靜止同步補償器（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 年國際高壓大電網(wǎng)會議與電力、電子工程師學(xué)會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)的無功補償裝置相比，STATCOM 具有調(diào)節(jié)連續(xù)，諧波小，損耗低，運行范圍寬，可靠性高，調(diào)節(jié)速度快等優(yōu)點，自問世以來，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(xù)、快速的增長態(tài)勢而且需求規(guī)模在增大，當(dāng)前我國電力事業(yè)可靠性要求高、實用性強;經(jīng)濟(jì)效益突出;節(jié)能，環(huán)保、高效成為主要趨勢。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，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，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，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)，事實上，UzS 和Uz1 一般具有一個角度差啄，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有大的波動，橋側(cè)并聯(lián)電感。如圖2所示。

在實際應(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)的策略來補償電力系統(tǒng)公共連接點(Pointof Common Coupling，PCC)電壓不平衡，特別是在較小容量時采用VCCS 方式將能達(dá)到最好的補償效果。

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的應(yīng)用場合中，往往需要將多個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，這樣會產(chǎn)生耗能、諧波含量大、系統(tǒng)效率低等缺點。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。國際上第一個采用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(tǒng)Inuyama 開關(guān)站依80Mvar STATCOM 均是采用GTO 作為功率器件的。IGBT 適用于小容量場合，由ABB公司研制的配電STATCOM(Distribution STATCOM，D-STATCOM)，開關(guān)器件采用多個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，從而實現(xiàn)動態(tài)補償無功的目的。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)對電流波形的瞬時值進(jìn)行反饋控制，直接指令電流的發(fā)生，結(jié)構(gòu)簡單，電流調(diào)節(jié)響應(yīng)快，對擾動的魯棒性好，但是只適用于中小容量場合，對于大容量場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，簡單易實現(xiàn)，但動態(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]，但同時也會帶來很多問題，諸如價格昂貴，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)計帶來了困難。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?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)檢測負(fù)載電流中無功電流的大小，通過dq 變換實現(xiàn)STATCOM 無功電流和有功電流在dq 平面的解耦控制。同時，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，但實時性不好;滑模變結(jié)構(gòu)線性化困難。在實際應(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)到更好的補償效果，可以將傳統(tǒng)的無功補償裝置與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，致使開關(guān)器件隨著補償電流增大，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)期值計算出下一個開關(guān)周期的脈沖寬度)，利用有源與無源補償相結(jié)合的方法，無源部分使用TSC 作為主要補償手段，不產(chǎn)生諧波，損耗小;利用有源補償實現(xiàn)了補償電流的連續(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 補償無功，避免了STATCOM 采用不對稱控制時出現(xiàn)的算法復(fù)雜等問題。聯(lián)合控制運行方式算法簡便，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)玫桨l(fā)展。

4 應(yīng)用及現(xiàn)狀

STATCOM 概念于20 世紀(jì)80 年代提出，實際應(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、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 月在河南省洛陽市朝陽變電站投入運行[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(diào)節(jié)器協(xié)調(diào)控制方法、由郭育華等人就STATCOM 的控制方法申請了國家專利。

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。

據(jù)不完全統(tǒng)計，自第一臺大容量STATCOM裝置問世以來，全世界已經(jīng)投入運營的大容量(10 MVar 及以上)STATCOM 工程超過20 個，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償器仍是今后研究的重點，另外新的功率模塊如IPM 的研究開發(fā)將會為STATCOM技術(shù)帶來新的生機。STATCOM是柔性交流輸電系統(tǒng)的核心，有效的無功補償對電力系統(tǒng)乃至國民經(jīng)濟(jì)有著重要的意義。