statcom原理及控制方法

1、1、前言 静止同步补偿器(Static Synchronous Compensator, STATCOM)是目前最先进 的无功补偿技术，近年来随着电力电子开关技术的进步而逐渐兴起。 STATCOM 的原理是利用全控型大功率电力电子器件构成可控的电压源或电流源， 使其输出 电流超前或滞后系统电压 90 ,从而对系统所需的无功进行动态补偿。早期有文 献称之为静止无功发生器(Static Var Generator, SVG)。利用电力电子变流器进行 无功补偿的可能性虽然早在 20 年前就已经为人们所认识，但限丁当时电力电子 器件的耐压和功率水平，无法制造出输电系统中具有实用价值的装置。直到近年 来

2、，尤其是高压大功率的门极可关断晶闸管 GTO 的出现，才极大的推动了 STATCOM 的开发和应用。STATCOM 是并联型 FACTS 设备，它同基丁可控 电抗器和投切电容器的传统静止无功补偿器 SVC 相比，性能上具有极大的优越 性，越来越得到广泛的重视，必将取代 SVC 成为新一代的无功电压控制设备。 目前，世界上已有多台投入运行的大容量 STATCOM 装置，如表 1-1 所示。由 此可见，目前为止国际上只有美、日、德、中、英等少数几个国家掌握了 STATCOM 的应用开发技术。2006 年 2 月 28 日，由上海电力公司、活华大学、许继集团 公司等单位共同研制的土 50Mvar S

3、TATCOM 在上海黄渡分区西郊变电站并网试 表 1-1 国内外已在输电系统投运的 STATCOM装置(UPFC并联部分为 STATCOM) 研制者 投运地点 容量(MVA) 投运时间 三茶电机、关西电力 日本 20 19X0 年 东芝、口立 L1 本 50X2 1993 年 西屋、EPRK由纳西电力 美国 100 1994 年 西门子 德国 8 1997 年 (UPFC)西屋、EPRI、美国电力 美国 160 1997 年 清华大学、河南省电力公司 中国 + 20 1999 年 ALSTOM. NGC 英国 75 1999 年 二菱 r 美国 133/41 2001 年 三菱 美国 100

4、2002 年 k海电力公司、清华大学许继集团 上海 + 50 2006 年 表 1-1 中除最后一项外，全部采用了变压器多重化的主电路方案，主电路 拓扑为图 1-1。变压器多重化方式可成倍增加装置容量并降低输出谐波。然而， 多重化变压器的引入带来了很多问题：首先，它的价格非常昂贵，约为成本的 1/3 1/4;其次，它使装置增加了 50%左右的损耗和 40%左右的占地面积；第 三，变压器的铁磁非线性特性给控制器设计带来了很大的困难， 同时也是引发装 置故障的重要原因。 如果能研究一种新的电路拓扑克服由多重化变压器带来的 诸多不便，那么将引起大容量 STATCOM 技术的一次大的飞跃。多电平变换器

5、 技术的引入正是这个关键技术的不二选择 A D C 图 1-1.带多重化变压器的 STATCOM拓扑 STATCOM 是第二代 FACTS 技术的代表，它的出现是电力系统无功补偿 技术的乂一次革命。其具备了在容性和感性范围内双向连续调节补偿电流的能 力，适应了电力系统对各种运行工况的需求， 同时还具有动态响应速度快、 补偿 电流谐波含量小 （相比 SVC）的特点，彻底解决了以往的无功补偿设备所存在的 嵌陷。与采用第一代 FACTS 技术的 SVC 相比，STATCOM 具有以下优势： 2 1、STATCOM 的动态响应过程更快，在目前的工程应用中， STATCOM 的 响应时间可以做到 20m

6、s 以下，而 SVC 则通常需要 40ms 以上。 2、 STATCOM 的输出特性不受系统电压影响，当电压下降时装置输出的无 功保持不变；而 SVC 装置补偿的无功与电压的平方成正比，当无功不足导致系 统电压下降时，其所能提供的最大补偿容量也随之下降。 3、 STATCOM 的直流侧储能元件只对电压或电流起到支撑作用，因此所需 要的电容或电抗值远小丁补偿容量， 大大减小了装置体积；而 SVC 的最大补偿 容量受到器件阻抗特性的限制，因此需要配备较大的电容和电抗器， 导致装置的 体积与占地面积较大。 4、 STATCOM 输出的电压或电流几乎为正弦波形，因此产生的谐波污染较 小；SVC 通过控

