。

按電壓等級，可以將STATCOM 分為高壓輸電網(wǎng)補償和低壓配電網(wǎng)補償。在高壓輸電網(wǎng)中STATCOM需要通過(guò)變壓器連接到電網(wǎng)中。在低壓配電網(wǎng)中，通過(guò)電抗器并聯(lián)或直接并聯(lián)電網(wǎng)，即D-STATCOM。D-STATCOM的基本工作原理就是將橋式電路通過(guò)電抗器或直接并聯(lián)在電網(wǎng)上，適當調節電路交流側輸出電壓的幅值或相位，或者直接控制其交流側電流就可以使該電路系統收獲發(fā)出滿(mǎn)足要求的無(wú)功電流，從而實(shí)現動(dòng)態(tài)補償無(wú)功的目的。另外可以通過(guò)脈寬調制采用特定諧波消除的方法來(lái)消除特定諧波[8]。

3 控制方式

根據控制物理量，可以分為直接電流控制和間接電流控制。直接電流控制技術(shù)就是采用跟蹤性PWM 控制技術(shù)對電流波形的瞬時(shí)值進(jìn)行反饋控制，直接指令電流的發(fā)生，結構簡(jiǎn)單，電流調節響應快，對擾動(dòng)的魯棒性好，但是只適用于中小容量場(chǎng)合，對于大容量場(chǎng)合具有很大的局限性。間接電流控制，是通過(guò)STATCOM 逆變器交流電壓極薄的幅值和相位，來(lái)間接控制交流側電流，簡(jiǎn)單易實(shí)現，但動(dòng)態(tài)性能欠佳，適用于大容量STATCOM。

為了減少諧波，在間接電流控制中可以采用多重化、多電平或者PWM技術(shù)來(lái)改善波形。

STATCOM 裝置主電路設計的多重化和鏈式結構是提高容量的常用技術(shù)。多重化結構就是用幾個(gè)單相或三相逆變器產(chǎn)生相位相差若干度的方波電壓，用變壓器將不同相位的方波電壓串聯(lián)在一起，可以有效的提高容量與電壓，減少諧波[5,9]，但同時(shí)也會(huì )帶來(lái)很多問(wèn)題，諸如價(jià)格昂貴，增加了裝置損耗和占地面積，并且變壓器的鐵磁非線(xiàn)性特性也給設計帶來(lái)了困難。由ALSTOM公司為英國國家電網(wǎng)公司研制的依75Mvar STATCOM 采用了新型鏈式結構，摒棄了笨重的多重化變壓器。鏈式STATCOM 各逆變橋直流電容器是相互獨立的，存在電容電壓不平衡問(wèn)題，混合型損耗差異、并聯(lián)型損耗差異以及輸入脈沖延時(shí)的不同是造成電容電壓不平衡的主要原因[10]。通過(guò)調節逆變橋與系統間的相位差，通過(guò)調節各逆變橋調制比都可以實(shí)現電容電壓平衡[11]。圖3 和圖4 分別是鏈式和多重化結構的原理圖。

從控制策略上講可以分為開(kāi)環(huán)控制，閉環(huán)控制，以及這兩種的混合控制。通常從控制上講是電壓環(huán)以及電流環(huán)。文獻[12]中STATCOM的控制是基于SVPWM 的電壓電流雙環(huán)控制，利用鎖相環(huán)(PLL)和低通濾波器(LPF)檢測負載電流中無(wú)功電流的大小，通過(guò)dq 變換實(shí)現STATCOM 無(wú)功電流和有功電流在dq 平面的解耦控制。同時(shí)，直流電壓外環(huán)控制器輸出耦合到有功電流控制環(huán)路實(shí)現直流電壓穩壓控制。

從控制技術(shù)角度來(lái)說(shuō)有PI 控制方法，PI 逆控制方法，魯棒自適應控制，遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )自適應，滑模變結構，模糊控制方法[13]。其中魯棒自適應控制方法，模糊控制系數選擇困難;神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )自適應方法不依賴(lài)于系統模型的建立，但實(shí)時(shí)性不好;滑模變結構線(xiàn)性化困難。在實(shí)際應用中還是以傳統的PI 控制居多。文獻[14]提出了一種無(wú)源性控制(PBC)方法，建立了STATCOM 的歐拉—拉格朗日系統模型，引入非線(xiàn)性規劃的變尺度法進(jìn)行優(yōu)化。

