statcom原理及控制方法

1、1、前言靜止同步補(bǔ)償器(Static Synchronous Compensator, STATCOM)，是目前最先進(jìn)的無功補(bǔ)償技術(shù)，近年來隨著電力電子開關(guān)技術(shù)的進(jìn)步而逐漸興起。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(duì)系統(tǒng)所需的無功進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。早期有文獻(xiàn)稱之為靜止無功發(fā)生器(Static Var Generator, SVG) 。利用電力電子變流器進(jìn)行無功補(bǔ)償?shù)目赡苄噪m然早在 20 年前就已經(jīng)為人們所認(rèn)識(shí)，但限于當(dāng)時(shí)電力電子器件的耐壓和功率水平，無法制造出輸電系統(tǒng)中具有實(shí)用價(jià)值的裝置。直到近年來，尤其是高壓大功率

2、的門極可關(guān)斷晶閘管 GTO 的出現(xiàn)，才極大的推動(dòng)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(bǔ)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 成為新一代的無功電壓控制設(shè)備。 目前，世界上已有多臺(tái)投入運(yùn)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(gè)國家掌握了 STATCOM 的應(yīng)用開發(fā)技術(shù)。2006 年 2 月 28 日，由上海電力公司、清華大學(xué)、許繼集團(tuán)公司等單位共同研制的±50Mvar STATCOM 在上

3、海黃渡分區(qū)西郊變電站并網(wǎng)試運(yùn)行。表 1-1 國內(nèi)外已在輸電系統(tǒng)投運(yùn)的 STATCOM 裝置（UPFC 并聯(lián)部分為 STATCOM）表 1-1 中除最后一項(xiàng)外，全部采用了變壓器多重化的主電路方案，主電路拓?fù)錇閳D 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(jià)格非常昂貴，約為成本的 1/31/4；其次，它使裝置增加了 50左右的損耗和 40左右的占地面積；第三，變壓器的鐵磁非線性特性給控制器設(shè)計(jì)帶來了很大的困難，同時(shí)也是引發(fā)裝置故障的重要原因。 如果能研究一種新的電路拓?fù)淇朔啥嘀鼗儔浩鲙淼闹T多不便，那么將引起大容量 STATCO

4、M 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(gè)關(guān)鍵技術(shù)的不二選擇圖 1-1. 帶多重化變壓器的 STATCOM 拓?fù)銼TATCOM 是第二代 FACTS 技術(shù)的代表，它的出現(xiàn)是電力系統(tǒng)無功補(bǔ)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)節(jié)補(bǔ)償電流的能力，適應(yīng)了電力系統(tǒng)對(duì)各種運(yùn)行工況的需求，同時(shí)還具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快、補(bǔ)償電流諧波含量小(相比 SVC)的特點(diǎn)，徹底解決了以往的無功補(bǔ)償設(shè)備所存在的缺陷。與采用第一代 FACTS 技術(shù)的 SVC 相比，STATCOM 具有以下優(yōu)勢： l 1、STATCOM 的動(dòng)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(shí)間可以做到 2

5、0ms 以下，而 SVC 則通常需要 40ms 以上。 2、STATCOM 的輸出特性不受系統(tǒng)電壓影響，當(dāng)電壓下降時(shí)裝置輸出的無功保持不變；而 SVC 裝置補(bǔ)償?shù)臒o功與電壓的平方成正比，當(dāng)無功不足導(dǎo)致系統(tǒng)電壓下降時(shí)，其所能提供的最大補(bǔ)償容量也隨之下降。 3、STATCOM 的直流側(cè)儲(chǔ)能元件只對(duì)電壓或電流起到支撐作用，因此所需要的電容或電抗值遠(yuǎn)小于補(bǔ)償容量，大大減小了裝置體積；而 SVC 的最大補(bǔ)償容量受到器件阻抗特性的限制，因此需要配備較大的電容和電抗器，導(dǎo)致裝置的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)生的諧波污染較小；SVC 通過控制電抗導(dǎo)通角的方式

