STATCOM对输电系统及受端电能质量的影响

梅永振，王海云，常鹏，李阳，潘悦

（新疆大学电气工程学院教育部可再生能源发电与并网控制工程技术研究中心，新疆乌鲁木齐 830047）

STATCOM对输电系统及受端电能质量的影响

梅永振，王海云，常鹏，李阳，潘悦

（新疆大学电气工程学院教育部可再生能源发电与并网控制工程技术研究中心，新疆乌鲁木齐 830047）

通过MATLAB/SIMULINK仿真软件建立了单馈入输电系统模型，设计了以三相桥三电平逆变器为主要电路的STATCOM，基于同步补偿方法，研究了STATCOM的投切对输电系统电能质量的影响。通过对输电系统电压波动、负荷变化对输电系统冲击等情况下的仿真分析，验证了STATCOM对电能质量的提高、谐波的抑制、输电损耗的降低具有明显的优势，有效地提高了输电系统及其受端的电能质量。

STATCOM；三相桥三电平逆变器；电能质量

随着我国输配电技术的快速发展，输电系统受端对电能质量的要求也同步增加。提高电能质量对输电系统及其受端都有好处。影响电能质量的因素主要有：谐波、电压波动、功率损耗等。为改善输电系统电能质量，工程应用人员开始对电力系统进行功率补偿。电力系统功率补偿方式和补偿装置种类很多，目前应用最广泛的是并联型的静止同步补偿器——STATCOM。静止同步补偿器（STATCOM）与传统的补偿装置相比，能够迅速补偿无功而提高功率因数和稳定接入点电压的电能质量，具有响应速度快、占地面积小等优点[1-4]。

目前国内外很多研究人员已经做了有关改善电能质量和无功补偿的大量研究，综其研究，大多集中在无功补偿装置的类型及装置容量上。装置控制技术着重于使用各种智能控制算法以追求更高的动态响应性能，此类研究在理论和实际应用上确实在一定程度上改善了电网的电能质量，取得了一定的补偿效果。然而，鲜有学者专门讨论无功补偿装置内部电力电子器件协调控制、装置利用率、装置成本等问题，尤其对装置内部电力电子器件协调控制技术的研究十分缺乏，造成补偿装置内部产生谐波，注入电网，污染了电网的电能质量[4-8]。

本文通过MATLAB/SIMULINK仿真软件建立了单馈入输电系统模型，设计了基于IGBT的中点钳位（NPC）三电平电压型逆变电路的STATCOM，增加了输出电压波形的级数，降低装置对输出波形的影响，减少了谐波含量；采用跟踪型PWM控制技术和二重化技术，提高了STATCOM的工作性能，有效地改善了受端的电能质量。基于同步补偿方法，研究STATCOM的投切对输电系统电能质量的影响，通过理论分析和仿真结果验证STATCOM对电能质量的提高、谐波的抑制、输电损耗的降低等具有明显的优势。

1 STATCOM的工作原理及数学建模

1.1 STATCOM的工作原理

目前，工程应用上大多采用电压源型逆变器（voltage-sourced inverter，VSI）的STATCOM。其工作原理图如图1所示，当U1＞Us时，STATCOM工作在超前状态，此时发出无功功率，起可调电容器的作用；当U1＜Us时，STATCOM工作在滞后状态，此时吸收无功功率，起可调电抗器的作用；当U1=Us时，STATCOM与电网之间不存在无功交换。

图1 STATCOM的工作原理图Fig.1 The working principle of STATCOM

1.2 STATCOM的主电路结构

本文STATCOM的主电路结构采用电压型桥式电路结构，其直流侧储能元件采用的是电容储能。逆变器的电路设计是主电路的核心，图2为STATCOM的电压型桥式电路。

图2 STATCOM的电压型桥式电路Fig.2 The voltage type bridge circuit of STATCOM

逆变器采用了基于IGBT的中点钳位（NPC）三电平电压型逆变电路，其电路结构图如图3所示，三相桥三电平逆变器由于每个管子上只承受一半的直流电压，避免为抬高电压而进行器件的串联，提高装置的可靠性，增加交流侧输出电压波形的级数，改善输出电压的波形，减少谐波含量。

