STATCOM稳定电网电压性能的仿真分析

杨升振

(工业和信息化部电子第5研究所质量安全检测中心，广东广州 510610)

随着国民经济的快速发展，对电能的需求不断增大。与此同时，生产的智能化与自动化对电能质量的要求也越来越高。而电网运行电压是电能质量的重要指标，虽有较多专门的设备用于电压调节，但运行电压的水平最终取决于无功功率的平衡。当系统中无功功率电源的无功出力不能满足系统负荷和网络损耗在额定电压下对无功功率的需求时，就会导致运行电压偏离额定电压［1］。所以在电网适当地点合理添加无功功率补偿设备，可减少输电线路和变压器中输送的无功功率，从而降低了输电线路和变压器的损耗，达到调压的目的，这是稳定电网电压的有效方法之一［2］。

无功功率补偿设备从开始运用发展至今，经历了电容器、调相机、饱和电抗器(Saturated Reactor，SR)、静止无功补偿器(Static Var Compensator，SVC)。近年，伴随着电力电子技术的进一步发展，出现了一种更为先进的无功功率补偿设备，其是以变流器为核心，通过强制换相对电网进行无功功率补偿［3］。1995年，在国际高压大电网会议和电力、电子工程师学会的建议下，统称该设备为静止同步补偿器(Static Compensator，STATCOM)。STATCOM与其他传统的无功补偿设备如SVC相比具有:响应速度快;不会引起谐振短路;无功功率可在感性和容性之间连续调节;利用PWM调制技术实现精准的电压调控;可同时对谐波和无功进行补偿。STATCOM以其优越性能，成为了柔性交流输电系统(FACTS)的一个重要组成部分，也是未来无功功率补偿设备的发展方向，必将被广泛应用［4］。

1 稳定运行电压和无功功率的关系

以下以一个简单系统来说明运行电压和无功功率的关系，如图1所示。图1(a)为简单系统网络;图1(b)为等值电路，其中，X为各元件总阻抗，E为发电机电动势，P+j Q表示送至用户端的功率;图1(c)为图1(b)的向量图。

根据向量图可得

消去 δ，得

由式(3)可知，当P和E为定值时，Q和U的关系如图2曲线1所示，其与负荷的无功－电压静态特性曲线2相交于无功功率平衡点a，此时负荷点电压为Ua。当无功负荷增加时，曲线2平行上移至曲线2'，若电动势E和系统供应的无功功率Q不变，mj此时无功功率平衡点将移动至a'，负荷点电压Ua'显然＜Ua。可见，无功电源无法满足在电压Ua下无功平衡的需求，仅能依靠降低电压来运行，以获得低电压下的无功功率平衡。若此时无功电源有充足的备用容量，向负荷发送无功功率，使无功电压静态特性曲线上移至曲线1'，从而使曲线1'和2'的交点a″所确定的运行电压接近或达到Ua。所以，当系统无功电源较为充足时，便可维持较高的运行电压水平。而在无功电源不足时，需装设必要的无功补偿装置，补偿所需无功，稳定运行电压［5－6］。本文即通过 STATCOM 给系统补偿无功功率，从而使运行电压保持稳定。

图1 简单系统

图2 电压水平和无功功率关系

2 STATCOM的基本结构及工作原理

2.1 STATCOM的基本结构

STATCOM按电路不同可分为两种类型:电压型桥式电路和电流型桥式电路。由于电压型桥式电路的效率高于电流型桥式电路，所以应用中的STATCOM普遍采用电压型，仿真模型也采用电压型。如图3所示为电压型桥式电路组成的STATCOM主电路基本结构。其由以下几部分组成:直流侧电容，其作用是为设备提供电压支撑;电压源逆变器(VSC)，由大功率电力电子开关器件(GTO或IGBT)组成，并运用脉宽调制技术(PWM)控制电力电子开关的通断，将电容器上的直流电压逆变成具有一定幅值和频率的交流电压;耦合变压器和电抗器，其不仅起到将大功率变流装置与电力系统相耦合的作用，还可将逆变器输出电压中的高次谐波滤除，使之输出的电压波形接近正弦波［7］。

图3 STATCOM的主电路基本结构

2.2 STATCOM的基本工作原理

根据图3可得到STATCOM的等效电路，如图4所示。STATCOM的四象限运行区间如图5所示。由图4和图5可知STATCOM装置，吸收电流

视在功率

有功功率

无功功率

输出电压

上述公式中，Ug表示STATCOM交流侧输出电压;Us表示系统电压;δ表示Ug与Us之间的相位差;λ表示PWM的调制系数。

图4 STATCOM的等效电路

图5 STATCOM的四象限运行区间

在理想运行情况下，整个装置不吸收有功功率，这意味着δ=0，可认为变流器与系统之间所交换的能量是纯无功功率。当Ug＞Us时，电流I超前系统电压90°，STATCOM向系统发出感性无功，此时STATCOM相当于电容;当Ug＜Us时，电流I滞后系统电压90°，STATCOM向系统发出容性无功，此时STATCOM相当于电感［8］。通过PWM技术控制电力电子开关，调节Ug的大小便可由正到负、连续快速的调节系统吸收的无功功率Q，即而实现无功功率由感性到容性间的连续调节。