6、進(jìn)行調(diào)節(jié)，流過電抗器的電流為非正弦，將產(chǎn)生大量的諧波注入電網(wǎng)，造成嚴(yán)重的諧波污染，在某些情況下需要與無源或有源的濾波裝置配合使用。 5、STATCOM 相當(dāng)于一個(gè)可控電源，因此不改變系統(tǒng)阻抗，不會(huì)與系統(tǒng)發(fā)生諧振；SVC 裝置是電抗或電容型的，接入電力系統(tǒng)容易與系統(tǒng)阻抗產(chǎn)生諧振。雖然目前電力系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的無功補(bǔ)償設(shè)備還是 SVC，但是電力電子技術(shù)以及電力系統(tǒng)研究專家普遍認(rèn)為，STATCOM 所具有的以上優(yōu)勢使其成為傳統(tǒng)無功補(bǔ)償設(shè)備的理想替代者，全面滿足了電力系統(tǒng)對(duì)無功補(bǔ)償?shù)母黜?xiàng)要求，使 21 世紀(jì)的電力系統(tǒng)運(yùn)行品質(zhì)更為卓越。2、STATCOM 的工作原理從理論上分析，STATCOM 的直流

7、側(cè)可以采用電容或者電感兩種形式。因此，其基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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 STATCOM實(shí)際上，目前 STATCOM 裝置中研究最深入、應(yīng)用最廣泛是電壓源型逆變器結(jié)構(gòu)，原因如下：1、電流源型逆變器的工作原理，需要采用具有對(duì)稱特性的大功率開關(guān)器件，即雙向電壓阻斷能力。而目前常用的可關(guān)斷器件存在反向阻斷能力差、導(dǎo)通損耗過大的問題；相比之下，電壓源型逆變器則不會(huì)受到該限制。2、電流源型逆變器直流側(cè)儲(chǔ)能電感不具備防止器件過電壓的能力，因此需要安裝額外的保護(hù)電路或者增大取值裕量；相比之下，電壓源型逆變器的直流電容

8、本身具備防止功率器件過電壓的能力。3、電流源型逆變器的直流側(cè)儲(chǔ)能電抗在工作中會(huì)產(chǎn)生比較大的損耗，給裝置設(shè)計(jì)帶來困難；而電壓源型逆變器的儲(chǔ)能電容損耗要小的多。電壓源型逆變器具有的以上優(yōu)勢使其成為目前條件下更合理的選擇，因此本文主要研究基于電壓源型逆變電路的 STATCOM。電壓源型 STATCOM 的工作原理，是通過可控的大功率電力電子開關(guān)器件將直流側(cè)電壓進(jìn)行逆變，從而在逆變器交流側(cè)輸出一個(gè)與電網(wǎng)同頻的正弦電壓。此時(shí) STATCOM 可以視為一個(gè)與電網(wǎng)同步的并且靈活控制的交流電壓源，其接入系統(tǒng)時(shí)的等效電路如圖 2-3：圖 2-3 電壓源型 STATCOM 接入系統(tǒng)的等效圖圖中為 STATCOM

9、公共接入點(diǎn)(Point of Common Coupling, PCC)處系統(tǒng)電壓， 為 STATCOM 交流側(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：進(jìn)而得到 STATCOM 輸出的單相視在功率為：在理論上，STATCOM 只對(duì)無功進(jìn)行補(bǔ)償，因此與電網(wǎng)之間不存在有功的往返。然而實(shí)際上由于開關(guān)損耗以及電容和電抗上等效電阻的存在，STATCOM 裝置還是需要從電網(wǎng)吸收很小的有功電流以維持直流側(cè)電壓平衡。由于這部分有功相比無功非常微小，因此在進(jìn)行理論分析的時(shí)候一般忽略不計(jì)。最后近似認(rèn)為STATCOM 輸出的電壓與電網(wǎng)電壓相位相同，從而得到裝置輸出的單相無功功率為：由以

