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

杜建霆

摘 要：STATCOM是以三相橋三平逆電器為主要電路設(shè)計(jì)的，設(shè)計(jì)STATCOM的單饋入輸電系統(tǒng)更是利用仿真軟件建立的。對(duì)電流波形的瞬時(shí)值進(jìn)行實(shí)時(shí)追蹤反饋控制（直接電流控制）的一種常用的技術(shù)方法就是跟蹤型PWM控制技術(shù)。

關(guān)鍵詞：STATCOM;三相橋三電平逆變器;電能質(zhì)量;控制系統(tǒng)

隨著電能逐步的滲透人們?nèi)粘Ｉ畹姆椒矫婷?，與人們的生活緊緊相連，輸配電技術(shù)也隨人們生活水平快速發(fā)展，從而讓“人們對(duì)輸電系統(tǒng)的受端電能質(zhì)量也有了更高的要求。提高電能質(zhì)量有著許多的優(yōu)點(diǎn)，尤其對(duì)輸電系統(tǒng)和受端都有重要的作用。而諧波、電壓波動(dòng)、功率損耗等都是影響電能質(zhì)量的主要因素。如今我國(guó)為提高電能質(zhì)量而使用的方式是對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行功功率補(bǔ)償。而電力系統(tǒng)功率補(bǔ)償方式和補(bǔ)償裝置種類(lèi)分為很多種，而如今生活中使用最廣最多的補(bǔ)償裝置是并聯(lián)型的靜止同步補(bǔ)償器——STATCOM。STATCOM比統(tǒng)的補(bǔ)償裝置有著更多的優(yōu)點(diǎn)。其中最主要的優(yōu)點(diǎn)有能夠快速的提高功率因數(shù)和穩(wěn)定接入點(diǎn)電壓的電能質(zhì)量、響應(yīng)速度快丶占地面積小等。

如今，全世界各國(guó)研究人員對(duì)改善電能質(zhì)量和無(wú)動(dòng)補(bǔ)償進(jìn)行了大量的研究和改進(jìn)，而大部分的研究都在無(wú)功補(bǔ)償裝置的類(lèi)型及裝置容量上。為了取得更高的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能這一成就，科研人員們采用了各種各樣的智能控制算法。通過(guò)各種研究，在理論上和和實(shí)際中都取得了一定的成就，不僅改善了電網(wǎng)的電能質(zhì)量，甚至取得了部分的補(bǔ)償效果。但是，很少有研究人員研究和討論無(wú)功補(bǔ)償裝置內(nèi)部電力電子器協(xié)調(diào)控制、裝置成本和裝置利用率等相問(wèn)題，而這些問(wèn)題尤其是無(wú)功補(bǔ)償裝置內(nèi)部電力電子協(xié)調(diào)控制技術(shù)的研究十分匱乏導(dǎo)致其內(nèi)部產(chǎn)生了諧波，從而污染了電網(wǎng)的電能質(zhì)量。

通過(guò)利用MATLAB/SIMULINK仿真軟件模擬設(shè)計(jì)了單饋入輸電系統(tǒng)，STATCOM的主要電路也是由三相三平逆變器設(shè)計(jì)。

1、STATCOM的工作原理及數(shù)學(xué)建模

1.1 STATCOM的工作原理

STATCOM的工作原理：利用關(guān)斷大功率電力的電子器件（如GTO，IGBT等）組成自抄換相橋式電路和電抗器并聯(lián)在電網(wǎng)上。不僅可以控制其幅襲值和相位，還可以控制電路的吸收或者發(fā)出無(wú)功電流，以使其達(dá)到動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償?shù)淖饔?，前者是通過(guò)控制橋式電路交流測(cè)，后者是直接控制橋式電路交流測(cè)電流。如圖，如果此時(shí)使U1﹥Us，STATCOM就會(huì)發(fā)出無(wú)功功率，這個(gè)原理其實(shí)就相當(dāng)于調(diào)電容器。相反，如果使U1

1.2 STATCOM主電機(jī)構(gòu)

STATCOM（Static Synchronous Compensator，簡(jiǎn)稱(chēng)STATCOM，我們又叫它為靜止同步補(bǔ)償器），當(dāng)用在配電網(wǎng)時(shí)，又被為DSTATCOM。要想控制無(wú)功電流源自動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)所需要的無(wú)功功率就需要將STATCOM并聯(lián)在電網(wǎng)之中，這樣做的目的就是并聯(lián)后它就等效為一個(gè)可變的無(wú)功電流源。這樣做可以使得并聯(lián)電容器裝置中的電力電子器件的諧波干擾污染問(wèn)題得以解決，使得諧波得以抑制或治理，從而改善電能質(zhì)量。

