STATCOM在220kV变电站应用研究综述

覃显南

(广西电网有限责任公司崇左供电局，广西 崇左 532200)

STATCOM在220kV变电站应用研究综述

覃显南

(广西电网有限责任公司崇左供电局，广西 崇左 532200)

电力系统中电能质量日益严重，STATCOM的开发与研制对电能质量的提高具有重要意义。因此，加强STATCOM工作机理的研究，结合STATCOM在220kV变电站中的实际应用，指出STATCOM对电网的具有更好的动态补偿效果，推广应用的前景更为广阔。论述了STATCOM的研究历史与现状，分析了STATCOM的机理，最后提出今后STATCOM技术的发展与研究方向。

电力系统；STATCOM；电能质量

1 引言

STATCOM也称为静止无功发生器(ASVG，Advanced Static Var Generator)，其功能与SVC基本相同，但是运行范围更宽、调节速度更快。STATCOM是柔性交流输电系统(Flexible AC Transmission Systems FACTS)的重要成员，对提高电力系统的电压稳定水平、远距离输电的输送容量、输电系统暂态稳定极限和静态稳定极限、阻尼振荡等方面发挥着重要的作用，它可以从感性到容性的整个范围内进行连续的无功调节，特别是在欠电压条件下仍可高效地发出无功功率，为此，加强对STATCOM工作机理的研究，并将其应用于电力系统中，将会带来显著的经济与社会效益。

2 STATCOM国内外研究现状

静止无功发生器(SVG)也被称为静止同步补偿器(STATCOM)，是在20世纪80年代以来出现的更为先进的静止无功补偿装置。STATCOM的研制一开始就受到日本、美国、德国政府和科研单位的重视，1980年日本研制出第一台20Mvar STATCOM。到90年代取得突破性的研究进展，1991年和1994年日本和美国分别研制成功一套80Mvar和一套100Mvar的采用GTO晶闸管的STATCOM装置，并最终成功地投入商业运行。德国西门子公司的单机容量为8Mvar的STATCOM装置也于1998年投入运行。

在国外，由于STATCOM理论研究起步较早，已步入工业化应用阶段。另一方面，STATCOM的工业化应用对理论研究起了非常大的推动作用，新的理论研究成果不断出现。我国在STATCOM研究方面起步较晚，直到进入90年代以后，一些高等院校和科研机构开始进行STATCOM的研究，理论和应用都取得了很大进展，特别是2006年2月在上海黄渡分区西郊变电站并网试运行的±50Mvar STATCOM，核心技术达到了国际领先水平。

在我国普遍采用的无功补偿装置主要是并联电容器和晶闸管控制电抗器(TCR)及晶闸管投切电容器(TSC)。为了改变上述情况，在1994年，研制大容量STATCOM被列为电力部重点科研攻关项目，同年在电力部的支持下，河南电力局决定和清华大学共同研制±20Mvar的STATCOM。1999年3月清华大学FACTS研究所与河南电力局共同研制的用于220kV电网的±20Mvar STATCOM在河南电网成功投入运行。2001年2月国家电力公司电力自动化研究院也将±200kvar STATCOM投入了运行。通过以上研究获得很多实践经验，并在理论上有显著的发展，STATCOM应用规划仿真研究也已相继展开。

清华大学FACTS研究所在河南±20Mvar STATCOM研制经验基础之上，继续研制上海西郊变±50Mvar STATCOM的关键技术。±50Mvar STATCOM装置是一种新型的动态无功补偿装置，采用了基于IGCT的链式逆变器，具有可分相控制和运行、输出动态无功响应速度快、输出电流谐波小、输出无功电流大小与系统电压无关、不需多重化变压器、占地面积小等特点。装置的研制在建模、主电路及参数设计方法、分布式链节控制与保护、系统控制策略等方面取得重大突破，核心技术达到了国际领先水平。2006年2月28日，±50Mvar STATCOM在上海黄渡分区西郊变电站并网试运行。

STATCOM的研究仍然是FACTS领域内一个重要课题，主要从构成大功率STATCOM主电路拓扑结构、多电平逆变器的调制方法、无功补偿与储能系统的结合、STATCOM的控制方法等几个方面进行。

