静止同步补偿器(STATCOM)技术的应用及发展现状

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  1概述

  静止同步补偿器(StaticSynchronousCompensator,STATCOM)是柔性交流输电系统(FlexibleACTransmissionSystem,FACTS)的核心装置和核心技术之一。在此之前,又称ASVG、SVG、STATCON、ASVC,直至1995年国际高压大电网会议与电力、电子工程师学会建议采用静止同步补偿器(STATCOM)。

  静止同步补偿器采用新一代的电力电子器件,如:门极可关断晶闸管(GTO),绝缘栅双极型晶体管(IGBT),集成门极换向晶闸管(IGCT),并且采用现代控制技术,其在电力系统中的作用是补偿无功,提高系统电压稳定性,改善系统性能。与传统的无功补偿装置相比,STATCOM具有调节连续,谐波小,损耗低,运行范围宽,可靠性高,调节速度快等优点,自问世以来,便得到了广泛关注和飞速发展。

  我国电力工业发展迅速,其需求将保持持续、快速的增长态势而且需求规模在增大,当前我国电力事业可靠性要求高、实用性强;经济效益突出;节能,环保、高效成为主要趋势。STATCOM的广泛应用使得电力系统更加稳定高效,符合当今社会电力工程发展趋势。

  2STATCOM的工作原理

  2.1基本工作原理

  STATCOM大体上分为电压源型和电流源型,在实际应用中大多使用电压源型(采用电压型变换器Voltage-sourcedinverter,VSI)。图1用以简单说明基于VSI的STATCOM的工作原理。

  如图1所示,STATCOM的主电路结构由直流侧大电容和基于电力电子器件的VSI组成,通过连接电抗接入电力系统。图中,U1是在理想情况下(即忽略线路及STATCOM的损耗)将STATCOM的输出等效为一个可控电压源,US是系统侧等效成的理想电压源,且两者相位一致。当U1跃US时,从系统流向STATCOM的电流相位超前系统电压90毅,输出容性无功;同样当U1约US时,从系统流向STATCOM的电流滞后系统电压90毅,输出感性无功。当U1=US时,系统与STATCOM之间的电流为零,两者之间没有无功的交换。这是在理想情况下的工作状态,事实上,US和U1一般具有一个角度差啄,通过控制US和啄就可以调节STATCOM发出或吸收无功的大小。

  2.2STATCOM的分类

  从理论上可以将STATCOM分为电压源型和电流源型。就其电路结构来说,电压源型STATCOM直流侧并联有大电容,保证在持续充放电或器件换向过程电压不会发生很大的变化,桥侧串联电感,而电流源型STATCOM则是直流侧串联大电感,保证在器件换向或充放电器件电流不会有大的波动,桥侧并联电感。如图2所示。

  在实际应用中,常用的大容量STATCOM采用的基本都是电压源型结构。但是可以将SVG控制为电流源来进行无功补偿[2-3]。文献[4]提出了一种新的STATCOM控制策略即采用电压控制电流源(VCCS)的策略和改进的电压控制电压源(VCVS)的策略来补偿电力系统公共连接点(PointofCommonCoupling,PCC)电压不平衡,特别是在较小容量时采用VCCS方式将能达到最好的补偿效果。

  按构成基本单元逆变器模块,可以将STATCOM分为单相桥二电平,三相桥二电平,三相桥多电平。在大容量高电压等级的应用场合中,往往需要将多个低压小容量变换器通过变压器耦合(即多重化)或采用变压器在交流输入输出侧进行升压或降压,这样会产生耗能、谐波含量大、系统效率低等缺点。而多电平变换器开关器件所承受的电压应力小(如三电平变换器每个开关器件所承受的电压应力是二电平的一半),谐波含量少,损耗降低,因此在大容量场合得到广泛应用和发展。

  按构成元器件,可以将STATCOM分为GTO型,IGBT型,IGCT型,SCR型,GTR型,MOSFET型。基于功率变换的FACTS设备一般都采用全控型器件,主要是在GTO、改进型GTO(IGBT、MTO、ETO等)和(HV)IGBT等器件中选择。国际上第一个采用GTO作为逆变器功率器件的STATCOM,是由美国EPRI与西屋电气公司研制的,容量依1Mvar。我国依20MvarSTATCOM和日本关西电力系统Inuyama开关站依80MvarSTATCOM均是采用GTO作为功率器件的。IGBT适用于小容量场合,由ABB公司研制的配电STATCOM(DistributionSTATCOM,D-STATCOM),开关器件采用多个IGBT串联。

  按电压等级,可以将STATCOM分为高压输电网补偿和低压配电网补偿。在高压输电网中STATCOM需要通过变压器连接到电网中。在低压配电网中,通过电抗器并联或直接并联电网,即D-STATCOM。D-STATCOM的基本工作原理就是将桥式电路通过电抗器或直接并联在电网上,适当调节电路交流侧输出电压的幅值或相位,或者直接控制其交流侧电流就可以使该电路系统收获发出满足要求的无功电流,从而实现动态补偿无功的目的。另外可以通过脉宽调制采用特定谐波消除的方法来消除特定谐波。

  3控制方式

  根据控制物理量,可以分为直接电流控制和间接电流控制。直接电流控制技术就是采用跟踪性PWM控制技术对电流波形的瞬时值进行反馈控制,直接指令电流的发生,结构简单,电流调节响应快,对扰动的鲁棒性好,但是只适用于中小容量场合,对于大容量场合具有很大的局限性。间接电流控制,是通过STATCOM逆变器交流电压极薄的幅值和相位,来间接控制交流侧电流,简单易实现,但动态性能欠佳,适用于大容量STATCOM。

