STATCOM并聯(lián)技術(shù)的研究

摘要：分析了靜止同步補償器(Static Synchronous Compensator，STATCOM)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理，采用基于調(diào)節(jié)控制角δ的單變量間接電流控制策略，以PSIM軟件為工具建立了STATCOM的仿真模型。在此基礎(chǔ)上，分析了多臺STATCOM并聯(lián)運行的控制方法，并選擇分散控制方法對2臺STATCOM并聯(lián)進行了仿真分析。仿真實驗結(jié)果表明STATCOM并聯(lián)運行可以有效提高無功補償容量，補償效果良好。
關(guān)鍵詞：靜止同步補償器；并聯(lián)技術(shù)；單變量控制；分散控制

隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，由電力電子器件構(gòu)成的各種裝置在電力系統(tǒng)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。在無功補償領(lǐng)域，靜止同步補償器(Static Synchronous Compensator，簡稱STATCOM)成為近年來廣泛關(guān)注的熱點。與傳統(tǒng)的無功補償裝置相比，STATCOM具有調(diào)節(jié)范圍更大，響應(yīng)速度更快，控制精度更高等優(yōu)點，是目前性能最好的無功補償裝置。然而由于單臺STATCOM裝置的容量受到器件、開關(guān)特性等因素的制約，難以適應(yīng)目前無功補償向大容量發(fā)展的趨勢，而采用模塊化并聯(lián)技術(shù)則可以擴大STATCOM的容量，有效的提高系統(tǒng)的補償性能。本文在研究STACOM工作原理建立STATCOM仿真模型的基礎(chǔ)上，以兩臺STATCOM并聯(lián)為例，設(shè)計了STATCOM并聯(lián)模塊的中央控制器。

1 STATCOM的原理和控制方法
1．1 STATCOM的基本原理
根據(jù)直流側(cè)儲能元件的不同，STATCOM可以分為采用電壓型橋式電路和電流型橋式電路兩種類型。電壓型橋式電路直流側(cè)采用電容器儲能，將輸出端串聯(lián)電抗器后接入電網(wǎng)；電流型橋式電路直流側(cè)采用電感元件進行儲能，輸出端并聯(lián)電容器后接入電網(wǎng)?？紤]到裝置體積和運行效率等因素，迄今為止在實際中投入運行的STATCOM基本上采用的都是電壓型橋式電路，因此本文以典型的電壓型橋式電路作為研究對象。圖1所示即為電壓型橋式電路的基本結(jié)構(gòu)圖。其中Us表示電網(wǎng)電壓，STATCOM輸出電壓設(shè)為UG，連接電抗的電流可以通過其電壓UL來控制，而此電流即是STATCOM從電網(wǎng)吸收的電流I。因此，當(dāng)改變STATCOM交流側(cè)輸出電壓UG，就可以改變STATCOM從電網(wǎng)吸收電流的幅值和相位，從而也就控制了STATCOM從電網(wǎng)吸收無功功率的性質(zhì)和大小。STATCOM正常工作時的數(shù)學(xué)模型為：

其中δ為系統(tǒng)電壓和STATCOM輸出電壓之間的相角差，R為系統(tǒng)內(nèi)部損耗的等效電阻。從模型可以看出，STATCOM需要和系統(tǒng)交換一定的有功功率來平衡電路中的損耗。

1．2 STATCOM的控制方法
根據(jù)STATCOM發(fā)出無功電流的不同調(diào)節(jié)方法，可以將STATCOM的控制方法分為直接電流控制和間接電流控制兩大類。直接電流控制是指采用適當(dāng)?shù)腜WM控制技術(shù)對STATCOM的瞬時無功電流進行跟蹤，從而得到驅(qū)動IGBT開關(guān)器件的PWM脈沖信號。直接電流控制方法具有響應(yīng)速度快、控制精度高等優(yōu)點，但此方法對主電路電力半導(dǎo)體器件的開關(guān)頻率有著較高的要求，這對于大容量的STATCOM來說是相當(dāng)困難的。目前，直接電流控制方法主要有三角波比較方式和滯環(huán)比較方式兩種。
間接電流控制是指將STATCOM當(dāng)作交流電壓源看待，通過調(diào)節(jié)其輸出電壓的相位和幅值來控制STATCOM的輸出電流。間接電流控制方法一般有兩種：一種調(diào)節(jié)控制角δ來穩(wěn)定直流側(cè)電壓，通過調(diào)節(jié)調(diào)制深度λ來改變STATCOM輸出電壓的幅值，實現(xiàn)補償無功功率的效果；二是固定調(diào)制深度λ，通過調(diào)節(jié)控制角δ來控制直流側(cè)電壓，改變STATCOM輸出電壓的幅值UG，從而達到調(diào)節(jié)無功功率的目的。該控制方法原理圖如圖2所示。與直接電流控制方法相比，間接電流控制方式不如前者響應(yīng)快、精度高。但間接電流控制方式下電力半導(dǎo)體器件的開關(guān)頻率較低，該方法適用于較大容量STATCOM應(yīng)用的場合。

2 STATCOM的并聯(lián)結(jié)構(gòu)
STATCOM在電網(wǎng)中的應(yīng)用日益廣泛，但由于其裝置自身IGBT等功率半導(dǎo)體器件容量較小，大大限制了STATCOM在大容量運行場合的應(yīng)用前景。而對多臺裝置進行串并聯(lián)連接，則是進一步增大STATCOM裝置容量的一種有效的方法。即在單臺裝置容量適當(dāng)?shù)那闆r下，可以通過串并聯(lián)方式得到更大的裝置容量，圖3所示為3臺裝置的并聯(lián)結(jié)構(gòu)，圖中，每一臺單機只是整體裝置的一個單元。

STATCOM的并聯(lián)運行可以實現(xiàn)大容量供電和冗余供電，從而有效地提高供電的可靠性和靈活性，降低供電成本。根據(jù)控制方法的不同，一般有集中控制、主從控制及分散控制3種并聯(lián)控制方法。與前兩種并聯(lián)控制方法相比，分散控制具有容錯能力強，補償速度快，可靠性高等優(yōu)點。典型的分散控制并聯(lián)結(jié)構(gòu)如圖4所示。