静止同步补偿器及其控制系统研究

王 丹，韩 英，李骁洋，王宇鹍

（中国煤炭科工集团沈阳研究院 辽宁 抚顺 113122）

随着经济的快速发展，电能作为工业主要的动力来源，其质量好坏变得越来越重要。在电力系统的负荷中，感性负载（如感应电动机、变压器斩波器等）比较多，在设备运行时发出大量无功，严重影响电能质量。由于系统中的元器件与负荷消耗的无功功率要在电网中的其中一处获得，但通过发电厂的发电机组通过远距离无功补偿成本过高，很难实现，切实可行的措施是把无功能量“就地生产”，即哪里消耗无功就在那里补偿无功，这就是无功就近补偿。因此，研究静止同步补偿器及其控制技术，对于就近无功补偿，提高电网的功率因数和电能质量，保证绿色电网的安全运行具有重要的意义[1]。

虽然我国关于STATCOM装置的研究起步比西方发达国家晚，但近些年来发展迅速，在1994年6月，提出把研发容量较大的STATCOM设备，并列入国家重点科研项目之一。在1998年8月，清华大学电气工程学院和国家电网河南有限公司合作，经过2年的努力，自主研发出应用在220KV电压等级以下的±20MvarSTATCOM装置，并在上海西郊运行使用。之后，清华大学FACTS研究所又开展了小型容量的STATCOM装置研究，利用IGBT链式技术逆变器，成功推出了±500kvar的STATCOM装置。目前，国内高校和科研院所关于STATCOM技术的研究在搭建数学模型、参变量选取、设计主电路及其控制回路以及电网保护等方面均有重大突破，且这些技术目前已经处于国际先进水平[2]。

1 静止同步补偿器

STATCOM电路有电压型桥式电路与电流型桥式电路两个基本结构，本文围绕电压型桥式电路（如图1所示）进行电路设计。电压型桥式电路主要有电容、逆变单元、电感和电抗器组成，电容位于直流侧，起到储存电能的作用，逆变单元（由GTO组成）与电容器的输出端相连接，用于将直流电转变为交流电，电感、电抗器连在GTO和系统之间，用于防止电流过大、消除电路纹波作用。电能经过GTO逆变电路部分，变成交流电后由串联电感、电抗器接到系统中[3-4]。

根据电路的基本原理可知，在某一时刻，当三相电力线路的状态处于平衡时，三相功率之和恒定。也就是说从整体角度，电网中三相电源和负荷之间是没有无功来回往返流动的，即每一相的无功功率只在交流电源三相间流动。但是STATCOM可以把三相无功结合到一起来 “安排”，因此，在STATCOM基本结构中，直流侧不一定要安装无功储能器件。然而，现实中的电力系统中避免不了要有谐波电流存在，电源和STATCOM装置之间流通着少量的无功功率。因此，在直流侧加装储能元件（电容器或电感器）来保证STATCOM处于有效工作状态。

图1 电压型三相STATCOM基本结构Fig.1 Basic structure of three-phase STATCOM voltage type

2 静止同步补偿器补偿原理

STATCOM工作过程通过调节交流边发出的电压相位、幅值或直接调节交流边电流值，进而动态吸收或发出维持电力系统稳定的无功电流，实现对系统无功补偿的目的。STATCOM在实际运行时，电能经过GTO或IGBT等电力电子元件组成的逆变电路，把直流边电压变换成和电网提供的电压频率相同的交流边电压。所以，STATCOM可以看做电压型逆变器，但是交流边并非连接到负载上，而是直接连接到电网上。在只考虑基波频率情况下，STATCOM就可以看作是交流电流源，且其幅值与相位都可以调节[5]。

STATCOM可以工作在容性状态或感性状态，容性工况和感性工况的相量图如图2所示。其中，UI是STATCOM输出的交流电压，US是STATCOM连接在电网中的电压，US与UI间相位差用δ表示，这里规定，当UI超前US时δ为正值。等效阻抗两端的电压用UL表示。等效电抗的阻抗角用φ表示。

图2 STATCOM相量图Fig.2 Phasor diagram of STATCOM

在 US超前 UI（即 δ<0）时，STATCOM 此时处在容性工作状态，系统电压US滞后通过的电流I，STATCOM发出感性无功，给电网提供无功保证。在 US滞后 UI（即 δ>0）时，STATCOM此时处在感性工作状态，系统电压US超前通过的电流I，STATCOM向电网发出容性无功。

3 静止同步补偿器硬件电路设计

STATCOM电流间接调节时线路连接如图3所示，从图可知：高精度电压互感器PT1、PT2测量三相电压源电压和STATCOM直流侧电容电压；高精度电流互感器CT1、CT2、CT3测量电网电流、负载电流和STATCOM交流边电流；互感器的输出信号经过低通滤波器进行信号处理，调理后的信号输出端模数转换芯片，将模拟量转换为数字量发送给数字信号处理器（DSP），DSP经过内部程序计算后，得到STATCOM补偿需要的补偿角δ，最后依照电网电压所接收到的同步信号，发出触发脉冲序列，控制逆变桥导通。

