1、静止无功补偿技术STATic synchronous COMpensatorSTATCOM静止同步补偿器技术静止同步补偿器技术STATCOM的优点的优点 STATCOM是基于GTO或IGBT的电压型逆变器和直流电容器构成的。它是现代柔性交流输电系统（FACTS）的核心部分，同以往的静止无功补偿装置相比较，STATCAM具有以下优点：（1）静止运行，安全稳定，没有大型转动设备，没有磨损，也没有机械噪声，很大程度上提高了装置的使用寿命；（2）在提高系统的暂态稳定性，阻尼系统振荡等方面，STATCAM也是传统的同步调相机所不能比拟的；（3）在STATCOM装置中，采用直流电容器来替代交流电容器，可以
2、省去常规装置中的大电感，大电容及相关的切换机构，故能减少STATCOM装置的体积，降低损耗；（4）STATCOM为电压源逆变装置，电容器的容量小，在网络中普遍使用，不容易产生谐振；（5）STATCOM控制灵活，调节范围广，无论在感性还是容性的工况下，都可持续快速调节，响应时间为2030ms。基于PWM调制的STATCOM装置，其最快的响应时间可在10ms左右（6）谐波量小。在STATCOM中，一般采用桥式交流电路的多重化技术和多电平技术，或者PWM技术进行处理，以消除较低此谐波，使较高次谐波如7，11次谐波等，减小到可接受的程度；（7）连接电抗小。STATCOM接入电网的连接电抗，除能将变流器
3、和电网这两个交流电压连接起来，所以所需的电感量不大，量值远远小于补偿容量相同的TCR等SVC装置所需电感量。如果运用降压变压器将STATCOM接入电网，还可利用降压变压器的漏抗，进一步减小使所需的连接电抗；（8）STATCOM端电压，对外部运行条件和结构变化不敏感。当外部系统容量与补偿器容量接近时，SVC将会变得不稳定，但STATCOM仍可保持系统电压稳定；（9）STATCOM产生的无功电流，基本上不受系统电压的影响。对系统电压进行瞬时补偿，即使系统电压降低，仍可保持最大无功电流。 正因为如此，STATCOM作为一种新型的无功补偿调节装置，应该说是目前性能最好的无功补偿装置，也是现代无功补偿装
4、置的发展方向。它是国内外电力系统行业的重点研究课题之一。一、一、STATCOM的基本工作原理1 STATCOM1 STATCOM的等效电压源特性的等效电压源特性 设有一个并网电压源逆变器，通过某种控制方式，在其逆变输出侧产生一个这样的正弦电压 与电源电压同步（频率相同） 幅值可调 相位可调（以电源电压为参考）控制与驱动UdcgUggUU同步发电机可调电压源的一种实现方法示例可调电压源的一种实现方法示例图6-6urucuOtOtuouofuoUd-Ud双极2电平载波比调制深度载波调制波iL=iL.p+iL.qiS=iL.piC=iL.quaubuc驱动电路PWM信号DSTATCOM用电负荷PWM
5、发生器调节器IL.qIC负荷无功电流计算iL.abcuabc+-PLLwt2 2 低压低压STATCOMSTATCOM的典型电路的典型电路3 VSC3 VSC变换器的四象限运行区间变换器的四象限运行区间jXgUSUXUUPgSsinXUUUQgSScos20jXUUIGS*IUS4 STATCOM4 STATCOM的理想运行区间的理想运行区间0PXUUUQgSS05 STATCOM5 STATCOM的实际运行区间的实际运行区间XUUPgSsinXUUUQgSScos606 STATCOM6 STATCOM的损耗分析的损耗分析0SUjXgUP, Q, iRIgURIXI jSUsinSUsins
6、inRUIIRUSS22sin)sin(RUPIUPSS)2sin(2)cos(2RUQIUQSSUG是一个理想的纯无功发生源STATCOMcosSURXRXUURXUUUSgSSg1sincossincos本数学模型仅针对电容储能型和单变量控制。22)(sinRUPSP2sin22RUQSQ7 7 基于损耗的潮流分析模型基于损耗的潮流分析模型NSbaseUU.NSTATCOMbaseQS.basebasebaseSUZ2交流侧dcVVSIUkUtUudcVSIsin23直流侧？baseVdcbaseUkU1.8 8 标幺化模型的基准选择标幺化模型的基准选择2*1RP *1RQ *11RXRX
7、UUgdc直流侧2*sin1RP 2sin21*RQ 简化交流侧9 9 标幺化模型标幺化模型二、二、STATCOM的工作参数估计 STATCOM系统的工作参数除了交流电源的参数和本身的额定容量外，主要有两个：控制角和直流侧电压。2*1RP *1RQ 11*NNQR2*1NNRP*NNNRP 输出额定无功时譬如：X*=0.2，X/R=5R*=0.04=2.3，PN*=4%额定损耗决定了额定损耗决定了 的范围！的范围！1 STATCOM1 STATCOM参数估计参数估计控制角范围控制角范围*1RQ 1*0 .dcU0000Q零无功输出时 连接电抗决定了直流电压逆变电压无功的输出范围！*1RXUdc
