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戚莹莹,吴江峰
西安理工高校自动化学院,陕西西安710048
摘要静止同步补偿器(STATCOM)是柔性沟通输电系统的核心。具体分析了静止同步补偿器的基本工作原理、分类、元器件选择等,对静止同步补偿器的把握方式进行了综合与比较,综述了静止同步补偿器的应用及进呈现状,并提出今后静止同步补偿器的进展趋势。
关键字静止同步补偿器;逆变器;把握方式
Abstract
Keywords
1概述
静止同步补偿器(StaticSynchronousCompensator,STATCOM)是柔性沟通输电系统(FlexibleACTransmissionSystem,FACTS)的核心装置和核心技术之一。在此之前,又称ASVG、SVG、STATCON、ASVC,直至1995年国际高压大电网会议与电力、电子工程师学会建议接受静止同步补偿器(STATCOM)[1]。
静止同步补偿器接受新一代的电力电子器件,如:门极可关断晶闸管(GTO),绝缘栅双极型晶体管(IGBT),集成门极换向晶闸管(IGCT),并且接受现代把握技术,其在电力系统中的作用是补偿无功,提高系统电压稳定性,改善系统性能。与传统的无功补偿装置相比,STATCOM具有调整连续,谐波小,损耗低,运行范围宽,牢靠性高,调整速度快等优点,自问世以来,便得到了广泛关注和飞速进展。
我国电力工业进展快速,其需求将保持持续、快速的增长态势而且需求规模在增大,当前我国电力事业牢靠性要求高、有用性强;经济效益突出;节能,环保、高效成为主要趋势。STATCOM的广泛应用使得电力系统更加稳定高效,符合当今社会电力工程进展趋势。
2STATCOM的工作原理
STATCOM大体上分为电压源型和电流源型,在实际应用中大多使用电压源型(接受电压型变换器Voltage-sourcedinverter,VSI)。图1用以简洁说明基于VSI的STATCOM的工作原理。
如图1所示,STATCOM的主电路结构由直流侧大电容和基于电力电子器件的VSI组成,通过连接电抗接入电力系统。图中,U1是在抱负状况下(即忽视线路及STATCOM的损耗)将STATCOM的输出等效为一个可控电压源,US是系统侧等效成的抱负电压源,且两者相位全都。当U1跃US时,从系统流向STATCOM的电流相位超前系统电压90毅,输出容性无功;同样当U1约US时,从系统流向STATCOM的电流滞后系统电压90毅,输出感
性无功。当U1=US时,系统与STATCOM之间的电流为零,两者之间没有无功的交换。这是在抱负状况下的工作状态,事实上,US和U1一般具有一个角度差啄,通过把握US和啄就可以调整STATCOM发出或吸取无功的大小。
从理论上可以将STATCOM分为电压源型和电流源型。就其电路结构来说,电压源型STATCOM直流侧并联有大电容,保证在持续充放电或器件换向过程电压不会发生很大的变化,桥侧串联电感,而电流源型STATCOM则是直流侧串联大电感,保证在器件换向或充放电器件电流不会有大的波动,桥侧并联电感。如图2所示。
在实际应用中,常用的大容量STATCOM接受的基本都是电压源型结构。但是可以将SVG把握为电流源来进行无功补偿[2-3]。文献[4]提出了一种新的STATCOM把握策略即接受电压把握电流源(VCCS)的策略和改进的电压把握电压源(VCVS)的策略来补偿电力系统公共连接点(PointofCommonCoupling,PCC)电压不平衡,特殊是在较小容量时接受VCCS方式将能达到最好的补偿效果。
