STATCOM在220kV變電站應用研究綜述

覃顯南

(廣西電網有限責任公司崇左供電局，廣西 崇左 532200)

STATCOM在220kV變電站應用研究綜述

覃顯南

(廣西電網有限責任公司崇左供電局，廣西 崇左 532200)

電力系統中電能質量日益嚴重，STATCOM的開發與研制對電能質量的提高具有重要意義。因此，加強STATCOM工作機理的研究，結合STATCOM在220kV變電站中的實際應用，指出STATCOM對電網的具有更好的動態補償效果，推廣應用的前景更為廣闊。論述了STATCOM的研究歷史與現狀，分析了STATCOM的機理，最后提出今后STATCOM技術的發展與研究方向。

電力系統；STATCOM；電能質量

1 引言

STATCOM也稱為靜止無功發生器(ASVG，Advanced Static Var Generator)，其功能與SVC基本相同，但是運行范圍更寬、調節速度更快。STATCOM是柔性交流輸電系統(Flexible AC Transmission Systems FACTS)的重要成員，對提高電力系統的電壓穩定水平、遠距離輸電的輸送容量、輸電系統暫態穩定極限和靜態穩定極限、阻尼振蕩等方面發揮著重要的作用，它可以從感性到容性的整個范圍內進行連續的無功調節，特別是在欠電壓條件下仍可高效地發出無功功率，為此，加強對STATCOM工作機理的研究，并將其應用于電力系統中，將會帶來顯著的經濟與社會效益。

2 STATCOM國內外研究現狀

靜止無功發生器(SVG)也被稱為靜止同步補償器(STATCOM)，是在20世紀80年代以來出現的更為先進的靜止無功補償裝置。STATCOM的研制一開始就受到日本、美國、德國政府和科研單位的重視，1980年日本研制出第一臺20Mvar STATCOM。到90年代取得突破性的研究進展，1991年和1994年日本和美國分別研制成功一套80Mvar和一套100Mvar的采用GTO晶閘管的STATCOM裝置，并最終成功地投入商業運行。德國西門子公司的單機容量為8Mvar的STATCOM裝置也于1998年投入運行。

在國外，由于STATCOM理論研究起步較早，已步入工業化應用階段。另一方面，STATCOM的工業化應用對理論研究起了非常大的推動作用，新的理論研究成果不斷出現。我國在STATCOM研究方面起步較晚，直到進入90年代以后，一些高等院校和科研機構開始進行STATCOM的研究，理論和應用都取得了很大進展，特別是2006年2月在上海黃渡分區西郊變電站并網試運行的±50Mvar STATCOM，核心技術達到了國際領先水平。

在我國普遍采用的無功補償裝置主要是并聯電容器和晶閘管控制電抗器(TCR)及晶閘管投切電容器(TSC)。為了改變上述情況，在1994年，研制大容量STATCOM被列為電力部重點科研攻關項目，同年在電力部的支持下，河南電力局決定和清華大學共同研制±20Mvar的STATCOM。1999年3月清華大學FACTS研究所與河南電力局共同研制的用于220kV電網的±20Mvar STATCOM在河南電網成功投入運行。2001年2月國家電力公司電力自動化研究院也將±200kvar STATCOM投入了運行。通過以上研究獲得很多實踐經驗，并在理論上有顯著的發展，STATCOM應用規劃仿真研究也已相繼展開。

清華大學FACTS研究所在河南±20Mvar STATCOM研制經驗基礎之上，繼續研制上海西郊變±50Mvar STATCOM的關鍵技術。±50Mvar STATCOM裝置是一種新型的動態無功補償裝置，采用了基于IGCT的鏈式逆變器，具有可分相控制和運行、輸出動態無功響應速度快、輸出電流諧波小、輸出無功電流大小與系統電壓無關、不需多重化變壓器、占地面積小等特點。裝置的研制在建模、主電路及參數設計方法、分布式鏈節控制與保護、系統控制策略等方面取得重大突破，核心技術達到了國際領先水平。2006年2月28日，±50Mvar STATCOM在上海黃渡分區西郊變電站并網試運行。