10、上分析可得，在正常工作時(shí) STATCOM 具有無功雙向調(diào)節(jié)能力：即容性工況和感性工況，分別如下圖所示：圖 2-4 容性工況圖 2-5 感性工況(1) 當(dāng)，即 STATCOM 裝置交流側(cè)逆變電壓幅值大于系統(tǒng)電壓幅值，此時(shí)流過電抗器的補(bǔ)償電流超前系統(tǒng)電壓90°，STATCOM 裝置向系統(tǒng)輸出正的無功功率(Q0)，處于容性工況。(2) 當(dāng)，即 STATCOM 裝置交流側(cè)逆變電壓幅值小于系統(tǒng)電壓幅值，此時(shí)電抗器上的補(bǔ)償電流滯后系統(tǒng)電壓90°，STATCOM 裝置向系統(tǒng)輸出負(fù)的無功功率(Q 0)，處于感性工況。 綜上所述，STATCOM 的工作原理與以往的無功補(bǔ)償技術(shù)存在本質(zhì)區(qū)別。通

11、過對(duì)逆變器交流側(cè)電壓的幅值和相位進(jìn)行調(diào)控，或者直接對(duì)其補(bǔ)償電流進(jìn)行跟蹤控制，就能夠在容性到感性范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)無功補(bǔ)償電流，并且做到精確的穩(wěn)態(tài)跟蹤準(zhǔn)以及快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。3、STATCOM 注入電流的運(yùn)行范圍如圖 3.1 所示，系統(tǒng)發(fā)送端電壓為，系統(tǒng)接收端電壓為，STATCOM 輸入端電網(wǎng)電壓為，STATCOM 的并聯(lián)變換器交流側(cè)輸出電壓為，電網(wǎng)注入到STATCOM 中的電流為，為系統(tǒng)發(fā)送端到 STATCOM 輸入端的線路阻抗，為STATCOM 輸入端到系統(tǒng)接收端的線路阻抗。圖 3.1 STATCOM 系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)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)

12、(3-5)其中k 是阻抗系數(shù)，0 k 1；Z = R + j為線路總的阻抗； (3-6)將電壓轉(zhuǎn)化到旋轉(zhuǎn) d、q 坐標(biāo)系下，并將 d 軸定位在方向上，則通過（3-7）所示的旋轉(zhuǎn) 3/2 變換矩陣 可得在 d、q 坐標(biāo)系下表達(dá)式： (3-7) (3-8)分析裝有 STATCOM 的系統(tǒng)電壓、電流平衡分析： (3-9) (3-10) (3-11)根據(jù)式（3-8）（3-11）可知： (3-12)圖 3.2 STATCOM 注入到電網(wǎng)中的電流運(yùn)行范圍首先由式（3-12）得到 STATCOM 注入到電網(wǎng)中的電流運(yùn)行范圍的第一個(gè)約束條件： (3-13)由上式可見 STATCOM 注入到電網(wǎng)中的電流在 d、

13、q 軸電流平面上是以為圓心，以為半徑的圓，如圖 3.2所示。 這里，變量 R 、X、 、U 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, 變量是由系統(tǒng)需求決定的，它們的大小決定了系統(tǒng)所需要的 STATCOM 注入到電網(wǎng)中的電流運(yùn)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)其中和是并聯(lián)變換器交流側(cè)輸出電壓在 d、q 坐標(biāo)系下的分量，X = ， 代表電網(wǎng)角頻率。由式（2-14）可以得到 STATCOM 注入到電網(wǎng)中的電流運(yùn)行范圍的第二個(gè)約束條件： (3-15)最后考慮 STATCOM 補(bǔ)償?shù)淖畲笠曉诠β?可以得到 STATCOM 注入到