8、 *11XXUdc*0 .*RXUUUdcdcdc*.*XURNdcN增量2 STATCOM2 STATCOM参数估计参数估计直流电压范围直流电压范围三、三、STATCOM的主要元件选择 STATCOM系统的参数主要有两个：滤波电抗器和直流侧电容器。其中，滤波电抗器对系统设计和运行性能有着全面而显著的影响。(1) 滤波电抗器对系统结构的影响： 滤波电感越大，额定无功输出时的直流电压越高，对直流电容器和电力电子器件的耐压水平要求也越高。由于器件耐压水平的限制，增大电感可能会导致逆变器结构的变化或增大装置结构的复杂程度。 *11XXUdc1 1 滤波电抗器的选择滤波电抗器的选择 例：例：设三相桥式
9、逆变器结构，电源电压设三相桥式逆变器结构，电源电压380V，调制深，调制深度度 =0.9，直流电容为，直流电容为2200uF，采用，采用SPWM控制，则空控制，则空载直流电压为载直流电压为690V。取取X*=0.2，则，则Udc.N=828V，每个桥臂采用，每个桥臂采用1只只1600V耐压耐压的的IGBT器件，直流侧需要器件，直流侧需要2串串2并共并共4只只2200uF/450V电电容器；容器；取取X*=0.5，则，则Udc.N=1035V，每个桥臂需要采用，每个桥臂需要采用2只只1200V耐压的耐压的IGBT器件串联，直流侧需要器件串联，直流侧需要3串串3并共并共9只只2200uF /400
10、V电解电容器。电解电容器。 (2) 在PWM控制方式下，逆变器输出电压为双极性PWM脉冲波形，含有基波电压分量和高次谐波成分。当逆变器输出电压施加到滤波电抗器的一端时，必将在补偿电流中产生相应的谐波电流。滤波电抗器的主要作用之一是滤除逆变器输出电压中的高次谐波分量。 滤波电感越大，滤波效果越好，无功补偿电流滤波电感越大，滤波效果越好，无功补偿电流中的谐波分量越小。中的谐波分量越小。051015202530354045-1.5-1-0.500.511.5输出无功功率标么值Q*总谐波畸变率THD%X*=0.1X*=0.2X*=0.5X*=1.040kvar/400V STATCOM40kvar/4
11、00V STATCOM装置在开关频率为装置在开关频率为4800Hz4800Hz时的仿真结果时的仿真结果(a) X*=0.8 Q*=0.1(b) X*=0.2 Q*=0.1不同滤波电感下的实验波形 (a) X*=0.2 Q*=1.0(b) X*=0.2 Q*=0.5(c) X*=0.2 Q*=0.1不同输出无功下的仿真波形 (a) X*=0.2 Q*=0.1(b) X*=0.2 Q*=0.3不同输出无功下的实验波形 滤波电感越小，补偿电流的总谐波畸变率越大。 STATCOM装置输出无功越小，补偿电流畸变越严重，总谐波畸变率越大。 在同等补偿电流下，输出容性无功时的总谐波畸变率比吸收感性无功时的值
12、大。 因此，从谐波的角度来看，滤波电感不宜太小。当滤波电抗 X*0.2时，补偿电流谐波含量较大。此外，STATCOM装置不宜长期运行于轻载工况。 谐波影响小结(3) 滤波电感小，则变换器回路的电磁时间常数小，直流电容器可以在较短时间内完成与电源之间的能量交换，无功补偿电流的动态响应速度较快。 下图所示为某80kvar/400V STATCOM装置从输出额定容性无功切换到输出额定感性无功时的电流变化过程。(a) X*=0.25时 电压电流(b) X*=0.5时 电压电流(c) X*=1时 电压电流滤波电感对动态响应特性的影响 STATCOM装置的滤波电感不仅决定着补偿装置的容量，对装置的性能也有
13、全面影响。滤波电感小，则对电力电子器件的耐压要求低，装置结构简单，体积小，成本低，动态响应较快。滤波电感小，输出无功电流的谐波含量大，装置抗电源电压扰动的能力差，而且对控制系统的要求高。 因此，滤波电感的选择，需要根据现有器件和控制系统的水平，按照装置容量和性能要求，从技术经济等方面全面权衡而定。若从谐波特性和响应特性而论，滤波电抗标么值宜选择在0.20.5之间。 (4) 结论理想情况下，三相STATCOM与电源之间没有能量交换，仅需要很小容量的直流电容器来提供直流电压支撑即可。 实际上，三相不平衡、非理想正弦逆变电源、动态调节过程等，都会使得STATCOM与电源之间存在暂态能量交换。因此，为
