杜建霆

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

關(guān)鍵詞：STATCOM;三相橋三電平逆變器;電能質(zhì)量;控制系統(tǒng)

隨著電能逐步的滲透人們?nèi)粘Ｉ畹姆椒矫婷?，與人們的生活緊緊相連，輸配電技術(shù)也隨人們生活水平快速發(fā)展，從而讓“人們對輸電系統(tǒng)的受端電能質(zhì)量也有了更高的要求。提高電能質(zhì)量有著許多的優(yōu)點(diǎn)，尤其對輸電系統(tǒng)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(zhì)量的主要因素。如今我國為提高電能質(zhì)量而使用的方式是對電力系統(tǒng)進(jìn)行功功率補(bǔ)償。而電力系統(tǒng)功率補(bǔ)償方式和補(bǔ)償裝置種類分為很多種，而如今生活中使用最廣最多的補(bǔ)償裝置是并聯(lián)型的靜止同步補(bǔ)償器——STATCOM。STATCOM比統(tǒng)的補(bǔ)償裝置有著更多的優(yōu)點(diǎn)。其中最主要的優(yōu)點(diǎn)有能夠快速的提高功率因數(shù)和穩(wěn)定接入點(diǎn)電壓的電能質(zhì)量、響應(yīng)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(zhì)量和無動補(bǔ)償進(jìn)行了大量的研究和改進(jìn)，而大部分的研究都在無功補(bǔ)償裝置的類型及裝置容量上。為了取得更高的動態(tài)響應(yīng)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(shí)際中都取得了一定的成就，不僅改善了電網(wǎng)的電能質(zhì)量，甚至取得了部分的補(bǔ)償效果。但是，很少有研究人員研究和討論無功補(bǔ)償裝置內(nèi)部電力電子器協(xié)調(diào)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(bǔ)償裝置內(nèi)部電力電子協(xié)調(diào)控制技術(shù)的研究十分匱乏導(dǎo)致其內(nèi)部產(chǎn)生了諧波，從而污染了電網(wǎng)的電能質(zhì)量。

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

1、STATCOM的工作原理及數(shù)學(xué)建模

1.1 STATCOM的工作原理

STATCOM的工作原理：利用關(guān)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(lián)在電網(wǎng)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(fā)出無功電流，以使其達(dá)到動態(tài)無功補(bǔ)償?shù)淖饔?，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(shí)使U1﹥Us，STATCOM就會發(fā)出無功功率，這個原理其實(shí)就相當(dāng)于調(diào)電容器。相反，如果使U1

1.2 STATCOM主電機(jī)構(gòu)

STATCOM（Static Synchronous Compensator，簡稱STATCOM，我們又叫它為靜止同步補(bǔ)償器），當(dāng)用在配電網(wǎng)時(shí)，又被為DSTATCOM。要想控制無功電流源自動補(bǔ)償系統(tǒng)所需要的無功功率就需要將STATCOM并聯(lián)在電網(wǎng)之中，這樣做的目的就是并聯(lián)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(lián)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(zhì)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?qū)⑵浞譃殡妷涸葱秃碗娏髟葱蛢煞N，兩種源型如下圖所示：

電壓橋型式電路結(jié)構(gòu)是本文中STATCOM的主電路使用的結(jié)構(gòu)，電容儲能是這種STATCOM的直流側(cè)儲能元件。而其主電路的核心是逆變器的電路設(shè)計(jì)。如下圖所示，該逆變器運(yùn)用的是以IGBT的中點(diǎn)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?yàn)殡妷荷叨鴮?dǎo)致的器件間的串聯(lián)問題，從而使得裝置的可靠性得以加強(qiáng)，也提高了交流側(cè)輸出電壓波形的級數(shù)，不僅改善增進(jìn)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(shí)值實(shí)時(shí)檢測反饋控制（直接電流控制）的一種常用技術(shù)方法就是跟蹤型PWM控制技術(shù)。跟蹤型PWM控制技術(shù)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(biāo)分解法來直接電流控制的方式，就是用瞬時(shí)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(tǒng)電壓900度的正弦波，然后再將得到的結(jié)果加上電流有功分量的瞬時(shí)參考值就可以取得最終的結(jié)果。這種控制方式的使用使得STATCOM的動態(tài)響應(yīng)特性得到了很大程度上的改善。

