靜止同步補償器（STATCOM）拓撲結(jié)構(gòu)的發(fā)展綜述

徐林菊

【摘要】隨著電力系統(tǒng)對高電壓和大容量的要求，靜止同步補償器的拓撲結(jié)構(gòu)向多電平模塊化的方向不斷發(fā)展。本文主要從靜止同步補償器拓撲結(jié)構(gòu)：變壓器多重化結(jié)構(gòu)、二極管鉗位型多電平變換器、飛跨電容多電平逆變器、級聯(lián)型多電平變換器、模塊化多電平變換器、混合級聯(lián)多電平換流器以及帶蓄電池儲能裝置的靜止同步補償器進行了綜述。

【關(guān)鍵詞】STATCOM;拓撲結(jié)構(gòu);電能質(zhì)量

1.引言

靜止同步補償器（Static Synchronous Compensator， STATCOM）是柔性交流輸電系統(tǒng)（FACTS）的核心裝置和技術(shù)之一，可以解決配電網(wǎng)中無功、諧波、電壓波動與閃變、三相電壓不平衡等電能質(zhì)量問題。隨著電力負荷和輸電容量的不斷增加，STATCOM向高壓大容量發(fā)展，STATCOM拓撲結(jié)構(gòu)也在不斷發(fā)展。本文從STATCOM拓撲結(jié)構(gòu)的發(fā)展進行了綜述。

2.STATCOM的拓撲結(jié)構(gòu)

圖1為STATCOM拓撲結(jié)構(gòu)，核心器件為電壓源逆變器，由大功率電力電子開關(guān)器件組成，將直流電源變換為具有一定頻率和幅值的交流電壓;電容起電壓支撐的作用;耦合變壓器將大功率變流裝置與電力系統(tǒng)耦合在一起。

圖1 STATCOM拓撲結(jié)構(gòu)

STATCOM主要有兩種基本結(jié)構(gòu)：變壓器多重化結(jié)構(gòu)和多電平結(jié)構(gòu)。多電平結(jié)構(gòu)的STATCOM包括：二極管鉗位型、飛跨電容型、級聯(lián)型和模塊化型。

2.1 變壓器多重化結(jié)構(gòu)的STATCOM[1]

其性能改善了波形質(zhì)量，更接近正弦波。原因在于多重化結(jié)構(gòu)，不同相位的方波電壓由若干個單相或三相逆變器產(chǎn)生，并用變壓器將其串聯(lián)在一起，疊加而成的波形，諧波畸變率減少。缺點是：變壓器和驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，動態(tài)響應(yīng)慢、占地面積比較大，不經(jīng)濟。

圖2 變壓器多重化結(jié)構(gòu)的STATCOM

2.2 二極管鉗位型多電平變換器[2]

如圖3：VT為三極管，VD為蓄流二極管，D為鉗位二極管，C為均壓電容，將直流電壓分為三電平。缺點：功率開關(guān)較多，不經(jīng)濟。優(yōu)點：提高了裝置的輸出容量。

圖3 二極管鉗位型三電平STATCOM拓撲結(jié)構(gòu)

2.3 飛跨電容多電平逆變器

圖4 電容鉗位三電平STATCOM拓撲結(jié)構(gòu)

電容起對功率開關(guān)進行直接鉗位的作用，但是隨著電平數(shù)目的增加，鉗位器件的數(shù)量增加，主電路和控制系統(tǒng)的實現(xiàn)難度增加;直流側(cè)的電壓不對稱;不經(jīng)濟且封裝難度增大[3]。

2.4 級聯(lián)型多電平變換器[4]

圖5 級聯(lián)型STATCOM拓撲圖

每相采用多個單相 H 橋電路串聯(lián);換流器由N個H橋子模塊級聯(lián)而成，每個子模塊有相應(yīng)的直流電源且電壓相等，輸出電壓是各個子模塊輸出的電壓之和。優(yōu)點：器件使用較少，易于模塊化;軟件控制容易實現(xiàn)，方法簡單，克服了電池組相串聯(lián)充放電不均衡的缺點。

圖6 單相鏈式STATCOM拓撲圖

單相鏈式STATCOM為級聯(lián)型，與同容量靜止無功補償器相比，具有調(diào)節(jié)范圍廣、調(diào)節(jié)速度快、欠壓下無功調(diào)節(jié)能力強、諧波含量小、減少系統(tǒng)諧振發(fā)生的優(yōu)點[5]。

2.5 模塊化多電平變換器

模塊化多電平變流器的MMC-STATCOM拓撲結(jié)構(gòu)如圖7：三相主電路有六個橋臂，各橋臂由N個子模塊和緩沖電感Lf組成。通過電感Ls連接到公共交流電網(wǎng)。子模塊是由兩個開關(guān)管VT1和VT2以及各自反并聯(lián)的二極管VD1，VD2，直流電容C組成的半橋電路[6]。

圖7 模塊化多電平變換器STATCOM的拓撲結(jié)構(gòu)

上、下橋臂同時運行的子模塊數(shù)為N保證了三相對稱運行。改進型MMC-STATCOM 拓撲無公共直流儲能環(huán)節(jié)部分（虛線部分），克服了傳統(tǒng)MMC-STATCOM上、下橋臂同時投入子模塊數(shù)為N的缺點，結(jié)構(gòu)簡單，造價低[7]。

2.6 混合級聯(lián)多電平換流器（Hybrid Cascaded Multilevel Converter，HCMC）[8]

HCMC-STATCOM由常規(guī)二電平電壓源換流器和H橋子模塊級聯(lián)而成的整形電路兩部分構(gòu)成。

圖8 HCMC-STATCOM的拓撲結(jié)構(gòu)

DS模塊由多個IGBT串聯(lián)而成如圖9。整形電路是有n個子模塊串聯(lián)而成，子模塊如圖10，每相二電平換流器是由兩個導(dǎo)通開關(guān)組成。HCMC-STATCOM是一個強耦合非線性的系統(tǒng)，可降低開關(guān)損耗，級聯(lián)模塊的電壓等級具有一致性，模塊化易于實現(xiàn)，波形具有良好的質(zhì)量。

圖9 DS模塊

圖10子模塊

2.7 帶蓄電池儲能裝置的靜止同步補償器（STATCOM/BESS）[9]

文獻[9]提出了帶蓄電池儲能裝置的靜止同步補償器，可以克服傳統(tǒng)電壓型逆變器STATCOM與系統(tǒng)進行無功交換，當(dāng)遇到阻性壓降導(dǎo)致末端電壓降低、阻尼系統(tǒng)有功振蕩、提高新能源的穿透功率極限等問題[10]。蓄電池儲能裝置與靜止同步補償器的連接方式：直接并聯(lián)在直流側(cè)[11]， 二端口和直接相連;直接DC/DC并聯(lián)在直流側(cè);經(jīng)隔離式DC/DC并聯(lián)在直流側(cè)[12]。

圖11 蓄電池與STATCOM 的連接方式

圖12 蓄電池組直接DC/DC并聯(lián)在直流側(cè)

圖13 蓄電池組經(jīng)隔離式DC/DC并聯(lián)在直流側(cè)

3.結(jié)語

靜止同步補償器作為電能質(zhì)（下轉(zhuǎn)第85頁）（上接第82頁）量的調(diào)控裝置，具有良好的動態(tài)調(diào)控性能。隨著電力系統(tǒng)對高電壓和大容量要求，靜止同步補償器的拓撲結(jié)構(gòu)不斷發(fā)展，隨之新的控制策略的應(yīng)用，對保證電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定、良好的電能質(zhì)量起著十分重要的作用。

參考文獻

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