14、電網(wǎng)中的電流運(yùn)行范圍的第三個(gè)約束條件： ,其中為 STATCOM 注入到電網(wǎng)中的最大允許電流。如圖 2.3 所示，綜合式（3-13）、（3-15）、（3-16）所確定的圓的交叉部分限制了實(shí)際的運(yùn)行系統(tǒng)中 STATCOM 注入到電網(wǎng)中的電流運(yùn)行范圍，在設(shè)計(jì) STATCOM 注入電網(wǎng)中的電流時(shí)，必須考慮這一點(diǎn)。 此外，實(shí)際運(yùn)行過程中，運(yùn)行點(diǎn)主要是由 STATCOM 系統(tǒng)的有功需求決定的，即：。如圖 2.3 所示，針對(duì)不同模式的 STATCOM 其運(yùn)行范圍也有所不同，對(duì)于直流側(cè)無外部儲(chǔ)能裝置（只有電容）的 STATCOM 而言，它只能與電網(wǎng)進(jìn)行無功功率的交換，也就是可以說無功功率可以雙向流動(dòng)，但是由

15、于其自身沒有外部能量供應(yīng)裝置，STATCOM 工作所需要的有功功率全部來自電網(wǎng)，通過其自身的控制來從系統(tǒng)中吸收有功功率保證其正常工作，因此，有功功率是單向流動(dòng)的，當(dāng) STATCOM 進(jìn)行無功補(bǔ)償?shù)臅r(shí)候都為正值，也就是說它必須從系統(tǒng)中吸收有功功率來補(bǔ)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(yùn)行。此時(shí) STATCOM 注入電網(wǎng)的電流實(shí)際運(yùn)行范圍在圓的交叉部分的右半平面（斜線的陰影部分）。而對(duì)于有外部儲(chǔ)能裝置的 STATCOM，其有功功率可以雙向流動(dòng)，因此 STATCOM 注入電網(wǎng)的電流實(shí)際運(yùn)行范圍在圓的交叉部分的整個(gè)平面中（斜線的陰影部分和交叉線的陰影部分）。 實(shí)際情況中，STATCOM

16、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(yùn)行范圍 由圖 3.1 所示，忽略了并聯(lián)變換器的等效電阻，則電網(wǎng)通過并聯(lián)變壓器注入到 STATCOM 的有功和無功功率為： (3-17)將（3-1）、（3-2）、（3-14）代入式（3-17）可得： (3-18)其中 如圖 3.1 所示，代表矢量和矢量之間的夾角。 由式（3-18）得到電網(wǎng)注入到 STATCOM 中的功率運(yùn)行范圍的第一個(gè)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。 可見電網(wǎng)注入到 STATCOM 中的功率運(yùn)行范圍在功率平面

17、上是以為圓心，以為半徑的圓，如圖 3.3 所示。圖 3.3 電網(wǎng)注入到 STATCOM 中的功率運(yùn)行范圍另外，實(shí)際運(yùn)行中，STATCOM 的并聯(lián)變換器輸出的電流是有限制的，一般情況下，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，根據(jù)和之間的關(guān)系可以得到電網(wǎng)注入到 STATCOM 的有功和無功功率的另一種表達(dá)方式： (3-20)其中 如圖 3.1 所示，代表矢量和之間的夾角。由式（3-20）得到電網(wǎng)注入到 STATCOM 中的功率運(yùn)行范圍的第二個(gè)約束條件： 如圖 3.3 所示，綜合式（3-19）和（3-21）所確定的圓的交叉部分限制了實(shí)際的運(yùn)行系統(tǒng)中電網(wǎng)注入到 STATCOM 中的功率運(yùn)

18、行范圍。此外，實(shí)際運(yùn)行過程中，STATCOM 的運(yùn)行點(diǎn)主要是由 STATCOM 系統(tǒng)的有功需求決定的。對(duì)于無外部儲(chǔ)能裝置的 STATCOM 而言，它與電網(wǎng)進(jìn)行無功功率的交換是雙向流動(dòng)，但是由于其自身沒有外部能量供應(yīng)裝置，它必須從電網(wǎng)中吸收有功功率來補(bǔ)償 STATCOM 系統(tǒng)的損耗，保證 STATCOM 系統(tǒng)正常工作，因此，有功功率為正值是單向流動(dòng)的。此時(shí)電網(wǎng)注入到 STATCOM 的功率實(shí)際運(yùn)行范圍都在圓的右半平面（斜線的陰影部分）。而對(duì)于有外部儲(chǔ)能裝置的 STATCOM，其有功功率可以雙向流動(dòng)，因此電網(wǎng)注入到 STATCOM的功率實(shí)際運(yùn)行范圍落在圓的交叉部分的整個(gè)平面中（斜線的陰影部分和交叉