图3 三相桥三电平逆变器Fig.3 Three-phase bridge and three-level inverter

1.3 STATCOM的数学模型

本文运用输入、输出的建模方法来建立STATCOM装置的数学模型，对STATCOM装置建模之前，为充分考虑各变量权重，建模时做以下假设：

1）只考虑STATCOM输出电压的基波分量，忽略谐波分量。

2）将STATCOM装置中各种损耗（包括开关器件的导通电阻）用等效电阻Rs表示，STATCOM与系统之间的连接电感用等效电感L表示。

3）系统中A、B、C三相电路参数对称，且为三相基波正序系统，逆变器交流侧输出三相正序电压。

根据STATCOM三相等效电路经PARK变换得到其在d-q坐标下的数学模型为

2 STATCOM的控制方式

本文采用跟踪型PWM控制技术对电流波形的瞬时值进行实时反馈控制（直接电流控制），跟踪型PWM控制技术采用了三角波比较方式。其控制原理框图如图4所示，该控制方式引入d-q坐标分解法的电流直接控制方式，以瞬时电流无功分量的参考值为主，或者以无功电流参考值与滞后系统电压90°的正弦波相乘，其结果再与电流有功分量的瞬时参考值相加得到；根据STATCOM对有功功率的需求，对iqref的相位进行修正，得到总的瞬时电流参考值iref，此控制方式有效地改善了STATCOM的动态响应特性。

图4 采用d-q变换的直接电流控制原理框图Fig.4 Block diagram of the direct current control using d-q transform

3 输电系统仿真模型的建立

3.1 STATCOM的仿真模型的建立

STATCOM主电路为2个电压源型换流器（VSC）通过变压器并联的结构，采用跟踪型PWM控制技术对电流波形的瞬时值进行反馈控制，对输出电压的波形质量进行实时监测和控制。变压器高压侧线电压为25 kV，低压侧相电压为1.25 kV。模型中“Controller”模块是由STATCOM控制器模块封装而得到的，STATCOM仿真模型图如图5所示。STATCOM控制器模块设计：将检测到的母线电压、STATCOM电流和直流电压首先送至截止频率为2 000 Hz的低通滤波器进行滤波，然后再经过零阶保持器后送入STATCOM控制部分。控制部分输出电压源型换流器（VSC）交流侧电压指令，生成三相调制波，送入PWM模块，PWM模块根据三相电压调制波生成并联二重化运行的电压源型换流器（VSC）的驱动脉冲。PWM仿真模型图如图6所示，STATCOM控制器仿真模型图如图7所示。

图5 STATCOM仿真模型图Fig.5 STATCOM simulation model diagram

图6 PWM仿真模型图Fig.6 PWM simulation model diagram

3.2 输电系统仿真模型建立

本文基于MATLAB/SIMULINK搭建输电系统模型，系统共有3条母线B1、B2、B3，B1和B2之间的输电距离为18 km，等效为π型等值电路；母线B2上安装有“3 MW、0.2 Mvar”的用电负荷；母线B2和B3之间的输电距离为2 km，等效为电感模拟电路；母线B3通过一个电力降压变压器连接到一个“1 MW”的固定负载和一个可变负载；母线B3上安装有±3 Mvar的STATCOM。系统电能质量通过“Three-phase V-I Measurements”模块进行测。输电系统仿真模型图如图8所示。

图7 STATCOM控制器仿真模型图Fig.7 Simulation model of STATCOM controller

图8 输电系统仿真模型图Fig.8 Transmission system simulation model diagram

4 仿真结果分析

4.1 输电系统电压波动时STATCOM的补偿效果

本文通过设置三相可编程电压源模块来研究输电系统电网电压波动时STATCOM的补偿效果，设置电压源在0.2 s时发生电压波动，其值为基准值的1.06倍，0.3 s时变为其基准值的0.94倍，0.4 s时再恢复到其基准值。仿真分析STATCOM的投切对输电系统的电能质量的影响。仿真结果如图9所示。

由图9可以看出：母线B1的电压随电网电压的变化而有较大幅度的变化，0.2 s时母线B1电压的幅值达到设定值（基准值的1.06倍），0.3 s时降为基准值的0.94倍，输电系统电压在0.2 s和0.3 s时发生波动，母线B3电压的幅值也随之发生波动，由于STATCOM装置装设在母线B3上，能够迅速对电压变化进行补偿，以维持母线B3输电电压不变。