7、制电抗导通角的方式进行调节，流过电抗器的电流为非正弦， 将产生大量的谐波注入电网，造成严重的谐波污染，在某些情况下需要与无源或 有源的滤波装置配合使用。 5、 STATCOM 相当丁一个可控电源，因此不改变系统阻抗，不会与系统发ABCABC 12-pulse converter 12-pulse convert” 2 12-puse co ter 1 12-pulse converter 生谐振；SVC 装置是电抗或电容型的，接入电力系统容易与系统阻抗产生谐振。 虽然目前电力系统中应用最为广泛的无功补偿设备还是 SVC,但是电力电子技 术以及电力系统研究专家普遍认为，STATCOM 所具有的以

8、上优势使其成为传统 无功补偿设备的理想替代者，全面满足了电力系统对无功补偿的各项要求，使 21 世纪的电力系统运行品质更为卓越。 2、STATCOM的工作原理 从理论上分析，STATCOM 的直流侧可以采用电容或者电感两种形式。因此, 其基本拓扑结构分为电压源型和电流源型，分别如图 2-1、2-2 所示： 图 2-2 电流源型 STATCOM 实际上，目前 STATCOM 装置中研究最深入、应用最广泛是电压源型逆变器结 构，原因如下: 1、电流源型逆变器的工作原理，需要采用具有对称特性的大功率开关器件, 即双向电压阻断能力。而目前常用的可关断器件存在反向阻断能力差、 导通损耗 过大的问题；相比

9、之下，电压源型逆变器则不会受到该限制。 2、 电流源型逆变器直流侧储能电感不具备防止器件过电压的能力，因此需 要安装额外的保护电路或者增大取值裕量； 相比之下，电压源型逆变器的直流电 容本身具备防止功率器件过电压的能力。 3、 电流源型逆变器的直流侧储能电抗在工作中会产生比较大的损耗，给装 置设计带来困难；而电压源型逆变器的储能电容损耗要小的多。 电压源型逆变器 具有的以上优势使其成为目前条件下更合理的选择， 因此本文主要研究基丁电压 源型逆变电路的 STATCOM。电压源型 STATCOM 的工作原理，是通过可控的 大功率电力电子开关器件将直流侧电压进行逆变， 从而在逆变器交流侧输出一个 与

10、电网同频的正弦电压。此时 STATCOM 可以视为一个与电网同步的并且灵活 控制的交流电压源，其接入系统时的等效电路如图 2-3: Load 图 2-3 电压源型 STATCOM 接入系统的等效图 , 图中U S为 STATCOM 公共接入点（Point of Common Coupling, PCC 次t系统电 压， U*I为 STATCOM 交流侧逆变输出电压，L 为连接电抗器，丁是 STATCOM 装置输出的电流为： ； 旗-勿 进而得到 STATCOM 输出的单相视在功率为： 在理论上，STATCOM 只对无功进行补偿，因此与电网之间不存在有功的往返。 然而实际上由丁开关损耗以及电容和

11、电抗上等效电阻的存在， STATCOM 装置还 是需要从电网吸收很小的有功电流以维持直流侧电压平衡。 由丁这部分有功相比 无功非常微小，因此在进行理论分析的时候一般忽略不计。最后近似认为 STATCOM 输出的电压U|与电网电压U S相位相同，从而得到装置输出的单 相无功功率为： 由以上分析可得，在正常工作时 STATCOM 具有无功双向调节能力：即容性工 况和感性工况，分别如下图所示： 感性无功 X U O - Ic Us 图 2-5 感性工况 （1）当UI Us，即 STATCOM 装置交流侧逆变电压幅值大丁系统电压幅 值，此时流过电抗器的补偿电流超前系统电压 900 , STATCOM