19、線的陰影部分）。STATCOM 調(diào)節(jié)線路傳輸功率能力圖 3.4 STATCOM 的無功補(bǔ)償矢量圖在 STATCOM 并聯(lián)變換器的直流側(cè)沒有外部儲(chǔ)能裝置的情況下，STATCOM 不能夠產(chǎn)生有功功率，但是它可以通過調(diào)節(jié)其輸入端電網(wǎng)電壓來間接提高線路傳輸功率。本節(jié)將詳細(xì)討論 STATCOM 通過控制其輸入端電網(wǎng)電壓來調(diào)節(jié)線路傳輸功率的能力， 在如圖 3.1 所示的系統(tǒng)中，選擇 STATCOM 輸入端電網(wǎng)電壓作為參考向量，忽略了 STATCOM 系統(tǒng)的損耗和傳輸線路上的等效電阻 R，則電網(wǎng)注入 STATCOM 到中的電流為：，此時(shí)若，則滯后電壓為90°，即電網(wǎng)向STATCOM 注入感性的無功

20、功率，如圖 3.4(a)所示；同理，若，則超前電壓為90°，即電網(wǎng)向 STATCOM 注入容性的無功功率，如圖 3.4(b)，可以得到系統(tǒng)接收端的有功功率為： (3-21)一般情況下我們關(guān)心的是利用 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情況，電網(wǎng)向 STATCOM 注入感性的無功功率的情況與其類似。 由式（3-9）（3-11）可以得到： (3-22)為了分析方便，定義 = k， = (1 k) （其中 k 是阻抗系數(shù)， 0 k 1），為傳輸線路總的電抗，為系統(tǒng)發(fā)送端到 STATCOM 輸入端的線路電抗，為STATCOM 輸入端

21、到系統(tǒng)接收端的線路電抗，代入式（3-23）可以得到： (3-23)由上式可得： (3-24)將式（3-24）代入（3-22）可以得到： (3-25)這里為無 STATCOM 時(shí)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、功率角 和 STATCOM 的最大允許輸出電流幅值的條件下，的大小只與阻抗系數(shù) k 有關(guān)，也就是與 STATCOM 在傳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)的最大傳輸功率，必須滿足對(duì) k 的導(dǎo)數(shù)為 0，即： (3-26)將式（3-25）代入式（3-27）

22、可得： (3-27)可以求得上述方程的根為： (3-28)考慮實(shí)際情況只有k = 1/2符合要求，即當(dāng) STATCOM 安裝在傳輸線路的中間時(shí)，系統(tǒng)接收端的有功功率可以達(dá)到最大，式（3-24）變?yōu)椋?(3-29)將上式代入式（3-26）可得系統(tǒng)接收端的最大有功功率為： (3-30)即由于 STATCOM 而改變的最大傳輸功率為： (3-31)此時(shí)電網(wǎng)注入到 STATCOM 中的容性無功功率為： (3-32)由式（3-31）和（3-32）可知： (3-33)STATCOM 正常工作的時(shí)候，其輸入端電網(wǎng)電壓的幅值必須為正，由式（2-30）可知在電網(wǎng)向 STATCOM 注入容性無功功率時(shí)，因此 (0

