靜止同步補償器在電能質量改善中的應用研究

王翰陽

（華北水利水電大學電力學院，河南鄭州，450000）

1 STATCOM的介紹

隨著現代工業的發展，各生產部門對不間斷能源供應的需求提高，大型冶煉企業、化工企業、精密加工企業對電能質量的要求逐步提高，增加了人們對電力質量的擔憂。維持和提高電能質量是當今人們主要關注的問題。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量的方法，其作用集中在柔性調節無功電力需求和減少由于開關動作產生的諧波方面。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、更快的相應而被廣泛采用。基于PWM的STATCOM具有廣泛的應用范圍，在復雜工作情況下仍具有靈活的工作狀態。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實現的目的不僅是保證系統無功補償的安全，而且重點是保持系統的電壓穩定。無功補償器是在上世紀七十年代開發的用于線路末端補償的裝置。這些補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合使用，以消除由于電子器件的開關動作而產生的諧波影響。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通角角度，來進行無功補償的實現。該技術已被廣泛接受，但操作靈活性有限，隨著電壓源轉換器(SVC)技術的進步，人們更加關注能夠實現自投入的固態器件。同樣，還有IGBT、IEGT、GCT、GTO 等幾種開關設備。已多次用于開發、建立一個新的控制器當中，如UPFC、STATCOM等。隨著技術的發展，目前系統中使用的靜止同步補償器與有源電力濾波器的混合系統，可以實現電壓穩定、電流諧波、功率因數改善等問題。STATCOM由于具有最佳的電壓補償精度、更小的體積、更快的響應、靈活的操作以及在各種工況下都具有高動態響應特性等優點而受到廣泛的關注。

2 STATCOM的工作原理

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

電壓源轉換器(VSC)通過電抗器連接到交流電力系統。VSC的主要目的是產生補償的無功功率，并以正常工作頻率來進行工作，以減少轉換器的內部損失。充電電容器的作用是向轉換器提供直流電壓，反過來產生三相可控輸出電壓。交流電源系統與轉換器共用無功功率。通過改變輸出電壓E，可以控制無功轉換的方向，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，從而產生前導電流。可將交流電源系統中的STATCOM視為一個電容器，可類比為電容器產生無功功率的原理。

（2）“E”的幅值較小：如果為E

（3）“E”=V的幅值：在這種情況下，系統中不產生無功功率的補償。

由于轉換器在系統中實現時存在內部損耗，因此在實際使用轉換器的過程中必須考慮采取糾正的措施。否則，轉換器的內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，應使轉換器的輸出電壓略滯后于交流系統電壓，使其只吸收少量的有源功率，使轉換器和整體系統平衡。STATCOM具有雙向的補償能力，即電感和電容補償，也能夠控制其輸出電流過高的電感和電容負載，STATCOM是一種基于GTO的SVC，但是它不需要像傳統SVC那樣利用大電容（電感）元件來進行大型輸電線路的無功補償，可將其視為與系統電壓無關的電流源。STATCOM相對于SVC、TCS、UPFC、SSSC等其他FACTS設備的突出優點是：占地面積更小；通過低壓系統提供更高的無功輸出；提高了傳輸系統的可靠性；傳輸系統的最大利用率更高；適用于低壓、重負荷電力系統；在高壓和輕負載下有更好的響應速度和精度；在停電期間能夠吸收無功功率；可用作電力系統穩定器。

3 STATCOM的配置

在STATCOM的應用中，存在著多種拓撲結構。其中，在應用中，多級拓撲更為常見，并可以在STATCOM的構造或動作特征中添加修改。本文考慮的是更多層次的配置。在器件的基礎上，給出了二極管/晶閘管控制的電容器、廣義/級聯逆變器和新興拓撲結構的功能特征。

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量也會增加，從而導致控制的復雜性。然而，這些拓撲具有共同的平衡電壓電平的直流電壓，增加了這些配置的優勢。在沒有真實電壓（系統電壓）匹配的情況下增加電壓水平是這種配置的另一個優點，由于所有的電容器都依賴于直流電壓，給高壓應用增加了嚴重的問題，從而影響高壓系統的可靠性。