從理論上來(lái)說(shuō)STATCOM 可以有使用電容和電感兩種形式，因而，能夠?qū)⑵浞譃殡妷涸葱秃碗娏髟葱蛢煞N，兩種源型如下圖所示：

電壓橋型式電路結(jié)構(gòu)是本文中STATCOM的主電路使用的結(jié)構(gòu)，電容儲(chǔ)能是這種STATCOM的直流側(cè)儲(chǔ)能元件。而其主電路的核心是逆變器的電路設(shè)計(jì)。如下圖所示，該逆變器運(yùn)用的是以IGBT的中點(diǎn)鉗位（NPC）三相三平電壓型逆變電路。從圖上可以看出三相橋三電平逆變器的每一條線(xiàn)路上只了了承受了二分之一的直流電壓。因此，該電路解決了因?yàn)殡妷荷叨鴮?dǎo)致的器件間的串聯(lián)問(wèn)題，從而使得裝置的可靠性得以加強(qiáng)，也提高了交流側(cè)輸出電壓波形的級(jí)數(shù)，不僅改善增進(jìn)了輸出電壓的波形，還減少了諧波的含量。

2、 STATCOM的控制方式

對(duì)電流波形的瞬時(shí)值實(shí)時(shí)檢測(cè)反饋控制（直接電流控制）的一種常用技術(shù)方法就是跟蹤型PWM控制技術(shù)。跟蹤型PWM控制技術(shù)利用的比較方式是三角波比較方式（控制原理圖如下圖所示），這種控制是使用d-q坐標(biāo)分解法來(lái)直接電流控制的方式，就是用瞬時(shí)電流的無(wú)功分量的參考值或者也可以用無(wú)功電流的參考值乘以滯后系統(tǒng)電壓900度的正弦波，然后再將得到的結(jié)果加上電流有功分量的瞬時(shí)參考值就可以取得最終的結(jié)果。這種控制方式的使用使得STATCOM的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性得到了很大程度上的改善。

3、輸電系統(tǒng)仿真模型的建立

3.1 STATCOM的仿真模型建立

兩個(gè)電壓源型換流器（VSC）用變壓器的結(jié)構(gòu)并聯(lián)組成STATCOM的主電路，并聯(lián)后的STATCOM主電路再利用跟蹤型PWM控制技術(shù)對(duì)電流波形的瞬時(shí)值進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋管制由此完成對(duì)輸出電壓的波形質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)控制。

3.2 輸電系統(tǒng)仿真模型建立

本輸電系統(tǒng)模型是在MATLAB/SIMULNK的基礎(chǔ)上建立的，此系統(tǒng)分別有B1、B2、B3三條母線(xiàn)，從B1到B2的輸電距離有18km，相當(dāng)于π型等值電路;而母線(xiàn)B2到母線(xiàn)B3的輸電距離為2km，相當(dāng)于電感模擬電路。將一個(gè)“3MW、0.2Mvar”的用電負(fù)荷接在母線(xiàn)B2之上，將母線(xiàn)B3通過(guò)一個(gè)降壓變壓器與一個(gè)“1MW”的固定負(fù)載和一個(gè)可變負(fù)載相連，同時(shí)，母線(xiàn)B3之上在裝上一個(gè)±3Mvar。

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

通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析，結(jié)果顯示STATCOM能夠在系統(tǒng)電壓出現(xiàn)波動(dòng)后快速的發(fā)出或吸收相應(yīng)的無(wú)功功率，從而使輸電系統(tǒng)電壓保持穩(wěn)定，擁有優(yōu)秀的解耦控制作用。

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

通過(guò)相關(guān)結(jié)果顯示，在受端負(fù)荷引起電壓波動(dòng)時(shí)，STATCOM能夠很快的做出反應(yīng)，從而迅速穩(wěn)定電壓，降低了系統(tǒng)電壓波動(dòng)的恢復(fù)時(shí)間和幅度，使得輸電系統(tǒng)的電能質(zhì)量得以大幅度提高。同時(shí)，STATCOM在其各種不同情況下會(huì)作出各種不同相應(yīng)的反應(yīng)。

4.3 STATCOM內(nèi)部諧波的抑制

STATCOM內(nèi)部擁有許多的電力電子產(chǎn)品，在接入電網(wǎng)之后，電力電子器件會(huì)產(chǎn)生諧波污染。在引入三相三電平和二重化技術(shù)后，用三相電壓調(diào)制波生成的并聯(lián)二重化運(yùn)行的電壓源型變流器來(lái)消除脈沖，再經(jīng)過(guò)第二個(gè)電壓型變流器載波轉(zhuǎn)動(dòng)半圈，從而達(dá)到二重化運(yùn)行的效果，使得STATCOM內(nèi)的電力電子產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生的諧波污染得以消除，減少其對(duì)輸電系統(tǒng)的污染，提高輸電系統(tǒng)的電能質(zhì)量。

結(jié)論：

在使用MATLAB/SIMULNK仿真軟件中建立了STATCOM輸電系統(tǒng)仿真模型，從仿真實(shí)驗(yàn)中可以得出以下結(jié)果：①STATCOM運(yùn)用輸入輸出法是正確的，它很好的表現(xiàn)出了無(wú)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)的有效性。③在各種情況之下，STATCOM都體現(xiàn)出了優(yōu)良的補(bǔ)償效果對(duì)輸電系統(tǒng)以及受端電能質(zhì)量的提高有著極其重大的作用。

參考文獻(xiàn)：

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

[2]薛定宇，陳陽(yáng)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]朱志健，王杰.三相電壓型PWM整流器的二自由度內(nèi)膜控制【J】.電網(wǎng)與清潔能源，2015，31（11）：1-6.

（福建永福電力設(shè)計(jì)股份有限公司，福建 福州 350108）