STATCOM对电力系统的稳定性影响仿真分析

张胜安，曹天成

(常州博瑞电力自动化设备有限公司，江苏 常州 213000)

当前的配电网建设有待加强，总体上电能质量还达不到电网要求，常常由于电气化铁路、钢铁冶炼等非线性负荷的增长及风电光伏等新能源发电的接入导致出现一系列冲击、扰动甚至导致电网故障停运现象。电网系统主要存在以下问题：输配电网负载不均匀，最大静态稳定传输功率不足，长距离输电线路过电压，电网系统较弱，不够稳定，非线性负荷引起的电压畸变严重等。无功补偿能有效解决这些问题。

无功补偿设备能提供系统功率因数，减少功率损耗，稳定电压，提高供电质量。从补偿方式上看，常用的有三种，分别是集中补偿、就地补偿和分组补偿[1]。集中补偿通常适用于控制线路总配电处的功率因数，就地补偿则是针对具体需要无功的线路或设备进行补偿，分组补偿则适用于用户负荷较为分散情况，目前以就地补偿方式较为普遍。

无功补偿设备的发展经历了4个时期，即同步调相机、电容电抗器组、静止同步补偿器及静止无功发生器。同步调相机发展最早，主要应用于要求较高的场合，但操作复杂，造价昂贵，目前应用较少。电容电抗器组采用整组投切方式，造价低且简单，但响应速度慢且容量不能平滑调节，一般用于补偿性能要求不高或和其他无功补偿设备相互配合的情况。静止同步补偿器则利用大功率电力电子器件进行控制，在响应速度和补偿性能上有了很大改进，目前应用最多。静止无功发生器则是在静止同步补偿器的基础上更为小巧灵活，小容量情况下应用较多。

对于不同型式的无功补偿设备在电力系统的补偿性能研究已有不少学者作出了探究。文献[2]针对串联无功补偿电容在低压配电网中的应用进行了仿真计算分析，表明了在配电网低压线路上加入串联补偿电容可以提升用户端电压，提升线路的功率因数，降低线损。文献[3]基于地铁项目实际情况，针对TCR和MCR两种无功补偿方式的补偿效果进行了对比分析阐述。文献[4]则根据某35kV煤矿的供电系统比较了仅采用FC支路进行无功补偿和采用静止无功发生器两种情况下系统电能质量指标变化，突出了静止无功发生器动态跟踪补偿的优势。文献[5]研究了静态无功补偿对风机输电系统次同步振荡特性的作用。本研究以STATCOM为例进行原理分析，以25kV配电网线路为例进行仿真分析，探究了STATCOM对电力系统的影响。

1 无功补偿原理

1.1 STATCOM系统架构

STATCOM系统主要包含4个部分，即启动回路间隔、连接电抗间隔、功率阀组间隔、控制保护系统间隔，具体模型如图1。

图1 STATCOM系统主接线模型Fig.1 STATOM system main wiring model

启动回路。启动回路主要由启动电阻和旁路开关组成。启动回路用于STATCOM功率模块的直流电容充电，当STATCOM未投入运行时，功率模块中的电容电压为0V，当支路开关合上时，如果直接合上旁路开关，会给STATCOM系统造成较大的冲击，因此在刚投入运行后的短时间内，先经过启动电阻限流，给功率模块充电，当功率模块上的电容电压到达预定值时，旁路开关合上，功率模组解锁正式运行。

连接电抗间隔。连接电抗间隔主要起到能量缓冲、降低输出电流纹波的作用。一般有两种型式，即电抗器和变压器。当STATCOM的容量要求较高时采用电抗器连接，当STATCOM的容量要求较低时采用变压器连接，不仅可以利用变压器的漏感充当电抗器的作用，还能经过变压降低STATCOM阀组的工作电压，稳定性和经济性更好。

