高压电网动态无功补偿装置STATCOM.docx

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高压电网动态无功补偿装置STATCOM

高压电网动态无功补偿装置STATCOM

――初步规划和研发计划书

一、高压电网动态无功补偿的必要性

随着电力电子技术和计算机技术的快速发展，电力电子装置在各行各业的应用日益广泛，在带来巨大经济效益的同时，谐波和无功问题也日趋严重，无论对于电力系统还是电力用户，这都是不可忽视的问题。

因此，近年来电能质量问题引起了普遍的重视。

电网电压质量通常由稳定性、对称性及正弦性等指标衡量，随着现代电力电子设备等非线性负荷大量接入电网，使电网供电质量受到严重影响，其中各种电力电子开关器件的大量应用和负载的频繁波动是最主要的干扰源，导致了一系列不良影响。

◆功率因数低，增加电网损耗，加大生产成本，降低生产率。

◆产生的无功冲击引起电网电压降低、电压波动及闪变，严重时导致传动装置及保护装置无法正常工作甚至停产。

◆产生高次谐波电流，导致电网电压畸变，是电网的“隐性杀手”，能导致：

●保护及安全自动装置误动作。

●电容器组谐波电流放大，使电容器过负荷或过电压，甚至烧毁。

●增加变电器损耗，引起变压器发热。

●导致电力设备发热，电机力矩不稳甚至损坏

●加速电力设备绝缘老化，易击穿。

●降低电弧炉生产效率，增加损耗。

●干扰通讯信号。

◆导致电网三相不平衡，产生负序电流使电机转子发生振动。

系统中大量存在的非线性及冲击性负荷（如轧钢机、电弧炉、矿井提升机、采煤机等）,不仅要从电网中吸收大量的无功功率,同时还引起电压波动和闪变。

据统计,自动化程度很高的工业用户一般每年要遭受10～50次与电能质量问题有关的干扰,其中因包括电压波动和闪变在内的动态电压质量问题造成的事故数约占事故总数的83%,电压波动和闪变已成为威胁许多重要用户供电可靠性的主要原因之一。

电网电压的波动和闪变主要是由于无功功率的波动引起的,所以，抑制电压波动和闪变应该以控制无功功率为重点。

由于电压的变化速度较快,因此必须安装动态无功补偿装置才能抑制电压的波动和闪变。

在煤矿企业中,由于大量电动机负荷和大型综采设备的投入,造成煤矿电网供电质量下降,即功率因数较低、电压波动较大。

煤矿是对安全要求很高的工况类型，为保障安全生产及人身安全，对供配电系统电能质量的要求更高，而近年来直流绞车在煤矿中的广泛使用，使得煤矿绞车供电系统受到严重污染，谐波和无功问题日益突出，整个供配电系统的安全运行存在较大的隐患。

目前，节能减排已经成为我国的一项方针政策，煤矿作为用电大户，必须响应国家的政策进行节能。

安装高压电网的无功补偿装置具有很好的节能效果。

二、高压动态无功补偿技术发展和现状

2．1无功补偿原理

无功补偿分为并联无功补偿和串联无功补偿两种方法，其中串联无功补偿主要应用在35KV以上电压等级的输电网，这里不作详细讨论。

下面介绍一下并联无功补偿的原理。

图1是一个基本的电力系统，包括发电机、升压变压器、高压传输线、降压变压器和感性负荷。

图1（a）是未安装无功补偿装置的电力系统示意图、等效模型及对应的矢量图，由于实际系统中的负荷几乎都是感性负荷，因此需要吸收无功功率，无功功率只能由发电机提供并经过线路传输到负荷。

如果在负荷侧加装无功补偿装置，如图1（b）所示，负荷的无功功率由无功补偿装置来提供，不再由发电机产生并由高压传输线传输到负荷，这样传输电流就会大大减少，网损会降低，负荷端的电压调整率会提高。

（a）未安装无功补偿装置的电力系统示意图、等效模型及矢量图

（b）安装无功补偿装置的电力系统示意图、等效模型及矢量图

图1并联无功补偿原理

2．2静止无功补偿装置SVC

高压电网的动态无功补偿技术主要有静止无功补偿器（StaticVarCompensators）和静止同步补偿器（StaticSynchronousCompensators），静止无功补偿器简称为SVC，静止同步补偿器简称为STATCOM。

