【正文】 Inuyama 開關(guān)站投入 154KV 系統(tǒng)運行； 1992 年東京電力分別與東芝公司日立公司開發(fā)的兩臺177。 100Mvar STATCOM； 1997 由德國西門子公司開發(fā)研制的177。160Mvar STATCOM，已于 1997 年開始運行。為了跟蹤國際 FACTS 發(fā)展的前沿技術(shù)，同時也為了解決電網(wǎng)現(xiàn)有的問題，在原國家電力部的支持下， 河南省電力局于 1994 年決定投資開發(fā)177。在項目合作方清華大學的積極配合下，作為中間樣機的一臺177。177。 可以看出 STATCOM 作為一種新型的無功調(diào)節(jié)裝置，擁有如此多的優(yōu)點 ,已經(jīng)成為現(xiàn)代無功補償裝置的發(fā)展方向，也成為國內(nèi)外電力系統(tǒng)行業(yè)的重點研究課題之一。而調(diào)和機和同步發(fā)電機等補償 設(shè)備義屬于旋轉(zhuǎn)設(shè)備，其損耗、噪聲都很大，而且還不適用于太大或太小的無功 補償。 20世紀 70年代以來，隨著研究的進一步加深出現(xiàn)了一種靜止無功補償技術(shù)。所謂靜 止無功補償是指用不同的靜止開關(guān)投切電容器或電抗器，使其具有吸收和發(fā)出無 功電流的能力，用于提高電力系統(tǒng)的功率因數(shù)，穩(wěn)定系統(tǒng)電壓，抑制系統(tǒng)振蕩等 功能。由于用斷路 器作為接觸器，其開關(guān)速度較慢，約為 1030S,小可能快速跟蹤負載無功功率 的變化，而且投切電容器時一常會引起較為嚴重的沖擊涌流和操作過電壓，這樣不 但易造成接觸點燒焊，而且使補償電容器內(nèi)部擊穿，所受的應(yīng)力大，維修量大。 現(xiàn)將各種無功補償方法的優(yōu)缺點及其等效電路圖進行詳細的對比： 并聯(lián)電容器 下圖為電力網(wǎng)中利用并聯(lián)電容器進行無功補償?shù)牡刃щ娐穲D及相量圖： 靜止同步補償器的設(shè)計與仿真 第 6 頁 共 32 頁 a)電路圖 b)向量圖 圖 13 并聯(lián)電容器補償無功功率的電路和向量圖 由圖可以看出，當并聯(lián)電容器未投入使用時，電力網(wǎng)中的感性無功電流都由系統(tǒng)電源承擔，使得系統(tǒng)功率因數(shù)較低 。但是在補償過程中，如果電容的容量過大，就會使補償后的電流相位超前于電壓，出現(xiàn)過補償，這會引起變壓器一次電壓的升高，而且容性無功功率在電力線路上傳輸同樣會增加電能損耗，使溫升增大，影響電容器 的壽命。 缺點：（ 1)只能補償感性無功，且不能連續(xù)調(diào)節(jié)。（ 3)在系統(tǒng)有諧波時，還可能發(fā)生并聯(lián)諧振，使諧波電流放大，甚至造成電容器的燒毀。（ 2)響應(yīng)速度慢，在很多情況下，已無法適應(yīng)快速無功功率控制的要求。 缺點：（ 1)由于其鐵心需磁化到飽和狀態(tài)，因而損耗和噪聲也都很大。 靜止型無功補償裝置 (Static Var CompensatorSVC) 優(yōu) 點：（ 1)在提高系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性和阻尼系統(tǒng)振蕩等方面， STATCOM 的性能大大優(yōu)于傳統(tǒng)的同步調(diào)相機。 (3)靜止運行、安全穩(wěn)定、大大提高了裝置壽命，改善環(huán)境影響。同時使 STATCOM 裝置的體積減小，損耗降低。 STATCOM接入電網(wǎng)的連接電抗，其作用是濾除電流中存在的較高次諧波，另外還起到將變流器和電網(wǎng)這兩個交流電壓源 連接起來的作用，因此所需的電感量遠小于補償容量相同的STATCOM 的對系統(tǒng)電壓進行瞬時補償，即使系統(tǒng)電壓降低，其仍可維持最大無功電流。 SVC 本身產(chǎn)生一定量的諧波，而在 STATC}M 中，則完全可采用橋式交流電路的多重化技術(shù)、多電平技術(shù)，以消除次數(shù)較低的諧波。而 STATCOM 裝置為電壓源逆變裝置，不會產(chǎn)生諧振。 缺 點： (1)初始投資和運行費用都比較高。 (3)容量太大及由此引發(fā)的系統(tǒng)復(fù)雜問題。此后，各國廠家紛紛推出各自的產(chǎn)品。與電容 C 串聯(lián)的電感 fL 與其構(gòu)成串聯(lián)諧振回路，兼作高次諧波的濾波器。圖 14 b)是其伏安特性圖，當SR 單獨作用時，補償器的基波電流如圖中點劃線所示，其斜率因 SCC 取值的不同而變化。而補償器的整體伏安特性則如圖中實線所示。