STATCOM對(duì)輸電系統(tǒng)及受端電能質(zhì)量的影響

梅永振，王海云，常鵬，李陽，潘悅

（新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院教育部可再生能源發(fā)電與并網(wǎng)控制工程技術(shù)研究中心，新疆烏魯木齊 830047）

STATCOM對(duì)輸電系統(tǒng)及受端電能質(zhì)量的影響

梅永振，王海云，常鵬，李陽，潘悅

（新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院教育部可再生能源發(fā)電與并網(wǎng)控制工程技術(shù)研究中心，新疆烏魯木齊 830047）

通過MATLAB/SIMULINK仿真軟件建立了單饋入輸電系統(tǒng)模型，設(shè)計(jì)了以三相橋三電平逆變器為主要電路的STATCOM，基于同步補(bǔ)償方法，研究了STATCOM的投切對(duì)輸電系統(tǒng)電能質(zhì)量的影響。通過對(duì)輸電系統(tǒng)電壓波動(dòng)、負(fù)荷變化對(duì)輸電系統(tǒng)沖擊等情況下的仿真分析，驗(yàn)證了STATCOM對(duì)電能質(zhì)量的提高、諧波的抑制、輸電損耗的降低具有明顯的優(yōu)勢(shì)，有效地提高了輸電系統(tǒng)及其受端的電能質(zhì)量。

STATCOM；三相橋三電平逆變器；電能質(zhì)量

隨著我國輸配電技術(shù)的快速發(fā)展，輸電系統(tǒng)受端對(duì)電能質(zhì)量的要求也同步增加。提高電能質(zhì)量對(duì)輸電系統(tǒng)及其受端都有好處。影響電能質(zhì)量的因素主要有：諧波、電壓波動(dòng)、功率損耗等。為改善輸電系統(tǒng)電能質(zhì)量，工程應(yīng)用人員開始對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行功率補(bǔ)償。電力系統(tǒng)功率補(bǔ)償方式和補(bǔ)償裝置種類很多，目前應(yīng)用最廣泛的是并聯(lián)型的靜止同步補(bǔ)償器——STATCOM。靜止同步補(bǔ)償器（STATCOM）與傳統(tǒng)的補(bǔ)償裝置相比，能夠迅速補(bǔ)償無功而提高功率因數(shù)和穩(wěn)定接入點(diǎn)電壓的電能質(zhì)量，具有響應(yīng)速度快、占地面積小等優(yōu)點(diǎn)[1-4]。

目前國內(nèi)外很多研究人員已經(jīng)做了有關(guān)改善電能質(zhì)量和無功補(bǔ)償?shù)拇罅垦芯浚C其研究，大多集中在無功補(bǔ)償裝置的類型及裝置容量上。裝置控制技術(shù)著重于使用各種智能控制算法以追求更高的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，此類研究在理論和實(shí)際應(yīng)用上確實(shí)在一定程度上改善了電網(wǎng)的電能質(zhì)量，取得了一定的補(bǔ)償效果。然而，鮮有學(xué)者專門討論無功補(bǔ)償裝置內(nèi)部電力電子器件協(xié)調(diào)控制、裝置利用率、裝置成本等問題，尤其對(duì)裝置內(nèi)部電力電子器件協(xié)調(diào)控制技術(shù)的研究十分缺乏，造成補(bǔ)償裝置內(nèi)部產(chǎn)生諧波，注入電網(wǎng)，污染了電網(wǎng)的電能質(zhì)量[4-8]。

本文通過MATLAB/SIMULINK仿真軟件建立了單饋入輸電系統(tǒng)模型，設(shè)計(jì)了基于IGBT的中點(diǎn)鉗位（NPC）三電平電壓型逆變電路的STATCOM，增加了輸出電壓波形的級(jí)數(shù)，降低裝置對(duì)輸出波形的影響，減少了諧波含量；采用跟蹤型PWM控制技術(shù)和二重化技術(shù)，提高了STATCOM的工作性能，有效地改善了受端的電能質(zhì)量?；谕窖a(bǔ)償方法，研究STATCOM的投切對(duì)輸電系統(tǒng)電能質(zhì)量的影響，通過理論分析和仿真結(jié)果驗(yàn)證STATCOM對(duì)電能質(zhì)量的提高、諧波的抑制、輸電損耗的降低等具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

