静止同步补偿器(STATCOM)的应用与控制技术研究
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中图分类号：TN715+.2文献标识码： A 文章编号：
1课题背景及意义（Background and Significance of The Research ）
在现代社会中，能源为人民生产生活提供了有力的保障。而电能更成为我们离不开的能源。然而，由于中高压、大功率的电力电子器件在电力系统中的应用、发展，带来技术进步的同时也带来了许多电能质量问题。许多电力电子装置不仅功率因数很低，而且谐波污染严重，这就给电网带来了额外负担，影响了供电质量。除此之外，电网系统中本身存在的轧钢机、电弧炉等冲击性不平衡负荷，运行中会产生大量的高次谐波，并使得系统产生电压波动和闪变并引起三相不平衡这些危害系统性能的电能质量问题。如何进行无功补偿和谐波治理，进而提高电能质量，已经成为了目前输配电技术中最为紧迫的问题之一。
无功补偿主作用很多，它不仅可以稳定电网系统及装备使用端的电压，如果在长距离输电线路中的某些合适的地方投入就地补偿的无功补偿装置，还可以提高输电系统的输电能力。无功补偿会使系统和负载的功率因数有很大的提高，这将降低设备的容量，有利于减少功率损耗。另外，在系统电压不平衡时或者三相负载不对称，无功功率补偿还可以改善系统的不平衡度。
无功补偿和谐波治理在使用设备和控制上具有一定的一致性，无功补偿的同时也会对谐波有所抑制。但无功功率补偿更偏向提高电力设备利用率，稳定电网电压。所以，实时快速的无功补偿对提高电网运行的稳定性能，保证供电质量具有十分重要的实际意义。
2无功补偿装置的发展概况（The Development Situation Of Reactive Power Compensation Device ）
无功补偿装置经历了四个发展阶段，各阶段的装置分别为同步调相机、无功补偿电容器、静止无功补偿器（SVC）以及静止同步无功补偿器（statcom）。各种无功补偿装置在响应速度、补偿方式、控制策略等方面有较大区别，表1-1给出了其对比。
表1-1 各种无功补偿装置的对比
Table 1-1 comparison between different reactive compensation device
同步调相机是一种旋转电机，是早期无功补偿装置里非常典型的一种。同步调相机不仅能补偿固定的无功功率，也可以补偿变化的动态无功。但是由于其耗损和噪声都较大，运行维护复杂，响应速度慢现在已逐步被取代，有些国家甚至不再使用。并联电容器可提供超前的无功功率，而且成本很低，简单方便，目前仍是我国主要的无功补偿方式，多装设于降压变电所内，也可就地补偿。但是并联电容器只能补偿固定的无功功率，并且在系统有谐波时，存在危险，可能发生并联谐振，放大谐波，更严重时烧毁电容器。静止无功补偿装置(SVC)近年来发展很快，其两大代表分别是晶闸管投切电容器(TSC)和晶闸管控制电抗器(TCR)。这两大代表各自有其优缺点。TSC只能将电容的分组不连续投切，影响调节质量，灵活性差但是无谐波电流。TCR采用相控原理，可以分相调节，控制简单，但自身产生大的谐波，损耗较TSC大。静止无功补偿装置目前占据了无功补偿装置的主导地位。
随着电力电子技术的进一步发展，采用自换相变流电路的静止同步补偿器(STATCOM)出现了，与传统的无功补偿装置相比，STATCOM采用了自换向GTO和IGBT等全控型器件，且属于有源补偿器，在原理上不需储能元件与系统交换无功，实际中使用的电抗器和电容元件远比TCR和TSC中使用的电抗器和电容元件要小，大大缩小了装置的体积和成本。STATCOM在电力系统中通常被用来维持公共连接点电压，提高系统电压稳定性以及改善电流系统的稳态和动态性能。它在输电系统、配电系统以及工矿企业中都已经有了广泛的应用。由于STATCOM具有动态性能好、运行范围广、响应速度快、连续吸收无功、补偿效果好以及减小占地面积等优点，它必将取代SVC成为新一代主流的无功补偿装置。
3三电平STATCOM的工作原理 (Operating Principle of Three-level STATCOM)
图2-1三电平STATCOM主电路
Figure2-1 Topology of three-level STATCOM