23、, )時(shí)，一定為正；同理分析電網(wǎng)向 STATCOM 注入感性無功功率的情況可得，若要使為正，系統(tǒng)必須滿足以下條件： (3-34)由式（3-34）可知此時(shí)為了保證系統(tǒng)能正常工作，必須嚴(yán)格控制的范圍，這一點(diǎn)在實(shí)際系統(tǒng)應(yīng)用中是非常重要的。 為了更形象地說明 STATCOM 對(duì)系統(tǒng)的功率控制能力，特在一定的電網(wǎng)參數(shù)下繪制 STATCOM 的功率特性，首先假定電網(wǎng)參數(shù)如下：=/6, 的幅值=1.0pu, 的幅值=1.0pu, =1.0pu , 的幅值=0.5, 相位=90º，當(dāng)阻抗系數(shù)k 從 0 變化到 1.0 時(shí)，可以得到 STATCOM補(bǔ)償無功功率和系統(tǒng)接收端的有功功率變化范圍，如圖 3.

24、5 所示。圖 3.5 STATCOM 的安裝位置對(duì)其補(bǔ)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 注入的無功電流一定的情況下，將 STATCOM 安裝在線路的中間可以取得最好的補(bǔ)償效果，這和上面的分析是一致的。4、STATCOM 的控制方法 STATCOM 作為一種快速可控的動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償設(shè)備，當(dāng)補(bǔ)償目標(biāo)以及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)明確以后，控制方法將對(duì)裝置整體補(bǔ)償效果產(chǎn)生重要的影響。因此，為了提高STATCOM 的性能，針對(duì)控制方法的研究得到了越來越多的關(guān)注。按不同的功能和要求 , ST AT C O M 的控制從控制策略上講 , 有3種基本結(jié)構(gòu) : 開環(huán)控制 、 閉環(huán)控制或者兩者結(jié)合的

25、復(fù)合控制 。根據(jù)控制物理量 , 由無功電流參考值調(diào)節(jié) ST AT C O M 產(chǎn)生所需無功電流的具體控制方法 ,可以分為直接電流控制和間接電流控制兩大類 。按照控制技術(shù)來分 , 主要包括 PI D 控制 , PI D + PS S 控制 ,逆系統(tǒng) PI 控制 ,微分幾何控制 ,非線性魯棒控制 , 模糊控制 , 遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制等等 。以下將介紹幾種主要的控制方式。4.1 電流間接控制： STATCOM 的電流間接控制方法，就是通過調(diào)節(jié)逆變器輸出交流電壓的幅值與相位，從而實(shí)現(xiàn)間接控制 STATCOM 的交流輸出側(cè)電流目前主要有兩種實(shí)現(xiàn)的手段：一種方法是角控制，實(shí)際上是調(diào)節(jié) STATCOM

26、裝置交流側(cè)逆變電壓與電網(wǎng)電壓之間的相位差。這種控制方法的主要優(yōu)點(diǎn)是角度控制實(shí)現(xiàn)起來比較容易，但是由于 STATCOM 調(diào)節(jié)逆變器輸出交流電壓的同時(shí)直流電容電壓也在變化，所以導(dǎo)致整體調(diào)節(jié)過程緩慢；另一種控制方法是同時(shí)控制角和角，不僅依靠角調(diào)節(jié)相位而且還增加了開關(guān)器件的導(dǎo)通角控制，因此能夠同時(shí)調(diào)節(jié)STATCOM 逆變電壓的幅值和相位。該控制方法相比單角控制的優(yōu)點(diǎn)是直流側(cè)電容電壓更加平穩(wěn)，提高了裝置運(yùn)行的穩(wěn)定性。其缺點(diǎn)是角和角的聯(lián)合調(diào)節(jié)要求電路參數(shù)測量準(zhǔn)確，但是電力系統(tǒng)中參數(shù)在運(yùn)行中又會(huì)發(fā)生變化，因此導(dǎo)致角度之間的配合關(guān)系也需要相應(yīng)地變化。(a) 角控制(b) 角和角配合控制以上提到的電流間接控制方