图3 STATCOM电流间接调节时电网连线Fig.3 Power grid connection when STATCOM adopting current indirect control

3.1 调节电路设计

在整个STATCOM装置中，无功输出控制调节部门是其中的关键，所有参数计算、触发脉冲的发送都是通过调节部分实现的，其反应速率和可靠性直接关系到整个装置的性能。静止同步补偿器调节部分结构图如图4所示，选用数字信号处理器（TMS320F2812）作为调节部分的核心芯片；可编程逻辑器件（CPLD）用于产生触发脉冲，显示屏显示系统状态、参数；键盘用与控制指令的输入。

图4 静止同步补偿器调节部分简易结构图Fig.4 Simple structure of STATCOM control part

装置工作时，TMS320F2812接收信号反馈单元输出的电压、电流等参数，并进行计算，得到补偿角δ值和此刻的电网角频率ω值，同时，液晶显示屏显示系统参数，工作人员就可以根据电网情况，通过键盘进行相关操作；DSP根据键盘输入指令，计算得到触发脉冲序列，生成写状态字，最后把状态字发送给CPLD，经过调解得到STATCOM装置的触发脉冲[6]。

3.2 检测电路设计

在STATCOM装置对电网无功进行补偿时，需要根据电网电压、STATCOM直流侧电容电压、电网电流、负载电流和STATCOM交流边电流的值来计算补偿角δ，所以实时准确反馈电参量是决定补偿系统反应速率和精度的重要因素。

传统电压、电流互感器[7]反应时间较长，测量精度低。本文设计电路选用霍尔型电压、电流互感器，该互感器实时性好、反应速度快（1微秒），且准确度高，不存在漏磁现象，除此之外，霍尔型互感器能承受更大的过电压，还不能爆炸、燃烧，图5为霍尔型互感器的接线图，从图可知，测量电压、电流经过互感器测量端，在互感器的输出端得到低压弱电信号，经过低通滤波和模数转换芯片后得到数字量，为调节部分的数据计算和脉冲输出提供原始数据。

4 软件程序设计

硬件电路是控制系统的主体，而软件程序则是控制系统的灵魂。静止同步补偿器控制系统软件程序主要完成数据采样、功率因数测算、补偿角δ测算、频率测算和参数显示，图7是静止同

步补偿器控制系统主程序流程图。数字信号处理器通过得电复位之后，第一步要初始化寄存器与中断矢量，再打开中断，这时候处于等待。在ADCSOC发生中断的时候，程序就会执行ADC的中断服务，且在该子程序里面完成对补偿角δ以及功率因数值的测算任务；反之则返回到继续开中断状态等候处理。在CAP1发生中断的时候，程序就会执行CAP1的中断服务；反之则返回到继续开中断状态等候处理。在时间事务管理器中的T3的发生中断的时候，程序就会执行键盘扫描与液晶显示的程序；反之则返回到继续开中断状态等候处理。

5 结 论

绿色电网是当今科技发展的主题，电网无功测量、补偿是绿色电网发展的必然要求。本文在分析静止同步补偿器工作原理基础上，设计了电网无功补偿系统，其中包括电参数测量电路、无功调节电路和相关软件程序。经过分析表明：系统可以根据电网的运行情况实时调节补偿的无功量，具有测量精度高、反应速度快、稳定性好等优点，满足绿色电网对无功补偿的要求。

[1]罗承廉，纪勇，刘遵义．静止同步补偿器（STATCOM）的原理与实现[M]．北京：中国电力出版社，2005．

[2]王兆安，杨君，刘进军.谐波抑制和无功功率补偿[M].北京：机械工业出版社，2000.

[3]陶骏，刘正之，许家治．基于电流调制的高功率动态静止无功补偿装置[J].电力系统自动化，2006（10）：16-20.TAO Jun，LIU Zheng-zhi，XU Jia-zhi.A high power dynamic static VAR compensation based on current modulation[J].Automation of Electric Power Systems，2006（10）：16-20.

[4]Wanki Min，Joonki Min，Jacho Choi.Control of STATCOM using cascade multilevel inverter for high power application[J].IEEE 1999 International Conference on Power Electronics and Drive Systems，2008（8）:871-876.

[5]卢中友，徐翔．静止无功发生器在轧机供电系统中的应用分析[J]．电源世界，2013（3）：1-4．LU Zhong-you，XU Xiang.Application analysis of static var generator in rolling mill power system[J].The World of Power Supply，2013（3）：1-4.

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