statcom原理及控制方法

1、1、前言 靜止同步補償器(Static Synchronous Compensator, STATCOM)是目前最先進 的無功補償技術(shù)，近年來隨著電力電子開關(guān)技術(shù)的進步而逐漸興起。 STATCOM 的原理是利用全控型大功率電力電子器件構(gòu)成可控的電壓源或電流源， 使其輸出 電流超前或滯后系統(tǒng)電壓 90 ,從而對系統(tǒng)所需的無功進行動態(tài)補償。早期有文 獻稱之為靜止無功發(fā)生器(Static Var Generator, SVG)。利用電力電子變流器進行 無功補償?shù)目赡苄噪m然早在 20 年前就已經(jīng)為人們所認識，但限丁當時電力電子 器件的耐壓和功率水平，無法制造出輸電系統(tǒng)中具有實用價值的裝置。直到近年 來

2、，尤其是高壓大功率的門極可關(guān)斷晶閘管 GTO 的出現(xiàn)，才極大的推動了 STATCOM 的開發(fā)和應(yīng)用。STATCOM 是并聯(lián)型 FACTS 設(shè)備，它同基丁可控 電抗器和投切電容器的傳統(tǒng)靜止無功補償器 SVC 相比，性能上具有極大的優(yōu)越 性，越來越得到廣泛的重視，必將取代 SVC 成為新一代的無功電壓控制設(shè)備。 目前，世界上已有多臺投入運行的大容量 STATCOM 裝置，如表 1-1 所示。由 此可見，目前為止國際上只有美、日、德、中、英等少數(shù)幾個國家掌握了 STATCOM 的應(yīng)用開發(fā)技術(shù)。2006 年 2 月 28 日，由上海電力公司、活華大學(xué)、許繼集團 公司等單位共同研制的土 50Mvar S

3、TATCOM 在上海黃渡分區(qū)西郊變電站并網(wǎng)試 表 1-1 國內(nèi)外已在輸電系統(tǒng)投運的 STATCOM裝置(UPFC并聯(lián)部分為 STATCOM) 研制者 投運地點 容量(MVA) 投運時間 三茶電機、關(guān)西電力 日本 20 19X0 年 東芝、口立 L1 本 50X2 1993 年 西屋、EPRK由納西電力 美國 100 1994 年 西門子 德國 8 1997 年 (UPFC)西屋、EPRI、美國電力 美國 160 1997 年 清華大學(xué)、河南省電力公司 中國 + 20 1999 年 ALSTOM. NGC 英國 75 1999 年 二菱 r 美國 133/41 2001 年 三菱 美國 100

4、2002 年 k海電力公司、清華大學(xué)許繼集團 上海 + 50 2006 年 表 1-1 中除最后一項外，全部采用了變壓器多重化的主電路方案，主電路 拓撲為圖 1-1。變壓器多重化方式可成倍增加裝置容量并降低輸出諧波。然而， 多重化變壓器的引入帶來了很多問題：首先，它的價格非常昂貴，約為成本的 1/3 1/4;其次，它使裝置增加了 50%左右的損耗和 40%左右的占地面積；第 三，變壓器的鐵磁非線性特性給控制器設(shè)計帶來了很大的困難， 同時也是引發(fā)裝 置故障的重要原因。 如果能研究一種新的電路拓撲克服由多重化變壓器帶來的 諸多不便，那么將引起大容量 STATCOM 技術(shù)的一次大的飛躍。多電平變換器

5、 技術(shù)的引入正是這個關(guān)鍵技術(shù)的不二選擇 A D C 圖 1-1.帶多重化變壓器的 STATCOM拓撲 STATCOM 是第二代 FACTS 技術(shù)的代表，它的出現(xiàn)是電力系統(tǒng)無功補償 技術(shù)的乂一次革命。其具備了在容性和感性范圍內(nèi)雙向連續(xù)調(diào)節(jié)補償電流的能 力，適應(yīng)了電力系統(tǒng)對各種運行工況的需求， 同時還具有動態(tài)響應(yīng)速度快、 補償 電流諧波含量小 （相比 SVC）的特點，徹底解決了以往的無功補償設(shè)備所存在的 嵌陷。與采用第一代 FACTS 技術(shù)的 SVC 相比，STATCOM 具有以下優(yōu)勢： 2 1、STATCOM 的動態(tài)響應(yīng)過程更快，在目前的工程應(yīng)用中， STATCOM 的 響應(yīng)時間可以做到 20m

