楊升振

(工業(yè)和信息化部電子第5研究所質(zhì)量安全檢測(cè)中心，廣東廣州 510610)

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)電能的需求不斷增大。與此同時(shí)，生產(chǎn)的智能化與自動(dòng)化對(duì)電能質(zhì)量的要求也越來(lái)越高。而電網(wǎng)運(yùn)行電壓是電能質(zhì)量的重要指標(biāo)，雖有較多專(zhuān)門(mén)的設(shè)備用于電壓調(diào)節(jié)，但運(yùn)行電壓的水平最終取決于無(wú)功功率的平衡。當(dāng)系統(tǒng)中無(wú)功功率電源的無(wú)功出力不能滿(mǎn)足系統(tǒng)負(fù)荷和網(wǎng)絡(luò)損耗在額定電壓下對(duì)無(wú)功功率的需求時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致運(yùn)行電壓偏離額定電壓［1］。所以在電網(wǎng)適當(dāng)?shù)攸c(diǎn)合理添加無(wú)功功率補(bǔ)償設(shè)備，可減少輸電線(xiàn)路和變壓器中輸送的無(wú)功功率，從而降低了輸電線(xiàn)路和變壓器的損耗，達(dá)到調(diào)壓的目的，這是穩(wěn)定電網(wǎng)電壓的有效方法之一［2］。

無(wú)功功率補(bǔ)償設(shè)備從開(kāi)始運(yùn)用發(fā)展至今，經(jīng)歷了電容器、調(diào)相機(jī)、飽和電抗器(Saturated Reactor，SR)、靜止無(wú)功補(bǔ)償器(Static Var Compensator，SVC)。近年，伴隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，出現(xiàn)了一種更為先進(jìn)的無(wú)功功率補(bǔ)償設(shè)備，其是以變流器為核心，通過(guò)強(qiáng)制換相對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行無(wú)功功率補(bǔ)償［3］。1995年，在國(guó)際高壓大電網(wǎng)會(huì)議和電力、電子工程師學(xué)會(huì)的建議下，統(tǒng)稱(chēng)該設(shè)備為靜止同步補(bǔ)償器(Static Compensator，STATCOM)。STATCOM與其他傳統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備如SVC相比具有:響應(yīng)速度快;不會(huì)引起諧振短路;無(wú)功功率可在感性和容性之間連續(xù)調(diào)節(jié);利用PWM調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的電壓調(diào)控;可同時(shí)對(duì)諧波和無(wú)功進(jìn)行補(bǔ)償。STATCOM以其優(yōu)越性能，成為了柔性交流輸電系統(tǒng)(FACTS)的一個(gè)重要組成部分，也是未來(lái)無(wú)功功率補(bǔ)償設(shè)備的發(fā)展方向，必將被廣泛應(yīng)用［4］。

1 穩(wěn)定運(yùn)行電壓和無(wú)功功率的關(guān)系

以下以一個(gè)簡(jiǎn)單系統(tǒng)來(lái)說(shuō)明運(yùn)行電壓和無(wú)功功率的關(guān)系，如圖1所示。圖1(a)為簡(jiǎn)單系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò);圖1(b)為等值電路，其中，X為各元件總阻抗，E為發(fā)電機(jī)電動(dòng)勢(shì)，P+j Q表示送至用戶(hù)端的功率;圖1(c)為圖1(b)的向量圖。

