STATCOM對輸電系統及受端電能質量的影響

杜建霆

摘 要：STATCOM是以三相橋三平逆電器為主要電路設計的，設計STATCOM的單饋入輸電系統更是利用仿真軟件建立的。對電流波形的瞬時值進行實時追蹤反饋控制（直接電流控制）的一種常用的技術方法就是跟蹤型PWM控制技術。

關鍵詞：STATCOM;三相橋三電平逆變器;電能質量;控制系統

隨著電能逐步的滲透人們日常生活的方方面面，與人們的生活緊緊相連，輸配電技術也隨人們生活水平快速發展，從而讓“人們對輸電系統的受端電能質量也有了更高的要求。提高電能質量有著許多的優點，尤其對輸電系統和受端都有重要的作用。而諧波、電壓波動、功率損耗等都是影響電能質量的主要因素。如今我國為提高電能質量而使用的方式是對電力系統進行功功率補償。而電力系統功率補償方式和補償裝置種類分為很多種，而如今生活中使用最廣最多的補償裝置是并聯型的靜止同步補償器——STATCOM。STATCOM比統的補償裝置有著更多的優點。其中最主要的優點有能夠快速的提高功率因數和穩定接入點電壓的電能質量、響應速度快丶占地面積小等。

如今，全世界各國研究人員對改善電能質量和無動補償進行了大量的研究和改進，而大部分的研究都在無功補償裝置的類型及裝置容量上。為了取得更高的動態響應性能這一成就，科研人員們采用了各種各樣的智能控制算法。通過各種研究，在理論上和和實際中都取得了一定的成就，不僅改善了電網的電能質量，甚至取得了部分的補償效果。但是，很少有研究人員研究和討論無功補償裝置內部電力電子器協調控制、裝置成本和裝置利用率等相問題，而這些問題尤其是無功補償裝置內部電力電子協調控制技術的研究十分匱乏導致其內部產生了諧波，從而污染了電網的電能質量。

通過利用MATLAB/SIMULINK仿真軟件模擬設計了單饋入輸電系統，STATCOM的主要電路也是由三相三平逆變器設計。

1、STATCOM的工作原理及數學建模

1.1 STATCOM的工作原理

STATCOM的工作原理：利用關斷大功率電力的電子器件（如GTO，IGBT等）組成自抄換相橋式電路和電抗器并聯在電網上。不僅可以控制其幅襲值和相位，還可以控制電路的吸收或者發出無功電流，以使其達到動態無功補償的作用，前者是通過控制橋式電路交流測，后者是直接控制橋式電路交流測電流。如圖，如果此時使U1﹥Us，STATCOM就會發出無功功率，這個原理其實就相當于調電容器。相反，如果使U1

1.2 STATCOM主電機構

STATCOM（Static Synchronous Compensator，簡稱STATCOM，我們又叫它為靜止同步補償器），當用在配電網時，又被為DSTATCOM。要想控制無功電流源自動補償系統所需要的無功功率就需要將STATCOM并聯在電網之中，這樣做的目的就是并聯后它就等效為一個可變的無功電流源。這樣做可以使得并聯電容器裝置中的電力電子器件的諧波干擾污染問題得以解決，使得諧波得以抑制或治理，從而改善電能質量。

從理論上來說STATCOM 可以有使用電容和電感兩種形式，因而，能夠將其分為電壓源型和電流源型兩種，兩種源型如下圖所示：

電壓橋型式電路結構是本文中STATCOM的主電路使用的結構，電容儲能是這種STATCOM的直流側儲能元件。而其主電路的核心是逆變器的電路設計。如下圖所示，該逆變器運用的是以IGBT的中點鉗位（NPC）三相三平電壓型逆變電路。從圖上可以看出三相橋三電平逆變器的每一條線路上只了了承受了二分之一的直流電壓。因此，該電路解決了因為電壓升高而導致的器件間的串聯問題，從而使得裝置的可靠性得以加強，也提高了交流側輸出電壓波形的級數，不僅改善增進了輸出電壓的波形，還減少了諧波的含量。