6、s 以下，而 SVC 則通常需要 40ms 以上。 2、 STATCOM 的輸出特性不受系統(tǒng)電壓影響，當電壓下降時裝置輸出的無 功保持不變；而 SVC 裝置補償?shù)臒o功與電壓的平方成正比，當無功不足導(dǎo)致系 統(tǒng)電壓下降時，其所能提供的最大補償容量也隨之下降。 3、 STATCOM 的直流側(cè)儲能元件只對電壓或電流起到支撐作用，因此所需 要的電容或電抗值遠小丁補償容量， 大大減小了裝置體積；而 SVC 的最大補償 容量受到器件阻抗特性的限制，因此需要配備較大的電容和電抗器， 導(dǎo)致裝置的 體積與占地面積較大。 4、 STATCOM 輸出的電壓或電流幾乎為正弦波形，因此產(chǎn)生的諧波污染較 ?。籗VC 通過控

7、制電抗導(dǎo)通角的方式進行調(diào)節(jié)，流過電抗器的電流為非正弦， 將產(chǎn)生大量的諧波注入電網(wǎng)，造成嚴重的諧波污染，在某些情況下需要與無源或 有源的濾波裝置配合使用。 5、 STATCOM 相當丁一個可控電源，因此不改變系統(tǒng)阻抗，不會與系統(tǒng)發(fā)ABCABC 12-pulse converter 12-pulse convert” 2 12-puse co ter 1 12-pulse converter 生諧振；SVC 裝置是電抗或電容型的，接入電力系統(tǒng)容易與系統(tǒng)阻抗產(chǎn)生諧振。 雖然目前電力系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的無功補償設(shè)備還是 SVC,但是電力電子技 術(shù)以及電力系統(tǒng)研究專家普遍認為，STATCOM 所具有的以

8、上優(yōu)勢使其成為傳統(tǒng) 無功補償設(shè)備的理想替代者，全面滿足了電力系統(tǒng)對無功補償?shù)母黜椧螅?21 世紀的電力系統(tǒng)運行品質(zhì)更為卓越。 2、STATCOM的工作原理 從理論上分析，STATCOM 的直流側(cè)可以采用電容或者電感兩種形式。因此, 其基本拓撲結(jié)構(gòu)分為電壓源型和電流源型，分別如圖 2-1、2-2 所示： 圖 2-2 電流源型 STATCOM 實際上，目前 STATCOM 裝置中研究最深入、應(yīng)用最廣泛是電壓源型逆變器結(jié) 構(gòu)，原因如下: 1、電流源型逆變器的工作原理，需要采用具有對稱特性的大功率開關(guān)器件, 即雙向電壓阻斷能力。而目前常用的可關(guān)斷器件存在反向阻斷能力差、 導(dǎo)通損耗 過大的問題；相比

9、之下，電壓源型逆變器則不會受到該限制。 2、 電流源型逆變器直流側(cè)儲能電感不具備防止器件過電壓的能力，因此需 要安裝額外的保護電路或者增大取值裕量； 相比之下，電壓源型逆變器的直流電 容本身具備防止功率器件過電壓的能力。 3、 電流源型逆變器的直流側(cè)儲能電抗在工作中會產(chǎn)生比較大的損耗，給裝 置設(shè)計帶來困難；而電壓源型逆變器的儲能電容損耗要小的多。 電壓源型逆變器 具有的以上優(yōu)勢使其成為目前條件下更合理的選擇， 因此本文主要研究基丁電壓 源型逆變電路的 STATCOM。電壓源型 STATCOM 的工作原理，是通過可控的 大功率電力電子開關(guān)器件將直流側(cè)電壓進行逆變， 從而在逆變器交流側(cè)輸出一個 與

10、電網(wǎng)同頻的正弦電壓。此時 STATCOM 可以視為一個與電網(wǎng)同步的并且靈活 控制的交流電壓源，其接入系統(tǒng)時的等效電路如圖 2-3: Load 圖 2-3 電壓源型 STATCOM 接入系統(tǒng)的等效圖 , 圖中U S為 STATCOM 公共接入點（Point of Common Coupling, PCC 次t系統(tǒng)電 壓， U*I為 STATCOM 交流側(cè)逆變輸出電壓，L 為連接電抗器，丁是 STATCOM 裝置輸出的電流為： ； 旗-勿 進而得到 STATCOM 輸出的單相視在功率為： 在理論上，STATCOM 只對無功進行補償，因此與電網(wǎng)之間不存在有功的往返。 然而實際上由丁開關(guān)損耗以及電容和