為了達到更好的補償效果，可以將傳統的無(wú)功補償裝置與STATCOM 聯(lián)合運行控制，從而避免STATCOM 為了獲得理想的輸出電流波形，致使開(kāi)關(guān)器件隨著(zhù)補償電流增大，開(kāi)關(guān)損耗增加，效率降低的問(wèn)題?；旌响o止同步無(wú)功補償器(HSTATCOM)，基于無(wú)差拍控制(根據其狀態(tài)方程和輸出無(wú)功電流的預期值計算出下一個(gè)開(kāi)關(guān)周期的脈沖寬度)，利用有源與無(wú)源補償相結合的方法，無(wú)源部分使用TSC 作為主要補償手段，不產(chǎn)生諧波，損耗小;利用有源補償實(shí)現了補償電流的連續調節，可以雙向連續調節無(wú)功[15]。文獻[16]提出了一種新型SVC 與STATCOM構成的混雜裝置以及基于模糊預測的聯(lián)合運行方案，即利用小容量STATCOM 抑制閃變配合大容量SVC 補償無(wú)功，避免了STATCOM 采用不對稱(chēng)控制時(shí)出現的算法復雜等問(wèn)題。聯(lián)合控制運行方式算法簡(jiǎn)便，控制目的明確，但其結構可能復雜，所以在特定領(lǐng)域將會(huì )得到發(fā)展。

4 應用及現狀

STATCOM 概念于20 世紀80 年代提出，實(shí)際應用主要集中在90 年代，主要應用的有日本的依80 Mvar(1991 年)，美國的100 Mvar(1995年)，丹麥基于4 500/3 000A GTO的依8 Mvar(1997年)的STATCOM。由于STATCOM技術(shù)含量較高，掌握并應用這一技術(shù)的主要有日本、美國、德國、英國、中國等國家。我國首臺依20 Mvar 的STATCOM 是由清華大學(xué)與河南省電力局在1994—1999 年共同研制，已于1999年3 月在河南省洛陽(yáng)市朝陽(yáng)變電站投入運行[7]。對于這一技術(shù)，在2007年由湖南大學(xué)的羅安等人就基于STATCOM 與SVC 的電能質(zhì)量調節器協(xié)調控制方法、由郭育華等人就STATCOM 的控制方法申請了國家專(zhuān)利。

STATCOM的應用工程通常具有：在電力半導體器件選用上，絕大多數是基于GTO 和IGBT 的;在主電路上，大容量高壓STATCOM 主要采用變壓器耦合多重化技術(shù)，中低容量和電壓的DSATCOM較多采用三電平和/或PWM 變換器;基本采用VSC;系統控制目標多樣化;大容量STATCOM多采用水冷方式等特點(diǎn)。

據不完全統計，自第一臺大容量STATCOM裝置問(wèn)世以來(lái)，全世界已經(jīng)投入運營(yíng)的大容量(10 MVar 及以上)STATCOM 工程超過(guò)20 個(gè)，總的可控容量超過(guò)3 000 Mvar。它們有的安裝在輸電網(wǎng)絡(luò )中用于潮流控制、無(wú)功補償和提高系統穩定性等，屬于FACTS 范疇;有的安裝在配電和用電網(wǎng)絡(luò )，用于改善電能質(zhì)量和提高供電可靠性，屬于用戶(hù)電力范疇，即用戶(hù)電力控制器的D-STATCOM。表1給出了部分工程應用的基本情況，說(shuō)明了自STATCOM 問(wèn)世以來(lái)的發(fā)展情況，這只是一少部分，可以看到，STATCOM 主電路從最初的開(kāi)關(guān)器件耦合，逐步發(fā)展為多個(gè)開(kāi)關(guān)器件串聯(lián)使用，結合VSI，采用NPC 結構，并且用PWM 進(jìn)行控制，從而使STATCOM 裝置具有更加穩定與優(yōu)良的性能。

5 結語(yǔ)

靜止同步補償器(STATCOM)技術(shù)自問(wèn)世以來(lái)得到了飛速的發(fā)展，多重化和鏈式結構應用于大容量STATCOM 是國際上廣泛關(guān)注的技術(shù)，但是要解決好器件的均壓和不平衡控制等問(wèn)題。大容量高電壓的靜止同步補償器仍是今后研究的重點(diǎn)，另外新的功率模塊如IPM 的研究開(kāi)發(fā)將會(huì )為STATCOM技術(shù)帶來(lái)新的生機。STATCOM是柔性交流輸電系統的核心，有效的無(wú)功補償對電力系統乃至國民經(jīng)濟有著(zhù)重要的意義。