3 STATCOM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。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。

按构成基本单元分，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。

按构成元器件分，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。IGBT适用于小容量场合，由ABB公司研制的配电STATCOM(Distribution STATCOM，D-STATCOM)，开关器件采用多个IGBT串联。

按电压等级分，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。

4 对STATCOM的机理分析

STATCOM的原理接线图如图1所示。其中控制元件为全控型阀元件GTO。

图1 STATCOM原理图

由上图可知，STATCOM实际上为一个自换相的电压型三相全桥逆变器。电容器的直流电压相当于理想的直流电压源，为逆变器提供直流电压支撑。与GTO反向并联的普通二极管的作用是续流。逆变器在正常工作时通过GTO的通断将直流电压转换成与电网同频率的相位与幅值都可控制的交流电压。由于三相对称正弦电路的三相功率瞬时值之和为常数，因此各相的无功能量不是在电源和负载之间而是在相与相之间的周期性交换。电容器上储存的电场能量为:

(1)

由GTO的门极控制交流侧输出的电压方波的波宽记为θ，则由傅里叶分解可得交流侧输出的基波电压幅值为:

(2)

式中：K为与逆变器的结构有关的常数；VC为电容器的直流电压；θ为控制变量。某220kV变电站中STATCOM与系统的电气接线图如图2所示。

图2 某220kV变电站接线图

简化其等值图如图3所示。

图3 STATCOM与系统连接图

由于STATCOM采用了电压型桥式电路，因此必须通过连接电抗器或变压器并入系统，连接电抗器的作用是将逆变器与交流母线这两个电压不相等的电源连接；另外一个作用是抑制电流中的高次谐波。因此其电感值不需要很大。图中STATCOM被表示成一台理想的同期调相机。以系统电压VS为参考向量，则逆变器输出电压的基波分量值为VASVG，设其相位滞后系统的电压角度为δ。记y=1/sqrt(r2+x2)；α=arctgr/x，不难导得逆变器从系统吸收的有功功率为

(3)

STATCOM送入系统的无功功率为：

(4)

5 未来发展与研究方向

静止同步补偿器变换器作为一个典型的开关非线性系统，将线性控制理论的分析、设计方法直接应用其中，必然会有较大的局限。其设计与其他连续系统的设计也不尽相同。首先，电力电子变换器的建模问题，尽管只要知道电路拓扑就可以对其进行精确地建模，但所得模型是分段连续的，不能直接用于控制器的设计，也为电力电子系统的分析带来困难；第二，对于一般的被控系统，综合算法就是控制算法，但电力电子系统又具有特殊性，其系统输入是开关量，控制算法所得控制律必须转换为开关器件的开关状态，即为通常所说的调制方法。静止同步补偿器作为一种新型的无功功率补偿调节装置，已经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。

近年来，人工智能技术获得了飞速地发展，充分利用人工智能领域的研究成果，依据人们在常年的系统运行中所积累的丰富经验，基于专家系统设计具有学习功能的STATCOM智能控制器，有望在多目标、非线性控制问题上取得突破。

6 结论

电力系统中电能质量日益严重，STATCOM的开发与研制对电能质量的提高具有重要意义。本文论述了STATCOM的研究历史与现状，结合STATCOM在220kV变电站中的实际应用，研究了STATCOM的工作原理，指出了STATCOM对电网具有更好的动态补偿效果与推广应用，未来的STATCOM智能控制器应更加的智能化，并有望在多目标、非线性控制问题上取得突破。

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Review of STATCOM Used in 220kV Substation

QINXian-nan

(Chongzuo Bureau of Power Grid Corporation,Chongzuo 532200,China)

Power system power quality worsening,STATCOM Research and development has important significance for improving power quality.Therefore,strengthening research STATCOM working mechanism,combined with the practical application of STATCOM in 220kV substation,pointed STATCOM power grid has better dynamic compensation effect,the prospects for broader application.This article discusses the history and current situation of STATCOM research,analyzes the mechanism of STATCOM.Finally,future development and research directions STATCOM technology.

power system;STATCOM;power quality

1004-289X(2015)02-0006-03

TM71

B

2015-01-29作者简介：覃显南(1988-)，男，广西平南县人，助理工程师，主要从事变电站运行。