12、装置向系统输 正的无功功率（Q 0）,处丁容性工况。 当UI Us，即 STATCOM 装置交流侧逆变电压幅值小丁系统电压幅 值，此时电抗器上的补偿电流滞后系统电压 900 , STATCOM 装置向系统输出 负的无功功率（Q 0）,处丁感性工况。综上所述，STATCOM 的工作原理与以 往的无功补偿技术存在本质区别。通过对逆变器交流侧电压的幅值和相位进行调 控，或者直接对其补偿电流进行跟踪控制， 就能够在容性到感性范围内连续调节 无功补偿电流，并且做到精确的稳态跟踪准以及快速的动态响应。 3、STATCOM注入电流的运行范围 如图 3.1 所示，系统发送端电压为U S，系统接收端电压为UR，

13、STATCOM 感性无功 Q = Im(S) = m U 容性无功 U U U Ic U 容性无功 Ic Us 图 2-4 容性工况 (3-5) =kZ = (1-X)Z 输入端电网电压为U1，STATCOM 的并联变换器交流侧输出电压为 Ush ,电网 注入到 STATCOM 中的电流为j sh , ZS为系统发送端到 STATCOM 输入端的 线路阻抗，ZR为 STATCOM 输入端到系统接收端的线路阻抗。 为了便丁分析，假定系统参数如下： UE = U R= U (3-1) (3-2) =U/0 (参考屯压) (3-3) . Us =Uar (3-4) 其中 k是阻抗系数，0 V k 1

14、； Z = R + jXL为线路总的阻抗; 讯=或一伊=y cos p - jlsfi sin(P 将电压i sh转化到旋转弓、q 坐标系下，并将 d轴定位在。1方向上，贝u通过 (3-7)所示的旋转 3/2 变换矩阵T3S 2R可得i sh在 d、q 坐标系下表达式: (3-7) (3-8) UUs-ZJs (3-10) (3-11) 根据式(3-8) (3-11)可知: . .一 , ULUL UR-UX U-Uy ish =心+ Jt. = is -；! = - + -= - - H - 5 网 Zw Z, (1 -k)Z kz (-/f 4- jX)Ul - kUcos(af, -6)

15、 + jsh(fxp - A)L/(cos zJh + J sinJ (3-12)分析装有 STATCOM 的系统电压、电流平衡分析: (3-6) 2JF & -SLR fOt - I 3 ( 2/r cos 陌+ I 3 , -sin I Mt + (3-9) (3-14) N项涓心）目 z2 好(1-t)2 k(l-k) I -X =-7 找 | 二 1 1 2cosS + - + - （3-13） 由上式可见 STATCOM 注入到电网中的电流在 d、q 轴电流平面上是以 图 3.2 STATCOM 注入到电网中的电流运行范围 首先由式（3-12）得到 STATCOM 注入到电网

16、中的电流运行范围的第一个约束 条件： 2 cost!? 14*(i)(i)为 Zs + ZAI = yjR2 + Xi ,变量R、X、a、U是给定的系统参数。 变量k 的大小取决于 STATCOM的安装位置，变量U 是由系统需求决定的，它们的大小决定了 系统所需要的 STATCOM 注入到电网中的电流运行范围。其次考虑 STATCOM并联器一侧的系统参数可以半径的圆，如图 3.2所这里14 为圆fl功斋求: L 实际实际ig 其中Ushd和Ushq是并联变换器交流侧输出电压 Ush在* q坐标系下的分量，X =- Lsh , 3 代表电网角频率。由式（2-14）可以得到 STATCOM 注入到

17、电网中的电流运行范 围的第二个约束条件： (3-15) 最后考虑 STATCOM补偿的最大视在功率 ,可以得到 STATCOM注入 ，其中I K 为 I sh max STATCOM 注入到电网中的最大允许电流。 如图2.3所示，综合式（3-13）、（3-15）、（3-16） 所确定的圆的交叉部分限制了实际的运行系统中 STATCOM注入到电网中的电流运行范 围，在设计 STATCOM注入电网中的电流时，必须考虑这一点。 此外，实际运行过程中， 运行点主要是由 STATCOM系统的有功需求决定的，即： 只为=叫。如图2.3所示, 针对不同模式的 STATCOM其运行范围也有所不同，对于直流侧无