STATCOM的研究仍然是FACTS領域內一個重要課題，主要從構成大功率STATCOM主電路拓撲結構、多電平逆變器的調制方法、無功補償與儲能系統的結合、STATCOM的控制方法等幾個方面進行。

3 STATCOM的分類

從理論上可以將STATCOM分為電壓源型和電流源型。就其電路結構來說，電壓源型STATCOM直流側并聯有大電容，保證在持續充放電或器件換向過程電壓不會發生很大的變化，橋側串聯電感，而電流源型STATCOM則是直流側串聯大電感，保證在器件換向或充放電器件電流不會有大的波動，橋側并聯電感。在實際應用中，常用的大容量STATCOM采用的基本都是電壓源型結構，但是可以將SVG控制為電流源來進行無功補償。

按構成基本單元分，可以將STATCOM分為單相橋二電平，三相橋二電平，三相橋多電平。在大容量高電壓等級的應用場合中，往往需要將多個低壓小容量變換器通過變壓器耦合(即多重化)或采用變壓器在交流輸入輸出側進行升壓或降壓，這樣會產生耗能、諧波含量大、系統效率低等缺點。而多電平變換器開關器件所承受的電壓應力小(如三電平變換器每個開關器件所承受的電壓應力是二電平的一半)，諧波含量少，損耗降低，因此在大容量場合得到廣泛應用和發展。

按構成元器件分，可以將STATCOM分為GTO型、IGBT型、IGCT型、SCR型、GTR型、MOSFET型。基于功率變換的FACTS設備一般都采用全控型器件，主要是在GTO、改進型GTO(IGBT、MTO、ETO等)和(HV)IGBT等器件中選擇。IGBT適用于小容量場合，由ABB公司研制的配電STATCOM(Distribution STATCOM，D-STATCOM)，開關器件采用多個IGBT串聯。

按電壓等級分，可以將STATCOM分為高壓輸電網補償和低壓配電網補償。在高壓輸電網中STATCOM需要通過變壓器連接到電網中。在低壓配電網中，通過電抗器并聯或直接并聯電網，即D-STATCOM。D-STATCOM的基本工作原理就是將橋式電路通過電抗器或直接并聯在電網上，適當調節電路交流側輸出電壓的幅值或相位，或者直接控制其交流側電流就可以使該電路系統收獲發出滿足要求的無功電流，從而實現動態補償無功的目的。另外可以通過脈寬調制采用特定諧波消除的方法來消除特定諧波。

4 對STATCOM的機理分析

STATCOM的原理接線圖如圖1所示。其中控制元件為全控型閥元件GTO。

圖1 STATCOM原理圖

由上圖可知，STATCOM實際上為一個自換相的電壓型三相全橋逆變器。電容器的直流電壓相當于理想的直流電壓源，為逆變器提供直流電壓支撐。與GTO反向并聯的普通二極管的作用是續流。逆變器在正常工作時通過GTO的通斷將直流電壓轉換成與電網同頻率的相位與幅值都可控制的交流電壓。由于三相對稱正弦電路的三相功率瞬時值之和為常數，因此各相的無功能量不是在電源和負載之間而是在相與相之間的周期性交換。電容器上儲存的電場能量為:

(1)

由GTO的門極控制交流側輸出的電壓方波的波寬記為θ，則由傅里葉分解可得交流側輸出的基波電壓幅值為:

(2)

式中：K為與逆變器的結構有關的常數；VC為電容器的直流電壓；θ為控制變量。某220kV變電站中STATCOM與系統的電氣接線圖如圖2所示。

圖2 某220kV變電站接線圖

簡化其等值圖如圖3所示。

圖3 STATCOM與系統連接圖

由于STATCOM采用了電壓型橋式電路，因此必須通過連接電抗器或變壓器并入系統，連接電抗器的作用是將逆變器與交流母線這兩個電壓不相等的電源連接；另外一個作用是抑制電流中的高次諧波。因此其電感值不需要很大。圖中STATCOM被表示成一臺理想的同期調相機。以系統電壓VS為參考向量，則逆變器輸出電壓的基波分量值為VASVG，設其相位滯后系統的電壓角度為δ。記y=1/sqrt(r2+x2)；α=arctgr/x，不難導得逆變器從系統吸收的有功功率為

