靜止同步補償器（STATCOM）拓撲結構的發展綜述

徐林菊

【摘要】隨著電力系統對高電壓和大容量的要求，靜止同步補償器的拓撲結構向多電平模塊化的方向不斷發展。本文主要從靜止同步補償器拓撲結構：變壓器多重化結構、二極管鉗位型多電平變換器、飛跨電容多電平逆變器、級聯型多電平變換器、模塊化多電平變換器、混合級聯多電平換流器以及帶蓄電池儲能裝置的靜止同步補償器進行了綜述。

【關鍵詞】STATCOM;拓撲結構;電能質量

1.引言

靜止同步補償器（Static Synchronous Compensator， STATCOM）是柔性交流輸電系統（FACTS）的核心裝置和技術之一，可以解決配電網中無功、諧波、電壓波動與閃變、三相電壓不平衡等電能質量問題。隨著電力負荷和輸電容量的不斷增加，STATCOM向高壓大容量發展，STATCOM拓撲結構也在不斷發展。本文從STATCOM拓撲結構的發展進行了綜述。

2.STATCOM的拓撲結構

圖1為STATCOM拓撲結構，核心器件為電壓源逆變器，由大功率電力電子開關器件組成，將直流電源變換為具有一定頻率和幅值的交流電壓;電容起電壓支撐的作用;耦合變壓器將大功率變流裝置與電力系統耦合在一起。

圖1 STATCOM拓撲結構

STATCOM主要有兩種基本結構：變壓器多重化結構和多電平結構。多電平結構的STATCOM包括：二極管鉗位型、飛跨電容型、級聯型和模塊化型。

2.1 變壓器多重化結構的STATCOM[1]

其性能改善了波形質量，更接近正弦波。原因在于多重化結構，不同相位的方波電壓由若干個單相或三相逆變器產生，并用變壓器將其串聯在一起，疊加而成的波形，諧波畸變率減少。缺點是：變壓器和驅動電路結構復雜，動態響應慢、占地面積比較大，不經濟。

圖2 變壓器多重化結構的STATCOM

2.2 二極管鉗位型多電平變換器[2]

如圖3：VT為三極管，VD為蓄流二極管，D為鉗位二極管，C為均壓電容，將直流電壓分為三電平。缺點：功率開關較多，不經濟。優點：提高了裝置的輸出容量。

圖3 二極管鉗位型三電平STATCOM拓撲結構

2.3 飛跨電容多電平逆變器

圖4 電容鉗位三電平STATCOM拓撲結構

電容起對功率開關進行直接鉗位的作用，但是隨著電平數目的增加，鉗位器件的數量增加，主電路和控制系統的實現難度增加;直流側的電壓不對稱;不經濟且封裝難度增大[3]。

2.4 級聯型多電平變換器[4]

圖5 級聯型STATCOM拓撲圖

每相采用多個單相 H 橋電路串聯;換流器由N個H橋子模塊級聯而成，每個子模塊有相應的直流電源且電壓相等，輸出電壓是各個子模塊輸出的電壓之和。優點：器件使用較少，易于模塊化;軟件控制容易實現，方法簡單，克服了電池組相串聯充放電不均衡的缺點。

圖6 單相鏈式STATCOM拓撲圖

單相鏈式STATCOM為級聯型，與同容量靜止無功補償器相比，具有調節范圍廣、調節速度快、欠壓下無功調節能力強、諧波含量小、減少系統諧振發生的優點[5]。

2.5 模塊化多電平變換器

模塊化多電平變流器的MMC-STATCOM拓撲結構如圖7：三相主電路有六個橋臂，各橋臂由N個子模塊和緩沖電感Lf組成。通過電感Ls連接到公共交流電網。子模塊是由兩個開關管VT1和VT2以及各自反并聯的二極管VD1，VD2，直流電容C組成的半橋電路[6]。

圖7 模塊化多電平變換器STATCOM的拓撲結構

上、下橋臂同時運行的子模塊數為N保證了三相對稱運行。改進型MMC-STATCOM 拓撲無公共直流儲能環節部分（虛線部分），克服了傳統MMC-STATCOM上、下橋臂同時投入子模塊數為N的缺點，結構簡單，造價低[7]。

2.6 混合級聯多電平換流器（Hybrid Cascaded Multilevel Converter，HCMC）[8]

HCMC-STATCOM由常規二電平電壓源換流器和H橋子模塊級聯而成的整形電路兩部分構成。

圖8 HCMC-STATCOM的拓撲結構

DS模塊由多個IGBT串聯而成如圖9。整形電路是有n個子模塊串聯而成，子模塊如圖10，每相二電平換流器是由兩個導通開關組成。HCMC-STATCOM是一個強耦合非線性的系統，可降低開關損耗，級聯模塊的電壓等級具有一致性，模塊化易于實現，波形具有良好的質量。

圖9 DS模塊

圖10子模塊

2.7 帶蓄電池儲能裝置的靜止同步補償器（STATCOM/BESS）[9]

文獻[9]提出了帶蓄電池儲能裝置的靜止同步補償器，可以克服傳統電壓型逆變器STATCOM與系統進行無功交換，當遇到阻性壓降導致末端電壓降低、阻尼系統有功振蕩、提高新能源的穿透功率極限等問題[10]。蓄電池儲能裝置與靜止同步補償器的連接方式：直接并聯在直流側[11]， 二端口和直接相連;直接DC/DC并聯在直流側;經隔離式DC/DC并聯在直流側[12]。

圖11 蓄電池與STATCOM 的連接方式

圖12 蓄電池組直接DC/DC并聯在直流側

圖13 蓄電池組經隔離式DC/DC并聯在直流側

3.結語

靜止同步補償器作為電能質（下轉第85頁）（上接第82頁）量的調控裝置，具有良好的動態調控性能。隨著電力系統對高電壓和大容量要求，靜止同步補償器的拓撲結構不斷發展，隨之新的控制策略的應用，對保證電力系統的安全穩定、良好的電能質量起著十分重要的作用。

參考文獻

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