只要改变电网电压与STATCOM交流输出电压的夹角也就是相位差，并相应的改变交流输出电压的幅值，STATCOM交流侧输出电流的相位和大小将随之而改变,从而达到无功补偿目标，使系统无功功率满足要求。
4 STATCOM控制策略分析(The Analysis of STATCOM Control Strategies )
TATCOM的控制目标是使产生的补偿电流实时跟踪指令电流，由无功电流参考值调节STATCOM产生所需的无功电流。STATCOM具有多种控制方式。基本的控制策略可分为开环、闭环以及复合控制。按照控制器不同划分，主要有PI控制、神经网络控制和模糊控制等智能控制、自适应控制、非线性控制等；按照电流控制方式，有间接和间接电流两种控制方式。
电流间接控制方法主要是将STATCOM看作一个交流电压源，根据其稳态方程，通过控制STATCOM变换器交流侧电压的相位和幅值，间接的对STATCOM的交流侧电流进行控制。而电流直接控制方法则将STATCOM看作一个交流电压源，主要采用跟踪型脉宽调制技术对STATCOM实际输出电流的瞬时值进行反馈控制，使输出的电流围绕着给定的正弦波作锯齿状上下波动。
采用直接控制的系统稳定性高、动态性能好，还可以抑制负序电流电流，输出谐波电流含量小，但是它本质上是对电流瞬时值的跟踪，这对主电路开关器件的开关频率有较高要求，这在系统容量较大时难以满足。而间接控制方法简单、技术成熟，可以应用于高压大容量系统。所以，目前工业上广泛应用的大功率STATCOM均采用间接电流控制算法。
4.1 STATCOM补偿电流检测方法（Compensation Current Detection of STATCOM）
补偿电流的检测精度和速度在很大程度上决定了STATCOM的补偿性能。在不同的功率定义下，其检测方法不同。目前，基于瞬时无功功率理论的电流检测法，对于三相平衡系统的畸变电流检测非常有效，具有很好的实时性。FBD检测法具有明确的物理意义，计算量小，实现简单，功率定义更合理，且采用基于FBD功率理论补偿后，有功损耗最小。
FBD法的实质是在实际电路里用等效电导代替各相负载，能量都消耗在这个等效电导上，利用此等效电导来分解电流，可以将需要补偿的电流分量计算出来。
4.2 三电平STATCOM平衡及不平衡情况下控制策略研究（The Control Strategies of Three-level STATCOM）
静止同步补偿器的控制是决定其补偿性能的关键，依据检测出的指令电流，使STATCOM的交流侧输出电流准确快速地跟踪指令电流的变化，这是STATCOM控制策略的目标。将检测出的电流作为无功电流参考值，根据这个参考值调节STATCOM真正产生所需的无功电流。在实际中，应当根据STATCOM的应用场合、需要实现的功能以及补偿目的的不同来选择相对合适的控制策略，以满足系统的功能要求。一般来说，需要首先采用电流跟踪控制技术，实时检测出负载电流中需要补偿的指令电流，然后控制静止同步补偿器向系统注入大小相同、方向相反的补偿电流。
STATCOM系统不仅需要对产生的无功电流进行控制，使之跟踪指令电流，发出满足动态补偿要求的无功功率。而且为了保持补偿单元的正常工作，还需要保持其直流电容电压为定值。但是，STATCOM系统非常复杂、具有非线性，其交流输出和直流电压之间耦合关系比较强，当调节交流输出的同时必然会引起直流电容电压的幅度变换，反之亦然。因此，需要对STATCOM进行解耦控制，才可以很好的调节无功电流跟随参考值变化。此外，由于选择的电流间接控制方式依赖于静止无功补偿单元的脉冲触发控制策略，脉冲触发控制的效果会对系统的动态补偿性能造成直接的影响。特别是针对大容量的三电平STATCOM，更需要研究一种适合的脉冲调制方法。
5结论和展望（Conclusions and Prospect）
在平衡情况下，采用PI解耦控制的三电平STATCOM补偿效果已经比较理想，补偿后电网电流的各相电压电流相位一致，且直流侧电压比较稳定，直流侧中点电压波动也不大。但是在不平衡情况下，补偿后的三相电网电流仍存在不平衡，电压电流波形存在一定的畸变，对系统的不平衡的改善没有帮助。
采用基于序分解的PI解耦不平衡控制的三电平STATCOM在不平衡情况下具有良好的控制效果和补偿性能，补偿后三相电网电流变为的对称了，电网电流不平衡程度得到了改善，功率因数接近于1且非常稳定。