静态同步补偿器（STATCOM）的优化方案

2023-06-23 理论教育版权反馈

【摘要】：因此，一定容量的VSC能提供2倍的STATCOM动态无功范围，一般其容量标称为MV·A。2）STATCOM可以独立于电网电压调节输出电流，即具有较宽的电压运行范围，特别是在如15%的电网电压条件下仍然可以输出额定的无功电流。和图4-29 STATCOM的运行特性3.无功电流的检测STATCOM对交流系统而言可以视为一个可控电流源，对无功电流的控制是最基本的，其他的控制目标均通过无功电流控制间接达到。

静止同步补偿器（STATCOM）有时也称为SVG（Static Var Generator），早期还称为STATCON，即静止同步调相机（Static Synchronous Condenser），但2002年IEEE DC&FACTS专业委员会将其统一为STATCOM，并明确其是一种并联同步的无功补偿装置，能够发出或吸收无功功率，通过无功控制达到控制电力系统中的特定参数，如电压、稳定性等的目的。STATCOM具有体积小、响应速度快、调节连续等优点，其主要核心部件是电力电子变流器，按照直流侧储能元件采用电容或电感可分为电压型和电流型两种，如图4-27所示。图中，直流环节的电容或电感不再与阻抗型FACTS控制器中一样起到基波阻抗调节作用，因而一般容量和尺寸相对要小很多。由于电容储能效率较高和逆阻性器件较难实现等原因，实际应用的变流器多为电压型。

图4-27 STATCOM变流器主电路基本拓扑结构

1.STATCOM补偿原理

STATCOM工作时通过开关的通断，将直流侧的电压转换成与网侧同频率的交流电压。如果忽略线路阻抗和变流器损耗，可将其等效为一个交流电压源。变流器输出电压U_I和接入系统点电压U_s保持同相位，且其输出电压值可控。如图4-28所示，当U_I＞U_s时，从系统流向STATCOM的电流相位超前系统电压90°，STATCOM工作于容性区，输出感性无功功率；反之，当U_I＜U_s时，从系统流向STATCOM的电流相位滞后系统电压90°，工作于感性区，吸收感性无功功率；当U_I=U_s时，系统与STATCOM之间的电流为零，不交换无功功率。

图4-28 电压变换型STATCOM的简化工作原理

可见，STATCOM输出无功功率的极性和大小主要决定于U_I和U_s的大小，通过控制U_I的大小就可以连续调节STATCOM发出或吸收无功功率的多少。无功功率能在各相间流动，在忽略损耗的情况下可以不需要外部功率供给，无功功率也能维持直流电容电压U_dc稳定在一定的水平。直流电容主要作为无功功率交换的缓冲环节而存在。

适当调节STATCOM输出电压与系统电压之间的相位角，就可以控制它们之间交换的有功功率。在具备有功功率源或大型储能装置与直流侧相连的条件下，如图4-28中的储能电池E_P，可以提供有功调节。实际上，即使在仅提供无功交换的STATCOM系统中，线路和变流器也总存在功率损耗，分别等效为图中的R_S和R_P，即需要吸收一定的有功功率来维持直流电容上电压的稳定。这就需要通过在与电网电压无功正交电流上叠加一个较小的同相有功分量来实现。因此，实际中的STATCOM输出电流并不垂直于系统电压，而是存在一个较小的偏离角（通常为0.1°～0.2°）。

2.STATCOM运行特性

STATCOM的运行特性如图4-29所示。由图中所示可知：

1）STATCOM可以运行于容性无功补偿状态，也可运行在感性无功补偿状态，既可以补偿容性无功，也可以补偿感性无功。图示容性区和感性区的额定输出电流容量相同。因此，一定容量的VSC能提供2倍的STATCOM动态无功范围，一般其容量标称为MV·A。

2）STATCOM可以独立于电网电压调节输出电流，即具有较宽的电压运行范围，特别是在如15%的电网电压条件下仍然可以输出额定的无功电流。这对在某些极端条件下支撑电压、缓解系统电压崩溃是很有作用的。

3）具有暂态过载能力。容性运行的最大暂态电流主要受电力电子器件的关断能力决定；感性运行区，对于采用基波频率控制、器件自换流的设备而言，其电流极限理论上是受到器件最大结温限制的，因此，感性运行区较容性运行区往往要大，并且两个区域的电流极限与系统电压相对独立。

图4-29 STATCOM的运行特性

3.无功电流的检测

STATCOM对交流系统而言可以视为一个可控电流源，对无功电流的控制是最基本的，其他的控制目标均通过无功电流控制间接达到。

STATCOM能起到良好补偿效果的首要条件是根据装置具体功能的需要，准确、实时地检测并计算出所需的无功发生量，并由此得到无功指令信号，基于此产生相应的脉冲信号去控制主电路的开关器件。对无功的检测方法包括时域法和频域法两种，也分为无功电流检测法和无功功率检测法。目前，应用较多的是瞬时无功理论（简称pq或αβ变换）和旋转坐标（dq变换）无功电流提取法。

瞬时无功理论是将三相瞬时电流分解成有功和无功电流的pq分解法。由于它能快速地从系统电流中检测出无功电流，因而被广泛应用。假设abc三相系统的电压分别为u_a、u_b、u_c，电流分别为i_a、i_b、i_c，则将前述电压、电流三相电参量进行αβ正交变换后可得两相正交坐标系下的电压和电流，得

和

图4-30给出的是基于dq变换的无功电流检测原理框图。由于电压不参与无功电流的计算，因此不会受到电压波形畸变的影响。同时，和αβ变换一样，在存在谐波畸变，且需要分离基波和谐波的有功和无功或它们的组合时，可以做进一步的提取。如图4-30中，对i_d、i_q进行低通、高通滤波器或置零处理即可。不仅如此，dq变换通过适当改进，还可以实现对正序、负序分量的提取。

图4-30 基于dq变换的无功电流检测原理框图

4.基于旋转坐标变换线性闭环控制的变流器控制

STATCOM变流器的控制方法很多，主要包括变流器线性与非线性闭环控制，也包括针对电压与电流型变流器、两电平和多电平等结构不同特点的具体控制实现等。变流器需要输出一定的被控量，如电压、电流、功率和相位等。其控制系统可分为开环和闭环控制两类。其中，开环控制是输出跟踪给定量的简单控制，一般存在静态误差。闭环控制一般通过对被控量进行检测，并反馈后与给定量比较，用以纠正偏差，如电压闭环、电流闭环、多环控制等。在FACTS用变流器中较为常用的闭环控制方法主要有滞环电流控制、线性PI控制和旋转坐标控制等。以下主要介绍基于旋转坐标变换的变流器控制方法。

dq旋转坐标变换可以将三相交流电量变成dq坐标系下的直流分量来处理。将静止坐标系abc下的对称正弦基波电流变换成dq坐标系下的直流电流分量，可用下式表示：