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靜止同步補償器(STATCOM)技術的應用及發展現狀

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靜止同步補償器(STATCOM)技術的應用及發展現狀

發布日期:2018-01-12 作者:江蘇亞光 點擊:

2019久久久高清456是國家中型企業、省二級計量企業、省建行守信用企業、省質量管理體制先進企業,并通過GB/T19001-2008質量體系認證。公司現有員工158人,專業技術人員28人,其中教授級高工2人,高級工程師6人。廠區面積3萬平方米,擁有各類設備、儀器200多臺套,年生產能力在1.6億元。

1 概述

  靜止同步補償器(Static Synchronous Compensator,STATCOM)是柔性交流輸電系統(Flexible AC Transmission System,FACTS)的核心裝置和核心技術之一。在此之前,又稱ASVG、SVG、STATCON、ASVC,直至1995 年國際高壓大電網會議與電力、電子工程師學會建議采用靜止同步補償器(STATCOM)。

  靜止同步補償器采用新一代的電力電子器件,如:門極可關斷晶閘管(GTO),絕緣柵雙極型晶體管(IGBT),集成門極換向晶閘管(IGCT),并且采用現代控制技術,其在電力系統中的作用是補償無功,提高系統電壓穩定性,改善系統性能。與傳統的無功補償裝置相比,STATCOM 具有調節連續,諧波小,損耗低,運行范圍寬,可靠性高,調節速度快等優點,自問世以來,便得到了廣泛關注和飛速發展。
 
  我國電力工業發展迅速,其需求將保持持續、快速的增長態勢而且需求規模在增大,當前我國電力事業可靠性要求高、實用性強;經濟效益突出;節能,環保、高效成為主要趨勢。STATCOM的廣泛應用使得電力系統更加穩定高效,符合當今社會電力工程發展趨勢。

2 STATCOM 的工作原理

  2.1 基本工作原理

  STATCOM大體上分為電壓源型和電流源型,在實際應用中大多使用電壓源型(采用電壓型變換器Voltage-sourced inverter,VSI)。圖1 用以簡單說明基于VSI的STATCOM的工作原理。

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  如圖1 所示,STATCOM的主電路結構由直流側大電容和基于電力電子器件的VSI 組成,通過連接電抗接入電力系統。圖中,U1 是在理想情況下(即忽略線路及STATCOM 的損耗)將STATCOM的輸出等效為一個可控電壓源,US 是系統側等效成的理想電壓源,且兩者相位一致。當U1躍US時,從系統流向STATCOM 的電流相位超前系統電壓90°,輸出容性無功;同樣當U1約US 時,從系統流向STATCOM 的電流滯后系統電壓90°,輸出感性無功。當U1 =US 時,系統與STATCOM 之間的電流為零,兩者之間沒有無功的交換。這是在理想情況下的工作狀態,事實上,US 和U1 一般具有一個角度差,通過控制US和UI就可以調節STATCOM發出或吸收無功的大小。

  2.2 STATCOM的分類

  從理論上可以將STATCOM 分為電壓源型和電流源型。就其電路結構來說,電壓源型STATCOM 直流側并聯有大電容,保證在持續充放電或器件換向過程電壓不會發生很大的變化,橋側串聯電感,而電流源型STATCOM 則是直流側串聯大電感,保證在器件換向或充放電器件電流不會有大的波動,橋側并聯電感。如圖2所示。

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  在實際應用中,常用的大容量STATCOM 采用的基本都是電壓源型結構。但是可以將SVG控制為電流源來進行無功補償[2-3]。文獻[4]提出了一種新的STATCOM 控制策略即采用電壓控制電流源(VCCS)的策略和改進的電壓控制電壓源(VCVS)的策略來補償電力系統公共連接點(Pointof Common Coupling,PCC)電壓不平衡,特別是在較小容量時采用VCCS 方式將能達到最好的補償效果。

