STATCOM并联技术的研究

摘要：分析了静止同步补偿器(Static Synchronous Compensator，STATCOM)的系统结构和工作原理，采用基于调节控制角δ的单变量间接电流控制策略，以PSIM软件为工具建立了STATCOM的仿真模型。在此基础上，分析了多台STATCOM并联运行的控制方法，并选择分散控制方法对2台STATCOM并联进行了仿真分析。仿真实验结果表明STATCOM并联运行可以有效提高无功补偿容量，补偿效果良好。
关键词：静止同步补偿器；并联技术；单变量控制；分散控制

随着电力电子技术的快速发展，由电力电子器件构成的各种装置在电力系统中得到了越来越广泛的应用。在无功补偿领域，静止同步补偿器(Static Synchronous Compensator，简称STATCOM)成为近年来广泛关注的热点。与传统的无功补偿装置相比，STATCOM具有调节范围更大，响应速度更快，控制精度更高等优点，是目前性能最好的无功补偿装置。然而由于单台STATCOM装置的容量受到器件、开关特性等因素的制约，难以适应目前无功补偿向大容量发展的趋势，而采用模块化并联技术则可以扩大STATCOM的容量，有效的提高系统的补偿性能。本文在研究STACOM工作原理建立STATCOM仿真模型的基础上，以两台STATCOM并联为例，设计了STATCOM并联模块的中央控制器。

1 STATCOM的原理和控制方法
1．1 STATCOM的基本原理
根据直流侧储能元件的不同，STATCOM可以分为采用电压型桥式电路和电流型桥式电路两种类型。电压型桥式电路直流侧采用电容器储能，将输出端串联电抗器后接入电网；电流型桥式电路直流侧采用电感元件进行储能，输出端并联电容器后接入电网。考虑到装置体积和运行效率等因素，迄今为止在实际中投入运行的STATCOM基本上采用的都是电压型桥式电路，因此本文以典型的电压型桥式电路作为研究对象。图1所示即为电压型桥式电路的基本结构图。其中Us表示电网电压，STATCOM输出电压设为UG，连接电抗的电流可以通过其电压UL来控制，而此电流即是STATCOM从电网吸收的电流I。因此，当改变STATCOM交流侧输出电压UG，就可以改变STATCOM从电网吸收电流的幅值和相位，从而也就控制了STATCOM从电网吸收无功功率的性质和大小。STATCOM正常工作时的数学模型为：

其中δ为系统电压和STATCOM输出电压之间的相角差，R为系统内部损耗的等效电阻。从模型可以看出，STATCOM需要和系统交换一定的有功功率来平衡电路中的损耗。

1．2 STATCOM的控制方法
根据STATCOM发出无功电流的不同调节方法，可以将STATCOM的控制方法分为直接电流控制和间接电流控制两大类。直接电流控制是指采用适当的PWM控制技术对STATCOM的瞬时无功电流进行跟踪，从而得到驱动IGBT开关器件的PWM脉冲信号。直接电流控制方法具有响应速度快、控制精度高等优点，但此方法对主电路电力半导体器件的开关频率有着较高的要求，这对于大容量的STATCOM来说是相当困难的。目前，直接电流控制方法主要有三角波比较方式和滞环比较方式两种。
间接电流控制是指将STATCOM当作交流电压源看待，通过调节其输出电压的相位和幅值来控制STATCOM的输出电流。间接电流控制方法一般有两种：一种调节控制角δ来稳定直流侧电压，通过调节调制深度λ来改变STATCOM输出电压的幅值，实现补偿无功功率的效果；二是固定调制深度λ，通过调节控制角δ来控制直流侧电压，改变STATCOM输出电压的幅值UG，从而达到调节无功功率的目的。该控制方法原理图如图2所示。与直接电流控制方法相比，间接电流控制方式不如前者响应快、精度高。但间接电流控制方式下电力半导体器件的开关频率较低，该方法适用于较大容量STATCOM应用的场合。