1 STATCOM的工作原理及數(shù)學(xué)建模

1.1 STATCOM的工作原理

目前，工程應(yīng)用上大多采用電壓源型逆變器（voltage-sourced inverter，VSI）的STATCOM。其工作原理圖如圖1所示，當(dāng)U1＞Us時(shí)，STATCOM工作在超前狀態(tài)，此時(shí)發(fā)出無功功率，起可調(diào)電容器的作用；當(dāng)U1＜Us時(shí)，STATCOM工作在滯后狀態(tài)，此時(shí)吸收無功功率，起可調(diào)電抗器的作用；當(dāng)U1=Us時(shí)，STATCOM與電網(wǎng)之間不存在無功交換。

圖1 STATCOM的工作原理圖Fig.1 The working principle of STATCOM

1.2 STATCOM的主電路結(jié)構(gòu)

本文STATCOM的主電路結(jié)構(gòu)采用電壓型橋式電路結(jié)構(gòu)，其直流側(cè)儲(chǔ)能元件采用的是電容儲(chǔ)能。逆變器的電路設(shè)計(jì)是主電路的核心，圖2為STATCOM的電壓型橋式電路。

圖2 STATCOM的電壓型橋式電路Fig.2 The voltage type bridge circuit of STATCOM

逆變器采用了基于IGBT的中點(diǎn)鉗位（NPC）三電平電壓型逆變電路，其電路結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，三相橋三電平逆變器由于每個(gè)管子上只承受一半的直流電壓，避免為抬高電壓而進(jìn)行器件的串聯(lián)，提高裝置的可靠性，增加交流側(cè)輸出電壓波形的級(jí)數(shù)，改善輸出電壓的波形，減少諧波含量。

圖3 三相橋三電平逆變器Fig.3 Three-phase bridge and three-level inverter

1.3 STATCOM的數(shù)學(xué)模型

本文運(yùn)用輸入、輸出的建模方法來建立STATCOM裝置的數(shù)學(xué)模型，對(duì)STATCOM裝置建模之前，為充分考慮各變量權(quán)重，建模時(shí)做以下假設(shè)：

1）只考慮STATCOM輸出電壓的基波分量，忽略諧波分量。

2）將STATCOM裝置中各種損耗（包括開關(guān)器件的導(dǎo)通電阻）用等效電阻Rs表示，STATCOM與系統(tǒng)之間的連接電感用等效電感L表示。

3）系統(tǒng)中A、B、C三相電路參數(shù)對(duì)稱，且為三相基波正序系統(tǒng)，逆變器交流側(cè)輸出三相正序電壓。

根據(jù)STATCOM三相等效電路經(jīng)PARK變換得到其在d-q坐標(biāo)下的數(shù)學(xué)模型為

2 STATCOM的控制方式

本文采用跟蹤型PWM控制技術(shù)對(duì)電流波形的瞬時(shí)值進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋控制（直接電流控制），跟蹤型PWM控制技術(shù)采用了三角波比較方式。其控制原理框圖如圖4所示，該控制方式引入d-q坐標(biāo)分解法的電流直接控制方式，以瞬時(shí)電流無功分量的參考值為主，或者以無功電流參考值與滯后系統(tǒng)電壓90°的正弦波相乘，其結(jié)果再與電流有功分量的瞬時(shí)參考值相加得到；根據(jù)STATCOM對(duì)有功功率的需求，對(duì)iqref的相位進(jìn)行修正，得到總的瞬時(shí)電流參考值iref，此控制方式有效地改善了STATCOM的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。

圖4 采用d-q變換的直接電流控制原理框圖Fig.4 Block diagram of the direct current control using d-q transform

3 輸電系統(tǒng)仿真模型的建立

3.1 STATCOM的仿真模型的建立

STATCOM主電路為2個(gè)電壓源型換流器（VSC）通過變壓器并聯(lián)的結(jié)構(gòu)，采用跟蹤型PWM控制技術(shù)對(duì)電流波形的瞬時(shí)值進(jìn)行反饋控制，對(duì)輸出電壓的波形質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制。變壓器高壓側(cè)線電壓為25 kV，低壓側(cè)相電壓為1.25 kV。模型中“Controller”模塊是由STATCOM控制器模塊封裝而得到的，STATCOM仿真模型圖如圖5所示。STATCOM控制器模塊設(shè)計(jì)：將檢測(cè)到的母線電壓、STATCOM電流和直流電壓首先送至截止頻率為2 000 Hz的低通濾波器進(jìn)行濾波，然后再經(jīng)過零階保持器后送入STATCOM控制部分?？刂撇糠州敵鲭妷涸葱蛽Q流器（VSC）交流側(cè)電壓指令，生成三相調(diào)制波，送入PWM模塊，PWM模塊根據(jù)三相電壓調(diào)制波生成并聯(lián)二重化運(yùn)行的電壓源型換流器（VSC）的驅(qū)動(dòng)脈沖。PWM仿真模型圖如圖6所示，STATCOM控制器仿真模型圖如圖7所示。