27、法都具有開關(guān)頻率低、控制方法簡單的優(yōu)點(diǎn)，一般應(yīng)用在電力系統(tǒng)輸配電等大容量場合。主要原因是目前應(yīng)用于大容量型STATCOM 的功率開關(guān)器件工作頻率依然受限，尚無法采用高頻的電流跟蹤控制技術(shù)。如日本東京電力250MVar、美國田納西電力100MVar、清華大學(xué)50MVar的 STATCOM 都采用了間接控制方式。除此之外，由于大容量 STATCOM 的開關(guān)頻率低，一般為工頻的兩倍，為了減少諧波只能采用多重化的方法。因此間接控制方法常常需要與多電平、多重化技術(shù)相結(jié)合以抑制并網(wǎng)電流諧波。對(duì)以上內(nèi)容進(jìn)行總結(jié)，可以得到電流間接控制方法的主要缺點(diǎn)：由于間接控制方法是通過控制相位角或者導(dǎo)通角來調(diào)節(jié)逆變器的輸出

28、電壓，因此無法直接對(duì)補(bǔ)償電流進(jìn)行跟蹤控制。而且在調(diào)節(jié)過程中還涉及到電容電壓充放電的暫態(tài)過程，不可避免地會(huì)帶來電流控制精度較低并且裝置動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度較慢的缺點(diǎn)；當(dāng)電網(wǎng)電壓或補(bǔ)償電流中存在負(fù)序不對(duì)稱分量時(shí)，這些負(fù)序不對(duì)稱分量又會(huì)引起 STATCOM 直流側(cè)電壓的兩倍頻波動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)控制系統(tǒng)不穩(wěn)定；間接控制方法對(duì)主電路參數(shù)的依賴大，然而這些參數(shù)測量困難并且電力系統(tǒng)參數(shù)又存在著不確定性，最終導(dǎo)致控制器實(shí)現(xiàn)困難，目前世界上只有少數(shù)國家掌握此技術(shù)。4.2 電流直接控制： STATCOM 的電流直接控制方法，首先根據(jù)適當(dāng)?shù)膮⒖茧娏鳈z測方法計(jì)算出補(bǔ)償電流指令，然后采用高頻 PWM 跟蹤技術(shù)對(duì)補(bǔ)償電流的瞬時(shí)值

29、直接進(jìn)行反饋控制。目前在工程上一般采用比例積分(Proportion Integration, PI)控制器對(duì)電流做瞬時(shí)跟蹤控制，并采用正弦脈寬調(diào)制(Sinusoial Pulse Width Modulation, SPWM)、空間矢量脈寬調(diào)制(Space Vector Pulse Width Modulation, SPWM)等算法生成驅(qū)動(dòng)脈沖。采用電流直接控制方法以后，STATCOM 具備了對(duì)更復(fù)雜的指令電流跟蹤控制的能力，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(fù)序、零序、諧波在內(nèi)的全部有害電流，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償無功、消除三相不平衡、治理諧波的電能質(zhì)量綜合補(bǔ)償目標(biāo)。最終補(bǔ)償?shù)男Ч?/p>

30、要取決于裝置電流檢測方法的精度以及瞬時(shí)電流跟蹤環(huán)節(jié)的誤差大小。圖 4.1 abc坐標(biāo)下的電流直接控制圖 4.2 d-q 坐標(biāo)下的電流直接控制電流直接控制的 STATCOM 可以有兩種控制結(jié)構(gòu)。第一種控制結(jié)構(gòu)如圖4.1所示采用了 abc 靜止坐標(biāo)系下的瞬時(shí)電流跟蹤方法?？刂葡到y(tǒng)完成兩個(gè)功能：其中電壓外環(huán)經(jīng)過 PI 控制器生成有功電流指令，控制流入 STATCOM 的有功電流以維持直流側(cè)電壓穩(wěn)定；同時(shí)指令電流檢測方法計(jì)算得到無功電流指令，對(duì)系統(tǒng)的無功進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。有功和無功指令電流經(jīng)過反變換得到三相瞬時(shí)電流指令、，然后 PI 控制器對(duì)三相瞬時(shí)指令信號(hào)進(jìn)行電流跟蹤，跟蹤以后得到調(diào)制信號(hào)再經(jīng)過 PWM