根據(jù)向量圖可得

消去 δ，得

由式(3)可知，當(dāng)P和E為定值時(shí)，Q和U的關(guān)系如圖2曲線(xiàn)1所示，其與負(fù)荷的無(wú)功－電壓靜態(tài)特性曲線(xiàn)2相交于無(wú)功功率平衡點(diǎn)a，此時(shí)負(fù)荷點(diǎn)電壓為Ua。當(dāng)無(wú)功負(fù)荷增加時(shí)，曲線(xiàn)2平行上移至曲線(xiàn)2'，若電動(dòng)勢(shì)E和系統(tǒng)供應(yīng)的無(wú)功功率Q不變，mj此時(shí)無(wú)功功率平衡點(diǎn)將移動(dòng)至a'，負(fù)荷點(diǎn)電壓Ua'顯然＜Ua?？梢?jiàn)，無(wú)功電源無(wú)法滿(mǎn)足在電壓Ua下無(wú)功平衡的需求，僅能依靠降低電壓來(lái)運(yùn)行，以獲得低電壓下的無(wú)功功率平衡。若此時(shí)無(wú)功電源有充足的備用容量，向負(fù)荷發(fā)送無(wú)功功率，使無(wú)功電壓靜態(tài)特性曲線(xiàn)上移至曲線(xiàn)1'，從而使曲線(xiàn)1'和2'的交點(diǎn)a″所確定的運(yùn)行電壓接近或達(dá)到Ua。所以，當(dāng)系統(tǒng)無(wú)功電源較為充足時(shí)，便可維持較高的運(yùn)行電壓水平。而在無(wú)功電源不足時(shí)，需裝設(shè)必要的無(wú)功補(bǔ)償裝置，補(bǔ)償所需無(wú)功，穩(wěn)定運(yùn)行電壓［5－6］。本文即通過(guò) STATCOM 給系統(tǒng)補(bǔ)償無(wú)功功率，從而使運(yùn)行電壓保持穩(wěn)定。

圖1 簡(jiǎn)單系統(tǒng)

圖2 電壓水平和無(wú)功功率關(guān)系

2 STATCOM的基本結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1 STATCOM的基本結(jié)構(gòu)

STATCOM按電路不同可分為兩種類(lèi)型:電壓型橋式電路和電流型橋式電路。由于電壓型橋式電路的效率高于電流型橋式電路，所以應(yīng)用中的STATCOM普遍采用電壓型，仿真模型也采用電壓型。如圖3所示為電壓型橋式電路組成的STATCOM主電路基本結(jié)構(gòu)。其由以下幾部分組成:直流側(cè)電容，其作用是為設(shè)備提供電壓支撐;電壓源逆變器(VSC)，由大功率電力電子開(kāi)關(guān)器件(GTO或IGBT)組成，并運(yùn)用脈寬調(diào)制技術(shù)(PWM)控制電力電子開(kāi)關(guān)的通斷，將電容器上的直流電壓逆變成具有一定幅值和頻率的交流電壓;耦合變壓器和電抗器，其不僅起到將大功率變流裝置與電力系統(tǒng)相耦合的作用，還可將逆變器輸出電壓中的高次諧波濾除，使之輸出的電壓波形接近正弦波［7］。

圖3 STATCOM的主電路基本結(jié)構(gòu)

2.2 STATCOM的基本工作原理

根據(jù)圖3可得到STATCOM的等效電路，如圖4所示。STATCOM的四象限運(yùn)行區(qū)間如圖5所示。由圖4和圖5可知STATCOM裝置，吸收電流

視在功率

有功功率

無(wú)功功率

輸出電壓

上述公式中，Ug表示STATCOM交流側(cè)輸出電壓;Us表示系統(tǒng)電壓;δ表示Ug與Us之間的相位差;λ表示PWM的調(diào)制系數(shù)。

圖4 STATCOM的等效電路

圖5 STATCOM的四象限運(yùn)行區(qū)間

在理想運(yùn)行情況下，整個(gè)裝置不吸收有功功率，這意味著δ=0，可認(rèn)為變流器與系統(tǒng)之間所交換的能量是純無(wú)功功率。當(dāng)Ug＞Us時(shí)，電流I超前系統(tǒng)電壓90°，STATCOM向系統(tǒng)發(fā)出感性無(wú)功，此時(shí)STATCOM相當(dāng)于電容;當(dāng)Ug＜Us時(shí)，電流I滯后系統(tǒng)電壓90°，STATCOM向系統(tǒng)發(fā)出容性無(wú)功，此時(shí)STATCOM相當(dāng)于電感［8］。通過(guò)PWM技術(shù)控制電力電子開(kāi)關(guān)，調(diào)節(jié)Ug的大小便可由正到負(fù)、連續(xù)快速的調(diào)節(jié)系統(tǒng)吸收的無(wú)功功率Q，即而實(shí)現(xiàn)無(wú)功功率由感性到容性間的連續(xù)調(diào)節(jié)。