按构成基本单元逆变器模块,可以将STATCOM分为单相桥二电平,三相桥二电平,三相桥多电平。在大容量高电压等级的应用场合中,往往需要将多个低压小容量变换器通过变压器耦合(即多重化)[5]或接受变压器在沟通输入输出侧进行升压或降压,这样会产生耗能、谐波含量大、系统效率低等缺点。而多电平变换器开关器件所承受的电压应力小(如三电平变换器每个开关器件所承受的电压应力是二电平的一半[6]),谐波含量少,损耗降低,因此在大容量场合得到广泛应用和进展。
按构成元器件,可以将STATCOM分为GTO型,IGBT型,IGCT型,SCR型,GTR型,MOSFET型。基于功率变换的FACTS设备一般都接受全控型器件,主要是在GTO、改进型GTO(IGBT、MTO、ETO等)和(HV)IGBT等器件中选择。国际上第一个接受GTO作为逆变器功率器件的STATCOM,是由美国EPRI与西屋电气公司研制的,容量依1Mvar。我国依20MvarSTATCOM和日本关西电力系统Inuyama开关站依80MvarSTATCOM均是接受GTO作为功率器件的。IGBT适用于小容量场合,由ABB公司研制的配电STATCOM(DistributionSTATCOM,D-STATCOM),开关器件接受多个IGBT串联[7]。
按电压等级,可以将STATCOM分为高压输电网补偿和低压配电网补偿。在高压输电网中STATCOM需要通过变压器连接到电网中。在低压配电网中,通过电抗器并联或直接并联电网,即D-STATCOM。D-STATCOM的基本工作原理就是将桥式电路通过电抗器或直接并联在电网上,适当调整电路沟通侧输出电压的幅值或相位,或者直接把握其沟通侧电流就可以使该电路系统收获发出满足要求的无功电流,从而实现动态补偿无功的目的。另外可以通过脉宽调制接受特定谐波消退的方法来消退特定谐波[8]。
3把握方式
依据把握物理量,可以分为直接电流把握和间接电流把握。直接电流把握技术就是接受跟踪性PWM把握技术对电流波形的瞬时值进行反馈把握,直接指令电流的发生,结构简洁,电流调整响应快,对扰动的鲁棒性好,但是只适用于中小容量场合,对于大容量场合具有很大的局限性。间接电流把握,是通过STATCOM逆变器沟通电压极薄的幅值和相位,来间接把握沟通侧电流,简洁易实现,但动态性能欠佳,适用于大容量STATCOM。
为了削减谐波,在间接电流把握中可以接受多重化、多电平或者PWM技术来改善波形。
STATCOM装置主电路设计的多重化和链式结构是提高容量的常用技术。多重化结构就是用几个单相或三相逆变器产生相位相差若干度的方波电压,用变压器将不同相位的方波电压串联在一起,可以有效的提高容量与电压,削减谐波[5,9],但同时也会带来很多问题,诸如价格昂贵,增加了装置损耗和占地面积,并且变压器的铁磁非线性特性也给设计带来了困难。由ALSTOM公司为英国***研制的依75MvarSTATCOM接受了新型链式结构,摒弃了笨重的多重化变压器。链式STATCOM各逆变桥直流电容器是相互独立的,存在电容电压不平衡问题,混合型损耗差异、并联型损耗差异以及输入脉冲延时的不同是造成电容电压不平衡的主要缘由[10]。通过调整逆变桥与系统间的相位差,通过调整各逆变桥调制比都可以实现电容电压平衡[11]。图3和图4分别是链式和多重化结构的原理图。
从把握策略上讲可以分为开环把握,闭环把握,以及这两种的混合把握。通常从把握上讲是电压环以及电流环。文献[12]中STATCOM的把握是基于SVPWM的电压电流双环把握,利用锁相环(PLL)和低通滤波器(LPF)检测负载电流中无功电流的大小,通过dq变换实现STATCOM无功电流和有功电流在dq平面的解耦把握。同时,直流电压外环把握器输出耦合到有功电流把握环路实现直流电压稳压把握。
