statcom原理及控制方法要点

1 1、前言、前言 静止同步补偿器Static Synchronous Compensator, STATCOM ， 是目前最先进 的无功补偿技术，近年来随着电力电子开关技术的进步而逐渐兴起。STATCOM 的原理是利用全控型大功率电力电子器件构成可控的电压源或电流源， 使其输出 电流超前或滞后系统电压 90 ，从而对系统所需的无功进行动态补偿。早期有文 献称之为静止无功发生器Static Var Generator, SVG 。利用电力电子变流器进行 无功补偿的可能性虽然早在 20 年前就已经为人们所认识， 但限于当时电力电子 器件的耐压和功率水平，无法制造出输电系统中具有实用价值的装置。直到近年 来，尤其是高压大功率的门极可关断晶闸管GTO 的出现，才极大的推动了 STATCOM 的开发和应用。STATCOM 是并联型 FACTS 设备，它同基于可控 电抗器和投切电容器的传统静止无功补偿器 SVC 相比， 性能上具有极大的优越 性，越来越得到广泛的重视，必将取代 SVC 成为新一代的无功电压控制设备。 目前，世界上已有多台投入运行的大容量 STATCOM 装置，如表 1-1 所示。由 此可见， 目前为止国际上只有美、 日、 德、 中、 英等少数几个国家掌握了 STATCOM 的应用开发技术。2006 年 2 月 28 日，由上海电力公司、清华大学、许继集团 公司等单位共同研制的50Mvar STATCOM 在上海黄渡分区西郊变电站并网试 运行。 表 1-1国内外已在输电系统投运的 STATCOM 装置（UPFC 并联部分为 STA TCOM） 表 1-1 中除最后一项外，全部采用了变压器多重化的主电路方案，主电路 拓扑为图 1-1。变压器多重化方式可成倍增加装置容量并降低输出谐波。然而， 多重化变压器的引入带来了很多问题首先，它的价格非常昂贵，约为成本的 1/3～1/4；其次，它使装置增加了 50％左右的损耗和 40％左右的占地面积；第 三， 变压器的铁磁非线性特性给控制器设计带来了很大的困难，同时也是引发装 置故障的重要原因。 如果能研究一种新的电路拓扑克服由多重化变压器带来的 诸多不便，那么将引起大容量 STATCOM 技术的一次大的飞跃。多电平变换器 技术的引入正是这个关键技术的不二选择 图 1-1.带多重化变压器的 STA TCOM 拓扑 STATCOM 是第二代 FACTS 技术的代表，它的出现是电力系统无功补偿 技术的又一次革命。其具备了在容性和感性范围内双向连续调节补偿电流的能 力，适应了电力系统对各种运行工况的需求，同时还具有动态响应速度快、补偿 电流谐波含量小相比 SVC的特点，彻底解决了以往的无功补偿设备所存在的 缺陷。与采用第一代 FACTS 技术的 SVC 相比，STATCOM 具有以下优势 1、STATCOM 的动态响应过程更快，在目前的工程应用中，STATCOM 的 响应时间可以做到 20ms 以下，而 SVC 则通常需要 40ms 以上。 2、STATCOM 的输出特性不受系统电压影响，当电压下降时装置输出的无 功保持不变；而 SVC 装置补偿的无功与电压的平方成正比，当无功不足导致系 统电压下降时，其所能提供的最大补偿容量也随之下降。 3、STATCOM 的直流侧储能元件只对电压或电流起到支撑作用，因此所需 要的电容或电抗值远小于补偿容量，大大减小了装置体积；而 SVC 的最大补偿 容量受到器件阻抗特性的限制，因此需要配备较大的电容和电抗器，导致装置的 体积与占地面积较大。 4、STATCOM 输出的电压或电流几乎为正弦波形，因此产生的谐波污染较 小；SVC 通过控制电抗导通角的方式进行调节，流过电抗器的电流为非正弦， 将产生大量的谐波注入电网，造成严重的谐波污染，在某些情况下需要与无源或 有源的滤波装置配合使用。 5、STATCOM 相当于一个可控电源，因此不改变系统阻抗，不会与系统发 生谐振；SVC 装置是电抗或电容型的，接入电力系统容易与系统阻抗产生谐振。 虽然目前电力系统中应用最为广泛的无功补偿设备还是 SVC，但是电力电子技 术以及电力系统研究专家普遍认为， STATCOM 所具有的以上优势使其成为传统 无功补偿设备的理想替代者， 全面满足了电力系统对无功补偿的各项要求， 使 21 世纪的电力系统运行品质更为卓越。 2 2、、STATCOMSTATCOM 的工作原理的工作原理 从理论上分析， STATCOM 的直流侧可以采用电容或者电感两种形式。 因此， 其基本拓扑结构分为电压源型和电流源型，分别如图 2-1、2-2 所示 图 2-1电压源型 STATCOM 图 2-2电流源型 STATCOM 实际上，目前 STATCOM 装置中研究最深入、应用最广泛是电压源型逆变器结 构，原因如下 1、 电流源型逆变器的工作原理， 需要采用具有对称特性的大功率开关器件， 即双向电压阻断能力。而目前常用的可关断器件存在反向阻断能力差、导通损耗 过大的问题；相比之下，电压源型逆变器则不会受到该限制。 2、电流源型逆变器直流侧储能电感不具备防止器件过电压的能力，因此需 要安装额外的保护电路或者增大取值裕量；相比之下，电压源型逆变器的直流电 容本身具备防止功率器件过电压的能力。 3、电流源型逆变器的直流侧储能电抗在工作中会产生比较大的损耗，给装 置设计带来困难；而电压源型逆变器的储能电容损耗要小的多。电压源型逆变器 具有的以上优势使其成为目前条件下更合理的选择， 因此本文主要研究基于电压 源型逆变电路的 STATCOM。电压源型 STATCOM 的工作原理，是通过可控的 大功率电力电子开关器件将直流侧电压进行逆变， 从而在逆变器交流侧输出一个 与电网同频的正弦电压。此时 STATCOM 可以视为一个与电网同步的并且灵活 控制的交流电压源，其接入系统时的等效电路如图 2-3 图 2-3电压源型 STATCOM 接入系统的等效图 图中U S 为 STATCOM 公共接入点Point of Common Coupling, PCC处系统电 压，U I 为 STATCOM 交流侧逆变输出电压，L 为连接电抗器，于是 STATCOM装置输出的电流为 进而得到 STATCOM 输出的单相视在功率为 在理论上，STATCOM 只对无功进行补偿，因此与电网之间不存在有功的往返。 然而实际上由于开关损耗以及电容和电抗上等效电阻的存在， STATCOM 装置还 是需要从电网吸收很小的有功电流以维持直流侧电压平衡。 由于这部分有功相比 无功非常微小，因此在进行理论分析的时候一般忽略不计。最后近似认为 STATCOM 输出的电压U与电网电压U S 相位相同，从而得到装置输出的单 I 相无功功率为 由以上分析可得，在正常工作时 STATCOM 具有无功双向调节能力即容性工 况和感性工况，分别如下图所示 图 2-4容性工况 图 2-5感性工况 1当U I ＞U S ，即 STATCOM 装置交流侧逆变电压幅值大于系统电压幅 值，此时流过电抗器的补偿电流超前系统电压 90，STATCOM 装置向系统输 出 正的无功功率Q＞0，