(3)

STATCOM送入系統的無功功率為：

(4)

5 未來發展與研究方向

靜止同步補償器變換器作為一個典型的開關非線性系統，將線性控制理論的分析、設計方法直接應用其中，必然會有較大的局限。其設計與其他連續系統的設計也不盡相同。首先，電力電子變換器的建模問題，盡管只要知道電路拓撲就可以對其進行精確地建模，但所得模型是分段連續的，不能直接用于控制器的設計，也為電力電子系統的分析帶來困難；第二，對于一般的被控系統，綜合算法就是控制算法，但電力電子系統又具有特殊性，其系統輸入是開關量，控制算法所得控制律必須轉換為開關器件的開關狀態，即為通常所說的調制方法。靜止同步補償器作為一種新型的無功功率補償調節裝置，已經成為現代無功功率補償裝置的發展方向，成為國內外電力系統行業的重點研究方向之一。

近年來，人工智能技術獲得了飛速地發展，充分利用人工智能領域的研究成果，依據人們在常年的系統運行中所積累的豐富經驗，基于專家系統設計具有學習功能的STATCOM智能控制器，有望在多目標、非線性控制問題上取得突破。

6 結論

電力系統中電能質量日益嚴重，STATCOM的開發與研制對電能質量的提高具有重要意義。本文論述了STATCOM的研究歷史與現狀，結合STATCOM在220kV變電站中的實際應用，研究了STATCOM的工作原理，指出了STATCOM對電網具有更好的動態補償效果與推廣應用，未來的STATCOM智能控制器應更加的智能化，并有望在多目標、非線性控制問題上取得突破。

[1] 王錫凡.現代電力系統分析[M].科學出版社,2003，3:1-5.

[2] 張伯明,陳壽孫.高等電力網絡分析[M].北京:清華大學出版社,1996.

[3] 高有斌.STATCOM對電力系統繼電保護的影響研究綜述[J].電網與水力發電進展,2007,7:50-52.

[4] 劉繞龍,馬小平,魏巍,等.直接電流控制的STATCOM仿真研究[J].煤礦機電,2011,02:3-6.

[5] 李寧寧,紀延超,王建賾,等.帶蓄電池儲能裝置的靜止同步補償器(STATCOM/BESS)的概況綜述[J].電工電能新技術,2014,4:48-53.

[6] 金麗莉,王寶安,黃學良,等.靜止無功發生器(STATCOM)發展綜述[A].中國電源學會電能質量專業委員會、歐盟-亞洲電能質量項目中國合作組.第二屆全國電能質量學術會議暨電能質量行業發展論壇論文集[C].中國電源學會電能質量專業委員會、歐盟-亞洲電能質量項目中國合作組,2011:6.

[7] 許湘蓮.基于級聯多電平逆變器的STATCOM及其控制策略研究[D].華中科技大學,2006.

[8] 董云龍.靜止同步補償器(STATCOM)的仿真與實現[D].東南大學,2004.

[9] 榮飛.配電網靜止同步補償器技術研究[D].湖南大學,2008.

[10] 陳閩江.含STATCOM的動態電壓穩定分析研究[D].上海交通大學,2010.

[11] 殷雄.基于IGBT的靜止無功發生器的研究[D].湖南大學,2010.

Review of STATCOM Used in 220kV Substation

QINXian-nan

(Chongzuo Bureau of Power Grid Corporation,Chongzuo 532200,China)

Power system power quality worsening,STATCOM Research and development has important significance for improving power quality.Therefore,strengthening research STATCOM working mechanism,combined with the practical application of STATCOM in 220kV substation,pointed STATCOM power grid has better dynamic compensation effect,the prospects for broader application.This article discusses the history and current situation of STATCOM research,analyzes the mechanism of STATCOM.Finally,future development and research directions STATCOM technology.

power system;STATCOM;power quality

1004-289X(2015)02-0006-03

TM71

B

2015-01-29作者簡介：覃顯南(1988-)，男，廣西平南縣人，助理工程師，主要從事變電站運行。