图9 STATCOM投入后B1、B3电压波形Fig.9 Voltage waveform sof B1and B3after STATCOM input

在正常情况下（0.2 s前）STATCOM既不消耗有功也不消耗无功。在0.2 s时输电电压开始波动，STATCOM投入，无功电流开始出现。0.3 s前后，无功功率流向发生改变，可以看到电流相位能够迅速平稳地发生变化且冲击很小。维持STATCOM的直流电压波形Vdc平稳，保证了STATCOM的正常工作。仿真结果如图10所示。

图10 STATCOM的有功、无功、电流、直流电压波形Fig.10 The active，reactive power，current and DC voltage waveforms of STATCOM

仿真结果表明，STATCOM在系统电压发生波动后，能够迅速做出反应，发出或吸收相应的无功功率，维持输电系统电压恒定，具有良好的解耦控制功能。

4.2 受端负荷引起电压波动时STATCOM的补偿效果

本文通过设置仿真模型的“Variable Load”模块来研究STATCOM在受端负荷引起电压波动时的补偿效果，在0.15 s时，设置受端负荷产生5 Hz的低频波动。仿真结果如图11所示。

图11 STATCOM投入前后VB3波形Fig.11 VB3waveforms before and after STATCOM input

由图11可以看出，STATCOM在投入之前，母线B3电压的波形出现较大幅度的波动，其变化幅值达至基准值1.04倍，STATCOM投入后，母线B3电压的波形冲击幅度较小，幅值约为基准值的1.01倍，经过0.02 s后，电压波形基本维持恒定。综上可得：系统电压波动时，STATCOM能够快速稳定电压，大大减少了系统电压波动的幅度及恢复时间，有效地提高了输电系统的电能质量；同时STATCOM根据需要快速调节无功输出，及时补偿系统的无功不足，有效地抑制电压波动及闪变，STATCOM的有功、无功波形变化如图12所示。

图12 STATCOM的有功、无功波形Fig.12 Active and reactive power waveforms of STATCOM

4.3 STATCOM内部谐波的抑制

STATCOM内部包含大量电力电子器件，接入电网后，会向其注入高次谐波。本文通过三电平技术和二重化技术，由PWM模块根据三相电压调制波生成并联二重化运行的电压源型换流器的驱动脉冲，经过第二个电压源型变流器的载波移相180°，实现并联二重化运行，消除STATCOM内部电力电子器件产生的谐波污染，仿真结果如图13所示。

由图13可以看出，经过二重化运行后，谐波含量由滤波前的147.47%降到0.33%，大大减少了STATCOM本身产生的谐波，降低了对输电系统的谐波污染。

5 结论

本文基于MATLAB/SIMULINK仿真软件搭建了25 kV输电系统仿真模型，分析了输电系统进行无功补偿的重要意义及无功补偿技术在电能质量改善中的具体应用。仿真结果表明：

1）采用输入、输出法对STATCOM建模的正确性，很好地体现了无功补偿装置的主要特性。

2）验证了三电平技术和二重化技术对降低STATCOM内部谐波含量的有效性，从而降低了其对输电系统的谐波污染。

图13 滤波前后B3上电压波形的傅里叶分析Fig.13 Fourier analysis of voltage waveform on B3before and after filtering

3）通过对输电系统发生电压波动、负载对系统冲击等情况下的仿真分析，STATCOM均达到了良好的补偿效果，对输电系统及其受端的电能质量起到了显著的改善作用。

[1]吴天明.MATLAB电力系统设计与分析[M].北京：国防工业出版社，2009.

[2]薛定宇，陈阳泉.基于MATLAB/Simulink的系统仿真技术与应用[M].北京：清华大学出版社，2008.

[3]冉启阳，张定宇，郑航.配网静止同步补偿器的改进粒子群优化PI控制[J].电力系统及其自动化学报，2013，25（5）：111-115 RAN Qiyang，ZHANG Dingyu，ZHENG Hang.Improved particle swarm optimization PI control for D-STATCOM[J].Proceedings of the CSU-EPSA，2013，25（5）：111-115（in Chinese）.

[4]梁喆.静止无功发生器无功电流检测与控制方法研究[D].淮南：安徽理工大学，2009.