在實(shí)際運(yùn)行中，考慮到變流器和連接電抗器本身是損耗元件，需要電網(wǎng)提供必要的有功功率來(lái)補(bǔ)充這些損耗，否則需從直流側(cè)電容提供能量來(lái)抵消損耗部分，這樣會(huì)使直流電壓不斷下降，即相對(duì)電網(wǎng)電壓Us，電流I中有一定量的有功成分。根據(jù)式(6)，式(7)和圖5，當(dāng)δ＞0，有功功率P＞0，即STATCOM 從電網(wǎng)吸收有功功率;當(dāng)δ＜0，有功功率P＜0，即STATCOM向電網(wǎng)發(fā)出有功功率。在眾多控制策略中均是通過(guò)調(diào)節(jié)δ來(lái)維持直流電容電壓Uc穩(wěn)定。

總之，通過(guò)改變Ug幅值和相位差δ，便可調(diào)節(jié)有功功率和無(wú)功功率的大小及流向。

3 STATCOM主電路的控制

從控制策略上講，STATCOM的控制有3種基本結(jié)構(gòu):閉環(huán)控制、開(kāi)環(huán)控制及兩者的結(jié)合控制;從控制技術(shù)上分，主要包括PI控制、逆系統(tǒng)PI控制、PID+PSS控制、模糊控制、非線(xiàn)性魯棒控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制等;由無(wú)功電流參考值調(diào)節(jié)STATCOM產(chǎn)生所需的無(wú)功電流的控制方法，又可分為電流直接控制和電流間接控制［9］。所謂電流間接控制就是將STATCOM當(dāng)作交流電壓源來(lái)看待，對(duì)STATCOM輸出的交流電壓基波的幅值和相位進(jìn)行控制，來(lái)間接控制STATCOM的交流側(cè)電流;電流直接控制則是對(duì)輸出的交流基波瞬時(shí)值進(jìn)行反饋控制［10－11］?？傮w而言，控制要解決的問(wèn)題就是如何產(chǎn)生PWM信號(hào)，使得變流器的輸出電壓為相位和幅值均可控的正弦同步電壓。

3.1 PQ控制特性分析

所以，通過(guò)控制相對(duì)相位δ，即可調(diào)節(jié)有功功率P，進(jìn)而控制直流電壓Udc;控制調(diào)制系數(shù)λ就可調(diào)節(jié)STATCOM輸出電壓Ug，從而控制無(wú)功功率Q。

3.2 STATCOM控制方法

不同的電路結(jié)構(gòu)有不同的控制方法，但最終要達(dá)到的目的是通過(guò)控制逆變電壓來(lái)改變無(wú)功功率的輸出。要改變逆變電壓Ug的相位和幅值，可直接調(diào)節(jié)直流側(cè)電壓，也可在直流側(cè)電壓穩(wěn)定的情況下，利用調(diào)節(jié)單脈沖寬度、SPWM/SVPWM、直接電流等方法調(diào)節(jié)。其中，直流側(cè)電壓調(diào)節(jié)方法可分為自勵(lì)式和他勵(lì)式，所謂他勵(lì)式就是外部添加直流電源調(diào)節(jié)，此方式需添加額外的設(shè)備，不僅增加了裝置的體積，且成本也會(huì)大幅增加;自勵(lì)式則是利用變流器本身的整流逆變功能給電容充放電，調(diào)節(jié)直流電容電壓大小，因此在現(xiàn)有的STATCOM產(chǎn)品中基本上均使用自勵(lì)式調(diào)節(jié)。由工作原理可知，控制系統(tǒng)電壓和STATCOM輸出電壓之間的相位差δ，利用PLL鎖相同步控制，可達(dá)到穩(wěn)定或調(diào)節(jié)直流側(cè)電壓的目的。

