靜止同步補(bǔ)償器在電能質(zhì)量改善中的應(yīng)用研究

王翰陽

（華北水利水電大學(xué)電力學(xué)院，河南鄭州，450000）

1 STATCOM的介紹

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，各生產(chǎn)部門對不間斷能源供應(yīng)的需求提高，大型冶煉企業(yè)、化工企業(yè)、精密加工企業(yè)對電能質(zhì)量的要求逐步提高，增加了人們對電力質(zhì)量的擔(dān)憂。維持和提高電能質(zhì)量是當(dāng)今人們主要關(guān)注的問題。STATCOM作為FACTS控制器的重要組成部分，提供了更高水平的改善電能質(zhì)量的方法，其作用集中在柔性調(diào)節(jié)無功電力需求和減少由于開關(guān)動作產(chǎn)生的諧波方面。STACOM 可以通過兩種方法來操作，即直流和間接電流控制方法，其中，直流電流控制方法因其更精確、更快的相應(yīng)而被廣泛采用?；赑WM的STATCOM具有廣泛的應(yīng)用范圍，在復(fù)雜工作情況下仍具有靈活的工作狀態(tài)。此外，為了高精度地使用STATCOM，還需要使用電壓控制的電容器，使之與STATCOM配合使用。

STATCOM實現(xiàn)的目的不僅是保證系統(tǒng)無功補(bǔ)償?shù)陌踩?，而且重點是保持系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定。無功補(bǔ)償器是在上世紀(jì)七十年代開發(fā)的用于線路末端補(bǔ)償?shù)难b置。這些補(bǔ)償器可以直接作為晶閘管控制的電容器(TSC)或晶閘管控制的電抗器(TCR)使用，有時兩者與無源濾波器結(jié)合使用，以消除由于電子器件的開關(guān)動作而產(chǎn)生的諧波影響。這些控制器是基于阻抗控制器和TCR的一部分，在不同的時刻通過改變導(dǎo)通角角度，來進(jìn)行無功補(bǔ)償?shù)膶崿F(xiàn)。該技術(shù)已被廣泛接受，但操作靈活性有限，隨著電壓源轉(zhuǎn)換器(SVC)技術(shù)的進(jìn)步，人們更加關(guān)注能夠?qū)崿F(xiàn)自投入的固態(tài)器件。同樣，還有IGBT、IEGT、GCT、GTO 等幾種開關(guān)設(shè)備。已多次用于開發(fā)、建立一個新的控制器當(dāng)中，如UPFC、STATCOM等。隨著技術(shù)的發(fā)展，目前系統(tǒng)中使用的靜止同步補(bǔ)償器與有源電力濾波器的混合系統(tǒng)，可以實現(xiàn)電壓穩(wěn)定、電流諧波、功率因數(shù)改善等問題。STATCOM由于具有最佳的電壓補(bǔ)償精度、更小的體積、更快的響應(yīng)、靈活的操作以及在各種工況下都具有高動態(tài)響應(yīng)特性等優(yōu)點而受到廣泛的關(guān)注。

2 STATCOM的工作原理

FACTS補(bǔ)償裝置大致分為基于轉(zhuǎn)換器和基于晶閘管的補(bǔ)償裝置。STATCOM屬于基于轉(zhuǎn)換器的補(bǔ)償器類型，與基于晶閘器或晶閘器開關(guān)設(shè)備相比，STATCOM具有更好的性能。其與高壓交流系統(tǒng)的聯(lián)絡(luò)性較好，能夠平滑的補(bǔ)償無功，可以完成不同潮流、不同干擾下的無功功率補(bǔ)償任務(wù)，其補(bǔ)償精度、反饋速度較傳統(tǒng)的補(bǔ)償設(shè)備均有所提高。

電壓源轉(zhuǎn)換器(VSC)通過電抗器連接到交流電力系統(tǒng)。VSC的主要目的是產(chǎn)生補(bǔ)償?shù)臒o功功率，并以正常工作頻率來進(jìn)行工作，以減少轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部損失。充電電容器的作用是向轉(zhuǎn)換器提供直流電壓，反過來產(chǎn)生三相可控輸出電壓。交流電源系統(tǒng)與轉(zhuǎn)換器共用無功功率。通過改變輸出電壓E，可以控制無功轉(zhuǎn)換的方向，由輸出電壓E的幅值決定STATCOM的運行。操作分為三個不同的階段，如下所述：

（1）“E”的幅值越大：如果為E>V，則電流通過耦合變壓器的電抗，從而產(chǎn)生前導(dǎo)電流?？蓪⒔涣麟娫聪到y(tǒng)中的STATCOM視為一個電容器，可類比為電容器產(chǎn)生無功功率的原理。

