張勝安，曹天成

(常州博瑞電力自動(dòng)化設(shè)備有限公司，江蘇 常州 213000)

當(dāng)前的配電網(wǎng)建設(shè)有待加強(qiáng)，總體上電能質(zhì)量還達(dá)不到電網(wǎng)要求，常常由于電氣化鐵路、鋼鐵冶煉等非線性負(fù)荷的增長(zhǎng)及風(fēng)電光伏等新能源發(fā)電的接入導(dǎo)致出現(xiàn)一系列沖擊、擾動(dòng)甚至導(dǎo)致電網(wǎng)故障停運(yùn)現(xiàn)象。電網(wǎng)系統(tǒng)主要存在以下問(wèn)題：輸配電網(wǎng)負(fù)載不均勻，最大靜態(tài)穩(wěn)定傳輸功率不足，長(zhǎng)距離輸電線路過(guò)電壓，電網(wǎng)系統(tǒng)較弱，不夠穩(wěn)定，非線性負(fù)荷引起的電壓畸變嚴(yán)重等。無(wú)功補(bǔ)償能有效解決這些問(wèn)題。

無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備能提供系統(tǒng)功率因數(shù)，減少功率損耗，穩(wěn)定電壓，提高供電質(zhì)量。從補(bǔ)償方式上看，常用的有三種，分別是集中補(bǔ)償、就地補(bǔ)償和分組補(bǔ)償[1]。集中補(bǔ)償通常適用于控制線路總配電處的功率因數(shù)，就地補(bǔ)償則是針對(duì)具體需要無(wú)功的線路或設(shè)備進(jìn)行補(bǔ)償，分組補(bǔ)償則適用于用戶負(fù)荷較為分散情況，目前以就地補(bǔ)償方式較為普遍。

無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的發(fā)展經(jīng)歷了4個(gè)時(shí)期，即同步調(diào)相機(jī)、電容電抗器組、靜止同步補(bǔ)償器及靜止無(wú)功發(fā)生器。同步調(diào)相機(jī)發(fā)展最早，主要應(yīng)用于要求較高的場(chǎng)合，但操作復(fù)雜，造價(jià)昂貴，目前應(yīng)用較少。電容電抗器組采用整組投切方式，造價(jià)低且簡(jiǎn)單，但響應(yīng)速度慢且容量不能平滑調(diào)節(jié)，一般用于補(bǔ)償性能要求不高或和其他無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備相互配合的情況。靜止同步補(bǔ)償器則利用大功率電力電子器件進(jìn)行控制，在響應(yīng)速度和補(bǔ)償性能上有了很大改進(jìn)，目前應(yīng)用最多。靜止無(wú)功發(fā)生器則是在靜止同步補(bǔ)償器的基礎(chǔ)上更為小巧靈活，小容量情況下應(yīng)用較多。

對(duì)于不同型式的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備在電力系統(tǒng)的補(bǔ)償性能研究已有不少學(xué)者作出了探究。文獻(xiàn)[2]針對(duì)串聯(lián)無(wú)功補(bǔ)償電容在低壓配電網(wǎng)中的應(yīng)用進(jìn)行了仿真計(jì)算分析，表明了在配電網(wǎng)低壓線路上加入串聯(lián)補(bǔ)償電容可以提升用戶端電壓，提升線路的功率因數(shù)，降低線損。文獻(xiàn)[3]基于地鐵項(xiàng)目實(shí)際情況，針對(duì)TCR和MCR兩種無(wú)功補(bǔ)償方式的補(bǔ)償效果進(jìn)行了對(duì)比分析闡述。文獻(xiàn)[4]則根據(jù)某35kV煤礦的供電系統(tǒng)比較了僅采用FC支路進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償和采用靜止無(wú)功發(fā)生器兩種情況下系統(tǒng)電能質(zhì)量指標(biāo)變化，突出了靜止無(wú)功發(fā)生器動(dòng)態(tài)跟蹤補(bǔ)償?shù)膬?yōu)勢(shì)。文獻(xiàn)[5]研究了靜態(tài)無(wú)功補(bǔ)償對(duì)風(fēng)機(jī)輸電系統(tǒng)次同步振蕩特性的作用。本研究以STATCOM為例進(jìn)行原理分析，以25kV配電網(wǎng)線路為例進(jìn)行仿真分析，探究了STATCOM對(duì)電力系統(tǒng)的影響。

1 無(wú)功補(bǔ)償原理

1.1 STATCOM系統(tǒng)架構(gòu)

STATCOM系統(tǒng)主要包含4個(gè)部分，即啟動(dòng)回路間隔、連接電抗間隔、功率閥組間隔、控制保護(hù)系統(tǒng)間隔，具體模型如圖1。