31、 比較環(huán)節(jié)生成驅(qū)動(dòng)逆變器的開關(guān)信號(hào)。 第二種控制結(jié)構(gòu)如圖4.2所示，采用了dq同步坐標(biāo)系下的瞬時(shí)電流跟蹤方法。該方法將 STATCOM 輸出的三相電流經(jīng)同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換后解耦為電流有功分量 以及電流無功分量。然后同樣由電壓外環(huán)得到有功電流指令，同時(shí)指令電流檢測方法計(jì)算得到無功電流指令。接著在 dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下直接用 PI 控制器對(duì)給定的有功和無功指令電流進(jìn)行跟蹤，再使用 dq0abc反變換得到調(diào)制波，最后經(jīng)過 PWM 環(huán)節(jié)比較得到逆變器的開關(guān)信號(hào)。以上兩種控制系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)的功能是相同的，但是具體的差異體現(xiàn)在電流跟蹤調(diào)節(jié)指令參考信號(hào)的形式以及 PI 控制器的位置和數(shù)量：第一種控制系統(tǒng)電流內(nèi)環(huán)有三個(gè)

32、 PI 控制器，被跟蹤的對(duì)象為正弦交流信號(hào)；第二種控制系統(tǒng)只有兩個(gè)PI 調(diào)節(jié)器，被跟蹤的對(duì)象為直流信號(hào)。相比之下，由于交流信號(hào)的變化率較大，而 PI 控制器只能對(duì)直流信號(hào)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)無靜差的跟蹤，因此第一種控制系統(tǒng)進(jìn)行PI 調(diào)節(jié)時(shí)會(huì)有靜態(tài)誤差存在，而減小跟蹤誤差的有效手段，就是進(jìn)一步提高 PWM的開關(guān)頻率。電流直接控制方法能夠顯著提高 STATCOM 的穩(wěn)態(tài)控制精度以及動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，此時(shí) STATCOM 所體現(xiàn)出的外部特性更接近于被控電流源。由于采用了高頻的 PWM 技術(shù)，因此要求主電路電力半導(dǎo)體器件具有較高的開關(guān)頻率，導(dǎo)致裝置的開關(guān)損耗較大。受到目前電力電子技術(shù)水平的限制，只能適用于中小容量的

33、STATCOM，起到改善配電網(wǎng)的電能質(zhì)量的作用。今后隨著電力電子器件的耐壓等級(jí)、額定電流、開關(guān)頻率等各項(xiàng)性能的繼續(xù)提高，PWM 控制技術(shù)的日趨成熟，無功與諧波電流檢測方法的不斷完善，微機(jī)控制技術(shù)與數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的不斷進(jìn)步，采用電流直接控制的 STATCOM 將逐漸成為研究的熱點(diǎn)以及發(fā)展趨勢。4.3線性 PID 控制： 自 20 世紀(jì) 80 年代初第一臺(tái)實(shí)驗(yàn)性 STATCOM 投入電網(wǎng)運(yùn)行以來，所有已公開的實(shí)用裝置的控制器設(shè)計(jì)都是采用經(jīng)典控制理論 PID 或者引入線路功率的 PSS 輔助方式來完成，或者進(jìn)行局部改進(jìn)的 PI 控制。同時(shí)有關(guān)理論也指出，這種控制方法在一定范圍之內(nèi)通過向系統(tǒng)提供有效的電壓支撐，可以維持接入點(diǎn)的電壓基本不變。但是，這些基于線性化的控制手段限制了該裝置的應(yīng)用范圍，在大的干擾下，這種控制方式難以滿足提高系統(tǒng)電壓穩(wěn)定的要求。 4.4線性最優(yōu)控制 ： 線性最優(yōu)控制早在 20 世紀(jì) 70 年代初便被引入到電力系統(tǒng)控制中，是目前現(xiàn)代控制理論中應(yīng)