SVC的工作原理如图2所示，SVC接入系统中，电容器提供固定的容性无功

，补偿电抗器通过的电流决定了补偿电抗器输出感性无功

的大小，感性无功和容性无功相抵消，只要能做到系统无功

为常数（或0），则能实现电网功率因数等于常数，电压几乎不波动，关键是准确控制晶闸管的触发角，得到所需的流过补偿电抗器的电流，晶闸管变流装置和控制系统能够实现这个功能，采集母线的无功电流值和电压值，合成无功值，和所设定的恒无功值（可能是0）进行比较，计算得触发角大小，通过晶闸管触发装置，使晶闸管流过所需电流。

图2SVC工作原理示意图

2．3静止同步补偿器STATCOM

图3两电平逆变器架构的STATCOM主电路及电压电流波形

图4两电平逆变器架构的STATCOM在不同调制度下的输出电压波形

图3（a）是两电平逆变器架构的STATCOM，忽略变换器本身的内部损耗，通过调节变换器输出电压

基频分量的幅值对无功功率进行控制，通过PWM调制方法对

进行控制，如图4所示。

当

的幅值大于

的幅值，STATCOM发出无功功率，如图3（b）所示；当

的幅值小于

的幅值，STATCOM吸收无功功率，如图3（c）所示。

补偿电流可以滞后或超前于电网电压，这取决于

和

幅值的大小。

2．4STATCOM和SVC的性能比较

（1）谐振特性比较

SVC装置是靠电容和电抗来调节无功的,接入电力系统可能会改变原电力系统的阻抗特性，因此如果在电力系统中某些节点安装SVC装置，除研究SVC装置投入后对提高系统安全稳定作用外，还必须详细研究系统在SVC装置接入前后阻抗特性的变化，防止SVC装置接入后因改变系统阻抗特性导致出现谐振,在SVC工程实践过程中曾经出现安装SVC装置后系统出现谐振的例子。

而STATCOM装置采用功率变换器调节无功，STATCOM可以等效为可控的电流源，接入系统后不会改变系统的阻抗特性，不存在谐振问题。

（2）输出特性比较

SVC装置是通过改变电抗来调节其输出的无功功率，可以等效为可控电抗器，SVC装置输出的无功功率与系统电压的平方成正比，也即其输出的无功电流与系统电压成正比，因此在电力系统电压下降时，SVC装置输出的无功功率会以与系统电压下降平方的比例下降。

它所能提供的最大电流分别受其并联电抗器和并联电容器的阻抗特性限制，因而随着电压下降而减小。

STATCOM输出的无功功率与系统电压成正比例，也即其输出的无功电流与系统电压无关，系统电压下降时候，STATCOM可以调整其变流器输出电压的幅值和相位，以使其所能提供的最大无功电流

和

维持不变，仅受电力半导体器件的电流容量限制。

所以在系统电压下降时，STATCOM输出无功的能力比SVC强，图5为SVC装置与STATCOM装置输出的无功—电流特性（

为系统电压，

和

分别为最大容性和感性无功电流）。

由图5可见，STATCOM的运行范围比传统SVC大，SVC的运行范围是向下收缩的三角形区域，如图5（b）所示；而STATCOM的运行范围是上下等宽的近似矩形的区域，如图5（a）所示。

在系统发生短路故障电压跌落时，STATCOM可以比SVC提供更多的无功以维持系统电压稳定；在系统发生过电压时，STATCOM比SVC吸收的无功功率多。

因此，当系统电压异常时，STATCOM可以比SVC更多的提高系统的暂态稳定裕度。

图5SVC装置与STATCOM装置的无功—电流特性

（3）损耗比较

在选择无功补偿装置时,有功损耗是一个重要的因素,因为损耗一直存在,其费用随着时间推移可以累积到很高的水平。

SVC的损耗主要包括3个部分：

固定电容器或滤波网络的损耗，这是固定损耗，比较小；晶闸管控制电抗（TCR）支路中电抗器的损耗，与支路电流的平方近似成正比关系；晶闸管损耗，包括触发电路损耗、开通和关断损耗、通态和阻态损耗等，近似可认为与支路电流成正比关系。