而當系統(tǒng)電壓低于參考電壓時，補償器則產(chǎn)生容性無功電流，提高系 統(tǒng)電壓。但是由于其鐵心需磁化到飽和狀態(tài)，因而損耗和噪聲都很大，而且存在非線性電路的一些特殊問題，又不能分相調(diào)節(jié)以補償負荷的不平衡，所以未能占據(jù)靜止無功補償裝置的主流。 1977年美國 GE 公司首次在實際電力系統(tǒng)中演示運行了其使用晶閘管的靜止無功補償裝置。我們?nèi)涨八f的靜止無功補償裝置 (SVC)往往專指使用晶閘管的靜止無功補償裝置，主要包括晶閘管控制電抗器 ((Thyristor ControlledReactorTCR)和晶閘管投切電容器 (Thyristor Switched CapacitorTSC) 。如圖 25 所示，與電容 C 串 聯(lián)的電感 fL 與其構(gòu)成串聯(lián)諧振回路，兼作高次諧波的濾波器，濾去由 TCR 產(chǎn)生的 5, 7, 11?等次諧波電流。當僅有電容器作用時，補償器的電流如圖中虛線所示，即隨其端電壓的增大而增大。所以，通過控制晶閘管的觸發(fā)延遲角， TCR 型補償器既可吸收感性無功功率，又可吸收容性無功功率，從而達到對系統(tǒng)無功功率和電網(wǎng)電壓的動態(tài)控制。 a）等效電路圖 b）伏安特性圖 圖 16 TSC 型靜止無功補償器等效電路與伏安特性圖 在工程實際中，一般將電容器分成幾組，每組都可由晶閘管投切。電容器分組的具體方法比較靈活，一般 希望能組合產(chǎn)生的電容值級數(shù)越多越好，這樣可以盡可能的實現(xiàn)平滑調(diào)節(jié)，但是也應(yīng)綜合考慮到系統(tǒng)復(fù)雜性以及經(jīng)濟性的問題。 STATCOM 研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 STATCOM 的研究現(xiàn)狀 人們利用電力電子變流器進行無功控制的可能性很早就認識了，但限于當時電力電子器件的耐壓和功率水平，無法制造出輸電系統(tǒng)中具有實用價值的裝置。STATCOM 是并聯(lián)型 FACTS 設(shè)備，他同基于可控電抗器和投切電容器的傳統(tǒng)靜止無功補償器 SVC 相比，性能上具有極大的優(yōu)越性，越來越得到廣泛的重視，必將取代 SVC 成為新一代的無功電壓控制設(shè)備。 (2)穩(wěn)定受電端及電網(wǎng)的電壓，提高供電質(zhì)量。 (3)在電氣化鐵道 等三相負載不平衡的場合，通過適當?shù)臒o功補償可平衡三相的有功及無功負載。其中， 1986 年美國的 EPRI 與西屋公司等研制的177。 80Mvar STATCOM在 Inuyama開關(guān)站投入 154KV系統(tǒng)運行； 1992 年東京電力分別與東芝公司日立公司開發(fā)的兩臺177。 100Mvar STATCOM； 1997 由德國西門子公司開發(fā)研制的177。 160Mvar STATCOM，已于 1997 年開始運行。為了跟蹤國際 FACTS 發(fā)展的前沿技術(shù)，同時也為了解決電網(wǎng)現(xiàn)有的問題，在原國家電力部的支持下 ，河南省電力局于 1994 年決定投資開發(fā)177。在項目合作方清華大學的積極配合下，作為中間樣機的一臺177。177。 靜止同步補償器的設(shè)計與仿真 第 11 頁 共 32 頁 STATCOM 的發(fā)展趨勢 近十多年來，世界范圍內(nèi)有關(guān) STATCOM 的研究和應(yīng)用有了長足的進步和發(fā)展，縱觀近年來建設(shè)的這些項目和投運裝置，具有如下的發(fā)展趨勢 : (1)更大容量如 100Mvar200Mvar 的 STATCOM 主電路的研究。 (2) STATCOM 在異常狀態(tài)下的行為及新的保護和監(jiān)測系統(tǒng)的研究。但是當系統(tǒng)電壓幅值、相位發(fā)生很大的突變或系統(tǒng)電壓存在較大的不平衡度時， STATCOM 又可能出現(xiàn)過電流。另外為了保證 STATCOM 在系統(tǒng)中的可靠運行，還需加強對 STATCOM 的監(jiān)測，尤其是遙控監(jiān)測，以便及時掌握裝置的安全狀態(tài)。 為了充分發(fā)揮 STATCOM 在系統(tǒng)中的作用，需要對 STATCOM 的裝設(shè)地點進行優(yōu)化，以提高系統(tǒng)的性能投資比 。 本文的研究內(nèi)容 (1) STATCOM 研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 (2) 無功功率的產(chǎn)生和危害 無功功率是為了建立交變磁場和感應(yīng)磁通。 