（2）“E”的幅值較?。喝绻麨镋

（3）“E”=V的幅值：在這種情況下，系統(tǒng)中不產(chǎn)生無功功率的補(bǔ)償。

由于轉(zhuǎn)換器在系統(tǒng)中實現(xiàn)時存在內(nèi)部損耗，因此在實際使用轉(zhuǎn)換器的過程中必須考慮采取糾正的措施。否則，轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部損耗將吸收存儲在電容器中的能量，從而吸收較大的有功功率。為了避免這種情況，應(yīng)使轉(zhuǎn)換器的輸出電壓略滯后于交流系統(tǒng)電壓，使其只吸收少量的有源功率，使轉(zhuǎn)換器和整體系統(tǒng)平衡。STATCOM具有雙向的補(bǔ)償能力，即電感和電容補(bǔ)償，也能夠控制其輸出電流過高的電感和電容負(fù)載，STATCOM是一種基于GTO的SVC，但是它不需要像傳統(tǒng)SVC那樣利用大電容（電感）元件來進(jìn)行大型輸電線路的無功補(bǔ)償，可將其視為與系統(tǒng)電壓無關(guān)的電流源。STATCOM相對于SVC、TCS、UPFC、SSSC等其他FACTS設(shè)備的突出優(yōu)點是：占地面積更??；通過低壓系統(tǒng)提供更高的無功輸出；提高了傳輸系統(tǒng)的可靠性；傳輸系統(tǒng)的最大利用率更高；適用于低壓、重負(fù)荷電力系統(tǒng)；在高壓和輕負(fù)載下有更好的響應(yīng)速度和精度；在停電期間能夠吸收無功功率；可用作電力系統(tǒng)穩(wěn)定器。

3 STATCOM的配置

在STATCOM的應(yīng)用中，存在著多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其中，在應(yīng)用中，多級拓?fù)涓鼮槌Ｒ?，并可以在STATCOM的構(gòu)造或動作特征中添加修改。本文考慮的是更多層次的配置。在器件的基礎(chǔ)上，給出了二極管/晶閘管控制的電容器、廣義/級聯(lián)逆變器和新興拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的功能特征。

在二極管/晶閘管控制的電容器配置的情況下，如果輸出電壓中的電壓增加，則二極管和電容器的數(shù)量也會增加，從而導(dǎo)致控制的復(fù)雜性。然而，這些拓?fù)渚哂泄餐钠胶怆妷弘娖降闹绷麟妷?，增加了這些配置的優(yōu)勢。在沒有真實電壓（系統(tǒng)電壓）匹配的情況下增加電壓水平是這種配置的另一個優(yōu)點，由于所有的電容器都依賴于直流電壓，給高壓應(yīng)用增加了嚴(yán)重的問題，從而影響高壓系統(tǒng)的可靠性。

級聯(lián)多單元逆變器結(jié)構(gòu)比電容和二極管所連接的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)更簡單。在這里，兩個分支轉(zhuǎn)換器在每個相中被添加并串聯(lián)起來。通過將同相的變換器的電壓相加，就得到了該相的總電壓。一組上升的配置，即到n級，被認(rèn)為是廣義多能級層。每一層可以通過將下一個級別添加到上一個級別獲得。廣義多級結(jié)構(gòu)是一種具有平衡任意直流電壓的結(jié)構(gòu)。這個配置中的每一級都以電壓為目標(biāo)函數(shù)，并且獨立于負(fù)載增加的特性。在多級混合配置的情況下，STATCOM(全橋)被用來取代電容和二極管逆變器的多級結(jié)構(gòu)，反過來減少了直流電源的數(shù)量。這種配置在高壓電源應(yīng)用中具有重要作用。對于非對稱混合多電平配置，每個單元都有不平等的直流電壓水平。此外，每個層的轉(zhuǎn)換器有不同的電壓水平，將產(chǎn)生更多的無功功率，增加成本，平衡這樣的方案是非常棘手的，電路控制也因此變得非常困難。

軟開關(guān)、輔助諧振換極和零電壓轉(zhuǎn)換等調(diào)制方法的發(fā)展可以緩解調(diào)制困難，提高調(diào)制性能。這些調(diào)制技術(shù)分為主頻開關(guān)和高頻開關(guān)。選擇性諧波消除和矢量控制方法屬于第一類，而PWM和空間矢量屬于后一類，即高頻開關(guān)。通過對多級結(jié)構(gòu)和多脈沖結(jié)構(gòu)的比較，發(fā)現(xiàn)多脈沖結(jié)構(gòu)雖然有其重要性，但多脈沖結(jié)構(gòu)是基于磁耦合的，成本較高，而多級結(jié)構(gòu)更可靠。因此，與多脈沖結(jié)構(gòu)相比，具有更高的優(yōu)越性。

4 STATCOM的控制策略

本文 采 用 d-q 控 制系 統(tǒng) 對 TPWM、 UTPWM、 BTPWM和HTPWM 技術(shù)進(jìn)行比較分析，將基于DSTATCOM應(yīng)用于兩電平逆變器上，隨各技術(shù)的結(jié)果而變化。這些技術(shù)正在結(jié)合梯形信號和各種類型的PWM信號而發(fā)展起來。該技術(shù)可影響PQ潮流。