2、 STATCOM的控制方式

對電流波形的瞬時值實時檢測反饋控制（直接電流控制）的一種常用技術方法就是跟蹤型PWM控制技術。跟蹤型PWM控制技術利用的比較方式是三角波比較方式（控制原理圖如下圖所示），這種控制是使用d-q坐標分解法來直接電流控制的方式，就是用瞬時電流的無功分量的參考值或者也可以用無功電流的參考值乘以滯后系統電壓900度的正弦波，然后再將得到的結果加上電流有功分量的瞬時參考值就可以取得最終的結果。這種控制方式的使用使得STATCOM的動態響應特性得到了很大程度上的改善。

3、輸電系統仿真模型的建立

3.1 STATCOM的仿真模型建立

兩個電壓源型換流器（VSC）用變壓器的結構并聯組成STATCOM的主電路，并聯后的STATCOM主電路再利用跟蹤型PWM控制技術對電流波形的瞬時值進行實時反饋管制由此完成對輸出電壓的波形質量進行實時監測控制。

3.2 輸電系統仿真模型建立

本輸電系統模型是在MATLAB/SIMULNK的基礎上建立的，此系統分別有B1、B2、B3三條母線，從B1到B2的輸電距離有18km，相當于π型等值電路;而母線B2到母線B3的輸電距離為2km，相當于電感模擬電路。將一個“3MW、0.2Mvar”的用電負荷接在母線B2之上，將母線B3通過一個降壓變壓器與一個“1MW”的固定負載和一個可變負載相連，同時，母線B3之上在裝上一個±3Mvar。

4、仿真結果分析

4.1輸電系統電壓波動時STATCOM的補償效果

通過對仿真結果進行分析，結果顯示STATCOM能夠在系統電壓出現波動后快速的發出或吸收相應的無功功率，從而使輸電系統電壓保持穩定，擁有優秀的解耦控制作用。

4.2 STATCOM在受端負荷引起電壓波動時的補償效果

通過相關結果顯示，在受端負荷引起電壓波動時，STATCOM能夠很快的做出反應，從而迅速穩定電壓，降低了系統電壓波動的恢復時間和幅度，使得輸電系統的電能質量得以大幅度提高。同時，STATCOM在其各種不同情況下會作出各種不同相應的反應。

4.3 STATCOM內部諧波的抑制

STATCOM內部擁有許多的電力電子產品，在接入電網之后，電力電子器件會產生諧波污染。在引入三相三電平和二重化技術后，用三相電壓調制波生成的并聯二重化運行的電壓源型變流器來消除脈沖，再經過第二個電壓型變流器載波轉動半圈，從而達到二重化運行的效果，使得STATCOM內的電力電子產業產生的諧波污染得以消除，減少其對輸電系統的污染，提高輸電系統的電能質量。

結論：

在使用MATLAB/SIMULNK仿真軟件中建立了STATCOM輸電系統仿真模型，從仿真實驗中可以得出以下結果：①STATCOM運用輸入輸出法是正確的，它很好的表現出了無功補償裝置的主要特性。②驗證了三電平技術和二重化技術的有效性。③在各種情況之下，STATCOM都體現出了優良的補償效果對輸電系統以及受端電能質量的提高有著極其重大的作用。

參考文獻：

[1]吳天民.MATLAB電力系統設計與分析【M】.北京：國防工業出版社，2009.

[2]薛定宇，陳陽泉.基于MATLAB/Simulink的系統仿真技術與應用【M】.北京：清華大學出版社，2008

[3]朱志健，王杰.三相電壓型PWM整流器的二自由度內膜控制【J】.電網與清潔能源，2015，31（11）：1-6.

（福建永福電力設計股份有限公司，福建 福州 350108）