圖5 STATCOM仿真模型圖Fig.5 STATCOM simulation model diagram

圖6 PWM仿真模型圖Fig.6 PWM simulation model diagram

3.2 輸電系統(tǒng)仿真模型建立

本文基于MATLAB/SIMULINK搭建輸電系統(tǒng)模型，系統(tǒng)共有3條母線B1、B2、B3，B1和B2之間的輸電距離為18 km，等效為π型等值電路；母線B2上安裝有“3 MW、0.2 Mvar”的用電負(fù)荷；母線B2和B3之間的輸電距離為2 km，等效為電感模擬電路；母線B3通過一個(gè)電力降壓變壓器連接到一個(gè)“1 MW”的固定負(fù)載和一個(gè)可變負(fù)載；母線B3上安裝有±3 Mvar的STATCOM。系統(tǒng)電能質(zhì)量通過“Three-phase V-I Measurements”模塊進(jìn)行測(cè)。輸電系統(tǒng)仿真模型圖如圖8所示。

圖7 STATCOM控制器仿真模型圖Fig.7 Simulation model of STATCOM controller

圖8 輸電系統(tǒng)仿真模型圖Fig.8 Transmission system simulation model diagram

4 仿真結(jié)果分析

4.1 輸電系統(tǒng)電壓波動(dòng)時(shí)STATCOM的補(bǔ)償效果

本文通過設(shè)置三相可編程電壓源模塊來研究輸電系統(tǒng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)時(shí)STATCOM的補(bǔ)償效果，設(shè)置電壓源在0.2 s時(shí)發(fā)生電壓波動(dòng)，其值為基準(zhǔn)值的1.06倍，0.3 s時(shí)變?yōu)槠浠鶞?zhǔn)值的0.94倍，0.4 s時(shí)再恢復(fù)到其基準(zhǔn)值。仿真分析STATCOM的投切對(duì)輸電系統(tǒng)的電能質(zhì)量的影響。仿真結(jié)果如圖9所示。

由圖9可以看出：母線B1的電壓隨電網(wǎng)電壓的變化而有較大幅度的變化，0.2 s時(shí)母線B1電壓的幅值達(dá)到設(shè)定值（基準(zhǔn)值的1.06倍），0.3 s時(shí)降為基準(zhǔn)值的0.94倍，輸電系統(tǒng)電壓在0.2 s和0.3 s時(shí)發(fā)生波動(dòng)，母線B3電壓的幅值也隨之發(fā)生波動(dòng)，由于STATCOM裝置裝設(shè)在母線B3上，能夠迅速對(duì)電壓變化進(jìn)行補(bǔ)償，以維持母線B3輸電電壓不變。

圖9 STATCOM投入后B1、B3電壓波形Fig.9 Voltage waveform sof B1and B3after STATCOM input

在正常情況下（0.2 s前）STATCOM既不消耗有功也不消耗無功。在0.2 s時(shí)輸電電壓開始波動(dòng)，STATCOM投入，無功電流開始出現(xiàn)。0.3 s前后，無功功率流向發(fā)生改變，可以看到電流相位能夠迅速平穩(wěn)地發(fā)生變化且沖擊很小。維持STATCOM的直流電壓波形Vdc平穩(wěn)，保證了STATCOM的正常工作。仿真結(jié)果如圖10所示。

圖10 STATCOM的有功、無功、電流、直流電壓波形Fig.10 The active，reactive power，current and DC voltage waveforms of STATCOM

仿真結(jié)果表明，STATCOM在系統(tǒng)電壓發(fā)生波動(dòng)后，能夠迅速做出反應(yīng)，發(fā)出或吸收相應(yīng)的無功功率，維持輸電系統(tǒng)電壓恒定，具有良好的解耦控制功能。

4.2 受端負(fù)荷引起電壓波動(dòng)時(shí)STATCOM的補(bǔ)償效果

本文通過設(shè)置仿真模型的“Variable Load”模塊來研究STATCOM在受端負(fù)荷引起電壓波動(dòng)時(shí)的補(bǔ)償效果，在0.15 s時(shí)，設(shè)置受端負(fù)荷產(chǎn)生5 Hz的低頻波動(dòng)。仿真結(jié)果如圖11所示。

