STATCOM静止无功补偿器.doc

STATCOM静止同步补偿器关键词: 静止同步补偿器 晶闸管 逆变器 无功补偿 STATCOM静止同步补偿器(STATCOM)是目前用于电力系统中性能最好的无功补偿装置 ,是柔性交流输电系统的核心。静止同步补偿器对输电系统的作用，分析了静止同步补偿器的基本工作原理、瞬时无功信号检测方法、以及建了STSTCOM的模型和其仿真图，阐述了静止同步补偿器补偿效果，并提出今后静止同步补偿器技术的发展趋势。什么是静止同步补偿器静止同步补偿器(Static Synchronous Compensator,STATCOM)应用了新一代的电力电子器件(如门极可关断晶闸管(GateTurn-off Thyristor,GTO)、绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)、集成门极换相型晶闸管(IntegratedGate Commutated Thyristor,IGCT)和现代控制技术(如逆系统、直接反馈线性化等), 具有补偿系统感性和容性无功、提高系统功率因数、改善电能质量、提高电力系统稳定性等多重功能。STATCOM自问世以来, 就引起各国电力科研和工业界的广泛重视, 得到了迅速发展和应用, 它是目前用于电力系统中性能最好的无功补偿装置,是柔性交流输电系统的核心。STATCOM在电力系统中的作用是进行无功补偿，维持连接点的电压为给定值，提高系统电压的稳定性，改善系统的稳态性能和动态性能。STATCOM是基于瞬时无功功率的概念和补偿原理，采用全控型开关器件组成自换相逆变器，辅之以小容量储能元件构成无功补偿装置。与现有的静止无功补偿装置(SVC)相比，具有调节速度更快、运行范围更宽、吸收无功连续、谐波电流小、损耗低、所用电抗器和电容器容量及安装面积大为降低等优点。STATCOM对输电系统的作用输电系统是一个互联的弱阻尼系统，系统的负荷和运行状态处于不断变化中，即系统不断地发生扰动，因此很容易出现振荡。STATCOM凭借其优良的动态特性，能够显著提高输电系统的动态性能，即系统抗扰动能力。根据不同的系统需求，STATCOM可实现节点电压控制、功率振荡抑制、提高系统静态/暂态稳定极限等功能，分别简述如下：（1）节点电压控制通过快速、连续地调节无功，实时改善系统无功分布，进而实现在装置容量允许范围内的节点电压控制。（2）功率振荡抑制：输电线路电磁功率正比于节点电压，STATCOM通过快速地控制注人节点的无功功率来控制节点电压在一定范围内变化，实时改变线路输送功率，不仅可以阻尼低频的功率振荡，还可以阻尼次同步振荡和超同步振荡。（3）提高系统稳定极限：系统加装STATCOM后，可以提高系统功角特性曲线，增大静态稳定极限；系统故障时，运用合适的控制策略，可以减少加速面积，增大减速面积，提高系统暂态稳定极限。STATCOM的基本原理根据直流侧电源性质不同，逆变电路用到的变换器分为电压型(Voltage-Sourced Converter,VSC)和电流型(Current-Sourced Converter,CSC)两种，实用的大容量STATCOM 大都采用电压型变换器。下面以基于VSC的STATCOM 来说明其工作原理。如图1所示，直流侧并联大电容，相当于电压源，主电路采用三相电压型桥式逆变电路，将直流电压变为交流电压，然后通过串联电抗器连入电网。其中电抗器起到滤除纹波阻尼过电流的作用。其实质是一个可控电源（用表示），为系统（用表示）提供无功电流。瞬时无功功率理论电力系统电压或电流中含有谐波或不对称分量时功率现象较复杂，传统功率理论难以正确解。赤木泰文(Akagi)等提出分解三相瞬时电流为有功和无功电流的算法，该算法由Park、Fortes-cue、Clarke变换发展得来，它将三相电路各相电压和电流瞬时值、和、变换到两相正交的坐标系上研究，即：= = （1）= （2） 、平面上的瞬时有功电流和瞬时无功电流分为瞬时空间电流矢量i在瞬时空间电压矢量u及其法线的投影： （3）定义三相电路瞬时有功功率、瞬时无功功率：=(4)其中，= （5）瞬时无功功率理论认为：任一时刻三相电路瞬时有功功率为各相瞬有功功率之和， 也是各相瞬时功率之和，它反映作为一个整体的三相电路由电源向负载传递的功率；瞬时无功功率仅在三相电路之间来回传递， 各相瞬时无功率之和恒等于零。小结STATCOM作为一种新型的无功功率补偿调节装置，已成为现代无功功率补偿装置的发展方向，成为国内外电力系统行业的重点研究方向之一。 但制约STATCOM应用的因素仍然存在，主要有三方面：（1） 逆变器输出电压中谐波含量较大，直接接入电力系统中会造成谐波污染。（2） 逆变器输出电压的等级远低于电力系统电压等级。（3） 逆变器的容量与电力系统对无功容量的需求相比还相差较远。目前可以通过采用多重化技术、多电平技术和链式连接技术来提高逆变器容量、提高电压等级以及有效消除谐波，也即解决了以上问题。随着以上这三种技术在控制策略中的应用，STATCOM 的调节性能将更加优越。鉴于种种优点，STATCOM 将毫无疑问成为未来改善电能质量的主要方式。而怎样使控制策略更加优化，将是我们未来的研究方向。STATCOM技术的发展趋势STATCOM是一种基于大容量变流器技术的动态无功补偿设备，结合自身技术特点与输电系统的需求，在输电系统中的应用有如下趋势。（1）开关器件以IGBT为主。从使用的开关器件来看，已由最初的强迫换相晶闸管、GTO发展到IGBT、IGCT等高性能复合器件。GTO具有容量大的显著优点，在STATCOM工程得到广泛使用，但也存在着控制复杂、驱动损耗大、效率低的不足。多家公司都考虑使用IGBT、IGCT等新型半导体器件，并在工程中取得成功经验。与IGBT相比，IGCT无法切断短路故障电流，需要阳极电感限流并设计钳位电路，控制保护较为复杂，阳极电感还会引起电磁干扰，这些都限制了它的推广使用。IGBT器件近年来发展最快，不但具有较好的抗短路能力，并且在导通压降、栅极电荷、开关速度和开关损耗、抑制“二次击穿”现象和电流擎住现象等各个方面取得了巨大进步，极大地提高了IGBT的性能。虽然IGBT也存在着器件串联等技术难题，但良好的性能已成为器件应用的显著优势。（2）主回路向链式结构发展。虽然目前的STATCOM工程仍以多重化结构为主，但因三相共用一个直流电容，无法对各相单独控制，其承受系统不平衡能力有限，在输电系统故障时（输电系统的故障绝大部分是不对称故障）往往退出运行，对系统的作用甚至不及SVC，无法满足输电系统稳定运行的要求，且还存在多重化变压器价格昂贵、占地面积大、损耗大以及直流偏磁、饱和导致的控制困难等问题，这些都限制了它在输电系统的推广应用；而链式结构的STATCOM具有分相可控，有利于解决系统的相间不平衡，无需多重化变压器，避免复杂的IGBT串联技术，易实现模块化等显著优点，已经成为大容量STATCOM结构发展的方向之一。（3）方案设计向可移动化方向发展。与同容量SVC相比，除了响应速