1、前言靜止同步補償器(StaticSynchronousCompensator,STATCOM是目前最先進的無功補償技術(shù)，近年來隨著電力電子開關(guān)技術(shù)的進步而漸漸興起。STATCOM的原理是利用全控型大功率電力電子器件構(gòu)成可控的電壓源或電流源使其輸出電流超前或滯后系統(tǒng)電壓90，從而對系統(tǒng)所需的無功進展動態(tài)補償。早期有文獻稱之為靜止無功發(fā)生器(StaticVarGenerator,SVG)利用電力電子變流器進展無功補償?shù)目赡苄噪m然早在20年前就已經(jīng)為人們所生疏但限于當時電力電子器件的耐壓和功率水平無法制造出輸電系統(tǒng)中具有有用價值的裝置直到近年來，尤其是高壓大功率的門極可關(guān)斷晶閘管 GTO的消滅，才極大的推動了STATCOM的開發(fā)和應(yīng)用。STATCOM是并聯(lián)型FACTS設(shè)備，它同基于可控電抗器和投切電容器的傳統(tǒng)靜止無功補償器SVC相比性能上具有極大的優(yōu)越性，越來越得到廣泛的重視，必將取代SVC成為一代的無功電壓把握設(shè)備。目前，世界上已有多臺投入運行的大容量STATCOM裝置，如表1-1所示。由此可見目前為止國際上只有美日德中英等少數(shù)幾個國家把握了STATCOM的應(yīng)用開發(fā)技術(shù)。2023年2月28日，由上海電力公司、清華大學(xué)、許繼集團公司等單位共同研制的±50MvarSTATCOM在上海黃渡分區(qū)西郊變電站并網(wǎng)試運行。表1-1 國內(nèi)外已在輸電系統(tǒng)投運的STATCOM裝置〔UPFC并聯(lián)局部為STATCOM〕表1-1中除最終一項外，全部承受了變壓器多重化的主電路方案，主電路1-1。變壓器多重化方式可成倍增加裝置容量并降低輸出諧波。然而，多重化變壓器的引入帶來了很多問題：首先，它的價格格外昂貴，約為本錢的1/3～1/4；其次，它使裝置增加了50％左右的損耗和40％左右的占地面積；第置故障的重要緣由。假設(shè)能爭論一種的電路拓撲抑制由多重化變壓器帶來的諸多不便，那么將引起大容量STATCOM技術(shù)的一次大的飛躍。多電平變換器技術(shù)的引入正是這個關(guān)鍵技術(shù)的不二選擇圖1-1. 帶多重化變壓器的STATCOM拓撲STATCOM是其次代FACTS技術(shù)的代表，它的消滅是電力系統(tǒng)無功補償技術(shù)的又一次革命。其具備了在容性和感性范圍內(nèi)雙向連續(xù)調(diào)整補償電流的力氣電流諧波含量小(相比SVC)的特點，徹底解決了以往的無功補償設(shè)備所存在的FACTSSVC相比，STATCOM具有以下優(yōu)勢：1、STATCOM的動態(tài)響應(yīng)過程更快，在目前的工程應(yīng)用中，STATCOM的響應(yīng)時間可以做到20msSVC40ms以上。2、STATCOM的輸出特性不受系統(tǒng)電壓影響，當電壓下降時裝置輸出的無SVC統(tǒng)電壓下降時，其所能供給的最大補償容量也隨之下降。3、STATCOM的直流側(cè)儲能元件只對電壓或電流起到支撐作用，因此所需SVC的最大補償體積與占地面積較大。4、STATCOM輸出的電壓或電流幾乎為正弦波形，因此產(chǎn)生的諧波污染較??；SVC通過把握電抗導(dǎo)通角的方式進展調(diào)整，流過電抗器的電流為非正弦，有源的濾波裝置協(xié)作使用。5、STATCOM相當于一個可控電源，因此不轉(zhuǎn)變系統(tǒng)阻抗，不會與系統(tǒng)發(fā)雖然目前電力系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的無功補償設(shè)備還是SVC，但是電力電子技STATCOM所具有的以上優(yōu)勢使其成為傳統(tǒng)21世紀的電力系統(tǒng)運行品質(zhì)更為卓越。2、STATCOM的工作原理STATCOM其根本拓撲構(gòu)造分為電壓源型和電流源型，分別如圖2-1、2-2所示：圖2-1 電壓源型STATCOM圖2-2 電流源型STATCOMSTATCOM裝置中爭論最深入、應(yīng)用最廣泛是電壓源型逆變器構(gòu)造，緣由如下：1過大的問題；相比之下，電壓源型逆變器則不會受到該限制。2、電流源型逆變器直流側(cè)儲能電感不具備防止器件過電壓的力氣，因此需容本身具備防止功率器件過電壓的力氣。3、電流源型逆變器的直流側(cè)儲能電抗在工作中會產(chǎn)生比較大的損耗，給裝STATCOMSTATCOM的工作原理，是通過可控的與電網(wǎng)同頻的正弦電壓。此時STATCOM可以視為一個與電網(wǎng)同步的并且靈敏把握的溝通電壓源，其接入系統(tǒng)時的等效電路如圖2-3：圖2-3 電壓源型STATCOM接入系統(tǒng)的等效圖SI圖中為STATCOM公共接入點(PointofCommonCoupling,PCC)STATCOM溝通側(cè)逆變輸出電壓，L為連接電抗器，于是STATCOM裝置輸出的電流為：SISTATCOM輸出的單相視在功率為：在理論上，STATCOM只對無功進展補償，因此與電網(wǎng)之間不存在有功的來回。STATCOM裝置還無功格外微小，因此在進展理論分析的時候一般無視不計。最終近似認為ISTATCOM輸出的電壓相無功功率為：I

