静止同步补偿器（STATCOM）拓扑结构的发展综述

徐林菊

【摘要】随着电力系统对高电压和大容量的要求，静止同步补偿器的拓扑结构向多电平模块化的方向不断发展。本文主要从静止同步补偿器拓扑结构：变压器多重化结构、二极管钳位型多电平变换器、飞跨电容多电平逆变器、级联型多电平变换器、模块化多电平变换器、混合级联多电平换流器以及带蓄电池储能装置的静止同步补偿器进行了综述。

【关键词】STATCOM;拓扑结构;电能质量

1.引言

静止同步补偿器（Static Synchronous Compensator， STATCOM）是柔性交流输电系统（FACTS）的核心装置和技术之一，可以解决配电网中无功、谐波、电压波动与闪变、三相电压不平衡等电能质量问题。随着电力负荷和输电容量的不断增加，STATCOM向高压大容量发展，STATCOM拓扑结构也在不断发展。本文从STATCOM拓扑结构的发展进行了综述。

2.STATCOM的拓扑结构

图1为STATCOM拓扑结构，核心器件为电压源逆变器，由大功率电力电子开关器件组成，将直流电源变换为具有一定频率和幅值的交流电压;电容起电压支撑的作用;耦合变压器将大功率变流装置与电力系统耦合在一起。

图1 STATCOM拓扑结构

STATCOM主要有两种基本结构：变压器多重化结构和多电平结构。多电平结构的STATCOM包括：二极管钳位型、飞跨电容型、级联型和模块化型。

2.1 变压器多重化结构的STATCOM[1]

其性能改善了波形质量，更接近正弦波。原因在于多重化结构，不同相位的方波电压由若干个单相或三相逆变器产生，并用变压器将其串联在一起，叠加而成的波形，谐波畸变率减少。缺点是：变压器和驱动电路结构复杂，动态响应慢、占地面积比较大，不经济。

图2 变压器多重化结构的STATCOM

2.2 二极管钳位型多电平变换器[2]

如图3：VT为三极管，VD为蓄流二极管，D为钳位二极管，C为均压电容，将直流电压分为三电平。缺点：功率开关较多，不经济。优点：提高了装置的输出容量。

图3 二极管钳位型三电平STATCOM拓扑结构

2.3 飞跨电容多电平逆变器

图4 电容钳位三电平STATCOM拓扑结构

电容起对功率开关进行直接钳位的作用，但是随着电平数目的增加，钳位器件的数量增加，主电路和控制系统的实现难度增加;直流侧的电压不对称;不经济且封装难度增大[3]。

2.4 级联型多电平变换器[4]

图5 级联型STATCOM拓扑图

每相采用多个单相 H 桥电路串联;换流器由N个H桥子模块级联而成，每个子模块有相应的直流电源且电压相等，输出电压是各个子模块输出的电压之和。优点：器件使用较少，易于模块化;软件控制容易实现，方法简单，克服了电池组相串联充放电不均衡的缺点。

图6 单相链式STATCOM拓扑图

单相链式STATCOM为级联型，与同容量静止无功补偿器相比，具有调节范围广、调节速度快、欠压下无功调节能力强、谐波含量小、减少系统谐振发生的优点[5]。

2.5 模块化多电平变换器

模块化多电平变流器的MMC-STATCOM拓扑结构如图7：三相主电路有六个桥臂，各桥臂由N个子模块和缓冲电感Lf组成。通过电感Ls连接到公共交流电网。子模块是由两个开关管VT1和VT2以及各自反并联的二极管VD1，VD2，直流电容C组成的半桥电路[6]。

图7 模块化多电平变换器STATCOM的拓扑结构

上、下桥臂同时运行的子模块数为N保证了三相对称运行。改进型MMC-STATCOM 拓扑无公共直流储能环节部分（虚线部分），克服了传统MMC-STATCOM上、下桥臂同时投入子模块数为N的缺点，结构简单，造价低[7]。

2.6 混合级联多电平换流器（Hybrid Cascaded Multilevel Converter，HCMC）[8]

HCMC-STATCOM由常规二电平电压源换流器和H桥子模块级联而成的整形电路两部分构成。

图8 HCMC-STATCOM的拓扑结构

DS模块由多个IGBT串联而成如图9。整形电路是有n个子模块串联而成，子模块如图10，每相二电平换流器是由两个导通开关组成。HCMC-STATCOM是一个强耦合非线性的系统，可降低开关损耗，级联模块的电压等级具有一致性，模块化易于实现，波形具有良好的质量。

图9 DS模块

图10子模块

2.7 带蓄电池储能装置的静止同步补偿器（STATCOM/BESS）[9]

文献[9]提出了带蓄电池储能装置的静止同步补偿器，可以克服传统电压型逆变器STATCOM与系统进行无功交换，当遇到阻性压降导致末端电压降低、阻尼系统有功振荡、提高新能源的穿透功率极限等问题[10]。蓄电池储能装置与静止同步补偿器的连接方式：直接并联在直流侧[11]， 二端口和直接相连;直接DC/DC并联在直流侧;经隔离式DC/DC并联在直流侧[12]。

图11 蓄电池与STATCOM 的连接方式

图12 蓄电池组直接DC/DC并联在直流侧

图13 蓄电池组经隔离式DC/DC并联在直流侧

3.结语

静止同步补偿器作为电能质（下转第85页）（上接第82页）量的调控装置，具有良好的动态调控性能。随着电力系统对高电压和大容量要求，静止同步补偿器的拓扑结构不断发展，随之新的控制策略的应用，对保证电力系统的安全稳定、良好的电能质量起着十分重要的作用。

参考文献

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