靜止同步補(bǔ)償器（STATCOM）技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展現(xiàn)狀

1 概述

靜止同步補(bǔ)償器(Static Synchronous Compensator，STATCOM)是柔性交流輸電系統(tǒng)(Flexible AC Transmission System，F(xiàn)ACTS)的核心裝置和核心技術(shù)之一。在此之前，又稱ASVG、SVG、STATCON、ASVC，直至1995 年國(guó)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(bǔ)償器(STATCOM)[1]。

靜止同步補(bǔ)償器采用新一代的電力電子器件，如：門極可關(guān)斷晶閘管(GTO)，絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)，集成門極換向晶閘管(IGCT)，并且采用現(xiàn)代控制技術(shù)，其在電力系統(tǒng)中的作用是補(bǔ)償無功，提高系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性，改善系統(tǒng)性能。與傳統(tǒng)的無功補(bǔ)償裝置相比，STATCOM 具有調(diào)節(jié)連續(xù)，諧波小，損耗低，運(yùn)行范圍寬，可靠性高，調(diào)節(jié)速度快等優(yōu)點(diǎn)，自問世以來，便得到了廣泛關(guān)注和飛速發(fā)展。

我國(guó)電力工業(yè)發(fā)展迅速，其需求將保持持續(xù)、快速的增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)而且需求規(guī)模在增大，當(dāng)前我國(guó)電力事業(yè)可靠性要求高、實(shí)用性強(qiáng);經(jīng)濟(jì)效益突出;節(jié)能，環(huán)保、高效成為主要趨勢(shì)。STATCOM的廣泛應(yīng)用使得電力系統(tǒng)更加穩(wěn)定高效，符合當(dāng)今社會(huì)電力工程發(fā)展趨勢(shì)。

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(yīng)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)單說明基于VSI的STATCOM的工作原理。

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

性無功。當(dāng)Uz1 =UzS 時(shí)，系統(tǒng)與STATCOM 之間的電流為零，兩者之間沒有無功的交換。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，通過控制UzS和啄就可以調(diào)節(jié)STATCOM發(fā)出或吸收無功的大小。

2.2 STATCOM的分類

從理論上可以將STATCOM 分為電壓源型和電流源型。就其電路結(jié)構(gòu)來說，電壓源型STATCOM 直流側(cè)并聯(lián)有大電容，保證在持續(xù)充放電或器件換向過程電壓不會(huì)發(fā)生很大的變化，橋側(cè)串聯(lián)電感，而電流源型STATCOM 則是直流側(cè)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(cè)并聯(lián)電感。如圖2所示。

在實(shí)際應(yīng)用中，常用的大容量STATCOM 采用的基本都是電壓源型結(jié)構(gòu)。但是可以將SVG控制為電流源來進(jìn)行無功補(bǔ)償[2-3]。文獻(xiàn)[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)的策略來補(bǔ)償電力系統(tǒng)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(dá)到最好的補(bǔ)償效果。

按構(gòu)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(jí)的應(yīng)用場(chǎng)合中，往往需要將多個(gè)低壓小容量變換器通過變壓器耦合(即多重化)[5] 或采用變壓器在交流輸入輸出側(cè)進(jìn)行升壓或降壓，這樣會(huì)產(chǎn)生耗能、諧波含量大、系統(tǒng)效率低等缺點(diǎn)。而多電平變換器開關(guān)器件所承受的電壓應(yīng)力小(如三電平變換器每個(gè)開關(guān)器件所承受的電壓應(yīng)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(yīng)用和發(fā)展。

按構(gòu)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(shè)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(guó)際上第一個(gè)采用GTO 作為逆變器功率器件的STATCOM，是由美國(guó)EPRI 與西屋電氣公司研制的，容量依1Mvar。我國(guó)依20Mvar STATCOM和日本關(guān)西電力系統(tǒng)Inuyama 開關(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)，開關(guān)器件采用多個(gè)IGBT串聯(lián)[7]。

按電壓等級(jí)，可以將STATCOM 分為高壓輸電網(wǎng)補(bǔ)償和低壓配電網(wǎng)補(bǔ)償。在高壓輸電網(wǎng)中STATCOM需要通過變壓器連接到電網(wǎng)中。在低壓配電網(wǎng)中，通過電抗器并聯(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電抗器或直接并聯(lián)在電網(wǎng)上，適當(dāng)調(diào)節(jié)電路交流側(cè)輸出電壓的幅值或相位，或者直接控制其交流側(cè)電流就可以使該電路系統(tǒng)收獲發(fā)出滿足要求的無功電流，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償無功的目的。另外可以通過脈寬調(diào)制采用特定諧波消除的方法來消除特定諧波[8]。

3 控制方式

根據(jù)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(duì)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，電流調(diào)節(jié)響應(yīng)快，對(duì)擾動(dòng)的魯棒性好，但是只適用于中小容量場(chǎng)合，對(duì)于大容量場(chǎng)合具有很大的局限性。間接電流控制，是通過STATCOM 逆變器交流電壓極薄的幅值和相位，來間接控制交流側(cè)電流，簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，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)來改善波形。

STATCOM 裝置主電路設(shè)計(jì)的多重化和鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)是提高容量的常用技術(shù)。多重化結(jié)構(gòu)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)帶來很多問題，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性特性也給設(shè)計(jì)帶來了困難。由ALSTOM公司為英國(guó)國(guó)家電網(wǎng)公司研制的依75Mvar STATCOM 采用了新型鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，摒棄了笨重的多重化變壓器。鏈?zhǔn)絊TATCOM 各逆變橋直流電容器是相互獨(dú)立的，存在電容電壓不平衡問題，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]。通過調(diào)節(jié)逆變橋與系統(tǒng)間的相位差，通過調(diào)節(jié)各逆變橋調(diào)制比都可以實(shí)現(xiàn)電容電壓平衡[11]。圖3 和圖4 分別是鏈?zhǔn)胶投嘀鼗Y(jié)構(gòu)的原理圖。