與電網(wǎng)電壓 相位一樣，從而得到裝置輸出的單STATCOM具有無功雙向調(diào)整力氣：即容性工況和感性工況，分別如以以以以下圖所示：圖2-4 容性工況I當UI

S>US

圖2-5 感性工況，即STATCOM裝置溝通側(cè)逆變電壓幅值大于系統(tǒng)電壓幅90°，STATCOM裝置向系統(tǒng)輸出(＞0，處于容性工況。I當UI

＜U

，即STATCOM裝置溝通側(cè)逆變電壓幅值小于系統(tǒng)電壓幅SSS90°，STATCOM裝置向系統(tǒng)輸出無功補償電流，并且做到準確的穩(wěn)態(tài)跟蹤準以及快速的動態(tài)響應(yīng)。S3、STATCOM注入電流的運行范圍 如圖3.1所示系統(tǒng)發(fā)送端電壓為U S系統(tǒng)接收端電壓為UR，STATCOM 輸入端電網(wǎng)電壓為U ，STATCOM的并聯(lián)變換器溝通側(cè)輸出電壓為U 電網(wǎng)1 sh注入到STATCOM中的電流為ish

，ZSTATCOM輸入端的S

為STATCOM輸入端到系統(tǒng)接收端的線路阻抗。R圖3.1 STATCOM系統(tǒng)根本構(gòu)造圖為了便于分析，假定系統(tǒng)參數(shù)如下：(3-1)(3-2)(3-3)(3-4)(3-5)其中k是阻抗系數(shù)，0≤k≤1；Z=R+jX 為線路總的阻抗；L

(3-6) 將電壓ish轉(zhuǎn)化到旋轉(zhuǎn)d、q坐標系下，并將d軸定位在U

方向上，則通過1〔3-7〕所示的旋轉(zhuǎn)3/2T

可得ish在d、q坐標系下表達式：(3-7)STATCOM的系統(tǒng)電壓、電流平衡分析：

(3-8)(3-9)(3-10)可知：

(3-11)(3-12)圖3.2 STATCOM注入到電網(wǎng)中的電流運行范圍首先由式〔3-12〕得到STATCOM注入到電網(wǎng)中的電流運行范圍的第一個約束條件：(3-13)由上式可見STATCOM注入到電網(wǎng)中的電流在 d、q軸電流平面上是以半徑的圓，如圖3.2所示。