因而总的损耗随着输出感性无功的增加而增加，随着容性无功的增加而减小，即当装置处于浮空状态，输出无功为零时，也存在一定的损耗。

STATCOM装置既存在并联损耗,也存在串联损耗。

并联损耗与直流侧电容电压的平方成正比，串联损耗包括变压器铜耗和可关断器件、二极管等的损耗。

由于STATCOM能吸收的最大感性和容性无功是相等的,其损耗是对称的。

在浮空状态下的损耗是最小的。

STATCOM的功率损耗比同容量的SVC至少低2%。

（4）响应时间比较

SVC装置中的TCR部分采用晶闸管，一旦晶闸管导通，必须等电流过零才能自然关断，因此SVC控制系统发出指令到晶闸管响应最大的延时为10ms（半个周期），加上TCR本身的过渡过程，整个SVC装置的响应时间约为50～60ms。

STATCOM装置为可控电流源加串联电阻和电感支路构成，装置的固有时间常数主要由RL支路的时间常数决定，计及STATCOM直流侧电容充放电的时间，则STATCOM的时间常数可近似为直流侧电容的充放电时间与RL支路的时间常数之和。

通常情况下，直流侧电容中储存的能量变化很小，与RL支路的时间常数比较起来可以忽略。

STATCOM瞬时无功变化的响应时间约为时间常数的3～4倍。

对于大容量STATCOM装置，其固有的时间常数为几毫秒，因此STATCOM的响应时间为20～30ms。

最快的基于PWM调制的STATCOM装置，响应时间约为10ms。

STATCOM装置响应速度比SVC快了很多。

（5）谐波特性比较

SVC装置中的TCR部分通过晶闸管的开通，只要控制角不为零，流过电抗器电流就不是正弦波，会有大量的谐波注入电网，必须采取措施将这些谐波消除或减弱。

从电路结构看，可以采取多脉冲结构和顺序控制来抑制谐波。

但如果出现各种不平衡和不对称状态，则必须配置滤波器来减少注入系统的谐波电流。

STATCOM装置采用桥式变换器的多重化技术、多电平技术和PWM技术以消除较低次的谐波,并使高次谐波减小到可以接受的程度，一般不需要安装滤波器。

（6）控制特性比较

SVC是通过改变晶闸管的触发角来改变装置的等效电纳；而STATCOM是通过对装置输出电压的幅值和相位的快速调节，来控制STATCOM输出无功电流的。

SVC的无功电流和外部电压对外部网络较为敏感，而STATCOM对外部网络的运行条件和系统结构是不敏感的。

在外部系统容量和补偿装置通常的数量级不可比时,SVC会变得不稳定。

（7）装置占地面积比较

SVC装置采用电容器、电抗器作为无功补偿器件，因此需要较大容量的电容器和电抗器，占地面积比较大；STATCOM接入电网的连接电抗的作用是滤除电流中可能存在的较高次谐波，另外起到将变换器和电网这2个交流电压源连接起来的作用，因此所需的电感值并不大，远小于补偿容量相同的TCR等SVC装置所需的电感量。

STATCOM的占地面积是SVC占地面积的1/3－1/2左右。

（8）提供有功功率能力的比较

STATCOM能够在一定的范围内提供有功功率，减少有功功率的冲击。

而SVC只能够提供无功功率，不具备提供有功功率的能力

（9）噪声方面的比较

SVC装置中TCR部分通过电抗器实现无功补偿，电磁噪声很大，产生噪声污染。

而STATCOM通过逆变器实现无功补偿，运行过程中电磁噪声显著降低。

通过上面的分析和比较，可以知道SVC和STATCOM都可以对无功功率进行控制，可以有效维持系统电压稳定，提高系统功率因数。

但是通过多方面的比较，不难看出STATCOM有着明显的优势。

除了在维持电压稳定的能力强之外，STATCOM在浮空状态下的损耗很小、响应时间短、不会产生谐振、产生谐波含量少、所需电容器和电抗器容量小、占地面积小、能在一定范围内提供有功功率,以及运行过程中电磁噪声很低。