從控制策略上講可以分為開環(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(xiàn)[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(cè)負(fù)載電流中無功電流的大小，通過dq 變換實(shí)現(xiàn)STATCOM 無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(xiàn)直流電壓穩(wěn)壓控制。

從控制技術(shù)角度來說有PI 控制方法，PI 逆控制方法，魯棒自適應(yīng)控制，遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)，滑模變結(jié)構(gòu)，模糊控制方法[13]。其中魯棒自適應(yīng)控制方法，模糊控制系數(shù)選擇困難;神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)方法不依賴于系統(tǒng)模型的建立，但實(shí)時(shí)性不好;滑模變結(jié)構(gòu)線性化困難。在實(shí)際應(yīng)用中還是以傳統(tǒng)的PI 控制居多。文獻(xiàn)[14]提出了一種無源性控制(PBC)方法，建立了STATCOM 的歐拉—拉格朗日系統(tǒng)模型，引入非線性規(guī)劃的變尺度法進(jìn)行優(yōu)化。

為了達(dá)到更好的補(bǔ)償效果，可以將傳統(tǒng)的無功補(bǔ)償裝置與STATCOM 聯(lián)合運(yùn)行控制，從而避免STATCOM 為了獲得理想的輸出電流波形，致使開關(guān)器件隨著補(bǔ)償電流增大，開關(guān)損耗增加，效率降低的問題?；旌响o止同步無功補(bǔ)償器(HSTATCOM)，基于無差拍控制(根據(jù)其狀態(tài)方程和輸出無功電流的預(yù)期值計(jì)算出下一個(gè)開關(guān)周期的脈沖寬度)，利用有源與無源補(bǔ)償相結(jié)合的方法，無源部分使用TSC 作為主要補(bǔ)償手段，不產(chǎn)生諧波，損耗小;利用有源補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)了補(bǔ)償電流的連續(xù)調(diào)節(jié)，可以雙向連續(xù)調(diào)節(jié)無功[15]。文獻(xiàn)[16]提出了一種新型SVC 與STATCOM構(gòu)成的混雜裝置以及基于模糊預(yù)測(cè)的聯(lián)合運(yùn)行方案，即利用小容量STATCOM 抑制閃變配合大容量SVC 補(bǔ)償無功，避免了STATCOM 采用不對(duì)稱控制時(shí)出現(xiàn)的算法復(fù)雜等問題。聯(lián)合控制運(yùn)行方式算法簡(jiǎn)便，控制目的明確，但其結(jié)構(gòu)可能復(fù)雜，所以在特定領(lǐng)域?qū)?huì)得到發(fā)展。

4 應(yīng)用及現(xiàn)狀

STATCOM 概念于20 世紀(jì)80 年代提出，實(shí)際應(yīng)用主要集中在90 年代，主要應(yīng)用的有日本的依80 Mvar(1991 年)，美國(guó)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(yīng)用這一技術(shù)的主要有日本、美國(guó)、德國(guó)、英國(guó)、中國(guó)等國(guó)家。我國(guó)首臺(tái)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 月在河南省洛陽市朝陽變電站投入運(yùn)行[7]。對(duì)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(diào)節(jié)器協(xié)調(diào)控制方法、由郭育華等人就STATCOM 的控制方法申請(qǐng)了國(guó)家專利。

STATCOM的應(yīng)用工程通常具有：在電力半導(dǎo)體器件選用上，絕大多數(shù)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(tǒng)控制目標(biāo)多樣化;大容量STATCOM多采用水冷方式等特點(diǎn)。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，自第一臺(tái)大容量STATCOM裝置問世以來，全世界已經(jīng)投入運(yùn)營(yíng)的大容量(10 MVar 及以上)STATCOM 工程超過20 個(gè)，總的可控容量超過3 000 Mvar。它們有的安裝在輸電網(wǎng)絡(luò)中用于潮流控制、無功補(bǔ)償和提高系統(tǒng)穩(wěn)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，屬于用戶電力范疇，即用戶電力控制器的D-STATCOM。表1給出了部分工程應(yīng)用的基本情況，說明了自STATCOM 問世以來的發(fā)展情況，這只是一少部分，可以看到，STATCOM 主電路從最初的開關(guān)器件耦合，逐步發(fā)展為多個(gè)開關(guān)器件串聯(lián)使用，結(jié)合VSI，采用NPC 結(jié)構(gòu)，并且用PWM 進(jìn)行控制，從而使STATCOM 裝置具有更加穩(wěn)定與優(yōu)良的性能。

5 結(jié)語

靜止同步補(bǔ)償器(STATCOM)技術(shù)自問世以來得到了飛速的發(fā)展，多重化和鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)應(yīng)用于大容量STATCOM 是國(guó)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題。大容量高電壓的靜止同步補(bǔ)償器仍是今后研究的重點(diǎn)，另外新的功率模塊如IPM 的研究開發(fā)將會(huì)為STATCOM技術(shù)帶來新的生機(jī)。STATCOM是柔性交流輸電系統(tǒng)的核心，有效的無功補(bǔ)償對(duì)電力系統(tǒng)乃至國(guó)民經(jīng)濟(jì)有著重要的意義。