静止同步补偿器在电能质量改善中的应用研究

王翰阳

（华北水利水电大学电力学院，河南郑州，450000）

1 STATCOM的介绍

随着现代工业的发展，各生产部门对不间断能源供应的需求提高，大型冶炼企业、化工企业、精密加工企业对电能质量的要求逐步提高，增加了人们对电力质量的担忧。维持和提高电能质量是当今人们主要关注的问题。STATCOM作为FACTS控制器的重要组成部分，提供了更高水平的改善电能质量的方法，其作用集中在柔性调节无功电力需求和减少由于开关动作产生的谐波方面。STACOM 可以通过两种方法来操作，即直流和间接电流控制方法，其中，直流电流控制方法因其更精确、更快的相应而被广泛采用。基于PWM的STATCOM具有广泛的应用范围，在复杂工作情况下仍具有灵活的工作状态。此外，为了高精度地使用STATCOM，还需要使用电压控制的电容器，使之与STATCOM配合使用。

STATCOM实现的目的不仅是保证系统无功补偿的安全，而且重点是保持系统的电压稳定。无功补偿器是在上世纪七十年代开发的用于线路末端补偿的装置。这些补偿器可以直接作为晶闸管控制的电容器(TSC)或晶闸管控制的电抗器(TCR)使用，有时两者与无源滤波器结合使用，以消除由于电子器件的开关动作而产生的谐波影响。这些控制器是基于阻抗控制器和TCR的一部分，在不同的时刻通过改变导通角角度，来进行无功补偿的实现。该技术已被广泛接受，但操作灵活性有限，随着电压源转换器(SVC)技术的进步，人们更加关注能够实现自投入的固态器件。同样，还有IGBT、IEGT、GCT、GTO 等几种开关设备。已多次用于开发、建立一个新的控制器当中，如UPFC、STATCOM等。随着技术的发展，目前系统中使用的静止同步补偿器与有源电力滤波器的混合系统，可以实现电压稳定、电流谐波、功率因数改善等问题。STATCOM由于具有最佳的电压补偿精度、更小的体积、更快的响应、灵活的操作以及在各种工况下都具有高动态响应特性等优点而受到广泛的关注。

2 STATCOM的工作原理

FACTS补偿装置大致分为基于转换器和基于晶闸管的补偿装置。STATCOM属于基于转换器的补偿器类型，与基于晶闸器或晶闸器开关设备相比，STATCOM具有更好的性能。其与高压交流系统的联络性较好，能够平滑的补偿无功，可以完成不同潮流、不同干扰下的无功功率补偿任务，其补偿精度、反馈速度较传统的补偿设备均有所提高。

电压源转换器(VSC)通过电抗器连接到交流电力系统。VSC的主要目的是产生补偿的无功功率，并以正常工作频率来进行工作，以减少转换器的内部损失。充电电容器的作用是向转换器提供直流电压，反过来产生三相可控输出电压。交流电源系统与转换器共用无功功率。通过改变输出电压E，可以控制无功转换的方向，由输出电压E的幅值决定STATCOM的运行。操作分为三个不同的阶段，如下所述：

（1）“E”的幅值越大：如果为E>V，则电流通过耦合变压器的电抗，从而产生前导电流。可将交流电源系统中的STATCOM视为一个电容器，可类比为电容器产生无功功率的原理。

（2）“E”的幅值较小：如果为E

（3）“E”=V的幅值：在这种情况下，系统中不产生无功功率的补偿。

由于转换器在系统中实现时存在内部损耗，因此在实际使用转换器的过程中必须考虑采取纠正的措施。否则，转换器的内部损耗将吸收存储在电容器中的能量，从而吸收较大的有功功率。为了避免这种情况，应使转换器的输出电压略滞后于交流系统电压，使其只吸收少量的有源功率，使转换器和整体系统平衡。STATCOM具有双向的补偿能力，即电感和电容补偿，也能够控制其输出电流过高的电感和电容负载，STATCOM是一种基于GTO的SVC，但是它不需要像传统SVC那样利用大电容（电感）元件来进行大型输电线路的无功补偿，可将其视为与系统电压无关的电流源。STATCOM相对于SVC、TCS、UPFC、SSSC等其他FACTS设备的突出优点是：占地面积更小；通过低压系统提供更高的无功输出；提高了传输系统的可靠性；传输系统的最大利用率更高；适用于低压、重负荷电力系统；在高压和轻负载下有更好的响应速度和精度；在停电期间能够吸收无功功率；可用作电力系统稳定器。

3 STATCOM的配置

在STATCOM的应用中，存在着多种拓扑结构。其中，在应用中，多级拓扑更为常见，并可以在STATCOM的构造或动作特征中添加修改。本文考虑的是更多层次的配置。在器件的基础上，给出了二极管/晶闸管控制的电容器、广义/级联逆变器和新兴拓扑结构的功能特征。

在二极管/晶闸管控制的电容器配置的情况下，如果输出电压中的电压增加，则二极管和电容器的数量也会增加，从而导致控制的复杂性。然而，这些拓扑具有共同的平衡电压电平的直流电压，增加了这些配置的优势。在没有真实电压（系统电压）匹配的情况下增加电压水平是这种配置的另一个优点，由于所有的电容器都依赖于直流电压，给高压应用增加了严重的问题，从而影响高压系统的可靠性。