随着电力系统的发展以及功率器件耐压的进一步提高，STATCOM将逐渐取代SVC作为动态无功补偿的主要手段。

2．5高压STATCOM技术现状

图3（a）适用于低压电网，如果要把STATCOM应用在6Kv和10Kv的电压等级，必须采用新型主电路架构。

目前，高压STATCOM主电路的主要是采用多重化技术，如图6所示。

图6（a）是采用48脉波多重化技术的STATCOM的主电路架构，8个六脉波变化器通过一个多重化变压器耦合在一起，多重化变压器的低压侧绕组采用三角形的连接方式以消除三次谐波，每个绕组相移

，这样多重化移相变压器高压侧输出电压波形如图6（c）所示；图6（b）是采用准48脉波多重化技术的STATCOM的的主电路架构，6个十二脉波变化器通过一个多重化变压器耦合在一起，相邻两个变换器之间的相移角度为

，准48脉波多重化技术的STATCOM高压侧输出电压波形如图6（d）所示。

（a）48脉冲多重化STATCOM（b）准48脉冲多重化STATCOM

（c）48脉冲多重化STATCOM网侧电压波形（d）准48脉冲多重化STATCOM网侧电压波形

图6采用多重化技术的STATCOM主电路及其输出电压波形

目前,国内外投入使用的STATCOM大多是由逆变器和多重化变压器组成。

我国第一台STATCOM装置（由清华大学和河南省电力局共同研制,已于1999年3月并网运行）也是基于这种思想制成。

采用变压器提高装置的耐压存在诸多弊端:

（1）耗资大。

变压器成本约占整个装置成本的1/3

（2）损耗大。

变压器损耗约占装置总损耗的50%左右

（3）体积大、笨重,变压器占地面积约占整个装置的40%左右

（4）由于变压器的材料是铜和矽钢片，随着铜的涨价，变压器的造假越来越高

三、级联型多电平STATCOM

3．1级联型多电平STATCOM主电路分析

多电平变换器是近年来高压大功率电力电子技术发展的一个方向，目前在电力系统场合已经开始了应用和深入研究，取得了一定的经验。

级联STATCOM采用多个单相H桥直接串联，摒弃了多重化变压器，因此避免了上述缺点。

同时还可通过冗余设计，进一步提高装置的可靠性。

级联H桥的拓扑结构如图7所示：

图7级联型多电平主电路架构

但是对于此种级联H桥拓扑，存在各个电容电压不均衡的问题。

其电容电压不平衡是各逆变桥并联型损耗和混合型损耗差异以及脉冲延时的差异共同作用的结果。

由于各H桥之间的差异是不可避免的,为了装置安全可靠运行,必须采取一定的平衡控制策略。

目前控制策略有如下两种:

一个是逆变桥自身能量平衡,另一个是逆变桥之间能量平衡。

所谓逆变桥自身能量平衡,是指通过调节逆变桥内部参数达到平衡的目的。

这个是现在级联H-bridge的研究重点。

所谓逆变桥之间能量平衡,是指通过外部电路的能量交换,实现电容电压动态平衡。

直流侧电容通过双向运行的逆变器和隔离变压器连接到公共耦合总线上,能量便从电压较高的逆变桥流向电压较低的逆变桥,从而实现平衡的控制目的。

这种方法已经应用在上海电力公司与河南许继合作开发成功的±50Mvar的statcom上，如图8所示。

但是这种方法还是采用了变压器，增加了装置成本，降低了效率。

图8通过各H-bridge模块之间能量交换维持母线电压平衡的STATCOM

我们经过深入的理论研究和仿真技术，通过逆变桥自身能量平衡的方法实现了各个BUS电容的电压平衡，这样就省去了贵重、体积庞大的变压器，降低了成本，提高了装置的效率，减小了占地面积，增加了可靠性。

主电路如图9所示。

图9

3．2级联型多电平STATCOM仿真结果

目前现在的级联H桥的控制方法已经比较多，同时PWM调制方法也存在很多形式。

大部分对于各H-bridge的电容电压的平衡采样在控制回路上进行调节。

目前比较普遍的PWM调制方法有如下几种：

多电平消谐波PWM（SubharmonicPWM）、移相载波PWM（phaseshiftingPWM）、优化谐波抑制PWM（OptimumHarmonicReductionPWM）等。