本文的分析是基于DSTATCOM的三相二電平逆變器。DSTATCOM是一種用于解決電能質(zhì)量問題的現(xiàn)代電力電子設(shè)備。兩電平逆變器并聯(lián)在PCC處，VSC、直流電路電容和控制器是DSTATCOM的主要組成部分。直流電容作為能量緩沖器，為連接在變換器直流母線上的DSTATCOM的正常工作提供直流電壓。兩電平逆變器提供了PCC和逆變器在電壓起伏期間的電壓差。利用d-q控制系統(tǒng)對其工作性能進(jìn)行了分析。

在這種控制策略中，d-q控制器使用輸出電壓作為輸入，將該d-q轉(zhuǎn)換為abc并轉(zhuǎn)交給PWM發(fā)生器產(chǎn)生逆變器的開關(guān)脈沖后，用PI控制器來消除和之間的誤差。以下是四種對PWM控制器的比較。

PWM信號：利用PWM技術(shù)降低了負(fù)載電流中的諧波失真。矩形或正方形脈沖用于調(diào)制其脈寬。通過比較所需的調(diào)制波形和高頻三角波形，產(chǎn)生PWM波形。

T-PWM技術(shù)：在TPWM技術(shù)的原理中，產(chǎn)生的PWM信號是梯形參考信號的乘積。由此產(chǎn)生的TPWM信號被用作轉(zhuǎn)換器開關(guān)的開關(guān)脈沖。

單極梯形PWM技術(shù)：采用PWM技術(shù)控制輸出電壓電平。通過使用較小尺寸的無源濾波器，PWM輸出電壓可以轉(zhuǎn)換為正弦波。使用UPWM(單極PWM)技術(shù)產(chǎn)生所需的脈沖。單極PWM減少載波計數(shù)。這是UPWM的主要優(yōu)點。與雙極PWM相比，單極PWM的載波計數(shù)減少了一半。通過使用邏輯門可以實現(xiàn)產(chǎn)生開關(guān)脈沖的控制邏輯。在UPWM中沒有任何負(fù)載波，因此不需要任何額外的控制邏輯。為了產(chǎn)生開關(guān)脈沖，采用了先進(jìn)的脈寬調(diào)制技術(shù)。梯形參考線有兩個部分，即坡度和角度。這里選擇斜率來生成梯形參考。

雙極梯形PWM技術(shù)：在多電平功率轉(zhuǎn)換中，采用了多種策略。該工作是首選的基于載波的PWM技術(shù)。多載波脈寬調(diào)制技術(shù)分為移相脈寬調(diào)制技術(shù)、載波配置技術(shù)和交替相位反相配置技術(shù)。

HTPWM 技術(shù)（Hybrid Trepozoidal PWM technique）：該拓?fù)淇梢苑譃閮刹糠?。第一種是由單極和雙極PWM組合產(chǎn)生的混合PWM，另一種是用于獲取開關(guān)脈沖的梯形參考信號。

以上為PWM信號及其四種不同的技術(shù)，利用仿真軟件進(jìn)行了仿真，并在此基礎(chǔ)上找到不同技術(shù)的補(bǔ)償優(yōu)勢。

控制器工作在0.1s到0.3s之間。在此基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)來自負(fù)載和源端的電壓和電流波形具有可變的FFT和THD。本文采用了不同類型的PWM生成方法來切換轉(zhuǎn)換器。為了得到更好的結(jié)果，使用梯形波形作為載波頻率，與產(chǎn)生的 PWM乘積，在所有其他情況下也使用梯形波形作為載波信號，產(chǎn)生不同類型的PWM技術(shù)。通過對所有方法的結(jié)果進(jìn)行比較，得出HTPWM 技術(shù)可以產(chǎn)生更好的補(bǔ)償效果。根據(jù)仿真結(jié)果，THPWM方法效果優(yōu)于其他方法，采用THPWM方法在提高電壓質(zhì)量、進(jìn)行電壓補(bǔ)償?shù)木群退俣确矫娑加刑岣摺?/p>

5 總結(jié)

STATCOM是FACTS家族中最重要的組成部分，在經(jīng)濟(jì)條件可接受的情況下，通過控制系統(tǒng)的分配可在高復(fù)雜環(huán)境下工作，具有很高的實用價值。廣泛接受的STATCOM拓?fù)浜团渲靡言诒竟ぷ髦嘘U述。除此之外，本文也詳述了基于DSTATCOM的PWM控制策略,并通過比較得出更適用于無功補(bǔ)償?shù)腡HPWM控制策略。本文所提出的控制策略對保證電力系統(tǒng)的質(zhì)量是非常必要的，因此可以通過STATCOM的通用能力來提高電能質(zhì)量。它是一種無功補(bǔ)償器，具有廣泛的應(yīng)用前景。STATCOM是一個非常成熟的設(shè)備，用于無功補(bǔ)償、諧波緩解和功率因數(shù)改善。簡而言之，它改善了電力系統(tǒng)的整體功率，提高了系統(tǒng)的可靠性。本文對STATCOM及其運行、發(fā)展、控制策略和應(yīng)用進(jìn)行了深入的綜述。