為圓心以 為這里 變量RXδU是給定的系統(tǒng)參數(shù)變量k的大小取決于STATCOM的安裝位置,變量U1是由系統(tǒng)需求打算的，它們的大小打算了系統(tǒng)所需要的STATCOM注入到電網(wǎng)中的電流運行范圍。其次考慮STATCOM并聯(lián)變換器一側(cè)的系統(tǒng)參數(shù)可以得到：(3-14)其中U

和Ushd

是并聯(lián)變換器溝通側(cè)輸出電壓U 在d、q坐標系下的重量，X=ωshshqshL ，ω代表電網(wǎng)角頻率。由式〔2-14〕STATCOM注入到電網(wǎng)中的電流運行范sh圍的其次個約束條件：(3-15)最終考慮STATCOM補償?shù)淖畲笠曉诠β?,可以得到STATCOM注入到電網(wǎng)中的電流運行范圍的第三個約束條件： ,其中I

為shmaxSTTCOM2.33-13-1〔3-1〕所確定的圓的穿插局部限制了實際的運行系統(tǒng)中STATCOM注入到電網(wǎng)中的電流運行范圍，在設(shè)計STATCOM注入電網(wǎng)中的電流時，必需考慮這一點。此外，實際運行過程中，運行點主要是由STATCOM系統(tǒng)的有功需求打算的，即： 。如圖2.3所示，針對不同模式的STATCOM其運行范圍也有所不同，對于直流側(cè)無外部儲能裝置〔只有電容〕的STATCOM而言，它只能與電網(wǎng)進展無功功率的交換，也就是可以說無功功率可以雙向流淌，但是由于其自身沒有外部能量供給裝置，STATCOM工作所需要的有功功率全是單向流淌的當STATCOM進展無功補償?shù)臅r候i 都為正值也就是說它必需從系統(tǒng)shd中吸取有功功率來補償系統(tǒng)的損耗，維持直流母線電壓恒定，保證系統(tǒng)正常運行。此時STATCOM注入電網(wǎng)的電流實際運行范圍在圓的穿插局部的右半平面〔斜線的陰影局部。而對于有外部儲能裝置的STATCOMSTATCOM注入電網(wǎng)的電流實際運行范圍在圓的穿插局部的整個平面中〔斜線的陰影局部和穿插線的陰影部分。實際狀況中，STATCOM的容量，也就是它與電網(wǎng)交換的有功和無功的數(shù)量，與直流母線電容、開關(guān)器件、并聯(lián)變壓器的容量有關(guān)。STATCOM注入功率的運行范圍3.1TSTATCOM的有功和無功功率為：

注Shunt將3-〔3-〔3-14〕代入式〔3-1〕可得：

(3-17)(3-18)其中θ3.1所示，代表矢量U

和矢 之間的夾角。由式3-1〕得sh 1STATCOM中的功率運行范圍的第一個約束條件：(3-19)將式〔3-19〕所示的關(guān)系作于功率平面上可得圖 2.4?？梢婋娋W(wǎng)注入到STATCOM中的功率運行范圍在功率平面上是以半徑的圓，如圖3.3所示。

為圓心，以 為圖3.3 電網(wǎng)注入到STATCOM中的功率運行范圍U U下，允許其輸出的最大感性無功電流和容性無功電流是相等的，依據(jù) 1 shSTATCOM的有功和無功功率的另一種表達方式：(3-20) 其中 如圖3.1所示，代表矢量U

1和ish之間的夾角。由式〔3-20〕得到電STATCOM中的功率運行范圍的其次個約束條件：3.3所示，綜合式〔3-19〕和〔3-21〕所確定的圓的穿插局部限制了實際的STATCOMSTATCOM的運行點主要是由STATCOM系統(tǒng)的有功需求打算的。對于無外部STATCOM而言，它與電網(wǎng)進展無功功率的交換是雙向流淌，但是由于其自身沒有外部能量供給裝置，它必需從電網(wǎng)中吸取有功功率來補償STATCOMSTATCOM系統(tǒng)正常工作，因此，有功功率為正值是單向流淌的。此時電網(wǎng)注入到STATCOM的功率實際運行范圍都在圓的右半平面〔斜線的陰影局部STATCOM，其有功功率可以雙向流淌，因此電網(wǎng)注入到STATCOM的功率實際運行范圍落在圓的穿插局部的整個平面中〔斜線的陰影局部和穿插線的陰影局部。STATCOM調(diào)整線路傳輸功率力氣圖3.4 STATCOM的無功補償矢量圖STATCOM并聯(lián)變換器的直流側(cè)沒有外部儲能裝置的狀況下，STATCOM不STATCOM通過把握其輸入端電網(wǎng)電壓來調(diào)整線路傳輸功率的力氣，在如圖3.1所示的系統(tǒng)中，選擇STATCOM輸入端電網(wǎng)電壓U1STATCOM系統(tǒng)的損耗和傳輸線路上的等效電阻R，則STATCOM到中的電流為：