功率阀组间隔。功率阀组是STATCOM系统的核心，主电路采用链式串联结构，每相由若干个功率模块单元组成。功率阀组和功率单元的拓扑结构如图2。

图2 功率阀组和功率单元拓扑图Fig.2 Power valve group and power unit topology

功率模块单元的核心器件是IGBT(绝缘栅双极型晶体管)和薄膜电容，目前较为先进的结构为H桥型，由4个IGBT组成，直流电容并联在H桥两端，H桥的中间为电压的输出端。外部阀组控制器采用PWM(脉宽调制技术)输出调制波脉冲来触发IGBT导通，通过改变调制脉冲来改变IGBT的导通角及导通时间，从而使功率模块输出的电压电平不同。当每相多个功率模块串联时，通过多个模块电平的叠加得到所需要的输出电压。功率模块输出电平及电压叠加原理如图3(a)(b)(c)所示。

图3 功率模块输出电平及电压叠加原理Fig.3 Superposition principle of power module output level and voltage

通过直接改变每个功率模块的输出电压可以间接改变STATCOM系统的输出电压，并且通常电网系统配置的STATCOM系统都会有足够的冗余，因此可以在感性和容性之间自动切换，从而达到实时跟踪电网系统状态并快速补偿、维持系统电压和稳定的作用。

1.2 无功补偿原理

以单相系统为例，当忽略STATCOM系统本身产生的谐波时，补偿回路可以简单等效为如图4所示的电路。其中，Us为电网侧的电压，U1为STATCOM等效的输出电压，X为线路连接电抗，R为等效损耗电阻。规定从电网侧流向STATCOM为电流I的正方向，当线路设备参数确认后，可通过调整Us和U1两者的幅值与相角就可以调整连接电抗器两端的电压UL，通过控制UL的大小和相位，便可以达到控制流经连接电抗器的电流I，进而控制无功功率输出。通过调节电压和相位来调节无功输出的原理向量图如图5。

图4 STATCOM单相等效电路Fig.4 STATOM single phase equivalent circuit

图5 不考虑R时的补偿向量图Fig.5 Compensation vector graph without considering R

忽略线路电阻R，若U1和Us相位相同，当改变U1，使U1>Us，则产生超前电网电压90°的电流I，如图2(a)所示，此时STATCOM工作在容性的工况下，吸收容性的无功功率，发出感性的无功功率；当U1

当考虑STATCOM内部损耗时，补偿向量图如图6所示。

图6 考虑R时的补偿向量图Fig.6 Compensation vector graph under the consideration of R

由于有R的存在，U1和Us的相位并不完全相同。STATCOM直流侧一般为电容或电感，由STATCOM产生的电流I与电网电压Us之间会有一个小于90°的相位差，将I在Us方向上投影便可得到STATCOM损耗的有功电流，而I与Us方向垂直的分量则为STATCOM产生的无功电流，根据无功电流的超前或滞后来判断是工作在感性还是容性工况下。

2 系统建模与仿真分析

2.1 STATCOM控制方法

STATCOM能自动跟踪并精确补偿无功功率，本质上改变并控制的物理量为电流，通过采集监测点无功电流，从而调节STATCOM输出所需的无功电流，其控制方法主要是直接电流控制和间接电流控制。控制系统直接控制STATCOM交流侧的输出电流，称为电流直接控制，否则就是电流间接控制。

2.1.1 电流间接控制

电流间接控制是将STATCOM视为交流电压源，通过调节STATCOM输出电压基波的幅值和相位达到间接控制交流侧输出电流的目的。电流间接控制有两种方法，即单δ控制、δ与Θ配合控制。

单δ控制。δ指的是STATCOM输出电压和电网电压间的相位差，STATCOM吸收的无功功率与2倍的δ的正弦值成正比。由数学极限可知，当δ变化很小时，STATCOM吸收的无功功率近似和δ成正比。通过控制δ的大小，可以控制STATCOM从电网中吸收的无功功率的大小和方向。

δ与Θ配合控制。Θ为将检测到的三相电压和电流经3/2变换后得到的电压和电流矢量之间的夹角。δ与Θ配合控制方法需要同时控制δ和功率器件的导通关断来调节STATCOM输出电压的幅值，具有直流侧电容电压稳定的优点，动态性能较好，但控制相对繁琐，通常还需加上电流反馈控制，并引入直流电压的反馈控制以便维持电容电压的恒定。