由于系統(tǒng)有兩個(gè)可控變量，加上STATCOM結(jié)構(gòu)不同，STATCOM有多種控制策略，其主要可分為單變量控制和雙變量控制。單變量控制又可細(xì)分為兩種方法:當(dāng)PWM恒定，即調(diào)制系數(shù)λ為常數(shù)情況下，只需調(diào)節(jié)相位差δ即可調(diào)節(jié)Ug;當(dāng)直流電壓恒定時(shí)，調(diào)節(jié)PWM調(diào)制系數(shù)λ即可調(diào)節(jié)Ug。雙變量控制是指，同時(shí)控制相位差δ和PWM調(diào)制系數(shù)λ，控制δ以穩(wěn)定直流電壓，控制PWM調(diào)制系數(shù)λ來(lái)調(diào)節(jié)Ug。通過(guò)調(diào)節(jié)直流電壓的方法調(diào)節(jié)無(wú)功雖簡(jiǎn)單，但電容作為儲(chǔ)能元件，要有能量交換才能實(shí)現(xiàn)電壓變化，所以動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢;單調(diào)節(jié)調(diào)制系數(shù)λ適合于外接直流電壓的情況，若采用直流電容，由于電容電壓的衰減無(wú)法得到補(bǔ)償，故該策略不適用［12－13］。文中采用基于δ和λ的雙變量控制策略，如圖6所示。

圖6 基于δ和λ的雙變量控制策略系統(tǒng)圖

圖7 仿真系統(tǒng)圖

4 STATCOM仿真與分析

通過(guò)對(duì)STATCOM工作原理介紹、特性分析、控制策略的了解，在Matlab環(huán)境下搭建了STATCOM仿真模型，如圖7所示。系統(tǒng)電壓等級(jí)為35 kV，短路功率100 MW，補(bǔ)償容量±3 MW。系統(tǒng)由可編程電壓源、STATCOM、35 kV/380 V變壓器、固定負(fù)載和可變負(fù)載組成。系統(tǒng)采用電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)雙閉環(huán)PI控制。

4.1 STATCOM動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能仿真

在本次仿真試驗(yàn)中，可變負(fù)載保持恒定，觀(guān)察系統(tǒng)電壓階段性變化時(shí)，STATCOM對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)特性。可編程電壓源用于調(diào)節(jié)系統(tǒng)電壓。為使STATCOM終端參考電壓設(shè)置在220 V，開(kāi)始階段系統(tǒng)電壓設(shè)置為236.94 V。3 個(gè)階段時(shí)間點(diǎn)設(shè)置在 0.2 s、0.3 s、0.4 s，系統(tǒng)電壓依次增加6%，減少6%，然后恢復(fù)到開(kāi)始時(shí)的電壓。電壓變化情況如圖8所示。

開(kāi)始仿真，觀(guān)察示波器輸出的波形，如圖8，圖9所示。在開(kāi)始階段，STATCOM處于給直流電容充電狀態(tài)，從圖8和圖9(b)t在0～0.05 s可知，STATCOM吸收較大的有功電流，到t=0.1 s時(shí)到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)，系統(tǒng)運(yùn)行于額定電壓下。又因STATCOM參考電壓為220 V，所以其在0.1～0.2 s間處于懸置狀態(tài)，流過(guò)連接電抗器的電流基本為0，直流電容電壓穩(wěn)定在2.4 kV。而t=0.2時(shí)，系統(tǒng)電壓增加6%，STATCOM開(kāi)始工作于感性狀態(tài)，逆變器產(chǎn)生的交流電壓比電網(wǎng)電壓低，連接電抗器流過(guò)的電流Ia相位滯后系統(tǒng)電壓Ua為90°，STATCOM從電網(wǎng)吸收無(wú)功功率2.7 MW，系統(tǒng)運(yùn)行電壓恢復(fù)到原來(lái)水平，所用時(shí)間約為一個(gè)周期左右。t=0.3 s時(shí)，系統(tǒng)電壓Ua跌落6%，STATCOM從感性切換到容性狀態(tài)，逆變器產(chǎn)生的交流電壓比電網(wǎng)電壓高，Ia相位超前Ua90°，STATCOM 發(fā)出無(wú)功功率2.8 MW使系統(tǒng)運(yùn)行電壓恢復(fù)到參考值220 V。當(dāng)t=0.4時(shí)，系統(tǒng)電壓恢復(fù)到正常狀態(tài)，STATCOM輸出無(wú)功功率減少為0。