級聯多單元逆變器結構比電容和二極管所連接的拓撲結構更簡單。在這里，兩個分支轉換器在每個相中被添加并串聯起來。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。廣義多級結構是一種具有平衡任意直流電壓的結構。這個配置中的每一級都以電壓為目標函數，并且獨立于負載增加的特性。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構，反過來減少了直流電源的數量。這種配置在高壓電源應用中具有重要作用。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，每個層的轉換器有不同的電壓水平，將產生更多的無功功率，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、輔助諧振換極和零電壓轉換等調制方法的發展可以緩解調制困難，提高調制性能。這些調制技術分為主頻開關和高頻開關。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。通過對多級結構和多脈沖結構的比較，發現多脈沖結構雖然有其重要性，但多脈沖結構是基于磁耦合的，成本較高，而多級結構更可靠。因此，與多脈沖結構相比，具有更高的優越性。

4 STATCOM的控制策略

本文 采 用 d-q 控 制系 統 對 TPWM、 UTPWM、 BTPWM和HTPWM 技術進行比較分析，將基于DSTATCOM應用于兩電平逆變器上，隨各技術的結果而變化。這些技術正在結合梯形信號和各種類型的PWM信號而發展起來。該技術可影響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量問題的現代電力電子設備。兩電平逆變器并聯在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控制系統對其工作性能進行了分析。

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轉換為abc并轉交給PWM發生器產生逆變器的開關脈沖后，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技術降低了負載電流中的諧波失真。矩形或正方形脈沖用于調制其脈寬。通過比較所需的調制波形和高頻三角波形，產生PWM波形。

T-PWM技術：在TPWM技術的原理中，產生的PWM信號是梯形參考信號的乘積。由此產生的TPWM信號被用作轉換器開關的開關脈沖。

單極梯形PWM技術：采用PWM技術控制輸出電壓電平。通過使用較小尺寸的無源濾波器，PWM輸出電壓可以轉換為正弦波。使用UPWM(單極PWM)技術產生所需的脈沖。單極PWM減少載波計數。這是UPWM的主要優點。與雙極PWM相比，單極PWM的載波計數減少了一半。通過使用邏輯門可以實現產生開關脈沖的控制邏輯。在UPWM中沒有任何負載波，因此不需要任何額外的控制邏輯。為了產生開關脈沖，采用了先進的脈寬調制技術。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：在多電平功率轉換中，采用了多種策略。該工作是首選的基于載波的PWM技術。多載波脈寬調制技術分為移相脈寬調制技術、載波配置技術和交替相位反相配置技術。

HTPWM 技術（Hybrid Trepozoidal PWM technique）：該拓撲可以分為兩部分。第一種是由單極和雙極PWM組合產生的混合PWM，另一種是用于獲取開關脈沖的梯形參考信號。

以上為PWM信號及其四種不同的技術，利用仿真軟件進行了仿真，并在此基礎上找到不同技術的補償優勢。

控制器工作在0.1s到0.3s之間。在此基礎上，發現來自負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生成方法來切換轉換器。為了得到更好的結果，使用梯形波形作為載波頻率，與產生的 PWM乘積，在所有其他情況下也使用梯形波形作為載波信號，產生不同類型的PWM技術。通過對所有方法的結果進行比較，得出HTPWM 技術可以產生更好的補償效果。根據仿真結果，THPWM方法效果優于其他方法，采用THPWM方法在提高電壓質量、進行電壓補償的精度和速度方面都有提高。

5 總結

STATCOM是FACTS家族中最重要的組成部分，在經濟條件可接受的情況下，通過控制系統的分配可在高復雜環境下工作，具有很高的實用價值。廣泛接受的STATCOM拓撲和配置已在本工作中闡述。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償的THPWM控制策略。本文所提出的控制策略對保證電力系統的質量是非常必要的，因此可以通過STATCOM的通用能力來提高電能質量。它是一種無功補償器，具有廣泛的應用前景。STATCOM是一個非常成熟的設備，用于無功補償、諧波緩解和功率因數改善。簡而言之，它改善了電力系統的整體功率，提高了系統的可靠性。本文對STATCOM及其運行、發展、控制策略和應用進行了深入的綜述。