靜態同步補償器在民用建筑供電系統的應用

劉富強

（中鐵西安勘察設計研究院有限責任公司，陜西 西安 710054）

1 靜態同步補償器原理

靜態同步補償器的主要工作原理是首先從三相交流電網獲取電壓，對直流電容進行充電，然后將電容上的直流電源進行逆變控制，將直流電轉換為交流電壓，并將其回饋至三相交流電網。當逆變電壓高于系統交流電壓時，變壓器上的電流則比電壓超前90度，靜態同步補償器呈現容性載荷屬性，向外輸出無功功率。當逆變的電壓小于系統交流電壓時，電流則比電壓滯后90度，靜態同步補償器呈現出感性負載屬性，起到吸收無功功率的作用。靜態同步補償器可以按照需求進行感性和容性的連續快速轉換[1-3]。

按照儲能元件類別的不同，靜態同步補償器可以分為電壓型和電流型兩類，儲能元件為電容的，則成為電壓型。儲能元件為電感的，則稱為電流型。按照補償器接入電網的形式，可將補償器分為并聯型和串聯型兩類。較常見的組網形式為電壓型并聯式補償和電流型串聯式補償。由于電壓型補償器具有較高的運行效率，應用最多的為電壓型并聯式補償。靜態同步補償器較常見的逆變結構如圖1所示，主體部分由三相逆變電橋構成，共6個GTO開關器件，并將快速恢復二極管與開關器件進行并聯，用于電流續流作用。整個系統的工作原理是電流傳感器將檢測到的電流值輸入至控制器，控制器將電流誤差輸入，經過控制算法運算輸出控制信號，控制信號經PWM脈沖發生器轉換為PWM脈沖控制信號，控制電橋開關器件的通斷，從而實現對電網補償。

圖1 靜態同步補償器逆變結構

2 靜態同步補償器存在的問題分析

現有的靜態同步補償器主要存在兩個方面的問題，一方面是靜態同步補償器無法自適應于不對稱電路，另一方面是靜態同步補償器的穩定魯棒性較差。在實際工程應用中，已有的靜態同步補償器主要是為高壓大容量電網系統設計，高壓大容量電網為對稱的三相電路，而民用建筑多為低電壓小容量系統，存在大量的單相載荷，電網必定為三相不對稱結構，隨著載荷的接入與斷開，其三相載荷不對稱程度也在隨機波動[4]。在供電系統發生載荷不對稱時，靜態同步補償器中將會出現較大的負序電流，負序電流流經直流電容，易造成電容老化和損壞，無法充分發揮出靜態同步補償器的作用。為克服這一問題，針對三相載荷不對稱問題，可在系統載荷出現不對稱時，將靜態同步補償器從線網中斷開，避免其遭受損害。

靜態同步補償器的模型屬于非線性的，一般的設計方法是將非線性模型進行近似線性化處理。利用近似線性化設計的控制系統其穩定性易受參數變化影響，很難同時兼顧系統穩定性和電容電壓相應快速性，系統的魯棒性偏差。需要改進非線性控制算法，保證靜態同步補償器具有足夠的穩定裕度，同時能夠達到要求的響應特性。

為克服靜態同步補償器存在的兩點問題，需要對補償器的設計方案進行改進，使其能夠適應民用建筑的供電特點，在低壓小容量的民用配電網中，發揮出靜態同步補償器對無功功率補償、濾除諧波和穩定功率因數的積極作用。

3 靜態同步補償器改進技術應用

3.1 無功電流檢測

無功補償首先要解決的問題是無功電流的準確檢測，因此提出基于瞬時功率算法的電流檢測技術，其基本原理是：通過正余弦發生電路和鎖相環電路，將其余電網電路進行耦合，獲得與電網具有相同相位的正弦信號，再利用公式（1）對電流進行坐標變換，將電流從ab三相坐標系下轉換到dq兩相靜態坐標系下，最后利用LPF濾波器濾除其中的直流分量，再對信號進行反向變換從而獲得有功基波分量[5]。用三相原始值減去有功基波，獲得無功電流的基波及諧波，從而實現了誤差電流的檢測。坐標轉換公式為：

3.2 靜態同步補償器建模

為了靜態同步補償器能夠適應于載荷不對稱的民用建筑供電系統，對靜態同步補償器的電路結構進行改進，在原有結構上加入一個新的開關器件，改進型靜態同步補償器電路如圖2所示。增加的開關支路為零序電流提供了通道，使其能夠適用于三相不平衡的供電系統，將靜態同步補償器的主電路模型進行簡化，按照電路拓撲結構建立微分方程公式，即可實現對靜態同步補償器的數學建模[6]。

圖2 改進型靜態同步補償器電路結構

3.3 電流間接控制法

靜態同步補償器的電流控制方法可以分為直接控制法和間接控制法。其中，直接控制法是直接控制電流的瞬時值，主要利用跟蹤型PWM技術，控制輸出電流跟蹤參考電流值，以實現對電流偏差值的補償，但其對系統的控制精度和響應速度要求均較高，開關器件需要高頻率的通斷控制，需要融合多種技術來調整設備容量與開關頻率之間的矛盾關系。間接控制是通過間接方式實現電流的控制，利用對輸出電壓的調節和控制系統電壓的相位差，并對導通角進行組合控制，實現對電容電壓的限制，間接法已在高壓大容量供電設備上得到應用，這里嘗試將其應用于小容量低電壓的民用建筑。

4 結 論

靜態同步補償器屬于一種新型的無功補償器，在供電系統中得到越來越多的應用，其在無功補償、穩定功率因數、抑制諧波方面具有重要作用。目前大多數靜態同步補償器仍然主要應用于大容量高電壓設備，文中關于民用建筑供電系統中的靜態同步補償器應用進行了分析，闡述了其主要原理，并針對存在的主要問題，提出了一些改進方案，以期提升靜態同步補償器適應性和系統魯棒性。