3、輸電系統(tǒng)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(jié)構(gòu)并聯(lián)組成STATCOM的主電路，并聯(lián)后的STATCOM主電路再利用跟蹤型PWM控制技術(shù)對電流波形的瞬時(shí)值進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋管制由此完成對輸出電壓的波形質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測控制。

3.2 輸電系統(tǒng)仿真模型建立

本輸電系統(tǒng)模型是在MATLAB/SIMULNK的基礎(chǔ)上建立的，此系統(tǒng)分別有B1、B2、B3三條母線，從B1到B2的輸電距離有18km，相當(dāng)于π型等值電路;而母線B2到母線B3的輸電距離為2km，相當(dāng)于電感模擬電路。將一個“3MW、0.2Mvar”的用電負(fù)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(fù)載和一個可變負(fù)載相連，同時(shí)，母線B3之上在裝上一個±3Mvar。

4、仿真結(jié)果分析

4.1輸電系統(tǒng)電壓波動時(shí)STATCOM的補(bǔ)償效果

通過對仿真結(jié)果進(jìn)行分析，結(jié)果顯示STATCOM能夠在系統(tǒng)電壓出現(xiàn)波動后快速的發(fā)出或吸收相應(yīng)的無功功率，從而使輸電系統(tǒng)電壓保持穩(wěn)定，擁有優(yōu)秀的解耦控制作用。

4.2 STATCOM在受端負(fù)荷引起電壓波動時(shí)的補(bǔ)償效果

通過相關(guān)結(jié)果顯示，在受端負(fù)荷引起電壓波動時(shí)，STATCOM能夠很快的做出反應(yīng)，從而迅速穩(wěn)定電壓，降低了系統(tǒng)電壓波動的恢復(fù)時(shí)間和幅度，使得輸電系統(tǒng)的電能質(zhì)量得以大幅度提高。同時(shí)，STATCOM在其各種不同情況下會作出各種不同相應(yīng)的反應(yīng)。

4.3 STATCOM內(nèi)部諧波的抑制

STATCOM內(nèi)部擁有許多的電力電子產(chǎn)品，在接入電網(wǎng)之后，電力電子器件會產(chǎn)生諧波污染。在引入三相三電平和二重化技術(shù)后，用三相電壓調(diào)制波生成的并聯(lián)二重化運(yùn)行的電壓源型變流器來消除脈沖，再經(jīng)過第二個電壓型變流器載波轉(zhuǎn)動半圈，從而達(dá)到二重化運(yùn)行的效果，使得STATCOM內(nèi)的電力電子產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生的諧波污染得以消除，減少其對輸電系統(tǒng)的污染，提高輸電系統(tǒng)的電能質(zhì)量。

結(jié)論：

在使用MATLAB/SIMULNK仿真軟件中建立了STATCOM輸電系統(tǒng)仿真模型，從仿真實(shí)驗(yàn)中可以得出以下結(jié)果：①STATCOM運(yùn)用輸入輸出法是正確的，它很好的表現(xiàn)出了無功補(bǔ)償裝置的主要特性。②驗(yàn)證了三電平技術(shù)和二重化技術(shù)的有效性。③在各種情況之下，STATCOM都體現(xiàn)出了優(yōu)良的補(bǔ)償效果對輸電系統(tǒng)以及受端電能質(zhì)量的提高有著極其重大的作用。

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（福建永福電力設(shè)計(jì)股份有限公司，福建 福州 350108）