靜止同步補償器的設(shè)計與仿真 第 12 頁 共 32 頁 (3) STATCOM 的工作原理和數(shù)學模型 (4) STATCOM 的控制策略和無功功率的檢測方法 本論文采用了 瞬時無功功率理論的檢測方法，控制策略采用了 間接 電流控制。 STATCOM 的基本電路結(jié)構(gòu)應(yīng)該 分為兩種“即電壓型橋式電路結(jié)構(gòu)和電流型橋式電路 ” 結(jié)構(gòu)。 a)采用電壓型橋式電路 b）采用電流橋式電路 圖 21 STATCOM 的電路基本結(jié)構(gòu) 對于電壓型橋式電路，其直流側(cè)以電容作為儲能元件，將直流電壓逆變?yōu)榻涣麟妷和ㄟ^串聯(lián)電抗并入電網(wǎng)，其中串聯(lián)電抗起到阻尼過電流、濾除紋波的作用 :對于電流型橋式電路，其直流側(cè)以電感作為儲能元件，將直流電流逆變?yōu)榻涣?，紐流送入電網(wǎng)。我們知道，在平衡的三相系統(tǒng)中，二相瞬時功率的和是定的，在任何時刻都等于三相總的有功功率。而 STATCOM 正是將三相的無功功率統(tǒng)一以來進行處理的，所以理論上說， STATCOM 的橋式變流電路的直流側(cè)可以不設(shè)無功儲能元件。所 靜止同步補償器的設(shè)計與仿真 第 14 頁 共 32 頁 以，為維持 STATCOM 的正常工作。而對傳統(tǒng)的 SVC 裝置，其所需儲能元件的容量至少要等于其所提供的無功功率的容量。在實際運行中，由于電流型橋式電路效率較低，而且發(fā)生短路故障時危害比較大，所以迄今投入實用的 STATCOM 人部采用電壓型橋式電路，因此 STATCOM 往往專指采用自換相的電壓型橋式電路作為動態(tài)無功補償?shù)难b置。連接變壓器將逆變器輸出的電影變換到系統(tǒng)電壓， 連 接 變 壓器逆 變 器電 力 系 統(tǒng)U sIU IE d1 : k t a)注入系統(tǒng)的電流超前（相當于電感） 注 入 系 統(tǒng)的 電 流 超前 （ 相 當于 電 感 ）U IU I U SXI U S UI JXiIUs b)注入系統(tǒng)的電流滯后（相當于電容） 靜止同步補償器的設(shè)計與仿真 第 15 頁 共 32 頁 注 入 系 統(tǒng)的 電 流 滯后 （ 相 當于 電 容 ）U IU I U SXI U S U IJ X iIU i 圖 22 STATCOM 調(diào)節(jié)無功功率原理示意圖 從而使 STATCOM 裝置可以并聯(lián)到電力系統(tǒng)中。整個 STATCOM 裝置相當于一個電壓大小可以控制的電壓源。由于 STATCOM 裝置產(chǎn)生的電壓 UI的大小可以連續(xù)快速地控制，因此 STATCOM 吸收的無功功率可以連續(xù)地由正到負進行快速調(diào)節(jié)。 （ 2）由于 STATCOM 裝置輸出電壓有多個單項橋輸出電壓疊加而成，諧波含量低，因此只考慮 STATCOM 輸出電壓的基波分量而忽略諧波分量。而系統(tǒng)三相電壓為 2 s in ( )2 s in ( 2 / 3 )2 s in ( 2 / 3 )sa ssb ssc su U tu U tu U t?????? ??? ???? ???? （ 23） 根據(jù) STATCOM 裝置的原理圖，可以列出 STATCOM 裝置的 a、 b、 c 三相動態(tài)方程 : ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ?ac a s a abc b s b bcc c s c cdi tL u t u t R i tdtdi tL u t u t R i tdtdi tL u t u t R i tdt?? ? ????? ? ????? ? ??? （ 24） 靜止同步補償器的設(shè)計與仿真 第 17 頁 共 32 頁 將（ 22）和（ 23）代入得： ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ?si n 2 si nsi n 2 / 3 2 si n 2 / 3si n 2 / 3 2 si n 2 / 3adc s abdc s bcdc s cdi tL K u t U t Ri tdtdi tL K u t U t Ri tdtdi tL K u t U t Ri tdt? ? ?? ? ? ? ?? ? ? ? ??? ? ? ????? ? ? ? ? ????? ? ? ? ? ??? （ 25） 而直流側(cè)電容電壓的