2.1.2 电流直接控制

电流直接控制对STATCOM输出侧的无功电流直接进行控制。跟踪型PWM(脉宽调制)技术是其控制的核心。跟踪型PWM技术控制无功电流输出是由PWM输出的脉冲信号驱动变流器输出相应的电流实现的，通常有以下几种主要的PWM技术。

三角波比较法。三角波比较法的控制思想为利用给定电流参考信号和实际电流反馈信号的偏差作为确定功率开关的参数，经过PI调节器，再与某一设定频率的三角波进行比较，并利用所得的比较结果控制功率器件的开关状态，最后实现无功电流的跟随。STATCOM容量较大时，三角波比较法应用较多，具有开关频率固定、电路简单易行等优势，但输出波形中高次谐波分量会导致其动态响应特性相对较差。

滞环比较法。滞环比较法与三角波比较法不同之处在于求得给定电流和反馈电流的偏差后将偏差送入环宽一定的滞环比较器中，进行滞回比较并产生相应的PWM触发信号，控制功率器件的开关动作。例如，在给定信号和参考信号的偏差大于环宽上限时，触发信号输出低电平，功率开关处于关断的状态，减小输出电流。反之，如果偏差小于环宽下限时，触发信号输出高电平，功率开关处于开通状态，增大输出电流，使得STATCOM的输出电流在环宽内有效跟踪参考电流。滞环宽度决定了电流的跟踪效果。滞环比较法在电流变化和容量较小的STATCOM中应用较为广泛。

2.2 STATCOM仿真

以25kV配电网电力系统为例，利用仿真工具进行建模，其仿真系统图如图7所示。

图7 25 kV配电系统仿真图Fig.7 Simulation diagram of 25 kV power distribution system

仿真系统图从左到右主要由以下几部分组成：带阻抗的25kV三相电源、三相线路、并联滤波支路、STATCOM、配电变压器及负载(包括可变负载和1MW固定负载)。B1、B2、B3为母线节点，通过左下角的数据监测模块和示波器来观测各节点相应的电压、电流或有功与无功变化情况。

本研究主要关注STATCOM对系统的性能影响，故仿真过程关注B1节点的电压和B3节点的电压、有功和无功，重点分析在相同条件下，增加STATCOM系统前后系统的相关电气量变化情况如何，由于三相电压变化情况基本相同，故电压检测均只针对其中一相。

图8为系统无可变负载和STATCOM时的波形图，PQ_B3为B3节点的有功和无功波形图，V_B1和V_B3分别为B1节点和B3节点的电压波形。

图8 无可变负载和STATCOM时波形图Fig.8 No variable load and STATCOM waveform

图9在图8的基础上在系统末端带上可变负载后的仿真波形图，数据监测的节点同图8。

图9 有可变负载且无STATCOM时波形图Fig.9 Variable load and no STATCOM waveform

图10在图9情况的基础上在B3节点前增加一套3Mvar的STATCOM系统后的仿真波形图。

图10 有可变负载和STATCOM时波形图Fig.10 Variable load and STATCOM waveform

由图8～图10比较可知，当系统运行带电后，在0.2～0.4 s的时间内，系统的功率和电压均有不同程度的振荡，当系统无STATCOM时，如图8和图9，节点B3处的功率和节点B1及节点B3处的电压的幅值振荡范围较大，而增加STATCOM系统后，如图10，STATCOM在振荡时输出无功电流，使得相同监测节点处的功率和电压的振荡幅度明显变小。由此可见，STATCOM可以有效抑制电力系统的功率和电压的振荡，增加电力系统的稳定性。

3 结论

介绍了STATCOM的发展背景及结构组成，分析了其补偿原理和控制策略。利用仿真工具，搭建25 kV配电网系统仿真模型，通过波形分析，对比电力系统增加STATCOM设备前后系统功率和电压振荡情况来验证STATCOM对电力系统稳定性的影响。仿真结果表明，STATCOM可以有效抑制电力系统振荡，增强电力系统的稳定性。