此時假設(shè) ， 則ish滯后電壓U190STATCOM注入感性的無功功率，如圖 3.4(a)所示；同理，假設(shè) ，則ish超前電壓U1為90°，即電網(wǎng)向3.4(b)，可以得到系統(tǒng)接收端的有功功率為：(3-21)STATCOM來提高線路傳輸功率，因此這里只分析電網(wǎng)向STATCOM注入容性的無功功率的狀況，電網(wǎng)向STATCOM注入感〔3-9〕~〔3-11〕可以得到：Xs

L R

=(1

(3-22)X〔其中k0≤Lk≤1X路電抗，X以得到：

為傳輸線路總的電抗，XSTATCOM輸入端的線L sR由上式可得：

(3-23)將式〔3-24〕代入〔3-22〕可以得到：

(3-24)(3-25)這里 為無STATCOM時系統(tǒng)接收端接收的最大有功功率而裝有STATCOM后系統(tǒng)接收端的有功功率變化量為 ，在給定系統(tǒng)接收端電壓幅值U，傳輸線路電抗X

、功率角δSTATCOM的最大允許輸出電流幅值LI 的條件下，△p 的大小只與阻抗系數(shù)k有關(guān)，也就是與STATCOM在傳Sh p輸線路上的安裝位置有關(guān)，由式〔3-26〕可知，為了得到有STATCOM系統(tǒng)的

對k的導(dǎo)數(shù)為0，即：RP代入式〔3-27〕可得：可以求得上述方程的根為：

(3-26)(3-27)(3-28)=STATCOM安裝在傳輸線路的中間時，系統(tǒng)接收端的有功功率可以到達最大，式〔3-24〕變?yōu)椋骸?-26〕可得系統(tǒng)接收端的最大有功功率為：STATCOM而轉(zhuǎn)變的最大傳輸功率為：STATCOM中的容性無功功率為：由式〔3-31〕和〔3-32〕可知：

(3-29)(3-30)(3-31)(3-32)STATCOMU

(3-33)〔2-30〕1可知在電網(wǎng)向STATCOM注入容性無功功率時

，因此δ(0,π)時，U

STATCOM注入感性無功功率的1狀況可得

為正，系統(tǒng)必需滿足以下條件：1由式〔3-34〕可知此時為了保證系統(tǒng)能正常工作，必需嚴格把握ISh

(3-34)的范圍，這一點在STATCOM對系統(tǒng)的功率把握STATCOM的功率特性，首先假定電網(wǎng)參 L數(shù)如下：δ=π/6,U 的幅值U=1.0pu,U 的幅值U=1.0pu,Xs S R RLsh=1.0pu,ish