11、電抗上等效電阻的存在， STATCOM 裝置還 是需要從電網(wǎng)吸收很小的有功電流以維持直流側(cè)電壓平衡。 由丁這部分有功相比 無功非常微小，因此在進行理論分析的時候一般忽略不計。最后近似認為 STATCOM 輸出的電壓U|與電網(wǎng)電壓U S相位相同，從而得到裝置輸出的單 相無功功率為： 由以上分析可得，在正常工作時 STATCOM 具有無功雙向調(diào)節(jié)能力：即容性工 況和感性工況，分別如下圖所示： 感性無功 X U O - Ic Us 圖 2-5 感性工況 （1）當UI Us，即 STATCOM 裝置交流側(cè)逆變電壓幅值大丁系統(tǒng)電壓幅 值，此時流過電抗器的補償電流超前系統(tǒng)電壓 900 , STATCOM

12、裝置向系統(tǒng)輸 正的無功功率（Q 0）,處丁容性工況。 當UI Us，即 STATCOM 裝置交流側(cè)逆變電壓幅值小丁系統(tǒng)電壓幅 值，此時電抗器上的補償電流滯后系統(tǒng)電壓 900 , STATCOM 裝置向系統(tǒng)輸出 負的無功功率（Q 0）,處丁感性工況。綜上所述，STATCOM 的工作原理與以 往的無功補償技術(shù)存在本質(zhì)區(qū)別。通過對逆變器交流側(cè)電壓的幅值和相位進行調(diào) 控，或者直接對其補償電流進行跟蹤控制， 就能夠在容性到感性范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié) 無功補償電流，并且做到精確的穩(wěn)態(tài)跟蹤準以及快速的動態(tài)響應(yīng)。 3、STATCOM注入電流的運行范圍 如圖 3.1 所示，系統(tǒng)發(fā)送端電壓為U S，系統(tǒng)接收端電壓為UR，

13、STATCOM 感性無功 Q = Im(S) = m U 容性無功 U U U Ic U 容性無功 Ic Us 圖 2-4 容性工況 (3-5) =kZ = (1-X)Z 輸入端電網(wǎng)電壓為U1，STATCOM 的并聯(lián)變換器交流側(cè)輸出電壓為 Ush ,電網(wǎng) 注入到 STATCOM 中的電流為j sh , ZS為系統(tǒng)發(fā)送端到 STATCOM 輸入端的 線路阻抗，ZR為 STATCOM 輸入端到系統(tǒng)接收端的線路阻抗。 為了便丁分析，假定系統(tǒng)參數(shù)如下： UE = U R= U (3-1) (3-2) =U/0 (參考屯壓) (3-3) . Us =Uar (3-4) 其中 k是阻抗系數(shù)，0 V k 1

14、； Z = R + jXL為線路總的阻抗; 訊=或一伊=y cos p - jlsfi sin(P 將電壓i sh轉(zhuǎn)化到旋轉(zhuǎn)弓、q 坐標系下，并將 d軸定位在。1方向上，貝u通過 (3-7)所示的旋轉(zhuǎn) 3/2 變換矩陣T3S 2R可得i sh在 d、q 坐標系下表達式: (3-7) (3-8) UUs-ZJs (3-10) (3-11) 根據(jù)式(3-8) (3-11)可知: . .一 , ULUL UR-UX U-Uy ish =心+ Jt. = is -；! = - + -= - - H - 5 網(wǎng) Zw Z, (1 -k)Z kz (-/f 4- jX)Ul - kUcos(af, -6)

15、 + jsh(fxp - A)L/(cos zJh + J sinJ (3-12)分析裝有 STATCOM 的系統(tǒng)電壓、電流平衡分析: (3-6) 2JF & -SLR fOt - I 3 ( 2/r cos 陌+ I 3 , -sin I Mt + (3-9) (3-14) N項涓心）目 z2 好(1-t)2 k(l-k) I -X =-7 找 | 二 1 1 2cosS + - + - （3-13） 由上式可見 STATCOM 注入到電網(wǎng)中的電流在 d、q 軸電流平面上是以 圖 3.2 STATCOM 注入到電網(wǎng)中的電流運行范圍 首先由式（3-12）得到 STATCOM 注入到電網(wǎng)