18、外部储能装置（只有电 容）的STATCOM而言，它只能与电网进行无功功率的交换，也就是可以说无功功率可以 双向流动，但是由于其自身没有外部能量供应装置， STATCOM工作所需要的有功功率全 部来自电网，通过其自身的控制来从系统中吸收有功功率保证其正常工作， 因此，有功功率 是单向流动的，当STATCOM进行无功补偿的时候i由都为正值，也就是说它必须从系统 | shd 中吸收有功功率来补偿系统的损耗，维持直流母线电压恒定，保证系统正常运行。此时 STATCOM注入电网的电流实际运行范围在圆的交叉部分的右半平面（斜线的阴影部分） 。 而对于有外部储能装置的 STATCOM，其有功功率可以双向流动

19、，因此 STATCOM 注入电 网的电流实际运行范围在圆的交叉部分的整个平面中（斜线的阴影部分和交叉线的阴影部 分）。实际情况中，STATCOM的容量，也就是它与电网交换的有功和无功的数量，与 直流母线电容、开关器件、并联变压器的容量有关。 到电网中的电流运行范围的第三个约束条件: STATCOM注入功率的运行范围 由图 3.1 所示，忽略了并联变换器的等效电阻，则电网通过并联变压器 Tmt 注 Shunt 入到 STATCOM 的有功和无功功率为: , * Y jXs. 将（3-1）、（3-2）、（3-14）代入式（3-17）可得:(3-17) (3-20) (3-18) 其中 9 如图 3

20、.1 所示，代表欠量Ush和欠量U1之间的火角。由式（3-18）得 到电网注入到 STATCOM 中的功率运行范围的第一个约束条件:将式（3-19）所示的关系作丁功率平面上可得图 2.4 . . . . . . . . _ Xr ， V STATCOM 中的功率运行范围在功率平面上是以 为圆心，以 f 为 半径的圆，如图 3.3所示。 图 3.3 电网注入到 STATCOM中的功率运行范围 另外，实际运行中，STATCOM 的并联变换器输出的电流是有限制的， 一般情况 下，允许其输出的最大感性无功电流和容性无功电流是相等的，根据 1和j sh 之间的关系可以得到电网注入到 STATCOM 的有

21、功和无功功率的另一种表达方 式：X* + (3-19) 可见电网注入到 其中？如图 3.1 所示，代表欠量。1和i sh之间的火角。由式（3-20）得到电 网注入到 STATCOM 中的功率运行范围的第二个约束条件： 代+Q如（J 如图 3.3 所示，综合式（3-19）和（3-21）所确定的圆的交义部分限制了实际的 运行系统中电网注入到 STATCOM 中的功率运行范围。此外，实际运行过程中， STATCOM 的运行点主要是由 STATCOM 系统的有功需求决定的。对丁无外部 储能装置的 STATCOM 而言，它与电网进行无功功率的交换是双向流动，但是 由丁其自身没有外部能量供应装置，它必须从

22、电网中吸收有功功率来补偿 STATCOM系统的损耗，保证 STATCOM 系统正常工作，因此，有功功率为正 值是单向流动的。此时电网注入到 STATCOM 的功率实际运行范围都在圆的右 半平面（斜线的阴影部分）。而对丁有外部储能装置的 STATCOM,其有功功率 可以双向流动，因此电网注入到 STATCOM 的功率实际运行范围落在圆的交义 部分的整个平面中（斜线的阴影部分和交义线的阴影部分）。 STATCOM 调节线路传输功率能力 命电河向史 H此 k入曲性无功 冒向 STATCOM 注入齐性尤功 图 3.4 STATCOM 的无功补偿矢量图 在 STATCOM 并联变换器的直流侧没有外部储能