2 STATCOM的并联结构
STATCOM在电网中的应用日益广泛，但由于其装置自身IGBT等功率半导体器件容量较小，大大限制了STATCOM在大容量运行场合的应用前景。而对多台装置进行串并联连接，则是进一步增大STATCOM装置容量的一种有效的方法。即在单台装置容量适当的情况下，可以通过串并联方式得到更大的装置容量，图3所示为3台装置的并联结构，图中，每一台单机只是整体装置的一个单元。

STATCOM的并联运行可以实现大容量供电和冗余供电，从而有效地提高供电的可靠性和灵活性，降低供电成本。根据控制方法的不同，一般有集中控制、主从控制及分散控制3种并联控制方法。与前两种并联控制方法相比，分散控制具有容错能力强，补偿速度快，可靠性高等优点。典型的分散控制并联结构如图4所示。

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从上图可以看到，所有并联模块共用一套互感器检测负载侧的无功电流参数，每台模块根据检测信号和并联模块的台数计算出各自需要发出的无功电流大小。然后按照一定的比例分配，作为各自的无功补偿指令电流。

在分散控制结构的基础上，可以加入中央控制器模块(如图5所示)，中央控制器首先检测负载侧的无功电流，然后按照适当的无功电流分配算法计算各个STATCOM模块的指令电流。
根据分配算法的不同，无功电流的分配方式分为平均分配和按比例分配两种。公式(3)和公式(4)分别为平均分配方式和按比例分配方式的补偿电流计算公式。

式中，Iqi为第i台模块无功电流指令，Qi为第i台模块的补偿容量，Iqload为负载无功电流，QN为总的补偿容量，N为并联模块台数。

3 系统的建模和仿真
3．1 单个STATCOM模块的仿真
在前面分析的基础上，搭建PSIM环境下STATCOM系统的仿真模型。其中主电路由三相电压源、三相桥式电压源逆变器、连接电抗器、三相阻感性负载以及直流侧电容等组成。控制方法采用基于控制角δ的单变量间接电流控制。仿真参数如下：电源电压380 V，基波频率50 Hz，直流侧电压Udc=1000 V，连接电感和直流侧电容值分别为L=10 mH和C=1000μF。仿真结果如图6所示。

从仿真结果可以看出，补偿前由于感性负载的存在，使得电源侧电流滞后于电压，在STATCOM投入运行后，其发出的电流补偿了一部分的无功，此时电网电压和电流相位相等。
3．2 两台STATCOM模块的并联运行
这里采用分散控制型STATCOM模块并联控制方式，2台STATCOM结构相同，补偿容量均为30 kVar，系统总的无功约为42 kVar。图7所示为无中央控制器时电源及各模块的无功功率波形。

从上图可以看到，负载侧无功功率约为41．7 kVar，2台STATCOM模块各发出约为21 kVar的无功功率(由于大小相等在图中重合为一条曲线)。经过补偿后电源侧无功约为零。

图8所示为加入中央控制器后的仿真波形。此时2台STATCOM结构相同，补偿容量分别为30 kVar和20 kVar，控制规律为0～1 s时系统按比例分配方式运行，1～2 s时按平均分配方式运行，有选择开关在1 s时进行切换。
可以看到。按比例分配方式运行时，由于2台STATCOM装置的补偿容量分别为30 kVar和20 kVar，根据公式(4)计算出各自发出的功率分别为27 kVar和18 kVar，与仿真结果一致；而按平均分配方式运行时，根据公式(3)，2台装置发出的无功应该相等，均为21 kVar，但由于第2台装置的容量只有20 kVar，因此其满载运行，而第1台装置发出21 kVar的无功后，总的补偿容量为41 kVar，并未完全补偿，此时电源无功约为41．7-(20+21)=0．7 kVar。

4 结论
理论分析和仿真结果表明，当系统待补偿的无功功率大于1台STATCOM装置补偿容量时，可以使2台甚至多台STATCOM模块通过适当的并联方法有效扩大无功补偿的容量，并且补偿效果良好。可以说，STATCOM的模块化并联技术的发展前景是十分广阔的。