采用以上的PWM调制方式，由于只是在控制回路上对各个电容电压进行调节，同时在PWM上产生上未进行考虑，虽然实现起来较为简单，但是对于电压的平衡的能控性很小。

而且由于在控制上进行调节，对于我们的控制信号不免引入干扰，从而影响输出电流的波形。

在此，采用了新的控制方式以及PWM产生方式，可以有效的对各个BUS电容电压进行控制，从而使各个电容电压保持一致。

其主要原理是通过将系统各H-bridge模块电压电流的park变换，将系统变换在dq坐标系下，得到需补偿的无功功率并由此得到无功电流信号，采用电流反馈控制以得到控制信号。

然后采用新的调制方式，对于各个模块的开关状态进行精心分配，从而达到输出无功，并保持各个H-bridge模块BUS电压平衡的目的。

3．2．1各H-bridge模块的BUS电容电压仿真

为了验证这种方法，我们进行了仿真，仿真条件为：

发出无功功率为265KVar，母线电压为6.3KV，单个H-bridge模块的BUS电容电压为1000V。

仿真结果如图10所示，可以看到bus电压几乎保持一致，从而解决了关于级联H-bridge的bus不平衡问题。

（a）A相7个H-bridge模块的BUS电容电压波形

（b）A相7个H-bridge模块的BUS电容电压局部放大波形

图10A相7个H-bridge模块的BUS电容电压仿真波形

3．2．2STATCOM由发出感性无功到发出容性无功的仿真

为了验证级联型多电平STATCOM的响应速度，我们让STATCOM开始运行于发出感性无功（-10Mvar）的状态，0.5s时STATCOM运行于发出容性无功（+10Mvar）的状态。

根据定义的电流方向，STATCOM运行于发出容性无功时，变换器电流超前于网侧电压

；而当STATCOM运行于发出感性无功时，变换器电流滞后于网侧电压

。

整个STATCOM装置由于有损耗的原因，为了维持BUS电压为定值，变换器与电网之间必须进行有功的交换，因此，变换器的电流和网侧电压之间并不是严格的

关系。

图11（a）是Statcom电流由感性无功（-10Mvar）到容性无功（10Mvar）的响应波形，图11（b）是对应的网侧电压和变换器电流波形。

（a）Statcom电流由感性无功（-10Mvar）到容性无功（10Mvar）的响应波形

（b）Statcom电流由感性无功到容性无功时网侧电压和变换器电流波形（黄色为网侧电压）

图11Statcom由发出感性无功转换到发出容性无功的响应波形、网侧电压和变换器电流波形

图12Statcom由发出感性无功转换到发出容性无功时变换器三相输出电压和输出电流波形

3．2．3系统母线电压发生波动时STATCOM的仿真

仿真条件为：

系统给定电压在1s由标幺值1->0.955，在2s由0.955->1.045。

从仿真可以看出加入STATCOM之后可以将statcom接入点的电压调节为系统电压的标幺值1。

仿真波形如下：

（a）系统母线电压变化波形（未加入STATCOM装置）

（b）系统母线电压变化波形（加入STATCOM装置后）

（c）系统电压变化时Statcom发出的无功电流幅值指令

（d）系统电压变化时Statcom发出的无功电流波形

（e）系统电压变化时BUS波形

图12

3．2．3STATCOM治理负荷电流谐波的仿真

当负荷中存在谐波电流时，STATCOM能够进行很好的补偿，仿真波形如图13所示。

图13（a）中的紫色波形是未补偿前负荷电流波形，可以看出，负荷的电流波形中含有丰富的电流谐波；图13（a）中的黄色波形是安装STATCOM后系统电流波形。

不难看出，经过STATCOM的补偿和治理，系统侧的电流波形几乎为纯净的。

图13（b）是对应的BUS电压波形，可以看出，BUS电容电压是平衡的，也证明了我们的调制方法的正确性。

（a）补偿后系统电流波形（黄）与未补偿负载电流波形（紫）

（b）补偿系统谐波时BUS电压波形

图13STATCOM治理负荷电流谐波的仿真