16、中的電流運行范圍的第一個約束 條件： 2 cost!? 14*(i)(i)為 Zs + ZAI = yjR2 + Xi ,變量R、X、a、U是給定的系統(tǒng)參數(shù)。 變量k 的大小取決于 STATCOM的安裝位置，變量U 是由系統(tǒng)需求決定的，它們的大小決定了 系統(tǒng)所需要的 STATCOM 注入到電網(wǎng)中的電流運行范圍。其次考慮 STATCOM并聯(lián)器一側(cè)的系統(tǒng)參數(shù)可以半徑的圓，如圖 3.2所這里14 為圓fl功齋求: L 實際實際ig 其中Ushd和Ushq是并聯(lián)變換器交流側(cè)輸出電壓 Ush在* q坐標系下的分量，X =- Lsh , 3 代表電網(wǎng)角頻率。由式（2-14）可以得到 STATCOM 注入到

17、電網(wǎng)中的電流運行范 圍的第二個約束條件： (3-15) 最后考慮 STATCOM補償?shù)淖畲笠曉诠β?,可以得到 STATCOM注入 ，其中I K 為 I sh max STATCOM 注入到電網(wǎng)中的最大允許電流。 如圖2.3所示，綜合式（3-13）、（3-15）、（3-16） 所確定的圓的交叉部分限制了實際的運行系統(tǒng)中 STATCOM注入到電網(wǎng)中的電流運行范 圍，在設(shè)計 STATCOM注入電網(wǎng)中的電流時，必須考慮這一點。 此外，實際運行過程中， 運行點主要是由 STATCOM系統(tǒng)的有功需求決定的，即： 只為=叫。如圖2.3所示, 針對不同模式的 STATCOM其運行范圍也有所不同，對于直流側(cè)無

18、外部儲能裝置（只有電 容）的STATCOM而言，它只能與電網(wǎng)進行無功功率的交換，也就是可以說無功功率可以 雙向流動，但是由于其自身沒有外部能量供應(yīng)裝置， STATCOM工作所需要的有功功率全 部來自電網(wǎng)，通過其自身的控制來從系統(tǒng)中吸收有功功率保證其正常工作， 因此，有功功率 是單向流動的，當STATCOM進行無功補償?shù)臅r候i由都為正值，也就是說它必須從系統(tǒng) | shd 中吸收有功功率來補償系統(tǒng)的損耗，維持直流母線電壓恒定，保證系統(tǒng)正常運行。此時 STATCOM注入電網(wǎng)的電流實際運行范圍在圓的交叉部分的右半平面（斜線的陰影部分） 。 而對于有外部儲能裝置的 STATCOM，其有功功率可以雙向流動

19、，因此 STATCOM 注入電 網(wǎng)的電流實際運行范圍在圓的交叉部分的整個平面中（斜線的陰影部分和交叉線的陰影部 分）。實際情況中，STATCOM的容量，也就是它與電網(wǎng)交換的有功和無功的數(shù)量，與 直流母線電容、開關(guān)器件、并聯(lián)變壓器的容量有關(guān)。 到電網(wǎng)中的電流運行范圍的第三個約束條件: STATCOM注入功率的運行范圍 由圖 3.1 所示，忽略了并聯(lián)變換器的等效電阻，則電網(wǎng)通過并聯(lián)變壓器 Tmt 注 Shunt 入到 STATCOM 的有功和無功功率為: , * Y jXs. 將（3-1）、（3-2）、（3-14）代入式（3-17）可得:(3-17) (3-20) (3-18) 其中 9 如圖 3

20、.1 所示，代表欠量Ush和欠量U1之間的火角。由式（3-18）得 到電網(wǎng)注入到 STATCOM 中的功率運行范圍的第一個約束條件:將式（3-19）所示的關(guān)系作丁功率平面上可得圖 2.4 . . . . . . . . _ Xr ， V STATCOM 中的功率運行范圍在功率平面上是以 為圓心，以 f 為 半徑的圓，如圖 3.3所示。 圖 3.3 電網(wǎng)注入到 STATCOM中的功率運行范圍 另外，實際運行中，STATCOM 的并聯(lián)變換器輸出的電流是有限制的， 一般情況 下，允許其輸出的最大感性無功電流和容性無功電流是相等的，根據(jù) 1和j sh 之間的關(guān)系可以得到電網(wǎng)注入到 STATCOM 的有