圖11 STATCOM投入前后VB3波形Fig.11 VB3waveforms before and after STATCOM input

由圖11可以看出，STATCOM在投入之前，母線B3電壓的波形出現(xiàn)較大幅度的波動(dòng)，其變化幅值達(dá)至基準(zhǔn)值1.04倍，STATCOM投入后，母線B3電壓的波形沖擊幅度較小，幅值約為基準(zhǔn)值的1.01倍，經(jīng)過0.02 s后，電壓波形基本維持恒定。綜上可得：系統(tǒng)電壓波動(dòng)時(shí)，STATCOM能夠快速穩(wěn)定電壓，大大減少了系統(tǒng)電壓波動(dòng)的幅度及恢復(fù)時(shí)間，有效地提高了輸電系統(tǒng)的電能質(zhì)量；同時(shí)STATCOM根據(jù)需要快速調(diào)節(jié)無功輸出，及時(shí)補(bǔ)償系統(tǒng)的無功不足，有效地抑制電壓波動(dòng)及閃變，STATCOM的有功、無功波形變化如圖12所示。

圖12 STATCOM的有功、無功波形Fig.12 Active and reactive power waveforms of STATCOM

4.3 STATCOM內(nèi)部諧波的抑制

STATCOM內(nèi)部包含大量電力電子器件，接入電網(wǎng)后，會(huì)向其注入高次諧波。本文通過三電平技術(shù)和二重化技術(shù)，由PWM模塊根據(jù)三相電壓調(diào)制波生成并聯(lián)二重化運(yùn)行的電壓源型換流器的驅(qū)動(dòng)脈沖，經(jīng)過第二個(gè)電壓源型變流器的載波移相180°，實(shí)現(xiàn)并聯(lián)二重化運(yùn)行，消除STATCOM內(nèi)部電力電子器件產(chǎn)生的諧波污染，仿真結(jié)果如圖13所示。

由圖13可以看出，經(jīng)過二重化運(yùn)行后，諧波含量由濾波前的147.47%降到0.33%，大大減少了STATCOM本身產(chǎn)生的諧波，降低了對(duì)輸電系統(tǒng)的諧波污染。

5 結(jié)論

本文基于MATLAB/SIMULINK仿真軟件搭建了25 kV輸電系統(tǒng)仿真模型，分析了輸電系統(tǒng)進(jìn)行無功補(bǔ)償?shù)闹匾饬x及無功補(bǔ)償技術(shù)在電能質(zhì)量改善中的具體應(yīng)用。仿真結(jié)果表明：

1）采用輸入、輸出法對(duì)STATCOM建模的正確性，很好地體現(xiàn)了無功補(bǔ)償裝置的主要特性。

2）驗(yàn)證了三電平技術(shù)和二重化技術(shù)對(duì)降低STATCOM內(nèi)部諧波含量的有效性，從而降低了其對(duì)輸電系統(tǒng)的諧波污染。

圖13 濾波前后B3上電壓波形的傅里葉分析Fig.13 Fourier analysis of voltage waveform on B3before and after filtering

3）通過對(duì)輸電系統(tǒng)發(fā)生電壓波動(dòng)、負(fù)載對(duì)系統(tǒng)沖擊等情況下的仿真分析，STATCOM均達(dá)到了良好的補(bǔ)償效果，對(duì)輸電系統(tǒng)及其受端的電能質(zhì)量起到了顯著的改善作用。

[1]吳天明.MATLAB電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析[M].北京：國防工業(yè)出版社，2009.

[2]薛定宇，陳陽泉.基于MATLAB/Simulink的系統(tǒng)仿真技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2008.

[3]冉啟陽，張定宇，鄭航.配網(wǎng)靜止同步補(bǔ)償器的改進(jìn)粒子群優(yōu)化PI控制[J].電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2013，25（5）：111-115 RAN Qiyang，ZHANG Dingyu，ZHENG Hang.Improved particle swarm optimization PI control for D-STATCOM[J].Proceedings of the CSU-EPSA，2013，25（5）：111-115（in Chinese）.

[4]梁喆.靜止無功發(fā)生器無功電流檢測(cè)與控制方法研究[D].淮南：安徽理工大學(xué)，2009.