  按構成基本單元逆變器模塊,可以將STATCOM 分為單相橋二電平,三相橋二電平,三相橋多電平。在大容量高電壓等級的應用場合中,往往需要將多個低壓小容量變換器通過變壓器耦合(即多重化)[5] 或采用變壓器在交流輸入輸出側進行升壓或降壓,這樣會產生耗能、諧波含量大、系統效率低等缺點。而多電平變換器開關器件所承受的電壓應力小(如三電平變換器每個開關器件所承受的電壓應力是二電平的一半[6]),諧波含量少,損耗降低,因此在大容量場合得到廣泛應用和發展。

  按構成元器件,可以將STATCOM 分為GTO型,IGBT 型,IGCT 型,SCR 型,GTR 型,MOSFET型。基于功率變換的FACTS 設備一般都采用全控型器件,主要是在GTO、改進型GTO(IGBT、MTO、ETO 等)和(HV)IGBT等器件中選擇。國際上第一個采用GTO 作為逆變器功率器件的STATCOM,是由美國EPRI 與西屋電氣公司研制的,容量依1Mvar。我國依20Mvar STATCOM和日本關西電力系統Inuyama 開關站依80Mvar STATCOM 均是采用GTO 作為功率器件的。IGBT 適用于小容量場合,由ABB公司研制的配電STATCOM(Distribution STATCOM,D-STATCOM),開關器件采用多個IGBT串聯[7]。

  按電壓等級,可以將STATCOM 分為高壓輸電網補償和低壓配電網補償。在高壓輸電網中STATCOM需要通過變壓器連接到電網中。在低壓配電網中,通過電抗器并聯或直接并聯電網,即D-STATCOM。D-STATCOM的基本工作原理就是將橋式電路通過電抗器或直接并聯在電網上,適當調節電路交流側輸出電壓的幅值或相位,或者直接控制其交流側電流就可以使該電路系統收獲發出滿足要求的無功電流,從而實現動態補償無功的目的。另外可以通過脈寬調制采用特定諧波消除的方法來消除特定諧波[8]。

3 控制方式

  根據控制物理量,可以分為直接電流控制和間接電流控制。直接電流控制技術就是采用跟蹤性PWM 控制技術對電流波形的瞬時值進行反饋控制,直接指令電流的發生,結構簡單,電流調節響應快,對擾動的魯棒性好,但是只適用于中小容量場合,對于大容量場合具有很大的局限性。間接電流控制,是通過STATCOM 逆變器交流電壓極薄的幅值和相位,來間接控制交流側電流,簡單易實現,但動態性能欠佳,適用于大容量STATCOM。

  為了減少諧波,在間接電流控制中可以采用多重化、多電平或者PWM技術來改善波形。

  STATCOM 裝置主電路設計的多重化和鏈式結構是提高容量的常用技術。多重化結構就是用幾個單相或三相逆變器產生相位相差若干度的方波電壓,用變壓器將不同相位的方波電壓串聯在一起,可以有效的提高容量與電壓,減少諧波[5,9],但同時也會帶來很多問題,諸如價格昂貴,增加了裝置損耗和占地面積,并且變壓器的鐵磁非線性特性也給設計帶來了困難。由ALSTOM公司為英國國家電網公司研制的依75Mvar STATCOM 采用了新型鏈式結構,摒棄了笨重的多重化變壓器。鏈式STATCOM 各逆變橋直流電容器是相互獨立的,存在電容電壓不平衡問題,混合型損耗差異、并聯型損耗差異以及輸入脈沖延時的不同是造成電容電壓不平衡的主要原因[10]。通過調節逆變橋與系統間的相位差,通過調節各逆變橋調制比都可以實現電容電壓平衡[11]。圖3 和圖4 分別是鏈式和多重化結構的原理圖。

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  從控制策略上講可以分為開環控制,閉環控制,以及這兩種的混合控制。通常從控制上講是電壓環以及電流環。文獻[12]中STATCOM的控制是基于SVPWM 的電壓電流雙環控制,利用鎖相環(PLL)和低通濾波器(LPF)檢測負載電流中無功電流的大小,通過dq 變換實現STATCOM 無功電流和有功電流在dq 平面的解耦控制。同時,直流電壓外環控制器輸出耦合到有功電流控制環路實現直流電壓穩壓控制。