在实际运行中，考虑到变流器和连接电抗器本身是损耗元件，需要电网提供必要的有功功率来补充这些损耗，否则需从直流侧电容提供能量来抵消损耗部分，这样会使直流电压不断下降，即相对电网电压Us，电流I中有一定量的有功成分。根据式(6)，式(7)和图5，当δ＞0，有功功率P＞0，即STATCOM 从电网吸收有功功率;当δ＜0，有功功率P＜0，即STATCOM向电网发出有功功率。在众多控制策略中均是通过调节δ来维持直流电容电压Uc稳定。

总之，通过改变Ug幅值和相位差δ，便可调节有功功率和无功功率的大小及流向。

3 STATCOM主电路的控制

从控制策略上讲，STATCOM的控制有3种基本结构:闭环控制、开环控制及两者的结合控制;从控制技术上分，主要包括PI控制、逆系统PI控制、PID+PSS控制、模糊控制、非线性鲁棒控制和神经网络自适应控制等;由无功电流参考值调节STATCOM产生所需的无功电流的控制方法，又可分为电流直接控制和电流间接控制［9］。所谓电流间接控制就是将STATCOM当作交流电压源来看待，对STATCOM输出的交流电压基波的幅值和相位进行控制，来间接控制STATCOM的交流侧电流;电流直接控制则是对输出的交流基波瞬时值进行反馈控制［10－11］。总体而言，控制要解决的问题就是如何产生PWM信号，使得变流器的输出电压为相位和幅值均可控的正弦同步电压。

3.1 PQ控制特性分析

所以，通过控制相对相位δ，即可调节有功功率P，进而控制直流电压Udc;控制调制系数λ就可调节STATCOM输出电压Ug，从而控制无功功率Q。

3.2 STATCOM控制方法

不同的电路结构有不同的控制方法，但最终要达到的目的是通过控制逆变电压来改变无功功率的输出。要改变逆变电压Ug的相位和幅值，可直接调节直流侧电压，也可在直流侧电压稳定的情况下，利用调节单脉冲宽度、SPWM/SVPWM、直接电流等方法调节。其中，直流侧电压调节方法可分为自励式和他励式，所谓他励式就是外部添加直流电源调节，此方式需添加额外的设备，不仅增加了装置的体积，且成本也会大幅增加;自励式则是利用变流器本身的整流逆变功能给电容充放电，调节直流电容电压大小，因此在现有的STATCOM产品中基本上均使用自励式调节。由工作原理可知，控制系统电压和STATCOM输出电压之间的相位差δ，利用PLL锁相同步控制，可达到稳定或调节直流侧电压的目的。

由于系统有两个可控变量，加上STATCOM结构不同，STATCOM有多种控制策略，其主要可分为单变量控制和双变量控制。单变量控制又可细分为两种方法:当PWM恒定，即调制系数λ为常数情况下，只需调节相位差δ即可调节Ug;当直流电压恒定时，调节PWM调制系数λ即可调节Ug。双变量控制是指，同时控制相位差δ和PWM调制系数λ，控制δ以稳定直流电压，控制PWM调制系数λ来调节Ug。通过调节直流电压的方法调节无功虽简单，但电容作为储能元件，要有能量交换才能实现电压变化，所以动态响应慢;单调节调制系数λ适合于外接直流电压的情况，若采用直流电容，由于电容电压的衰减无法得到补偿，故该策略不适用［12－13］。文中采用基于δ和λ的双变量控制策略，如图6所示。

图6 基于δ和λ的双变量控制策略系统图

图7 仿真系统图

4 STATCOM仿真与分析

通过对STATCOM工作原理介绍、特性分析、控制策略的了解，在Matlab环境下搭建了STATCOM仿真模型，如图7所示。系统电压等级为35 kV，短路功率100 MW，补偿容量±3 MW。系统由可编程电压源、STATCOM、35 kV/380 V变压器、固定负载和可变负载组成。系统采用电流内环和电压外环双闭环PI控制。

4.1 STATCOM动态响应性能仿真

在本次仿真试验中，可变负载保持恒定，观察系统电压阶段性变化时，STATCOM对应的动态和稳态特性。可编程电压源用于调节系统电压。为使STATCOM终端参考电压设置在220 V，开始阶段系统电压设置为236.94 V。3 个阶段时间点设置在 0.2 s、0.3 s、0.4 s，系统电压依次增加6%，减少6%，然后恢复到开始时的电压。电压变化情况如图8所示。