[5]朱志鍵，王杰.三相電壓型PWM整流器的二自由度內(nèi)?？刂芠J].電網(wǎng)與清潔能源，2015，31（11）：1-6.ZHU Zhijian，WANG Jie.Two-degrees-of-freedom internal model control of the three-phase voltage-sourced PWM rectifier[J].Power System and Clean Energy，2015，31（11）：1-6（in Chinese）.

[6]戴喜良，李尚盛，孫建軍，等.電能質(zhì)量擾動(dòng)發(fā)生器控制策略及其實(shí)現(xiàn)[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2014，42（23）：131-137.DAI Xiliang，LI Shangsheng，SUN Jianjun，et al.Control strategies and implementation of power quality disturbance generator[J].Power System Protection and Control，2014，42（23）：131-137（in Chinese）.

[7]王軒，林嘉揚(yáng)，滕樂天，等.d-q-0坐標(biāo)系下鏈?zhǔn)絊TATCOM電流控制策略[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2012，32（15）：48-54.WANG Xuan，LIN Jiayang，TENG Letian，et al.Current control strategy of chain circuit STATCOM in d-q-0 coordinates[J].Proceedings of the CSEE，2012，32（15）：48-54（in Chinese）.

[8]胡偉，孫建軍，姜一鳴，等.含STATCOM的孤島微電網(wǎng)低頻穩(wěn)定性分析[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2015，35（10）：2454-2462.HU Wei，SUN Jianjun，JIANG Yiming，et al.Lowfrequency stabilization analysis of isolated micro-grid with STATCOM[J].Proceedings of the CSEE，2015，35（10）：2454-2462（in Chinese）.

[9]易成星，楊偉，張晉.基于相量算法的STATCOM在風(fēng)機(jī)無功補(bǔ)償中的應(yīng)用[J].電網(wǎng)與清潔能源，2014（9）:92-97.YI Chengxing，YANG Wei，ZHANG Jin.Application of a STATCOM based on the phasor algorithm in the reactive compensation of wind generators[J].Power System and Clean Energy，2014（9）:92-97（in Chinese）.

[10]DHYANI V，ARORA S.Application of fuzzy logic control for reactive power and DC capacitor voltage control of Doubly Fed Induction Generator during external faults[C]//The 2013 IEEE International Conference on Fuzzy Systems.Hyderabad，India:IEEE，2013:1-5.

[11]AARATHI A R，JAYAN M V.Grid connected photovoltaic system with super capacitor energy storage and STATCOM for power system stability enhancement[C]//International Conference on Advances in Green Energy.Thiruvananthapuram，India:IEEE，2014:26-32.

[12]付偉，劉天琪，李興源，等.靜止無功補(bǔ)償器運(yùn)行特性分析和控制方法綜述[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2014（22）:147-154.FU Wei，LIU Tianqi，LI Xingyuan，et al.Analysis of operating characteristic and survey of control methods used in static var compensator[J].Power System Protection and Control，2014，42（22）:147-154（in Chinese）.

（編輯 馮露）

Influences of STATCOM on Power Quality of Transmission System and Receiving-End

MEI Yongzhen，WANG Haiyun，CHANG Peng，LI Yang，PAN Yue
（Ministry of Education Renewable Energy Generation and Grid Control Engineering Technology Research Center，School of Electric Engineering，Xinjiang University，Urumqi 830047，Xinjiang，China）

The single feed transmission system model is established by MATLAB simulation software in this paper.The STATCOM whose main circuit is a three-phase bridge threelevel inverter is designed.Based on the synchronous compensation method，the paper studies the effect of the STATCOM on power quality of transmission system and analyzes the impacts of the voltage fluctuations and load changes on the transmission system through simulation.The results show that the STATCOM has advantages of effective power quality improvement，harmonic suppression，and decreased transmission loss and therefore it can effectively improve the power quality of the transmission system and its receiving end.

static synchronous compensator；three-phase bridge and three-level inverter；power quality

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51267017）；國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（863計(jì)劃）（2013AA050604）。

Project Supported by National Natural Science Foundation of China（51267017）；National High Technology Research Program（863 Program）（2013AA050604）.

1674-3814（2016）08-0001-06

TM743

A

2016-03-01。

梅永振（1988—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)楦邏褐绷鬏旊娂肮β恃a(bǔ)償技術(shù)；

王海云（1973—），女，博士，教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)榭稍偕茉窗l(fā)電與并網(wǎng)技術(shù)、高壓直流輸電及功率補(bǔ)償技術(shù)。

1674-3814（2016）08-0007-06

TM46

A