21、功和無功功率的另一種表達方 式：X* + (3-19) 可見電網(wǎng)注入到 其中？如圖 3.1 所示，代表欠量。1和i sh之間的火角。由式（3-20）得到電 網(wǎng)注入到 STATCOM 中的功率運行范圍的第二個約束條件： 代+Q如（J 如圖 3.3 所示，綜合式（3-19）和（3-21）所確定的圓的交義部分限制了實際的 運行系統(tǒng)中電網(wǎng)注入到 STATCOM 中的功率運行范圍。此外，實際運行過程中， STATCOM 的運行點主要是由 STATCOM 系統(tǒng)的有功需求決定的。對丁無外部 儲能裝置的 STATCOM 而言，它與電網(wǎng)進行無功功率的交換是雙向流動，但是 由丁其自身沒有外部能量供應(yīng)裝置，它必須從

22、電網(wǎng)中吸收有功功率來補償 STATCOM系統(tǒng)的損耗，保證 STATCOM 系統(tǒng)正常工作，因此，有功功率為正 值是單向流動的。此時電網(wǎng)注入到 STATCOM 的功率實際運行范圍都在圓的右 半平面（斜線的陰影部分）。而對丁有外部儲能裝置的 STATCOM,其有功功率 可以雙向流動，因此電網(wǎng)注入到 STATCOM 的功率實際運行范圍落在圓的交義 部分的整個平面中（斜線的陰影部分和交義線的陰影部分）。 STATCOM 調(diào)節(jié)線路傳輸功率能力 命電河向史 H此 k入曲性無功 冒向 STATCOM 注入齊性尤功 圖 3.4 STATCOM 的無功補償矢量圖 在 STATCOM 并聯(lián)變換器的直流側(cè)沒有外部儲能

23、裝置的情況下， STATCOM 不 能夠產(chǎn)生有功功率，但是它可以通過調(diào)節(jié)其輸入端電網(wǎng)電壓來間接提高線路傳輸 功率。本節(jié)將詳細討論 STATCOM 通過控制其輸入端電網(wǎng)電壓來調(diào)節(jié)線路傳輸 , 功率的能力，在如圖 3.1 所示的系統(tǒng)中，選擇 STATCOM 輸入端電網(wǎng)電壓U1 作為參考向量，忽略了 STATCOM 系統(tǒng)的損耗和傳輸線路上的等效電阻 R,則 電網(wǎng)注入 STATCOM 到中的電流為:誠=婦 9（）,此時若90苔, 則i sh滯后電壓。1為 9 ，即電網(wǎng)向 STATCOM 注入感性的無功功率，如圖 3.4(a)所示；同理，若 Z頃=190，則j sh超前電壓Ui為 90 ,即電網(wǎng)向 ST

24、ATCOM 注入容性的無功功率，如圖 3.4(b),可以得到系統(tǒng)接收端的有功功率 為： (3-21) 一般情況下我們關(guān)心的是利用 STATCOM 來提高線路傳輸功率，因此這里只分 析電網(wǎng)向 STATCOM 注入容性的無功功率的情況，電網(wǎng)向 STATCOM 注入感 性的無功功率的情況與其類似。 由式(3-9) (3-11)可以得到： 1 ； (3-22) 為了分析方便，定義Xs = kXL，XR = (I- k) XL(其中 k是阻抗系數(shù)，0 k 1), XL為傳輸線路總的電抗，Xs為系統(tǒng)發(fā)送端到 STATCOM 輸入端的線 路電抗，XR為 STATCOM 輸入端到系統(tǒng)接收端的線路電抗，代入式(

25、3-23)可 以得到： ， = u (1 -幻 CDSar + k cos (匕,_$) + *( 1 _ 幻 A；九 0 = (1 X | sindfr + Xsin I aP -H) 由上式可得： _i f k sin =tan - - - 1Jt)+Jtcostf J 將式(3-24)代入(3-22)可以得到： % = WsinS + 左 U婦 sin (f % si 展 + (3-25) U1 % = 這里 ”上為無STATCOM時系統(tǒng)接收端接收的最大有功功率， 而裝有STATCOM 后系統(tǒng)接收端的有功功率變化量為=心做血(S-%)，在給定系統(tǒng)接收端電 壓幅值U，傳輸線路電抗 XL、功