14、了维持逆变器直流电压的稳定，直流侧必然需要一定容量的电容器。电容量的选择可参考如下经验公式：式中，k为允许直流电压波动系数，常取为5左右；为电源角频率；IN为STATCOM额定电流；Udc为额定直流电压。)(102 . 06uFUkICdcN2 2 直流电容器的选择直流电容器的选择四、四、STATCOM的控制策略 如何产生PWM信号，使得变换器的输出电压为幅值和相角均可控的正弦同步电压。XUUPgSsinXUUUQgSScosXUUQUPSgg000000QXUUPgS1 1 潮流控制特性分析潮流控制特性分析结论 有功功率 Ug 无功功率有功功率增量的运行功耗总有功功率STATCOM2 STA
15、TCOM2 STATCOM的能量平衡分析的能量平衡分析结论q有功功率直流电压直流电容器电压变化直流电容储能电流变化交流电感储能有功功率增量STATCOM直流电压增量电容储能有功增量；，电感储能一个基波周波平均而言2221021UCIL相角幅值电压逆变侧滞后超前相位角交流无功功率控制目标svgUU/I3 STATCOM3 STATCOM控制目标控制目标直接电流控制调节单脉冲宽度直流电压恒定下自身调节自励外部调节他励调节直流侧电压逆变侧电压SVPWMSPWM /调节直流侧电压稳定直流侧电压锁相同步控制控制相位角PLL控制方法4 STATCOM4 STATCOM控制方法控制方法gUandor调节控制
16、稳定直流电压控制双变量控制他励直流电压恒定控制恒定控制单变量控制控制策略PWM)(PWMPWM5 STATCOM5 STATCOM控制策略控制策略负荷DSTATCOM无功计算d-q变换控制策略PWM发生器Iq.refIq+-,6 STATCOM6 STATCOM控制系统总体结构控制系统总体结构7 7 基于基于 的单变量控制策略的单变量控制策略iLiSiCuaubuc驱动电路PWM信号用电负荷SPWM/SVPWMPI调节器IL.qIC.q负荷无功电流计算iL.abcuabc+-PLLwtsinsin(wt+)=constd-q变换iC.abcIC.d8 8 基于基于 的单变量控制策略的单变量控制
17、策略iLiSiCuaubuc驱动电路PWM信号用电负荷SPWM/SVPWMPI调节器IL.qIC.q负荷无功电流计算iL.abcuabc+-=0PLLwtsinsin(wt)外部直流电压控制d-q变换iC.abcIC.diLiSiCuaubuc驱动电路PWM信号用电负荷SPWM/SVPWMPI调节器IL.qIC.q负荷无功电流计算iL.abcuabc+-PLLwtsinsin(wt)外部直流电压控制d-q变换iC.abcIC.d0-+9 9 基于基于 的单变量控制策略（无能量交换）的单变量控制策略（无能量交换）iLiSiCuaubuc驱动电路PWM信号用电负荷SPWM/SVPWMPI调节器IL
18、.qIC.q负荷无功电流计算iL.abcuabc+-UdcPLLwtsinsin(wt+)d-q变换iC.abcIC.dUrefPI调节器-+10 10 基于基于 和和 的双变量控制策略的双变量控制策略11 11 基于滞环比较的直接电流控制策略基于滞环比较的直接电流控制策略iLiSiCuaubuc驱动电路PWM信号用电负荷IL.q负荷无功电流计算iL.abcuabc+UdcPLLwtcosiC.refiC.abcUrefPI调节器-+X-+iLiSiCuaubuc驱动电路PWM信号用电负荷调节器IL.q负荷无功电流计算iL.abcuabc+UdcPLLwtcosiC.refiC.abcUref
19、PI调节器-+X+-12 12 基于三角波比较的直接电流控制策略基于三角波比较的直接电流控制策略五、五、STATCOM的基本调压方式1 1 工频双极性（工频双极性（2 2电平）调制系统电平）调制系统调压方式 控制UdcUg1.他励UdcUg =02 2 工频单极性（工频单极性（3 3电平）调制系统电平）调制系统调压方式控制稳定Udc控制Ug3 3 工频级联多电平系统工频级联多电平系统调压方式控制稳定Udc，或他励调节各级Ug幅值及波形4 4 高频高频SPWM/SVPWMSPWM/SVPWM调制系统调制系统调压方式2控制稳定Udc；他励控制Ug幅值调压方式1 控制Udc Ug =const1、徐
20、政译：高压直流输电与柔性交流输电控制装置第7章2、陈建业等：电力电子技术在电力系统中的应用 ，机械工业出版社，2019.1，P105-1273、谢小荣等：柔性交流输电系统的原理与应用第6、7章，清华大学出版社，2019.9，阅读材料阅读材料1、在STATCOM应用中，请比较级联多电平VSC拓扑与2电平高频PWM控制VSC拓扑的优缺点，并说明其适用场合。2、级联多电平VSC拓扑中，请给出确定各模块输出电平宽度的比例关系的原则。3、如果STATCOM直流侧电压采取他励方式，则对他励电路有何要求？试设计他励电路并阐明工作原理。4、直接电流控制和间接电流控制的实质区别是什么？试比较两者的优缺点。讨论问题讨论问题52谢谢！谢谢！
