大城市电网链式STATCOM关键技术研究

赵 理，金黎明，叶卫华，陈 涛，赵 波，朱俊星

（1. 重庆市电力公司，重庆 400014；2. 中国电力科学研究院，北京 100192）

大城市电网链式STATCOM关键技术研究

赵 理1，金黎明1，叶卫华2，陈 涛1，赵 波2，朱俊星2

（1. 重庆市电力公司，重庆 400014；2. 中国电力科学研究院，北京 100192）

文章介绍了链式STATCOM的拓扑结构，在此基础上建立了数学模型。直流侧电容电压平衡控制是链式STATCOM的一个关键技术问题，针对此问题，采用了一种分级协调控制策略，通过改变H桥单元的输出电压和电流的夹角从而调整吸收/释放的有功功率，最终控制直流侧电容电压平衡。最后，搭建了仿真模型，仿真结果验证了控制策略的正确性和可行性。

静止同步补偿器（STATCOM）；链式结构；直流侧电容电压；分级协调

1 引言

静止同步补偿器（static synchronous compensator，STATCOM）可以有效改善系统电压水平，提高系统功率因数，降低谐波含量，是电力系统重要的新型一次设备[1,2]。目前已投入运行的高压大容量STATCOM主要分为两种结构：多重化结构和链式结构[3,4]。链式结构的STATCOM相对于多重化结构的STATCOM，具有无需多重化接入变压器、占地面积小、效率高、可实现分相控制和冗余运行等优点，因此近年来得到了广泛研究和应用。

对于链式结构的STATCOM，由于其各级联H桥具有独立的电容，在装置运行时，如果没有附加控制措施，电容电压会产生不平衡问题，因此必须进行电容电压平衡控制以保证装置安全、稳定的运行。ALSTOM公司在研究75Mvar链式STATCOM时，由于电容电压不平衡问题，设备的投运时间推迟了一年[5]。电容电压平衡控制可分为两大类：逆变桥自身能量平衡控制和逆变桥之间能量交换控制[6,7]。逆变桥自身能量平衡控制是通过调节逆变桥自身参数达到平衡电容电压目标的一类控制方法，主要包括角度偏差控制法、脉冲循环换位法、并联电阻法和调制比控制法。逆变桥之间能量交换控制是指各级联H桥的独立电容通过附加的外部电路进行有功功率交换，从而实现电容电压的平衡控制。

本文介绍了链式STATCOM的拓扑结构，在此基础上建立了数学模型，详细分析了分级协调控制策略，最后进行了仿真研究。

2 系统拓扑结构

链式STATCOM主电路拓扑结构如图1所示。STATCOM通过连接电抗并联接入系统母线侧，每一相由N个结构完全相同的单相桥式电压源逆变器（链节）串联而成，N个链节串联组成一个换流链，N个链节输出电压经过调制可得到2×N+1级的阶梯电压波形，三相逆变器联结成三角形结构。RC为装置启动电阻，安装于三角换流链角内。

图1 链式STATCOM主电路拓扑结构

3 系统数学模型

在建立链式STATCOM数学模型的时候，将串联单相桥组成的逆变器用理想电压源等效，其损耗用电阻等效，得到如图2所示的等效模型。R1和L1为三角形外的等效阻抗，R2和L2为三角形内的等效阻抗，eab、ebc、eca为逆变器输出电压，va、vb、vc为电网电压。

根据等效模型，列写回路方程：

图2 链式STATCOM的等效模型

为了研究方便，将三相系统转换到同步旋转坐标系下，选取正交同步旋转坐标的d轴和电网电压矢量重合，这样电网电压的q轴分量为零。经过这种同步旋转变换后，式（1）变为：

式中：R=3R1+R2，L=3L1+L2。根据功率守恒的原则，得到如下功率方程：

式中：Rp表示直流母线电容的漏电阻和逆变桥的并联型损耗；vdc_ab、vdc_bc、vdc_ca代表逆变桥各单相桥电容电压。

将式（3）中三个等式相加，得到反映直流分量动态特性的方程（vdc为每相逆变器各桥电容电压之和的直流分量）：

综合式（2）和式（4）可得包括直流电压动态的三维状态方程：

4 直流母线电压平衡控制

直流电压不平衡的主要原因在于触发信号的延时和各个H桥中损耗的不同，解决直流侧电容电压平衡问题的主要思路就是研究如何补偿各逆变单元的能量损耗，以及如何使得触发信号更加准确。

装置采用三级直流电压控制[8]：第一级是全局直流电压控制，使三相换流链所有链节直流电压平均值等于参考值；第二级是换流链平均直流电压控制，使每相换流链平均直流电压等于全局直流电压；第三级是链节直流电压控制，使每个链节直流电压等于换流链平均直流电压。

