摘要：本文介绍了现代配电网的发展现状，阐述了基于配电系统的静止同步补偿器（STATCOM）的结构及控制逻辑，对其损耗及谐波进行了分析。提出了STATCOM未来的发展方向是直接电压支撑及改善稳态和暂态稳定性，指出由电力电子器件所组成的变换器模块部分是主要研究方向。

    0 引言
    静止同步补偿器（STATCOM）在我国是比较先进的无功补偿领域的代表，它也是柔性交流输电系统（FACTS）和柔性交流配电系统（FACDS）中的重要控制设备，我国在2010年即开始正式在输电系统中引入这种技术（东莞），以实现区域电网的电能质量控制的优化。STATCOM技术自问世以来得到了始速的发展，其具有可控性强、控制精度高、快速灵活等特点，可实时控制补偿电流的幅值和极性，实现真正意义上的先进控制理论的应用，为实现柔性配电和智能配电，应用于配电系统的静止同步补偿器也将成为今后研究的重点。

    1 配电网现状分析
    现代配电网的概念已经有了进一步的扩充，除了传统的基本概念外，它还增加了微网和柔性配电（DFACTS）的概念。“微网”是指接有分布电源的配电子系统，是一个预先设计好的供电孤岛，可在与主网脱离后正常地独立运行。微网一般均采用了先进的测控技术、保护技术、电力电子技术，可以灵活地与大电网连接、断开，可在主网停电时维持其中所有或部分重要用电设备的供电，而柔性配电技术是FACTS技术在配电网的延伸。DFACTS设备同样也包括静止无功补偿器（SVC）、STATCOM、有源电力滤波器（APF）、动态不间断电源（DUPS）、动态电压恢复器（DVR）、固态断路器（SSCB）、固态负荷转移开关（SSTS）等。首先，应用SSCB、SSTS可以加快故障切除与负荷转移切换时间，提高自愈速度。而利用DUPS与DVR可以补偿配电网故障重合闸、故障隔离操作引起的短时供电中断，保证重要敏感负荷供电不受影响。智能配电网自愈的主要支撑技术是柔性配电DFACTS技术，且DFACFS在提高配电网自愈功能方面具有重要的作用。此外，应用STATCOM可以消除电压骤降、谐波、电压波动的影响，同时还能有效提高电能质量。

    2 STATCOM的结构及其控制
    目前，在STATCOM的控制中主要还是应用电压源型换流器，与大电容并联的电压端子能够对功率半导体提供自动保护的功能，它能平抑传输线路上的电压瞬变。STATCOM在配电系统中的应用不仅可满足增加功率潮流的，同时还可保证当电力系统出现意外故障和暂态扰动时，稳定电力系统运行的特定参数。在配电系统中的体现有两方面：（1）直接电压支撑。这种控制策略主要考虑在重载条件下，应能增加线路传输的容量和维持足够的线路电压，并能防止电压出现不稳定现象。（2）改善稳态和暂态稳定性。这种控制策略应能在系统振荡出现第一次波动时有足够的稳定裕量，并能阻尼功率振荡。
STATCOM结构及输出波形如图1所示。

    图1b）为采用电压源型换流器的STATCOM等效结构，与图1 a）相比，它实际上是用电压型逆变器替代了同步调相机。在逆变器的工作条件下，直流电压Udc是通过对电容Cs的充电来保证的。与同步调相机的控制原理相似，通过改变变流器输出电压的幅值，就可以控制变流器与交流系统之间的无功交换，这与同步旋转电机的无功控制方式是相通的。根据这一原理，当变流器输出电压增加到超过交流系统电压的幅值时，电流经过线路连接电抗由变流器流向交流系统，变流器给交流系统提供无功（容性）功率；反之，如果变流器输出电压的幅值小于交流系统的电压幅值，那么无功电流就从交流系统流向变流器，变流器吸收无功（感性）功率。如果变流器输出的电汪与交流系统电压相等，则两者之间不存在无功功率的交换。图1c）为采用电压源变流器所构成的48脉冲STATCOM的输出电压及电流波形。虽然输出电压波形与理想正弦波有一定偏差，但由于连接电感的存在，使其输出电压及电流波形非常接近理想正弦波。一般而言，变流器的脉冲数越多，其输出波形越接近理想正弦波。
    如图2a）所示，内部控制器应能按照外部提供的无功参考电流I Qref和有功参考电流IPref输入信号来计算应输出的电压幅值和相角，并产生一组协调的适当波形，形成门极触发模式。这个触发模式既决定了对应的输出电压，同时也决定了每个开关的导通和关断周期。这些适当波形之间应具有一个确定的相位关系，而触发模式是由变流器的脉冲数、形成输出电压波形所采取的方法以及三个输出端子之间的相位关系（通常为120°）来决定的。图2b）为纯无功补偿的简单内部控制框图，该框图中采用了基于直流电容电压控制的间接控制策略。内部控制器的输入为交流系统的母线电压认变流器输出电流Icom和IQref。U通过锁相环引入，它能提供同步信号角θ。在控制器内部，首先将变流器的Icom分解为有功和无功分量，然后将无功电流分量的幅值ICOMQ与IQref进行比较，所得到的偏差经适当放大后就能得到偏移角a，这个角度也就是变流器输出电压和交流系统电压之间的相位偏移，它也可用于储能电容的充放电控制，使直流电压达到所需要的数值。然后偏移角a与同步信号角θ相加，得到角a+θ，这个角度包含了变流器所希望的同步信号，同时也满足无功电流参考输入信号的要求。这个a+θ就是门极触发模式的逻辑输入量，它可以是数字查表法的基数，然后再根据查得的数据就能得到变流器各功率开关触发控制的逻辑信号。

    变流器输出的电压幅值和相角是由内部参数决定的，这些参数能控制变流器输出或输入的无功电流，能控制变流器与系统之间交换的有功和无功功率。如变流器与系统之间只有无功功率的交换，此时的变流器严格按静止无功补偿器的方式运行，则内部控制器的参考输入就是所要求的无功电流。内部控制器根据这一参考输入信号会建立相应的直流电容电压，这个电压与所要输出的交流输出电压的幅值成正比，经相关运算后变流器就输出对应交流电压幅值和相角的触发脉冲。正是因为这个比例关系，在方波输出时，变流器只要控制电容电压就能够间接控制无功输出电流，同时也能白动满足相角控制的要求。当输出PWM调制波时，则应通过相角控制，即通过控制a、θ使电容电庄为恒定值，然后再通过内部电压控制机理，就能直接控制无功输出电流。这两种基本的电压输出的控制方法，即两种无功控制方法如图3和图4所示。其中，图3为假想的两电平变流器，采用“间接”控制方式电容两端电压认。随着偏移角同步信号角a士△a改变而改变，进而改变逆变器输出电压的幅值；图4为二电平变流器，采用“直接”控制。如果变流器带有储能环节，那么内部控制就可接收有功参考输入电流，并通过调节输出电压的相角，使变流器输出
    基于静止无功补偿器的变流器可以看成是一个同步受控电压源，它能够输出或吸收无功电流，它的最大值由变流器的额定容量来确定。值得注意的是，当系统电压远低于它的正常值时，STATCOM仍能够维持它的最大无功输出电流不变。

[1] [2] [3]  下一页