开始仿真，观察示波器输出的波形，如图8，图9所示。在开始阶段，STATCOM处于给直流电容充电状态，从图8和图9(b)t在0～0.05 s可知，STATCOM吸收较大的有功电流，到t=0.1 s时到达稳定状态，系统运行于额定电压下。又因STATCOM参考电压为220 V，所以其在0.1～0.2 s间处于悬置状态，流过连接电抗器的电流基本为0，直流电容电压稳定在2.4 kV。而t=0.2时，系统电压增加6%，STATCOM开始工作于感性状态，逆变器产生的交流电压比电网电压低，连接电抗器流过的电流Ia相位滞后系统电压Ua为90°，STATCOM从电网吸收无功功率2.7 MW，系统运行电压恢复到原来水平，所用时间约为一个周期左右。t=0.3 s时，系统电压Ua跌落6%，STATCOM从感性切换到容性状态，逆变器产生的交流电压比电网电压高，Ia相位超前Ua90°，STATCOM 发出无功功率2.8 MW使系统运行电压恢复到参考值220 V。当t=0.4时，系统电压恢复到正常状态，STATCOM输出无功功率减少为0。

图8 系统A相电压与STATCOM A相电流波形

图9 STATCOM动静态特性仿真结果

观察图9(d)可见，当STATCOM从感性切换到容性过程中，PWM变换器调制系数λ从0.56变为0.9，STATCOM输出电流为0时，调制系数稳定在0.73。初始阶段直流电容器由电网提供有功功率充电，经0.1 s稳定在约2 400 V，系统电压产生波动时，Udc仅产生±50 V的波动，但经电压外闭环PI控制，可迅速回到约2 400 V，直流电压较为平稳，波形如图9(c)所示。

4.2 抑制电压闪变仿真

在本次仿真中电压源保持恒定，通过可变负载的变化来测试STATCOM对电压闪变的抑制作用。可变负载通过变压器连接到电网，不断吸收持续变化的电流，就如同工厂的电弧炉一般，因此会产生电压闪变。可变负载的视在功率以5 Hz频率在1～5 MW之间变化，期间功率因素保持在0.9，在t=0.15 s产生变化，如图10所示。

图10 负载的有功功率与无功功率

为便于比较，该实验分两次进行，第一次STATCOM未投入使用，第二次投入STATCOM调节电压，两次仿真结果如图11所示。图11(a)是未投入STATCOM时B1及B2的电压波形;图11(b)为投入STATCOM后B1及B2的电压波形。通过比较可看出，在未投入STATCOM补偿的情况下B2的电压在0.96～1.04 p.u(1 p.u=220 V)之间变化，即产生±4%的电压波动，波动范围较大;而当投入 STATCOM后，电压的波动范围在0.993～1.007 p.u之间，即±0.7%的波动，波动明显减小，起到了抑制电压闪变的效果。

图11 STATCOM投入前后B1及B2的电压波形

图12为STATCOM输出或吸收的电流波形，STATCOM根据电网的电压情况自动调节输出或输入的电流。当电网电压跌落到220 V以下时，其向电网注入无功电流，当电网电压升高到220 V以上时，其从电网吸收无功电流。

图12 STATCOM调节电压时A相输出电流

5 结束语

通过分析电网运行电压与无功功率补偿的关系，利用STATCOM对电网进行无功补偿。在Matlab环境下，搭建了基于δ和λ的双变量控制STATCOM仿真模型对补偿性能进行验证。仿真结果表明，当电网出现一定范围电压波动问题时，STATCOM能快速、精确地对电网进行无功功率补偿，稳定电网电压，抑制电压闪变，从而有效改善了电网电能质量。

［1］庞敏.STATCOM对电压稳定性影响的分析与探讨［J］.电气开关，2011(2):10－13.

［2］Nitus Voraphonpiput，Somchai Chatratana.STATCOM analysis and controller design for power system voltage regulation［C］.Dalian，China:IEEE/PES Transmission and Distribution.Conference ＆ Exhibition:Asia and Pacific，2005:1 －6.

［3］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.

［4］Singh B，Saha R，Chandra K.Al－ haddad，A.Static synchronous compensators(STATCOM)［J］.IET Power Electronics，2009(2):297 －324.

［5］王锡凡.电力工程基础［M］.西安:西安交通大学出版社，1998.

［6］Sharmeela C，Uma G，Mohan M R.Multi－ level distribution STATCOM for voltage sag and swell reduction［C］.2005 IEEE Power Engineering Society General Meeting，2005(2):1303－1307.

［7］唐杰.配电网静止同步补偿器(D－STATCOM)的理论与技术研究［D］.长沙:湖南大学，2007.

［8］姜齐荣，谢小荣，陈建业.电力系统并联补偿—结构、原理、控制与应用［M］.北京:机械工业出版社，2004.

［9］Kazmierkowski M P，Malesani L.Current control technique for three phase voltage source PWM converters［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，1998，45(5):691 －703.

［10］俞林.低压STATCOM系统设计与实验研究［D］.镇江:江苏大学，2009.

［11］Zheng Shicheng，Tang Hongbing，Fang Sian.Research on D－STATCOM with direct current control strategy and Its PSCAD/EMTDC simulation［C］.2011 Chinese Control and Decision Conference，IEEE，2011:2813 －2818.

［12］唐杰，邓志勇，杨志红.状态PI调节器在D－STATCOM双闭环控制中的应用［J］.中南大学学报，2010，41(6):2282－2287.

［13］程汉湘.配电系统StatCom的动态性能及其控制策略研究［D］.武汉:华中科技大学，2004.