圖1 STATCOM系統(tǒng)主接線模型Fig.1 STATOM system main wiring model

啟動(dòng)回路。啟動(dòng)回路主要由啟動(dòng)電阻和旁路開(kāi)關(guān)組成。啟動(dòng)回路用于STATCOM功率模塊的直流電容充電，當(dāng)STATCOM未投入運(yùn)行時(shí)，功率模塊中的電容電壓為0V，當(dāng)支路開(kāi)關(guān)合上時(shí)，如果直接合上旁路開(kāi)關(guān)，會(huì)給STATCOM系統(tǒng)造成較大的沖擊，因此在剛投入運(yùn)行后的短時(shí)間內(nèi)，先經(jīng)過(guò)啟動(dòng)電阻限流，給功率模塊充電，當(dāng)功率模塊上的電容電壓到達(dá)預(yù)定值時(shí)，旁路開(kāi)關(guān)合上，功率模組解鎖正式運(yùn)行。

連接電抗間隔。連接電抗間隔主要起到能量緩沖、降低輸出電流紋波的作用。一般有兩種型式，即電抗器和變壓器。當(dāng)STATCOM的容量要求較高時(shí)采用電抗器連接，當(dāng)STATCOM的容量要求較低時(shí)采用變壓器連接，不僅可以利用變壓器的漏感充當(dāng)電抗器的作用，還能經(jīng)過(guò)變壓降低STATCOM閥組的工作電壓，穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性更好。

功率閥組間隔。功率閥組是STATCOM系統(tǒng)的核心，主電路采用鏈?zhǔn)酱?lián)結(jié)構(gòu)，每相由若干個(gè)功率模塊單元組成。功率閥組和功率單元的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 功率閥組和功率單元拓?fù)鋱DFig.2 Power valve group and power unit topology

功率模塊單元的核心器件是IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)和薄膜電容，目前較為先進(jìn)的結(jié)構(gòu)為H橋型，由4個(gè)IGBT組成，直流電容并聯(lián)在H橋兩端，H橋的中間為電壓的輸出端。外部閥組控制器采用PWM(脈寬調(diào)制技術(shù))輸出調(diào)制波脈沖來(lái)觸發(fā)IGBT導(dǎo)通，通過(guò)改變調(diào)制脈沖來(lái)改變IGBT的導(dǎo)通角及導(dǎo)通時(shí)間，從而使功率模塊輸出的電壓電平不同。當(dāng)每相多個(gè)功率模塊串聯(lián)時(shí)，通過(guò)多個(gè)模塊電平的疊加得到所需要的輸出電壓。功率模塊輸出電平及電壓疊加原理如圖3(a)(b)(c)所示。

圖3 功率模塊輸出電平及電壓疊加原理Fig.3 Superposition principle of power module output level and voltage

通過(guò)直接改變每個(gè)功率模塊的輸出電壓可以間接改變STATCOM系統(tǒng)的輸出電壓，并且通常電網(wǎng)系統(tǒng)配置的STATCOM系統(tǒng)都會(huì)有足夠的冗余，因此可以在感性和容性之間自動(dòng)切換，從而達(dá)到實(shí)時(shí)跟蹤電網(wǎng)系統(tǒng)狀態(tài)并快速補(bǔ)償、維持系統(tǒng)電壓和穩(wěn)定的作用。

1.2 無(wú)功補(bǔ)償原理

以單相系統(tǒng)為例，當(dāng)忽略STATCOM系統(tǒng)本身產(chǎn)生的諧波時(shí)，補(bǔ)償回路可以簡(jiǎn)單等效為如圖4所示的電路。其中，Us為電網(wǎng)側(cè)的電壓，U1為STATCOM等效的輸出電壓，X為線路連接電抗，R為等效損耗電阻。規(guī)定從電網(wǎng)側(cè)流向STATCOM為電流I的正方向，當(dāng)線路設(shè)備參數(shù)確認(rèn)后，可通過(guò)調(diào)整Us和U1兩者的幅值與相角就可以調(diào)整連接電抗器兩端的電壓UL，通過(guò)控制UL的大小和相位，便可以達(dá)到控制流經(jīng)連接電抗器的電流I，進(jìn)而控制無(wú)功功率輸出。通過(guò)調(diào)節(jié)電壓和相位來(lái)調(diào)節(jié)無(wú)功輸出的原理向量圖如圖5。