23、装置的情况下， STATCOM 不 能够产生有功功率，但是它可以通过调节其输入端电网电压来间接提高线路传输 功率。本节将详细讨论 STATCOM 通过控制其输入端电网电压来调节线路传输 , 功率的能力，在如图 3.1 所示的系统中，选择 STATCOM 输入端电网电压U1 作为参考向量，忽略了 STATCOM 系统的损耗和传输线路上的等效电阻 R,则 电网注入 STATCOM 到中的电流为:诚=妇 9（）,此时若90苔, 则i sh滞后电压。1为 9 ，即电网向 STATCOM 注入感性的无功功率，如图 3.4(a)所示；同理，若 Z顷=190，则j sh超前电压Ui为 90 ,即电网向 ST

24、ATCOM 注入容性的无功功率，如图 3.4(b),可以得到系统接收端的有功功率 为： (3-21) 一般情况下我们关心的是利用 STATCOM 来提高线路传输功率，因此这里只分 析电网向 STATCOM 注入容性的无功功率的情况，电网向 STATCOM 注入感 性的无功功率的情况与其类似。 由式(3-9) (3-11)可以得到： 1 ； (3-22) 为了分析方便，定义Xs = kXL，XR = (I- k) XL(其中 k是阻抗系数，0 k 1), XL为传输线路总的电抗，Xs为系统发送端到 STATCOM 输入端的线 路电抗，XR为 STATCOM 输入端到系统接收端的线路电抗，代入式(

25、3-23)可 以得到： ， = u (1 -幻 CDSar + k cos (匕,_$) + *( 1 _ 幻 A；九 0 = (1 X | sindfr + Xsin I aP -H) 由上式可得： _i f k sin =tan - - - 1Jt)+Jtcostf J 将式(3-24)代入(3-22)可以得到： % = WsinS + 左 U妇 sin (f % si 展 + (3-25) U1 % = 这里 ”上为无STATCOM时系统接收端接收的最大有功功率， 而装有STATCOM 后系统接收端的有功功率变化量为=心做血(S-%)，在给定系统接收端电 压幅值U，传输线路电抗 XL、功

26、率角&和 STATCOM 的最大允许输出电流幅值=) 2(-1 + co 赫) -1 cus6 -3 + 2c0S-i (coirf)- 2(-1 + coSiJ) (3-28) 考虑实际情况只有 k = 1/2 符合要求，即当 STATCOM 安装在传输线路的中间 时，系统接收端的有功功率可以达到最大，式(3-24)变为： % = 户2 U、=U cos+ 1 2 4 将上式代入式(3-26)可得系统接收端的最大有功功率为: = sin+7LZ*sin7 即由丁 STATCOM 而改变的最大传输功率为: - UI$h sin mux 2 2 此时电网注入到 STATCOM 中的容性无

27、功功率为: Q以=UJsh = U弘 cos + - Zi * Aft 1 AA M 2 4 N* (3-29) (3-30) (3-31) (3-32) 由式(3-31)和(3-32)可知: 0X、 4 尸 2U sin (3-33) STATCOM 正常工作的时候，其输入端电网电压的幅值 U1必须为正，由式(2-30) e x U =t/cos + 可知在电网向 STATCOM 注入容性无功功率时 2 4 因此 a (0,兀)时，U1 一定为正；同理分析电网向 STATCOM 注入感性无功功率的 5=1/ cos - ISh 情况可得 2 4 ,若要使U1为正，系统必须满足以下条件： 3

28、2cos-1 ； J迎 (3-34) 由式(3-34)可知此时为了保证系统能正常工作，必须严格控制 | u 的范围，这一点在 Sh 7 实际系统应用中是非常重要的。 为了更形象地说明 STATCOM 对系统的功率控 制能力，特在一定的电网参数下绘制 STATCOM 的功率特性，首先假定电网参 数如下：a =兀/6,us的幅值US =L0pu，UR的幅值UR =1-0PU) XL * =1.0pu , i sh的幅值I Sh=0.5,相位Z i sh=90o,当阻抗系数 k从 0 变化到 1.0 时，可以得到 STATCOM 补偿无功功率和系统接收端的有功功率变化范围，如 图 3.5所示。 图3