从把握技术角度来说有PI把握方法,PI逆把握方法,鲁棒自适应把握,递归神经网络自适应,滑模变结构,模糊把握方法[13]。其中鲁棒自适应把握方法,模糊把握系数选择困难;神经网络自适应方法不依靠于系统模型的建立,但实时性不好;滑模变结构线性化困难。在实际应用中还是以传统的PI把握居多。文献[14]提出了一种无源性把握(PBC)方法,建立了STATCOM的欧拉—拉格朗日系统模型,引入非线性规划的变尺度法进行优化。
为了达到更好的补偿效果,可以将传统的无功补偿装置与STATCOM联合运行把握,从而避开STATCOM为了获得抱负的输出电流波形,致使开关器件随着补偿电流增大,开关损耗增加,效率降低的问题。混合静止同步无功补偿器(HSTATCOM),基于无差拍把握(依据其状态方程和输出无功电流的预期值计算出下一个开关周期的脉冲宽度),利用有源与无源补偿相结合的方法,无源部分使用TSC作为主要补偿手段,不产生谐波,损耗小;利用有源补偿实现了补偿电流的连续调整,可以双向连续调整无功[15]。文献[16]提出了一种新型SVC与STATCOM构成的混杂装置以及基于模糊猜测的联合运行方案,即利用小容量STATCOM抑制闪变协作大容量SVC补偿无功,避开了STATCOM接受不对称把握时消灭的算法简单等问题。联合把握运行方式算法简便,把握目的明确,但其结构可能简单,所以在特定领域将会得到进展。
4应用及现状
STATCOM概念于20世纪80年月提出,实际应用主要集中在90年月,主要应用的有日本的依80Mvar(1991年),美国的100Mvar(1995年),丹麦基于4500/3000AGTO的依8Mvar(1997年)的STATCOM。由于STATCOM技术含量较高,把握并应用这一技术的主要有日本、美国、德国、英国、中国等国家。我国首台依20Mvar的STATCOM是由清华高校与河南省电力局在1994
—1999年共同研制,已于1999年3月在河南省洛阳市朝阳变电站投入运行[7]。对于这一技术,在2007年由湖南高校的罗安等人就基于STATCOM与SVC的电能质量调整器协调把握方法、由郭育华等人就STATCOM的把握方法申请了国家专利。
STATCOM的应用工程通常具有:在电力半导体器件选用上,绝大多数是基于GTO和IGBT的;在主电路上,大容量高压STATCOM主要接受变压器耦合多重化技术,中低容量和电压的DSATCOM较多接受三电平和/或PWM变换器;基本接受VSC;系统把握目标多样化;大容量STATCOM多接受水冷方式等特点。
据不完全统计,自第一台大容量STATCOM装置问世以来,全世界已经投入运营的大容量(10MVar及以上)STATCOM工程超过20个,总的可控容量超过3000Mvar。它们有的安装在输电网络中用于潮流把握、无功补偿和提高系统稳定性等,属于FACTS范畴;有的安装在配电和用电网络,用于改善电能质量和提高供电牢靠性,属于用户电力范畴,即用户电力把握器的D-STATCOM。表1给出了部分工程应用的基本状况,说明白自STATCOM问世以来的进展状况,这只是一少部分,可以看到,STATCOM主电路从最初的开关器件耦合,逐步进展为多个开关器件串联使用,结合VSI,接受NPC结构,并且用PWM进行把握,从而使STATCOM装置具有更加稳定与优良的性能。
5结语
静止同步补偿器(STATCOM)技术自问世以来得到了飞速的进展,多重化和链式结构应用于大容量STATCOM是国际上广泛关注的技术,但是要解决好器件的均压和不平衡把握等问题。大容量高电压的静止同步补偿器仍是今后争辩的重点,另外新的功率模块如IPM的争辩开发将会为STATCOM技术带来新的生气。STATCOM是柔性沟通输电系统的核心,有效的无功补偿对电力系统乃至国民经济有着重要的意义。
作者简介:
戚莹莹(1986-)女,硕士争辩生,争辩方向为电力电子与电力传动。
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