  为了减少谐波,在间接电流控制中可以采用多重化、多电平或者PWM技术来改善波形。

  STATCOM装置主电路设计的多重化和链式结构是提高容量的常用技术。多重化结构就是用几个单相或三相逆变器产生相位相差若干度的方波电压,用变压器将不同相位的方波电压串联在一起,可以有效的提高容量与电压,减少谐波,但同时也会带来很多问题,诸如价格昂贵,增加了装置损耗和占地面积,并且变压器的铁磁非线性特性也给设计带来了困难。由ALSTOM公司为英国国家电网公司研制的依75MvarSTATCOM采用了新型链式结构,摒弃了笨重的多重化变压器。链式STATCOM各逆变桥直流电容器是相互独立的,存在电容电压不平衡问题,混合型损耗差异、并联型损耗差异以及输入脉冲延时的不同是造成电容电压不平衡的主要原因。通过调节逆变桥与系统间的相位差,通过调节各逆变桥调制比都可以实现电容电压平衡。图3和图4分别是链式和多重化结构的原理图。

  从控制策略上讲可以分为开环控制,闭环控制,以及这两种的混合控制。通常从控制上讲是电压环以及电流环。文献中STATCOM的控制是基于SVPWM的电压电流双环控制,利用锁相环(PLL)和低通滤波器(LPF)检测负载电流中无功电流的大小,通过dq变换实现STATCOM无功电流和有功电流在dq平面的解耦控制。同时,直流电压外环控制器输出耦合到有功电流控制环路实现直流电压稳压控制。

  从控制技术角度来说有PI控制方法,PI逆控制方法,鲁棒自适应控制,递归神经网络自适应,滑模变结构,模糊控制方法。其中鲁棒自适应控制方法,模糊控制系数选择困难;神经网络自适应方法不依赖于系统模型的建立,但实时性不好;滑模变结构线性化困难。在实际应用中还是以传统的PI控制居多。文献[14]提出了一种无源性控制(PBC)方法,建立了STATCOM的欧拉—拉格朗日系统模型,引入非线性规划的变尺度法进行优化。

  为了达到更好的补偿效果,可以将传统的无功补偿装置与STATCOM联合运行控制,从而避免STATCOM为了获得理想的输出电流波形,致使开关器件随着补偿电流增大,开关损耗增加,效率降低的问题。混合静止同步无功补偿器(HSTATCOM),基于无差拍控制(根据其状态方程和输出无功电流的预期值计算出下一个开关周期的脉冲宽度),利用有源与无源补偿相结合的方法,无源部分使用TSC作为主要补偿手段,不产生谐波,损耗小;利用有源补偿实现了补偿电流的连续调节,可以双向连续调节无功。文献提出了一种新型SVC与STATCOM构成的混杂装置以及基于模糊预测的联合运行方案,即利用小容量STATCOM抑制闪变配合大容量SVC补偿无功,避免了STATCOM采用不对称控制时出现的算法复杂等问题。联合控制运行方式算法简便,控制目的明确,但其结构可能复杂,所以在特定领域将会得到发展。

  4应用及现状

  STATCOM概念于20世纪80年代提出,实际应用主要集中在90年代,主要应用的有日本的依80Mvar(1991年),美国的100Mvar(1995年),丹麦基于4500/3000AGTO的依8Mvar(1997年)的STATCOM。由于STATCOM技术含量较高,掌握并应用这一技术的主要有日本、美国、德国、英国、中国等国家。我国首台依20Mvar的STATCOM是由清华大学与河南省电力局在1994—1999年共同研制,已于1999年3月在河南省洛阳市朝阳变电站投入运行。对于这一技术,在2007年由湖南大学的罗安等人就基于STATCOM与SVC的电能质量调节器协调控制方法、由郭育华等人就STATCOM的控制方法申请了国家专利。

  STATCOM的应用工程通常具有:在电力半导体器件选用上,绝大多数是基于GTO和IGBT的;在主电路上,大容量高压STATCOM主要采用变压器耦合多重化技术,中低容量和电压的DSATCOM较多采用三电平和/或PWM变换器;基本采用VSC;系统控制目标多样化;大容量STATCOM多采用水冷方式等特点。

  据不完全统计,自第一台大容量STATCOM装置问世以来,全世界已经投入运营的大容量(10MVar及以上)STATCOM工程超过20个,总的可控容量超过3000Mvar。它们有的安装在输电网络中用于潮流控制、无功补偿和提高系统稳定性等,属于FACTS范畴;有的安装在配电和用电网络,用于改善电能质量和提高供电可靠性,属于用户电力范畴,即用户电力控制器的D-STATCOM。表1给出了部分工程应用的基本情况,说明了自STATCOM问世以来的发展情况,这只是一少部分,可以看到,STATCOM主电路从最初的开关器件耦合,逐步发展为多个开关器件串联使用,结合VSI,采用NPC结构,并且用PWM进行控制,从而使STATCOM装置具有更加稳定与优良的性能。

  5结语

  静止同步补偿器(STATCOM)技术自问世以来得到了飞速的发展,多重化和链式结构应用于大容量STATCOM是国际上广泛关注的技术,但是要解决好器件的均压和不平衡控制等问题。大容量高电压的静止同步补偿器仍是今后研究的重点,另外新的功率模块如IPM的研究开发将会为STATCOM技术带来新的生机。STATCOM是柔性交流输电系统的核心,有效的无功补偿对电力系统乃至国民经济有着重要的意义。