29、.5 STATCOM的安装位置对其补偿无功功率及系统接收端有功功率的影响 可见在电网向 STATCOM 注入的无功电流一定的情况下，将 STATCOM 安装 在线路的中间可以取得最好的补偿效果，这和上面的分析是一致的。 4、STATCOM的控制方法 STATCOM 作为一种快速可控的动态无功补偿设备，当补偿目标以及拓扑结 构明确以后，控制方法将对装置整体补偿效果产生重要的影响。 因此，为了提高 STATCOM 的性能，针对控制方法的研究得到了越来越多的关注。 按不同的功能 和要求，ST AT C O M 的控制从控制策略上讲，有 3 种基本结构：开环控制、 闭环控制或者两者结合的复合控制。根据

30、控制物理量，由无功电流参考值调节 ST AT C O M 产生所需无功电流的具体控制方法 ，可以分为直接电流控制和问 接电流控制两大类。按照控制技术来分，主要包括 PI D 控制，PI D + PS S 控 制，逆系统 PI控制，微分几何控制，非线性鲁棒控制，模糊控制，递归神经 网络自适应控制等等。以下将介绍几种主要的控制方式。 4.1 电流间接控制： STATCOM 的电流间接控制方法，就是通过调节逆变器输出交流电压的幅值 与相位，从而实现间接控制 STATCOM 的交流输出侧电流目前主要有两种实现 的手段：一种方法是 a 角控制，实际上是调节 STATCOM装置交流侧逆变电压 与电网电压之

31、间的相位差。这种控制方法的主要优点是角度控制实现起来比较容 易，但是由丁 STATCOM 调节逆变器输出交流电压的同时直流电容电压也在变 化，所以导致整体调节过程缓慢；另一种控制方法是同时控制 a 角和 0 角，不仅 依靠 a 角调节相位而且还增加了开关器件的导通 9 角控制，因此能够同时调节 STATCOM 逆变电压的幅值和相位。该控制方法相比单 a 角控制的优点是直流侧 电容电压更加平稳，提高了装置运行的稳定性。其缺点是 a 角和 o角的联合调节 要求电路参数测量准确，但是电力系统中参数在运行中乂会发生变化，因此导致 角度之间的配合关系也需要相应地变化。 (b) a 角和 o角配合控制 以

32、上提到的电流间接控制方法都具有开关频率低、 控制方法简单的优点，一 股应用在电力系统输配电等大容量场合。主要原因是目前应用丁大容量型 STATCOM的功率开关器件工作频率依然受限，尚无法采用高频的电流跟踪控制 技术。如日本东京电力 250MVar、美国田纳西电力 100MVar、活华大学 50MVar 的 STATCOM 都采用了间接控制方式。除此之外，由丁大容量 STATCOM 的 开关频率低，一般为工频的两倍，为了减少谐波只能采用多重化的方法。 因此间 接控制方法常常需要与多电平、多重化技术相结合以抑制并网电流谐波。 对以上 内容进行总结，可以得到电流间接控制方法的主要缺点： 由丁间接控制

33、方法是通过控制相位角或者导通角来调节逆变器的输出电压， 因此 无法直接对补偿电流进行跟踪控制。而且在调节过程中还涉及到电容电压充放电 的暂态过程，不可避免地会带来电流控制精度较低并且装置动态响应速度较慢的 缺点；当电网电压或补偿电流中存在负序不对称分量时， 这些负序不对称分量乂 会引起 STATCOM 直流侧电压的两倍频波动，进而导致整个控制系统不稳定； 间接控制方法对主电路参数的依赖大，然而这些参数测量困难并且电力系统参数 乂存在着不确定性，最终导致控制器实现困难，目前世界上只有少数国家掌握此 技术。 4.2 电流直接控制： STATCOM 的电流直接控制方法，首先根据适当的参考电流检测方法