圖4 STATCOM單相等效電路Fig.4 STATOM single phase equivalent circuit

圖5 不考慮R時(shí)的補(bǔ)償向量圖Fig.5 Compensation vector graph without considering R

忽略線路電阻R，若U1和Us相位相同，當(dāng)改變U1，使U1>Us，則產(chǎn)生超前電網(wǎng)電壓90°的電流I，如圖2(a)所示，此時(shí)STATCOM工作在容性的工況下，吸收容性的無(wú)功功率，發(fā)出感性的無(wú)功功率；當(dāng)U1

當(dāng)考慮STATCOM內(nèi)部損耗時(shí)，補(bǔ)償向量圖如圖6所示。

圖6 考慮R時(shí)的補(bǔ)償向量圖Fig.6 Compensation vector graph under the consideration of R

由于有R的存在，U1和Us的相位并不完全相同。STATCOM直流側(cè)一般為電容或電感，由STATCOM產(chǎn)生的電流I與電網(wǎng)電壓Us之間會(huì)有一個(gè)小于90°的相位差，將I在Us方向上投影便可得到STATCOM損耗的有功電流，而I與Us方向垂直的分量則為STATCOM產(chǎn)生的無(wú)功電流，根據(jù)無(wú)功電流的超前或滯后來(lái)判斷是工作在感性還是容性工況下。

2 系統(tǒng)建模與仿真分析

2.1 STATCOM控制方法

STATCOM能自動(dòng)跟蹤并精確補(bǔ)償無(wú)功功率，本質(zhì)上改變并控制的物理量為電流，通過(guò)采集監(jiān)測(cè)點(diǎn)無(wú)功電流，從而調(diào)節(jié)STATCOM輸出所需的無(wú)功電流，其控制方法主要是直接電流控制和間接電流控制?？刂葡到y(tǒng)直接控制STATCOM交流側(cè)的輸出電流，稱為電流直接控制，否則就是電流間接控制。

2.1.1 電流間接控制

電流間接控制是將STATCOM視為交流電壓源，通過(guò)調(diào)節(jié)STATCOM輸出電壓基波的幅值和相位達(dá)到間接控制交流側(cè)輸出電流的目的。電流間接控制有兩種方法，即單δ控制、δ與Θ配合控制。

單δ控制。δ指的是STATCOM輸出電壓和電網(wǎng)電壓間的相位差，STATCOM吸收的無(wú)功功率與2倍的δ的正弦值成正比。由數(shù)學(xué)極限可知，當(dāng)δ變化很小時(shí)，STATCOM吸收的無(wú)功功率近似和δ成正比。通過(guò)控制δ的大小，可以控制STATCOM從電網(wǎng)中吸收的無(wú)功功率的大小和方向。

δ與Θ配合控制。Θ為將檢測(cè)到的三相電壓和電流經(jīng)3/2變換后得到的電壓和電流矢量之間的夾角。δ與Θ配合控制方法需要同時(shí)控制δ和功率器件的導(dǎo)通關(guān)斷來(lái)調(diào)節(jié)STATCOM輸出電壓的幅值，具有直流側(cè)電容電壓穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，動(dòng)態(tài)性能較好，但控制相對(duì)繁瑣，通常還需加上電流反饋控制，并引入直流電壓的反饋控制以便維持電容電壓的恒定。

2.1.2 電流直接控制

電流直接控制對(duì)STATCOM輸出側(cè)的無(wú)功電流直接進(jìn)行控制。跟蹤型PWM(脈寬調(diào)制)技術(shù)是其控制的核心。跟蹤型PWM技術(shù)控制無(wú)功電流輸出是由PWM輸出的脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)變流器輸出相應(yīng)的電流實(shí)現(xiàn)的，通常有以下幾種主要的PWM技術(shù)。

三角波比較法。三角波比較法的控制思想為利用給定電流參考信號(hào)和實(shí)際電流反饋信號(hào)的偏差作為確定功率開(kāi)關(guān)的參數(shù)，經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)器，再與某一設(shè)定頻率的三角波進(jìn)行比較，并利用所得的比較結(jié)果控制功率器件的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，最后實(shí)現(xiàn)無(wú)功電流的跟隨。STATCOM容量較大時(shí)，三角波比較法應(yīng)用較多，具有開(kāi)關(guān)頻率固定、電路簡(jiǎn)單易行等優(yōu)勢(shì)，但輸出波形中高次諧波分量會(huì)導(dǎo)致其動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性相對(duì)較差。

