靜止同步補償�(StaticSynchronousCompensator,STATCOM)是柔性交流輸電系�(tǒng)(Flexible AC Transmission System,F(xiàn)ACTS)的核心裝置和核心技�(shù)之一。采用新一代的電力電子器件,如:門極可�(guān)�晶閘�(GTO),絕緣柵雙極�晶體�(IGBT),集成門極換向晶閘管(IGCT),并且采用現(xiàn)代控制技�(shù),其在電力系�(tǒng)中的作用是補償無�,提高系�(tǒng)電壓�(wěn)定性,改善系統(tǒng)性能。與傳統(tǒng)�無功補償裝置相比,STATCOM具有�(diào)節(jié)連續(xù),諧波小,損耗低,運行范圍寬,可靠性高,調(diào)節(jié)速度快等�(yōu)�,自問世以來,便得到了廣泛關(guān)注和飛速發(fā)��
從理論上可以將靜止同步補償器分為電壓源型和電流源�。就其電路結(jié)�(gòu)來說,電壓源型靜止同步補償器直流�(cè)并聯(lián)有大電容,保證在持續(xù)充放電或器件換向過程電壓不會�(fā)生很大的變化,橋�(cè)串聯(lián)電感,而電流源型靜止同步補償器則是直流�(cè)串聯(lián)大電�,保證在器件換向或充放電器件電流不會有大的波�,橋�(cè)并聯(lián)電感。如圖所��
在實際應(yīng)用中,常用的大容量靜止同步補償器采用的基本都是電壓源型結(jié)�(gòu)。但是可以將SVG控制為電流源來�(jìn)行無功補償�4提出了一種新的靜止同步補償器控制策略即采用電壓控制電流源(VCCS)的策略和改�(jìn)的電壓控制電壓源(VCVS)的策略來補償電力系統(tǒng)公共連接�(PointofCommonCoupling,PCC)電壓不平衡,特別是在較小容量時采用VCCS方式將能�(dá)到的補償效果�
按構(gòu)成基本單元逆變器模�,可以將靜止同步補償器分為單相橋二電平,三相橋二電平,三相橋多電平。在大容量高電壓等級的應(yīng)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(cè)�(jìn)行升壓或降壓,這樣會產(chǎn)生耗能、諧波含量大、系�(tǒng)效率低等缺點。而多電平變換器開�(guān)器件所承受的電壓應(yīng)力小(如三電平變換器每個開�(guān)器件所承受的電壓應(yīng)力是二電平的一�),諧波含量少,損耗降�,因此在大容量場合得到廣泛應(yīng)用和�(fā)��
按構(gòu)成元器件,可以將靜止同步補償器分為GTO�,IGBT�,IGCT�,SCR�,GTR型,MOSFET�?;诠β首儞Q的FACTS�(shè)備一般都采用全控型器件,主要是在GTO、改�(jìn)型GTO(IGBT、MTO、ETO�)�(HV)IGBT等器件中選擇。國際上個采用GTO作為逆變器功率器件的靜止同步補償�,是由美國EPRI與西屋電氣公司研制的,容量依1Mvar。我國依20MvarSTATCOM和日本關(guān)西電力系�(tǒng)Inuyama開關(guān)站依80MvarSTATCOM均是采用GTO作為功率器件�。IGBT適用于小容量場合,由ABB公司研制的配電STATCOM(DistributionSTATCOM,D-STATCOM),開�(guān)器件采用多個IGBT串聯(lián)�
按電壓等�,可以將靜止同步補償器分為高壓輸電網(wǎng)補償和低壓配電網(wǎng)補償。在高壓輸電�(wǎng)中靜止同步補償器需要通過變壓器連接到電�(wǎng)中。在低壓配電�(wǎng)�,通過電抗器并�(lián)或直接并�(lián)電網(wǎng),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(lián)在電�(wǎng)�,適�(dāng)�(diào)節(jié)電路交流�(cè)輸出電壓的幅值或相位,或者直接控制其交流�(cè)電流就可以使該電路系�(tǒng)收獲�(fā)出滿足要求的無功電流,從而實�(xiàn)動態(tài)補償無功的目�。另外可以通過脈寬�(diào)制采用特定諧波消除的方法來消除特定諧��
根據(jù)控制物理量,可以分為直接電流控制和間接電流控�。直接電流控制技�(shù)就是采用跟蹤性PWM控制技�(shù)對電流波形的瞬時值�(jìn)行反饋控�,直接指令電流的�(fā)生,�(jié)�(gòu)簡單,電流調(diào)節(jié)響應(yīng)快,對擾動的魯棒性好,但是只適用于中小容量場合,對于大容量場合具有很大的局限�。間接電流控�,是通過STATCOM逆變器交流電壓極薄的幅值和相位,來間接控制交流�(cè)電流,簡單易實現(xiàn),但動態(tài)性能欠佳,適用于大容量STATCOM�
為了減少諧波,在間接電流控制中可以采用多重化、多電平或者PWM技�(shù)來改善波��
STATCOM裝置主電路設(shè)計的多重化和�?zhǔn)浇Y(jié)�(gòu)是提高容量的常用技�(shù)。多重化�(jié)�(gòu)就是用幾個單相或三相逆變器產(chǎn)生相位相差若干度的方波電�,用變壓器將不同相位的方波電壓串�(lián)在一�,可以有效的提高容量與電壓,減少諧波,但同時也會帶來很多問題,諸如價格昂�,增加了裝置損耗和占地面積,并且變壓器的鐵磁非線性特性也給設(shè)計帶來了困難。由ALSTOM公司為英國國家電�(wǎng)公司研制的依75MvarSTATCOM采用了新型鏈?zhǔn)浇Y(jié)�(gòu),摒棄了笨重的多重化變壓�。鏈?zhǔn)絊TATCOM各逆變橋直流電容器是相互獨立的,存在電容電壓不平衡問題,混合型損耗差�、并�(lián)型損耗差異以及輸入脈沖延時的不同是造成電容電壓不平衡的主要原因。通過�(diào)節(jié)逆變橋與系統(tǒng)間的相位差,通過�(diào)節(jié)各逆變橋調(diào)制比都可以實�(xiàn)電容電壓平衡。圖1和圖2分別是鏈?zhǔn)胶投嘀鼗Y(jié)�(gòu)的原理圖�
從控制策略上講可以分為開�(huán)控制,閉�(huán)控制,以及這兩種的混合控制。通常從控制上講是電壓�(huán)以及電流�(huán)。文�(xiàn)中STATCOM的控制是基于SVPWM的電壓電流雙�(huán)控制,利用鎖相環(huán)(PLL)和低通濾波器(LPF)檢測�(fù)載電流中無功電流的大�,通過dq變換實現(xiàn)STATCOM無功電流和有功電流在dq平面的解耦控�。同時,直流電壓外環(huán)控制器輸出耦合到有功電流控制環(huán)路實�(xiàn)直流電壓�(wěn)壓控��
從控制技�(shù)角度來說有PI控制方法,PI逆控制方法,魯棒自適�(yīng)控制,遞歸神�(jīng)�(wǎng)�(luò)自適�(yīng),滑模變�(jié)�(gòu),模糊控制方�。其中魯棒自適應(yīng)控制方法,模糊控制系�(shù)選擇困難;神經(jīng)�(wǎng)�(luò)自適�(yīng)方法不依賴于系統(tǒng)模型的建�,但實時性不�;滑模變結(jié)�(gòu)線性化困難。在實際�(yīng)用中還是以傳�(tǒng)的PI控制居多。提出了一種無源性控�(PBC)方法,建立了STATCOM的歐拉—拉格朗日系�(tǒng)模型,引入非線性規(guī)劃的變尺度法�(jìn)行優(yōu)��
為了�(dá)到更好的補償效果,可以將傳統(tǒng)的無功補償裝置與STATCOM�(lián)合運行控�,從而避免STATCOM為了獲得理想的輸出電流波形,致使開關(guān)器件隨著補償電流增大,開�(guān)損耗增�,效率降低的問題。混合靜止同步無功補償器(HSTATCOM),基于無差拍控制(根據(jù)其狀�(tài)方程和輸出無功電流的�(yù)期值計算出下一個開�(guān)周期的脈沖寬�),利用有源與無源補償相結(jié)合的方法,無源部分使用TSC作為主要補償手段,不�(chǎn)生諧�,損耗小;利用有源補償實現(xiàn)了補償電流的連續(xù)�(diào)節(jié),可以雙向連續(xù)�(diào)節(jié)無功。文�(xiàn)提出了一種新型SVC與STATCOM�(gòu)成的混雜裝置以及基于模糊�(yù)測的�(lián)合運行方�,即利用小容量STATCOM抑制閃變配合大容量SVC補償無功,避免了STATCOM采用不對稱控制時出現(xiàn)的算法復(fù)雜等問題。聯(lián)合控制運行方式算法簡�,控制目的明�,但其結(jié)�(gòu)可能�(fù)�,所以在特定�(lǐng)�?qū)玫桨l(fā)��
STATCOM大體上分為電壓源型和電流源型,在實際�(yīng)用中大多使用電壓源型(采用電壓型變換器Voltage-sourcedinverter,VSI)。圖用以簡單說明基于VSI的STATCOM的工作原理�
如圖所�,STATCOM的主電路�(jié)�(gòu)由直流側(cè)大電容和基于電力電子器件的VSI組成,通過連接電抗接入電力系統(tǒng)。圖�,U1是在理想情況�(即忽略線路及STATCOM的損�)將STATCOM的輸出等效為一個可控電壓源,US是系�(tǒng)�(cè)等效成的理想電壓�,且兩者相位一致。當(dāng)U1躍US�,從系統(tǒng)流向STATCOM的電流相位超前系�(tǒng)電壓90毅,輸出容性無�;同樣�(dāng)U1約US�,從系統(tǒng)流向STATCOM的電流滯后系�(tǒng)電壓90�,輸出感性無功。當(dāng)U1=US�,系�(tǒng)與STATCOM之間的電流為�,兩者之間沒有無功的交換。這是在理想情況下的工作狀�(tài),事實上,US和U1一般具有一個角度差�,通過控制US和啄就可以調(diào)節(jié)STATCOM�(fā)出或吸收無功的大小�
STATCOM概念�20世紀(jì)80年代提出,實際應(yīng)用主要集中在90年代,主要應(yīng)用的有日本的�80Mvar(1991�),美國的100Mvar(1995�),丹麥基�4500/3000AGTO的依8Mvar(1997�)的STATCOM。由于STATCOM技�(shù)含量較高,掌握并�(yīng)用這一技�(shù)的主要有日本、美�、德國、英�、中國等國家。我國首臺依20Mvar的STATCOM是由清華大學(xué)與河南省電力局�1994�1999年共同研�,已�1999�3月在河南省洛陽市朝陽變電站投入運行。對于這一技�(shù),在2007年由湖南大學(xué)的羅安等人就基于STATCOM與SVC的電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器協(xié)�(diào)控制方法、由郭育華等人就STATCOM的控制方法申請了國家專利�
STATCOM的應(yīng)用工程通常具有:在電力半導(dǎo)體器件選用上,絕大多�(shù)是基于GTO和IGBT�;在主電路�,大容量高壓STATCOM主要采用變壓器耦合多重化技�(shù),中低容量和電壓的DSATCOM較多采用三電平和/或PWM變換�;基本采用VSC;系統(tǒng)控制目標(biāo)多樣�;大容量STATCOM多采用水冷方式等特點�
�(jù)不完全統(tǒng)�,自臺大容量STATCOM裝置問世以來,全世界已經(jīng)投入運營的大容量(10MVar及以�)STATCOM工程超過20個,總的可控容量超過3000Mvar。它們有的安裝在輸電�(wǎng)�(luò)中用于潮流控�、無功補償和提高系統(tǒng)�(wěn)定性等,屬于FACTS范疇;有的安裝在配電和用電�(wǎng)�(luò),用于改善電能質(zhì)量和提高供電可靠�,屬于用戶電力范�,即用戶電力控制器的D-STATCOM。表1給出了部分工程應(yīng)用的基本情況,說明了自STATCOM問世以來的發(fā)展情�,這只是一少部�,可以看�,STATCOM主電路從最初的開關(guān)器件耦合,逐步�(fā)展為多個開�(guān)器件串聯(lián)使用,結(jié)合VSI,采用NPC�(jié)�(gòu),并且用PWM�(jìn)行控制,從而使STATCOM裝置具有更加�(wěn)定與�(yōu)良的性能�
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