26、率角&和 STATCOM 的最大允許輸出電流幅值=) 2(-1 + co 赫) -1 cus6 -3 + 2c0S-i (coirf)- 2(-1 + coSiJ) (3-28) 考慮實際情況只有 k = 1/2 符合要求，即當 STATCOM 安裝在傳輸線路的中間 時，系統(tǒng)接收端的有功功率可以達到最大，式(3-24)變?yōu)椋?% = 戶2 U、=U cos+ 1 2 4 將上式代入式(3-26)可得系統(tǒng)接收端的最大有功功率為: = sin+7LZ*sin7 即由丁 STATCOM 而改變的最大傳輸功率為: - UI$h sin mux 2 2 此時電網(wǎng)注入到 STATCOM 中的容性無

27、功功率為: Q以=UJsh = U弘 cos + - Zi * Aft 1 AA M 2 4 N* (3-29) (3-30) (3-31) (3-32) 由式(3-31)和(3-32)可知: 0X、 4 尸 2U sin (3-33) STATCOM 正常工作的時候，其輸入端電網(wǎng)電壓的幅值 U1必須為正，由式(2-30) e x U =t/cos + 可知在電網(wǎng)向 STATCOM 注入容性無功功率時 2 4 因此 a (0,兀)時，U1 一定為正；同理分析電網(wǎng)向 STATCOM 注入感性無功功率的 5=1/ cos - ISh 情況可得 2 4 ,若要使U1為正，系統(tǒng)必須滿足以下條件： 3

28、2cos-1 ； J迎 (3-34) 由式(3-34)可知此時為了保證系統(tǒng)能正常工作，必須嚴格控制 | u 的范圍，這一點在 Sh 7 實際系統(tǒng)應(yīng)用中是非常重要的。 為了更形象地說明 STATCOM 對系統(tǒng)的功率控 制能力，特在一定的電網(wǎng)參數(shù)下繪制 STATCOM 的功率特性，首先假定電網(wǎng)參 數(shù)如下：a =兀/6,us的幅值US =L0pu，UR的幅值UR =1-0PU) XL * =1.0pu , i sh的幅值I Sh=0.5,相位Z i sh=90o,當阻抗系數(shù) k從 0 變化到 1.0 時，可以得到 STATCOM 補償無功功率和系統(tǒng)接收端的有功功率變化范圍，如 圖 3.5所示。 圖3

29、.5 STATCOM的安裝位置對其補償無功功率及系統(tǒng)接收端有功功率的影響 可見在電網(wǎng)向 STATCOM 注入的無功電流一定的情況下，將 STATCOM 安裝 在線路的中間可以取得最好的補償效果，這和上面的分析是一致的。 4、STATCOM的控制方法 STATCOM 作為一種快速可控的動態(tài)無功補償設(shè)備，當補償目標以及拓撲結(jié) 構(gòu)明確以后，控制方法將對裝置整體補償效果產(chǎn)生重要的影響。 因此，為了提高 STATCOM 的性能，針對控制方法的研究得到了越來越多的關(guān)注。 按不同的功能 和要求，ST AT C O M 的控制從控制策略上講，有 3 種基本結(jié)構(gòu)：開環(huán)控制、 閉環(huán)控制或者兩者結(jié)合的復(fù)合控制。根據(jù)

30、控制物理量，由無功電流參考值調(diào)節(jié) ST AT C O M 產(chǎn)生所需無功電流的具體控制方法 ，可以分為直接電流控制和問 接電流控制兩大類。按照控制技術(shù)來分，主要包括 PI D 控制，PI D + PS S 控 制，逆系統(tǒng) PI控制，微分幾何控制，非線性魯棒控制，模糊控制，遞歸神經(jīng) 網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制等等。以下將介紹幾種主要的控制方式。 4.1 電流間接控制： STATCOM 的電流間接控制方法，就是通過調(diào)節(jié)逆變器輸出交流電壓的幅值 與相位，從而實現(xiàn)間接控制 STATCOM 的交流輸出側(cè)電流目前主要有兩種實現(xiàn) 的手段：一種方法是 a 角控制，實際上是調(diào)節(jié) STATCOM裝置交流側(cè)逆變電壓 與電網(wǎng)電壓之