[5]朱志键，王杰.三相电压型PWM整流器的二自由度内模控制[J].电网与清洁能源，2015，31（11）：1-6.ZHU Zhijian，WANG Jie.Two-degrees-of-freedom internal model control of the three-phase voltage-sourced PWM rectifier[J].Power System and Clean Energy，2015，31（11）：1-6（in Chinese）.

[6]戴喜良，李尚盛，孙建军，等.电能质量扰动发生器控制策略及其实现[J].电力系统保护与控制，2014，42（23）：131-137.DAI Xiliang，LI Shangsheng，SUN Jianjun，et al.Control strategies and implementation of power quality disturbance generator[J].Power System Protection and Control，2014，42（23）：131-137（in Chinese）.

[7]王轩，林嘉扬，滕乐天，等.d-q-0坐标系下链式STATCOM电流控制策略[J].中国电机工程学报，2012，32（15）：48-54.WANG Xuan，LIN Jiayang，TENG Letian，et al.Current control strategy of chain circuit STATCOM in d-q-0 coordinates[J].Proceedings of the CSEE，2012，32（15）：48-54（in Chinese）.

[8]胡伟，孙建军，姜一鸣，等.含STATCOM的孤岛微电网低频稳定性分析[J].中国电机工程学报，2015，35（10）：2454-2462.HU Wei，SUN Jianjun，JIANG Yiming，et al.Lowfrequency stabilization analysis of isolated micro-grid with STATCOM[J].Proceedings of the CSEE，2015，35（10）：2454-2462（in Chinese）.

[9]易成星，杨伟，张晋.基于相量算法的STATCOM在风机无功补偿中的应用[J].电网与清洁能源，2014（9）:92-97.YI Chengxing，YANG Wei，ZHANG Jin.Application of a STATCOM based on the phasor algorithm in the reactive compensation of wind generators[J].Power System and Clean Energy，2014（9）:92-97（in Chinese）.

[10]DHYANI V，ARORA S.Application of fuzzy logic control for reactive power and DC capacitor voltage control of Doubly Fed Induction Generator during external faults[C]//The 2013 IEEE International Conference on Fuzzy Systems.Hyderabad，India:IEEE，2013:1-5.

[11]AARATHI A R，JAYAN M V.Grid connected photovoltaic system with super capacitor energy storage and STATCOM for power system stability enhancement[C]//International Conference on Advances in Green Energy.Thiruvananthapuram，India:IEEE，2014:26-32.

[12]付伟，刘天琪，李兴源，等.静止无功补偿器运行特性分析和控制方法综述[J].电力系统保护与控制，2014（22）:147-154.FU Wei，LIU Tianqi，LI Xingyuan，et al.Analysis of operating characteristic and survey of control methods used in static var compensator[J].Power System Protection and Control，2014，42（22）:147-154（in Chinese）.

（编辑 冯露）

Influences of STATCOM on Power Quality of Transmission System and Receiving-End

MEI Yongzhen，WANG Haiyun，CHANG Peng，LI Yang，PAN Yue
（Ministry of Education Renewable Energy Generation and Grid Control Engineering Technology Research Center，School of Electric Engineering，Xinjiang University，Urumqi 830047，Xinjiang，China）

The single feed transmission system model is established by MATLAB simulation software in this paper.The STATCOM whose main circuit is a three-phase bridge threelevel inverter is designed.Based on the synchronous compensation method，the paper studies the effect of the STATCOM on power quality of transmission system and analyzes the impacts of the voltage fluctuations and load changes on the transmission system through simulation.The results show that the STATCOM has advantages of effective power quality improvement，harmonic suppression，and decreased transmission loss and therefore it can effectively improve the power quality of the transmission system and its receiving end.

static synchronous compensator；three-phase bridge and three-level inverter；power quality

国家自然科学基金项目（51267017）；国家高技术研究发展计划项目（863计划）（2013AA050604）。

Project Supported by National Natural Science Foundation of China（51267017）；National High Technology Research Program（863 Program）（2013AA050604）.

1674-3814（2016）08-0001-06

TM743

A

2016-03-01。

梅永振（1988—），男，硕士研究生，研究方向为高压直流输电及功率补偿技术；

王海云（1973—），女，博士，教授，硕士生导师，研究方向为可再生能源发电与并网技术、高压直流输电及功率补偿技术。

1674-3814（2016）08-0007-06

TM46

A