滯環(huán)比較法。滯環(huán)比較法與三角波比較法不同之處在于求得給定電流和反饋電流的偏差后將偏差送入環(huán)寬一定的滯環(huán)比較器中，進(jìn)行滯回比較并產(chǎn)生相應(yīng)的PWM觸發(fā)信號(hào)，控制功率器件的開(kāi)關(guān)動(dòng)作。例如，在給定信號(hào)和參考信號(hào)的偏差大于環(huán)寬上限時(shí)，觸發(fā)信號(hào)輸出低電平，功率開(kāi)關(guān)處于關(guān)斷的狀態(tài)，減小輸出電流。反之，如果偏差小于環(huán)寬下限時(shí)，觸發(fā)信號(hào)輸出高電平，功率開(kāi)關(guān)處于開(kāi)通狀態(tài)，增大輸出電流，使得STATCOM的輸出電流在環(huán)寬內(nèi)有效跟蹤參考電流。滯環(huán)寬度決定了電流的跟蹤效果。滯環(huán)比較法在電流變化和容量較小的STATCOM中應(yīng)用較為廣泛。

2.2 STATCOM仿真

以25kV配電網(wǎng)電力系統(tǒng)為例，利用仿真工具進(jìn)行建模，其仿真系統(tǒng)圖如圖7所示。

圖7 25 kV配電系統(tǒng)仿真圖Fig.7 Simulation diagram of 25 kV power distribution system

仿真系統(tǒng)圖從左到右主要由以下幾部分組成：帶阻抗的25kV三相電源、三相線路、并聯(lián)濾波支路、STATCOM、配電變壓器及負(fù)載(包括可變負(fù)載和1MW固定負(fù)載)。B1、B2、B3為母線節(jié)點(diǎn)，通過(guò)左下角的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)模塊和示波器來(lái)觀測(cè)各節(jié)點(diǎn)相應(yīng)的電壓、電流或有功與無(wú)功變化情況。

本研究主要關(guān)注STATCOM對(duì)系統(tǒng)的性能影響，故仿真過(guò)程關(guān)注B1節(jié)點(diǎn)的電壓和B3節(jié)點(diǎn)的電壓、有功和無(wú)功，重點(diǎn)分析在相同條件下，增加STATCOM系統(tǒng)前后系統(tǒng)的相關(guān)電氣量變化情況如何，由于三相電壓變化情況基本相同，故電壓檢測(cè)均只針對(duì)其中一相。

圖8為系統(tǒng)無(wú)可變負(fù)載和STATCOM時(shí)的波形圖，PQ_B3為B3節(jié)點(diǎn)的有功和無(wú)功波形圖，V_B1和V_B3分別為B1節(jié)點(diǎn)和B3節(jié)點(diǎn)的電壓波形。

圖8 無(wú)可變負(fù)載和STATCOM時(shí)波形圖Fig.8 No variable load and STATCOM waveform

圖9在圖8的基礎(chǔ)上在系統(tǒng)末端帶上可變負(fù)載后的仿真波形圖，數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的節(jié)點(diǎn)同圖8。

圖9 有可變負(fù)載且無(wú)STATCOM時(shí)波形圖Fig.9 Variable load and no STATCOM waveform

圖10在圖9情況的基礎(chǔ)上在B3節(jié)點(diǎn)前增加一套3Mvar的STATCOM系統(tǒng)后的仿真波形圖。

圖10 有可變負(fù)載和STATCOM時(shí)波形圖Fig.10 Variable load and STATCOM waveform

由圖8～圖10比較可知，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行帶電后，在0.2～0.4 s的時(shí)間內(nèi)，系統(tǒng)的功率和電壓均有不同程度的振蕩，當(dāng)系統(tǒng)無(wú)STATCOM時(shí)，如圖8和圖9，節(jié)點(diǎn)B3處的功率和節(jié)點(diǎn)B1及節(jié)點(diǎn)B3處的電壓的幅值振蕩范圍較大，而增加STATCOM系統(tǒng)后，如圖10，STATCOM在振蕩時(shí)輸出無(wú)功電流，使得相同監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)處的功率和電壓的振蕩幅度明顯變小。由此可見(jiàn)，STATCOM可以有效抑制電力系統(tǒng)的功率和電壓的振蕩，增加電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

介紹了STATCOM的發(fā)展背景及結(jié)構(gòu)組成，分析了其補(bǔ)償原理和控制策略。利用仿真工具，搭建25 kV配電網(wǎng)系統(tǒng)仿真模型，通過(guò)波形分析，對(duì)比電力系統(tǒng)增加STATCOM設(shè)備前后系統(tǒng)功率和電壓振蕩情況來(lái)驗(yàn)證STATCOM對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。仿真結(jié)果表明，STATCOM可以有效抑制電力系統(tǒng)振蕩，增強(qiáng)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。