静态同步补偿器在民用建筑供电系统的应用

刘富强

（中铁西安勘察设计研究院有限责任公司，陕西 西安 710054）

1 静态同步补偿器原理

静态同步补偿器的主要工作原理是首先从三相交流电网获取电压，对直流电容进行充电，然后将电容上的直流电源进行逆变控制，将直流电转换为交流电压，并将其回馈至三相交流电网。当逆变电压高于系统交流电压时，变压器上的电流则比电压超前90度，静态同步补偿器呈现容性载荷属性，向外输出无功功率。当逆变的电压小于系统交流电压时，电流则比电压滞后90度，静态同步补偿器呈现出感性负载属性，起到吸收无功功率的作用。静态同步补偿器可以按照需求进行感性和容性的连续快速转换[1-3]。

按照储能元件类别的不同，静态同步补偿器可以分为电压型和电流型两类，储能元件为电容的，则成为电压型。储能元件为电感的，则称为电流型。按照补偿器接入电网的形式，可将补偿器分为并联型和串联型两类。较常见的组网形式为电压型并联式补偿和电流型串联式补偿。由于电压型补偿器具有较高的运行效率，应用最多的为电压型并联式补偿。静态同步补偿器较常见的逆变结构如图1所示，主体部分由三相逆变电桥构成，共6个GTO开关器件，并将快速恢复二极管与开关器件进行并联，用于电流续流作用。整个系统的工作原理是电流传感器将检测到的电流值输入至控制器，控制器将电流误差输入，经过控制算法运算输出控制信号，控制信号经PWM脉冲发生器转换为PWM脉冲控制信号，控制电桥开关器件的通断，从而实现对电网补偿。

图1 静态同步补偿器逆变结构

2 静态同步补偿器存在的问题分析

现有的静态同步补偿器主要存在两个方面的问题，一方面是静态同步补偿器无法自适应于不对称电路，另一方面是静态同步补偿器的稳定鲁棒性较差。在实际工程应用中，已有的静态同步补偿器主要是为高压大容量电网系统设计，高压大容量电网为对称的三相电路，而民用建筑多为低电压小容量系统，存在大量的单相载荷，电网必定为三相不对称结构，随着载荷的接入与断开，其三相载荷不对称程度也在随机波动[4]。在供电系统发生载荷不对称时，静态同步补偿器中将会出现较大的负序电流，负序电流流经直流电容，易造成电容老化和损坏，无法充分发挥出静态同步补偿器的作用。为克服这一问题，针对三相载荷不对称问题，可在系统载荷出现不对称时，将静态同步补偿器从线网中断开，避免其遭受损害。

静态同步补偿器的模型属于非线性的，一般的设计方法是将非线性模型进行近似线性化处理。利用近似线性化设计的控制系统其稳定性易受参数变化影响，很难同时兼顾系统稳定性和电容电压相应快速性，系统的鲁棒性偏差。需要改进非线性控制算法，保证静态同步补偿器具有足够的稳定裕度，同时能够达到要求的响应特性。

为克服静态同步补偿器存在的两点问题，需要对补偿器的设计方案进行改进，使其能够适应民用建筑的供电特点，在低压小容量的民用配电网中，发挥出静态同步补偿器对无功功率补偿、滤除谐波和稳定功率因数的积极作用。

3 静态同步补偿器改进技术应用

3.1 无功电流检测

无功补偿首先要解决的问题是无功电流的准确检测，因此提出基于瞬时功率算法的电流检测技术，其基本原理是：通过正余弦发生电路和锁相环电路，将其余电网电路进行耦合，获得与电网具有相同相位的正弦信号，再利用公式（1）对电流进行坐标变换，将电流从ab三相坐标系下转换到dq两相静态坐标系下，最后利用LPF滤波器滤除其中的直流分量，再对信号进行反向变换从而获得有功基波分量[5]。用三相原始值减去有功基波，获得无功电流的基波及谐波，从而实现了误差电流的检测。坐标转换公式为：

3.2 静态同步补偿器建模

为了静态同步补偿器能够适应于载荷不对称的民用建筑供电系统，对静态同步补偿器的电路结构进行改进，在原有结构上加入一个新的开关器件，改进型静态同步补偿器电路如图2所示。增加的开关支路为零序电流提供了通道，使其能够适用于三相不平衡的供电系统，将静态同步补偿器的主电路模型进行简化，按照电路拓扑结构建立微分方程公式，即可实现对静态同步补偿器的数学建模[6]。

图2 改进型静态同步补偿器电路结构

3.3 电流间接控制法

静态同步补偿器的电流控制方法可以分为直接控制法和间接控制法。其中，直接控制法是直接控制电流的瞬时值，主要利用跟踪型PWM技术，控制输出电流跟踪参考电流值，以实现对电流偏差值的补偿，但其对系统的控制精度和响应速度要求均较高，开关器件需要高频率的通断控制，需要融合多种技术来调整设备容量与开关频率之间的矛盾关系。间接控制是通过间接方式实现电流的控制，利用对输出电压的调节和控制系统电压的相位差，并对导通角进行组合控制，实现对电容电压的限制，间接法已在高压大容量供电设备上得到应用，这里尝试将其应用于小容量低电压的民用建筑。

4 结 论

静态同步补偿器属于一种新型的无功补偿器，在供电系统中得到越来越多的应用，其在无功补偿、稳定功率因数、抑制谐波方面具有重要作用。目前大多数静态同步补偿器仍然主要应用于大容量高电压设备，文中关于民用建筑供电系统中的静态同步补偿器应用进行了分析，阐述了其主要原理，并针对存在的主要问题，提出了一些改进方案，以期提升静态同步补偿器适应性和系统鲁棒性。