34、计算出 补偿电流指令，然后采用高频 PWM 跟踪技术对补偿电流的瞬时值直接进行反 馈控制。目前在工程上一般采用比例积分(Proportion Integration, PI)控制器对电流 做瞬时跟踪控制，并采用正弦脉宽调制 (Sinusoial Pulse Width Modulation, SPWM)、空间欠量脉宽调制(Space Vector Pulse Width Modulation, SPWM 痔算法 生成驱动脉冲。采用电流直接控制方法以后，STATCOM 具备了对更复杂的指令 电流跟踪控制的能力，可以有效地滤除电网中的基波正序无功以及其他的包括负 序、零序、谐波在内的全部有害电流，

35、实现动态补偿无功、消除三相不平衡、治 理谐波的电能质量综合补偿目标。最终补偿的效果主要取决丁装置电流检测方法 的精度以及瞬时电流跟踪环节的误差大小。 W abc - J. f I)1 调制 1 Z 信尊. i - * 土衍叵 - PWM g ； 4 _ T- idqO 图 4.1 abc坐标下的电流直接控制驱动 脉冲 STATCOM 调制 驱动 = 信号一脉冲+- - PM T -kJ 图 4.2 d-q坐标下的电流直接控制 电流直接控制的 STATCOM可以有两种控制结构。第一种控制结构如图 4.1 所示采用了 abc 静止坐标系下的瞬时电流跟踪方法。控制系统完成两个功能： 其中电压外环经过

36、PI控制器生成有功电流指令|dref,控制流入STATCOM的 有功电流以维持直流侧电压稳定；同时指令电流检测方法计算得到无功电流指令 | f,对系统的无功进行动态补偿。有功和无功指令电流经过反变换得到三相瞬 qref , 时电流指令；ref、jbref、icref，然后 PI控制器对三相瞬时指令信号进行电流跟 aiei biei ciei 踪，跟踪以后得到调制信号再经过 PWM 比较环节生成驱动逆变器的开关信号。 第二种控制结构如图 4.2 所示，采用了 dq 同步坐标系下的瞬时电流跟踪方法。 该方法将STATCOM 输出的三相电流经同步旋转坐标变换后解耦为电流有功分 量id以及电流无功分量

37、i。然后同样由电压外环得到有功电流指令 |蛔，同时 d q diei 指令电流检测方法计算得到无功电流指令I ref。接着在 dq 旋转坐标系下直接 qlei 用 PI控制器对给定的有功和无功指令电流进行跟踪，再使用 dq0 abc 反变换 得到调制波，最后经过 PWM 环节比较得到逆变器的开关信号。以上两种控制 系统所实现的功能是相同的，但是具体的差异体现在电流跟踪调节指令参考信号 的形式以及PI控制器的位置和数量：第一种控制系统电流内环有三个 PI控制 器，被跟踪的对象为正弦交流信号；第二种控制系统只有两个 PI调节器，被跟 踪的对象为直流信号。相比之下，由丁交流信号的变化率较大，而 PI

38、控制器只 能对直流信号进行稳态无静差的跟踪，因此第一种控制系统进行 PI调节时会有 静态误差存在，而减小跟踪误差的有效手段，就是进一步提高 PWM 的开关频 率。电流直接控制方法能够显著提高 STATCOM 的稳态控制精度以及动态响应 速度，此时 STATCOM 所体现出的外部特性更接近丁被控电流源。由丁采用了 高频的 PWM技术，因此要求主电路电力半导体器件具有较高的开关频率，导 致装置的开关损耗较大。受到目前电力电子技术水平的限制，只能适用丁中小容 量的 STATCOM,起到改善配电网的电能质量的作用。 今后随着电力电子器件的 耐压等级、额定电流、开关频率等各项性能的继续提高， PWM 控制技术的日趋 成熟，无功与谐波电流检测方法的不断完善， 微机控制技术与数字信号处理技术 的不断进步，采用电流直接控制的 STATCOM 将逐渐成为研究的热点以及发展 趋势。 4.3 线性 PID 控制： 自 20 世纪 80 年代初第一台实验性 STATCOM 投入电网运行以来，所有 已公开的实用装置的控制器设计都是采用经典控制理论 PID 或者引入线路功 率的 PSS 辅助方式来完成，或者进行局部改进的 PI控制。同时有关理论也指 出，这种控制方法在一定范围之内通过向系统提供有效的电压支撑， 可