4.1 全局直流电压控制

全局直流电压控制框图如图3所示。所有链节直流电压的平均值Udc_ave与给定直流电压U*dc相比较，所得误差信号经PI控制器调节产生有功参考电流i*d。

图3 全局直流电压控制框图

4.2 换流链直流电压控制

换流链直流电压控制框图如图4所示，其在换流链的参考电压指令上叠加一个与该参考电压反相的补偿电压指令，进一步影响换流链从电网吸收的有功功率，最终实现换流链平均直流电压控制。三相换流链平均直流电压Udc_ave_a、Udc_ave_b、Udc_ave_c与全局平均直流电压Udc_ave相比较，所得误差信号经调节器KP1产生每相换流链的有功参考电流i*d_a、i*d_b、i*d_c，此值与输出电流中的有功电流id的误差经过调节器KP2，再与相应的相位相乘，得到每相换流链的补偿电压uc_a、uc_b、uc_c。

4.3 链节直流电压控制

图5是每相第i个链节的直流电压控制框图，其在链节参考电压指令上叠加一个与无功电流同相或者反相的补偿电压指令，调节该链节从电网吸收的有功功率，最终实现链节直流电压控制。每相的每个链节直流电压Udc_ave_i与该相换流链的平均直流电压Udc_ave_a、Udc_ave_b、Udc_ave_c相比较，所得误差通过调节器KP3，其输出与该相无功电流同相或者反相的正弦信号相乘，得到该链节的直流电压调节信号。容性模式时sign符号为正，感性模式时sign符号为负。

图4 换流链直流电压控制框图

图5 每相第i个链节的直流电压控制框图

5 仿真验证

为了验证直流电压控制策略的可行性和有效性，搭建了仿真模型，样机主要参数如表1所示。

表1 样机主要参数

直流电压控制策略仿真波形如图6所示，Vdc_ave为所有链节直流电压的平均值；Vdca_ave、Vdcb_ave、Vdcc_ave为三相换流链直流电压的平均值；Vdca1、Vdcb1、Vdcc1为三相第1个链节的直流电压。

由图6中可以看出，链节直流电压控制策略在13s时启动，一段时间后各链节直流电压达到平衡，16s时装置满载工作，此时直流母线电压依旧能保持平衡。

图7为满载无功动态过程中瞬时无功功率的变化曲线，可以看出，系统动态响应速度快，同时具有良好的稳定性和跟踪性能。

图6 直流电压控制策略仿真波形

图7 瞬时无功功率的变化曲线

6 结论

本文介绍了链式STATCOM的拓扑结构，在此基础上建立了数学模型；采用分级协调控制策略解决直流侧电容电压不平衡问题，仿真结果验证了控制策略的正确性和可行性。

[1] 国家电网公司建设运行部，中国电力科学研究院组编. 灵活交流输电技术在国家骨干电网中的工程应用[M]. 北京：中国电力出版社，2008.

[2] N G Hingorani. High power electronics and flexible AC transmission system[J]. IEEE Power Engineering Review，l988，3-4.

[3] Al-Hadidi,H.K.,Menzies,R.W..Investigation of a cascade multilevel inverter as an STATCOM[J]. Power Engineering Society General Meeting. 2003, 1∶ 193-198.

[4] 沈斐，王娅岚，刘文华，等. 大容量STATCOM主电路结构的分析和比较[J]. 电力系统自动化，2003，27（8）：59-65.

[5] 耿俊成. 链式静止同步补偿器数学模型和控制策略研究[D]. 北京∶ 清华大学电机工程学院与应用电子技术系，2003.

[6] 刘文华，宋强，滕乐天，等. 基于链式逆变器的50MVA静止同步补偿器的直流电压平衡控制[J]. 中国电机工程学报，2004，24（4）：145-150.

[7] Shosuke Mori, Katsuhiko Matsuno, Taizo Hasegawa, et al. Development of a large static VAR generator using self-comrnutated inverters for improving power system Stability[J]. IEEE Trans on Power System, 1993, 8(1)∶371-377.

[8] 赵瑞斌，邱宇峰，荆平. 一种级联STATCOM的直流侧电压控制方法[J]. 电力电子，2009，4：18-22.

Research on the Key Technologies of Cascaded STATCOM in Large City Power

ZHAO Li1, JIN Li-ming1, YE Wei-hua2, CHEN Tao1, ZHAO Bo2, ZHU Jun-xing2
（1.Chongqing Power Company,Chongqing400014,China;2.China Electric Power Research Institute,Beijing100192,China）

The topology of the cascaded STATCOM is presented, and the mathematical model is built based on the topology. Unbalance of dc-capacitor-voltage is a key technical problem of cascaded STATCOM. To solve this problem, a multi-level cooperation control strategy is used. Dc-capacitor-voltage could remain constantly, when changing the angle between H-bridge voltage and current to adjust the active power absorbed or discharged by it. The simulation results have proved the correctness and the feasibility of the control strategy.

static synchronous compensator (STATCOM); cascaded structure; dc-capacitor-voltage; multilevel cooperation

TM762

A

1681-1070（2011）12-0021-04

2011-10-16

赵 理（1972—），女，高级工程师，主要从事电力系统运行等方面工作；

金黎明（1982—），男，工程师，主要从事电力系统运行等方面工作；

赵 波（1977—），男，高级工程师，主要从事电力系统和电力电子技术研究和开发工作。