  從控制技術角度來說有PI 控制方法,PI 逆控制方法,魯棒自適應控制,遞歸神經網絡自適應,滑模變結構,模糊控制方法[13]。其中魯棒自適應控制方法,模糊控制系數選擇困難;神經網絡自適應方法不依賴于系統模型的建立,但實時性不好;滑模變結構線性化困難。在實際應用中還是以傳統的PI 控制居多。文獻[14]提出了一種無源性控制(PBC)方法,建立了STATCOM 的歐拉—拉格朗日系統模型,引入非線性規劃的變尺度法進行優化。

  為了達到更好的補償效果,可以將傳統的無功補償裝置與STATCOM 聯合運行控制,從而避免STATCOM 為了獲得理想的輸出電流波形,致使開關器件隨著補償電流增大,開關損耗增加,效率降低的問題。混合靜止同步無功補償器(HSTATCOM),基于無差拍控制(根據其狀態方程和輸出無功電流的預期值計算出下一個開關周期的脈沖寬度),利用有源與無源補償相結合的方法,無源部分使用TSC 作為主要補償手段,不產生諧波,損耗小;利用有源補償實現了補償電流的連續調節,可以雙向連續調節無功[15]。文獻[16]提出了一種新型SVC 與STATCOM構成的混雜裝置以及基于模糊預測的聯合運行方案,即利用小容量STATCOM 抑制閃變配合大容量SVC 補償無功,避免了STATCOM 采用不對稱控制時出現的算法復雜等問題。聯合控制運行方式算法簡便,控制目的明確,但其結構可能復雜,所以在特定領域將會得到發展。

4 應用及現狀

  STATCOM 概念于20 世紀80 年代提出,實際應用主要集中在90 年代,主要應用的有日本的依80 Mvar(1991 年),美國的100 Mvar(1995年),丹麥基于4 500/3 000A GTO的依8 Mvar(1997年)的STATCOM。由于STATCOM技術含量較高,掌握并應用這一技術的主要有日本、美國、德國、英國、中國等國家。我國首臺依20 Mvar 的STATCOM 是由清華大學與河南省電力局在1994—1999 年共同研制,已于1999年3 月在河南省洛陽市朝陽變電站投入運行[7]。對于這一技術,在2007年由湖南大學的羅安等人就基于STATCOM 與SVC 的電能質量調節器協調控制方法、由郭育華等人就STATCOM 的控制方法申請了國家專利。

  STATCOM的應用工程通常具有:在電力半導體器件選用上,絕大多數是基于GTO 和IGBT 的;在主電路上,大容量高壓STATCOM 主要采用變壓器耦合多重化技術,中低容量和電壓的DSATCOM較多采用三電平和/或PWM 變換器;基本采用VSC;系統控制目標多樣化;大容量STATCOM多采用水冷方式等特點。

  據不完全統計,自第一臺大容量STATCOM裝置問世以來,全世界已經投入運營的大容量(10 MVar 及以上)STATCOM 工程超過20 個,總的可控容量超過3 000 Mvar。它們有的安裝在輸電網絡中用于潮流控制、無功補償和提高系統穩定性等,屬于FACTS 范疇;有的安裝在配電和用電網絡,用于改善電能質量和提高供電可靠性,屬于用戶電力范疇,即用戶電力控制器的D-STATCOM。表1給出了部分工程應用的基本情況,說明了自STATCOM 問世以來的發展情況,這只是一少部分,可以看到,STATCOM 主電路從最初的開關器件耦合,逐步發展為多個開關器件串聯使用,結合VSI,采用NPC 結構,并且用PWM 進行控制,從而使STATCOM 裝置具有更加穩定與優良的性能。

5 結語

  靜止同步補償器(STATCOM)技術自問世以來得到了飛速的發展,多重化和鏈式結構應用于大容量STATCOM 是國際上廣泛關注的技術,但是要解決好器件的均壓和不平衡控制等問題。大容量高電壓的靜止同步補償器仍是今后研究的重點,另外新的功率模塊如IPM 的研究開發將會為STATCOM技術帶來新的生機。STATCOM是柔性交流輸電系統的核心,有效的無功補償對電力系統乃至國民經濟有著重要的意義。

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