STATCOM并聯(lián)技術(shù)的研究

摘要：分析了靜止同步補(bǔ)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(tái)STATCOM并聯(lián)運(yùn)行的控制方法，并選擇分散控制方法對(duì)2臺(tái)STATCOM并聯(lián)進(jìn)行了仿真分析。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明STATCOM并聯(lián)運(yùn)行可以有效提高無(wú)功補(bǔ)償容量，補(bǔ)償效果良好。
關(guān)鍵詞：靜止同步補(bǔ)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(lái)越廣泛的應(yīng)用。在無(wú)功補(bǔ)償領(lǐng)域，靜止同步補(bǔ)償器(Static Synchronous Compensator，簡(jiǎn)稱STATCOM)成為近年來(lái)廣泛關(guān)注的熱點(diǎn)。與傳統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)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(diǎn)，是目前性能最好的無(wú)功補(bǔ)償裝置。然而由于單臺(tái)STATCOM裝置的容量受到器件、開(kāi)關(guān)特性等因素的制約，難以適應(yīng)目前無(wú)功補(bǔ)償向大容量發(fā)展的趨勢(shì)，而采用模塊化并聯(lián)技術(shù)則可以擴(kuò)大STATCOM的容量，有效的提高系統(tǒng)的補(bǔ)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(tái)STATCOM并聯(lián)為例，設(shè)計(jì)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(chǔ)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(lèi)型。電壓型橋式電路直流側(cè)采用電容器儲(chǔ)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(jìn)行儲(chǔ)能，輸出端并聯(lián)電容器后接入電網(wǎng)?？紤]到裝置體積和運(yùn)行效率等因素，迄今為止在實(shí)際中投入運(yùn)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(duì)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(guò)其電壓UL來(lái)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(wú)功功率的性質(zhì)和大小。STATCOM正常工作時(shí)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(lái)平衡電路中的損耗。

1．2 STATCOM的控制方法
根據(jù)STATCOM發(fā)出無(wú)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(lèi)。直接電流控制是指采用適當(dāng)?shù)腜WM控制技術(shù)對(duì)STATCOM的瞬時(shí)無(wú)功電流進(jìn)行跟蹤，從而得到驅(qū)動(dòng)IGBT開(kāi)關(guān)器件的PWM脈沖信號(hào)。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(diǎn)，但此方法對(duì)主電路電力半導(dǎo)體器件的開(kāi)關(guān)頻率有著較高的要求，這對(duì)于大容量的STATCOM來(lái)說(shuō)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(guò)調(diào)節(jié)其輸出電壓的相位和幅值來(lái)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(lái)穩(wěn)定直流側(cè)電壓，通過(guò)調(diào)節(jié)調(diào)制深度λ來(lái)改變STATCOM輸出電壓的幅值，實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償無(wú)功功率的效果；二是固定調(diào)制深度λ，通過(guò)調(diào)節(jié)控制角δ來(lái)控制直流側(cè)電壓，改變STATCOM輸出電壓的幅值UG，從而達(dá)到調(diào)節(jié)無(wú)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(kāi)關(guān)頻率較低，該方法適用于較大容量STATCOM應(yīng)用的場(chǎng)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(yùn)行場(chǎng)合的應(yīng)用前景。而對(duì)多臺(tái)裝置進(jìn)行串并聯(lián)連接，則是進(jìn)一步增大STATCOM裝置容量的一種有效的方法。即在單臺(tái)裝置容量適當(dāng)?shù)那闆r下，可以通過(guò)串并聯(lián)方式得到更大的裝置容量，圖3所示為3臺(tái)裝置的并聯(lián)結(jié)構(gòu)，圖中，每一臺(tái)單機(jī)只是整體裝置的一個(gè)單元。

STATCOM的并聯(lián)運(yùn)行可以實(shí)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(cuò)能力強(qiáng)，補(bǔ)償速度快，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。典型的分散控制并聯(lián)結(jié)構(gòu)如圖4所示。