31、間的相位差。這種控制方法的主要優(yōu)點是角度控制實現(xiàn)起來比較容 易，但是由丁 STATCOM 調(diào)節(jié)逆變器輸出交流電壓的同時直流電容電壓也在變 化，所以導(dǎo)致整體調(diào)節(jié)過程緩慢；另一種控制方法是同時控制 a 角和 0 角，不僅 依靠 a 角調(diào)節(jié)相位而且還增加了開關(guān)器件的導(dǎo)通 9 角控制，因此能夠同時調(diào)節(jié) STATCOM 逆變電壓的幅值和相位。該控制方法相比單 a 角控制的優(yōu)點是直流側(cè) 電容電壓更加平穩(wěn)，提高了裝置運行的穩(wěn)定性。其缺點是 a 角和 o角的聯(lián)合調(diào)節(jié) 要求電路參數(shù)測量準確，但是電力系統(tǒng)中參數(shù)在運行中乂會發(fā)生變化，因此導(dǎo)致 角度之間的配合關(guān)系也需要相應(yīng)地變化。 (b) a 角和 o角配合控制 以

32、上提到的電流間接控制方法都具有開關(guān)頻率低、 控制方法簡單的優(yōu)點，一 股應(yīng)用在電力系統(tǒng)輸配電等大容量場合。主要原因是目前應(yīng)用丁大容量型 STATCOM的功率開關(guān)器件工作頻率依然受限，尚無法采用高頻的電流跟蹤控制 技術(shù)。如日本東京電力 250MVar、美國田納西電力 100MVar、活華大學(xué) 50MVar 的 STATCOM 都采用了間接控制方式。除此之外，由丁大容量 STATCOM 的 開關(guān)頻率低，一般為工頻的兩倍，為了減少諧波只能采用多重化的方法。 因此間 接控制方法常常需要與多電平、多重化技術(shù)相結(jié)合以抑制并網(wǎng)電流諧波。 對以上 內(nèi)容進行總結(jié)，可以得到電流間接控制方法的主要缺點： 由丁間接控制

33、方法是通過控制相位角或者導(dǎo)通角來調(diào)節(jié)逆變器的輸出電壓， 因此 無法直接對補償電流進行跟蹤控制。而且在調(diào)節(jié)過程中還涉及到電容電壓充放電 的暫態(tài)過程，不可避免地會帶來電流控制精度較低并且裝置動態(tài)響應(yīng)速度較慢的 缺點；當電網(wǎng)電壓或補償電流中存在負序不對稱分量時， 這些負序不對稱分量乂 會引起 STATCOM 直流側(cè)電壓的兩倍頻波動，進而導(dǎo)致整個控制系統(tǒng)不穩(wěn)定； 間接控制方法對主電路參數(shù)的依賴大，然而這些參數(shù)測量困難并且電力系統(tǒng)參數(shù) 乂存在著不確定性，最終導(dǎo)致控制器實現(xiàn)困難，目前世界上只有少數(shù)國家掌握此 技術(shù)。 4.2 電流直接控制： STATCOM 的電流直接控制方法，首先根據(jù)適當?shù)膮⒖茧娏鳈z測方法

34、計算出 補償電流指令，然后采用高頻 PWM 跟蹤技術(shù)對補償電流的瞬時值直接進行反 饋控制。目前在工程上一般采用比例積分(Proportion Integration, PI)控制器對電流 做瞬時跟蹤控制，并采用正弦脈寬調(diào)制 (Sinusoial Pulse Width Modulation, SPWM)、空間欠量脈寬調(diào)制(Space Vector Pulse Width Modulation, SPWM 痔算法 生成驅(qū)動脈沖。采用電流直接控制方法以后，STATCOM 具備了對更復(fù)雜的指令 電流跟蹤控制的能力，可以有效地濾除電網(wǎng)中的基波正序無功以及其他的包括負 序、零序、諧波在內(nèi)的全部有害電流，