级联多单元逆变器结构比电容和二极管所连接的拓扑结构更简单。在这里，两个分支转换器在每个相中被添加并串联起来。通过将同相的变换器的电压相加，就得到了该相的总电压。一组上升的配置，即到n级，被认为是广义多能级层。每一层可以通过将下一个级别添加到上一个级别获得。广义多级结构是一种具有平衡任意直流电压的结构。这个配置中的每一级都以电压为目标函数，并且独立于负载增加的特性。在多级混合配置的情况下，STATCOM(全桥)被用来取代电容和二极管逆变器的多级结构，反过来减少了直流电源的数量。这种配置在高压电源应用中具有重要作用。对于非对称混合多电平配置，每个单元都有不平等的直流电压水平。此外，每个层的转换器有不同的电压水平，将产生更多的无功功率，增加成本，平衡这样的方案是非常棘手的，电路控制也因此变得非常困难。

软开关、辅助谐振换极和零电压转换等调制方法的发展可以缓解调制困难，提高调制性能。这些调制技术分为主频开关和高频开关。选择性谐波消除和矢量控制方法属于第一类，而PWM和空间矢量属于后一类，即高频开关。通过对多级结构和多脉冲结构的比较，发现多脉冲结构虽然有其重要性，但多脉冲结构是基于磁耦合的，成本较高，而多级结构更可靠。因此，与多脉冲结构相比，具有更高的优越性。

4 STATCOM的控制策略

本文 采 用 d-q 控 制系 统 对 TPWM、 UTPWM、 BTPWM和HTPWM 技术进行比较分析，将基于DSTATCOM应用于两电平逆变器上，随各技术的结果而变化。这些技术正在结合梯形信号和各种类型的PWM信号而发展起来。该技术可影响PQ潮流。

本文的分析是基于DSTATCOM的三相二电平逆变器。DSTATCOM是一种用于解决电能质量问题的现代电力电子设备。两电平逆变器并联在PCC处，VSC、直流电路电容和控制器是DSTATCOM的主要组成部分。直流电容作为能量缓冲器，为连接在变换器直流母线上的DSTATCOM的正常工作提供直流电压。两电平逆变器提供了PCC和逆变器在电压起伏期间的电压差。利用d-q控制系统对其工作性能进行了分析。

在这种控制策略中，d-q控制器使用输出电压作为输入，将该d-q转换为abc并转交给PWM发生器产生逆变器的开关脉冲后，用PI控制器来消除和之间的误差。以下是四种对PWM控制器的比较。

PWM信号：利用PWM技术降低了负载电流中的谐波失真。矩形或正方形脉冲用于调制其脉宽。通过比较所需的调制波形和高频三角波形，产生PWM波形。

T-PWM技术：在TPWM技术的原理中，产生的PWM信号是梯形参考信号的乘积。由此产生的TPWM信号被用作转换器开关的开关脉冲。

单极梯形PWM技术：采用PWM技术控制输出电压电平。通过使用较小尺寸的无源滤波器，PWM输出电压可以转换为正弦波。使用UPWM(单极PWM)技术产生所需的脉冲。单极PWM减少载波计数。这是UPWM的主要优点。与双极PWM相比，单极PWM的载波计数减少了一半。通过使用逻辑门可以实现产生开关脉冲的控制逻辑。在UPWM中没有任何负载波，因此不需要任何额外的控制逻辑。为了产生开关脉冲，采用了先进的脉宽调制技术。梯形参考线有两个部分，即坡度和角度。这里选择斜率来生成梯形参考。

双极梯形PWM技术：在多电平功率转换中，采用了多种策略。该工作是首选的基于载波的PWM技术。多载波脉宽调制技术分为移相脉宽调制技术、载波配置技术和交替相位反相配置技术。

HTPWM 技术（Hybrid Trepozoidal PWM technique）：该拓扑可以分为两部分。第一种是由单极和双极PWM组合产生的混合PWM，另一种是用于获取开关脉冲的梯形参考信号。

以上为PWM信号及其四种不同的技术，利用仿真软件进行了仿真，并在此基础上找到不同技术的补偿优势。

控制器工作在0.1s到0.3s之间。在此基础上，发现来自负载和源端的电压和电流波形具有可变的FFT和THD。本文采用了不同类型的PWM生成方法来切换转换器。为了得到更好的结果，使用梯形波形作为载波频率，与产生的 PWM乘积，在所有其他情况下也使用梯形波形作为载波信号，产生不同类型的PWM技术。通过对所有方法的结果进行比较，得出HTPWM 技术可以产生更好的补偿效果。根据仿真结果，THPWM方法效果优于其他方法，采用THPWM方法在提高电压质量、进行电压补偿的精度和速度方面都有提高。

5 总结

STATCOM是FACTS家族中最重要的组成部分，在经济条件可接受的情况下，通过控制系统的分配可在高复杂环境下工作，具有很高的实用价值。广泛接受的STATCOM拓扑和配置已在本工作中阐述。除此之外，本文也详述了基于DSTATCOM的PWM控制策略,并通过比较得出更适用于无功补偿的THPWM控制策略。本文所提出的控制策略对保证电力系统的质量是非常必要的，因此可以通过STATCOM的通用能力来提高电能质量。它是一种无功补偿器，具有广泛的应用前景。STATCOM是一个非常成熟的设备，用于无功补偿、谐波缓解和功率因数改善。简而言之，它改善了电力系统的整体功率，提高了系统的可靠性。本文对STATCOM及其运行、发展、控制策略和应用进行了深入的综述。