的幅值ISh

=0.5,相位∠i

shSTATCOM補償無功功率和系統(tǒng)接收端的有功功率變化范圍，如3.5所示。sh圖3.5STATCOM的安裝位置對其補償無功功率及系統(tǒng)接收端有功功率的影響可見在電網(wǎng)向STATCOM注入的無功電流確定的狀況下，將STATCOM安裝在線路的中間可以取得最好的補償效果，這和上面的分析是全都的。4、STATCOM的把握方法STATCOMSTATCOM,3種根本構(gòu)造:開環(huán)把握、,由無功電流參考值調(diào)整STATCOM產(chǎn)生所需無功電流的具體把握方法,可以分為直接電流把握和間,主要包括PID把握,PID+PSS把握,逆系統(tǒng)PI把握,微分幾何把握,非線性魯棒把握,模糊把握,遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)把握等等。以下將介紹幾種主要的把握方式。電流間接把握：STATCOMSTATCOM的溝通輸出側(cè)電流目前主要有兩種實現(xiàn)的手段：一種方法是δSTATCOM裝置溝通側(cè)逆變電壓STATCOM調(diào)整逆變器輸出溝通電壓的同時直流電容電壓也在變δ角和θ依靠δ角調(diào)整相位而且還增加了開關(guān)器件的導(dǎo)通θ角把握，因此能夠同時調(diào)整STATCOMδ角把握的優(yōu)點是直流側(cè)δ角和θ角的聯(lián)合調(diào)整角度之間的協(xié)作關(guān)系也需要相應(yīng)地變化。δ角把握δ角和θ角協(xié)作把握般應(yīng)用在電力系統(tǒng)輸配電等大容量場合。主要緣由是目前應(yīng)用于大容量型STATCOM的STATCOM都承受了間接把握方式。除此之外，由于大容量STATCOM的內(nèi)容進展總結(jié)，可以得到電流間接把握方法的主要缺點：STATCOM直流側(cè)電壓的兩倍頻波動，進而導(dǎo)致整個把握系統(tǒng)不穩(wěn)定；技術(shù)。電流直接把握：STATCOM的電流直接把握方法首先依據(jù)適當?shù)膮⒖茧娏鳈z測方法計算出補償電流指令，然后承受高頻PWM跟蹤技術(shù)對補償電流的瞬時值直接進展反響把握目前在工程上一般承受比例積分(ProportionIntegration,PI)把握器對電流做瞬時跟蹤把握，并承受正弦脈寬調(diào)制(Sinusoial Pulse Width Modulation,SPWM)、空間矢量脈寬調(diào)制(SpaceVectorPulseWidthModulation,SPWM)等算法生成驅(qū)動脈沖承受電流直接把握方法以后，STATCOM具備了對更簡潔的指令電流跟蹤把握的力氣可以有效地濾除電網(wǎng)中的基波正序無功以及其他的包括負序、諧波在內(nèi)的全部有害電流，實現(xiàn)動態(tài)補償無功、消退三相不平衡、治理諧波的電能質(zhì)量綜合補償目標最終補償?shù)男Ч饕Q于裝置電流檢測方法的精度以及瞬時電流跟蹤環(huán)節(jié)的誤差大小。圖4.1 abc坐標下的電流直接把握圖4.2 d-q坐標下的電流直接把握電流直接把握的STATCOM4.1所示承受了abc靜止坐標系下的瞬時電流跟蹤方法。把握系統(tǒng)完成兩個功能：I

dref

，把握流入STATCOM的Iqref

時電流指令i

aref

、ibref

、icref

，然后PI把握器對三相瞬時指令信號進展電流跟PWM比較環(huán)節(jié)生成驅(qū)動逆變器的開關(guān)信號。d—q同步坐標系下的瞬時電流跟蹤方法。STATCOM輸出的三相電流經(jīng)同步旋轉(zhuǎn)坐標變換后解耦為電流有功分量i 以及電流無功重量id

。然后同樣由電壓外環(huán)得到有功電流指令I(lǐng)

dref

，同時I

qref

d—q旋轉(zhuǎn)坐標系下直接PI把握器對給定的有功和無功指令電流進展跟蹤，再使用dq0—abc反變換得到調(diào)制波，最終經(jīng)過PWM環(huán)節(jié)比較得到逆變器的開關(guān)信號。以上兩種把握PIPI把握器，被跟蹤的對象為正弦溝通信號；其次種把握系統(tǒng)只有兩個PI調(diào)整器，被跟蹤的對象為直流信號。相比之下，由于溝通信號的變化率較大，而PI把握器只能對直流信號進展穩(wěn)態(tài)無靜差的跟蹤，因此第一種把握系統(tǒng)進展PI調(diào)整時會有靜態(tài)誤差存在，而減小跟蹤誤差的有效手段，就是進一步提高PWM的開關(guān)頻率。電流直接把握方法能夠顯著提高