35、實現(xiàn)動態(tài)補償無功、消除三相不平衡、治 理諧波的電能質(zhì)量綜合補償目標。最終補償?shù)男Ч饕Q丁裝置電流檢測方法 的精度以及瞬時電流跟蹤環(huán)節(jié)的誤差大小。 W abc - J. f I)1 調(diào)制 1 Z 信尊. i - * 土衍叵 - PWM g ； 4 _ T- idqO 圖 4.1 abc坐標下的電流直接控制驅(qū)動 脈沖 STATCOM 調(diào)制 驅(qū)動 = 信號一脈沖+- - PM T -kJ 圖 4.2 d-q坐標下的電流直接控制 電流直接控制的 STATCOM可以有兩種控制結(jié)構(gòu)。第一種控制結(jié)構(gòu)如圖 4.1 所示采用了 abc 靜止坐標系下的瞬時電流跟蹤方法。控制系統(tǒng)完成兩個功能： 其中電壓外環(huán)經(jīng)過

36、PI控制器生成有功電流指令|dref,控制流入STATCOM的 有功電流以維持直流側(cè)電壓穩(wěn)定；同時指令電流檢測方法計算得到無功電流指令 | f,對系統(tǒng)的無功進行動態(tài)補償。有功和無功指令電流經(jīng)過反變換得到三相瞬 qref , 時電流指令；ref、jbref、icref，然后 PI控制器對三相瞬時指令信號進行電流跟 aiei biei ciei 蹤，跟蹤以后得到調(diào)制信號再經(jīng)過 PWM 比較環(huán)節(jié)生成驅(qū)動逆變器的開關(guān)信號。 第二種控制結(jié)構(gòu)如圖 4.2 所示，采用了 dq 同步坐標系下的瞬時電流跟蹤方法。 該方法將STATCOM 輸出的三相電流經(jīng)同步旋轉(zhuǎn)坐標變換后解耦為電流有功分 量id以及電流無功分量

37、i。然后同樣由電壓外環(huán)得到有功電流指令 |蛔，同時 d q diei 指令電流檢測方法計算得到無功電流指令I(lǐng) ref。接著在 dq 旋轉(zhuǎn)坐標系下直接 qlei 用 PI控制器對給定的有功和無功指令電流進行跟蹤，再使用 dq0 abc 反變換 得到調(diào)制波，最后經(jīng)過 PWM 環(huán)節(jié)比較得到逆變器的開關(guān)信號。以上兩種控制 系統(tǒng)所實現(xiàn)的功能是相同的，但是具體的差異體現(xiàn)在電流跟蹤調(diào)節(jié)指令參考信號 的形式以及PI控制器的位置和數(shù)量：第一種控制系統(tǒng)電流內(nèi)環(huán)有三個 PI控制 器，被跟蹤的對象為正弦交流信號；第二種控制系統(tǒng)只有兩個 PI調(diào)節(jié)器，被跟 蹤的對象為直流信號。相比之下，由丁交流信號的變化率較大，而 PI

38、控制器只 能對直流信號進行穩(wěn)態(tài)無靜差的跟蹤，因此第一種控制系統(tǒng)進行 PI調(diào)節(jié)時會有 靜態(tài)誤差存在，而減小跟蹤誤差的有效手段，就是進一步提高 PWM 的開關(guān)頻 率。電流直接控制方法能夠顯著提高 STATCOM 的穩(wěn)態(tài)控制精度以及動態(tài)響應(yīng) 速度，此時 STATCOM 所體現(xiàn)出的外部特性更接近丁被控電流源。由丁采用了 高頻的 PWM技術(shù)，因此要求主電路電力半導(dǎo)體器件具有較高的開關(guān)頻率，導(dǎo) 致裝置的開關(guān)損耗較大。受到目前電力電子技術(shù)水平的限制，只能適用丁中小容 量的 STATCOM,起到改善配電網(wǎng)的電能質(zhì)量的作用。 今后隨著電力電子器件的 耐壓等級、額定電流、開關(guān)頻率等各項性能的繼續(xù)提高， PWM 控制技術(shù)的日趨 成熟，無功與諧波電流檢測方法的不斷完善， 微機控制技術(shù)與數(shù)字信號處理技術(shù) 的不斷進步，采用電流直接控制的 STATCOM 將逐漸成為研究的熱點以及發(fā)展 趨勢。 4.3 線性 PID 控制： 自 20 世紀 80 年代初第一臺實驗性 STATCOM 投入電網(wǎng)運行以來，所有 已公開的實用裝置的控制器設(shè)計都是采用經(jīng)典控制理論 PID 或者引入線路功 率的 PSS 輔助方式來完成，或者進行局部改進的 PI控制。同時有關(guān)理論也指 出，這種控制方法在一定范圍之內(nèi)通過向系統(tǒng)提供有效的電壓支撐， 可