圖8 系統(tǒng)A相電壓與STATCOM A相電流波形

圖9 STATCOM動(dòng)靜態(tài)特性仿真結(jié)果

觀(guān)察圖9(d)可見(jiàn)，當(dāng)STATCOM從感性切換到容性過(guò)程中，PWM變換器調(diào)制系數(shù)λ從0.56變?yōu)?.9，STATCOM輸出電流為0時(shí)，調(diào)制系數(shù)穩(wěn)定在0.73。初始階段直流電容器由電網(wǎng)提供有功功率充電，經(jīng)0.1 s穩(wěn)定在約2 400 V，系統(tǒng)電壓產(chǎn)生波動(dòng)時(shí)，Udc僅產(chǎn)生±50 V的波動(dòng)，但經(jīng)電壓外閉環(huán)PI控制，可迅速回到約2 400 V，直流電壓較為平穩(wěn)，波形如圖9(c)所示。

4.2 抑制電壓閃變仿真

在本次仿真中電壓源保持恒定，通過(guò)可變負(fù)載的變化來(lái)測(cè)試STATCOM對(duì)電壓閃變的抑制作用?？勺冐?fù)載通過(guò)變壓器連接到電網(wǎng)，不斷吸收持續(xù)變化的電流，就如同工廠(chǎng)的電弧爐一般，因此會(huì)產(chǎn)生電壓閃變?？勺冐?fù)載的視在功率以5 Hz頻率在1～5 MW之間變化，期間功率因素保持在0.9，在t=0.15 s產(chǎn)生變化，如圖10所示。

圖10 負(fù)載的有功功率與無(wú)功功率

為便于比較，該實(shí)驗(yàn)分兩次進(jìn)行，第一次STATCOM未投入使用，第二次投入STATCOM調(diào)節(jié)電壓，兩次仿真結(jié)果如圖11所示。圖11(a)是未投入STATCOM時(shí)B1及B2的電壓波形;圖11(b)為投入STATCOM后B1及B2的電壓波形。通過(guò)比較可看出，在未投入STATCOM補(bǔ)償?shù)那闆r下B2的電壓在0.96～1.04 p.u(1 p.u=220 V)之間變化，即產(chǎn)生±4%的電壓波動(dòng)，波動(dòng)范圍較大;而當(dāng)投入 STATCOM后，電壓的波動(dòng)范圍在0.993～1.007 p.u之間，即±0.7%的波動(dòng)，波動(dòng)明顯減小，起到了抑制電壓閃變的效果。

圖11 STATCOM投入前后B1及B2的電壓波形

圖12為STATCOM輸出或吸收的電流波形，STATCOM根據(jù)電網(wǎng)的電壓情況自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出或輸入的電流。當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落到220 V以下時(shí)，其向電網(wǎng)注入無(wú)功電流，當(dāng)電網(wǎng)電壓升高到220 V以上時(shí)，其從電網(wǎng)吸收無(wú)功電流。

圖12 STATCOM調(diào)節(jié)電壓時(shí)A相輸出電流

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)分析電網(wǎng)運(yùn)行電壓與無(wú)功功率補(bǔ)償?shù)年P(guān)系，利用STATCOM對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。在Matlab環(huán)境下，搭建了基于δ和λ的雙變量控制STATCOM仿真模型對(duì)補(bǔ)償性能進(jìn)行驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明，當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)一定范圍電壓波動(dòng)問(wèn)題時(shí)，STATCOM能快速、精確地對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行無(wú)功功率補(bǔ)償，穩(wěn)定電網(wǎng)電壓，抑制電壓閃變，從而有效改善了電網(wǎng)電能質(zhì)量。

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